基于89c51及测量电动机转速系统.doc

摘要在测量电动机的转速中，测量转速的方法分为模拟式和数字式两种。模拟式采用测速发电机为检测元件，得到的信号是模拟量。数字式通常采用光电编码器，霍尔元件等为检测元件，得到的信号是脉冲信号。由于微型计算机迅速发展，特别是高性价比的单片机的出现，转速测量普遍采用以单片机为核心的数字式测量方法。本设计是由增量式光电编码器，89C51单片机，二极管，蜂鸣器以及一些必要的运算放大器组成的电机转速检测系统。本设计的主要功能是：在电机运行过程中，检测系统对转速进行实时监控，转速如果超过200r/min，则发出报警；如果转速低于200r/min，则正常运行。本设计的优点是：硬件电路简单，软件编译简单，测量速度快捷，整体价格低廉，电路功耗低等特点。但由于在硬件系统中的测量误差与计算中不可避免的舍入误差，使得测量系统含有一定的误差。关键字：光电编码器，单片机，蜂鸣器，T法测速，T0定时器/计数器一、系统方案的选定本设计的设计目的是：设计一个由单片机控制的电机转速检测系统，实时监测电机的转速，达到设定值，声音报警提示。通过设计，掌握光电编码器的工作原理和控制系统的设计步骤，进一步提高综合运用知识的能力。设计要求是：选择光电编码器，设计电机转速检测系统，转速超过200r/min，自动报警提示。所以根据设计目的与功能要求，选择增量式光电编码器，选定光电编码器的T法测速法；通过P3.2()，或P3.4（T0）引脚把光电编码器输出05V的方波脉冲序列，引入单片机内；通过单片机内部的TO定时器/计数器的功能，计算出光电编码器每个脉冲的时间间隔Tc；通过公式n=60/Z/Tc=60f/ZM(Z=倍频系数X编码器光栅数)计算出电动机的实时转速N；通过编好的软件，拿实时转速N与规定转速上限n=200r/min比较，如果实时转速N大于200r/min，系统报警（蜂鸣器发声），红色报警灯亮；如果实时转速N小于200r/min，系统正常工作，不会报警，绿色工作指示灯亮。同时，检测系统进入下一个检测周期，继续对电动机转速进行检测。以此实现，转速系统对电动机的实时检测，报警提示。二、系统各部件及原理2.1.1 光电编码器光电式旋转编码器是检测转速或转角的元件，旋转编码器与电动机相连，当电动机转动时，带动编码器旋转，产生转速或转角信号。旋转编码器分绝对式和增量式两种。绝对式编码器在码盘上分层刻上表示角度的二进制数码或是循环码，通过接收器把该数码送入计算机。增量式编码器是在码盘上均匀地克制一定数量的光栅，当电动机旋转时，码盘随之一起转动。通过光栅的作用。通过光栅的作用，持续不断地开放或封闭光通路，因此在接受装置的输出端便得到频率与转速成正比的方波脉冲序列，从而可以计算出转速。光电码盘的光栅数为N，则转速分辨率为1/N，常用的增量式光电码盘光栅数有1024、2048、4096等。采用倍频电路，可以有效地提高转速分辨率，而不增加旋转码盘的光栅数。图1 增量式光电码盘原理图图2 某型光电编码器的使用参数本设计中采用增量式光电编码器，光栅数为1024，不适用倍频电路，即一倍频。2.1.2 测速方法光电编码器的测速方法有三种，M测速方法，T测速方法，M/T测速方法。M测速方法：在一定时间Tc内测取旋转编码器输出的脉冲数M1，用以计算这段时间内的转速。适用于高速测速。T测速方法：测出旋转码盘两个输出脉冲之间的间隔时间来计算转速，又称周期测速法。适用于低速段测速。M/T测速方法：是T测速方法与M测速方法的综合，分辨率高，适用范围大。考虑到转速上限为200r/min，转速不大，且要求转速的测量简单易行，采用T测速方法。T测速方法的实现：以旋转编码器输出的相邻两个脉冲的同样变化为计数的起点和终点，记录计算机发出的脉冲数，从而测出时间Tt。准确的测速时间Tt是用所得的高频始终脉冲数M2计算出来的，即Tt=M2/f，因而电动机转速为n=60/ZTt=60f/ZM2。测速原理如图所示：图3 T法测速原理图2.2.1 89C51单片机89C51单片机是整个测量系统的主要部分，负责接收光电编码器的脉冲信号，开始记录单片机内部脉冲数M，或者循环次数A，从而得出时间Tc，进而得出实时转速N。通软件拿实时转速N与规定转速上限n=200r/min比较，如果实时转速N大于200r/min，系统报警（蜂鸣器发声），红色报警灯亮；如果实时转速N小于200r/min，系统正常工作，不会报警，绿色工作指示灯亮。单片机原理图如下，在本设计中将使用到XTAL1，XTAL2， Vcc，RST/Vpd，Vss，或T0，P1.0，P1.1，P1.2引脚。图4 89C51单片机引脚图2.2.2 时钟信号89C51芯片内部有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器。反相放大器的输入端为XTAL1，输出端为XTAL2，两端跨接石英晶体及两个电容，构成稳定自振荡器。电容C1和C2常取30pF，可稳定频率并对晶振有微调作用，频率为024MHz。本设计使用6MHz的晶振。原理图如下：图5 89C51的片内振荡器2.2.3 复位电路为89C51单片机设置一个上电自动复位的电路，即上电复位是在加电瞬间电容通过充电来实现的。在测量出现较大偏差时，通过复位电路来恢复初始状态从新测速，校正单片机的测速。其原理图如下，（因为选用的是6MHz的晶振，电容C=22f,电阻R=1k）图6 上电复位电路2.2.4 定时器与计数器89C51芯片内有两个16为定时器/计数器，即定时器0（T0）和定时器1（T1），由工作模式寄存器TMOD和控制寄存器TCON，工作原理如下：图7 工作模式寄存器TMOD图8 工作模式寄存器TCON89C51的定时器有四种工作模式，模式表如下：图9 定时器工作模式由于是T测速方法，所以选择T0的外部计数方式C/=1计数器的输入是来自T0（P3.4）的外部脉冲，GATE=1，只有。2.3.1 Tc的得出与转速的比较原理T测速方法的实现：以旋转编码器输出的相邻两个脉冲的同样变化为计数的起点和终点，记录计算机发出的脉冲数，从而测出时间Tt。进而通过一系列的数学变化，与转速上限200r/min比较，进而得到想要得到的信息。在单片机内部，无法直接得到两个脉冲的时间间隔Tc，只能由间接计算而算出Tc。具体实现为：计机内部脉冲数M，或者计循环次数A，通过计算从而得出时间Tc。因此有两种计算方法：1.计脉冲数M法；2.计循环次数A法。由于用单片机进行数学计算，软件程序耗时，设计复杂，所以就对时间Tc与转速n，进行变化，简化程序，得到一个直接与脉冲数M，或循环次数A的大小比较关系。2.3.2 计脉冲M数法计脉冲数法的原理是：单片机原理及接口技术144页，例6-7-应用门控制位GATE测照相机快门打开时间。把光电编码器的输出脉冲信号引到P3.2()引脚。实际上就是，利用测出P3.2引脚上出现的正脉冲宽度。T0应工作在定时方式。TMOD的门控制位GATE为1，且运行控制位TR0为1时，定时器/计数器的启动和关闭受外部中断引脚信号的控制。为此在初始化程序中使T0工作在模式1，置GATE=1；TR1=1；一旦P3.2控制引脚出现高电平，T1开始对机器周期Tm计数，直到P3.2出现低电平，T0停止计数；然后读出T0的计数值M。而实际码盘上的两相邻的脉冲时间应该对应的为2M脉冲数的时间。工作原理如下：图10 计脉冲数M法原理图由于n=60f/Z/2M，（f为单片机内部晶振f=6MHz，M为脉冲次数，Z=倍频系数X编码器光栅数z=1024），所以通过数学变化有M=60f/Z/n/2，因为转速上限n=200r/min，所以脉冲数M临界为878.9，近似为878，舍入误差为0.103%，当M大于878，转速小于200r/min；当M小于878时，转速大于200r/min。因此，利用一个比较脉冲数M与数878的大小，就可以实现转速的测定。程序流程图如下：图11 计脉冲数M法流程理图2.3.3 计循环次数A法计循环次数法的原理为：单片机原理及接口技术136页，例6-2-当P3.4引脚上的电平发生负跳变，从P1.0输出一个500m的同步脉冲，以及101页，例4-11-软件延时程序，1）采用循环程序进行延时子程序。把光电编码器的输出脉冲信号引到P3.4引脚。选T0为模式2，外部计数方式，当P3.4引脚上电平发生负跳变时，T0计数器加1，溢出标志TF0置1，然后进入循环与延时子程序，在循环与延时子程序中记录循环次数A，并把溢出标志TF0置0，保持T0的外部计数方式，继续等待下一个负跳变。当下一个负跳变到来，T0计数器加1，溢出标志TF0置1。跳出循环与延时子程序，保存循环次数A。设计好的软件中延时时间为T=（5A+1）2m（单片机内部晶振f=6MHz，一个机器周期为2m），而它也是光电编码器两个相邻脉冲之间的时间Tc。由于n=60/Z/Tc（Z=倍频系数编码器光栅数z=1024）,又 Tc= （5A+1）2m。通过数学变化有A=(601000000/Z/n/2-1)/5，因为转速上限n=200r/min，所以循环数A临界为29.09，近似为29，舍入误差为3.1%，当M大于29时，转速小于200r/min；当M小于29时，转速大于200r/min。因此，利用一个比较循环数A与数29的大小，就可以实现转速的测定。测量原理图如下：图12 计循环数A法原理图程序流程图如下：图13 计循环数流程图2.3.1 报警提示在软件中通使用硬件电路测量所得的脉冲数M或循环数A，与规定转速上限200r/min对应的临界值的比较，得到相应的结果。如果测得的脉冲数M或循环数A小于转速上限200r/min的临界值，系统报警，即软件使蜂鸣器发声，红色报警灯亮；如果测得的脉冲数M或循环数A大于转速上限200r/min的临界值，系统正常工作，不会报警，软件使绿色工作指示灯亮。如图所示：图 报警提示部分原理图2.3.2 蜂鸣器本设计中采用压电式蜂鸣器约需10mA的驱动电流，因此使用TTL系列的7406低电平驱动。如图所示:驱动电路输入端接89C51的P1.0。当P1.0输出高电平1时，7406的输出为低电平0，使压电蜂鸣器引线获得将近5V的直流电压，而产生蜂鸣。当P1.0输出低电平0时，7406的输出为高电平1，使压电蜂鸣器引线两端均为+5V的直流电压，不能产生蜂鸣。2.3.3 红色报警灯与绿色工作指示灯本设计中采用两个发光二极管，一个为红色报警灯与绿色工作指示灯。如图所示:红色报警灯接P1.1。当P1.1输出低电平0时，发光二极管引线获得将近5V的直流电压，而点亮，发出红色报警指示。当P1.1输出高电平1时，使发光二极管引线两端均为+5V的直流电压，不能点亮。绿色工作指示灯接P1.2。当P1.2输出低电平0时，发光二极管引线获得将近5V的直流电压，而点亮，发出绿色工作指示。当P1.2输出高电平1时，使发光二极管引线两端均为+5V的直流电压，不能点亮。三、系统设计硬件电路与PCB图四、控制程序4.1 计脉冲数M法程序ORG 0000HAJMP MAINORG 0300HMAIN:MOV TMOD,#09H;T0为模式1，GATE置1MOV TL0,#00H；装载计数初值0MOV THO,#00H；装载计数初值0CLR P1.O；关闭蜂鸣器SETB P1.1；关闭红色报警灯SETB P1.2；关闭绿色工作指示灯WAIT1:JB P3.2,WAIT1；等待变低SETB TR0；为启动T0做好准备WAIT2:JNB P3.2,WAIT2；等待方波脉冲，并开始计时WAIT3:JB P3.2,WAIT3；等待变低CLR TR0；停止T0计数MOV R1,TL0；存放TL0的计数值MOV R2,TH0；存放TH0的计数值PTFO1:MOV A,R2；将TH0的数值存放到寄存器ACLR CY；标志位清0SUBB A,#06; A与临界值878D的高八位比较大小JBC CY,PTFO2；如果A小于临界值，转向报警程序CLR P1.2；如果A大于临界值，绿色工作指示灯点亮SJMP WAIT1；返回循环程序，继续测速PTFO2:CLR P1.1；红色报警灯点亮SETB P1.0；蜂鸣器发声SJMP WAIT1；返回循环程序，继续测速RETIEND；结束4.2 计循环次数A法程序ORG 0000HAJMP MAINORG 0300HMAIN:MOV TMOD,#06H；设置T0为模式2，外部计数方式MOV TL0,#0FFH；装载计数初值MOV THO,#0FFHCLR P1.O；关闭蜂鸣器SETB P1.1；关闭红色报警灯SETB P1.2；关闭绿色工作指示灯SETB TR0；启动T0计数LOOP1:JBC TF0,PTF01；查询T0溢出标志，TF0=1时转移，且TF0=0（查P3.4负跳变）SJMP LOOP1；等待负跳变PTFO1:MOV A,#0H；把0装入寄存器AW1:INC A；A加1JBC TF0,PTFO2；查询T0溢出标志，TF0=1时转移，且TF0=0（查P3.4负跳变）SJMP W1；等待负跳变PTF02:CLR CY；标志寄存器清0SUBB A,#1DH；循环次数A与临界值比较29DJBC CY,PTFO3；如果循环次数A小于临界值，转向报警程序CLR 1.2；如果循环次数A大于临界值，绿色工作指示灯亮SJMP LOOP2；转入延时子程序PTFO3:CLR P1.1；红色报警灯点亮SETB P1.0；蜂鸣器发声SJMP LOOP2；转入延时子程序LOOP2:MOV R5,#0AH;设定循环次数为10次的延时 W2:DJNZ R5,W2;判断循环条件 SJMP LOOP1;返回循环程序，继续等待中断，准备测速RETIEND；结束五、设计心得经过一周忙碌而又紧张的课程设计，