测控电路课程设计说明书-电机转速测量VIP

第一部分 绪论 计要求 电机或机床主轴转速的测量（一路或两路），速度不高于 1000 转 /分。查资料，选择合适的传感器，参考：编码器、圆光栅等。要求能够辨别方向，设计信号辩向和不低于 4 细分的电路。设计信号计数电路，设计单片机的信号采集电路及显示电路。计算显示当前转速，进行测量误差的简单分析。编写程序。设计电路图对应的 （选做）。 要内容 通过选择适当的传感器、设计信号调理电路、设计单片机硬件电路、编写单片机程序等实现主轴转速的测量。 本工作原理及原理框图 按照题目的要求我们要设计出 能把转速转换为可以显示的输出电路，并且要能显示出正反转。转速的测量首先是把转速信号转换为可以测量的电量信号，可以用传感器来完成这一步骤。当信号被传感器采集后要经过细分电路和辩向电路处理，处理成便于单片机运算的信号，处理后的信号送入单片机运算和显示，最后转速在 示器里显示出来。思路方块图如下： 案 选择 1、传感器： 测量转速的传感器有很多，主要有两种类型：一种是将转速转化为电量信号，比如电磁感应式测速传感器将转速转化为电压或是电流信 号；另一种是将转速转化为脉冲信号，比如霍尔式，电磁式、光电式转速传感器。基于题目中的要求和工业现场的环境，我们选择光电式转速传感器光电编码器。 光电脉冲编码器是一种数字式角度传感器，它能将角位移量转换为与之对应的电脉冲进行输出，主要用于机械转角位置和旋转速度的检测与控制。光电编码器主要有绝对式编码器和增量式编码器两种类型，前者是一种直接编码的检测元件，可直接把被测转角或位移转换成相应的代码，指示其绝对位置；后者作为速度、位置传感器应用于数字测量系统，本身并不能直接输出速度值，而要通过测量系统对编码器输出信号 进行计算、处理之后才能得出相应的速度值。设计中选用增量式编码器。 采用编码器进行速度检测常用的方法有 M 法、 T 法和 M/T 法 3 种 ， M 法传感器 细分辩向电路 后续处理电路 8051 单片机 显示电路 电机转速 显示器 通常应用于定时采样中， T 法在定步采样中使用较多。在转速较低时， T 法的分辨率较高， M 法的分辨率较低；转速较高时，则反之。这里设计选用测 M 法测转速。 2、细分辩向电路： 信号细分电路又称补差器，是采用电路的手段对周期性的测量信号进行插值以提高仪器的分辨力的一种重要方法。 测量电路通常采用对信号周期进行计数的方法实现对位移的测量，若单纯对信号的周期进行计数 , 则仪器的分辨力就是一个 信号周期所对应的位移量。为了提高仪器的分辨力，就需要使用细分电路。 根据周期性 测量信号的波形、振幅或者相位的变化规律 ，在一个周期内进行插值，从而获得优于一个信号周期的更高的分辨力。 根据光电编码器采集的脉冲信号特性和题目中对细分的要求， 我们采用直传式四细分辩向电路 ，它是最常用的细分辩向电路，输入信号为具有一定相位差（通常是 90 度）正好光电编码器采集的脉冲信号满足这个要求。 直传式细分电路由若干环节串联而成。 输入量：来自位移传感器的周期信号，以一对正、余弦信号或者相移为 900 的两路方波最为常见。输出量：有 多种形式，有时为频率更高的脉冲或模拟信号，有时为可供计算机直接读取的数字信号。中间环节完成从输入到输出的转换，常由波形变换电路、比较器、模拟数字转换器和逻辑电路等组成。各环节依次向末端传递信息 直传的意思。 3、后续处理电路： 后续处理电路的目的是将细分电路产生的脉冲转变为便于单片机采集和判断处理的信号，细分电路会产生两路信号，正向和反向的输出结果是不同的。此电路主要解决两个问题：一是把细分电路输出的两路信号转变为一路脉冲送入单片机。二是根据细分辩向电路辩向的结果来 判别光电编码器的转向 ，将其转向情况转变 为便于单片机判断的高低电平。我们选用一个 边沿 D 触发器和一个与门电路完成上述任务。 边沿 D 触发器 工作原理 ： 正跳沿 时触发器锁存 加入 的 输入信号D 的状态（高或是低电平），在 Q 端表示出来，其特征表、特征方程、时序图如下： =D 4、单片机及外围显示器电路： 测速装置的最终目标是将转速显示出来，我们用单片机和显示电路来做。 脉冲信号被送入单片机后，单片机要经过运算把接收到的脉冲转换为转速 x1 /分 )，还要判断是正转还是反转，并且将结果在 示器上显示出来。由于题目中转速条件是低于 1000 转 /分所以只要使用 4 个八段 可 以满足要求，一个用来显示正反转，三个用来显示转速。 通过单片机可以省去一些硬件完成的工作，比如计数、转换等，大大简化了硬件电路。 软硬件结合的方式也为系统的再次更改、升级提供条件，可以适合不同的现场环境。 第二部分 硬件电路设计 感器的选择 光电编码器与电动机主轴直接联接，从而使编码器转速与电机完全一致 。光电编码器又称轴编码器，光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆 板上等分地开通若干个长方形孔。 由于光电码盘与电动机同轴。电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，其原理示意图如图 示：通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差 90 度的两路信号如图 1 它是目前常用的测量角度精度较高的传感器件。经过转换也常常用来测量位移、速度等物理量。在一些自动测试系统中是不可缺少的传感元件。它以高精度计量圆光栅为检测元件通过光电转换将输入轴的 角位移信息转换为相应数字代码。因其结构简单、计量精度高、寿命长等优点，近年来在数控机床的精密定位方面使用较多。 它主要有两种形式：增量式和绝对式。绝对式有记忆功能、抗干扰强，但价格贵。增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲 A、 B 和 Z 相：A、 B 两组脉冲相位差 90。它的优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。其缺点是无法输出轴转动的绝对位置信息。 在增量式编码器中，光源和接收电路在编码器的两边电路原理图如下图 (这里选择每圈发 15 个脉冲的编码器为例 。脉冲数越多，精度越高，原理相同 )当光被遮挡时，输出高电平；反之，光通过时为低电平。这样我们就可以根据输出脉冲数知道编码器轴旋转的角度了。 A 盘和 B 盘相错，输出波形相差 1 4T。当编码器顺时针旋转时， B 相先于 A 相 1 4T，反之， A 相超前。 增量式编码器 数表 最高分辨率数 200000 信号输出接口 A、 B、两路相位差 90方波信号，一路零位脉冲信号 Z 工作温度 +60 振 动 击 20g 工作电源 寸图 细分辨向电路的设计 该电路 (见图 2)是利用单稳提取两路方波信号的边沿实现四细分。 A、 0 度的方波信号，传感器正相移动时，设 A 超前 B(如图 1 当 A 发生正跳变时，由非门 阻 容 与门 成的单稳触发器输出窄脉冲信号 A，此时 B 非为高电平，与或非门 计数脉冲输出；由于 B 为低电平，与或非门 计数脉冲输出。 当 B 发生正跳变时，又非门 阻 容 与非门 成的单稳触发器输出窄脉冲信号 B，此时 A 为高电平， 计数脉冲输出， 当 A 发生负跳变时，由非门 阻 阻 与门 成的单稳触发器输出窄脉冲信号 A的非，此时 B 为高电平，与或非门 计数脉冲输出， 计数脉冲输出。 当 B 发生负跳变时有非门 组 容 与门组成的单稳触发器输出窄脉冲信号 B的非，此时 A 的非为高电平，与或非门 计数脉冲输出， 计数脉冲输出。 这样，正向运动时， 一个信号周期内输出 A、 B、 A的非、 B的非四个计数脉冲，实现了四细分。 在传感器反相运动时 ，输出 A的非、 B、 A、 B的非四个计数脉冲，这四个计数脉冲分别出现在 B 的非、 A 的非、 B、 A 为高电平的半周期内，同样实现了四细分。 运动方向的改变交替输出脉冲，输出信号 图二 续处理电路的设计 该电路由一个 主轴正向旋转时， 出矩形波，出高电平，由电路图容易得出 01 相同的脉冲波，由于 D 触发器时钟脉冲端无上升沿， Q 连， 出低电平。 Q 的非端与单片机接口 连， 出高电平。当主轴反向旋转时 02发出的矩形波脉冲下，由于 D 端为高电平， Q 端输出高电平， Q 的非端输出低电平，输出矩形波脉冲。 片机及外围显示器电路 的设计 单片机选用 8051， 8051 单片机可分为无 和 两种：无 须外接 能应用（典型芯片为 8031）； 芯片又分为 （典型芯片为 8751）、 （典型芯片为 89掩膜 型芯片为 8051 ）、一次性可编程 称 芯片（典型芯片为 97 引脚图如下： 电源引脚 源端，接 5V。 地端。 时钟电路引脚 外部晶振和微调电容的一端，在片内它是振荡器倒相放大器的输入，若使用外部 钟时，该引脚必须接地。 外部晶振和微调电容的另一端，在片内它是振荡器倒相放大器的输出，若使用外部 钟时，该 引脚为外部时钟的输入端。 地址锁存允许 统扩展时， 于控制地址锁存器锁存 输出的低 8 位地址，从而实现数据与低位地址的复用。 外部程序存储器读选通信号 外部程序存储器的读选通信号，低电平有效。 程序存储器地址允许输入端 当 高电平时， 行片内程序存储器指令，但当 的值超过 0，将自动转向执行片外程序存储器指令。当 低电平时， 指令。 复位信号 信号高电平有效，在输入端保持两个机器周期的高电平后，就可以完成复位操作。 0/1/R/D/ 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 8031 8051 8751 40 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 21 22 23 24 A/入 /输出端口引脚 0 口（ 该端口为漏极开路的 8 位准双向口，它为外部低 8位地址线和 8 位数据线复用端口，驱动能力为 8 个 载。 （ 它是一个内部带上拉电阻的 8 位准双向 I/O 口， 个 载。 （ 它为一个内部带上拉电阻的 8 位准双向 I/O 口， 个 载 。在访问外部程序存储器时，作为高 8 位地址线。 （ 为内部带上拉电阻的 8 位准双向 I/O 口， 除了作为一般的 I/O 口使用之外，每个引脚都具有第二功能。 单片机及外围显示器电路 如图 3， 输出段选码， 位选码，主轴转速范围 1000r 下，用到四个 示器； 10000r 下，用到五个，依此类推。设计题目条件是转速为 1000r 下所以我们用四个 示。前三个 分别显示百位、十位、个位；第四个 指示主轴旋转的方向。当主轴正向旋 转时，第四个 不显示，当主轴反向旋转时，该管显示符号“一” (g 段发光二极管被点亮 )。 7406 为反相驱动器，为了显示清晰我们选用的是共阴极 转速运算：主轴每秒所转圈数乘以编码器的脉冲数 15 再与四相乘，得到每秒主轴所转圈数，除以 60，以转分输出显示，则传感器每秒输出脉冲的个数即为以转分为单位的转速数。这里我们选用 15 的编码盘省去了单片机里数字运算的过程。程序中用 时， 数，每秒将计数值送入单片机内存中，数据处理后输出显示，采取动态扫描显示。 体工作电路原理图 第三部分 软件的设计 程序说明 本设计中，单片机用来完成计数和显示。程序用到两个计数器，一个用来记录和转速相关的脉冲数，一个用来一秒计时。因为传感器选择的是 每圈 15 个脉冲的光电编码器，所以一秒钟单片机得到的脉冲数是实际电机转的圈数乘以 15再乘以 4， 正好转化为每分钟多少转。也就是说单片机中程序省去了数字计算的步骤，直接可以把记得的脉冲数送到显示器上显示为 /分。 基于这种情况，程序设计时 ， 够一秒钟的 脉冲 计数值才被送到显示缓存器里，不 足 一秒钟 时， 程序就显示上一秒测得的转速。 程序流程图 主程序流程图 中断服务程序流程图 显示子程序流程图 序清单 主程序： 0000H 000 #60H B， #0 ；寄存器 B 写 10 #51H ； 时 式 1，每隔 100断一次，十次为 #0 ；赋 定时器初值 100#3#00H ； 数，初值为零 #00H ；开定时器 ；开总中断 $ 中断服务程序： 000 ；关闭两定时器 A， ；计数器值高八位叠加到寄存器 A， A A， ；计数器值低八位叠加到寄存器 A， A B， ； 判断是否中断了 10 次 B， #0 ； 重新给 B 赋值 10 ； 二、十进制转换 #64H ； 示次数 100 次 #11H ； 式不变 ， 式 1， 定时 #0； 定时器 初值定时 10 #78H ； 开 ； 等待 出 ； 清除 出位 ； 调用 10次数据动态显示子程序 ； 循环显示 100 次 ； 关定时器 两个定时器回到初始模式 #51H #00H #00H #0#3 ； 开启两定时器 示子程序 A， 40H， A ； 将个位放入 40H 单元 A， 39H,A ；将十位放入 39H 单元 A， 38H， A ；将百位放入 38H 单元 #40H ；显示数据首地址写入寄存器 #80H ；位选信号“ 10000000”写到 A， # ； 字形表头地址送 ； 判断正反转状态 A ； 反转第四个数码管显示 A， #40H ； 符号 “ 一 ”的段码送到 A ；调用延时 1程序 #0 ； 正转第四个数码管不显示 A， 2： A ； 从倒数第二个数码管开始显示 A， A， A+ ； 取出字形码 A ；送到 示 ；调用延时 1程序 ；数据缓冲区地址向下移一位 A， B ； 第一个数码管显示了吗 ? A ； 没有 ， 位选左移一位 A ； 再次动态显示一次 306H， 5466H， 6 707H， 76 ；共阴极 示字形编码表 #02H ；一秒延时子程序 #0 A ； 二、十进制转换子程序 A A A # C A， A A， A A A， ； 是个位数字 A， A A A A， ； 是十位数字 A， A A A A， ； 是百位数字 A， A A A ；判断是否转换完成 四部分 误差 分析 测量误差是不可避免的，只有分析误差出现的原因才能，对仪器进 行标定和改造 ，就设计的系统而言，本电机转速测量装置的误差主要有两个方面。 1、传动误差 电机主轴和传感器的连接方式 有可能引进 误差 。如果采用齿轮传动，只有齿间的啮合间隙会对正反转 变 换时有影响，但不会影响到转速的测量 ，因为电机转动不可能马上正反切换。如果采用皮带传动，因为皮带 在突然加速或是减速时会有可能打滑，这样会导致测量误差。所以，不建议用皮带来来连接传感器。 2、传感器误差 A、 对于转速检测系统，其性能好坏主要取决于准确性和分辨率。而准确性直接受到光电编码器性能的影响，这是因为编码器在制造过程中所形成的分割误差总是存在的。 B、 增量式光电编码器由于无记忆能力，码盘的线数高，故对抖动干扰非常敏感，尤其在旋转方向变换和低速运动时影响最大。 当 电机的转动极不均匀 时影响会很明显 。如果缺乏有效的抗抖动和消除误码能力，系统的检测精度与实际值之间将 会 产生较大误差 。 C、 M 法 测转速 又称之为测频法 ， 在实际的测量中，时间 的脉冲个数不一定正好是整数，而且存在最大半个脉冲的误差。减小测量误差的方法是采用高线数的光电编码器。 并且 对于给定的光电编码器线数 N 机测量时间 件下，转速越高，计数脉冲 大，误差也就越小。 3、 单片 机计数误差 该系统设计时是采用 M 法测转速，单片机 定时采样 接收到的脉冲数 ，我们把 1 秒分为 10 个 100次采样的脉冲数都累加到 ，直到到 1秒钟，再把总计数送到显示缓存器中。 程序运用中断来调用显示，即每采样 100显示转速。显示的 期间 单片机不计数，也就是说我们把 1 秒钟分为了不相连的 10 的 100段。由于 不到一秒和到了一秒 显示的时间不同，故而这个间隔 也 不是均等的。当电机处于加速或是减速时，这种不均匀就会带来误差。 此外，单片机在采样外部计数时也会存在误差，这种误差是随机的。 有些脉 冲 正好在中断时到来， 会 因中断而丢失 ,但只丢失一个脉冲不会导致大的误差。 第五部分 设计总结 虽然自己是一个电子发烧友，虽然 自己 经常写一些单片机小程序， 虽然自己已经学习了测控专业的大部分专业课，但是这次课程设计对于我来说仍然是一次挑战。要在短时间里搞定器件选择、电路设计、程序设计、编写说明书不能不说是一件大工程 。还在自己是“实力派”，在规定的时间里，我们按时拿出了完美的作品。 本次课程设计我 得到了收获 很多 ，因为我查阅了很多资料，并通过这次课程设计， 巩固 了 以前学习过的知识，对以前没有写好的知识点进行了补充 。 这次课设可以说是对以前的知识进行了一次大梳理，让我们动心忍性， 增益其所不能 。 我抽到的课程设计的题目是 电机转速的测量，只给了条件和要求 ，所有的思路，以及器件的选择，还有单片机的编成都要自己来完成。所谓最难的是选择，因为可以实现的 测转速的传感器有很多，我们小组讨论两天后，决定采用光电编码器。 传感器选好后，工作进程就进入正轨。方案的确定是根据题目提示的方案，因为是测控电路的课程设计，电路部分一定是重点，我们确定方案后，基本上电路图的草稿已经出来。这学期刚好学完 图软件，正派上用场，但是事情并不是 像想象中那样顺利，因为我们学 是速成，学得很肤浅，所以一些元器件找不到。于是借基本参考书一边学一边画电路原理图。 通过这次，我对 掌握能力得到大大提升。