毕业设计（论文）-基于单片机的转速测量的研究与设计.doc

武汉大学本科毕业论文 基于单片机的转速测量系统的研究与设计 I 摘摘 要要 在工程实践中 经常碰到需要测量转速的场合 而单片 机作为一款性价比很高的微控制器在测速系统有着广泛的应用 首先 本文叙述了单片机测量转速的系统构成及转速测量的 几种常用方法 其次 介绍了一种基于89C51 单片机 的电 动 机测速系统 该系统利用霍尔传感器产生 脉冲信号 通过定 时算法程序 将转速结果实时显示出来 最后 对测量指标 进行了分析 比较并提出改进方案 关键词 单片机 转速测量 霍尔 传感器 武汉大学本科毕业论文 基于单片机的转速测量系统的研究与设计 II 目目 录录 摘 要 I 目 录 II 第一章 绪论 1 1 1 关于单片机测控系统 1 1 2 数字式转速测量系统的发展背景 2 1 3 课题主要内容和存在的问题及研究目的和意义 3 1 3 1 课题研究目的和意义 3 1 3 2 研究的主要内容 3 1 3 3 需解决的问题 3 第二章 基于单片机的转速测量原理 4 2 1 转速的测量原理 4 2 2 转速的测量方法 5 2 2 1 测频法 M 法 5 2 2 2 测周期法 T 法 6 2 2 3 测频测周法 M T 法 7 2 3 误差和精度分析 7 2 3 1 M 法 测量误差分析 7 2 3 2 T 法 测量误差分析 8 2 3 3 M T 法 测量误差分析 9 第三章 电机转速测量电路设计 10 3 1 硬件电路设计 10 3 2 电路工作原理分析 11 第四章 系统程序设计 15 4 1 程序设计 15 4 1 1 工作方式及控制字设置 16 4 2 结果分析和有待解决的问题 19 结论 21 致谢 22 参考文献 23 附录 1 原理图 24 武汉大学本科毕业论文 基于单片机的转速测量系统的研究与设计 1 第一章第一章 绪论绪论 1 1 关于单片机测控系统 目前 随着芯片技术及单片机功能的不断发展和成熟 单片 机技术已经在 工业控制系统 中得到广泛的应用 如气轮机电 液调节系统 调速系统等 典型的应用系统是单片机要完成工 业测控功能所必须具备的硬件结构系统 它包括系统扩展和系 统配置两部分内容 单片机测控系统组成框图如 1 1 所示 整个系统由基本部分 键盘 显示器配置 和测控增强部分 传感器接口与伺服驱动控制接口 构成 图 1 1 单片机测控系统组成框图 对于数字量 频率 周期 相位 计数 的采集后可通过 I O 口输入 数字脉冲可直接作为计数输入 测试输入 I O 口输入或中断源输入进行事件计数 定时计数 实现脉冲的 频率 相位及计数测量 对于模拟量的采集 则应通过A D 变换后送入总线口 I O 口或扩展 I O 口 并配以相应的 A D 转换控制信号及地址线 对于开关量的采集则一般通过 I O 口或扩展 I O 口线 应用系统可根据任何一种输入条件或 内部运行结果进行输出控制 开关量输出控制有时序开关 逻 武汉大学本科毕业论文 基于单片机的转速测量系统的研究与设计 2 辑开关 信号开关阵列等 通常 这些开关量也是通过I O 口或扩展 I O 口输出 模拟量的输出常为伺服驱动控制 控制 输出通过 D A 变换后送入伺服驱动电路 与上位机进行通讯 的 RS232 RS485 串行口 微型打印机等常规外设为纯数字信 号大都可直接与单片机的数据线或通讯口相连 其标准性和通 用性很强 应用十分方便 1 2 数字式转速测量系统的发展背景 目前国内外测量电机转速的方法有很多 按照不同的理论方 法 先后产生过模拟测速法 如离心式转速表 用电机转矩或 者电机电动势计算所得 通风部测速法 如机械式或闪光式 频闪式测速仪 以及计数测速法 计数测速法有可分为机械式 定时计数法或电子式定时计数法 传统的电机转速检测多采用 测速发电机或光电数字脉冲编码器 也有采用电磁式 利用电 磁感应原理或可变磁阻的霍尔元件等 电容式 对高频振荡 进行幅值调制或频率调制 等 还有一些特殊的测速器是利用 置于旋转体内的放射性材料来发生脉冲信号 其中应用最广的 是光电式 光电式测系统具有低惯性 低噪音 高分辨率和高 精度的优点 加之激光光源 光栅 光学码盘 CCD 器件 光导纤维等相继出现和成功应用 使得光电传感器在检测和控 制领域得到广泛的应用 而采用光电传感器的电机转速测量系 统测量准确度高 采用速度快 测量范围宽和测量精度与被测 转速无光等优点 具有广阔的应用前景 武汉大学本科毕业论文 基于单片机的转速测量系统的研究与设计 3 1 3 课题主要内容和存在的问题及研究目的和意义 1 3 1 课题研究目的和意义课题研究目的和意义 在工程实践中 经常会遇到各种需要测量转速的场合 例如 在发动机 电动机 卷扬机 机床主轴等旋转设备的实验 运 转和控制中 常常需要分时或连续测量和显示其转速及瞬时 转速 要测速 首先要解决的采样问题 在使用测速表时 常用测速发电机的方法 即将测速发电机的转轴与待测轴相连 测速发电机的电压高低反映了转速的高低 为了能精确地测 量转速外 还要保证测量的实时性 即要求能测得瞬时转速 因此转速的测试具有重要的意义 1 3 2 研究的主要内容研究的主要内容 1 详细分析转速的测量理论 对转速的周期测量法 T 法 频率测量法 M 法以及周期频率 M T 测量法 三种 具体测量方法的转速计算 各自的测量精度和误差进行阐述 定性地比较三种方法所针对的转速特征 分析高 中 低转速 情况下各自的适用状况 从而 在保持一定的测量精度情况下 应用 M 法 说明转速测量原理 2 根据单片机系统的设计原则 对电动机 提出测量方案 构建硬件系统 同时分析接口电路 显示转速 3 根据 设计 要求 对单片机定时 计数器进行设置 设计和 说明定时 计数器在 M 法测量中的作用和使用方法 用 C 语言编制程序 包括主程序流程 显示中断程序流程 1 3 3 需解决的问题需解决的问题 1 单片机在系统运行过程中 中断设置问题 2 系统硬件电路制作 调试 武汉大学本科毕业论文 关于单片机的转速原理的研究与设计 4 第二章第二章 基于单片机的转速测量原理基于单片机的转速测量原理 2 1 转速的测量原理 转速是工程中应用非常广泛的一个参数 而随着大规模及 超大规模集成电路技术的发展 数字测量系统得到普遍应用 利用单片机对脉冲数字信号的强大处理能力 应用全数字化的 结构 使数 字测量系统的越来越普及 在测量范围和测量精度 方面都有极大的提高 转速的测量方法有很多 由于转速是以 单位时间内的转速来衡量的 所以本文采用霍尔元器件测量转 速 霍尔 器件是有半导体材料制成的一种薄片 其长为l 宽 为 b 厚度为 d 若在垂直于薄片方向 即沿厚度d 的方向 施加外磁场 在沿长为l 的方向的两端面加外电场 则其内 部会有一定的电流通过 由于电子在磁场中运动 所以将受到 一个洛仑兹力 其大小为 F qVB 式中 F 为洛伦兹力 q 为载流子电荷 V 为载流子运动速度 B 为磁感应强度 由于受洛伦兹力 电子的运动方向轨迹将发生偏移 在霍 尔元器件薄片的两个侧面分别产生电兹积聚或电荷过剩 形成 霍尔电场 在霍尔器件两个侧面间形成的电位差为霍尔电压 其大小为 U RBI d 式中 R 为霍尔常数 I 为控制电流 设K R d 它称为霍尔 器件的灵敏系统 表示该霍尔元件在单位磁感应强度和单位控 制电流下输出霍尔电动势的大小 若控制电流保持不变 则霍 武汉大学本科毕业论文 关于单片机的转速原理的研究与设计 5 尔感应电压将随外界磁场强度而变化 根据这一原理 可将一 块永久磁钢固定在电动机转轴上转盘的边沿 转盘随被转轴旋 转 磁钢也将跟着同步旋转 在转盘附近安装一个霍尔元件 电机旋转时 霍尔元件受到磁钢所产生的磁场影响 故可输 出脉冲信号 其频率和转速成正比 测出霍尔元器件输出的脉 冲周期或频率即可计算出转速 2 2 转速的测量方法 2 2 1 测频法测频法 M 法法 在一定测量时间T 内 测量脉冲发生器 产生的脉冲数 m1 来测量转速 如图 2 1 所示 T m1 2 1 M 法测量转速脉冲 设在时间 T 内 转轴转过的弧度数为X 则的转速 n 可由 下式表示 2 1 T X n 2 60 转轴转过的弧度数X 可用下式所示 2 2 p m X 1 2 将 2 1 式代入 2 2 式 得转速 n 的表达式为 武汉大学本科毕业论文 关于单片机的转速原理的研究与设计 6 2 3 pT m n 1 60 转速单位 转 分 n 定时时间单位 秒 T 2 2 2 测周期法测周期法 T 法法 转速可以用两脉冲产生的间隔宽度Tp 来决 定 如图 2 2 所示 m2 Tp 输入脉冲 时基脉冲 图 2 2 T 法脉宽测量 Tp通过定时器测得 定时器对时基脉冲 频率为 fc 进行计数 定时 在 TP内计数值若为 m2 则计算公式为 2 p pT n 60 4 即 2 2 60 pm f n c 5 为转轴转一周脉冲发生器产生的脉冲数 p 为硬件产生的基准时钟脉冲频率单位Hz c f 转速单位 转 分 n 时基脉冲 2 m 武汉大学本科毕业论文 关于单片机的转速原理的研究与设计 7 2 2 3 测频测周法测频测周法 M T 法法 所谓测频测周法 即是综合了 T 法和 M 法分别对高 低转速具有的不同精度 利用各自的优点而产生的方法 精度 位于两者之间 如图 2 3 所示 Tc Td a b c m1 m2 图 2 3 M T 法定时 计数测量 转速计算如下 设高频脉冲的频率为fc 脉冲发生器每转发 出 P 个脉冲 由式 2 2 和 2 5 可得 M T 法转速计算公 式为 2 6 2 1 60 pm mf n c 转速值 单位 转 分 n 晶体震荡频率 单位Hz fc 输入脉冲数 反映转角 1 m 时基脉冲数 2 m 2 3 误差和精度分析 2 3 1 M 法法 测量误差分析测量误差分析 由转速 公式 给出 pT m n 1 60 武汉大学本科毕业论文 关于单片机的转速原理的研究与设计 8 因定时时间和输入脉冲不能保证严格同步 以及在T 内 能否正好测量外部脉冲的完整周期个数 所以m1可能产生一 个脉冲的 量化误差 故转速变化 2 7 pTpT m pT m n 6060 1 60 11 nn 其相对误差为 2 1 1 mn n 8 2 60 1 npT m 9 2 10 npT 160 相对误差 加入一个脉冲后的转速值 n 误差 n 由 2 10 式可知 随转速 n 增大而减小 因此 这种 方法适合于高速测量 当转速越低 产生的误差会越大 2 3 2 T 法法 测量误差分析测量误差分析 因 m1的量化误差也是1 个脉冲 故引起的转速变化也可以 由下式给出 2 nn mpm f pm f mp f n ccc 1 6060 1 60 2222 11 武汉大学本科毕业论文 关于单片机的转速原理的研究与设计 9 其相对误差为 2 12 1 160 1 1 1 2 np f mn n c 所以由 2 12 式可知 随转速减小而减小 因此 这 种方法适合于低速测量 转速增高 误差增大 2 3 3 M T 法法 测量误差分析测量误差分析 由其测量原理可知 输入计数脉冲和计数定时值在理论上是 严格同步的 因此 在理论上 m1 定时器的计数值 不考 虑误差 由于实际启动是由程序来控制的 系统应采取由输入 计数脉冲来同步 故可能会产生一个脉冲的量化误差 因而 转速变化为 其相对误差为 2 13 由上式可知 这种转速测量方法的相对误差与转速n 无关 只与晶体振 荡产生的脉冲有关 故可适合各种转速下的测量 保证其测量 精度的途径是增大定时时间T 或提高时基脉冲的频率fc 因此 在实际操作时往往采用一种称变M T 的测量方法 即 所谓变 M T 法 在 M T 法的基础上 让测量时间Tc 始终等 于转速输入脉冲信号的周期之和 并根据第一次的所测转速及 时调整预测时间Tc 兼顾高低转速时的测量精度 武汉大学本科毕业论文 基于单片机的转速测量系统的研究与设计 10 第三章第三章 电机转速测量电路设计电机转速测量电路设计 3 1 硬件电路设计 一个单片机应用系统的硬件电路设计应包含有两个部分内容 第一是系统扩展 即当单片机内部的功能单元 如 ROM RAM I O 口 定时 计数器 中断系统等容量不能满足 应用系统要求时 必须在片外进行扩展 选择适当的芯片 设 计相应的电路 第二是系统配置 即按照系统功能要求配置外围设备 如键 盘 显示器 打印机 D A A D 转换器等 并设计相应的接 口电路 因此 系统的扩展和配置应遵循下列原则 尽可能选择典型电路 并符合单片机的常规用法 系统的扩展与外围设备配置应满足系统功能的要求 并 留有适当的余量 以便进行二次开发 硬件结构应与应用软件方案统一考虑 软件能实现的硬 件功能尽可能用软件来实现 但需注意的是软件实现占 用 CPU 的时间 而且 响应时间比硬件长 单片机外接电路较多时 应考虑其驱动能力 减少芯片 功耗 降低总线负载 根据上述原则 设计系统 如图 3 1 所示 图 3 1 单片机系统测量转速原理框图 霍尔元件 选用开关型集成元件UGN3019 对信号 进行 采样 武汉大学本科毕业论文 基于单片机的转速测量系统的研究与设计 11 整形电路 采用斯密特触发器 单片机 选用 89C51 对信号转换成转速实际值 LED 显示 本文采用4 位共阴极数码管显示 3 2 电路工作原理分析 本系统单片机采用Atmel 公司生产的 89C51 作为主控制器 用霍尔 传感器作为脉冲发生器 用 4 位 LED 数码管作为显示 1 霍尔 传感器 霍尔 传感器 是应用非常广泛的一种器件 本文采用开关型 集成元件 UGN3019 它将电流源 霍尔元件 待温度补偿的差 动放大电路以及斯密特等电路集成在一起 基本原理是霍尔 效应片产生的电势由 差分放大器进行放大 随后被送进斯密特 触发器 当霍尔元件的感磁面受到一个小于霍尔器件的磁场工 作点 Bop时 差动放大器的输出电压不足以开启斯密特触发器 驱动管 截止 霍尔器件处于关态 输出为高电平 当受到一 个上升磁场 强度超过工作点Bop时 霍尔元件导通 输出 低电平 因此 转轴转动 霍尔元件输出连续脉冲信号 然后 输入 单片机 进行 信号处理 UGN3019 的测量接线如图3 2 所示 将一非磁性圆盘固定 在转轴上 周围用环氧树脂粘贴块状磁钢 磁钢采用永久磁铁 分割成小磁块 其磁力较强 霍尔元件固定在距磁块1 3 mm 处 传感器采用12V 直流电源 输出端接1K 上拉电阻 为了防止 CPU 输入电压过高和可能产生峰值电压 输出端接5V 稳压管进行限制电位 输出信号直接进单片机外部计数器 即 P3 5 给单片机一个计数脉冲 进行采集处理 武汉大学本科毕业论文 基于单片机的转速测量系统的研究与设计 12 图 3 2 UGN3019 测量接线图 图 3 3 复位电路 2 复位 电路 89C51 的复位是由外部的复位电路来实现 通常采用上电复 位和按钮复位两种方式 本文采用最简单的上电复位电路 其 电路如图 3 3 示 上电自动复位是通过外部复位电路的电容充 电实现 的 当电源接通时只要VCC 的上升时间不超过1 毫秒 武汉大学本科毕业论文 基于单片机的转速测量系统的研究与设计 13 就可以实现自动上电复位 3 时钟电路 89C51 单片机芯片内部设有一个由反相放大器所构成的振 荡器 19 脚 XTAL1 为振荡器的反相放大器和内部时钟发生 器的输入端 18 脚 XTAL2 为振荡器反相放大器和内部时钟 发生器的输出端 在XTAL1 和 XTAL2 引脚上外接定时元器件 内部振荡器电路就会产生自激震荡 本系统采用的定时元器 件为石英晶体和电容组成的并联谐振回路 晶振频率为 12MHz 电容大小为 22P 电容的大小可以起到频率微调的作用 时钟电路如图 3 4 图 3 4 时钟电路 4 数码显示电路 LED 又称数码管 它主要有8 段发光二极管组成的不同组 合 可以显示 a g 为数字和字符显示段 h 段为小数点显示 点亮 LED 显示器有两种方式 一是静态显示 二是动态显示 本文采用 4 位 LED 动态显示电路如图3 5 图 3 5 4 位动态 LED 显示电路 5 测速系统仿真 Proteus 软件不仅 具有其它 EAD 工具软件的仿真功能 武汉大学本科毕业论文 基于单片机的转速测量系统的研究与设计 14 还能仿真单片机及外围器件 它是目前较好的仿真单片机及 外围器件的工具 该测速系统的 Proteus 仿真原理图如图 3 6 所示 图 3 6 电机测速系统 proteus 仿真原理图 武汉大学本科毕业论文 基于单片机的转速测量系统的研究与设计 15 第四章第四章 系统程序设计系统程序设计 4 1 程序设计 本系统采用 89C51 中 T0 定时器和 T1 计数器配合使用对 转速脉冲定时计数 计数器T1 工作于计数状态对外部脉冲进 行计数 T0 工作为定时器方式每次定时10ms 本设计程序 编程的思想就是在给定的10ms 之内 用 单片机自带的计数器 T1 对外部脉冲进行计数 主程序的流程如图4 1 所示 图 4 1 主程序流程图 主程序部分程序如下 Void mian uintnum 10 0 x3f 0 x06 0 x5b 0 x4f 0 x66 0 x6d 0 武汉大学本科毕业论文 基于单片机的转速测量系统的研究与设计 16 x7d 0 x07 0 x7f 0 x6f 0 x79 uint i j mm TMOD 0 x51 T0 工作为定时方式 T1 为计 数方式 TH0 65536 10000 256 TL0 65536 10000 256 TH1 0 TL1 0 EA 1 启动外部中断 0 TR0 1 T0 开始定时 ET1 1 允许 T1 中断 EA 1 开中断 4 1 1 工作方式及控制字设置工作方式及控制字设置 1 T0 定时中断程序设计 T0 定时中断流程图如4 2 所示 图 4 2 T0 定时中断流程图 武汉大学本科毕业论文 基于单片机的转速测量系统的研究与设计 17 T0 定时中断部分程序 void time0 interrupt1 定时 10ms EA 0 ET0 0 TR0 0 TH0 216 TL0 240 Buf min EA 1 ET0 1 TR0 1 2 计数器 T1 本系统设计中 T1 被用于计数 我们当然希望计数量大为 好 这样 可以获得较大的测量范围 因此 T1 定为工作方 式 1 16 位的计数方式 设计中 没有使用外部控制端 仅 用指令置位 清零 TR1 来进行计数的启动 停止 这样 电路 较为简单 本系统T1 用自由计数方式 不用预置初值 3 定时 计数器的方式控制字 定时 计数器的方式控制字TMOD 其地址为 89H 复位值 00H 不可位寻址 其8 位控制 内容如下表 表 4 1 GATEC TM1M0GATEC TM1M0 T1T0 根据前面的描述 要求 确定 TMOD 的控制字应为 0 x51 4 定时 计数控制寄存器TCON 武汉大学本科毕业论文 基于单片机的转速测量系统的研究与设计 18 TCON 地址 88H 可进行位寻址 复位值00H 表 4 2 TF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT0 TF0 TF1 分别为定时器 T0 和计数器 T1 的溢出标志位 TF0 和 TF1 在正常情况下 都没有溢出标志 只有当计数值或 定时值超过 65536 时 才能有溢出中断请求 这两位是由硬件 置位和硬件清零 不需另行设置 可在T0 和 T1 的溢出中断 服务程序中 以供使用 TR1 TR0 分别用于开启 T1 和 T0 的开关位 其中TR0 由系统开启时 直接置位 打开T0 开始定时 经运行判断后 打开TR1 5 显示部分程序 数码管要正常显示 就要用驱动电路来驱动数码管的各个 段码 从而显示出我们要的数字 为了节省I O 端口 本文 采用动态显示 xian shi uchar qian bai shi ge mm TH1 0 x100 TL1 60 qian mm 1000 bai mm 1000 100 shi mm 100 10 ge mm 10 P2 0 x10 P0 mun qian delay 50 P2 0 P2 0 x20 P0 mun bai 武汉大学本科毕业论文 基于单片机的转速测量系统的研究与设计 19 delay 50 P2 0 P2 0 x40 P0 mun shi delay 50 P2 0 P2 0 x80 P0 table ge delay 50 P0 0 4 2 结果分析和有待解决的问题 1 结果分析 系统正常工作时 理论误 差约百 之一 但最后一位 个位 显示不稳定 原因 是由于 M 法所存在的 1 的误差 即由于 闸门启 闭与 信号不同步而造成某次多计一个数或少计一个数 而造成的误差 那么 这就是由于M 法的固有缺陷而引起的 2 有待解决的问题 1 定时和计数同步问题 由于本系统的对外来计数采用软件打开计数器的 因此定时 和计数存在不同步问题 相差指令周期及一个脉冲的误差 这 将给转速产生一定的误差 解决的方法有如下几种想法 用硬件即加一个D 触发器外部计数的同时开启定时 关 闭时 利用一回复信号 停止定时器的工作 这种方法 实时性高 开启和关闭还有防止误触发和抗干扰功能 只是增加了硬件的复杂程度 武汉大学本科毕业论文 基于单片机的转速测量系统的研究与设计 20 利用外部中断的方式来同步 定时和计数 这种方法简 单可行 仍然有执行指令的延时但对大部分应用场合都 可以使用 2 该设备放在生产车间 干扰较严重 经常使程序出现 跑飞 现象 为此需采取一些抗干扰措施 如具有自复位 看门狗 功能 武汉大学本科毕业论文 基于单片机的转速测量系统的研究与设计 21 结论结论 本文对 基于 单片机 转速测量 的方法 进行了系统的分析 采用单片机技术实现转速的测量 可以提高转速测量的准确度 并且加快了采样的速率 具有较好的实时性 采用标准测速电 机测