汽车转速测量系统的设计.doc

课程设计 论文 报告课程设计 论文 报告 目录目录 1 1 概述概述 1 1 1 1 数字式转速测量系统的发展背景 1 1 2 本设计课题的目的和意义 1 2 2 转速测量系统的原理转速测量系统的原理 2 2 3 3 系统方案提出和论证系统方案提出和论证 2 2 4 4 系统硬件设计系统硬件设计 4 4 4 1 脉冲产生电路设计 4 4 2 霍尔传感器测量原理 4 4 3 最小系统的设计 5 4 3 1 复位电路 5 4 3 2 晶振电路 6 4 4 显示部分设计 7 5 5 系统软件设计系统软件设计 7 7 6 6 小结小结 9 9 7 7 心得体会心得体会 1010 8 8 参考文献参考文献 1111 附录附录 1 1 系统总程序清单系统总程序清单 1212 1 附录附录 2 2 硬件电路图硬件电路图 1414 2 汽车转速测量系统的设计汽车转速测量系统的设计 摘要 介绍了一种基于 AT89C51 单片机平台采用 霍尔传感器实施 电 机转速测量的方法 硬件系统包括脉冲信号产生 脉冲信号处理和显示模块 并采用 C 语言编程结果表明该方法具有简单 精度高 稳定性好的优点 介 绍了该测速法的基本原理 实现步骤和软 硬件设计 关键词 转速测量 单片机 霍尔传感器 1 1 概述概述 1 11 1 数字式转速测量系统的发展背景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枢电动势计算所得 同步测速法如机械式或闪光式频闪测速仪以及计数测速法 计数测速法又可 分为机械式定时计数法和电子式定时计数法 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 低噪声 高分辨率和高精 度的优点 而采用霍尔传感器的电机转速测量系统测量准确度高 采样速度 快 测量范围宽和测量精度与被测转速无关等优点 具有广阔的应用前景 1 21 2 本设计课题的目的和意义本设计课题的目的和意义 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试验 运转和控制中常需要分时或 连续测量和显示其转速及瞬时转速 要测速 首先要解决是采样问题 在使 用模技术制作测速表时 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要求能测得瞬时转速方法 因此转速的测试具 有重要的意义 这次设计内容包含知识全面 对传感器测量发电机转速的不同的方法及 原理设计有较多介绍 在测量系统中能学到关于测量转速的传感器采样问题 单片机部分的内容 显示部分等各个模块的通信和联调 全面了解单片机和 信号放大的具体内容 进一步锻炼我们在信号采集 处理 显示发面的实际 工作能力 3 2 2 转速测量系统的原理转速测量系统的原理 电 机传感器脉冲信号产生 AT89C51 P3 5 P1 P2 晶 振 复 位 LED 数码管 图图 2 12 1 系统原理图系统原理图 各部分模块的功能 传感器 用来对信号的采样 放大 整形电路 对传感器送过来的信号进行放大和整形 在送入单 片机进行数据的处理转换 单片机 对处理过的信号进行转换成转速的实际值 送入LED LED 数码管显示 用来对所测量到的转速进行显示 3 3 系统方案提出和论证系统方案提出和论证 转速测量的方案选择一般要考虑传感器的结构 安装以及测速范围与环 境条件等方面的适用性再就是二次仪表的要求除了显示以外还有控制 通讯 和远传方面的要求 本说明书中给出两种转速测量方案 经过查资料 构 思和自己的设计 总体电路我们有两套设计方案 部分重要模块也考虑了其 它设计方法 经过分析 从实现难度 熟 悉程度 器件用量等方面综合考 虑 我们才最终选择了一个方案 下面 是两套设计方案的简要说明 方案一 霍尔传感器测量方案 传感器的定子上有 2 个互相垂直的绕组 A 和 B 在绕组的中心线上粘有 霍尔片和 转子为永久磁钢霍尔元件和的激励电机分别与绕组 A H B H A H B H 和相连 它们的霍尔电极串联后作为传感器的输出 A H B H 4 图图 3 1 霍尔转速传感器的结构原理图霍尔转速传感器的结构原理图 图图 3 2 方案霍尔转速传感器的接线图方案霍尔转速传感器的接线图 采用霍尔传感器在信号采样的时候 会出现采样不精确 因为它是靠磁 性感应才采集脉冲的 使用时间长了会出现磁性变小 影响脉冲的采样精度 但是它可避免由于汽车行驶中产生的环境干扰 避免了无效信号的产生 方案二 光电传感器 从下图中可见转子由一直流调速电机驱动 可实现大转速范围内的无 级调速 转速信号由光电传感器拾取使用时应先在转子上做好 光电标记 具体办法可以是 将转子表面擦干净后用黑漆 或黑色胶布 全部涂黑再将 一块反光材料贴在其上作为光电标 记然后将光电传感器光电头固定在正对 光电标记的某一适当距离处 光电头采用低功耗高亮度LED 光源为高可靠 性可见红光 无论黑夜还是白天 或是背景光强有大范围改变 都不影响接 收效果 光电头包含有前置电路 输出 0 5V 的脉冲信号 接到单片机 89C51 的相应管脚上 通过 89C51 内部定时 计时器 T0 T1 及相应的程序 设计 组成一个数字式转速测量系统 图图 3 33 3 测量系统的组成框图测量系统的组成框图 此方案的缺点 采用光电传感器在信号采样的时候 会出现采样不精确 所以需要信号整形 放大电路 而且如果运用于汽车速度测量时 由于汽车 行驶时 轮胎转动会产生外部干扰如 水滴 飞石等环境因素 对光电传感 器产生影响 所以不能运用于此 4 4 系统硬件设计系统硬件设计 随着超大规模集成电路技术提高 尤其是单片机应用技术以及功能强大 5 3 2 6 74 LM324 3 2 6 74 LM324 3 2 6 74 LM358 R1 1K R2 1K R3 10K R4 1K R6 10K R5 10K Rf 10K 15V 15V 15V 15V 15V 15V U0 15V Port 价格低廉的显著特点 是全数字化测量转度系统 的广泛应用 出于单片机 在测量转速方面具有体积小 性能强 成本低的特点 越来越受到企业用户 的青睐 对测量转速系统的硬件和编程进行研究 设计出一种以单片机为主 的转速测量系统 保证了测量精度 4 14 1 脉冲产生电路设计脉冲产生电路设计 LM358 内部包括有两个独立的 高增益 内部频率补偿的双运算放大器 适合于电源电压范围很宽的单电源使用 也适用于双电源工作模式 在推荐 的工作条件下 电源电流与电源电压无关 它的使用范围包括传感放大器 直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合 如图 4 1 所示 信号预处理电路为系统的前级电路 其中霍尔传感元件 B D 为两电源端 D 接正极 B 接负极 A C 两端为输出端 安装时霍尔传 感器对准转盘上的磁钢 当转盘旋转时 从霍尔传感器的输出端获得与转速 率成正比的脉冲信号 传感器内置电路对该信号进行放大 整形 输出良好 的矩形脉冲信号 图中 LM358 部分为过零整形电路使输入的交变信号更精确 的变换成规则稳定的矩形脉冲 便于单片机对其进行计数 图图 4 14 1 信号预处理电路信号预处理电路 4 24 2 霍尔霍尔传感器传感器测量原理测量原理 霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器 霍尔效应是研究半 导体材料性能的基本方法 通过霍尔效应实验测定的霍尔系数 能够判断半 导体材料的导电类型 载流子浓度及载流子迁移率等重要参数 霍尔器件是由 半导体材料制成的一种薄片 器件的长 宽 高分别为 l b d 若在垂直 于薄片平面 沿厚度 d 方向施加外磁场 B 在沿 l 方向的两个端面加一外 电场 则有一定的电流流过 由于电子在磁场中运动 所以将受到一个洛仑 磁力 其大小为 qVBf 式中 洛仑磁力 载流子电荷 v 载流子运动速度 B 磁感应fq A B CD 6 强度 这样使电子的运动轨迹发生偏移 在霍尔元器件薄片的两个侧面分别产生 电子积聚或电荷过剩 形成霍尔电场 霍尔元器件两个侧面间的电位差称为 H U 霍尔电压 霍尔电压大小为 mV H U H R dBI 式中 霍尔常数 d 元件厚度 B 磁感应强度 I 控制电流 H R 设 则 mV H K H R d H U H KdBI 为霍尔器件的灵敏系数 mV mA T 它表示该霍尔元件在单位磁感应强度和 H K 单位控制电流下输出霍尔电动势的大小 应注意 当电磁感应强度 反向时 霍尔电动势也反向 图图 4 24 2 霍耳元件的原理结构图霍耳元件的原理结构图 若控制电流保持不变 则霍尔感应电压将随外界磁场强度而变化 根据 这一原理 可以将两块永久磁钢固定在电动机转轴上转盘的边沿 转盘随被 测轴旋转 磁钢也将跟着同步旋转 在转盘附近安装一个霍尔元件 转盘随 轴旋转时 霍尔元件受到磁钢所产生的磁场影响 输出脉冲信号 传感器内 置电路对该信号进行放大 整形 输出良好的矩形脉冲信号 测量频率范围 更宽 输出信号更精确稳定 已在工业 汽车 航空等测速领域中得到广泛 的应用 其频率和转速成正比 测出脉冲的周期或频率即可计算出转速 4 34 3 最小系统的设计最小系统的设计 Mcs 51 单片机复位电路是指单片机的初始化操作 单片机启运运行时 都 需要先复位 起作用时使 CPU 和其他部件处于一个确定的初始状态 并从这个 状态开始工作 因而 复位是一个很重要的操作方式 但单片机本身是不能进 行自动复位 必须配合相应的外部电路才能实现 4 3 1 复位电路 复位电路 复位电路的基本功能是 系统上电时提供复位信号 直至系统电源稳定后 撤销复位信号 为可靠起见 电源稳定后还要经一定的延时才能撤销复位信号 以防电源开关或插头分 合过程中引起的抖动而影响复位 单片机的复位是由外部的复位信号来实现的 片内复位电路时复位引脚 RST 通过一个施密特触发器与复位电路相连 施密特触发器用来抑制噪声 它 7 的输出在每个机器周期 S5P2 由复位电路采样一次 复位电路通常采用上电自 动复位和按钮复位两种方式 图图 4 34 3 自动复位电路自动复位电路 图图 4 44 4 按钮复位电路按钮复位电路 4 3 2 晶振电路晶振电路 晶振是晶体振荡器的简称 在电气上他可以等效一个电容和一个电阻并联 再串一个电容的二端网络 电工学上这个网络有两个谐振点 以频率的高低分 频率较低的是串联谐振 较高的时并联谐振 89C51 内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器 引脚 XTAL1 和 XTAL2 分别是放大器的输入和输出端 这个放大器于作为反馈元件的片外晶体 谐振器一起构成一个自激振荡器 外接晶体振荡器 C1 和 C2 构成并联谐振电路 接在放大器的反馈回路中 对外接电容的值虽然没有严格要求 但电容的大小 会影响振荡器频率的高低 振荡器的稳定性 起振的快速性和温度的稳定性 因此 此系统电路中的晶体振荡器的值为 电容应尽可能的选择陶瓷电MHz12 容 电容值为 在焊接刷电路板时 晶体振荡器和电容应尽可能的安排的f 30 与芯片靠近一些 以减少寄生电容 更好的保证振荡器可靠和稳定的工作 振 荡器电路图如下 晶振有一个重要的参数那就是负载电容值 选择与负载电容 值相等的并联电容 就可以得到晶振标称的谐振频率 8 图图 4 5 晶振电路图晶振电路图 4 44 4 显示部分设计显示部分设计 许多电子产品上都有跳动的数码来指示电器的工作状态 其实数码管显示 的数码均是由八个发光二极管构成的 每段上加上合适的电压 该段就点亮 LED 数码由共阳和共阴两种 把这些 LED 发光二极管的正极接到一块而作 为一个引脚 就叫共阳的 相反的 就叫共阴的 那么那么应用时这个脚就分 别的接 VCC 和 GND 再把多个这样的 8 字装在一起就成了多位的数码管了 实 物如图 4 6 图图 4 64 6 数码管数码管 5 5 系统软件设计系统软件设计 硬件电路完成以后 进行系统软件设计 首先要分析系统对软件的要求 然后进行软件的总体设计 包括程序的总体设计和对程序的模块化设计 按整 体功能分为多个不同的模块 单独设计 编程 调试 然后将各个模块装配联 调 组成完整的软件 根据设备的要求 单片机的任务是 内部进行计数 在计算出速度后显示 软件编程用 C 语言完成 需要掌握 C 语言 还要熟练 AT89C51 单片机 从程序 流程图 编写程序 编译到最后调试 是很复杂的 下面是设计时的流程图 1 主程序流程图 9 开始 初始化中断 显示转速 图图 5 15 1 主程序流程图主程序流程图 2 外部中断 0 服务子程序 进入中断 脉冲加 1 撤销中断 图图 5 25 2 外部中断外部中断 0 0 服务子程序图服务子程序图 3 显示子程序流程图 开始 显示缓存初始化 LED 数码管显示初始化 数码显示 图图 5 35 3 显示子程序流程图显示子程序流程图 4 定时器 0 服务子程序 10 计时开始 初值重新载入 变量 i 自减 1 计时开始 判断 i 是否 为 0 否 计算转速并 重置 i 关闭定时器 是 图图 5 45 4 定时器定时器 0 0 服务子程序图服务子程序图 6 6 小结小结 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试验 运转和控制中常需要分时或连续测 量和显示其转速及瞬时转速 要测速 首先要解决是采样问题 在使用模技术 制作测速表时 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 测量的实时性要求能测得瞬时转速方法 因此转速的测试具有重要的意义 其中 汽车转速测量就是自动化进程中的一个典型普遍代表 本次课程设计的内容便 是汽车转速测量系统的设计 我们通过运用所学的知识 结合实际需要而对其 进行研究 该控制系统以 Atmel 公司的 AT89C51 单片机为控制核心 以霍尔传 感器为探测器件 用 LED 数码管显示汽车转动速度 通过 C 语言完成设计 霍 尔感应电压将随外界磁场强度而变化 根据这一原理 可以将两块永久磁钢固 定在电动机转轴上转盘的边沿 转盘随被测轴旋转 磁钢也将跟着同步旋转 在转盘附近安装一个霍尔元件 转盘随轴旋转时 霍尔元件受到磁钢所产生的 磁场影响 输出脉冲信号 传感器内置电路对该信号进行放大 整形 输出良 好的矩形脉冲信号我们在这个设计中主要对信号采集 整定等做了研究 给出 11 了主程序 显示子程序 定时计数子程序流程图等程序流程图 在整个系统中 我们做到了让测量系统运行的更为稳定 便利 并且电路简单 成本相对也比 较低 在现实生活中也可以得到非常好的应用及反响 在这次课程设计中 我 运用到了很多之前学过的知识 对于我而言并没有太大的问题 由于课程设计 的时间过短 我们并不能将测量方式创新 希望以后有机会能够更深的进行一 下研究 7 7 心得体会心得体会 通过这次课程设计的书写 资料搜索到设计的书写整一个过程 让我对过 去课堂当中所学到的知识进行了一次系统性的回顾和强化 虽然没有真正做出 实物 但是也是一次机会难得的实践学习 相当于一次毕业设计前准备工作 课程设计让我深入理解了单片机的魅力 单片机在生产生活的广泛应用 和单 片机不可忽视的社会作用 提高了我的创新能力 扩展了我的想像 让我在没 有任何实品的情况下 规划制作的内容 步骤 要点等等 敢想敢做是成功的 一个重要的因素 这次课程设计 我翻阅了很多的书籍和毕业论文 并上网搜索了很多关于 单片机的系统的设计材料 并借鉴了许多期刊 论文 报告的指导 完成此课 程设计 虽然在设计和书写过程中 遇到了很多的问题 但是我都努力突破 当然 我也知道该系统还存在很多的不足 还有很多的地方需要创新或者新技 术的改进 但是 完成的情况对于自己来说还是挺满意的 不过 希望自己在 以后更加努力的学习 争取可以做出真正具有社会价值的东西来 在课程设计过程中 我们不断发现错误 不断改正 不断领悟 不断获取 回顾此次课程设计 使我懂得了理论与实践相结合的重要性 只有理论知识是 远远不够的 只有把所学的理论知识与实践相结合起来 从实践中得出结论 才能服务社会 从而提高自己的实际动手能力和独立思考能力 试验过程中 也对团队精神进行了考察 让我们在合作起来更默契 在成功后一起体会喜悦 的心情 此次课程设计也让我明白了思路及出路 有什么不懂不明白的地方要及时 查阅资料 只要认真钻研 动脑思考 动手实践 就没有弄不懂的知识 12 8 8 参考文献参考文献 1 陈伯时 电力拖动控制系统 运动控制系统 M 电力拖动控制系统 运动控 制系统 2003 2 马全权 李庆辉 强盛 一种高精度实时电机转速测量新方法 J 齐齐哈 尔大学学报 2002 01 16 3 孙桂荣 班莹 刘鸣 电机转速测量实验 J 实验室科学 2005 01 28 29 4 王学文 张志勇 传感器原理及应用 M 北京航空航天大学出版社 2004 5 王秀杰 张畴先 模拟集成电路应用 M 西北工业大学出版社 2003 6 李新 孙利生 基于 DSP 的汽车发动机转速测量系统研究 J 汽车科技 2008 05 61 64 7 何力民 MCS 51 系列单片机应用系统设计 北京航空航天大学出版社 1990 8 蒋智勇 单片微型计算机原理及接口技术 宁科学技术出版社 1992 9 穆兰 单片微型计算机原理及接口技术 机械工业出版社