转速测量方法

摘要转速是工程中应用非常广泛的一个参数,往往成为某一产品或控制系统的核心部分。本测量系统采用8088cpu控制,利用霍尔元件由转速产生的脉冲,对转速进行测量。因而可以很方便的和工业控制计算机进行连接,实行远程管理和控制,进一步提高现代化水平。本设计利用霍尔效应对旋转物体进行检测的转速测量系统。该系统采用霍尔传感器把转速信息转换为电压脉冲输出，8088cpu对脉冲计数并进行相应的数据处理，再用四位7段LED数码管显示测量结果。文中首先阐述了构成该系统的原理、硬件的实现方法，然后开始软件设计部分，包含系统初始化程序的设计、数据接收和处理程序的设计、显示程序的设计三个模块。根据各部分的原理框图、电路图及转速测量的程序流程图，并编出其具体的程序。本课题完成了硬件和软件系统的设计，实现了转速测量系统的测量，转速计算、显示功能，完成了设计的要求。关键词 8088；转速测量；霍尔传感器第一章 序言1.1设计内容及技术要求：设计一转速测试系统，测试直流电机的转速。具体功能如下：1，采用4位LED数码管实时显示转速值（即最高测速为9999转/分），显示格式为：n=XXXX，X为测试值。2，测试方法：可采用定时计数方式。定时时间到时，可读取转数脉冲的计数值并将其转化为十进制进行显示。1.2课题研究的目的和意义目前，在工程实践中，经常会遇到各种需要测量转速的场合。对于工业测试，水利，机械等方面，转速是重要的控制参数之一。尤机在工业测试系统中，大部分旋转仪器需要测定目前的转速，对机械设备进行故障预防。因此，如何利用先进的数字技术和计算机技术改造传统的工业技术，提高监控系统的准确性，安全性，方便性是当前工业测控系统必须解决的一个问题。 转速测量方法较多，而模拟量的采集和模拟处理一直是转速测量的主要方法，这种测量方技术已不能适应现代科技发展的要求，在测量范围和测量精度上，已不能满足大多数系统的使用。随着大规模及超大规模集成电路技术的发展，数字系统测量得到普遍应用，特别是单片机对脉冲数字信号的强大处理能力，使得全数字量系统越来越普及，其转速测量系统也可以用全数字化处理。在测量范围和测量精度方面都有极大的提高。本课题以8086/8088cpu为核心，设计的全数字化测量转速系统，在工业控制和民用电器中都有较高使用价值。一方面它可以应用于工业控制中的某一部分，如数控车床的电机转速检测和控制、水泵流量控制以及需要利用转速检测来进行控制的许多场合，如车辆的里程表、车速表等。另一方面由于该转速测量系统采用全数字结构，因而可以很方便的和工业控制机进行连接，实行远程管理和控制，进一步提高现代化水平。并且，几乎不需做很大改变就能直接作为单独的产品使用。因此，转速测量系统的研究是一件非常有意义的课题。13主要内容1.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3。2.根据“M”法测速原理，设计8086/8088硬件系统。2.构建软件系统，使其能够对转速进行测量。4.用汇编语言编制程序，包括主程序，led显示子程序，中断服务程序。第二章 方案论证2.1总体框图设计一般转速测量系统有以下几个部分构成，转速测量框图如图2.1所示。转速信号拾取整形倍频单片机显示驱动电路1转速信号拾取转速信号拾取是整个系统的前端通道，目的是将外界的非电参量，通过一定方式转换成电量，这一环节可以通过敏感元件、传感器或测量仪表等来实现。2整形和倍频前向通道中，将传感器输出的信号转换成计算机输入要求的信号。由于信号调节电路与传感器的选择，现场干扰程度等，都会影响信号的质量。而脉冲信号的上升沿和下降沿对数字电路的触发尤为重要，若要将转速脉冲信号直接加到计数器或外部中断的输入端，并利用其上升沿来触发进行计数，则必须要求输入的信号有陡峭的上升沿或下降沿。处理方法上可以用触发器电路来整形。3单片机单片机是整个测量系统的主要部分，担负对前端脉冲信号的处理、计算、以及信号的同步，计时等任务，其次，将测量的数据经计算后，将得到的转速值传送到显示接口中，用数码管显示数值。4驱动和显示由于LED数码管具有亮度高、可靠性好等特点，工业测控系统中常用LED数码管作为显示输出。本系统也采用数码管作显示。2.2转速信号拾取通过传感器拾取信号由专业人员将敏感元件和相应的测量电路、传递机构以适当的形式制成不同类型、不同用处的传感器，根据原理输出电量。该电量可以是模拟量或数字量，现代传感器还可以输出开关量，用于数字逻辑电路。A. 发电传感器。其原理就是一个小型发电机。转轴旋转时产生电压，电压的大小与转速成正比（非线性），可用一个具有与转速对应刻度的电压表测量这个电压。该法测速的精确度较低，且软件实现较麻烦b. 光电式传感器该法采用一种俗称“码盘”的装置，将圆形的码盘固定在转轴上，码盘上有若干规则排列的小孔，用激光传感器来输出电信号，以反映转速对应关系，即是将转轴的速度以脉冲形式反映出来。图激光传感器，原理是发射一束激光，射在被测体上，在被测体上产生漫反射，再由传感器的接受镜头捕获漫反射的激光。B霍尔传感器。在非磁材料的圆盘（由电机带动）边上粘贴一块磁钢，将霍尔传感器固定在圆盘外缘附近。圆盘每转动一圈，霍尔传感器便输出一个脉冲。图霍尔元件能够感应磁场的变化，使霍尔元件发出电脉冲。可用电子计数器计数，并换算为转速。霍尔元件。它具有对磁场敏感、结构简单、体积小、频率响应宽、输出电压变化大和使用寿命长等优点，因此，在测量、自动化、计算机和信息技术等领域得到广泛的应用。对比三种方案，本设计选用霍尔传感器来将转速参量转换为电量。2.2转速计算2.2.1测周期法“T法”在给定的角位移距离内,通过测量这一角位移的时间来进行测速的方法,称测周法,即“T”法若使用霍尔传感器时，可累计传感器输出的脉冲数，测量达到给定的脉冲数所需的时间。则转速n可由下式表示：n=X/t (r/min)其中x为给定的脉冲数；t为达到给定的脉冲数所需的时间，单位min由 “T”法脉宽测量可知“T”法测量精度的误差主要有两个方面，一是两脉冲的上升沿触发时间不一致而产生的；二是计数和定时起始和关闭不一致而产生的。因此要求脉冲的上升沿（或下降沿）陡峭和计数和定时严格同步。测周法在低转速时精度较高，但随着转速的增加，精度变差，有小于一个脉冲的误差存在5。2.2.2测频法“M法”在一定测量时间T内，测量霍尔传感器产生的脉冲数m1来测量转速，这种以测量频率来实现测量转速的方法,称测频法,即“M”法。转速n可由下式表示：n=X/t (r/min)其中t为给定的测量时间，单位min； x为测量的脉冲数；在该方法中，测量精度是由于定时时间T和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的周期，可能产生的1个脉冲的量化误差。设置的时间过短，测量精度会受到一定的影响6。因此，为了提高测量精度，T要有足够长的时间。2.2.3测频测周法M/T法所谓测频测周法，即是综合了“T”法和“M”法，一方面象“M”法那样在对传感器发出的脉冲计数的同时,也象“T”法那样计取脉冲的时间,通过计算即可得出转速值。测频测周法分别对高、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。通过误差和精度分析可知，M法适合于高速测量，当转速越低，产生的误差会越大。T法适合于低速测量，转速增高，误差增大。M/T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。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。基于M法测量速度，电路和程序均较为简单，且可以在一定的条件下满足精度的要求，所以本设计中采用M法进行测量。2.3led数码管显示方案一：静态显示方式所谓静态显示就是指无论是多少位数码管，同时处于显示状态。当数码管处于静态显示方式时，所有位选线（数码管的公共端）连接在一起，而各个数码管的段选线（数码管上各笔段的引出线）是相互分离的。静态显示的优点是：数码管显示无闪烁，亮度高，软件控制比较容易；缺点是：需要的硬件电路较多（每一个数码管都需要一个锁存器），如果在全国大学生电子设计竞赛中使用，将造成很大的不便，同时由于所有数码管都处于被点亮状态，所以需要的电流很大，当数码管的数量增多时，对电源的要求也就随之增高。所以，在大部分的硬件电路设计中，很少采用静态显示方式。方案二：动态显示方式所谓动态显示，是指无论在任何时刻只有一个数码管处于显示状态，每个数码管轮流显示。当数码管处于动态显示时，所有位选线分离，而每个数码管的各条段选线相连。当需要显示数字或字符时，需要将所有数码管轮流点亮，这时对每个数码管的点亮周期有了一个较严格的要求：由于发光体从通入电流开始点亮到完全发光需要一定的时间，叫做响应时间，这个时间对于不同的发光材质是不同的，通常情况下为几百微秒，所以数码管的刷新周期（所有数码管被轮流点亮一次的时间）不要过短，这也与数码管的数量有关，一般的数码管的刷新周期应控制在5ms10ms，即刷新率为200Hz100Hz，这样既保证了数码管每一次刷新都被完全点亮，同时又不会产生闪烁现象。动态显示的优点是：硬件电路简单（数码管越多，这个优势越明显），由于每个时刻只有一个数码管被点亮，所以所有数码管消耗的电流较小；缺点是：数码管亮度不如静态显示时的亮度高，例如有8个数码管，以1秒为单位，每个数码管点亮的时间只有1/8秒，所以亮度较低；如果刷新率较低，会出现闪烁现象；如果数码管直接与单片机连接，软件控制上会比较麻烦等。由于本课题需要需要数码管个数较多，为节约i/o端口综合比较采用动态显示更合适。2.3 工作原理第三章 硬件设计本转速测量系统有以下几个部分构成，如图3.1转速测量系统方框图所示。显示单片机信号处理电路霍尔传感器电动机本系统的硬件主要由霍尔传感器、信号处理电路、单片机、LED显示等组成。如图3.1，当测速齿盘转动时，将会产生正弦脉冲电信号，然后把信号送入放大电路、整形及三极管整形电路进行处理，将正弦波信号转化为TTL电平形式的方波输出到单片机进行转速计数，最后通过数码管显示其数值。3.3数据输入部分 图 8253 8259 霍尔传感器3.1系统配置部分 8088最小方式系统结构 书p45 图3.2存储部分 图 2716 p228 6264 Ce1 ce23.4数据输出部分本系统采用四位LED共阳极型数码管作为显示部分， 8255 I/O口驱动能力，中间通过74LS245用来驱动led。74LS245是8路3态双向缓冲驱动,也叫做总线驱动门电路或线驱动，主要使用在数据的双向缓冲，和驱动led或者其他的设备。图 825574LS245是我们常用的芯片，用来驱动led或者其他的设备，它是8路同相三态双向总线收发器，可双向传输数据。 *74LS245还具有双向三态功能，既可以输出，也可以输入数据。 *当8051单片机的P0口总线负载达到或超过P0最大负载能力时，必须接入74LS245等总线驱动器。 *当片选端/CE低电平有效时，DIR=“0”，信号由 B 向 A 传输；（接收） *DIR=“1”，信号由 A 向 B 传输；（发送）当/CE为高电平时，A、B均为高阻态。 由于P2口始终输出地址的高8位，接口时74LS245的三态控制端/1G和/2G接地，P2口与驱动器输入线对应相连。P0口与74LS245输入端相连,/E端接地，保证数据现畅通。8051的/RD和/PSEN相与后接DIR，使得/RD且/PSEN有效时，74LS245输入（P0.iDi），其它时间处于输出（P0.iDi）。ledLED显示器是用发光二极管显示字段的，通常使用七段构成“日”字型和一只发光二极管作为小数点，称八段数码显示器。其有两种驱动方式，共阴驱动和共阳驱动，共阴驱动是各段发光二极管的阴极连在一起，并将公共端接地；在共阳结构中，将各段发光二极管阳极连在一起，并将公共端接上+5V电源，显示字符对应字型代码发光。本设计采用公阴数码管。第四章 软件设计整体设计思路，各独立程序功能、原理介绍包括流程图，如主程序、各子程序及中断服务程序）第五章 设计总结关于本次课程设计，感受颇多。总的来说这次课程设计是富有收获的，尽管其中充满了艰辛与困难。在自己的亲身实践中，也发现了自己的一些不足的地方，有待进一步提高与改善。此次设计任务是转速测量系统，在实际过程中遇到的种种问题使我在硬件和软件设计中学习到了许多知识。整个设计过程是在微机原理所学知识归纳总结和应用，也就是把理论知识用到实践之中去。让理论和实践相结合，以此产生实际的成果。而这正是我们学习理论知识的目的之所在。除此之外，我们要在拥有扎实的专业知识的前提条件下，在整个设计过程中要有信心和耐心，对自己有信心，相信自己能够很好的完成本次设计任务。在不断发现问题进而解决问题，这是一个再学习的过程，其本身就是对自己的一次锻炼，培养了自己独立思考，动手解决问题