智能型电机转速测定仪设计

目录1引言12系统实现23硬件设计231方案实现原理232硬件设计框图333硬件电路原理图434槽型光电传感器ITR8402435ISP下载口536电源电路537脉冲信号完成电路538单片机控制系统电路639超速报警电路7310PCB连线84程序设计841程序设计思路942系统程序105设计总结14参考文献15致谢16附录17智能型电机转速测定仪设计摘要本文详细介绍了一种基于单片机的智能型电机转速测定仪的设计。该设计以AT89S52单片机作为主控核心，与光电传感器、LED数码管、蜂鸣器等构成硬件操作，再利用C语言编程，最终完成电机转速测定仪的设计。本文详细阐述了如何利用光电传感器实现电机转速的信号接受，运用单片机单片机AT89S52对脉冲信号进行处理计算，然后通过数码显示管显示出来。关键词测速；光电传感器；AT89S52单片机最小系统；电机；数码管；INTELLIGENTMOTORSPEEDCRYOSCOPEDESIGNDENGQIULINGINFORMATIONSCIENCEANDTECHNOLOGYSCHOOL,ZHANJIANGNORMALUNIVERSITY,ZHANJIANG,524048ABSTRACTTHISPAPERINTRODUCESAKINDOFINTELLIGENTMOTORSPEEDBASEDONSINGLECHIPDESIGNOFTHEHSPTHISDESIGNASTHECORE,AT89S52SCMCONTROLWITHPHOTOELECTRICSENSORS,LEDDIGITALTUBE,HARDWARECOMPOSITION,ETC,BUZZERREUSINGTHECPROGRAMMINGLANGUAGE,ANDFINALLYFINISHEDTHEDESIGNOFMOTORSPEEDTESTERTHISPAPEREXPOUNDSHOWTOREALIZETHEMOTORSPEEDBYPHOTOELECTRICSENSORSIGNALBYMONOLITHICINTEGRATEDCIRCUITAT89S52SCM,ONTHEPULSESIGNALPROCESSING,ANDTHENCALCULATEDBYXIANSHIGUANDIGITALDISPLAYKEYWORDSSPEEDPHOTOELECTRICSENSORAT89S52SCMSYSTEMOFMINIMUMMOTORDIGITALTUBE1引言近年来，随着电力电子技术、计算机技术及控制技术等的快速发展，伺服驱动系统不断朝着数字化、智能化方向发展要满足高性能伺服驱动系统高精度、高可靠性等要求，转速控制是实现的关键环节如何获得电动机精确的转速信号以实现转速的高精度控制，就成了单片机控制电机测度的一个突出的问题之一。在电动机的调速系统中，在电动机的转轴上安装测速发电机或光电编码盘等测速装置，利用电机中的转子位置传感器所产生的脉冲信号来反映它的转速。通常所用的位置传感器有霍尔传感器和光电式传感器。霍尔传感器具有结构简单紧凑、灵敏度高，传送过程无抖动现象，频率响应宽、寿命长等优点。但霍尔传感器存在一定程度的磁不敏感区，会降低电机运行的可靠性，且对安装位置要求精确，因此安装调试比较复杂，如要用于产品开发，会间接增加开发成本。光电式传感器是利用光电元件，对带有糟口（或栅）的旋转圆盘的位置进行通断信号变化的接收，产生一系列反映转子位置的脉冲信号。其检测分辨率高，适用于检测各种一般电动机。因为光电传传感器性能比较稳定，这在应用中是相当重要的。本设计介绍利用光电传感器模块来测定电机转速的方法。相对于传统的方法而言，该方法将大大降低成本，其性能稳定，器件体积小，适用于进行各种电机测速。2系统实现本系统利用光电传感器和单片机相结合，运用了编码盘不停的切割光电传感器产生一连串的脉冲，编码管装在电机上，当电机转动的时候，编码管就回切割光电传感器，产生信号，然后经过比较器产生一连串的脉冲信号，脉冲信号通过单片机AT89S52T1计数管脚输入，单片机对脉冲进行计数，再通过算法把计到的脉冲数转为速度。因为本设计是针对电机转速测定，所以报警电路是必需。通过程序的编写和外部电路设定，共同完成了本测定仪的报警系统。外部超速报警电路按键是用于设定额定速度值,每按一次单片机内部自加1,并在数码管中显示。通过外部按键设定超速额定值,这便于本电机转速测定仪更智能化,更便利化。3硬件设计31方案实现原理光电传感器是选用机械鼠标里面的对射式的光电传感器。它的工作原理是当接收管接收到来自发射管的信号时，接收管就导通，没接到信号时，接收管就截止。利用它的这一特性，可以用一编码盘不停的切割光电对管，利用光电对管的特性产生一连串的脉冲，编码盘就利用鼠标里面现成的。编码盘装在电机上，电机转动后，编码盘就不停的切割光电对管。从而产生一定频率的方波,由于这样直接产生的方波电压比较小，不能被单片机的计数引脚直接识别。因此直接产生的方波经过一个比较器产生一个五伏左右的方波，该方波信号被单片机的计数管脚T1接收，利用另一定时器定一中断周期，然后处理这一周期内接收到的脉冲次数，通过计算便可得出电机的转速编码盘有十个孔，编码盘转动一圈能够产生10个脉冲，精度达到01R/S，如果想要提高测速的精度，只需改变编码盘上的孔数即可。32硬件设计框图单片机控制系统电源脉冲信号完成外部信号输入数码管显示图31硬件设计框图如图32的硬件电路原理图所示,本硬件设计的电路过程如下接通电源,装在电机的编码管切割光电传感器得到信号,信号经比较器得到一个脉冲信号,脉冲信号通过T1脚输入单片机内,单片机进行计算、处理，在数码管中显示。如电机转速超过报警电路额定值，报警电路进行报警。33单片机89S52功能特性图32单片机89S52引脚图如图32所示，单片机AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程FLASH存储器使用ATMEL公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上FLASH允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程FLASH，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。34槽型光电传感器ITR8402图33槽型光电传感器ITR8402如图33所示是槽型光电传感器ITR8402，此光电传感器把一个光发射器和一个接收器面对面地装在一个槽的两侧。发光器能发出红外光或可见光，在无阻情况下光接收器能收到光。但当被检测物体从槽中通过时，光被遮挡，光电开关便动作。输出一个开关控制信号，切断或接通负载电流，从而完成一次控制动作。槽形开关的检测距离因为受整体结构的限制一般只有几厘米。光电传感器装载电机上，从电路板引出导线与其连接，当编码盘切割光电传感器的时候，其信号就可通过导线传到比较器，从而形成脉冲信号。光电传感器是效率最高、最可靠的检测装置。在现代电子领域中传感器是获取信息的工具，它涉及整个科学技术、国防、航空、航天、交通运输、能源、机械、石油、化工、轻工、纺织等工业部门和环境保护、生物医学工程等和日常生活的各个领域，是现代信息技术的重要支柱技术之一。35ISP下载口图34所示的是ISP下载口，运用ISP下载口将程序下载在89S52大单片机中，实现对射式光电传感器与速度转换的计算。ISP下载口的1、7、9脚分别与单片机P15、P16和P17连接，实现单片机程序下载完成，5脚接单片机的RET脚，这是复位键，实现复位使用5V电源是供电给下载口。图34ISP下载口36电源电路图35所示是电源电路，电源部分为整个电路提供稳定的5伏直流电，使整个电路能正常工作。电源部分包括一个由四个二极管组成的整流管对电流起到整流作用，C01、C02、C03和C04在电路中起到滤波、加强负载的作用。图35电源部分37脉冲信号完成电路编码管装在电机上，当电机转动时，编码管就不断对光电传感器的光电对管进行切割得到电机转速信号，电机转速信号通过比较器后得到一个脉冲信号，脉冲信号输入单片机T1脚，在单片机中进行处理、计算。脉冲信号生成电路中的RW1电位器是用于调定图中比较器1脚的电压，使转速信号转为脉冲信号，如图35所示。图36脉冲信号生成电路38单片机控制系统电路脉冲信号通过T1脚输入单片机89S52，经过单片机的内部程序处理，将脉冲信号转变为速度在共阴数码管显示。单片机X1脚和X2脚连接的时起振电路，P26脚连接本设计的报警电路，当输入的电机转速超过设定的速度时，P26脚就会发出信号令报警电路鸣响。当脉冲信号输入，单片机对脉冲信号进行处理、计算，然后通过PO口输出，在数码管中显示RET脚连接的是复位电路，当按键按下的时候，单片机复位，如图37所示。图38单片机控制系统电路39超速报警电路图38所示的是超速报警电路，该电路用于电机速度超过本电路设定速度的时候进行报警，图中的Q9013三极管用于报警电路的开关，该三极管是PNP管，低电平有效。当输入为低电平的时候，三极管处于饱和导通状态，报警器鸣响，BEEP是报警器。当测到的速度大于设定的额定速度值时，报警器就会鸣响，这时就知道电机的转速超过了设定的速度。图中的P26是连接单片机P26脚，超速信号从P26脚输出，经过Q9013三极管到蜂鸣器，报警器鸣响。图38报警电路310PCB连线图39智能型电机转速测定仪PCB电路4程序设计41程序设计思路本程序使用C语言进行编程，首先设定初始值为50MS，信号进入的中断时间为50MS，计数20次即为1S因为使用T1脚的外部中断功能，只有脉冲信号进入单片机时，单片机才进行计算。脉冲信号进入单片机，单片机内部的程序运用ZHUANSUTL1256TH1/50公式进行计算出此时的电机转速此时电机的速度，将数据P0脚输出，共阴数码管显示，如果电机的转速超过报警电路设定的速度，那么报警器就会响，超速的速度通过数码管显示出来。报警电路的速度额定值是运用外部设定，单片机内部只要设定自加1程序，根据外部报警电路的指示进行额定值设定。此次设计电机转速测定仪的程序采用的是C程序设计，程序的各个部分除了必要的信息交流外彼此之间也是相互独立的。这种结构化方式可使程序层次清晰,便于使用、维护以及调试。图41就是本次程序设计的流程框图，其清楚地表明本次程序设计的思路和步骤。NYYNN图41软件设计流程图设初值为50MS读出计算的脉冲数计数1S时间开始计算出转速报警显示超速42系统程序INCLUDEINCLUDEDEFINEUCHARUNSIGNEDCHARDEFINEUINTUNSIGNEDINTSBITP26P26/百位SBITP25P25/十位SBITP24P24/个位SBITP20P20SBITP21P21SBITP22P22SBITBEEPP23VOIDDELAYUCHARNVOIDKEY_S1VOIDVOIDKEY_S2VOIDVOIDKEY_S3VOIDVOIDXIANSHI1VOIDXIANSHI2VOIDCHULIUINTMVOIDBEEPINGUNSIGNEDCHARTUCHARDOP/标志位UCHARCISHUCHARTEMP160UCHARSTATUS_FLAGUNSIGNEDCHARBAI,SHI,GEUINTL,CMPUCHARA100X3F,0X06,0X5B,0X4F,0X66,0X6D,0X7D,0X07,0X7F,0X6FUINTZHUANSUVOIDDELAYUCHARNUINTI,JFORI0I1STATUS_FLAG0IFSTATUS_FLAG0FORI0I0TBEEPBEEPFORBMP0BMPTEMP1BEEPING4CHULICMPXIANSHI1BREAKDEFAULTBREAK5设计总结及展望本次设计从3月上旬到5月中旬这段时间进行的，在这段时间内，通过自身的努力、指导老师和同学们的帮助，设计任务还是顺利完成的,实现了电机转速测定。通过此次的设计，让我更加巩固C语言编程和PROTEL的应用，而且很扩展了相关电子的知识。这一切成果都是在本次设计中收获的第一点是我制作电路板的时候遇到了很多的问题，例如PROTEL的模拟调试常常无法调试正确，PCB连线图出现了不少跳线等一些问题。不过我不灰心，也得到了大家的帮助，最终把硬件的原理图完成了，并把电路板制作出来。第二点就是在程序编写和调试中，出现了超速而无法报警，复位电路无法工作，晶振无法起振等一些问题，这非常让人苦恼，但是经过刘老师和同学们的帮助，目前问题都一一解决了。在本次设计中让我更加掌握了C语言和PROTEL的知识，更让我熟悉了相关元件的一些功能和特性，例如AT89S52芯片的应用，光电传感器的特性，稳压管的特点等一些元件的使用。经过不断努力，在设计的时间段内完成论文和产品设计。产品硬件的检测、硬件和软件的调试，论文书面稿都在设计时间内完成。由于时间的限制，本设计还存在许多值得研究和改进的地方，例如本设计是通过编码盘切割光电传感器而进行的电机测速，其精确度和数字化程度还有待改进，目前本电机转速测定仪无法准确精细、快速地测出电机速度，结果显示存在一定的误差。电机转速的超速设定值是通过外部按键设定的，虽然可根据情况而设定其额定值，但具有一定的不便性。今后必将努力学习相关的电子知识，对本设计的不足加以改进。参考文献1高有堂设计与实战指导M武汉电子工业出版社，1999825862鞠剑平C语言程序设计教程M武汉华中科技大学出版社，2004319233顾斌、赵伟军、王泰单片机微计算机原理、开发及应用M北京高等教育出版社，20006971044谭浩强C语言程序设计M清华大学出版社，1995918895刘南平电子产品设计与制作技术M北京北京科学出版社，2006785956赵承利PROTELDXP电路设计基础案例篇M北京北京中国铁道出版社200027367范力旻单片机原理及应用技术M北京电子工业出版社，2009959958张洪润,朱博,马鸣鹤编著单片机应用技术教程M北京清华大学出版社，2009902469高平主编电子装备设计技术M西安西安电子科技大学出版社，20091086159致谢在此，要感谢我的指导老师刘如军老师感谢他在百忙之中抽空帮忙解决问题，指导我完成硬件的测试，使我对课题的研究不断得到深入，系统设计不断得到完善。同时也对关心我、帮助过我的老师和同学表示真诚的感谢附录硬件电路原理图123456AB