转速测量朱雪帅081302243测控0802

1、智能仪表课程设计设计报告课题名称 电机转速表 学生学号、姓名 081302243 朱雪帅 班级名称 测控0802 指导教师 唐鸿儒 黄亚忠 扬州大学能源与动力工程学院二一一年九月智能仪表课程设计任务书一、课题名称电机转速表设计二、设计内容及设计要求利用光电传感器MOC70T4测量电极转速1. 测量范围为065000r/min，精度误差小于0.25r/s。2. LED数码显示。3. 具有RS485通信接口。4.传给上位机三、时间安排第一周：星期一星期二：布置任务，熟悉资料，确定仪表的功能要求、性能指标。熟悉实验板原理图和印刷板图。星期三星期五：进行仪表的方案选择，确定主要芯片、工作方式、输入输出

2、信号的接口方式、键盘和显示方式、以及通信方式。进行硬件设计和元器件选择，画出硬件原理图。第二周：星期一星期五：根据硬件原理图，焊接硬件电路；测试硬件电路的功能；软件设计，包括软件需求说明、软件结构框图、主要软件功能模块的流程图；编写程序。第三周：星期一星期三：调试程序，联调软件和硬件。星期四星期五：写课程设计报告。四、应交成果应交成果包括：n 纸质课程设计报告和电子文档；n 硬件原理图的Protel文件，程序；n 可以演示的硬件和软件成果。五、课程报告内容课程设计报告应包括下列部分：n 课程设计任务书n 仪表的功能要求、性能指标要求。n 方案选择：提出多种方案，进行方案比较，说明选定方案的理由

3、，描述硬件和软件的功能分工。n 硬件设计：包括硬件结构框图、原理图及其各个主要环节的工作原理说明，元器件选择的计算方法或者理由，利用提供的实验板焊接元器件。n 软件设计：首先提出软件的功能需求，然后进行软件的结构设计，再画出主要功能模块的软件框图。n 程序编写和调试。n 设计小结。报告中硬件原理于用Protel画出，软件框图和程序流程图用Visio画出。参考资料：提供下列常用元器件数据手册：74LS32： 4个2输入或门74LS138：3:8译码器74LS244：缓冲器74LS273：正边沿触发锁存器74LS373：负边沿触发锁存器AD526：可编程放大器CD4051：多路开关DAC0832：

4、8位DACLM324：放大器MAX187/MAX189：12位串行ADCMAX197：Multi-Range (10V, 5V, +10V, +5V), Single +5V, 12-Bit DAS with 8+4 Bus InterfaceMAX232： +5V-Powered, Multichannel RS-232 Drivers/ReceiversMAX485：15kV ESD-Protected, Slew-Rate-Limited, Low-Power, RS-485/RS-422 TransceiversTLP521：光电耦合器ZLG7290：种I2C接口键盘及LED驱动管理器

5、件，提供数据译码和循环、移位、段寻址等控制。目录第一章 电机转速表设计测量原理(1)1.1转速测量方法(2)1.2测量原理(2)第二章 测量方案(4)2.1方案一(4)2.2方案二(5)第三章 系统硬件设计(6)3.1信号采集(6)3.2整形电路(8)第四章 系统软件设计(9)4.1 单片机定时计数器中断控制(9)4.2程序流程图及C程序(11)第五章 调试及解决问题(16)5.1调试软件(16)5.2调试硬件(17)总结附录A 硬件总图附录B 程序附录C 元器件清单附录 D 硬件照片第一章 速测量系统的原理1.1转速测量方法转速是指作圆周运动的物体在单位时间内所转过的圈数,其大小及变化往往意

6、味着机器设备运转的正常与否,因此,转速测量一直是工业领域的一个重要问题。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) 、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。本文介绍的采用单片机和光电传感器组成的高精度转速测量系统,其转速测量方法采用的就是电子式定时计数法。对转速的测量实际上是对转子旋转引起的周期脉冲信号的频率进行测量。在频率的工程测量中,电子式定时计数测量频率的方法一般有三种：测频率法:在一定时间间隔t 内,计数被测信号的重复变化次数N ,则被测信号的频率fx 可表示为f x =Nt(1)测周期法:在被测

7、信号的一个周期内,计数时钟脉冲数m0 ,则被测信号频率fx = fc/ m0 ,其中, fc 为时钟脉冲信号频率。多周期测频法:在被测信号m1 个周期内, 计数时钟脉冲数m2 ,从而得到被测信号频率fx ,则fx 可以表示为fx =m1 fcm2, m1 由测量准确度确定。电子式定时计数法测量频率时,其测量准确度主要由两项误差来决定:一项是时基误差;另一项是量化1误差。当时基误差小于量化1 误差一个或两个数量级时,这时测量准确度主要由量化1 误差来确定。对于测频率法,测量相对误差为：Er1 =测量误差值实际测量值100 % =1N100 % (2)由此可见,被测信号频率越高, N 越大, Er

8、1就越小,所以测频率法适用于高频信号(高转速信号) 的测量。对于测周期法,测量相对误差为：Er2 =测量误差值实际测量值100 % =1m0100 % (3)对于给定的时钟脉冲fc , 当被测信号频率越低时,m0 越大, Er2就越小,所以测周期法适用于低频信号(低转速信号) 的测量。对于多周期测频法,测量相对误差为：Er3 =测量误差值实际测量值100%=1m2100 % (4) 从上式可知,被测脉冲信号周期数m1 越大, m2 就越大,则测量精度就越高。它适用于高、低频信号(高、低转速信号) 的测量。但随着精度和频率的提高, 采样周期将大大延长,并且判断m1 也要延长采样周期,不适合实时测

9、量。根据以上的讨论,考虑到实际应用中需要测量的转速范围很宽,上述的转速测量方法难以满足要求,因此,研究高精度的转速测量方法,以同时适用于高、低转速信号的测量,不仅具有重要的理论意义,也是实际生产中的需要。1.2转速测量原理一般的转速长期测量系统是预先在轴上安装一个有60 齿的测速齿盘,用变磁阻式或电涡流式传感器获得一转60 倍转速脉冲,再用测频的办法实现转速测量。而临时性转速测量系统,多采用光电传感器,从转轴上预先粘贴的一个标志上获得一转一个转速脉冲,随后利用电子倍频器和测频方法实现转速测量。不论长期或临时转速测量,都可以在微处理器的参与下,通过测量转轴上预留的一转一齿的鉴相信号或光电信号的周

10、期,换算出转轴的频率或转速。即通过速度传感器,将转速信号变为电脉冲,利用微机在单位时间内对脉冲进行计数,再经过软件计算获得转速数据。即:n=N/ (mT) (1)n 转速、单位:转/ 分钟;N 采样时间内所计脉冲个数;T采样时间、单位:分钟;m 每旋转一周所产生的脉冲个数(通常指测速码盘的齿数) 。如果m=60, 那么1 秒钟内脉冲个数N就是转速n, 即:n=N/ (mT) =N/60 1/60=N (2)通常m为60。在对转速波动较快系统或要求动态特性好而精度高的转速测控系统中,调节周期一般很短,相应的采样周期需取得很小,使得脉冲当量增高,从而导致整个系统测量精度降低,难以满足测控要求。提高

11、采样速率通常就要减小采样时间T, 而T 的减小会使采到的脉冲数值N 下降,导致脉冲当量(每个脉冲所代表的转速) 增高,从而使得测量精度变得粗糙。通过增加测速码盘的齿数可以提高精度,但是码盘齿数的增加会受到加工工艺的限制,同时会使转速测量脉冲的频率增高,频率的提升又会受到传感器中光电器或磁敏器或磁电器件最高工作频率的限制。凡此种种因素限制了常规智能转速测量方法的使用范围。而采用本文所提出的定时分时双频率采样法,可在保证采样精度的同时,提高采样速率,充分发挥微机智能测速方法的优越性及灵活性。 图2.1 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

12、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LEDLED显示：用来对所测量到的转速进行显示。第二章测量方案 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，经过我和伙伴查资料、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。下面就看一下我们对两套设计方案的简要说明。2.1方案一：霍尔传感器测量方案霍

13、尔传感器是利用霍尔效应进行工作的？其核心元件是根据霍尔效应原理制成的霍尔元件。本文介绍一种泵驱动轴的转速采用霍尔转速传感器测量。霍尔转速传感器的结构原理图如图3.1, 霍尔转速传感器的接线图如图3.2 。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HA 和HB ,转子为永久磁钢,霍尔元件HA 和HB 的激励电机分别与绕组A 和B 相连,它们的霍尔电极串联后作为传感器的输出。 图2.1 霍尔转速传感器的结构原理图 图2.2方案霍尔转速传感器的接线图缺点：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

14、脉冲的采样精度。2.2方案二： 光电传感器 整个测量系统的组成框图如图3.3所示。从图中可见,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05V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

15、T0、T1及相应的程序设计，组成一个数字式转速测量系统。 优点：这种方案使用光电转速传感器具有采样精确，采样速度快，范围广的特点。综上所述，方案二使用光电传感器来作为本设计的最佳选择方案。第三章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，价格低廉的显著特点，是全数字化测量转度系统得一广泛应用。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。3.1 转速信号采集 图3.1 转速传感器电路图 （1） 光电传感器是应用非常广泛的一种器件，有各种

16、各样的形式，如透射式、反射式等，基本的原理就是当发射管光照射到接收管时，接收管导通，反之关断。以透射式为例，如图4.1所示，当不透光的物体挡住发射与接收之间的间隙时，开关管关断，否则打开。为此，可以制作一个遮光叶片如图4.2 所示，安装在转轴上，当扇叶经过时，产生脉冲信号。当叶片数较多时，旋转一周可以获得多个脉冲信号。 图3.2光电传感器的原理图 图3.3 遮光叶片（2）选用的传感器型号为MOC70T4（单向）MOC70T4型传感器特点介绍如下： 1)供单向计数器使用，测量转速和线速度.2)采用密封结构性能稳定.3）光源用红外发光管，功耗小，寿命长.4) MOC70T4电源电压为5V DC 3

17、.2整形电路 555定时器施密特触发器将采集的不规则信号（脉冲）整形为规则的信号（脉冲）图3.2 555定时器施密特触发器整形电路第四章系统软件设计 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的设计，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。 根据设计的要求，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语言完成的，需要能掌握C语言，还要熟练AT89C51单片机。从程序流程图、编写程序、编译，到最后的调试，是很复杂的。下面作简单介绍：系统软件主程序的

18、功能是完成系统的初始化、显示程序。4.1 单片机定时计数器中断控制（1）.定时器的初始化 AT89C51有两个定时器/计数器T0和T1，每个定时器/计数器均可设置成为16位，也可以设置成为13位进行定时或计数。计数器的功能是对T0或T1外来脉冲的进行计数，外部输入脉冲负跳变时，计数器进行加1。 定时功能是通过计数器的计数来实现的，每个机器周期产生1个计数脉冲，即每个机器周期计数器加1，因此定时时间等于计数个数乘以机器周期。定时器工作时，每接收到1个计数脉冲（或机器周期）则在设定的初值基础上自动加1，当所有位都位1时，再加1就会产生溢出，将向CPU提出定时器溢出中断身请。当定时器采用不同的工作方

19、式和设置不同的初值时，产生溢出中断的定时值和计数值将不同，从而可以适应不同的定时或计数控制。 定时器有4种工作方式：方式0、方式2、方式2和方式3，在此对工作方式不做具体介绍。工作方式寄存器TMOD的设定：GATEC/TM1-M0GATEC/TM1M0TMOD各位的含义如下：GATE：门控位，用于控制定时/计数器的启动是否受外部中断请求信号的影响。C/T：定时或计数方式选择位，当C/T=1时工作于计数方式；当C/T=0时工作于定时方式。M1、M0为工作方式选择位 ，用于对T0的四种工作方式，T1的三种工作方式进行选择，选择情况如下表5-1：M1M0=00为方式0;M1M0=01为方式1； 表5

20、-1 M1、M0为工作方式选择位MOM1工作方式方式说明00110101012313位定时/计数器16位定时/计数器8位自动重置定时/计数器两个8位定时/计数器（只有T0有）（2）中断允许控制MCS-51单片机中没有专门的开中断和关中断指令，对各个中断源的允许和屏蔽是由内部的中断允许寄存器IE的各位来控制的。中断允许寄存器IE的字节地址为A8H，可以进行位寻址. 表5-2 中断位寻址表IED7D6D5D4D3D2D1D0（A8H）EAET2ESET1EX1ET0EX0EA：中断允许总控位。EA=0，屏蔽所有的中断请求；EA=1，开放中断。 ET2：定时器/计数器T2的溢出中断允许位 ES：串行

21、口中断允许位。 ET1：定时器/计数器T1的溢出中断允许位。 EX1：外部中断 INT1的中断允许位。ET0：定时器/计数器T0的溢出中断允许位。 EX0：外部中断 INT0的中断允许位。 (3)具体初始化如下： TMOD=0x15;TH1=0x3C;TL1=0xB0;TH0=0x00;TL0=0x00;IT1=1;ET0=1;ET1=1;EX0=1;EX1=1;EA=1;TR0=1;TR1=1;4.2程序流程图及C程序 （1）主程序流程框图及C程序void main()SystemInit();/系统初始化a=20; b=0;f=g=0;TMOD=0x15;TH1=0x3C;TL1=0xB0

22、;TH0=0x00;TL0=0x00;IT1=1; 图4.2.1主程序流程框图ET0=1;ET1=1;EX0=1;EX1=1;EA=1;TR0=1;TR1=1;Test_Download();/测试下载数据 （2）T1定时中断void timer1() interrupt 3 while(a)a=a-1;TH1=0x3C;TL1=0xB0;break;if(a=0) TR0=0; a=21; TH1=0x3C; TL1=0xB0; g=TH0*256+TL0; g=g*15; sendw(g); TMOD=0x15; TH0=0; TL0=0; TR0=1; 图定时中断（3）T0溢出中断voi

23、d timer0() interrupt 1 b=b+1; T0溢出中断（4）串行发送void sendw(unsigned int a)char i; TMOD = 0x25; TH1=0xE6;TL1=0xE6; SCON = 0x50;PCON = 0x00; TR1 = 1;for(i=0;i2;i+) SBUF = a%256; a=a/256; while(TI = 0); 图4.2.4 串行发送 TI = 0; （5）显示C程序void Test_Download()bit dp;bit flash;char i;uchar a8=0,0,0,0,0,0,0,0 ;dp = 0;

24、flash = 0;do f=g;for(i=0;i6;i+) ai=f%10; f=f/10;ZLG7290_Download(i,dp,flash,ai);while(1);第五章 调试5.1软件调试写好程序进行仿真发现定时出现了问题：(1)void timer1() interrupt 3 while(a)a=a-1;TH1=0x3C;TL1=0xB0;if(a=0) .上面的程序问题是：while循环只有当a=0时跳出，而不是a减一次跳出一次。应该为：while(a)a=a-1;TH1=0x3C;TL1=0xB0;break；/跳出(2)在调试结果时，传给上位机出现乱码问题在：发送程序

25、与初始化中T0的工作方式不一致：发送程序：void sendw(unsigned int a)char i;TMOD = 0x20;主程序T0初始化：TMOD=0x15;就会发现在发送的时候T0的工作方式由：计数方式1变为定时方式0所以应改为：void sendw(unsigned int a)char i;TMOD = 0x25;.5.2调试硬件在调试硬件中，发现没有显示，我一度认为是软件出现了问题，但经过不断地仿真发现软件没错（按键制造脉冲，发现能计数能显示）那问题在哪，和组员讨论之后通过用电压表和示波器来检测传感器是否能输出脉冲。结果论证光电传感器坏了，请教了黄老师，原来，因为少接了限流

26、电阻传感器被烧坏了。我们谨记此次次教训总 结采用单片机技术来实现转速的测量，可以提高转速的测量，可以提高转速测量的精确度，并且加快了采样的速率，具有较好的实时性。 基于单片机的转速测量系统，具有硬件电路简单，程序简单和运算速度快，测速范围广，抗干扰性能好的特点。在设计的信号处理电路中经过滤波，能够进一步减少误差，是测速精度得到提高。 致谢：此次课程设计我学到了很多实打实的知识。为此我要感谢唐老师，黄老师。以及我的组员在困难的时候能互相勉励与体贴附录A 硬件总图附录 B 程序#include#include#include#include I2C.h#include ZLG7290.h#defi

27、ne uint unsigned int#define uchar unsigned charunsigned char a,b;unsigned int f,g;/定义键盘中断标志，FlagINT=1表示有键按下volatile bit FlagINT = 0;/*函数：INT0_SVC()功能：ZLG7290键盘中断服务程序说明：中断触发方式选择负边沿触发，因此不必等待中断请求信号恢复为高电平*/void INT0_SVC() interrupt 0FlagINT = 1;/*函数：Delay()功能：延时10ms655.36s参数：t0时，延时(t*0.01)st=0时，延时655.36

28、s说明：晶振采用11.0592MHz*/void Delay(unsigned int t)doTH0 = 0xDC;TL0 = 0x00;TR0 = 1;while ( !TF0 );TF0 = 0;TR0 = 0; while (-t);/*函数：SystemInit()功能：系统初始化*/void SystemInit()I2C_Init();TMOD = 0x01;Delay(30);/等待ZLG7290复位完毕/*发送程序*/void sendw(unsigned int a)char i;TMOD = 0x25; / 定时器1工作于8位自动重载模式, 用于产生波特率TH1=0xE6

29、;TL1=0xE6; / 定时器0赋初值SCON = 0x50;PCON = 0x00; TR1 = 1;for(i=0;i2;i+) SBUF = a%256; / 要发送的字符放入缓冲区 a=a/256; while(TI = 0); TI = 0; /*显示*/void Test_Download()bit dp;bit flash;char i;uchar a8=0,0,0,0,0,0,0,0 ;dp = 0;flash = 0;do f=g;for(i=0;i6;i+) ai=f%10; f=f/10;ZLG7290_Download(i,dp,flash,ai);while(1);

30、/*T1定时一秒*/void timer1() interrupt 3 while(a)a=a-1;TH1=0x3C;TL1=0xB0;break;if(a=0) TR0=0; a=20; TH1=0x3C; TL1=0xB0; g=TH0*256+TL0; g=g*15; sendw(g); TMOD=0x15; TH0=0; TL0=0; TR0=1; /*T0溢出中断*/void timer0() interrupt 1 b=b+1;/*主程序*/void main()SystemInit();/系统初始化a=20;b=0;f=g=0;TMOD=0x15;TH1=0x3C;TL1=0xB0;TH0=0x00;TL0=0x00;IT1=1;ET0=1;ET1=1;EX0=1;EX1=1;EA=1;TR0=1;TR1=1;Test_Download();附录C 元器件清单名称个数（只）名称个数（只）MOC70T41电容 10UF2Stc单片机10.1UF55