电机基于单片机的电机转速计设计.docx
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电机基于单片机的电机转速计设计
摘要
随着电子技术，特别是随大规模集成电路的产生而出现的微型计算机技术的飞速发展，人类生活发生了根本性的改变。
如果说微型计算机的出现使现代科学研究得到了质的飞跃，那么可以毫不夸张地说，单片机技术的出现则是给现代工业测控领域带来了一次新的技术革命。
目前，单片机以其体积小、重量轻、抗干扰能力强、对环境要求不高、高可靠性、高性能价格比、开发较为容易，在工业控制系统、数据采集系统、智能化仪器仪表、办公自动化等诸多领域得到极为广泛的应用，并已走人家庭，从洗衣机、微波炉到音响、汽车，到处都可见到单片机的踪影。
因此，单片机技术开发和应用水平已逐步成为一个国家工业发展水平的标志之一。
本课题介绍了一种利用单片机技术实现高精度数字式转速测量系统的方法。
这种转速测量系统具有测量准确度高、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。
关键词:
转速测量;单片机;直射式红外光电传感器
Abstract
Withthedevelopmentofelectronictechnology,especiallywithalarge-scaleintegratedcircuitstheemergenceofminiatureoftherapiddevelopmentofcomputertechnology,humanlifehasundergoneafundamentalchange.Ifthemicrocomputerthatmodernscienceresearchisaqualitativeleap,itisnoexaggerationtosay,SCMtechnologyistheemergenceofmodernindustrycontrolfieldtobringanewtechnologicalrevolution.Atpresent,singlechipwithitssmallsize,lightweight,stronganti-interferenceability,isnothightotheenvironmentrequest,highreliability,highperformancepriceratio,developrelativelyeasy,intheindustrialcontrolsystem,dataacquisitionsystem,intelligentinstrumentation,officeautomationandotherfieldshaveawiderangeofapplications,andhaveleavehome,fromthewashingmachine,microwaveoventoaudio,car,canseeeverywhereofSCM.Therefore,SCMtechnologydevelopmentandapplicationlevelhasbecomeanationalsymbolofthelevelofindustrialdevelopment.Thispaperintroducesahighprecisionmeasurementsystemofrotationratemethod.Themeasurementsystemisofhighaccuracy,fastsamplingspeed,widemeasuringrangeandprecisionofthemeasurementandthemeasuredspeedandotheradvantages,hasbroadapplicationprospects.
Keywords:
measurementofrotationrate;single-chipmicrocomputer;Reflectiontypeinfraredphotoelectricsensor
1引言
1.1数字式转速测量系统的发展背景
随着微型计算机可靠性提高和价格的下降，用单片机测量电机转速已经日趋普遍。
我们知道，欲提高测量精度，必须先测出准确的转速，而原先在可控硅调速电路中采用的测速发电机方式已不能满足要求，必须采用数字测速的方法。
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．加之激光光源、光栅、光学码盘、CCD器件、光导纤维等的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了广泛的应用。
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。
1.2本设计课题的目的和意义
测速装置在控制系统中占有非常重要的低位，对测速装置的要求是分辨能力强、高精度和尽可能短的检测时间。
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。
2转速测量系统的原理
2.1转速测量方法
转速测量方法可以分为两类，一类是直接法，即直接观测机械或者点击的机械运动，测量特定时间内机械旋转的圈数，从而测出机械运动的转速；另一类是简介法，即测量由机械转动导致其他物理量的变化，从这些物理量的变化与转速的关系来得到转速，同时从测速仪是否与转轴接触又可以分为接触式，非接触式。
目前国内外的测速方法有广电码盘测速法、霍尔元件测速法、离心式转速表测速法、测速发电机测速法、漏磁测速法、闪电测速法和震动测速法。
以下列举我认为本设计适合的方法：
1、光电码盘测速法
这是通过测出转速信号的频率或周期来测量电机转速的一种无接触测速法。
光电码盘安装在转子端轴上，随着电机的转动，光电码盘也跟着一起转动，如果有一个固定光源照射在码盘上，则可以利用光敏元件来接收光，接收到光的次数就是码盘的编码数。
若编码数为1，测量时间为t，测量到的脉冲数为N，则转速n=（N/t*1）*60。
2、霍尔元件测速法
利用霍尔开关元件测转速。
霍尔开关元件内含稳压电路、霍尔电势发生器、放大器、施密特触发器和输出电路。
输出电平与TTL电平兼容，在电机转轴上装一个圆盘，圆盘上装若干对小磁钢，小磁钢越多，分辨率越高，霍尔开关固定在小磁钢附近，当电机转动时，每当一个小磁钢转过霍尔开关，霍尔开关便输出一个脉冲，计算出单位时间的脉冲数，即可确定旋转体的转速。
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：
（1）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
fx=N/t（2.1）
（2）测周期法：
在被测信号的一个周期内,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。
（3）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=m1fc/m2,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%=1/N×100%
由此可见,被测信号频率越高,N越大,Er1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%=1/m0×100%
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%=1/m2×100%
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。
2.2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）
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
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显示：
用来对所测量到的转速进行显示。
3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。
3.1霍尔传感器测量方案
霍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。
使用霍尔传感器获得脉冲信号，其机械结构也可以做的较为简单，只要在转轴的圆周上粘上一粒或者两粒磁钢，让霍尔开关靠近磁钢，就有信号输出，转轴旋转时，就会不断产生脉冲信号输出。
如果在圆周上黏上很多粒磁钢，可以实现旋转一周，获得多个脉冲输出。
在粘磁钢时要注意，霍尔传感器对磁场方向敏感，粘之前可以先手动接近一下传感器，如果没有信号输出，可以换一个方向再试。
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3.1霍尔转速传感器的结构原理图
图3.2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，影响脉冲的采样精度。
3.2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3.3转速测量系统的组成框图
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。
4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。
4.1转速信号采集
在设计中采用光电传感器采集信号，这种传感器是把旋转轴的转速变为相应频率的脉冲，然后用测量电路测出频率，由频率值就可知道所侧转素值。
这种测量方法具有传感器结构简单、可靠、测量精度高的特点。
是目前常用的一种测量转速的方法。
从光源发出的光通过测速齿盘上的齿槽照射到光电元件上，使光电元件感光。
测速齿盘上有30个齿槽，当测速齿槽旋转一周，光敏元件就能感受与开孔数相等次数的光次数。
对于被测电机的转速在90—1700r/min的来说,每转一周产生30个电脉冲信号,因此,传感器输出波形的频率的大小为：
45Hz≤f≤850Hz（4.1）
测速齿盘装在发射光源（红外线发光二极管）与接收光源的装置（红外线接收二极管）之间,红外线发光二极管（规格IR3401）负责发出光信号,红外线接收三极管（规格3DU12）负责接收发出的光信号,产生电信号,每转过一个齿,光的明暗变化经历了一个正弦周期,即产生了正弦脉冲电信号。
图4.1所示为转速传感器电路，因为红外光不可见，用肉眼是无法判断红外线是否工作，故将红外线的输出回路串接了一个普通光电二极管作为判别光源发生回路是否为通路。
所选用的红外二极管IR3401，在正向工作电流为20mA时,其导通电压为1.2—1.5V,所选用的发光二极管的正向压降一般为1.5—2.0V,电流为10—20Ma。
R的计算公式为：
R=（Ucc–U1–U2）/I1（4.2）
计算得：
Rmin=425Ω；Rmin=465Ω。
设定中所选阻值为430Ω（Rmin≤R≤Rmax）。
转速传感器输出电压幅度在0—1.6mV呈正弦波变化,由此可见,红外线接收三极管的光信号转化为电信号的电压Uo很微弱（一般为mV量级）,需要进行信号处理。
图4.1转速传感器电路图
光电传感器是应用非常广泛的一种器件，有各种各样的形式，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4.2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4.3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4.2光电传感器的原理图图4.3遮光叶片
4.2直射式红外光电传感器
H92B4是由原装进口高发射功率的砷化镓（砷铝镓）红外发射管和高灵敏度的光敏晶体管组成。
它是利用被测物对光束的遮挡，由同步回路选择通电路，从而检测物体的有无。
直射式红外光电传感器内部电路示意图如图4.4所示，极限参数与光电特性分别如表4-1、表4-2所示。
图4.4内部电路示意图
特点：
1.已安装、高可靠性
2.相应速度快，光缝0.8mm
3.槽宽4mm，脚距8.8mm
应用：
1.点钞机、复印机、打印机
2.仪器仪表、转数测量、碎纸机
3.计数器、CD-ROM、娱乐设备等
表4-1H92B4极限参数
项目
符号
数值
单位
输入
耗散功率
P
80
nW
反向电压
VR
5
V
正向电流
IF
50
nA
输出
集电极功耗
PC
50
nW
集电极电流
IC
20
nA
集-射电压
VCEO
30
V
射-集电压
VCEO
5
V
工作温度
Topr
-20∽+65
℃
储存温度
Tstg
-20∽+75
℃
焊接温度
Tsol
240
℃
项目
符号
测试条件
最小
典型
最大
单位
输入
正向压降
VF
IF=10mA
-
1.3
1.6
V
反向电流
IR
VR=5V
-
-
10
μA
波长
λp
I=10mA
-
940
-
nm
输出
集电极暗电流
ICEO
E=0mW/cm²VCE=20V
-
-
1
μA
集电极光电流
IL
VCE=5V
IF=10mA
0.4
-
mA
饱和压降
VCE（sat）
IF=10mA
IC=0.1mA
-
-
0.4
V
传输特性
上升时间
Tr
VCE=5VIC=2mARL=100OΩ
-
5
-
μs
下降时间
Tf
-
5
-
Ms
表4-2H92B4光电特性（Ta=25℃）
4.3电平转换器MAX232CPE介绍
MAX232CPE芯片是美信（MAXIM）公司专为RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片，使用+5V单电源供电。
标准RS-232的电平EIA-RS-232C对电器特性、逻辑电平和各种信号线功能都作了规定。
在TxD和RxD上：
逻辑1（MARK）=-3V～-15V逻辑0（SPACE）=+3～＋15V；在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制线上：
信号有效（接通，ON状态，正电压）＝+3V～+15V信号无效（断开，OFF状态，负电压）=-3V～-15VTTL输出高电平>2.4V，输出低电平<0.4V。
在室温下，一般输出高电平是3.5V，输出低电平是0.2V。
最小输入高电平和低电平：
输入高电平>=2.0V，输入低电平<=0.8V，噪声容限是0.4V。
互联的话一定要做电平转换的。
max232等芯片就是完成电平转换的。
本文采用的是MAX232CPE电平转换器，第一字母表应用级别。
C为商用级。
第二字母，表示封装，P为PDIP封装，有16管脚。
第三字母，表示引脚数，E为16PIN。
MAX232CPE用于完成计算机232端口数据电平转换，连接CMOS电路的，换言之，如果离开它，我们就无法用软件监控电源状态了，需要串口返回信号。
MAX232CPE完成232电平与TTL电平转换，提供一个本地借口，为调试和维护提供方便。
TXD接SX52的RA2脚，RXD接RA3脚，RS-RXD和RS-TXD是RS232电平，为标准串口电平。
数据可以从串口输入到单片机SX52，SX52再把数据送到RTL8019AS传出去。
用于嵌入式设备上的应用。
MAX232CPE管脚如图4.5所示。
图4.5电平转换器MAX232CPE管脚
引脚介绍：
第一部分是电荷泵电路。
由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。
功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。
第二部分是数据转换通道。
由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。
其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。
8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。
TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DB9插头；DB9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。
第三部分是供电。
15脚GND、16脚VCC（+5v）。
4.4电位器3296
电位器3296（如图4.6）广泛应用于仪器仪表、电器、音响设备、通讯、医疗设施、安防产品、UPS电源、工业控制电视机、录像机、MP3、Mp4、VCD机、DVD机、电话机、办公自动化设备和信息通讯设备等领域。
电位器的作用是调节电压，包含直流电压与信号电压，以及电流的大小。
电位器的电阻体有两个固定端，通过手动调节转轴或滑柄，改变动触点在电阻体上的位置，则改变了动触点与任一个固定端之间的电阻值，从而改变了电压与电流的大小。
电位器是一种可调的电子元件，它是由一个电阻体和一个转动或滑动系统组成。
当电阻体的两个固定触点之间外加一个电压时，通过转动或滑动系统改变触点在电阻体上的位置，在动触点与固定触点之间便可得
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