1、 PAGE26 / NUMPAGES29摘 要在工程實踐中，經常碰到需要測量轉速的場合，而單片機作為一款性價比很高的微控制器在測速系統有著廣泛的應用。首先，本文敘述了單片機測量轉速的系統構成與轉速測量的幾種常用方法。其次，介紹了一種基于89C51單片機的電動機測速系統，該系統利用霍爾傳感器產生脈沖信號，通過定時算法程序，將轉速結果實時顯示出來。最后，對測量指標進行了分析、比較并提出改進方案。關鍵詞：單片機；轉速測量；霍爾傳感器目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc274428399摘要 PAGEREF _Toc274428399 h IHYPERLINK l

2、_Toc274428400目錄 PAGEREF _Toc274428400 h IIHYPERLINK l _Toc274428401第一章緒論 PAGEREF _Toc274428401 h 1HYPERLINK l _Toc2744284021.1關于單片機測控系統 PAGEREF _Toc274428402 h 1HYPERLINK l _Toc2744284031.2 數字式轉速測量系統的發展背景 PAGEREF _Toc274428403 h 2HYPERLINK l _Toc2744284041.3 課題主要容和存在的問題與研究目的和意義 PAGEREF _Toc274428404

3、 h 3HYPERLINK l _Toc2744284051.3.1課題研究目的和意義 PAGEREF _Toc274428405 h 3HYPERLINK l _Toc2744284061.3.2研究的主要容 PAGEREF _Toc274428406 h 3HYPERLINK l _Toc2744284071.3.3需解決的問題 PAGEREF _Toc274428407 h 3HYPERLINK l _Toc274428408第二章基于單片機的轉速測量原理 PAGEREF _Toc274428408 h 4HYPERLINK l _Toc2744284092.1 轉速的測量原理 PAGE

4、REF _Toc274428409 h 4HYPERLINK l _Toc2744284102.2 轉速的測量方法 PAGEREF _Toc274428410 h 5HYPERLINK l _Toc2744284112.2.1 測頻法“M法” PAGEREF _Toc274428411 h 5HYPERLINK l _Toc2744284122.2.2 測周期法“T法” PAGEREF _Toc274428412 h 6HYPERLINK l _Toc2744284132.2.3 測頻測周法M/T法 PAGEREF _Toc274428413 h 7HYPERLINK l _Toc274428

5、4142.3 誤差和精度分析 PAGEREF _Toc274428414 h 7HYPERLINK l _Toc2744284152.3.1 “M法”測量誤差分析 PAGEREF _Toc274428415 h 7HYPERLINK l _Toc2744284162.3.2 “T法”測量誤差分析 PAGEREF _Toc274428416 h 8HYPERLINK l _Toc2744284172.3.3 “M/T法”測量誤差分析 PAGEREF _Toc274428417 h 9HYPERLINK l _Toc274428418第三章電機轉速測量電路設計 PAGEREF _Toc274428

6、418 h 10HYPERLINK l _Toc2744284193.1 硬件電路設計 PAGEREF _Toc274428419 h 10HYPERLINK l _Toc2744284203.2 電路工作原理分析 PAGEREF _Toc274428420 h 11HYPERLINK l _Toc274428421第四章系統程序設計 PAGEREF _Toc274428421 h 15HYPERLINK l _Toc2744284224.1 程序設計 PAGEREF _Toc274428422 h 15HYPERLINK l _Toc2744284234.1.1 工作方式與控制字設置 PAG

7、EREF _Toc274428423 h 16HYPERLINK l _Toc2744284244.2 結果分析和有待解決的問題 PAGEREF _Toc274428424 h 19HYPERLINK l _Toc274428425結論 PAGEREF _Toc274428425 h 21HYPERLINK l _Toc274428426致 PAGEREF _Toc274428426 h 22HYPERLINK l _Toc274428427參考文獻 PAGEREF _Toc274428427 h 23HYPERLINK l _Toc274428428附錄1原理圖 PAGEREF _Toc27

8、4428428 h 24第一章 緒論1.1關于單片機測控系統目前，隨著芯片技術與單片機功能的不斷發展和成熟，單片機技術已經在工業控制系統中得到廣泛的應用。如氣輪機電液調節系統、調速系統等。典型的應用系統是單片機要完成工業測控功能所必須具備的硬件結構系統，它包括系統擴展和系統配置兩部分容。單片機測控系統組成框圖如1-1所示，整個系統由基本部分（鍵盤、顯示器配置）和測控增強部分（傳感器接口與伺服驅動控制接口）構成。 圖1-1單片機測控系統組成框圖對于數字量（頻率、周期、相位、計數）的采集后可通過I/O口輸入，數字脈沖可直接作為計數輸入、測試輸入、I/O口輸入或中斷源輸入進行事件計數、定時計數、實現

9、脈沖的頻率、相位與計數測量。對于模擬量的采集，則應通過A/D變換后送入總線口，I/O口或擴展I/O口，并配以相應的A/D轉換控制信號與地址線。對于開關量的采集則一般通過I/O口或擴展I/O口線。應用系統可根據任何一種輸入條件或部運行結果進行輸出控制。開關量輸出控制有時序開關、邏輯開關、信號開關陣列等，通常，這些開關量也是通過I/O口或擴展I/O口輸出。模擬量的輸出常為伺服驅動控制，控制輸出通過D/A變換后送入伺服驅動電路。與上位機進行通訊的RS232，RS485串行口、微型打印機等常規外設為純數字信號大都可直接與單片機的數據線或通訊口相連，其標準性和通用性很強，應用十分方便。1.2 數字式轉速

10、測量系統的發展背景目前國外測量電機轉速的方法有很多，按照不同的理論方法，先后產生過模擬測速法（如離心式轉速表，用電機轉矩或者電機電動勢計算所得），通風部測速法（如機械式或閃光式頻閃式測速儀）以與計數測速法。計數測速法有可分為機械式定時計數法或電子式定時計數法。傳統的電機轉速檢測多采用測速發電機或光電數字脈沖編碼器，也有采用電磁式（利用電磁感應原理或可變磁阻的霍爾元件等）、電容式（對高頻振蕩進行幅值調制或頻率調制）等，還有一些特殊的測速器是利用置于旋轉體的放射性材料來發生脈沖信號。其中應用最廣的是光電式，光電式測系統具有低慣性、低噪音、高分辨率和高精度的優點。加之激光光源、光柵、光學碼盤、CCD

11、器件、光導纖維等相繼出現和成功應用，使得光電傳感器在檢測和控制領域得到廣泛的應用。而采用光電傳感器的電機轉速測量系統測量準確度高、采用速度快、測量圍寬和測量精度與被測轉速無光等優點，具有廣闊的應用前景。1.3 課題主要容和存在的問題與研究目的和意義1.3.1課題研究目的和意義在工程實踐中，經常會遇到各種需要測量轉速的場合，例如在發動機、電動機、卷揚機、機床主軸等旋轉設備的實驗、運轉和控制中，常常需要分時或連續測量和顯示其轉速與瞬時轉速。要測速，首先要解決的采樣問題。在使用測速表時，常用測速發電機的方法，即將測速發電機的轉軸與待測軸相連，測速發電機的電壓高低反映了轉速的高低。為了能精確地測量轉速

12、外，還要保證測量的實時性，即要求能測得瞬時轉速。因此轉速的測試具有重要的意義。1.3.2研究的主要容1.詳細分析轉速的測量理論，對轉速的周期測量法“T”法、頻率測量法“M”法以與周期頻率“M/T”測量法，三種具體測量方法的轉速計算、各自的測量精度和誤差進行闡述。定性地比較三種方法所針對的轉速特征，分析高、中、低轉速情況下各自的適用狀況，從而，在保持一定的測量精度情況下，應用“M”法，說明轉速測量原理。2.根據單片機系統的設計原則，對電動機提出測量方案，構建硬件系統。同時分析接口電路，顯示轉速。3. 根據設計要求對單片機定時/計數器進行設置，設計和說明定時/計數器在“M”法測量中的作用和使用方法

13、，用C語言編制程序，包括主程序流程，顯示中斷程序流程。1.3.3需解決的問題1單片機在系統運行過程中，中斷設置問題2系統硬件電路制作，調試。第二章 基于單片機的轉速測量原理2.1 轉速的測量原理轉速是工程中應用非常廣泛的一個參數，而隨著大規模與超大規模集成電路技術的發展，數字測量系統得到普遍應用，利用單片機對脈沖數字信號的強大處理能力，應用全數字化的結構，使數字測量系統的越來越普與。在測量圍和測量精度方面都有極大的提高。轉速的測量方法有很多，由于轉速是以單位時間的轉速來衡量的，所以本文采用霍爾元器件測量轉速。霍爾器件是有半導體材料制成的一種薄片，其長為l，寬為b，厚度為d。若在垂直于薄片方向（

14、即沿厚度d的方向）施加外磁場，在沿長為l的方向的兩端面加外電場，則其部會有一定的電流通過。由于電子在磁場中運動，所以將受到一個洛侖茲力，其大小為： F=qVB,式中：F為洛倫茲力；q為載流子電荷，V為載流子運動速度，B為磁感應強度。 由于受洛倫茲力，電子的運動方向軌跡將發生偏移，在霍爾元器件薄片的兩個側面分別產生電茲積聚或電荷過剩，形成霍爾電場。在霍爾器件兩個側面間形成的電位差為霍爾電壓，其大小為： U=RBI/d式中：R為霍爾常數，I為控制電流。設K=R/d,它稱為霍爾器件的靈敏系統，表示該霍爾元件在單位磁感應強度和單位控制電流下輸出霍爾電動勢的大小。若控制電流保持不變，則霍爾感應電壓將隨外

15、界磁場強度而變化。根據這一原理，可將一塊永久磁鋼固定在電動機轉軸上轉盤的邊沿，轉盤隨被轉軸旋轉，磁鋼也將跟著同步旋轉，在轉盤附近安裝一個霍爾元件，電機旋轉時，霍爾元件受到磁鋼所產生的磁場影響，故可輸出脈沖信號，其頻率和轉速成正比，測出霍爾元器件輸出的脈沖周期或頻率即可計算出轉速。2.2 轉速的測量方法2.2.1 測頻法“M法”在一定測量時間T，測量脈沖發生器產生的脈沖數m1來測量轉速。如圖2-1所示：2-1“M”法測量轉速脈沖設在時間T，轉軸轉過的弧度數為X，則的轉速n可由下式表示。 (2-1) 轉軸轉過的弧度數X,可用下式所示 （2-2）將(2-1)式代入(2-2)式，得轉速n的表達式為：

16、（2-3）-轉速單位：（轉/分）-定時時間單位：（秒）2.2.2 測周期法“T法”轉速可以用兩脈沖產生的間隔寬度Tp來決定。如圖2-2所示：圖2-2 “T”法脈寬測量Tp通過定時器測得。定時器對時基脈沖(頻率為fc)進行計數定時，在TP計數值若為m2，則計算公式為： （2-4）即： （2-5）-為轉軸轉一周脈沖發生器產生的脈沖數。-為硬件產生的基準時鐘脈沖頻率單位Hz。-轉速單位：（轉/分）。-時基脈沖。2.2.3 測頻測周法M/T法所謂測頻測周法，即是綜合了“T”法和“M”法分別對高、低轉速具有的不同精度，利用各自的優點而產生的方法，精度位于兩者之間。如圖2-3所示。 圖2-3“M/T”法定

17、時/計數測量轉速計算如下：設高頻脈沖的頻率為fc，脈沖發生器每轉發出P個脈沖，由式（2-2）和（2-5）可得M/T法轉速計算公式為： （2-6）-轉速值。單位：（轉/分）。-晶體震蕩頻率。單位Hz。-輸入脈沖數，反映轉角。-時基脈沖數。2.3 誤差和精度分析2.3.1“M法”測量誤差分析由轉速公式： 給出因定時時間和輸入脈沖不能保證嚴格同步，以與在T能否正好測量外部脈沖的完整周期個數，所以m1可能產生一個脈沖的量化誤差，故轉速變化：（2-7）其相對誤差為： （2-8） （2-9） (2-10)-相對誤差。-加入一個脈沖后的轉速值。-誤差。由（2-10）式可知，隨轉速n增大而減小，因此，這種方法

18、適合于高速測量，當轉速越低，產生的誤差會越大。2.3.2“T法”測量誤差分析因m1的量化誤差也是1個脈沖，故引起的轉速變化也可以由下式給出： （2-11）其相對誤差為： （2-12）所以由（2-12）式可知，隨轉速減小而減小。因此，這種方法適合于低速測量，轉速增高，誤差增大。2.3.3“M/T法”測量誤差分析由其測量原理可知。輸入計數脈沖和計數定時值在理論上是嚴格同步的，因此，在理論上，m1（定時器的計數值）不考慮誤差，由于實際啟動是由程序來控制的（系統應采取由輸入計數脈沖來同步），故可能會產生一個脈沖的量化誤差，因而，轉速變化為：其相對誤差為： (2-13)由上式可知：這種轉速測量方法的相對

19、誤差與轉速n無關，只與晶體振蕩產生的脈沖有關，故可適合各種轉速下的測量。保證其測量精度的途徑是增大定時時間T，或提高時基脈沖的頻率fc。因此，在實際操作時往往采用一種稱變M/T的測量方法，即所謂變M/T法，在M/T法的基礎上，讓測量時間Tc始終等于轉速輸入脈沖信號的周期之和。并根據第一次的所測轉速與時調整預測時間Tc，兼顧高低轉速時的測量精度。 第三章 電機轉速測量電路設計3.1 硬件電路設計一個單片機應用系統的硬件電路設計應包含有兩個部分容：第一是系統擴展，即當單片機部的功能單元，如ROM、RAM、I/O口、定時/計數器、中斷系統等容量不能滿足應用系統要求時，必須在片外進行擴展，選擇適當的芯

20、片，設計相應的電路。第二是系統配置，即按照系統功能要求配置外圍設備，如鍵盤、顯示器、打印機、D/A、A/D轉換器等，并設計相應的接口電路。因此，系統的擴展和配置應遵循下列原則：盡可能選擇典型電路，并符合單片機的常規用法。系統的擴展與外圍設備配置應滿足系統功能的要求，并留有適當的余量，以便進行二次開發。硬件結構應與應用軟件方案統一考慮，軟件能實現的硬件功能盡可能用軟件來實現，但需注意的是軟件實現占用CPU的時間，而且，響應時間比硬件長。單片機外接電路較多時，應考慮其驅動能力，減少芯片功耗，降低總線負載。根據上述原則，設計系統。如圖3-1所示：圖3-1單片機系統測量轉速原理框圖霍爾元件：選用開關型

21、集成元件UGN3019,對信號進行采樣。整形電路：采用斯密特觸發器。單片機：選用89C51，對信號轉換成轉速實際值。LED顯示：本文采用4位共陰極數碼管顯示。3.2 電路工作原理分析本系統單片機采用Atmel公司生產的89C51作為主控制器，用霍爾傳感器作為脈沖發生器，用4位LED數碼管作為顯示。1霍爾傳感器霍爾傳感器是應用非常廣泛的一種器件，本文采用開關型集成元件UGN3019,它將電流源，霍爾元件，待溫度補償的差動放大電路以與斯密特等電路集成在一起，基本原理是霍爾效應片產生的電勢由差分放大器進行放大，隨后被送進斯密特觸發器。當霍爾元件的感磁面受到一個小于霍爾器件的磁場工作點Bop時，差動放

22、大器的輸出電壓不足以開啟斯密特觸發器，驅動管截止，霍爾器件處于關態，輸出為高電平。當受到一個上升磁場，強度超過工作點Bop時，霍爾元件導通，輸出低電平。因此，轉軸轉動，霍爾元件輸出連續脈沖信號，然后輸入單片機進行信號處理。UGN3019的測量接線如圖3-2所示。將一非磁性圓盤固定在轉軸上，周圍用環氧樹脂粘貼塊狀磁鋼，磁鋼采用永久磁鐵分割成小磁塊（其磁力較強），霍爾元件固定在距磁塊1-3 mm 處。傳感器采用12V直流電源，輸出端接1K上拉電阻。為了防止CPU輸入電壓過高和可能產生峰值電壓，輸出端接5V穩壓管進行限制電位，輸出信號直接進單片機外部計數器，即P3.5,給單片機一個計數脈沖進行采集處

23、理。圖3-2 UGN3019測量接線圖 圖3-3 復位電路2復位電路89C51的復位是由外部的復位電路來實現，通常采用上電復位和按鈕復位兩種方式，本文采用最簡單的上電復位電路，其電路如圖3-3示。上電自動復位是通過外部復位電路的電容充電實現的，當電源接通時只要VCC的上升時間不超過1毫秒，就可以實現自動上電復位。3時鐘電路89C51單片機芯片部設有一個由反相放大器所構成的振蕩器。19腳（XTAL1）為振蕩器的反相放大器和部時鐘發生器的輸入端，18腳（XTAL2）為振蕩器反相放大器和部時鐘發生器的輸出端。在XTAL1 和XTAL2引腳上外接定時元器件，部振蕩器電路就會產生自激震蕩。本系統采用的定

24、時元器件為石英晶體和電容組成的并聯諧振回路，晶振頻率為12MHz,電容大小為22P,電容的大小可以起到頻率微調的作用，時鐘電路如圖3-4。圖3-4 時鐘電路4數碼顯示電路LED又稱數碼管，它主要有8段發光二極管組成的不同組合，可以顯示ag為數字和字符顯示段,h段為小數點顯示。點亮LED顯示器有兩種方式：一是靜態顯示，二是動態顯示。本文采用4位LED動態顯示電路如圖3-5。圖3-5 4位動態LED顯示電路 5.測速系統仿真Proteus軟件不僅具有其它EAD工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機與外圍器件。它是目前較好的仿真單片機與外圍器件的工具。該測速系統的Proteus仿真原理圖如圖3-6所示。

25、 圖3-6 電機測速系統 proteus仿真原理圖第四章 系統程序設計4.1 程序設計本系統采用89C51中T0定時器和T1計數器配合使用對轉速脈沖定時計數。計數器T1工作于計數狀態對外部脈沖進行計數；T0工作為定時器方式每次定時10ms。本設計程序編程的思想就是在給定的10ms之，用單片機自帶的計數器T1對外部脈沖進行計數。主程序的流程如圖4-1所示。圖4-1 主程序流程圖主程序部分程序如下：Void mian( ) uintnum10=0 x3f,0 x06,0 x5b,0 x4f,0 x66,0 x6d,0 x7d,0 x07,0 x7f,0 x6f,0 x79; uint i,j,mm

26、; TMOD=0 x51; /T0工作為定時方式，T1為計數方式 TH0=（65536-10000）/256; TL0=（65536-10000）%256; TH1=0; TL1=0; EA=1; /啟動外部中斷0 TR0=1; /T0開始定時 ET1=1; /允許T1中斷 EA=1; /開中斷4.1.1 工作方式與控制字設置1T0定時中斷程序設計T0定時中斷流程圖如4-2所示。圖4-2 T0定時中斷流程圖 T0定時中斷部分程序： void time0()interrupt1 /定時10ms EA=0; ET0=0; TR0=0; TH0=216; TL0=240;Buf_min+; EA=1

27、; ET0=1; TR0=1; 2計數器T1本系統設計中，T1被用于計數，我們當然希望計數量大為好，這樣，可以獲得較大的測量圍，因此，T1定為工作方式1（16位的計數方式），設計中，沒有使用外部控制端，僅用指令置位/清零TR1來進行計數的啟動/停止，這樣，電路較為簡單。本系統T1用自由計數方式，不用預置初值。3定時/計數器的方式控制字定時/計數器的方式控制字TMOD，其地址為89H，復位值00H，不可位尋址。其8位控制容如下表：表4-1根據前面的描述要求，確定TMOD的控制字應為0 x51。4定時/計數控制寄存器TCONTCON地址88H，可進行位尋址，復位值00H。表4-2TF0、TF1分別

28、為定時器T0和計數器T1的溢出標志位，TF0和TF1在正常情況下，都沒有溢出標志，只有當計數值或定時值超過65536時，才能有溢出中斷請求，這兩位是由硬件置位和硬件清零，不需另行設置。可在T0和T1的溢出中斷服務程序中，以供使用。TR1、TR0分別用于開啟T1和T0的開關位，其中TR0由系統開啟時，直接置位，打開T0，開始定時，經運行判斷后，打開TR1。5顯示部分程序 數碼管要正常顯示，就要用驅動電路來驅動數碼管的各個段碼，從而顯示出我們要的數字，為了節省I/O端口，本文采用動態顯示。xian_shi() uchar qian,bai,shi,ge; mm=(TH1*0 x100+TL1)*6

29、0； qian=mm/1000; bai=mm%1000/100; shi=mm%100/10 ge=mm%10; P2=0 x10; P0=munqian; delay(50); P2=0; P2=0 x20;P0=munbai; delay(50); P2=0; P2=0 x40; P0=munshi; delay(50); P2=0; P2=0 x80; P0=tablege; delay(50); P0=0;4.2 結果分析和有待解決的問題1結果分析系統正常工作時，理論誤差約百之一。但最后一位（個位）顯示不穩定，原因是由于M法所存在的1的誤差，即由于閘門啟/閉與信號不同步而造成某次多計一個數或少計一個數而造成的誤差，那么，這就是由于M法的固有缺陷而引起的。2有待解決的問題（1）定時和計數同步問題由于本系統的對外來計數采用軟件打開計數器的，因此定時和計數存在不同步問題，相差指令周期與一個脈沖的誤差，這將給轉速產生一定的誤差，解決的方法有如下幾種想法：用硬件即加一個D觸發器外部計數的同時開啟定時，關閉時，利用一回復信號，停止定時器的工作，這種方法實時