电机转速测量系统设计要点.pdf
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1、测控系统原理与设计 课程设计 姓名: 学号: 课程设计题:电机转速测量系统设计 指导老师: 华东交通大学课程设计 目 录 1 设计任务书 . 1 2 设计题目 . 2 3 系统介绍 . 2 4 系统设计方案 2 4.1方案论证与选择 3 4.1.1 转速测量的方法 . 3 4.1.2 整体控制方式 . 3 4.1.3 传感器模块 . 3 4.1.4 显示模块 . 4 4.2 方案描述 . 5 5 系统理论分析与计算 5 5.1 信号采集电路的分析 . 5 5.2 电机转速的计算 . 6 6 硬件电路设计 7 6.1 单片机模块 . 7 6.1.1 STC89C52 单片机简介 . 错误!未定义
2、书签。 6.1.2 时钟电路 . 8 6.1.3 复位电路 . 9 6.2 显示电路 . 9 7 软件设计 . 10 7.1 系统总体设计 . 10 7.2 中断子程序设计 . 11 7.3 定时子程序设计 . 11 7.4 显示子程序设计 . 12 8 测试方案 . 12 8.1 电路调试 . 12 电机转速测量系统设计 8.1 软件调试 . 12 9 心得体会 . 13 10 参考文献 . 15 11 附录. 16 附录一 电路仿真图 16 附录二 程序清单 16 附录三 电路图 22 附录四 实物图 23 电机转速测量系统设计 1 1 设计任务 一、总要求 能够独立进行系统方案的设计及论
3、证,设计合理的接口电路、控制电路、主机电 路等,以及合理选择有关元器件及正确使用相关工具与仪器设备,设计接口程序、控 制算法程序以及主程序等,并且能结合实际调试与实验进行有关精度分析与讨论。 二、总任务 针对总要求进行原理及方案论证、系统设计、接口电路设计、焊接或插接与调试、 控制与系统程序设计、精度分析以及撰写报告等工作。 三、设计题目 电机转速测量系统设计 四、设计内容 ( 1) 用光电发射接受元件设计电机转速测量系统 ( 2) 设计发射电路与接受电路,与微机接口电路 ( 3) 将整个检测系统进行相关实验室调试,并进行分析与相关计算等 五、设计进度或计划 1、准备及查阅资料(一天) 2、方
4、案设计及论证(总体方案、硬件及软件方案)(二天) (14 周三要查看各人设计方案或论文提纲) 3、硬件电路设计、画图( PROTEL)及实验室调试(四天) (15 周五要查看各人实物或论文初稿) 4、软件设计、编程及调试(三天) 5、系统联调及结果分析(二天) 6、整体准备答辩(二天) (16 周五全天答辩) 六、设计说明书包括的主要内容 1、目录 2、设计任务书 3、设计题目 4、序言(可包括系统工作原理的介绍等) 5、方案设计及论证(可先进行总体方案设计与论证;再分模块进行方案设计与论 证;各模块设计中应包括适当的精度分析及选型等) 华东交通大学课程设计 2 6、实验或系统调试(可包括实验
5、调试工具仪器、实验结果及适当的分析等) 7、心得体会 8、主要参考文献 另:撰写格式应符合一定的要求,请参照华东交通大学本科生毕业论文撰写规范 进行。 七、考核方法 考核根据学生平时学习态度(含出勤率)20%、设计完成情况(样机) 50%、图纸 及说明书质量(含答辩)30%等确定。 八、装定要求 装入统一的资料袋中,报告装定好,顺序:封面,目录,设计任务书,正文,参 考文献,附录等。 2 设计题目 电机转速测量系统设计 3 系统介绍 转速的测量原理有两种:对于较高的转速,记录单位时间内的转速或角 度,即频率测量法;对于较低的转速,记录每转所用的时间或没特定角度多 用的时间,即周期测量法。因为本
6、系统测量对象为直流电动机,转速较高, 所以选择频率测量法,即在固定的测量时间内,对传感器产生的脉冲进行计 数,从而算出实际转速。假设测量时间为Tc(min) ,脉冲个数为P,光码盘 的小孔个数为m,则可算出实际转速N(r/min )为: Tc)n/(PN= 60 当采样周期为1s,光码盘开孔数为4 个时,其实际转速N 为: 460P/N= 本设计中采用光电传感器采集信号,方便了信号的采集, 也提高了测量的精 度,但容易受外界光线和环境的干扰,编码盘与电机转轴的固定连接,都是本设 计的难点。用 1602LCD 的数码管以动态扫描清晰的显示了实时的转速,程序的 编写成了本设计的重点。 4 系统设计
7、方案 本系统主要由单片机模块、 传感器模块以及显示模块组成, 下面分别论述这 几个模块的选择。 电机转速测量系统设计 3 4.1 方案论证与选择 4.1.1 转速测量的方法 方案一:测周期法 (T 法) 它是测量光电脉冲发生器所产生的相邻两个转速脉冲信号的时间来确定转 速。 相邻两个转速脉冲信号时间的测量是采用对已知高频脉冲信号进行计数来实 现的。在极端情况下,时间的测量会产生1 个高频脉冲周期,因此T 法在被测 转速较低 (相邻两个转速脉冲信号时间较大)时,才有较高的测量精度,所以T 法 适合于低速测量。 方案二:测频法 (M 法) 在规定的检测时间内, 检测光电脉冲发生器所产生的脉冲信号的
8、个数来确定 转速。虽然检测时间一定 ,但检测的起止时间具有随机性,因此M 法测量转速在 极端情况下会产生1 个转速脉冲的误差。当被测转速较高或电机转动一圈发出 的转速脉冲信号的个数较大时,才有较高的测量精度,因此M 法适合于高速测 量。 方案三:频率 /周期法 (M/T 法) 它是同时测量检测时间和在此检测时间内光电脉冲发生器所产生的转速脉 冲信号的个数来确定转速。由于同时对两种脉冲信号进行计数,因此只要“ 同时 性” 处理得当 ,M/T 法在高速和低速时都具有较高的测速精度。由于 M/T 法可在整 个速度范围内获得高分辨率,可在不损失精度和分辨率的前提下获得快速响应。 本次设计采用测频法。
9、4.1.2 整体控制方式 方案一:采用集成电路控制方式 光电传感器感受到光信号并转换成电信号,此时的电信号为模拟信号, 经信号处 理电路滤除干扰,并转换成能被计数器接受的方波信号或脉冲信号,再经过计数、 译码、显示电路,由数码管显示转速。可实现功能,但电路较复杂,系统调试也 较繁杂。 方案二:采用单片机模块控制方式 单片机模块接收脉冲信号,进行计数、处理,把数据传送给LCD 显示模块,达 到实时检测和反馈的功能。 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。 综合以上两种方案,选择方案二。 4.1.3 传感器模块 方案一:采用红外传感器
10、 华东交通大学课程设计 4 红外传感器是利用红外线的物理性质来进行测量的传感器,为反射式。红外 线传感器测量时不与被测物体直接接触,因而不存在摩擦, 并且有灵敏度高, 反 应快等优点。 但红外线的发射、 接收不好控制, 而且容易受到外界光线和环境的 干扰。 方案二:采用霍尔传感器 霍尔传感器是根据霍尔效应原理 制成的霍尔元件。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。 采用霍尔传感器在信号采样的时图 1 霍尔转速传感器结构
11、图 候,会出现采样不精确, 因为它是靠磁性感应才采集脉冲的,使用时间久了会出 现磁性变小,影响脉冲的采样精度。 方案三:采用光电传感器 光电传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的。光电 传感器在一般情况下,有三部分构成,它们分为:发送器、接收器和检测电路。 发送器对准目标发射光束,发射的光束一般来源于半导体光源,发光二极管 (LED)、激光二极管及红外发射二极管。光束不间断地发射, 或者改变脉冲宽度。 接收器有光电二极管、光电三极管、光电池组成。在接收器的前面,装有光学元 件如透镜和光圈等。 在其后面是检测电路, 它能滤出有效信号和应用该信号。此 外,光电开关的结构元件中 还
12、有发射板和光导纤维。三 角反射板是结构牢固的发射 装置。它由很小的三角锥体 反射材料组成,能够使光束 准确地从反射板中返回,具 有实用意义。图 2 光电传感器原理示意图 综合以上 3 种方案,选择方案三。 4.1.4 显示模块 方案一:用数码管动态显示, 可以显示数字, 但显示的内容有限, 接线繁多, 且不能连续显示字符,有一定局限性。 方案二:采用 LED 点阵显示,能动态扫描,变换颜色,但体积比较大,需 电机转速测量系统设计 5 要很多点阵组合使用,显示较为繁琐,但需要的I/O 资源较多,影响总体布局。 方案三:采用 LCD 液晶显示,显示内容最丰富,不仅编程灵活,显示可靠, 而且电路简单
13、,易与单片机连接,明亮对比度可调,显示非常清晰,是一种非常 好的方案。 综合以上,选择方案三。 4.2 方案描述 本设计主要用 STC89C52 单片机作为控制核心,由光电传感器、LCD 动态 显示屏构成。 STC89C52单片机接收光电传感器传来的脉冲信号,单片机根据外 部中断,以及内部定时器进行记数计算出电机转速送到LCD 显示,使能实时读 出电机的转速。 图 3 系统总体方框图 5 系统理论分析与计算 5.1 信号采集电路的分析 采集光信号的电路原理图如图4 所示: 图 4 采集光信号的电路原理图 在图中, U3 为槽型光耦,它的左端是发光二极管,因为发光二极管的驱动 光电传感器 信号调
14、理显示电路 STC89C52 单片机 华东交通大学课程设计 6 电流为 520mA,所以设置 R2 的值为 500,同理设置,光电接收晶体管的下 拉电阻即 R3 为 10K。光耦的输出端用三极管进行电压放大,为使T1 输出的 电平为 TTL 电平,将 R5 和 R4 的阻值设定为 1K。 该部分设计采用了红外光电传感器,进行非接触式检测。 当有物体挡在红外 光电发光二极管和高灵敏度的光电晶体管之间时,传感器将会输出一个低电平, 而当没有物体挡在中间时, 则输出高电平, 从而形成一个脉冲。 系统在光电传感 器收发端之间加上电动机, 并在电动机转轴上安装一转盘。 在这个转盘的边沿处 挖若干个圆形通
15、光孔, 把传感器的检测部分放在圆孔的圆心位置。每当转盘旋转 时,传感器将输出若干个脉冲。把这些脉冲通过放大整形成单片机可以识别的 TTL 电平,即可计算出轮子的转速。 转盘的圆孔的个数决定了测量的精度,个数越多, 精度越高。 这样就可以再 单位时间里尽可能多地得到脉冲数。从而避免了因为两个过孔之间距离过大,而 正好在过孔之前或者是在下一个过孔之前就停止了,造成较大的误差。 设计中转 盘的圆孔的实际个数受到技术限制。为了达到预定的效果设计, 在转盘过孔的设 计上采用 4 个过孔,再通过软件对采集的数据进行计算。 图 5 光码盘 5.2 电机转速的计算 在编程时让单片机每隔一秒记录一次接收到的脉冲
16、总数,然后根据如下计算 电机的转速 T )N / ( Pn= 60 (1) n:电机转速 T:采样周期 N:采样周期 T 内光脉冲个数 P:光码盘开孔的总数 当采样周期为 1 秒时,转速 f/P n=60 (2) f:1 秒内采集到的光脉冲个数 电机转速测量系统设计 7 6 硬件电路设计 6.1 单片机模块 单片微型计算机简称单片机, 它把组成微型计算机的各个功能部件:中央处 理器 CPU、随机存取存储器RAM 、只读存储器 ROM、可编程存储器 EPROM、 并行及串行输入输出I/O 接口电路、定时器 /计数器、中断控制器等部件集成在 一块半导体芯片上,构成一个完整的微型计算机。 6.1.1
17、 STC89C52单片机简介 STC89C52是 STC 公司生产的一种低功耗、 高性能 CMOS8 位微控制器, 具 有 8K 在系统可编程 Flash存储器。STC89C52使用经典的 MCS-51 内核,但做了 很多的改进使得芯片具有传统51 单片机不具备的功能。在单芯片上,拥有灵巧 的 8 位 CPU 和在系统可编程Flash,使得 STC89C52 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。 具有以下标准功能: 8k 字节 Flash,512 字节 RAM ,32 位 I/O 口线,看门 狗定时器,内置 4KB EEPROM,MAX810 复位电路, 3 个 16位定时
18、器 / 计数器, 4 个外部中断,一个 7 向量 4 级中断结构(兼容传统 51 的 5 向量 2 级中断结构), 全双工串行口。另外STC89C52 可降至 0Hz 静态逻辑操作,支持2 种软件可选 择节电模式。空闲模式下,CPU 停止工作,允许 RAM 、定时器 / 计数器、串口、 中断继续工作。掉电保护方式下,RAM 内容被保存,振荡器被冻结,单片机一 切工作停止,直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35MHz,6T/12T 可选。 图 6 单片机管脚图 VCC:供电电压 GND:接地 华东交通大学课程设计 8 P0 口:P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I/O 口,每脚可吸收8
19、TTL 门电流。 当 P1 口的管脚第一次写 1 时,被定义为高阻输入。 P0能够用于外部程序数据存 储器,它可以被定义为数据/地址的第八位。 P1口:P1口是一个内部提供上拉电阻的8 位双向 I/O 口,P1口缓冲器能接 收输出 4TTL 门电流。 P1 口管脚写入 1 后,被内部上拉为高,可用作输入,P1 口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。 P2口:P2 口为一个内部上拉电阻的8 位双向 I/O 口,P2口缓冲器可接收, 输出 4 个 TTL 门电流,当 P2 口被写“ 1”时,其管脚被内部上拉电阻拉高,且 作为输入。并因此作为输入时,P2 口的管脚被外部拉低,将
20、输出电流。这是由 于内部上拉的缘故。 P2 口当用于外部程序存储器或16 位地址外部数据存储器进 行存取时, P2口输出地址的高八位。 P3口: P3口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向I/O 口, 可接收输出 4 个 TTL 门电流。当 P3口写入“ 1”后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入。作为输 入,由于外部下拉为低电平, P3 口将输出电流( ILL )这是由于上拉的缘故。 P3 口也可作为 STC89C52的一些特殊功能口。 6.1.2 时钟电路 时钟是单片机的心脏, 单片机各功能部件的运行都是以时钟频率为基准,有 条不紊地一拍一拍地工作。 因此,时钟频率直接影响单片机的速度,时钟
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- 电机 转速 测量 系统 设计 要点
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