1、. .PAGE12 / NUMPAGES12交通大學畢業設計文獻綜述題目：基于單片機的電機轉速測量系統Title:Motor speed measuring system based on single chip microcomputer：韋寶蕓學號：201203563班級：機設1202班 摘要本文首先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，分析了相應方法在測量上的特點、誤差和計算。其次，針對特定的應用環境，設計出一種基于 80C51單片機的全數字式測速系統，詳細闡述了系統的工作原理，指出產生誤差的可能原因，并給出了具體解決的方法；根據系統要求編制了源程序，分析其工作流程。最

2、后，對構建的系統利用仿真機進行調試，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、測量精度AbstractThis paper first discussed some ways for rotary speed measure. It analyzed characters and errors of these ways. Second, it designed full digital measure system based on a Single-Chip Microprocessor(80C51) responding to special application

3、, stated the working theory of the system and the methods to solve the errors, writed the working programmes by A51 assemble language. Finally, this system implementation was confirmed by using of Keil-51 simulator. The characters on the error margin and accuracy was summarized.Keywords : Single-Chi

4、p Microprocessor、rotary speed 、measureprecision Keil-51 引言0、單片機測控系統單片機可以構成各種工業控制系統、適應控制系統、數據采集系統等。在這個領域中，有不少是采用通用CPU單板機或通用計算機系統。隨著單片機技術的發展，大部分都可以用單片機系統或單片機加通用機系統來代替。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。整個系統由基本部分和測控增強部分與外設增強部分構成?；静糠质峭鈬酒臄U展與功能鍵盤、顯示器配置，通過總線連接而成，測控增強部分主要是

5、傳感器接口與伺服驅動控制接口。它們直接與工業現場相連，是干擾進入的主要通道，一般要采取隔離措施。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

6、 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。轉速測量在國民經濟中的應用轉速測量的應用系統在工業生產、科技教育、民用電器等各領域的應用極為廣泛，往往成為某一產品或控制系統的核心部分，其各種參數在不同的應用中有其側重，但轉速測量系統作為普遍的應用在國民經濟發展中，有重要的意義。下面列舉二例加以說明。轉速測量在調速系統中的應用直流電機具有良好的起、制動性能，易于在寬廣圍平滑調速，所以長期以來在要求調速指標較高的場合獲得了廣泛應用。隨著電力電子技術和控制技術的發展，交流調速系統日趨完善，其性能可與直流調速系統相媲美，其變頻調速的應用圍

7、日益擴大，但它的控制技術相對復雜，整個控制系統造價較高，在某些領域短時間還難以取直流調速系統，調速系統便應運而生了。調速系統主電路線路簡單，所用的功率元件少；開關頻率高，可達到 10004000Z，電流易連續，諧波少，脈動小，電機損耗和發熱都較小；低速性能好，穩態精度高，因而調速圍寬；調速系統頻帶寬，快速響應性能好，動態抗擾能力強；主電路元件工作在開關狀態，導通損耗小，裝置效率高；直流電源采用三相整流時，電網功率因數高，可廣泛用于交通、工礦企業等電力傳動系統中。轉速測量部分本測量系統采用 89C51 單片機控制，利用霍爾元件由轉速產生的脈沖，對轉速進行測量，轉速由單片機的 P0 口輸出，同時當

8、電機轉速超過設定值時，通過單片機的1 口輸出信號，驅動響鈴報警。性能特點：（1）89C51 配合晶體管的雙極式可逆 PWM 變換器構成直流電機驅動系統，可獲得高性能的調速性能指標（2）直流電機驅動系統結構簡單，省去了復雜的換流裝置，因此體積小，成本低，加之采用硬軟件結合的微機控制方式，提高了系統的可靠性和抗干擾。（3）轉速測量系統采用軟件實現，動態顯示容易，超限報警方便，提高了系統的靈活性。（4）由變換器構成直流電機驅動系統，可有效克服以往的直流調速中的諧波大、功率因數低的問題，是一種節能的調速方案。變M/T法在風力發電機并網控制中的應用發電機葉輪吸收的功率，一部分用來克服葉輪旋轉的阻力矩，其

9、余部分轉變為電能。葉輪通過硬質齒面增速齒輪箱帶動4極200kW異步發電機。主葉輪轉速達到 40rpm時：發電機轉速達到同步轉速，應并入電網發電，發電機轉速低于同步轉速時應脫離電網。對合閘時具有大電流沖擊特性的異步發電機來說，除采用軟切入并網技術外，還應滿足在同步轉速點切入的嚴格要求。自然界的風速風向變化是難以預測的隨機變量，加上葉輪轉動時的巨大慣量和強電磁干擾。因此，風力發電機的安全并/脫電網是風機控制的關鍵技術。自動并/脫電網的主要根據是發電機的實時轉速，采用準確、快速的轉速測量方法尤為重要。用變M/T法測速以4個轉速計數脈沖(m1=4)為一個測算周期。在風力發電機并入電網控制中，變M/T法

10、能夠較好地滿足并網對發電機轉速的精度要求。同時，隨著電機轉速不斷的提高，4個轉速脈沖之間的時間總和相應減少，測算周期也相也就是應縮短，這也正好滿足發電機并網時對轉速測量快速性的要求。有效地防止了在高風速起動時，風機因超過并網而飛車造成的并網失敗。轉速測量方法概述轉速測量的方法有很多，根據工作原理可分為計數式、模擬式、同步式。計數式方法是用某種方式讀出一定時間的總轉數；模擬式方法是測出由瞬時轉速引起的某種物理量的變化；同步式是利用已知的頻率與旋轉體的旋轉同步來測量轉速，根據不同的轉換方式，一般的轉速測試可用機械式轉速表、發電機式轉速表以與頻閃式測速表，但在有些情況下，其測量精度，瞬時穩定度不能滿

11、足更高的要求，因此，在測量方法和傳感器的選擇上顯得尤為重要。常用的傳感器種類有光電傳感器、電磁式傳感器、電容式傳感器等，而測量方法上有測量轉速周期、轉速頻率等。就轉速測量原理而言，大體可分為三大類，一是用單位時間測得物體的旋轉角度來計算速度，例如在單位時間，累計轉速傳感器發出的N個脈沖，即為該單位時間的速度。這種以測量頻率來實現測量轉速的方法，稱測頻法。即“M”法；另一類是在給定的角位移距離，通過測量這一角位移的時間來進行測速的方法，稱測周法，即“T”法，如給定的角位移，傳感器便發出一個電脈沖周期，以晶體震蕩頻率而產生的標準脈沖來度量這一周期時間，再經換算可得轉速。這兩種測速方法各有優缺點，“

12、M”法一般用于高速測量，在轉速較低時，測量誤差較大，而且，檢測裝置對轉速分辨能力也變差；而“T”法一般用于低速測量，速度越低測量精度越高，但在測量高轉速時，誤差較大；結合這兩種測量方法就可以地出第三種測量方法，即M/T法結合這兩種方法的優點，一方面像“M”法那樣在對傳感器發出的脈沖計數的同時，也像“T”法那樣計取脈沖的時間，通過計算即可得出轉速值。在實際測量中，還須設定定時時間，兼顧高、低轉速時的精度影響，適時調節采樣時間。課題研究目的和意義轉速是工程中應用非常廣泛的一個參數，其測量方法較多，而模擬量的采集和模擬處理一直是轉速測量的主要方法，這種測量方法已不能適應現代科技發展的要求，在測量圍和

13、測量精度上，已不能滿足大多數系統的使用。隨著大規模與超大規模集成電路技術的發展，數字系統測量得到普遍應用，特別是單片機對脈沖數字信號的強大處理能力，使得全數字測量系統越來越普與，其轉速測量系統也可以用全數字化處理。在測量圍和測量精度方面都有極大的提高。因此，本課題的目的是：對各種測量轉速的基本方法予以分析，針對不同的應用環境，利用 80C51 系列單片機設計一種全數字化測速系統，從提高測量精度的角度出發，分析討論其產生誤差的可能原因，為今后的實際使用提供借鑒。并從實際硬件電路出發，分析電路工作原理和軟件流程，根據仿真情況提出修改方案和解決辦法。課題以單片機為中心，設計的全數字化測量轉速系統，在

14、工業控制和民用電器中都有較高使用價值。其可以應用于工業控制中的某一部分，如數控車床的電機轉速檢測和控制、水泵流量控制以與需要利用轉速檢測來進行控制的許多場合。如車輛的里程表、車速表等。其次該轉速測量系統由于采用全數字化結構，因而可以很方便的和工業控制計算機進行連接，實行遠程管理和控制，進一步提高現代化水平。并且，幾乎不需做很大改變直接就能作為單獨的使用產品。總之，轉速測量系統的研究是一件非常有意義的課題。4、主要容和存在的問題4.1、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

15、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，提出測量方案，構建硬件系統，分別對硬件系統的配置予以估計，使其能夠對轉速進行測量。同時分析接口電路，顯示轉速。3.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，討論測量精度的問題。4.根據系統要求設置各控制字，用A51匯編語言編制程序，包括主程序流程，顯示中斷程序流程。并用軟件的方法對計數和定時進行同步，力求在不增加硬件的條件下，使同步達到滿意的效果。5.利用Keil51軟件

16、的 u Vision2集成環境對系統對工作軟件進行編譯、調試和仿真。4.2、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。3監控程序與人機界面的設計。正文單片機測量轉速的基本方法轉速是工程中應用非常廣泛的一個參數，早期模擬量的模擬處理一直是作為轉速測量的主要方法，這種測量方法在測量圍和測量精度上，已不能適應現代科技發展的要求。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。下面將測量系統作以下探討。測量系統的構成一般轉

17、速測量系統由轉速信號的拾取、整形倍頻、單片機、顯示接口芯片（鍵盤）、驅動電路、顯示幾部分構成。1轉速信號拾取轉速信號拾取是整個系統的前端通道，目的是將外界的非電參量，通過一定方式轉換成電量，這一環節可以通過敏感元件、傳感器或測量儀表等來實現。方法如下：（1）通過敏感元件拾取被測信號敏感元件體積小，可以根據用戶與環境要求做成各種形狀的探頭，它能將被測的物理量變換成電流、電壓，只要選擇合適的元件參數。如 R、L、C 設計相應的電路，便能完成這種對應關系。這種方法設計難度大，信號穩定度差，在模擬處理系統中不宜采用。（2）通過傳感器拾取信號由專業人員將敏感元件和相應的測量電路、傳遞機構以適當的形式制成

18、不同類型、不同用處的傳感器，根據原理輸出電量。該電量可以是模擬量或數字量，現代傳感器還可以輸出開關量，用于數字邏輯電路。（3）通過測量儀表拾取被測信號目前有許多測量儀表用于各種測量中，有大信號輸出、有 BCD 碼輸出等，但價格昂貴，專業性強，一般不適合通用系統。通用的轉速測量系統大都采用一種俗稱“碼盤”的傳感裝置，將圓形的碼盤固定在轉軸上，碼盤上有若干規則排列的小孔，用光電偶來輸出電信號，以反映轉速對應關系，即是將轉軸的速度以脈沖形式反映出來，通常有兩種形式：1)模擬量量化后經 A/D 轉換，由數字量反映角度，供單片機計算處理，得出轉速。2)直接由脈沖來反應轉軸的角度，用每轉產生的脈沖經單片機

19、處理得出轉速。2整形和倍頻前向通道中，從傳感器輸出的信號必須轉換成計算機輸入要求的信號，由于信號調節電路與傳感器的選擇，現場干擾程度等，都會影響信號的質量。而脈沖信號的上升沿和下降沿對數字電路的觸發尤為重要，若要將轉速脈沖信號直接加到計數器或外部中斷的輸入端，并利用其上升沿來觸發進行計數，則必須要求輸入的信號有陡峭的上升沿或下降沿。處理方法上可以用觸發器電路來整形。而倍頻電路主要用于解決低轉速時測量精度問題。與碼盤的刻度誤差而造成的精度下降問題。方法是在每轉中增加脈沖的個數（碼盤的線程數）來提高精度。但在高轉速時，由于脈沖個數的增加，限制了最高轉速測量量程，這個問題可用單片機控制來動態處理解決

20、，兼顧高低轉速的測量精度。3單片機是整個測量系統的主要部分，擔負對前端脈沖信號的處理、計算、以與信號的同步，計時等任務，其次，將測量的數據經計算后，將得到的轉速值傳送到顯示接口中，用數碼管顯示數值。在本系統中考慮到計數的圍、使用的定時/計數器的個數與 I/O 口線，預選用 89C51 單片機。具體工作情況在后討論。4驅動和顯示由于 LED 數碼管具有亮度高、可靠性好等特點，工業測控系統中常用 LED 數碼管作為顯示輸出。本系統也采用數碼管作顯示。LED 顯示器是用發光二極管顯示字段的，通常使用七段構成“日”字型和一只發光二極管作為小數點，稱八段數碼顯示器。其有兩種驅動方式，共陰驅動和共陽驅動，

21、共陰驅動是各段發光二極管的陰極連在一起，并將公共端接地，在共陽結構中，將各段發光二極管陽極連在一起，并將公共端接上+5V 電源，顯示字符對應字型代碼發光。轉速測量原理測頻測周法 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?！?M/T”法采用三個定時/ 數器，同時輸入脈沖脈、高頻脈沖(由振蕩器產生）、與預設的定時時間進行定時和計數，m1反映轉角，m2反映測速的準確時間，通過計算可得轉速值n。該法在高速與低速時都具有相對較高的精度。測速時間Td由脈沖發生器脈沖來同步，即Td等于m1個脈沖周期。從a點開始，計

22、數器對m1和m2計數，到達 b點。預定的測速時間到，計算機發出停止計數的指令，因TC不一定正好等于整數個脈沖發生器脈沖周期，所以，計數器仍對高頻脈沖繼續數，到達c點時，脈沖發生器脈沖的上升沿使計數器停止，這樣，m2就代表了m1個脈沖周期的時間?？偨Y本文對單片機用于轉速測量的理論、原理進行了系統的分析、比較，并對每種測量方法定性、定量的予以闡述，設計了顯示接口電路和應用程序。以下從四個方面進行總結：1硬件電路單片機用于轉速測量種類較多，方法各有不同，在硬件設計上根據使用場合、功能和要求，采用的電路也有差異，單片機有用80C51系列的80C31、80C51等并對其進行擴展，接口采用8155、8255等用于顯示。本系統采用89C51單片機