基于单片机的转速测量仪-毕业论文

基于单片机的转速测量仪-毕业论文内容摘要：

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、显示等方面的实际工作能力。 本课题以单片机为核心，设计的全数字化测量转速系统，在工业控制和民用电器中都有较高使用价值。 一方面它可以应用于工业控制中的某一部分，如数控车床的电机转速检测和控制、水泵流量控制以及需要利用转速检测来进行控制的许多场合，如车辆的里程表、车速表等。 另一方面由于该转速测量系统采用全数字结构，因 而可以很方便的和工业控制机进行连接，实行远程管理和控制，进一步提高现代化水平。 并且，几乎不需做很大改变就能直接作为单独的产品使用。 总之，转速测量系统的研究是一件非常有意义的课题。 转速测量在国内外的研究 转速是能源设备与动力机械性能测试中的一个重要的特性参量，因为动力机械的许多特性参数是根据它们与转速的函数关系来确定的，例如压缩机的排气量、轴功率、内燃机的输出功率等等，而且动力机械的振动、管道气流脉动、各种工作零件的磨损状态等都与转速密切相关。 转速测量的方法很多，测量仪表的型式也多种多样，其使用条 件和测量精度也各不相同。 根据转速测量的工作方式可分为两大类：接触式转速测量仪表与非接触式转速测量仪表。 前者在使用时必须与被测转轴直接接触，如离心式转速表、 第 4 页 磁性转速表与测速发电机等；后者在使用时不需要与被测转轴接触 ,如光电式转速表、电子数字式转速表、闪光测速仪等。 测量发动机转速的传统方法是使用光电式转速表测量。 用这种方法测量时 ,既要在发动机转动轴上粘贴光标纸，又要求测量人员把转速表与光标纸的距离控制在很近的范围 ,测量十分不方便。 随着科学技术的迅速发展 ,转速测量仪表已步入现代化、电子化的行列。 过去曾经使用过的 接触式测量仪表 ,如离心式转速表、磁性转速表、微型发电机转速表及钟表是定时转速表，均已先后受到冷落；而利用已知频率的闪光与被测轴转速同步的方法来测速的闪光测速仪，虽属非接触式仪表，目前仍有应用 ,但也退居次要地位。 代之而起的是非接触式的电子与数字化的测速仪表。 这类转速仪表大多具有体积小、重量轻、读数准确、使用方便等优点，容易实现电脑荧屏显示和打印输出，能够连续的反映转速变化，既能测定发动机稳定情况下的平均转速 ,也能够用来在足够小的时间间隔这一特定条件下测定发动机的瞬时转速。 转速测量的应用系统在工业生产、科技教 育、民用电器等各领域的应用极为广泛，往往成为某一产品或控制系统的核心部分，其各种参数在不同的应用中有其侧重，但转速测量系统作为普遍的应用在国民经济发展中，有重要的意义。 主要内容 ，对转速的周期测量法“ T”法、频率测量法“ M”法以及周期频率“ M/T”测量法，三种具体测量方法的转速计算、各自的测量精度和误差进行阐述。 定性地比较三种方法所针对的转速特征，分析高、中、低转速情况下各自的适用状况。 ，构建软件系统，分别对硬件系统的配置予以估计，使其能够对 转速进行测量。 同时分析接口电路，显示转速。 /计数器进行设置，设计和说明定时 /计数器在“ M”法测量中的作用和使用方法，讨论测量精度的问题。 ，用汇编语言编制程序，包括主程序流程，转速计算程序，显示中断程序流程，同时并写出其具体程序。 第 5 页 第 2 章 系统功能分析 系统功能概述 系统主要实现功能是 AT89C51 单片机接收霍尔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 LED 显示，同时数据传给 PC 机 ,并在 PC 机屏幕上显示出来。 记 录各时段的转速，画出 VT 坐标图。 本系统通信部分是单片机经电平转换电路 HIN232CP 之后，通过串口 RS232发送数据，由 PC 微机接收，微机部分用 Visual Basic 软件编写的界面作为 PC机部分与单片机进行串口之间通信。 传感器电路、转速测量、 LED 显示、电平转换电路设计等将在以下章节作详细地设计。 图 系统硬件电路 从实用的角度看，评价一个系统实用价值的重要标准，就是这个系统对社会生活和科技观念有多大的贡献。 转速测量系统具有大范围、高精度 等优点、测量速度快，这种系统将会有良好的应用。 系统要求及主要内容 将霍尔传感器产生的脉冲信号输出入到单片机的外部中断 0 口，单片机工作在内部定时器工作方式 0，对周期信号进行内部记数，调用计算公式算出转速，调用显示程序显示在 LED 上，同时通过串口向上位机发送转速数据。 系统包含主要内容如下： 传感器 单 片 机 AT89C51 电 平 转 换 电 路 LED 显示 驱动电路 送 PC 机界面 第 6 页 （ 1）单片机部分主要完成电机转速的测量 （ 2） LED 部分主要是把转速显示出来，显示范围 6036000r/min （ 3）发送部分主要是完成电平转换，送 RS232 向 PC 发送数据。 （ 4） PC 机部分主要完成将数据显示在 界面并描绘出 VT图 系统技术指标 系统主要完成测量和通信两部分功能： （ 1）设计并制作单片机的转速测量的硬件系统； （ 2）用汇编语言完成转速测量的软件系统； （ 3）要求把转速显示在 5 位 LED 上，精度为 %； （ 4）能向上位机发送数据； （ 5）用 9 针 RS232 即可； （ 6）在微机部分采用 Visual Basic 编制 RS— 232 通信软件； （ 7）通信软件具有数据接受编辑框； （ 8）通信软件要适时对数据的记录，用时间曲线表示。 根据系统要实现的功能以及要求，要实现单片机的转速测量主要是各个模块的设 计，定时器记数功能、以及 LED 驱动、电平转换及 PC机之间的通信。 单片机可通过编程控制外围部件，能实现较高的自动化程度。 以它为系统核心的控制模块可实现主从控制，完成预定的任务。 第 7 页 第 3 章 系统总体设计 转速测量的一般方法 一般转速测量系统有以下几个部分构成，转速测量框图如图 所示。 图 转速测量框图 1．转速信号拾取 转速信号拾取是整个系统的前端通道，目的是将外界的非电参量，通过一定方式转换成电量，这一环节可以通过敏感元件、传感器或测量仪 表等来实现。 方法如下： （ 1）通过敏感元件拾取被测信号 敏感元件体积小，可以根据用户及环境要求做成各矛头形状的探头，它能将被测的物理量变换成电流、电压，只要选择合适的元件参数。 如 R、 L、 C设计相应的电路，便能完成这种对应关系。 这种方法设计难度大，信号稳定度差，在模拟处理系统中不宜采用。 （ 1）通过传感器拾取信号 由专业人员将敏感元件和相应的测量电路、传递机构以适当的形式制成不同类型、不同用处的传感器，根据原理输出电量。 该电量可以是模拟量或数字量，现代传感器还可以输出开关量，用于数字逻辑电路。 （ 2）通过测量 仪表拾取被测信号 目前有许多测量仪表用于各种测量中，有大信号输出、有 BCD 码输出等，但价格昂贵，专业性强，一般不适合通用系统。 通用的转速测量系统大都采用一种转速 信号拾取 整 型 倍频 单 片机 显示 接口 芯片 显示 键盘 驱动电路 第 8 页 俗称“码盘”的传感装置，将圆形的码盘固定在转轴上，码盘上有若干规则排列的小孔，用光电偶来输出电信号，以反映转速对应关系，即是将转轴的速度以脉冲形式反映出来，通常有两种形式：①模拟量量化后经 A/D 转换，由数字量反映角度，供单片机计算处理，得出转速。 ②直接由脉冲来反应转轴的角度，用每转产生的脉冲经单片机处理得出转速。 2．整形和倍频 前向通道中，从传感器输出 的信号必须转换成单片机输入要求的信号，由于信号调节电路与传感器的选择，现场干扰程度等，都会影响信号的质量。 而脉冲信号的上升沿和下降沿对数字电路的触发尤为重要，若要将转速脉冲信号直接加到计数器或外部中断的输入端，并利用其上升沿来触发进行计数，则必须要求输入的信号有陡峭的上升沿或下降沿。 处理方法上可以用触发器电路来整形；而倍频电路主要用于解决低转速时测量精度问题及码盘的刻度误差而造成的精度下降问题。 方法是在每转中增加脉冲的个数 (码盘的线程数 )来提高精度。 但在高转速时，由于脉冲个数的增加，限制了最高转速测量量程 ，这个问题可用单片机控制来动态处理解决，兼顾高低转速的测量精度。 3．单片机 单片机是整个测量系统的主要部分，担负对前端脉冲信号的处理、计算、以及信号的同步，计时等任务，其次，将测量的数据经计算后，将得到的转速值传送到显示接口中，用数码管显示数值。 在本系统中考虑到计数的范围、使用的定时，计数器的个数及 I/O 口线，预选用 89C51 单片机。 具体工作情况在后讨论。 4．驱动和显示 由于 LED 数码管具有亮度高、可靠性好等特点，工业测控系统中常用 LED数码管作为显示输出。 本系统也采用数码管作显示。 LED 显示器是用发 光二极管显示字段的，通常使用七段构成“日”字型和一只发光二极管作为小数点，称八段数码显示器。 其有两种驱动方式，共阴驱动和共阳驱动，共阴驱动是各段发光二极管的阴极连在一起，并将公共端接地，在共阳结构中，将各段发光二极管阳极连在一起，并将公共端接上 +5V 电源，显示字符对应字型代码发光。 第 9 页 硬件电路设计思路 硬件设计的任务是根据总体设计要求，在选择的机型的基础上，具体确定系统中所要使用的元器件，设计出系统的原理框图、电路原理图。 转速是工程中应用非常广泛的一个参数，早期模拟量的模拟处理一直是作为转速测量的主 要方法，这种测量方法在测量范围和测量精度上，已不能适应现代科技发展的要求。 而随着大规模及超大规模集成电路技术的发展，数字测量系统得到普遍应用，利用单片机对脉冲数字信号的强大处理能力，应用全数字化的结构，使数字测量系统的越来越普及 ,在测量范围和测量精度方面都有极大的提高。 89C51单片机通过 INT0输入传感器的脉冲信号， P0口 P2口接 LED动态显示。 另由于 PC系列微机串行口为 RS232C标准接口，与输入、输出均为 TTL电平的 89C51单片机在接口规范上不一致，因此 TTL 电平到 RS－ 232接口电平的转换采用HIN232CP接口芯片，该芯片可以用单电压 （ +5V） 实现 RS232接口逻辑 “1” （ 3V～15V） 和逻辑 “0” （ +3V～ +15V） 的电平转换。 转速测量部分的硬件设计思路：本次设计单片机部分的硬件框图如图 示。 具体详细的叙述将在下面的章节中逐一介绍。 图 单片机部分硬件框图 软件设计思路 软件需要解决的是 定时器 0的记数和外部中断 0 的 设定 、由于测量的转速范围大，所以低速和高速都要考虑在内，关键在于一个四字节除三字节程序的实现。 显示 部分、需要有一个二进制到十进制的转化程序，以及转换成非压缩 BCD 的程序后、才能进行调用查表程序送到显示。 PC 机 串口 和单片机串行口 的工作方复位电路 CPU 执行单元 显示电路 时钟电路 发送电路 第 10 页 式，包括串 行 口的通讯速率、奇偶校验位、停止位等 均由通信软件实现。 软件工作流程： 霍尔传感器利用磁电效应产生一周期脉冲向单片机的外部中断 0（ ） 口 发送一个 中断 信号， 定时器工作在内部定时， TH0、 TL0 设定初值为 0，作为除数的低两字节，利用软件记数器、定时器 0 中断的次数作为除数高字节。 中断完毕读取内部记数值作为除数，调用除法程序计算转速，再对二进制数进行一系列变换后调用 查表显示程序，显示在 LED 上。 转速部分软件设计思路： AT89C51单片机的。 主要编写一个外部中断服务程序 INT_0，读取记数值的三个字节，并再次清 0记数初值以便下次的记数和计算。 调用两字节二进制 三字节十进制 （ BCD） 转换子程序 BCD，再调用十进制转换成非压缩 BCD程序 CBCD、 最后调用查表程序送显示。 为了和 PC通信，系统要求单片机晶振。 软件的具体设计我们将在下面的章节中作详细介绍。 第 11 页 第 4 章 硬件电路设计 硬件的功能由总体设计所规定，硬件设计的任务是根据总 体设计要求，在选择的机型的基础上，具体确定系统中所要使用的元器件，设计出系统的电路原理图，必要时做一些部件实验，以确定电路图的正确性。 整个单片机测量转速系统为单片机控制模块、霍尔传感器模块、发送模块，各个模块都承担着各自的任务。 设计单片机模块，考虑到 单片机本身 的外围电路较多，所以在单片机模。