轉速測量朱雪帥081302243測控0802

1、智能儀表課程設計設計報告課題名稱 電機轉速表 學生學號、姓名 081302243 朱雪帥 班級名稱 測控0802 指導教師 唐鴻儒 黃亞忠 揚州大學能源與動力工程學院二一一年九月智能儀表課程設計任務書一、課題名稱電機轉速表設計二、設計內容及設計要求利用光電傳感器MOC70T4測量電極轉速1. 測量范圍為065000r/min，精度誤差小于0.25r/s。2. LED數碼顯示。3. 具有RS485通信接口。4.傳給上位機三、時間安排第一周：星期一星期二：布置任務，熟悉資料，確定儀表的功能要求、性能指標。熟悉實驗板原理圖和印刷板圖。星期三星期五：進行儀表的方案選擇，確定主要芯片、工作方式、輸入輸出

2、信號的接口方式、鍵盤和顯示方式、以及通信方式。進行硬件設計和元器件選擇，畫出硬件原理圖。第二周：星期一星期五：根據硬件原理圖，焊接硬件電路；測試硬件電路的功能；軟件設計，包括軟件需求說明、軟件結構框圖、主要軟件功能模塊的流程圖；編寫程序。第三周：星期一星期三：調試程序，聯(lián)調軟件和硬件。星期四星期五：寫課程設計報告。四、應交成果應交成果包括：n 紙質課程設計報告和電子文檔；n 硬件原理圖的Protel文件，程序；n 可以演示的硬件和軟件成果。五、課程報告內容課程設計報告應包括下列部分：n 課程設計任務書n 儀表的功能要求、性能指標要求。n 方案選擇：提出多種方案，進行方案比較，說明選定方案的理由

3、，描述硬件和軟件的功能分工。n 硬件設計：包括硬件結構框圖、原理圖及其各個主要環(huán)節(jié)的工作原理說明，元器件選擇的計算方法或者理由，利用提供的實驗板焊接元器件。n 軟件設計：首先提出軟件的功能需求，然后進行軟件的結構設計，再畫出主要功能模塊的軟件框圖。n 程序編寫和調試。n 設計小結。報告中硬件原理于用Protel畫出，軟件框圖和程序流程圖用Visio畫出。參考資料：提供下列常用元器件數據手冊：74LS32： 4個2輸入或門74LS138：3:8譯碼器74LS244：緩沖器74LS273：正邊沿觸發(fā)鎖存器74LS373：負邊沿觸發(fā)鎖存器AD526：可編程放大器CD4051：多路開關DAC0832：

4、8位DACLM324：放大器MAX187/MAX189：12位串行ADCMAX197：Multi-Range (10V, 5V, +10V, +5V), Single +5V, 12-Bit DAS with 8+4 Bus InterfaceMAX232： +5V-Powered, Multichannel RS-232 Drivers/ReceiversMAX485：15kV ESD-Protected, Slew-Rate-Limited, Low-Power, RS-485/RS-422 TransceiversTLP521：光電耦合器ZLG7290：種I2C接口鍵盤及LED驅動管理器

5、件，提供數據譯碼和循環(huán)、移位、段尋址等控制。目錄第一章 電機轉速表設計測量原理(1)1.1轉速測量方法(2)1.2測量原理(2)第二章 測量方案(4)2.1方案一(4)2.2方案二(5)第三章 系統(tǒng)硬件設計(6)3.1信號采集(6)3.2整形電路(8)第四章 系統(tǒng)軟件設計(9)4.1 單片機定時計數器中斷控制(9)4.2程序流程圖及C程序(11)第五章 調試及解決問題(16)5.1調試軟件(16)5.2調試硬件(17)總結附錄A 硬件總圖附錄B 程序附錄C 元器件清單附錄 D 硬件照片第一章 速測量系統(tǒng)的原理1.1轉速測量方法轉速是指作圓周運動的物體在單位時間內所轉過的圈數,其大小及變化往往意

6、味著機器設備運轉的正常與否,因此,轉速測量一直是工業(yè)領域的一個重要問題。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) 、同步測速法(如機械式或閃光式頻閃測速儀) 以及計數測速法。計數測速法又可分為機械式定時計數法和電子式定時計數法。本文介紹的采用單片機和光電傳感器組成的高精度轉速測量系統(tǒng),其轉速測量方法采用的就是電子式定時計數法。對轉速的測量實際上是對轉子旋轉引起的周期脈沖信號的頻率進行測量。在頻率的工程測量中,電子式定時計數測量頻率的方法一般有三種：測頻率法:在一定時間間隔t 內,計數被測信號的重復變化次數N ,則被測信號的頻率fx 可表示為f x =Nt(1)測周期法:在被測

7、信號的一個周期內,計數時鐘脈沖數m0 ,則被測信號頻率fx = fc/ m0 ,其中, fc 為時鐘脈沖信號頻率。多周期測頻法:在被測信號m1 個周期內, 計數時鐘脈沖數m2 ,從而得到被測信號頻率fx ,則fx 可以表示為fx =m1 fcm2, m1 由測量準確度確定。電子式定時計數法測量頻率時,其測量準確度主要由兩項誤差來決定:一項是時基誤差;另一項是量化1誤差。當時基誤差小于量化1 誤差一個或兩個數量級時,這時測量準確度主要由量化1 誤差來確定。對于測頻率法,測量相對誤差為：Er1 =測量誤差值實際測量值100 % =1N100 % (2)由此可見,被測信號頻率越高, N 越大, Er

8、1就越小,所以測頻率法適用于高頻信號(高轉速信號) 的測量。對于測周期法,測量相對誤差為：Er2 =測量誤差值實際測量值100 % =1m0100 % (3)對于給定的時鐘脈沖fc , 當被測信號頻率越低時,m0 越大, Er2就越小,所以測周期法適用于低頻信號(低轉速信號) 的測量。對于多周期測頻法,測量相對誤差為：Er3 =測量誤差值實際測量值100%=1m2100 % (4) 從上式可知,被測脈沖信號周期數m1 越大, m2 就越大,則測量精度就越高。它適用于高、低頻信號(高、低轉速信號) 的測量。但隨著精度和頻率的提高, 采樣周期將大大延長,并且判斷m1 也要延長采樣周期,不適合實時測

9、量。根據以上的討論,考慮到實際應用中需要測量的轉速范圍很寬,上述的轉速測量方法難以滿足要求,因此,研究高精度的轉速測量方法,以同時適用于高、低轉速信號的測量,不僅具有重要的理論意義,也是實際生產中的需要。1.2轉速測量原理一般的轉速長期測量系統(tǒng)是預先在軸上安裝一個有60 齒的測速齒盤,用變磁阻式或電渦流式傳感器獲得一轉60 倍轉速脈沖,再用測頻的辦法實現(xiàn)轉速測量。而臨時性轉速測量系統(tǒng),多采用光電傳感器,從轉軸上預先粘貼的一個標志上獲得一轉一個轉速脈沖,隨后利用電子倍頻器和測頻方法實現(xiàn)轉速測量。不論長期或臨時轉速測量,都可以在微處理器的參與下,通過測量轉軸上預留的一轉一齒的鑒相信號或光電信號的周

10、期,換算出轉軸的頻率或轉速。即通過速度傳感器,將轉速信號變?yōu)殡娒}沖,利用微機在單位時間內對脈沖進行計數,再經過軟件計算獲得轉速數據。即:n=N/ (mT) (1)n 轉速、單位:轉/ 分鐘;N 采樣時間內所計脈沖個數;T采樣時間、單位:分鐘;m 每旋轉一周所產生的脈沖個數(通常指測速碼盤的齒數) 。如果m=60, 那么1 秒鐘內脈沖個數N就是轉速n, 即:n=N/ (mT) =N/60 1/60=N (2)通常m為60。在對轉速波動較快系統(tǒng)或要求動態(tài)特性好而精度高的轉速測控系統(tǒng)中,調節(jié)周期一般很短,相應的采樣周期需取得很小,使得脈沖當量增高,從而導致整個系統(tǒng)測量精度降低,難以滿足測控要求。提高

11、采樣速率通常就要減小采樣時間T, 而T 的減小會使采到的脈沖數值N 下降,導致脈沖當量(每個脈沖所代表的轉速) 增高,從而使得測量精度變得粗糙。通過增加測速碼盤的齒數可以提高精度,但是碼盤齒數的增加會受到加工工藝的限制,同時會使轉速測量脈沖的頻率增高,頻率的提升又會受到傳感器中光電器或磁敏器或磁電器件最高工作頻率的限制。凡此種種因素限制了常規(guī)智能轉速測量方法的使用范圍。而采用本文所提出的定時分時雙頻率采樣法,可在保證采樣精度的同時,提高采樣速率,充分發(fā)揮微機智能測速方法的優(yōu)越性及靈活性。 圖2.1 系統(tǒng)原理圖 各部分模塊的功能：傳感器：用來對信號的采樣。放大、整形電路：對傳感器送過來的信號進行

12、放大和整形，在送入單片機進行數據的處理轉換。單片機：對處理過的信號進行轉換成轉速的實際值，送入LEDLED顯示：用來對所測量到的轉速進行顯示。第二章測量方案 轉速測量的方案選擇,一般要考慮傳感器的結構、安裝以及測速范圍與環(huán)境條件等方面的適用性;再就是二次儀表的要求,除了顯示以外還有控制、通訊和遠傳方面的要求。本說明書中給出兩種轉速測量方案，經過我和伙伴查資料、構思和自己的設計，總體電路我們有兩套設計方案，部分重要模塊也考慮了其它設計方法，經過分析，從實現(xiàn)難度、熟悉程度、器件用量等方面綜合考慮，我們才最終選擇了一個方案。下面就看一下我們對兩套設計方案的簡要說明。2.1方案一：霍爾傳感器測量方案霍

13、爾傳感器是利用霍爾效應進行工作的？其核心元件是根據霍爾效應原理制成的霍爾元件。本文介紹一種泵驅動軸的轉速采用霍爾轉速傳感器測量。霍爾轉速傳感器的結構原理圖如圖3.1, 霍爾轉速傳感器的接線圖如圖3.2 。傳感器的定子上有2 個互相垂直的繞組A 和B, 在繞組的中心線上粘有霍爾片HA 和HB ,轉子為永久磁鋼,霍爾元件HA 和HB 的激勵電機分別與繞組A 和B 相連,它們的霍爾電極串聯(lián)后作為傳感器的輸出。 圖2.1 霍爾轉速傳感器的結構原理圖 圖2.2方案霍爾轉速傳感器的接線圖缺點：采用霍爾傳感器在信號采樣的時候，會出現(xiàn)采樣不精確，因為它是靠磁性感應才采集脈沖的，使用時間長了會出現(xiàn)磁性變小，影響

14、脈沖的采樣精度。2.2方案二： 光電傳感器 整個測量系統(tǒng)的組成框圖如圖3.3所示。從圖中可見,轉子由一直流調速電機驅動,可實現(xiàn)大轉速范圍內的無級調速。轉速信號由光電傳感器拾取,使用時應先在轉子上做好光電標記,具體辦法可以是:將轉子表面擦干凈后用黑漆(或黑色膠布) 全部涂黑,再將一塊反光材料貼在其上作為光電標記,然后將光電傳感器(光電頭) 固定在正對光電標記的某一適當距離處。光電頭采用低功耗高亮度LED ,光源為高可靠性可見紅光,無論黑夜還是白天,或是背景光強有大范圍改變都不影響接收效果。光電頭包含有前置電路，輸出05V的脈沖信號。接到單片機89C51的相應管腳上，通過89C51內部定時/計時器

15、T0、T1及相應的程序設計，組成一個數字式轉速測量系統(tǒng)。 優(yōu)點：這種方案使用光電轉速傳感器具有采樣精確，采樣速度快，范圍廣的特點。綜上所述，方案二使用光電傳感器來作為本設計的最佳選擇方案。第三章系統(tǒng)硬件設計隨著超大規(guī)模集成電路技術提高，尤其是單片機應用技術以及功能強大，價格低廉的顯著特點，是全數字化測量轉度系統(tǒng)得一廣泛應用。出于單片機在測量轉速方面具有體積小、性能強、成本低的特點，越來越受到企業(yè)用戶的青睞。對測量轉速系統(tǒng)的硬件和編程進行研究，設計出一種以單片機為主的轉速測量系統(tǒng)，保證了測量精度。3.1 轉速信號采集 圖3.1 轉速傳感器電路圖 （1） 光電傳感器是應用非常廣泛的一種器件，有各種

16、各樣的形式，如透射式、反射式等，基本的原理就是當發(fā)射管光照射到接收管時，接收管導通，反之關斷。以透射式為例，如圖4.1所示，當不透光的物體擋住發(fā)射與接收之間的間隙時，開關管關斷，否則打開。為此，可以制作一個遮光葉片如圖4.2 所示，安裝在轉軸上，當扇葉經過時，產生脈沖信號。當葉片數較多時，旋轉一周可以獲得多個脈沖信號。 圖3.2光電傳感器的原理圖 圖3.3 遮光葉片（2）選用的傳感器型號為MOC70T4（單向）MOC70T4型傳感器特點介紹如下： 1)供單向計數器使用，測量轉速和線速度.2)采用密封結構性能穩(wěn)定.3）光源用紅外發(fā)光管，功耗小，壽命長.4) MOC70T4電源電壓為5V DC 3

17、.2整形電路 555定時器施密特觸發(fā)器將采集的不規(guī)則信號（脈沖）整形為規(guī)則的信號（脈沖）圖3.2 555定時器施密特觸發(fā)器整形電路第四章系統(tǒng)軟件設計 硬件電路完成以后，進行系統(tǒng)軟件設計。首先要分析系統(tǒng)對軟件的要求，然后進行軟件的總體的設計，包括程序的總體設計和對程序的模塊化設計。按整體功能分為多個不同的模塊，單獨設計、編程、調試，然后將各個模塊裝配聯(lián)調，組成完整的軟件。 根據設計的要求，單片機的任務是：內部進行計數，在計算出速度后顯示。軟件編程用C語言完成的，需要能掌握C語言，還要熟練AT89C51單片機。從程序流程圖、編寫程序、編譯，到最后的調試，是很復雜的。下面作簡單介紹：系統(tǒng)軟件主程序的

18、功能是完成系統(tǒng)的初始化、顯示程序。4.1 單片機定時計數器中斷控制（1）.定時器的初始化 AT89C51有兩個定時器/計數器T0和T1，每個定時器/計數器均可設置成為16位，也可以設置成為13位進行定時或計數。計數器的功能是對T0或T1外來脈沖的進行計數，外部輸入脈沖負跳變時，計數器進行加1。 定時功能是通過計數器的計數來實現(xiàn)的，每個機器周期產生1個計數脈沖，即每個機器周期計數器加1，因此定時時間等于計數個數乘以機器周期。定時器工作時，每接收到1個計數脈沖（或機器周期）則在設定的初值基礎上自動加1，當所有位都位1時，再加1就會產生溢出，將向CPU提出定時器溢出中斷身請。當定時器采用不同的工作方

19、式和設置不同的初值時，產生溢出中斷的定時值和計數值將不同，從而可以適應不同的定時或計數控制。 定時器有4種工作方式：方式0、方式2、方式2和方式3，在此對工作方式不做具體介紹。工作方式寄存器TMOD的設定：GATEC/TM1-M0GATEC/TM1M0TMOD各位的含義如下：GATE：門控位，用于控制定時/計數器的啟動是否受外部中斷請求信號的影響。C/T：定時或計數方式選擇位，當C/T=1時工作于計數方式；當C/T=0時工作于定時方式。M1、M0為工作方式選擇位 ，用于對T0的四種工作方式，T1的三種工作方式進行選擇，選擇情況如下表5-1：M1M0=00為方式0;M1M0=01為方式1； 表5

20、-1 M1、M0為工作方式選擇位MOM1工作方式方式說明00110101012313位定時/計數器16位定時/計數器8位自動重置定時/計數器兩個8位定時/計數器（只有T0有）（2）中斷允許控制MCS-51單片機中沒有專門的開中斷和關中斷指令，對各個中斷源的允許和屏蔽是由內部的中斷允許寄存器IE的各位來控制的。中斷允許寄存器IE的字節(jié)地址為A8H，可以進行位尋址. 表5-2 中斷位尋址表IED7D6D5D4D3D2D1D0（A8H）EAET2ESET1EX1ET0EX0EA：中斷允許總控位。EA=0，屏蔽所有的中斷請求；EA=1，開放中斷。 ET2：定時器/計數器T2的溢出中斷允許位 ES：串行

21、口中斷允許位。 ET1：定時器/計數器T1的溢出中斷允許位。 EX1：外部中斷 INT1的中斷允許位。ET0：定時器/計數器T0的溢出中斷允許位。 EX0：外部中斷 INT0的中斷允許位。 (3)具體初始化如下： TMOD=0x15;TH1=0x3C;TL1=0xB0;TH0=0x00;TL0=0x00;IT1=1;ET0=1;ET1=1;EX0=1;EX1=1;EA=1;TR0=1;TR1=1;4.2程序流程圖及C程序 （1）主程序流程框圖及C程序void main()SystemInit();/系統(tǒng)初始化a=20; b=0;f=g=0;TMOD=0x15;TH1=0x3C;TL1=0xB0

22、;TH0=0x00;TL0=0x00;IT1=1; 圖4.2.1主程序流程框圖ET0=1;ET1=1;EX0=1;EX1=1;EA=1;TR0=1;TR1=1;Test_Download();/測試下載數據 （2）T1定時中斷void timer1() interrupt 3 while(a)a=a-1;TH1=0x3C;TL1=0xB0;break;if(a=0) TR0=0; a=21; TH1=0x3C; TL1=0xB0; g=TH0*256+TL0; g=g*15; sendw(g); TMOD=0x15; TH0=0; TL0=0; TR0=1; 圖定時中斷（3）T0溢出中斷voi

23、d timer0() interrupt 1 b=b+1; T0溢出中斷（4）串行發(fā)送void sendw(unsigned int a)char i; TMOD = 0x25; TH1=0xE6;TL1=0xE6; SCON = 0x50;PCON = 0x00; TR1 = 1;for(i=0;i2;i+) SBUF = a%256; a=a/256; while(TI = 0); 圖4.2.4 串行發(fā)送 TI = 0; （5）顯示C程序void Test_Download()bit dp;bit flash;char i;uchar a8=0,0,0,0,0,0,0,0 ;dp = 0;

24、flash = 0;do f=g;for(i=0;i6;i+) ai=f%10; f=f/10;ZLG7290_Download(i,dp,flash,ai);while(1);第五章 調試5.1軟件調試寫好程序進行仿真發(fā)現(xiàn)定時出現(xiàn)了問題：(1)void timer1() interrupt 3 while(a)a=a-1;TH1=0x3C;TL1=0xB0;if(a=0) .上面的程序問題是：while循環(huán)只有當a=0時跳出，而不是a減一次跳出一次。應該為：while(a)a=a-1;TH1=0x3C;TL1=0xB0;break；/跳出(2)在調試結果時，傳給上位機出現(xiàn)亂碼問題在：發(fā)送程序

25、與初始化中T0的工作方式不一致：發(fā)送程序：void sendw(unsigned int a)char i;TMOD = 0x20;主程序T0初始化：TMOD=0x15;就會發(fā)現(xiàn)在發(fā)送的時候T0的工作方式由：計數方式1變?yōu)槎〞r方式0所以應改為：void sendw(unsigned int a)char i;TMOD = 0x25;.5.2調試硬件在調試硬件中，發(fā)現(xiàn)沒有顯示，我一度認為是軟件出現(xiàn)了問題，但經過不斷地仿真發(fā)現(xiàn)軟件沒錯（按鍵制造脈沖，發(fā)現(xiàn)能計數能顯示）那問題在哪，和組員討論之后通過用電壓表和示波器來檢測傳感器是否能輸出脈沖。結果論證光電傳感器壞了，請教了黃老師，原來，因為少接了限流

26、電阻傳感器被燒壞了。我們謹記此次次教訓總 結采用單片機技術來實現(xiàn)轉速的測量，可以提高轉速的測量，可以提高轉速測量的精確度，并且加快了采樣的速率，具有較好的實時性。 基于單片機的轉速測量系統(tǒng)，具有硬件電路簡單，程序簡單和運算速度快，測速范圍廣，抗干擾性能好的特點。在設計的信號處理電路中經過濾波，能夠進一步減少誤差，是測速精度得到提高。 致謝：此次課程設計我學到了很多實打實的知識。為此我要感謝唐老師，黃老師。以及我的組員在困難的時候能互相勉勵與體貼附錄A 硬件總圖附錄 B 程序#include#include#include#include I2C.h#include ZLG7290.h#defi

27、ne uint unsigned int#define uchar unsigned charunsigned char a,b;unsigned int f,g;/定義鍵盤中斷標志，F(xiàn)lagINT=1表示有鍵按下volatile bit FlagINT = 0;/*函數：INT0_SVC()功能：ZLG7290鍵盤中斷服務程序說明：中斷觸發(fā)方式選擇負邊沿觸發(fā)，因此不必等待中斷請求信號恢復為高電平*/void INT0_SVC() interrupt 0FlagINT = 1;/*函數：Delay()功能：延時10ms655.36s參數：t0時，延時(t*0.01)st=0時，延時655.36

28、s說明：晶振采用11.0592MHz*/void Delay(unsigned int t)doTH0 = 0xDC;TL0 = 0x00;TR0 = 1;while ( !TF0 );TF0 = 0;TR0 = 0; while (-t);/*函數：SystemInit()功能：系統(tǒng)初始化*/void SystemInit()I2C_Init();TMOD = 0x01;Delay(30);/等待ZLG7290復位完畢/*發(fā)送程序*/void sendw(unsigned int a)char i;TMOD = 0x25; / 定時器1工作于8位自動重載模式, 用于產生波特率TH1=0xE6

29、;TL1=0xE6; / 定時器0賦初值SCON = 0x50;PCON = 0x00; TR1 = 1;for(i=0;i2;i+) SBUF = a%256; / 要發(fā)送的字符放入緩沖區(qū) a=a/256; while(TI = 0); TI = 0; /*顯示*/void Test_Download()bit dp;bit flash;char i;uchar a8=0,0,0,0,0,0,0,0 ;dp = 0;flash = 0;do f=g;for(i=0;i6;i+) ai=f%10; f=f/10;ZLG7290_Download(i,dp,flash,ai);while(1);

30、/*T1定時一秒*/void timer1() interrupt 3 while(a)a=a-1;TH1=0x3C;TL1=0xB0;break;if(a=0) TR0=0; a=20; TH1=0x3C; TL1=0xB0; g=TH0*256+TL0; g=g*15; sendw(g); TMOD=0x15; TH0=0; TL0=0; TR0=1; /*T0溢出中斷*/void timer0() interrupt 1 b=b+1;/*主程序*/void main()SystemInit();/系統(tǒng)初始化a=20;b=0;f=g=0;TMOD=0x15;TH1=0x3C;TL1=0xB0;TH0=0x00;TL0=0x00;IT1=1;ET0=1;ET1=1;EX0=1;EX1=1;EA=1;TR0=1;TR1=1;Test_Download();附錄C 元器件清單名稱個數（只）名稱個數（只）MOC70T41電容 10UF2Stc單片機10.1UF55