基于单片机的转速测量系统Word格式文档下载.docx

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在被测信号的一个周期内,计数时钟脉冲数m0,那么被测信号频率fx=fc/m0,其中,fc为时钟脉冲信号频率。

③多周期测频法:

在被测信号m1个周期内,计数时钟脉冲数m2,从而取得被测信号频率fx,则fx能够表示为fx=m1fcm2,m1由测量准确度确信。

电子式按时计数法测量频率时,其测量准确度要紧由两项误差来决定:

一项为哪一项时基误差;

另一项为哪一项量化±

1误差。

那时基误差小于量化±

1误差一个或两个数量级时,这时测量准确度要紧由量化±

1误差来确信。

关于测频率法,测量相对误差为：

Er1=测量误差值实际测量值×

100%=1N×

100%

（2）

由此可见,被测信号频率越高,N越大,Er1就越小,因此测频率法适用于高频信号（高转速信号）的测量。

关于测周期法,测量相对误差为：

Er2=测量误差值实际测量值×

100%=1m0×

100%（3）

关于给定的时钟脉冲fc,当被测信号频率越低时,m0越大,Er2就越小,因此测周期法适用于低频信号（低转速信号）的测量。

关于多周期测频法,测量相对误差为：

Er3=测量误差值实际测量值100%=1m2×

100%（4）

　从上式可知,被测脉冲信号周期数m1越大,m2就越大,那么测量精度就越高。

它适用于高、低频信号（高、低转速信号）的测量。

但随着精度和频率的提高,采样周期将大大延长,而且判定m1也要延长采样周期,不适合实时测量。

依照以上的讨论,考虑到实际应用中需要测量的转速范围很宽,上述的转速测量方式难以知足要求,因此,研究高精度的转速测量方式,以同时适用于高、低转速信号的测量,不仅具有重要的理论意义,也是实际生产中的需要。

转速测量原理

一样的转速长期测量系统是预先在轴上安装一个有60齿的测速齿盘,用变磁阻式或电涡流式传感器取得一转60倍转速脉冲,再用测频的方法实现转速测量。

而临时性转速测量系统,多采纳光电传感器,从转轴上预先粘贴的一个标志上取得一转一个转速脉冲,随后利用电子倍频器和测频方式实现转速测量。

不论长期或临时转速测量,都能够在微处置器的参与下,通过测量转轴上预留的一转一齿的鉴相信号或光电信号的周期,换算出转轴的频率或转速。

即通过速度传感器,将转速信号变成电脉冲,利用微机在单位时刻内对脉冲进行计数,再通过软件计算取得转速数据。

即:

n=N/（mT）

（1）

◆n———转速、单位:

转/分钟;

◆N———采样时刻内所计脉冲个数;

◆T———采样时刻、单位:

分钟;

◆m———每旋转一周所产生的脉冲个数（通常指测速码盘的齿数）。

若是m=60,那么1秒钟内脉冲个数N确实是转速n,即:

n=N/（mT）=N/60×

1/60=N

（2）

◆通常m为60。

在对转速波动较快系统或要求动态特性好而精度高的转速测控系统中,调剂周期一样很短,相应的采样周期需取得很小,使得脉冲当量增高,从而致使整个系统测量精度降低,难以知足测控要求。

提高采样速度通常就要减小采样时刻T,而T的减小会使采到的脉冲数值N下降,致使脉冲当量（每一个脉冲所代表的转速）增高,从而使得测量精度变得粗糙。

通过增加测速码盘的齿数能够提高精度,可是码盘齿数的增加会受到加工工艺的限制,同时会使转速测量脉冲的频率增高,频率的提升又会受到传感器中光电器或磁敏器或磁电器件最高工作频率的限制。

凡此各类因素限制了常规智能转速测量方式的利用范围。

而采纳本文所提出的按时分时双频率采样法,可在保证采样精度的同时,提高采样速度,充分发挥微机智能测速方式的优越性及灵活性。

图系统原理图

各部份模块的功能：

①传感器：

用来对信号的采样。

②放大、整形电路：

对传感器送过来的信号进行放大和整形，在送入单片机进行数据的处置转换。

③单片机：

对处置过的信号进行转换成转速的实际值，送入LED

④LED显示：

用来对所测量到的转速进行显示。

3.系统方案提出和论证

　转速测量的方案选择,一样要考虑传感器的结构、安装和测速范围与环境条件等方面的适用性;

再确实是二次仪表的要求,除显示之外还有操纵、通信和远传方面的要求。

本说明书中给出两种转速测量方案，通过我和伙伴查资料、构思和自己的设计，整体电路咱们有两套设计方案，部份重要模块也考虑了其它设计方式，通过度析，从实现难度、熟悉程度、器件用量等方面综合考虑，咱们才最终选择了一个方案。

下面就看一下咱们对两套设计方案的简要说明。

方案一：

　　霍尔传感器测量方案

霍尔传感器是利用霍尔效应进行工作的？

其核心元件是依照霍尔效应原理制成的霍尔元件。

本文介绍一种泵驱动轴的转速采纳霍尔转速传感器测量。

霍尔转速传感器的结构原理图如图,霍尔转速传感器的接线图如图。

　传感器的定子上有2个相互垂直的绕组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的鼓励电机别离与绕组A和B相连,它们的霍尔电极串联后作为传感器的输出。

图霍尔转速传感器的结构原理图

图方案霍尔转速传感器的接线图

缺点：

采纳霍尔传感器在信号采样的时候，会显现采样不精准，因为它是靠磁性感应才搜集脉冲的，利历时刻长了会显现磁性变小，阻碍脉冲的采样精度。

方案二：

光电传感器

整个测量系统的组成框图如下图。

从图中可见,转子由一直流调速电机驱动,可实现大转速范围内的无级调速。

转速信号由光电传感器拾取,利历时应先在转子上做好光电标记,具体方法能够是:

将转子表面擦干净后用黑漆（或黑色胶布）全数涂黑,再将一块反光材料贴在其上作为光电标记,然后将光电传感器（光电头）固定在正对光电标记的某一适当距离处。

光电头采纳低功耗高亮度LED,光源为高靠得住性可见红光,不管黑夜仍是白天,或是背景光强有大范围改变都不阻碍接生成效。

光电头包括有前置电路，输出0—5V的脉冲信号。

接到单片机89C51的相应管脚上，通过89C51内部按时/计时器T0、T1及相应的程序设计，组成一个数字式转速测量系统。

图测量系统的组成框图

优势：

这种方案利用光电转速传感器具有采样精准，采样速度快，范围广的特点。

综上所述，方案二利用光电传感器来作为本设计的最正确选择方案。

4.系统硬件设计

随着超大规模集成电路技术提高，尤其是单片机应用技术和功能壮大，价钱低廉的显著特点，是全数字化测量转度系统得一普遍应用。

出于单片机在测量转速方面具有体积小、性能强、本钱低的特点，愈来愈受到企业用户的青睐。

对测量转速系统的硬件和编程进行研究，设计出一种以单片机为主的转速测量系统，保证了测量精度。

转速信号搜集

在设计中采纳光电传感器搜集信号，这种传感器是把旋转轴的转速变成相应频率的脉冲，然后用测量电路测出频率，由频率值就可明白所侧转素值。

这种测量方式具有传感器结构简单、靠得住、测量精度高的特点。

是目前经常使用的一种测量转速的方式。

从光源发出的光通过测速齿盘上的齿槽照射到光电元件上，使光电元件感光。

测速齿盘上有30个齿槽，当测速齿槽旋转一周，光敏元件就能够感受与开孔数相等次数的光次数。

关于被测电机的转速在90—1700r/min的来讲,每转一周产生30个电脉冲信号,因此,传感器输出波形的频率的大小为：

45Hz≤f≤850Hz

（1）

测速齿盘装在发射光源（红外线发光二极管）与接收光源的装置（红外线接收二极管）之间,红外线发光二极管（规格IR3401）负责发出光信号,红外线接收三极管（规格3DU12）负责接收发出的光信号,产生电信号,每转过一个齿,光的明暗转变经历了一个正弦周期,即产生了正弦脉冲电信号。

图所示为转速传感器电路，由于红外光不可见，无法用肉眼识别发光信号是不是在工作，故将红外线的输出回路串接了一个一般光电二极管作为判别光源发生回路是不是为通路。

所选用的红外二极管IR3401，在正向工作电流为20mA时,其导通电压为—,所选用的发光二极管的正向压降一样为—,电流为10--20Ma。

R的计算公式为：

计算得：

Rmin=425Ω；

Rmin=465Ω。

设定中所选阻值为430Ω（Rmin≤R≤Rmax）。

转速传感器输出电压幅度在0—呈正弦波转变,由此可见,红外线接收三极管的光信号转化为电信号的电压Uo很微弱（一样为mV量级）,需要进行信号处置.

图转速传感器电路图

（1）光电传感器是应用超级普遍的一种器件，有各类各样的形式，如透射式、反射式等，大体的原理确实是当发射管光照射到接收管时，接收管导通，反之关断。

以透射式为例，如下图，当不透光的物体挡住发射与接收之间的间隙时，开关管关断，不然打开。

为此，能够制作一个遮光叶片如图所示，安装在转轴上，当扇叶通过时，产生脉冲信号。

当叶片数较多时，旋转一周能够取得多个脉冲信号。

图光电传感器的原理图图遮光叶片

（2）选用的传感器型号为SZGB-3（单向）

SZGB-3型传感器特点介绍如下：

1）供单向计数器利用，测量转速和线速度.

2）采纳密封结构性能稳固.

3）光源用红外发光管，功耗小，寿命长.

4）SZGB-3,20电源电压为12VDC

SZGB-3型传感器要紧性能介绍如下：

SZGB-3.型光电转速传感器，利历时通过连轴节与被测转轴连接，当转轴旋转时，将转角位移转换成电脉冲信号，供二次仪表计数利用。

1）输出脉冲数：

60脉冲（每一转）2）输出信号幅值：

50r/min时300mV3）测速范围:

50---5000r/min

4）利历时刻:

可持续利用,利用中勿需加润滑油5）工作环境:

温度-10～40℃,相对湿度≤85%无侵蚀性气体

转速信号处置电路设计

转速信号处置电路包括信号放大电路、整形及三极管整形电路。

由于产生的电压信号很小，因此要进行放大处置，一样要放大至少1000倍（≥60dB），然后在进行信号处置工作。

信号放大装置选用运算放大器TL084作为放大电压放大元件，采纳两级放大电路，每一级都采纳反应比例运算电路如图.设计的电压放大倍数为3000倍。

其中第一级放大倍数为30，第二级放大倍数为100.放大后电压转变范围为0～。

TL084采纳12V双电源供电，由于电源的供电电压在必然范围内有副值上的波动，形成干扰信号。

为起到排除干扰，实现滤波作用，故供电电源两头需接10UF的电容接地，电容选择金属化聚丙已烯膜电容。

两级运放放大所采纳的供电电源均采纳此接法。

图信号处置电路图

整形电路的要紧作用是将正弦波信号转化为方波脉冲信号，正弦波信号电压的最大幅值约为，最小幅值为0V。

整形电路设计的是一种滞回电压比较器，它具有惯性，起到抗干扰的作用。

从而向输入端输入的滞回比较器。

在整形电路的输入端接一个电容C7（103），起到的作用是阻止其他信号的干扰，而且将放大的信号进行滤波，解耦。

R11和R17是避免电路短路，起到爱惜电路的作用。

一次整形后的信号大体上为±

5V的电平的脉冲信号，在脉冲计数时，经常使用的是+5V的脉冲信号。

若是直接采纳-5V的脉冲计数，会增加电路的复杂性，故一样不直接利用，而是先进行二次整形。

第二次用三极管整形电路，当输出为-5V的信号时，三极管VT2（8050）的基-射极和电阻R18组成并联电路电流通过,三极管VT2处于反向偏置状态，因此，VT2的集-射极未接通，故处于截止状态。

电源回路由R19，三极管VT2的集-射极组成，采纳单电源+12V供电，由于集射极截止，处于断路状态，故输出电压U0为V。

当第一次整形输出为+5V的信号时，三极管VT2基-射极处于正向偏置状态，有电流I通过，故现在三极管的集-射极处于通路状态。

电源电流流经电阻R19，三极管的集-射极到地端，由于集-射极导通时的电阻很小，能够忽略不计。

电源电压要紧在R19上，其输出电压约为0V。

综上所述，三极管整形的电路的输入关系是：

信号为-5V时，U0=+12V；

信号为+5V时，U0=0V。

单片机AT89C51介绍

AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处置器，俗称单片机。

该器件采纳ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微操纵器，为很多嵌入式操纵系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

图是经常使用的一种单片机，型号为AT89C51，它将运算机的功能都集成到那个芯片内部去了，就这么一个小小的芯片就能够组成一台小型的电脑，因此叫做单片机。

图AT89C51芯片

它有40个管脚，分成两排，每一排各有20个脚，其中左下角标有箭头的为第1脚，然后按逆时针方向依次为第2脚、第3脚……第40脚。

在40个管脚中，其中有32个脚可用于各类操纵，比如操纵小灯的亮与灭、操纵电机的正转与反转、操纵电梯的升与降等，这32个脚叫做单片机的“端口”，在单片机技术中，每一个端口都有一个特定的名字，比如第一脚的那个端口叫做“”。

AT89C51单片机的功能：

1．要紧特性：

◆与MCS-51兼容

◆4K字节可编程闪烁存储器

◆寿命：

1000写/擦循环

◆数据保留时刻：

10年

◆全静态工作：

0Hz-24Hz

◆三级程序存储器锁定

◆128*8位内部RAM

◆32可编程I/O线

◆两个16位按时器/计数器

◆5个中断源

◆可编程串行通道

◆低功耗的闲置和掉电模式

◆片内振荡器和时钟电路

2．管脚说明（图）：

图AT89C51管脚散布

●VCC：

供电电压，

●GND：

接地。

●P0口：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

当P1口的管脚第一次写1时，被概念为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它能够被概念为数据/地址的第八位。

在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，现在P0外部必需被拉高。

●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口被外手下拉为低电平常，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

●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。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄放器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和操纵信号。

●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，由于外手下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口。

P3口管脚备选功能：

●RXD（串行输入口）

●TXD（串行输出口）

●/INT0（外部中断0）

●/INT1（外部中断1）

●T0（记时器0外部输入）

●T1（记时器1外部输入）

●/WR（外部数据存储器写选通）

●/RD（外部数据存储器读选通）

●P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些操纵信号。

● 

RST：

复位输入。

当振荡器复位器件时，要维持RST脚两个机械周期的高电平常刻。

●ALE/PROG：

当访问外部存储器时，地址锁存许诺的输出电平用于锁存地址的地位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平常，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于按时目的。

但是要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

现在，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

若是微处置器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

●PSEN：

外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每一个机械周期两次/PSEN有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不显现。

●EA/VPP：

当/EA维持低电平常，那么在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是不是有内部程序存储器。

注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；

当/EA端维持高电平常，其间内部程序存储器。

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

●XTAL1：

反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

●XTAL2：

来自反向振荡器的输出。

3．振荡器特性：

XTAL1和XTAL2别离为反向放大器的输入和输出。

该反向放大器能够配置为片内振荡器。

石晶振荡和陶瓷振荡都可采纳。

如采纳外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。

有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必需保证脉冲的高低电平要求的宽度。

4．芯片擦除：

整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的操纵信号组合，并维持ALE管脚处于低电平10ms来完成。

在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必需被执行。

另外，AT89C51设有稳态逻辑，能够在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。

在闲置模式下，CPU停止工作。

但RAM，按时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。

在掉电模式下，保留RAM的内容而且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。

最小系统的设计

4.4.1复位电路（图）：

MCS-51 

单片机复位电路是指单片机的初始化操作。

单片机启运运行时，都需要先复位，其作用是使CPU和系统中其他部件处于一个确信的初始状态，并从那个状态开始工作。

因此，复位是一个很重要的操作方式。

但单片机本身是不能自动进行复位的，必需配合相应的外部电路才能实现。

图复位电路

①复位功能：

复位电路的大体功能是：

系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳固后，撤销复位信号。

为靠得住起见，电源稳固后还要经必然的延时才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分-合进程中引发的抖动而阻碍复位。

单片机的复位是由外部的复位电路来实现的。

片内复位电路是复位引脚RST通过一个斯密特触发器与复位电路相连，斯密特触发器用来抑制噪声，它的输出在每一个机械周期的S5P2，由复位电路采样一次。

复位电路通常采纳上电自动复位（如图（a））和按钮复位（如图（b））两种方式。

图RC复位电路

②单片机复位后的状态:

单片机的复位操作使单片机进入初始化状态，其中包括使程序计数器PC＝0000H，这说明程序从0000H地址单元开始执行。

单片机冷启动后，片内RAM为随机值，运行中的复位操作不改变片内RAM区中的内容，21个特殊功能寄放器复位后的状态为确信值，见表1。

值得指出的是，记住一些特殊功能寄放器复位后的要紧状态，关于了解单片机的初态，减少应用程序中的初始化部份是十分必要的。

说明：

表4-1中符号*为随机状态：

表4-1寄放器复位后状态表

特殊功能寄存器

初始状态

A

B

PSW

00H

TMOD

TCON

TH0

SP

DPL

DPH

P0—P3

IP

IE

07H

FFH

***00000B

0**00000B

TL0

TH1

TL1

SBUF

SCON

PCON

不定

0********B

PSW＝00H，说明选寄放器0组为工作寄放器组；

SP＝07H，说明堆栈指针指向片内RAM07H字节单元，依照堆栈操作的先加后压法那么，第一个被压入的内容写入到08H单元中；

Po-P3＝FFH，说明已向各端口线写入1，现在，各端口既可用于输入又可用于输出。

IP＝×

×

00000B，说明各个中断源处