基于單片機的轉速測量

1緒論1.1單片機的應用單片微型計算機（簡稱單片機）也叫做微型控制器，自從20世紀70年代問世以來，得到了快速發(fā)展，從早期的8位機到現(xiàn)在的32位機，其硬件資源和軟件資源在不斷豐富與完善。單片機由于其集成度高、體積小、抗干擾能力強和價格低廉、具有獨特的控制功能，它已經成為計算機世界中的重要成員。在一個應用系統(tǒng)中，只用一個單片機，這是目前應用最多的方式，主要應用領域有：（1）.測控系統(tǒng)。用單片機可構成各種工業(yè)控制系統(tǒng)、自適應系統(tǒng)、數據采集系統(tǒng)等。（2）?智能儀表。用單片機改造原有的測量、控制儀表，能夠數字化、智能化、多功能化、綜合化、柔性化發(fā)展。（3）.機電一體化產品。單片機與傳統(tǒng)的機械產品結合，使系統(tǒng)機械產品結構簡化，控制智能化。（4）?智能接口。在計算機控制系統(tǒng)（特別是較大型的工業(yè)測控系統(tǒng)）中，普遍采用單片機進行接口的控制與管理，因單片機與主機是并行工作，故大大提高了系統(tǒng)的運行速度。（5）.智能民用產品。在家用電器、玩具、游戲機、聲像設備、電子秤、收銀機、辦公設備等產品中引入單片機，不僅使產品的功能大大增強，而且獲得了良好的使用效果。但是單片機應用的意義絕不僅限于它的廣闊范圍以及所帶來的經濟效益上，更重要的意義還在于：單片機的應用正從根本上改變著傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)設計思想和設計方法。從前必須由模擬電路或數字電路實現(xiàn)的大部分控制功能，現(xiàn)在已能使用單片機通過軟件（編程序）方法實現(xiàn)了。這種以軟件取代硬件并能提高系統(tǒng)性能的控制技術必將隨著單片機應用的推廣普及而不斷發(fā)展完善。在工業(yè)過程實時控制中，轉速的檢測與控制一般占有很大的比重，它對系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差及動態(tài)響應性能都有著至關重要的影響⑴。特別在自動控制中，常常需要監(jiān)視機器的運轉情況并將其反饋給控制裝置。所以對于此類應用來講，一個在較大速度范圍內具有高分辨率的快捷而準確的測速系統(tǒng)是必不可少的。傳統(tǒng)的模擬式測速儀受非線性、溫度變化和元件老化等因素的影響，在轉速檢測過程中很難滿足快速性和準確性的要求。為此，一種可與計算機直接接口，具有高性能的數字式測速器件一一旋轉式光電編碼器便應運而生［2］。它是一種通過光電轉換將輸出軸上的機械幾何位移量轉換成脈沖或數字量的光電傳感器。它具有體積小，精度高，線性度好，工作可靠接口數字化等優(yōu)點，它已廣泛應用于數控機床、回轉臺、伺服傳動、機器人、雷達、軍事目標測定等裝置和設備中。它以成為目前應用最多的傳感器之一。正是基于上面的論述，看到了單片機在測量和控制系統(tǒng)中的廣泛應用。于是，在這種背景下，本文介紹了在單片機的控制下，利用光電編碼器，采用適當的測量方法對電機轉速進行測量。1.2轉速測量在國民經濟中的應用轉速測量的應用系統(tǒng)在工業(yè)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(tǒng)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(tǒng)作為普遍的應用在國民經濟發(fā)展中，有重要的意義。下面列舉二例加以說明⑶。121轉速測量在調速系統(tǒng)中的應用直流電機具有良好的起、制動性能，易于在寬廣范圍內平滑調速，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(fā)展，交流調速系統(tǒng)日趨完善，其性能可與直流調速系統(tǒng)相媲美，其變頻調速的應用范圍日益擴大，但它的控制技術相對復雜，整個控制系統(tǒng)造價較高，在某些領域短時間內還難以取直流調速系統(tǒng)，調速系統(tǒng)便應運而生了。調速系統(tǒng)主電路線路簡單，所用的功率元件少；開關頻率高，可達到1000?4000Hz，電流易連續(xù)，諧波少，脈動小，電機損耗和發(fā)熱都較??；低速性能好，穩(wěn)態(tài)精度高，因而調速范圍寬；調速系統(tǒng)頻帶寬，快速響應性能好，動態(tài)抗擾能力強：主電路元件工作在開關狀態(tài)，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(yè)等電力傳動系統(tǒng)中。1.2.2變M/T法在風力發(fā)電機并網控制中的應用發(fā)電機葉輪吸收的功率，一部分用來克服葉輪旋轉的阻力矩，其余部分轉變?yōu)殡娔?。葉輪通過硬質齒面增速齒輪箱帶動4極200kw異步發(fā)電機。主葉輪轉速達到40rpm時，發(fā)電機轉速達到同步轉速，應并入電網發(fā)電，發(fā)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(fā)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(fā)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(fā)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廠r法測速，以4個轉速計數脈沖（mI=4）為一個測算周期。在風力發(fā)電機并入電網控制中，變M/T法能夠較好地滿足并網對發(fā)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(fā)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。1.3測速系統(tǒng)的發(fā)展1.3.1系統(tǒng)的概述系統(tǒng)的概念系統(tǒng)一般是指為實現(xiàn)某些特定功能，由硬件、軟件、固件、智件和操作者按一定的方式組成的一個集合體。二?單片機系統(tǒng)我們應該看到，單片機只是一個芯片，它單獨并不能完成任何功能，而只有在單片機芯片的基礎上，通過擴展其它電路或芯片構成具有一定應用功能的系統(tǒng)，即單片機系統(tǒng)，才能實現(xiàn)某種特定的功能。通常我們所說的單片機系統(tǒng)都是為實現(xiàn)某一控制應用需要由用戶設計的，是一個圍繞單片機芯片而組建的計算機應用系統(tǒng)。在單片機系統(tǒng)中，單片機處于核心地位，是構成單片機系統(tǒng)的硬件和軟件基礎。1.3.2早期測速系統(tǒng)的簡介早期的測速系統(tǒng)無論是結構上還是測量方法上都比較簡單，大多數情況下就是使用一些簡單的儀表，完全由人來進行轉速測量，整個系統(tǒng)的成本較低，但可靠性不高，實現(xiàn)的功能很單一。在轉速測量技術中研究最早的要數機械式和電磁式技術，如多齒分度臺和圓磁柵等，這些傳統(tǒng)的轉速測量方法的主要缺點大多為手工測量，不容易實現(xiàn)自動化，測量精度受到很大的限制，即便是對部分轉速的測量精確度較高，但也無法對整個轉速范圍實施高精確度測量，其根本原因是測量的起始和停止時刻的隨機性，從而引起誤差。但是這些測量方法的優(yōu)點也是顯而易見的，那就是簡單實用。目前在一些測量精度要求不是很高的場合下，這些傳統(tǒng)的測量方法仍在被使用。1.3.3現(xiàn)代測速系統(tǒng)的介紹隨著電子技術、計算機技術、現(xiàn)代控制技術等技術的迅猛發(fā)展，測速系統(tǒng)得到了不斷的發(fā)展與完善，功能更強大。特別是轉速測量技術發(fā)展到現(xiàn)在，已經發(fā)生了很大的變化，尤其是計算機和各種測量手段的綜合運用使測量準確度達到了很高的水平?，F(xiàn)在，在一個測速系統(tǒng)中，主要采用一些光學技術、光電技術等現(xiàn)代技術進行轉速測量。利用這些技術而產生的測速方法也多種多樣，有光電編碼器法，衍射法，自準直法，光纖法，聲光調制法，圓光柵法，光學內反射法，激光干涉法，平行干涉圖法，以及環(huán)形激光法等。這些方法中的很多方法在小角度的精密測量中已經得到了成功的應用，并得到了較高的測量精度和測量靈敏度。但是，目前采用單片機及其外圍電路，依靠光電傳感器技術，以數字脈沖式測速為發(fā)展的主流。這種方法可以實現(xiàn)對整個轉速范圍的高精確度測量，信號檢出、處理均采用數字技術，也便于和計算機接口，抗干擾能力強，無需調零即可工作，可靠性高、信噪比高、工作壽命長，可連續(xù)測量。1.4設計內容1?本次設計討論以單片機為核心的光電式轉速測量系統(tǒng)。2?設計采用反射式或遮斷式光電傳感器的轉速測量系統(tǒng)。3?系統(tǒng)設計要求在單片機的控制下完成轉速的采樣工作，并根據不同的轉速，能自動采用M法和T法進行計算，并顯示測量的轉速。4?系統(tǒng)在單片機的控制下完成光電編碼器預置。1.5設計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(xiàn)代科技發(fā)展的要求，在測量范圍和測量精度上，已不能滿足大多數系統(tǒng)的使用。隨著大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路技術的發(fā)展，數字系統(tǒng)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(tǒng)越來越普及，其轉速測量系統(tǒng)也可以用全數字化處理。在測量范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(huán)境，利用AT89C51系列單片機設計一種全數字化測速系統(tǒng)，從提高測量精度的角度出發(fā)，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(fā)，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(tǒng)，在工業(yè)控制和民用電器中都有較高使用價值。其可以應用于工業(yè)控制中的某一部分，如數控車床的電機轉速檢測和控制、水泵流量控制以及需要利用轉速檢測來進行控制的誨多場合。如車輛的里程表、車速表等。其次該轉速測量系統(tǒng)由于采用全數字化結構，因而可以很方便的和工業(yè)控制計算機進行連接，實行遠程管理和控制，進一步提高現(xiàn)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?？傊?，轉速測量系統(tǒng)的研究是一件非常有意義的課題。這次設計內容包含知識全面，對傳感器測量電機的方法和原理設計的介紹，在測量系統(tǒng)中能學到關于測量轉速的傳感器采樣問題，單片機部分的內容，顯示部分等各個模塊的通信和聯(lián)調。全面了解單片機和信號放大的具體內容。進一步鍛煉我們在信號采集，處理，顯示方面的實際工作能力。2轉速儀2.1離心式轉速儀離心式轉速表屬于機械式轉速表中的代表種類，特別是手持式離心轉速表，在轉速表的使用者中有著較高的認同度。目前，離心式轉速表被廣泛的應用在各行各業(yè)，如電機、洗衣機、汽車、輪船和飛機等制造行業(yè)。2.1.1離心式轉速表的工作原理離心式轉速表是最傳統(tǒng)的一類轉速測量儀表，它的發(fā)展時間較長，工作原理也較為簡單。離心式轉速表的工作原理主要是離心力和拉力之間的相互作用，通過傳動系統(tǒng)帶動指示部件，來對被測物體的轉速進行指示。離心式轉速表在測量機械設備的轉速時，轉軸會隨著被測對象轉動，并帶動離心器上的重物進行旋轉運動，而重物在慣性離心力的作用下就會離開軸心，傳動系統(tǒng)受重物的拉力后，就會帶動指針從零刻度開始移動。離心式轉速表的彈簧會對受離心力作用的重物施加反作用力，當離心力和拉力之間達到平衡時，傳動系統(tǒng)的受力不再增加，指針的移動也就停止，當指針穩(wěn)定后所指示的刻度值，既是被測對象的轉速值。2.1.2離心式轉速表的優(yōu)缺點離心式轉速表多采用就地安裝方式或手持方式使用。離心式轉速表的優(yōu)點是，對測量結果的指示直觀，運行可靠、堅固耐用。離心式轉速表的缺點是，其本身的測量原理簡單，測量精度相對較低，一般測量精度是在1到2級，且離心式轉速表的結構比較復雜，不利于制造和維修。2.2磁性式轉速儀磁性轉速儀，利用旋轉磁場，在金屬罩帽上產生旋轉力，利用旋轉力與游絲力的平衡來指示轉速。磁性轉速表，是成功利用磁力的一個典范，是利用磁力原理的機械式轉速儀；一般就地安裝，用軟軸可以短距離異地安裝。磁性轉速儀，因結構較簡單，目前較普遍用于摩托車和汽車以及其它機械設備。異地安裝時軟軸易損壞。2.3電動式轉速儀電動式轉速儀，由小型交流發(fā)電機、電纜、電動機和磁性表頭組成。小型交流發(fā)電機產生交流電，交流電通過電纜輸送，驅動小型交流電動機，小型交流電動機的轉速與被測軸的轉速一致。磁性轉速頭與小型交流電動機同軸連接在一起，磁性表頭指示的轉速自然就是被測軸的轉速；電動式轉速，異地安裝非常方便，抗振性能好，廣泛運用于柴油機和船舶設備。2.4磁電式轉速儀磁電式轉速儀是磁電傳感器加電流表，異地安裝非常方便。2.5閃光式轉速儀閃光式轉速儀利用視覺暫留的原理。閃光式轉速儀，除了檢測轉速（往復速度）夕卜，還可以觀測循環(huán)往復運動物體的靜像，對了解機械設備的工作狀態(tài)，是一必不可少的觀測工具。2.6電子式轉速儀電子技術的不斷進步，使這一類轉速儀有了突飛猛進的發(fā)展。電子式轉速儀是一個比較籠統(tǒng)的概念：以現(xiàn)代電子技術為基礎，設計制造的轉速測量工具。它一般有傳感器和顯示器，有的還有信號輸出和控制。因為傳感器和顯示器件方面的多種多樣，還有測量方法的多樣性，很難像前五種一樣來歸類。這里將電子類轉速計，從傳感器和二次儀表分開來分類。如果從安裝使用方式上來分，還有就地安裝式、臺式、柜裝式和便攜式以及手持式。2.6.1轉速傳感器轉速傳感器從原理（或器件）上來分，有磁電感應式、光電效應式、霍爾效應式、磁阻效應式、介質電磁感應式等。另外還有間接測量轉速的轉速傳感器：如加速度傳感器（通過積分運算，間接導出轉速），位移傳感器通過微分運算，間接導出轉速），等等。測速發(fā)電機和某些磁電傳感器在線性區(qū)域，可以直接通過交流有效值轉換，來測量轉速；大多數都輸出脈沖信號（近似正弦波或矩形波）。針對脈沖信號測轉速的方法有：頻率積分法（也就是F/V轉換法，其直接結果是電壓或電流），和頻率運算法（其直接結果是數字）。2.6.2轉速顯示儀顯示儀從指示形式來分有指針式、數字式、圖形及其混合式和虛擬儀表等；一、指針式動圈式：線圈、游絲指針聯(lián)于一旋轉軸上，給線圈輸入電流，線圈感應出磁力，且互成正比；磁力與游絲的扭力平衡，扭力與指針轉角成正比，指針的角度也就反映出輸入電流的大小。動磁式：正交線圈中電流的變化，導致合成磁場方向的變化，而指針附著在單對極的永磁體上，指針反映電流的變化。電動式：雙向旋轉的馬達帶動電位器的旋轉，電位器的取樣值與輸入信號電壓比較，決定雙向旋轉馬達正轉、反轉或停止，與電位器聯(lián)動的指針正確反映輸入信號的大小。上述三式指針類表頭中，電動式表頭屬于電子類，動磁式表頭和動圈式表頭本身不屬于電子類，當與表頭配套的傳感器或表頭驅動需要供電電源時，且依賴現(xiàn)代電子技術時，這里就把它歸為電子類。二、數字式、圖形及其混合式主要是從器件來區(qū)分，有數碼管、字段式液晶、液晶屏、熒光管、熒光屏、等離子屏和EL屏等。顯示技術是一門專門的技術，本文會涉及一些顯示技術，但不做展開闡述。三、虛擬轉速儀隨著計算機的普及，利用計算機做顯示和操作平臺的虛擬儀表，也越來越被廣泛運用，目前主流的開發(fā)平臺是NI公司的LabVIEW。有關開發(fā)運用技術，可以瀏覽NI公司的網站。

上述六種轉速儀，具有各自獨特的結構和原理，既代表著不同時期的技術發(fā)展水平，也體現(xiàn)人類認識自然的階段性發(fā)展過程。時代在不斷前進，有些東西將會成為歷史；但留心回顧一下，不禁要驚嘆前賢的匠心！綜上所得圖表2.1。表2.1常用轉速測量方法的比較類型測量方法適用范圍特點測速儀測速發(fā)電機直流交流激磁一定，發(fā)電機輸出電壓與轉速成正比中、咼速、最咼達10000轉/分可遠距離指示父直流測速發(fā)電機磁電式轉軸帶動磁性體旋轉產生計數電脈沖，其脈沖數與轉速成比例中、咼速、最咼達48000轉/分機構復雜，精度咼數字式磁電轉速計光電式利用轉動圓盤的光線使光電元件產生電脈沖中、咼速、最咼達48000轉/分沒有扭矩損失機構簡單光電脈沖轉速計同步閃光式用已知頻率的閃光來測出與旋轉體同步的頻率（即旋轉體轉速）中、高速沒有扭矩損失閃光測速儀旋轉編碼盤把碼盤中反映轉軸位置的碼值轉換成電脈沖輸出低、中、高速數字輸出，精度咼光電式碼盤3硬件設計思路及方案對于一個轉速檢測系統(tǒng)來說，其關鍵在于能夠使測速結果在整個轉速范圍內的準確性和分辨率為最佳，并能滿足快速的動態(tài)響應要求。在硬件電路設計過程中，考慮的主要問題是經濟合理、安全可靠、抗干擾性強，同時應具有一定的智能化。目前國內外測量轉速的方法分為模擬式和數字式兩種，模擬式得到的是模擬量，數字式得到的信號是脈沖信號。傳感器的發(fā)展越來越向著抗干擾能力強測量精度高的方向發(fā)展，在目前測量轉速所用的傳感器主要有兩種：第一種是霍爾轉速傳感器，第二種是光電碼轉速傳感器。本設計的組成主要有三大模塊，第一模塊是傳感器部分，主要負責采集轉速信號，并把采集到的信號轉化為電信號傳遞到下一個模塊。第二模塊是主電路，主要由單片機負責處理信號。第三個模塊是顯示電路，主要負責顯示轉速。本設計采取的主要方法是利用傳感器采集信息之后由單片機進行處理最后由LED進行顯示。系統(tǒng)硬件原理框圖：如圖3-1所示。圖3-1系統(tǒng)硬件原理框圖其設計思想為：將光電編碼器與電機主軸直接聯(lián)接，當電機旋轉后，編碼盤隨著電機轉動，通過光電編碼器產生脈沖信號，脈沖波形經整形后送入單片機。在單片機的控制下完成對脈沖信號的采樣工作，并根據電機的不同轉速，通過程序控制，自動采用M法或T法對轉速進行計算，并最終顯示測量的電機轉速。3?1硬件組成3.1.1光電編碼器單片機雖然在整個系統(tǒng)設計當中處于核心地位，但傳感器作為信息采集系統(tǒng)的前端單元、系統(tǒng)中的一個重要組成部分，其作用也是不能忽視的。光電編碼器是一種角度（角速度）檢測裝置，它將輸入給軸的角度量，利用光電轉換原理轉換成相應的電脈沖或數字量，具有體積小，精度高，工作可靠，接口數字化等優(yōu)點。光電編碼器可以通過光的強弱或通斷對信號信號進行編碼，其實編碼的方式有很多中，光電編碼器主要是受外界干擾小，而且電路之間沒有電器連接，可以不用考慮阻抗匹配之類的東西。光電編碼器，是一種通過光電轉換將輸出軸上的機械幾何位移量轉換成脈沖或數字量的傳感器⑷。它是目前應用最多的傳感器。光電編碼器的工作原理如圖3-2所示。在圓盤上有規(guī)則地刻有透光和不透光的線條，在圓盤兩側，安放發(fā)光元件和光敏元件。當圓盤旋轉時，光敏元件接收的光通量隨透光線條同步變化，光敏元件輸出波形經過整形后變?yōu)槊}沖，碼盤上有之相標志，每轉一圈輸出一個脈沖。此外，為判斷旋轉方向，碼盤還可提供相位相差90°的兩路脈沖信號?；搓幑W院畢業(yè)設計說明書（論文）第淮陰工學院畢業(yè)設計說明書（論文）第10頁共41頁Z圖3-2光電編碼器工作原理及輸出波形在計算機調速系統(tǒng)中大都采用光電編碼器來測量轉速，由于它的輸出為數字（脈沖）量，可以與計算機的接口直接相連。根據檢測原理，編碼器可分為光學式、磁式、感應式和電容式。根據其刻度方法及信號輸出形式，可分為增量式、絕對式以及混合式三種。增量式編碼器是直接利用光電轉換原理輸出三組方波脈沖A、B和Z相；A、B兩組脈沖相位差90°，從而可方便地判斷出旋轉方向，而Z相為每轉一個脈沖，用于基準點定位。它的優(yōu)點是原理構造簡單，機械平均壽命可在幾萬小時以上，抗干擾能力強，可靠性高，適