基于单片机的数字测速仪的设计

基于单片机的数字测速仪的设计内容摘要：

业、机械制造等诸多领域中，人们都需要对各类 发动机、电动机、卷扬机、机床主轴等旋转设备的试验、 检测 和控制 , 常需要测量和显示其转速。 测量转速的方法分为模拟式和数字式两种。 模拟式采用测速发电机为检测元件 ,得到的信号是模拟量。 数字式通常采用光电 编码器、圆光栅、霍尔元件等为检测元件 , 得到的信号是脉冲信号。 随着微型计算机的广泛应用 ,特别是高性能价格比的单片机的出现 , 转速测量普遍采用以单片机为核心的数字式测量方法 ,智能化微电脑代替了一般机械式或模拟式结构 采用 51单片机来对 转速 进行 测量 控制，具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点。 单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点，为自动化和各个测控领域中广泛应用的器件，在工业生产中称为必不可少的 器件，尤其是在日常生活中发挥的作用也越来越大。 因此，单片机 对转速 的控制问题是一个工业生产中经常会 遇到的问题。 本论文 从 以上 叙述 为 基础 ，设计实 现了 电机转速 实时测量、显示、 串行通讯 系统。 本设计方案具有较高的测量精度， 适合对 测量 要求较高的 制造 生产、电力工程等行业，并希望通过本设计得到举一反三和触类旁通的效果。 本次设计的课题为 基于单片机的数字测速仪的设计。 单片机转速测量系统由传感器、处理器、计数器和显示器 等 部分组成。 本次具体设计了 转速的频率采集 ， 计数器的脉冲计数，经过单片机的处理、 计算，按实际要求做出相应的继电器输出、数字量输出、串行口输出，进而 与其他设备进行通讯。 系统 主要 工作过程 是： 测量转速的霍尔传感 器与机轴相连接 , 机轴每转一周 ,产生一定的脉冲个数 , 由霍尔器件电路部分输出 , 成为转速计数器的计数脉冲。 控制计数时间 ,即可实现计数器的计数值对应机轴的转速值。 单片机将该数据处理后 ,通过显示出来。 XX 大学 毕业设计（论文） 3 课题的总体设计及思路 本次数字电机测速 系统 属于强弱电之间 的典型 设计 应用， 也是机电一体化的实际应用。 通用性很强，在 现代 工业过程控制 检测 中有着广泛的应用。 测量 系统中引入单片机，可以充分利用单片机在对采集数据加以分析并根 据所得结果作出逻辑判断等方面的能力，编制出符合某种技术要求的检测 程序、管理程序，实现对被 控参数的控制与管理。 在单片机控制系统中，控制规律是通过软件来完成的。 改变控制规律，只要改变相应的程序即可。 速度测量的方法一般是利用传感装置 ,产生正比于角位移量的脉冲数 ,然后 ,通过测量脉冲频率进行计算 ,得到实际的速度值。 脉冲频率的测量方法常相对闸门时间计数。 该方法在闸门时间一定的情况下 ,测量相对误差随被测信号频率下降而增加。 针对不同的被测信号频率 ,采取不同的测量手段 ,可获得宽测量范围内较高的测量精度 本系统以硬件以单片机 89C51为核心采用 霍尔传感器 作为输入传感器 ， 将 传感器得到的微弱电信号 经 放大电路 放大后， 经 光电隔离、滤波后 ,通过 CD4069施密特触发器 ,对信号整形 ,转换成可与单片机连接的标准辐值的方波信号 ,送入单片机外部中断口 ，C51读取转化结果 经程序运算后，转化为可以显示的 BCD码，进 行实时观察和显示。 系统带有键盘设定功能。 在高速时 ,运用闸门时间自动调整的电子计数器测频法。 在低速时 ,运用被测信号周期自动调整的电子计数器测周法 ,在宽量程范围内实现了高精度、实时快速测量。 进行系统设计时应考虑如下问题： 1． 在正常的情况下， 通过 LED 数码管显示当前的电机转速，当电机的转速超出设 定的范围后， 通过灯光和蜂鸣器进行 报警。 2． 针对 高低 不同的 转速，即 被测信号频率 ,采取不同的测量手段 ,可获得宽测量范围内较高的测量精 度 3． 电机转动并发出的脉冲被传感器检测产生的误差及测量精度。 A T 8 9C 5 1单片机信 号 输入 前 置处 理 及抗 干 扰电 路键 盘输 入电 路霍尔传感器与电机的出轴相连数 值显 示电 路L E D通 讯 接 口 电 路声 讯 报 警 电 路继 电 器输 出 电 路 图 11 设计框图 基于单片机的数字测速仪的设计 4 各个环节及实现 （ 1） 脉冲 采集环节 首先， 日光灯法是交流电机转速测量时的一种简便的方法。 日光灯是一种闪光灯，将其接入 50Hz 电源时，日光灯的实际频率为 100 次，闪频周期为 10ms。 而人的视觉暂留时间约为 60ms，远大于日光灯的闪频周期，因此用肉眼观察时，感觉不 到灯光的闪动而认为日光灯一直在发光。 利用日光灯的上述特性就可以测量交流电机的转速。 当交流电机转速偏离同步转速较多，即转差率较大时，由于眼睛看到的轴端标记转动较快，每分钟转速的计数困难，因而限制了本方法的应用。 再次， 光电数字测速目前以获得广泛应用，具有测量范围广，准确度高，数字显示和可测量瞬时速度等优点。 所用光电转速传感器为非接触式传感器，其结构简单，分辨率高、惯性小，分为投射式和反射式两种。 但由于电路稍有复杂，且容易受环境影响较大，因此，这里不再详细叙述。 最后是 测频法测速，就是在给的标准时间内累计传感器 发出的脉冲数，即以测量频率的方法来测量转速。 由光电传感器输出的脉冲信号经放大整形后，通过门电路送给计数器进行脉冲计数。 为了选择一个标准时间来控制门电路的开闭，一般用晶体振荡器产生基准时间脉冲信号，经分频器后得到 ， 1s 等标准时间信号，通过门控电路发出指令来控制门电路得开闭。 若电机转速为 n(r/min)， 电机转一周，光电传感器所发 出得脉冲数为 Z，测量的标准时间 t(s)， 则计数器计数得脉冲数 N 为： ZtnN 60 由上式可以看出欲使计数脉冲 N 等于电机每分钟转数 n 应使电机每转过一周光电传感器发出得脉冲数 Z 与测试时间 t 得乘积等于 60 即 Zt=60。 例如若 Z＝ 60， t=1s 则计数器的计数脉冲数就是电机得每分钟转速。 因此 Z 的数值最好是 60 或 60 的整数倍。 采用开关型霍尔集成芯片作为检测元件用频率计记录脉冲数。 调制盘与转轴直接联结其上均匀分布 p 对永久磁极。 每当调制盘转过一对磁极霍尔芯片就产生一个方脉冲。 若被测转速为 n (r/min)则霍尔元件输出脉冲的频率为 f＝ np/60(Hz)。 设频率计的采用时间为 t (s)频率计在采样时间内的脉冲计数值为： ptnN 60 因此转速 n 可用脉冲计数值 N 来表示： ptNn 60 XX 大学 毕业设计（论文） 5 二种测速方法都是基于测频法原理只是由于采用了不同的检测元件使产生计数脉冲的方式有所不同。 数字测速的误差主要决定于两个方面 ： 一是晶振的精度 ， 二是计数脉冲的误差。 在标准计数时间内计数脉冲的绝对误 差为 177。 1 个脉冲 ， 若在标准计数内的计数脉冲为 N， 则测速的相对误差为 177。 1/N， 即 N 愈大测量的精度愈高。 对于测频法测速当电机转速较低时由于 N 较小使测速精度降低；应增大 N。 可采用增加测试时间 t 和增大 Z(或 p)两种途径。 然而增加测试时间 t 的方法是不可取的对于一般的光电传感器增大 Z 也是有困难的。 采用光栅技术可以大幅度增高 Z 值从而扩大了测速范围明显提高了测量精度。 对于霍尔转速测试仪要想在调制盘的有限圆周内增加永久磁极的极数将更加困难因此该方法只适用于高转速的测量。 转速脉冲信 号是通过转速传感器测量而得的 ,如果传感器不能稳定地工作 ,电控系统也就无法正确地控制发动机正常工作。 霍尔传感器具有无触点、长寿命、高可靠性、无火花、无自激振荡、温度性能好、抗污染能力强、构造简单、坚固、体积小、耐冲击等优点 ,所以选用霍尔效应接近式传感器作为转速传感器。 只要存在磁场 ,霍尔元件总是产生相同的电压 ,并且输出信号电压的大小与转速无关 , 即使是在发动机起动的低转速状态下 ,仍能够获得较高的检测准确度。 该传 感 器直接输出为脉冲频率信号 ,但是由于存在电磁噪声干扰 ,必须对信号进行滤波和整形 ,提高采集准确度和抗干扰 能力。 其机械结构也可以做得较为简单，只要在转轴的圆周上粘上一粒磁钢，让霍尔开关靠近磁钢，就有信号输出，转轴旋转时，就会不断地产生脉冲信号输出。 本设计被测轴安装有 12 只磁钢，即转轴每转一周，产生 12 个脉冲。 （ 2） 计数环节 可以采用片外计数器和片内计数器两个方案。 片外计数器的方案是指采用 8253 等片外的专用计数芯片进行脉冲计数，单片机控制 8253 的计数过程，并在计数完毕后读取计数值。 片内计数方案是指采用单片机的内部计数器完成对脉冲的计数过程。 本设计采用的是后一种计数方法。 （ 3） 数据显示环节 本次设计要求显 示 速度的范围比较大 ，故使用了 6 个数码管，考虑到 I/O 口不够的问题，采用的动态显示的方法。 动态显示具有用元器件少，占 I/O 口线少的优点，但也会出现闪烁，鬼影等。 这就要在软件编程中解决。 （ 4） 超速报警功能 89C51 对 速度 的控制是通过 软件的编写来 实现的。 当转速超过我们设定的最高时速时，单片机计数器会检测到脉冲数目的增加，与我们规定的数值比较，如果大于最高数值，那么就会触发报警装置，必要时候还可以通过继电器来控制电机电源的通断，不至于造成事故。 这些将在后面的软件编写上实现。 基于单片机的数字测速仪的设计 6 （ 5） 串行通信环节 PC机有一个功能 强大的可编程异步串行控制器 8250和两个采用 RS232C串行通信标准接口 COM1,COM2,而 单片机 中有一个采用 TTL 电平的可编程串口 ,所以要使它们之间通信 ,必须采用一个电平转换电路 ,这里采用符合 RS485 标准的 MAXIM 公司生产的 MAX485和波士公司生产的 RS232CRS485 转接头 ,将 RS232 信号电平转换成 RS485标准电平信号 ,利用 RS485标准电平的优势 ,在一些特殊通信领域内实现 PC机和 单片机之间的串行长距离可靠通信。 如图 所示 P C 机R S 4 8 5接 口A T 8 9 C 5 1M A X 4 8 5 图 12 串行通讯流程 XX 大学 毕业设计（论文） 7 第 2 章 硬件电路设计 单片机 89C51 介绍 89C51 引脚介绍 本次设计所用主要芯片是 89C51，现对各组成部分的情况介绍如下： CPU， 内部数据存储器，内部程序存储器，定时器，串行口，中断控制系统，及时钟电路等等。 信号引脚介绍： 8 9 C 5 1122 22 12 01 91 81 71 61 51 41 31 21 11 098765434 03 93 83 73 63 53 43 33 23 13 02 92 82 72 62 52 42 3（ T 2 ） P 1 . 0（ T 2 E X ） P 1 . 1P 1 . 2P 1 . 3P 1 . 4P 1 . 5P 1 . 6P 1 . 7R S T / V P D（ R X D ） P 3 . 0（ T X D ） P 3 . 1（ I N T O ） P 3 . 2（ I N T 1 ） P 3 . 3（ T 0 ） P 3 . 4（ T 1 ） P 3 . 5（ W R ） P 3 . 6（ R D ） P 3 . 7X T A L 2X T A L 1V S SV C CP 0 . 0 （ A D 0 ）P 0 . 1 （ A D 1 ）P 0 . 6 （ A D 6 ）P 0 . 5 （ A D 5 ）P 0 . 4 （ A D 4 ）P 0 . 3 （ A D 3 ）P 0 . 2 （ A D 2 ）P 0 . 7 （ A D 7 ）P 2 . 0 （ A 8 ）P 2 . 1 （ A 9 ）P 2 . 2 （ A 1 0 ）P 2 . 3 （ A 1 1 ）P 2 . 4 （ A 1 2 ）P 2 . 5 （ A 1 3 ）P 2 . 6 （ A 1 4 ）P 2 . 7 （ A 1 5 ）P S E NA L E / P R O GE A / V P P 图 21 89C51 引脚图 P0 口： P0 口是开漏双向口可以写为 1 使其状态为悬浮用作高阻输入 P0 也可以在访问外部程序存储器时作地址的低字节在访问外部数据存储器时 作数据总线此时通过内部强上拉输出 1。 P1 口： P1 口是带内部上拉的双向 I/O 口向 P1 口写入 1 时 P1 口被内部上拉为高电平可用作输入口当作为输入脚时被外部拉低的 P1 口会因为内部上拉而输出电流。 P1 口第 2 功能： T2()定时 /计数器 2 的外部计数输入 /时钟输出 (见可编程输出 )。 T2EX()定时 /计数器 2 重装载控制。 P2 口： P2 口是带内部上拉的双向 I/O 口向 P2 口写入 1 时 P2 口被内部上拉为。