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1、基于 8086的电机转速测量仪的设计一 概述11 电机转速测量的历史在工程实践中，经常会遇到各种需要测量转速的场合，例如在发动机、电动机、卷扬机、机床主轴等旋转设备的试验运转和控制中，常需要分时或连续测量、显示其转速。电机转速测量是电机测试中的一个重要测试项目，测量转速的方法很多，传统的测速方法一般用机械离心式转速表，机械钟表式转速表，用测速发电机以及用日光灯频闪法测电机转速等，在工业应用中，还有通过测量同步电机定子电压频率的方法来测量同步电机转速。但这些方法无论是在使用方便程度还是在反应时间以及测量精度等各个方面都满足不了电机研究和应用的要求。例如对电机过渡过程的研究，就需要测量电机的瞬时转
2、速，在微特电机的研究中还要研究转速的稳定度等。这些问题的存在为电机转速的测量提出了新的要求。12 电机转速测量的发展现状随着微型计算机的广泛使用，现在转速测量普遍采用了以微控制器和微处理器为核心的数字法，智能化微电脑式代替了一般机械式或模拟量结构。同时伴随现代传感技术的不断发展，转速测量中一般通过各种传感器将速度变换为电量，然后再用模拟或数字方式显示出来。用于转速测量的传感器一般包括:光电传感器(其中又可分为投射式和反射式)、振动式传感器(其中又可分为磁电式和压电式)、电容式传感器、电涡流式传感器、磁电式传感器、光电编码器等。当前转速测量应用最为广泛的方法是利用传感器将转速信号转换为脉冲信号，
3、再用数字测速方法测出电机的转速。数字测速是发展十分迅速的一种测速方法，其测试结果直接以数字显示。数字测速按其原理可分为两大类:一类是在给定标准时间内测得旋转的角度来表示速度，称为测频法测速。另一类是在给定的角位移距离内，测得转过这一角位移的时间来表示速度，称为测周法测速。当前国内外市场上销售的数字转速测量装置一般是采用测频法且功能比较单一的通用转速表，其测速周期或者根据测量范围手动切换或者为保证测量精度用较长的测速周期，转速报警值一般有一个下限值和一个上限值，由于较少采用 CPU 所以通常没有数据存贮、数据处理的功能。13 发展方向市场需求在不断地复杂化，目前的通用转速测量装置经常难以满足某些
4、特种电机转速测量的特殊要求。例如大型冲击发电机，由于工作状况的特殊性，所以对转速测量装置要求也很特殊，要求具有测量瞬时转速、测量平均转速、测量转角、非常宽的测量范围、有多个转速控制伐值、测量结果自动存贮、打印输出测量结果、能够输出速度一时间曲线及能够与上位计算机进行通讯等诸多功能。因此需要按照特殊的测量要求开发专用转速测量装置。14 本文主要研究内容随着现代电子技术的发展，特别是计算机应用技术和现代传感器技术的飞速发展，用微型计算机系统研制一套高精度转速测控系统己成为可能。本设计就是利用8086微型处理器以及转速传感器研制具有高测量精度的数字式转速测控系统，设计内容主要包括四个方面：一是测量电
5、机转速；二是显示当前转速；三是越限报警；四是键盘调整转速警戒值。二 系统原理21 系统基本原理使用 8086 测量电机转速的基本原理如图 21 所示：8086存储系统（512K SRAM512K EEPROM）键盘控制显示电路计数器后续电路电机越限报警定时器测速部分霍尔传感器图 21 基于 8086 测量电机转速的基本原理图该系统的工作过程如下：测量转速的霍尔传感器和机轴同轴连接，机轴每转一周，产生一定量的脉冲个数，由霍尔器件电路部分输出。经光电耦合器后，成为转速计数器的计数脉冲。同时传感器电路输出幅度为 12V 的脉冲经光电耦合后降为 5V，保持同 8086 逻辑电平相一致。8086 用定时
6、器控制计数时间，即可实现计数器的计数值对应机轴的转速值。CPU 将该值数据处理后，在 LED 数码管上显示出来。一旦超速，CPU 通过喇叭和转灯发出声光报警信号。可以通过键盘的“” “”键调整新的警报限值。22 系统的基本要求要求测量实时性，调电保护功能，数字式测速。23 设计依据与方案利用微处理器实现电机转速测量有多种方案可供选择。基于本系统要包括测速、控制、显示等功能，现列举出一些具体方案进行比较，并选择一个最优方案。嵌入式处理器的选择：微处理器对于整个系统来说至关重要，目前电机转速测量仪的微处理器一般采用的是8位MCS51单片机，此类单片机应用广泛，价格相对较低发展也较成熟，是测速仪一般
7、方案的首选。这种方案虽然能够实现系统的基本功能，但是却不能保证系统对实时性、扩展接口等各方面的要求，故考虑采用16位8086微处理器。数据存储方案：本系统要求有调电保护功能，因而在存储系统中要设置一种存储器来保存数据，本设计利用 EEPROM 实现；同时由于 EEPROM 的擦写次数的限制，检测的数据量不能实时写入其中只能存储在 SRAM 中，当到一定的时间或检测到掉电后再把数据写入 EEPROM 中。这种方案的实现技术非常简单。测速原理： 测量电机转速的第一步就是要将电机的转速表示为主机可以识别的脉冲信号，从而进行脉冲计数。具体测量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，
8、得到的信号是电压量，而数字式通常采用光电编码器、园光栅、霍尔元件等为检测元件，得到的信号是脉冲信号。本设计是数字式转速测量仪，所以使用数字式的传感器，并且选用其中的霍尔器件。在实际工作中，卷扬机这种旋转设备经常作业在野外、露天，工作环境条件较差。考虑用霍尔集成元件作为传感器，主要因为它不怕灰尘，适合露天场地，且体积小，可单电源供电，使用极其方便。输入方式选择：本系统采用按键输入。系统中共用到 4 个按键，分别用于系统复位，功能切换，设置警戒值时的加 1、减 1 操作。显示电路设计：显示电路可采用液晶 LCD，也可采用数码管 LED，本系统仅有两位显示，故可采用两位数码管组成显示电路。LED 显
9、示方式分为静态显示与动态显示两种。静态显示是主机输出显示结果后，不用软件来维持显示，而是由锁存器将显示数据保持住，一直驱动显示模块。这种方法的优点是无需 CPU 维持显示，减轻了 CPU的负担，显示可靠且亮度较高。缺点是使用元件较多，因而增加了成本。动态显示是主机在任一时刻只显示一位数字，多位数字轮流分时显示，由于人眼的视觉暂留效应，好像所有数码管全在显示一样。这种显示方法虽然节省成本，但显示要 CPU 干预，占用较多 CPU 时间，用于实时自动控制不合适。本系统显示采用静态显示，因为这样不仅显示稳定而且软件编程比较简单。三 硬件系统设计31 嵌入式处理器选型及外围电路设计根据前面设计方案的分
10、析，处理器将选用 INTEL 1978 年推出的 16 位处理器8086。 8086 芯片介绍8086 采用 40 脚双列直排式封装，除时钟外，其他全部引脚信号与 TTL 电平兼容，为单一的5V 电源。内部无存储器， IO 空间与存储器空间独立,采用独立编址方式，数据线与地址线分时复用。其引脚信号示意图如图 31 所示：图 31 8086 引脚信号示意图 数据总线 D0D15：16 位，双向传输，可分别使用其低 8 位或高 8 位，该总线与地址总线 A0A15 共用 CPU 引脚形成复用总线 AD0AD15，地址、数据分时传送。 地址总线 A0A19：20 位，单向，地址由 CPU 产生，用于
11、寻址访问存储器单元或IO 端口。 A0A15 与 D0D15 复用，A16 A19 与状态信号 S3S6 复用(A16/S3 A19/S6)。其中 AD15AD0 地址数据复用信号，双向，三态。在总线周期的 T1 状态（地址周期）AD15AD0 上出现的是低 16 位的地址信号 A15A0 ；在 T3 状态（数据周期）AD15AD0 上出现的是数据信号 D15D0 。注：8086 的 20 条地址线访问存储器时可寻址 1M 字节内存单元；访问外部设备时，只用 16 条地址线 A15A0 可寻址 64K 个 I/O 端口。 状态信号 S3S6：S6 指示 8086 当前是否与总线相连，S60 表
12、示 8086 连在总线上。S5 表示中断允许标志状态，S51 表示中断允许标志 IF1（对可屏蔽中断请求起作用） ，S50 表示 IF0，禁止可屏蔽中断。S4 和 S3 用来指出当前使用的段寄存器。 控制信号：与 CPU 工作模式无关的信号有：BHE#、NMI、INTR、RD#、CLK、RESET、READY#、TEST#、MN/MX#、GND 。 主机电路设计在 8086 最小工作模式下，系统需要独立的地址总线和数据总线，并在整个总线周期维持地址有效或数据有效，需外加地址锁存器和数据收发器，所以要设计外围电路。地址总线的形成：20 位地址要三片锁存器。锁存器由 ALE 信号来控制，即 ALE
13、作为锁存器的输入控制信号，控制地址的写入。除地址外，BHE#信号也要存入外接的地址锁存器。8282、74LS573 等 8 位锁存器均可作地址锁存器。本系统中选用了8282。将 8086 的 20 位地址和 BHE#信号分为 3 组，和 3 片 8282 的 DI7DI0 连接，CPU 的地址锁存使能 ALE 与 8286 的 STB 端相连。在 ALE 的下降沿时，对地址信号进行锁存。地址 A 与数据 D 的复用（片）总线信号作为锁存器的输入，由 ALE 控制输入，输出为直通方式，锁存器输出为地址信号。 数据总线的形成：当数据线负载大于 CPU 数据线扇出能力时，需要在 CPU 数据线上连接
14、数据驱动器。在 Intel 系列芯片中，数据收发器为 8 位的 8286 。本系统中需用2 片 8286 用作数据缓存。整个主机设计中共需要芯片：CPU ，8086 （一片） ；地址锁存器，8282（三片） ；数据缓冲器，8286（两片） ；控制信号锁存器，74LS244 （一片） 。详细的 8086 及外围电路连接见文档第四部分的硬件原理图。32 存储系统设计根据系统实时性和断电保护功能的要求，本设计选用 SRAM 和 EEPROM 存储器。同时由于系统只需存储测量的速度值和限速设定值，所需空间不大，所以选用的芯片为EEPROM 型号为 SST28SF040(512K*8bit 两片)，SR
15、AM 型号为HY628400A（512K*8bit 两片） 。存储系统的电路连接图见文档第四部分的硬件原理图。33 测速部分设计 数据采集和转换根据前面设计方案的分析，本系统选用型号为 DN6837 的开关集成霍尔传感器将电机转速转换为脉冲信号。此元件是 OC（集电极开路）门，因此在输出端与电源之间要接一个 1.5 千欧的电阻，为了提高其带负载能力，接一个三级管放大电路。集成霍尔传感器一般片内设有稳压电路、施密特电路，通过晶体管的集电极输出信号，并且输出的脉冲信号不需进行整形。这种传感器具有时滞特性，此特性可以防止噪声干扰。其电路图如图 32 所示：DN67RES+5V1.传GQ?904图 3
16、2 霍尔传感器及后续电路图 定时器控制计数器计算速度本系统中采用 8253（I）作为定时器，控制计数器在一定时间内对脉冲信号进行计数；采用 8253（II）作为计数器，用于在规定时间内计算霍尔传感器传来的脉冲信号。即定时器 8253（I）确定 1s 时间，在 1s 内，计数器 8253（II ）允许计数，并将值保存在计数器 8253（II）的寄存器内，当 1s 结束时，计数器 8253（II ）的门控关闭，停止对脉冲的计数，同时向 8259 申请中断，CPU 读取计数器 8253（II）中的计数值计算转速即可。 8253 芯片介绍8253 的引脚示意图如图 33 所示：图 33 8253 引脚示意图D0D7：三态输出/输入线，用于与系统数据总线相连。CS#：片选，为输入信号，低电平有效。RD#：低电平有效，由 CPU 发出，用于对 8253 寄存器进行读操作。WR#：低电平有效，由 CPU 发
