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1、摘 要在工程实践中，经常碰到需要测量转速的场合，而单片机作为一款性价比很高的微控制器在测速系统有着广泛的应用。首先，本文叙述了单片机测量转速的系统构成及转速测量的几种常用方法。其次，介绍了一种基于89C51单片机的电动机测速系统，该系统利用霍尔传感器产生脉冲信号，通过定时算法程序，将转速结果实时显示出来。最后，对测量指标进行了分析、比较并提出改进方案。关键词：单片机；转速测量；霍尔传感器目 录摘 要I目 录II第一章 绪论11.1关于单片机测控系统11.2 数字式转速测量系统的发展背景21.3 课题主要内容和存在的问题及研究目的和意义31.3.1课题研究目的和意义31.3.2研究的主要内容31
2、.3.3需解决的问题3第二章 基于单片机的转速测量原理42.1 转速的测量原理42.2 转速的测量方法52.2.1 测频法“M法”52.2.2 测周期法“T法”62.2.3 测频测周法M/T法72.3 误差和精度分析72.3.1 “M法”测量误差分析72.3.2 “T法”测量误差分析82.3.3 “M/T法”测量误差分析9第三章 电机转速测量电路设计103.1 硬件电路设计103.2 电路工作原理分析11第四章 系统程序设计154.1 程序设计154.1.1 工作方式及控制字设置164.2 结果分析和有待解决的问题19结论21致谢22参考文献23附录1原理图24第一章 绪论 1.1关于单片机测
3、控系统目前，随着芯片技术及单片机功能的不断发展和成熟，单片机技术已经在工业控制系统中得到广泛的应用。如气轮机电液调节系统、调速系统等。典型的应用系统是单片机要完成工业测控功能所必须具备的硬件结构系统，它包括系统扩展和系统配置两部分内容。单片机测控系统组成框图如1-1所示，整个系统由基本部分（键盘、显示器配置）和测控增强部分（传感器接口与伺服驱动控制接口）构成。 图1-1单片机测控系统组成框图对于数字量（频率、周期、相位、计数）的采集后可通过I/O口输入，数字脉冲可直接作为计数输入、测试输入、I/O口输入或中断源输入进行事件计数、定时计数、实现脉冲的频率、相位及计数测量。对于模拟量的采集，则应通
4、过A/D变换后送入总线口，I/O口或扩展I/O口，并配以相应的A/D转换控制信号及地址线。对于开关量的采集则一般通过I/O口或扩展I/O口线。应用系统可根据任何一种输入条件或内部运行结果进行输出控制。开关量输出控制有时序开关、逻辑开关、信号开关阵列等，通常，这些开关量也是通过I/O口或扩展I/O口输出。模拟量的输出常为伺服驱动控制，控制输出通过D/A变换后送入伺服驱动电路。与上位机进行通讯的RS232，RS485串行口、微型打印机等常规外设为纯数字信号大都可直接与单片机的数据线或通讯口相连，其标准性和通用性很强，应用十分方便。1.2 数字式转速测量系统的发展背景 目前国内外测量电机转速的方法有
5、很多，按照不同的理论方法，先后产生过模拟测速法（如离心式转速表，用电机转矩或者电机电动势计算所得），通风部测速法（如机械式或闪光式频闪式测速仪）以及计数测速法。计数测速法有可分为机械式定时计数法或电子式定时计数法。传统的电机转速检测多采用测速发电机或光电数字脉冲编码器，也有采用电磁式（利用电磁感应原理或可变磁阻的霍尔元件等）、电容式（对高频振荡进行幅值调制或频率调制）等，还有一些特殊的测速器是利用置于旋转体内的放射性材料来发生脉冲信号。其中应用最广的是光电式，光电式测系统具有低惯性、低噪音、高分辨率和高精度的优点。加之激光光源、光栅、光学码盘、CCD器件、光导纤维等相继出现和成功应用，使得光电
6、传感器在检测和控制领域得到广泛的应用。而采用光电传感器的电机转速测量系统测量准确度高、采用速度快、测量范围宽和测量精度与被测转速无光等优点，具有广阔的应用前景。1.3 课题主要内容和存在的问题及研究目的和意义1.3.1课题研究目的和意义在工程实践中，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实验、运转和控制中，常常需要分时或连续测量和显示其转速及瞬时转速。要测速，首先要解决的采样问题。在使用测速表时，常用测速发电机的方法，即将测速发电机的转轴与待测轴相连，测速发电机的电压高低反映了转速的高低。为了能精确地测量转速外，还要保证测量的实时性，即要求能测得瞬
7、时转速。因此转速的测试具有重要的意义。 1.3.2研究的主要内容1.详细分析转速的测量理论，对转速的周期测量法“T”法、频率测量法“M”法以及周期频率“M/T”测量法，三种具体测量方法的转速计算、各自的测量精度和误差进行阐述。定性地比较三种方法所针对的转速特征，分析高、中、低转速情况下各自的适用状况，从而，在保持一定的测量精度情况下，应用“M”法，说明转速测量原理。2.根据单片机系统的设计原则，对电动机提出测量方案，构建硬件系统。同时分析接口电路，显示转速。3. 根据设计要求对单片机定时/计数器进行设置，设计和说明定时/计数器在“M”法测量中的作用和使用方法，用C语言编制程序，包括主程序流程，
8、显示中断程序流程。1.3.3需解决的问题1单片机在系统运行过程中，中断设置问题2系统硬件电路制作，调试。第二章 基于单片机的转速测量原理2.1 转速的测量原理转速是工程中应用非常广泛的一个参数，而随着大规模及超大规模集成电路技术的发展，数字测量系统得到普遍应用，利用单片机对脉冲数字信号的强大处理能力，应用全数字化的结构，使数字测量系统的越来越普及。在测量范围和测量精度方面都有极大的提高。转速的测量方法有很多，由于转速是以单位时间内的转速来衡量的，所以本文采用霍尔元器件测量转速。霍尔器件是有半导体材料制成的一种薄片，其长为l，宽为b，厚度为d。若在垂直于薄片方向（即沿厚度d的方向）施加外磁场，在
9、沿长为l的方向的两端面加外电场，则其内部会有一定的电流通过。由于电子在磁场中运动，所以将受到一个洛仑兹力，其大小为： F=qVB,式中：F为洛伦兹力；q为载流子电荷，V为载流子运动速度，B为磁感应强度。 由于受洛伦兹力，电子的运动方向轨迹将发生偏移，在霍尔元器件薄片的两个侧面分别产生电兹积聚或电荷过剩，形成霍尔电场。在霍尔器件两个侧面间形成的电位差为霍尔电压，其大小为： U=RBI/d式中：R为霍尔常数，I为控制电流。设K=R/d,它称为霍尔器件的灵敏系统，表示该霍尔元件在单位磁感应强度和单位控制电流下输出霍尔电动势的大小。若控制电流保持不变，则霍尔感应电压将随外界磁场强度而变化。根据这一原理
10、，可将一块永久磁钢固定在电动机转轴上转盘的边沿，转盘随被转轴旋转，磁钢也将跟着同步旋转，在转盘附近安装一个霍尔元件，电机旋转时，霍尔元件受到磁钢所产生的磁场影响，故可输出脉冲信号，其频率和转速成正比，测出霍尔元器件输出的脉冲周期或频率即可计算出转速。 2.2 转速的测量方法2.2.1 测频法“M法”在一定测量时间T内，测量脉冲发生器产生的脉冲数m1来测量转速。如图2-1所示：2-1“M”法测量转速脉冲设在时间T内，转轴转过的弧度数为X，则的转速n可由下式表示。 (2-1) 转轴转过的弧度数X,可用下式所示 （2-2）将(2-1)式代入(2-2)式，得转速n的表达式为： （2-3）-转速单位：（
11、转/分）-定时时间单位：（秒）2.2.2 测周期法“T法”转速可以用两脉冲产生的间隔宽度Tp来决定。如图2-2所示： 图2-2 “T”法脉宽测量Tp通过定时器测得。定时器对时基脉冲(频率为fc)进行计数定时，在TP内计数值若为m2，则计算公式为： （2-4）即： （2-5）-为转轴转一周脉冲发生器产生的脉冲数。-为硬件产生的基准时钟脉冲频率单位Hz。-转速单位：（转/分）。-时基脉冲。2.2.3 测频测周法M/T法所谓测频测周法，即是综合了“T”法和“M”法分别对高、低转速具有的不同精度，利用各自的优点而产生的方法，精度位于两者之间。如图2-3所示。 图2-3“M/T”法定时/计数测量转速计算
12、如下：设高频脉冲的频率为fc，脉冲发生器每转发出P个脉冲，由式（2-2）和（2-5）可得M/T法转速计算公式为： （2-6）-转速值。单位：（转/分）。-晶体震荡频率。单位Hz。-输入脉冲数，反映转角。-时基脉冲数。2.3 误差和精度分析2.3.1 “M法”测量误差分析由转速公式： 给出因定时时间和输入脉冲不能保证严格同步，以及在T内能否正好测量外部脉冲的完整周期个数，所以m1可能产生一个脉冲的量化误差，故转速变化：（2-7）其相对误差为： （2-8） （2-9） (2-10)-相对误差。-加入一个脉冲后的转速值。-误差。由（2-10）式可知，随转速n增大而减小，因此，这种方法适合于高速测量，
13、当转速越低，产生的误差会越大。2.3.2 “T法”测量误差分析因m1的量化误差也是1个脉冲，故引起的转速变化也可以由下式给出： （2-11）其相对误差为： （2-12）所以由（2-12）式可知，随转速减小而减小。因此，这种方法适合于低速测量，转速增高，误差增大。2.3.3 “M/T法”测量误差分析由其测量原理可知。输入计数脉冲和计数定时值在理论上是严格同步的，因此，在理论上，m1（定时器的计数值）不考虑误差，由于实际启动是由程序来控制的（系统应采取由输入计数脉冲来同步），故可能会产生一个脉冲的量化误差，因而，转速变化为： 其相对误差为： (2-13)由上式可知：这种转速测量方法的相对误差与转速
14、n无关，只与晶体振荡产生的脉冲有关，故可适合各种转速下的测量。保证其测量精度的途径是增大定时时间T，或提高时基脉冲的频率fc。因此，在实际操作时往往采用一种称变M/T的测量方法，即所谓变M/T法，在M/T法的基础上，让测量时间Tc始终等于转速输入脉冲信号的周期之和。并根据第一次的所测转速及时调整预测时间Tc，兼顾高低转速时的测量精度。 第三章 电机转速测量电路设计3.1 硬件电路设计一个单片机应用系统的硬件电路设计应包含有两个部分内容：第一是系统扩展，即当单片机内部的功能单元，如ROM、RAM、I/O口、定时/计数器、中断系统等容量不能满足应用系统要求时，必须在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计相应的电路。第二是系统配置，即按照系统功能要求配置外围设备，如键盘、显示器、打印机、D/A、A/D转换器等，并设计相应的接口电路。因此，系统的扩展和配置应遵循下列原则：l 尽可能选择典型电路，并符合
