电机转速测量系统设计

1、测控系统原理与设计课程设计 姓名： 学号： 课程设计题： 电机转速测量系统设计 指导老师： 目 录1 设计任务一、 总要求能够独立进行系统方案的设计及论证，设计合理的接口电路、控制电路、主机电路等，以及合理选择有关元器件及正确使用相关工具与仪器设备，设计接口程序、控制算法程序以及主程序等，并且能结合实际调试与实验进行有关精度分析与讨论。二、 总任务针对总要求进行原理及方案论证、系统设计、接口电路设计、焊接或插接与调试、控制与系统程序设计、精度分析以及撰写报告等工作。三、 设计题目电机转速测量系统设计四、设计内容(1)用光电发射接受元件设计电机转速测量系统(2)设计发射电路与接受电路，与微机接口电路(3)将整个检测系统进行相关实验室调试，并进行分析与相关计算等五、 设计进度或计划 1、准备及查阅资料 （一天）2、方案设计及论证（总体方案、硬件及软件方案） （二天） （14周三要查看各人设计方案或论文提纲）3、硬件电路设计、画图（PROTEL）及实验室调试 （四天） （15周五要查看各人实物或论文初稿） 4、软件设计、编程及调试（三天） 5、系统联调及结果分析 （二天）6、整体准备答辩（二

2、天） （16周五全天答辩）六、设计说明书包括的主要内容 1、目录 2、设计任务书 3、设计题目 4、序言（可包括系统工作原理的介绍等） 5、方案设计及论证（可先进行总体方案设计与论证；再分模块进行方案设计与论证；各模块设计中应包括适当的精度分析及选型等） 6、实验或系统调试（可包括实验调试工具仪器、实验结果及适当的分析等） 7、心得体会 8、主要参考文献另：撰写格式应符合一定的要求，请参照华东交通大学本科生毕业论文撰写规范进行。七、考核方法考核根据学生平时学习态度（含出勤率）20%、设计完成情况（样机）50%、图纸及说明书质量（含答辩）30%等确定。八、装定要求装入统一的资料袋中，报告装定好，顺序：封面，目录，设计任务书，正文，参考文献，附录等。2 设计题目电机转速测量系统设计3 系统介绍 转速的测量原理有两种：对于较高的转速，记录单位时间内的转速或角度，即频率测量法；对于较低的转速，记录每转所用的时间或没特定角度多用的时间，即周期测量法。因为本系统测量对象为直流电动机，转速较高，所以选择频率测量法，即在固定的测量时间内，对传感器产生的脉冲进行计数，从而算出实际转速。假设测量时间为Tc

3、（min），脉冲个数为P，光码盘的小孔个数为m，则可算出实际转速N（r/min）为： 当采样周期为1s，光码盘开孔数为4个时，其实际转速N为： 本设计中采用光电传感器采集信号，方便了信号的采集，也提高了测量的精度，但容易受外界光线和环境的干扰，编码盘与电机转轴的固定连接，都是本设计的难点。用1602LCD的数码管以动态扫描清晰的显示了实时的转速，程序的编写成了本设计的重点。4 系统设计方案本系统主要由单片机模块、传感器模块以及显示模块组成，下面分别论述这几个模块的选择。4.1方案论证与选择4.1.1 转速测量的方法 方案一：测周期法(T法) 它是测量光电脉冲发生器所产生的相邻两个转速脉冲信号的时间来确定转速。相邻两个转速脉冲信号时间的测量是采用对已知高频脉冲信号进行计数来实现的。在极端情况下，时间的测量会产生1个高频脉冲周期，因此T法在被测转速较低(相邻两个转速脉冲信号时间较大)时，才有较高的测量精度，所以T法适合于低速测量。 方案二：测频法(M法) 在规定的检测时间内，检测光电脉冲发生器所产生的脉冲信号的个数来确定转速。虽然检测时间一定,但检测的起止时间具有随机性，因此M法测量转速在

4、极端情况下会产生1个转速脉冲的误差。当被测转速较高或电机转动一圈发出的转速脉冲信号的个数较大时，才有较高的测量精度，因此M法适合于高速测量。 方案三：频率/周期法(M/T法) 它是同时测量检测时间和在此检测时间内光电脉冲发生器所产生的转速脉冲信号的个数来确定转速。由于同时对两种脉冲信号进行计数，因此只要“同时性”处理得当,M/T法在高速和低速时都具有较高的测速精度。由于M/T法可在整个速度范围内获得高分辨率，可在不损失精度和分辨率的前提下获得快速响应。本次设计采用测频法。4.1.2 整体控制方式 方案一：采用集成电路控制方式光电传感器感受到光信号并转换成电信号，此时的电信号为模拟信号，经信号处理电路滤除干扰，并转换成能被计数器接受的方波信号或脉冲信号，再经过计数、译码、显示电路，由数码管显示转速。可实现功能，但电路较复杂，系统调试也较繁杂。 方案二：采用单片机模块控制方式单片机模块接收脉冲信号，进行计数、处理，把数据传送给LCD显示模块，达到实时检测和反馈的功能。基于单片机的转速测量系统，具有硬件电路简单，程序简单和运算速度快，测速范围广，抗干扰性能好的特点。综合以上两种方案，选择方案

5、二。4.1.3 传感器模块 方案一：采用红外传感器 红外传感器是利用红外线的物理性质来进行测量的传感器，为反射式。红外线传感器测量时不与被测物体直接接触，因而不存在摩擦，并且有灵敏度高，反应快等优点。但红外线的发射、接收不好控制，而且容易受到外界光线和环境的干扰。 方案二：采用霍尔传感器 霍尔传感器是根据霍尔效应原理制成的霍尔元件。传感器的定子上有2个互相垂直的绕组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的激励电机分别与绕组A和B相连，它们的霍尔电极串联后作为传感器的输出。 采用霍尔传感器在信号采样的时 图1 霍尔转速传感器结构图候，会出现采样不精确，因为它是靠磁性感应才采集脉冲的，使用时间久了会出现磁性变小，影响脉冲的采样精度。 方案三：采用光电传感器 光电传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的。光电传感器在一般情况下，有三部分构成，它们分为：发送器、接收器和检测电路。发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，发光二极管(LED)、激光二极管及红外发射二极管。光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。接收器有光电二极管

6、、光电三极管、光电池组成。在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。在其后面是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。此外，光电开关的结构元件中还有发射板和光导纤维。三角反射板是结构牢固的发射装置。它由很小的三角锥体反射材料组成，能够使光束准确地从反射板中返回，具有实用意义。 图2 光电传感器原理示意图 综合以上3种方案，选择方案三。 4.1.4 显示模块 方案一：用数码管动态显示，可以显示数字，但显示的内容有限，接线繁多，且不能连续显示字符，有一定局限性。 方案二：采用LED点阵显示，能动态扫描，变换颜色，但体积比较大，需要很多点阵组合使用，显示较为繁琐，但需要的I/O资源较多，影响总体布局。 方案三：采用LCD液晶显示，显示内容最丰富，不仅编程灵活，显示可靠，而且电路简单，易与单片机连接，明亮对比度可调，显示非常清晰，是一种非常好的方案。 综合以上，选择方案三。4.2 方案描述 本设计主要用STC89C52单片机作为控制核心，由光电传感器、LCD动态显示屏构成。STC89C52单片机接收光电传感器传来的脉冲信号，单片机根据外部中断，以及内部定时器进行记数计算出电机转速送到LCD显

7、示，使能实时读出电机的转速。STC89C52单片机光电传感器信号调理显示电路 图3 系统总体方框图5 系统理论分析与计算5.1 信号采集电路的分析 采集光信号的电路原理图如图4所示：图4 采集光信号的电路原理图在图中，U3为槽型光耦，它的左端是发光二极管，因为发光二极管的驱动电流为520mA，所以设置R2的值为500，同理设置，光电接收晶体管的下拉电阻即R3为10K。光耦的输出端用三极管进行电压放大，为使T1输出的电平为TTL电平，将R5和R4的阻值设定为1K。该部分设计采用了红外光电传感器，进行非接触式检测。当有物体挡在红外光电发光二极管和高灵敏度的光电晶体管之间时，传感器将会输出一个低电平，而当没有物体挡在中间时，则输出高电平，从而形成一个脉冲。系统在光电传感器收发端之间加上电动机，并在电动机转轴上安装一转盘。在这个转盘的边沿处挖若干个圆形通光孔，把传感器的检测部分放在圆孔的圆心位置。每当转盘旋转时，传感器将输出若干个脉冲。把这些脉冲通过放大整形成单片机可以识别的TTL电平，即可计算出轮子的转速。 转盘的圆孔的个数决定了测量的精度，个数越多，精度越高。这样就可以再单位时间里尽可能多

8、地得到脉冲数。从而避免了因为两个过孔之间距离过大，而正好在过孔之前或者是在下一个过孔之前就停止了，造成较大的误差。设计中转盘的圆孔的实际个数受到技术限制。为了达到预定的效果设计，在转盘过孔的设计上采用4个过孔，再通过软件对采集的数据进行计算。 图5 光码盘5.2 电机转速的计算 在编程时让单片机每隔一秒记录一次接收到的脉冲总数，然后根据如下计算电机的转速 (1)n：电机转速T：采样周期N：采样周期T内光脉冲个数P：光码盘开孔的总数当采样周期为1秒时，转速 （2）f：1秒内采集到的光脉冲个数6 硬件电路设计6.1 单片机模块 单片微型计算机简称单片机，它把组成微型计算机的各个功能部件：中央处理器CPU、随机存取存储器RAM、只读存储器ROM、可编程存储器EPROM、并行及串行输入输出I/O接口电路、定时器/计数器、中断控制器等部件集成在一块半导体芯片上，构成一个完整的微型计算机。6.1.1 STC89C52单片机简介 STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。具有以下标准功能：8k字节Flash，512字节RAM，32 位I/O 口线，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，3个16位/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工。另外STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止

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