基于C51单⽚机直流电机测速仪设计
摘要：电机的转速是各类电机运⾏过程中的⼀个重要监测量，测速装置在电机调速系统中占有⾮常重要的地位，特别是数字式测速仪在⼯业电机测速⽅⾯有独到的优势。本⽂介绍了⼀种基于C51单⽚机的光电传感器转速测量系统的设计。系统采⽤对射式光电传感器产⽣与齿轮相对应的脉冲信号，使⽤AT89C51单⽚机采样脉冲信号并计算每分钟内脉冲信号的数⽬，即电机对应的转速值，最终系统通过LCD实时显⽰电机的转速值。经过软硬件系统的搭建，分别通过Protues软件系统仿真实验和实际电路搭建检查实验。仿真实验表明本系统满⾜设计要求，并且结构简单、实⽤。整个直流电机测速系统在降低测速仪成本，提⾼测速稳定性及可靠性等⽅⾯有⼀定的应⽤价值。 关键词：转速测量；光电传感器；单⽚机
Based On C51 SCM Single DC Motor Speedometer Design
ABSTRACT：Motor speed is all kinds of motor operation is an important process to monitor the amount of speed measuring device in the motor control system occupies a very important position, Especially the digital speedometer in the industrial motor speed has unique advantage. This paper des
cribes a photoelectric sensor 51 SCM-based speed measurement system design. System uses a beam photoelectric sensor generates a pulse signal corresponding to the gear, the use of a sampling pulse signal AT89C51 SCM and calculating the pulse per minute, the number of signals that the speed of the motor corresponding to the value of the final system time through the LCD display the motor speed value.After a hardware and software system structures, respectively, through Protues software system to build the actual circuit simulation and experimental examination. Simulation results show that the system meets the design requirements, and the structure is simple and practical. DC Motor Speed entire system in reducing speedometer costs, improve reliability, speed stability and a certain application value.
Keywords: Speed measurement; Photoelectric; Single chip micyoco
⽬录
1 绪论 (1)
1.1 数字式转速测量系统的发展背景 (1)
1.2 转速测量在国民经济中的应⽤ (1)
1.3主要研究内容 (2)
消声室制作1.4 设计的⽬的和意义 (2)
2 转速测量系统的原理 (4)
2.1 转速测量原理 (4)
2.2 转速测量计算⽅法 (5)
3转速测量系统设计⽅案 (7)
文字拼接3.1 直流电机转速测量⽅法 (7)
3.2 设计任务及⽅案 (8)
4 直流电机测速系统设计 (9)
4.1 单⽚机AT89C51介绍 (9)
4.2 转速信号采集 (14)
4.2 转速信号处理电路设计 (16)
4.4 最⼩系统的设计 (17)
4.4.1复位电路 (17)
4.4.2 晶振电路 (20)
4.5 显⽰部分设计 (20)
5 直流测速系统仿真 (24)
5.1 直流测速系统仿真 (24)
5.1.1单⽚机最⼩系统仿真 (25)
5.1.2 数码管显⽰仿真 (25)
5.2 主程序流程设计 (26)
5.2.1 主程序流程设计 (26)
5.2.2 定时器的初始化 (27)
5.3 实际电路实验 (28)
参考⽂献 (30)
致谢 (31)
1 绪论
1.1 数字式转速测量系统的发展背景
在现代⼯业⾃动化⾼度发展的时期，⼏乎所有的⼯业设备都离不开旋转设备，形形⾊⾊的电机在不同领域发挥着很重要的作⽤。与之⽽来的问题是，如何更好地控制旋转设备，对于不同的场合，对电机的控制要求是不同的，但⼤部分都会涉及到旋转设备的转速测量，从⽽利⽤转速来实施对旋转设备的控制。⽽数字显⽰转速测量系统在⼯业电机转速测量⽅⾯有独到的优势。
⽬前国内外测量电机转速的⽅法很多，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枢电动势计算所得)、同步测速法(如机械式或闪光式频闪测速仪)以及计数测速法。计数测速法⼜可分为机械式定时计数法和电⼦式定时计数法。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，光电式测速系统具有低惯性、低噪声、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、光导纤维等的相继出现和成功应⽤，使得光电传感器在检测和控制领域得到了⼴泛的应⽤。⽽采⽤光电传感器的电机转速测量系统测量准确度⾼、采样速度快、测量范围宽和测量精度与被测转速⽆关等优点，具有⼴阔的应⽤前景[1]。
1.2 转速测量在国民经济中的应⽤
转速测量的应⽤系统在⼯业⽣产、科技教育、民⽤电器等各领域的应⽤极为⼴泛，往往成为某⼀产品或控制系统的核⼼部分，其各种参数在不同的应⽤中有其侧重，但转速测量系统作为普遍的应⽤在国民经济发展中，有重要的意义。特别在调速系统中的应⽤。
直流电机具有良好的起、制动性能，易于在宽⼴范围内平滑调速，所以长期以来在要求调速指标较⾼的场合获得了⼴泛应⽤。随着电⼒电⼦技术和控制技术的发展，交流调速系统⽇趋完善，其性能可与直流调速系统相媲美，其变频调速的应⽤范围⽇益扩⼤，但它的控制技术相对复杂，整个控制系统造价较⾼，在某些领域短时间内还难以取直流调速系统，调速系统便应运⽽⽣了。调速系统主电路线路简单，所⽤的功率元件少；开关频率⾼，可达到1000～4000Hz，电流易连续，谐波少，脉动⼩，电机损耗和发热都较⼩；低速性能好，稳态精度⾼，因
⽽调速范围宽；调速系统频带宽，快速响应性能好，动态抗扰能⼒强；主电路元件⼯作在开关状态，导通损耗⼩，装置效率⾼[2]；直流电源采⽤三相整流时，电⽹功率因数⾼，可⼴泛⽤于交通、⼯矿企业等电⼒传动系统中。
1.3主要研究内容
（1）详细介绍电机转速的测量⽅法，对光电码盘直流电机测速法，其具体测量⽅法的转速计算，测量精度和误差进⾏阐述。在保持⼀定的测量精度情况下，应⽤光电码盘测速法，说明转速测量原理。
（2）根据单⽚机系统的设计原则，提出测量⽅案，构建硬件系统，分别对硬件系统的配置予以估计，使其能够对转速进⾏测量。同时分析接⼝电路，显⽰转速。
（3）对单⽚机定时/计数器进⾏设置，设计和说明定时/计数器在光电码盘法测量中的作⽤和使⽤⽅法，讨论测量精度的问题。
（4）根据系统要求设置各控制字，⽤C汇编语⾔编制程序，包括主程序流程，显⽰中断程序流程。并⽤软件的⽅法对计数和定时进⾏同步，⼒求在不增加硬件的条件下，使同步达到满意的效果。
（5）利⽤Keil软件和Protues集成环境对系统对⼯作软件进⾏编译、调试和仿真。
1.4 设计的⽬的和意义
转速是⼯程中应⽤⾮常⼴泛的⼀个参数，其测量⽅法较多，⽽模拟量的采集和模拟处理⼀直是转速测量的主要⽅法，这种测量⽅法已不能适应现代科技发展的要求，在测量范围和测量精度上，已不能满⾜⼤多数系统的使⽤。随着⼤规模及超⼤规模集成电路技术的发展，数字系统测量得到普遍应⽤，特别是单⽚机对脉冲数字信号的强⼤处理能⼒，使得全数字测量系统越来越普及，其转速测量系统也可以⽤全数字化处理。在测量范围和测量精度⽅⾯都有极⼤的提⾼。因此，本设计的⽬的是：对各种测量转速的基本⽅法予以分析，针对不同的应⽤环境，利⽤80C51系列单⽚机设计⼀种全数字化测速系统，从提⾼测量精度的⾓度出发，分析讨论其产⽣误差的可能原因，为今后的实际使⽤提供借鉴[3]。并从实际硬件电路出发，分析电路⼯作原理和软件流程，根据仿真情况提出修改⽅案和解决办法。
课题以单⽚机为中⼼，设计的全数字化测量转速系统，在⼯业控制和民⽤电器中都有较⾼使⽤价值。其可以应⽤于⼯业控制中的某⼀部分，如数控车床的电机转速检测和控制、⽔泵流量控制以及需要利⽤转速检测来进⾏控制的许多场
合。如车辆的⾥程表、车速表等。其次该转速测量系统由于采⽤全数字化结构，因⽽可以很⽅便的和⼯业控制计算机进⾏连接，实⾏远程管理和控制，进⼀步提⾼现代化⽔平。并且，⼏乎不需做很⼤改变直接就能作为单独的使⽤产品。总之，转速测量系统的研究是⼀件⾮常有意义的课题。
2 转速测量系统的原理遥控器学习
2.1 转速测量原理
⼀般的转速长期测量系统是预先在轴上安装⼀个有60 齿的测速齿盘，⽤变磁阻式或电涡流式传感器获得⼀转60 倍转速脉冲，再⽤测频的办法实现转速测量。⽽临时性转速测量系统，多采⽤光电传感器，从转轴上预先粘贴的⼀个标志上获得⼀转⼀个转速脉冲，随后利⽤电⼦倍频器和测频⽅法实现转速测量。不论长期或临时转速测量，都可以在微处理器的参与下，通过测量转轴上预留的⼀转⼀齿的鉴相信号或光电信号的周期，换算出转轴的频率或转速。即通过速度传感器，将转速信号变为电脉冲，利⽤微机在单位时间内对脉冲进⾏计数，再经过软件计算获得转速数据。即: mT
N n =
（2-1）式中， n — 转速，转/分钟
N — 采样时间内所计脉冲个数
T — 采样时间，分钟
m — 每旋转⼀周所产⽣的脉冲个数(通常指测速码盘的齿数)。如果m =60，那么1 秒钟内脉冲个数N 就是转速n ，即: 60 160?==N mT N n （2-2）通常m 为60。
在对转速波动较快系统或要求动态特性好⽽精度⾼的转速测控系统中，调节周期⼀般很短，相应的采样周期需取得很⼩，使得脉冲当量增⾼，从⽽导致整个系统测量精度降低，难以满⾜测控要求。提⾼采样速率通常就要减⼩采样时间T ，⽽T 的减⼩会使采到的脉冲数值N 下降，导致脉冲当量(每个脉冲所代表的转速) 增⾼，从⽽使得测量精度变得粗糙。通过增加测速码盘的齿数可以提⾼精度，但是码盘齿数的增加会受到加⼯⼯艺的限制，同时会使转速测量脉冲的频率增⾼，频率的提升⼜会受到传感器中光电器或磁敏器或磁电器件最⾼⼯作频率的限制。凡此种种因素限制了常规智能转速测量⽅法的使⽤范围。⽽采⽤本⽂所提出的定时分时双频率采样法，可在保证采样精度的同时，提⾼采样速率，充分发挥微机智能测速⽅法的优越性及灵活性[4]。
图2-1 系统原理图
各部分模块的功能：
（1）传感器：⽤来对信号的采样。
（2）放⼤、整形电路：对传感器送过来的信号进⾏放⼤和整形，在送⼊单⽚机进⾏数据的处理转换。
（3）单⽚机：对处理过的信号进⾏转换成转速的实际值，送⼊LED 。
（4） LED 显⽰：⽤来对所测量到的转速进⾏显⽰。
2.2 转速测量计算⽅法
转速是指作圆周运动的物体在单位时间内所转过的圈数，其⼤⼩及变化往往意味着机器设备运转的正常与否，因此，转速测量⼀直是⼯业领域的⼀个重要问题。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)、同步测速法(如机械式或闪光式频闪测速仪)以及计数测速法。计数测速法⼜可分为机械式定时计数法和电⼦式定时计数法。本⽂介绍的采⽤单⽚机和光电传感器组成的⾼精度转速测量系统，其转速测量⽅法采⽤的就是电⼦式定时计数法。
对转速的测量实际上是对转⼦旋转引起的周期脉冲信号的频率进⾏测量。在频率的⼯程测量中，电⼦式定时计数测量频率的⽅法⼀般有三种：
①测频率法：在⼀定时间间隔t 内，计数被测信号的重复变化次数N ，则被测信号的频率f x 可表⽰为： t
N f X = (2-3) ②测周期法：在被测信号的⼀个周期内，计数时钟脉冲数0m ，则被测信号频率0
m f f c X =，其中，c f 为时钟脉冲信号频率。③多周期测频法：在被测信号1m 个周期内，计数时钟脉冲数2m ，从⽽得到被测信号频率x f ，则x f 可以表⽰为21m f m f c x ??=，1m 由测量准确度确定。
电⼦式定时计数法测量频率时，其测量准确度主要由两项误差来决定：⼀项是时基误差；另⼀项是量化±1误差。当时基误差⼩于量化±1 误差⼀个或两个
数量级时，这时测量准确度主要由量化±1 误差来确定。对于测频率法，测量相对误差为：
1r E = 测量误差值/实际测量值×100 % = %1001
t N （2-4）由此可见，被测信号频率越⾼，N 越⼤，1r E 就越⼩，所以测频率法适⽤于⾼频信号(⾼转速信号)的测量。对于测周期法，测量相对误差为：
2r E = 测量误差值/实际测量值×100% = %100)(10??m f c （2-5）
对于给定的时钟脉冲c f ，当被测信号频率越低时，0m 越⼤，2r E 就越⼩，所以测周期法适⽤于低频信号(低转速信号) 的测量。对于多周期测频法，测量相对误差为：
3r E = 测量误差值/实际测量值×100% = ()
%100121m f m c （2-6）从上式2-6 可知，被测脉冲信号周期数1m 越⼤， 2m 就越⼤，则测量精度就越⾼。它适⽤于⾼、低频信号（⾼、低转速信号）的测量。但随着精度和频率的提⾼，采样周期将⼤⼤延长，并且判断2m 也要延长采样周期，不适合实时测量。
根据以上的讨论，考虑到实际应⽤中需要测量的转速范围很宽，上述的转速测量⽅法难以满⾜要求。因此，研究⾼精度的转速测量⽅法，以同时适⽤于⾼、低转速信号的测量，不仅具有重要的理论意义，也是实际⽣产中的需要。
3转速测量系统设计⽅案
3.1 直流电机转速测量⽅法
直流电机转速测量的⽅案选择⼀般要考虑传感器的结构、安装以及测速范围与环境条件等⽅⾯的适⽤性；再就是⼆次仪表的要求，除了显⽰以外还有控制、通讯和远传⽅⾯的要求。经过查资料，综合资料分析，从实现难度、熟悉程度、器件⽤量等⽅⾯综合考虑，我们才能最终选择⼀个最合适的⽅案。
⽬前国内外常⽤的转速测量⽅法有离⼼式转速表测速法、测速发电机测速法、闪光测速法、光电码盘测速法和霍尔元件测速法。
(1) 离⼼式转速表测速法
离⼼式转速表是利⽤离⼼原理制成的测速仪表，可以直接读出转速。测转速时，转速表的端头要插⼊电机转轴的中⼼孔内，插⼊前，应注意清除中⼼孔中的油污，并使转速表的轴与电机的轴保持同⼼，不可上下左右偏斜，否则易将表轴扭坏，并影响准确读数，⽽且转速表要间歇使⽤，以减少磨损和发热。如果要改变量程，还要将转速表取出停转后再改变量程。
(2) 测速发电机测速法
测速发电机测转速时，测速发电机连接到被测电机的轴端，将被测电机的机械转速变换为电压信号输出n e f C E =，在输出端接⼀个刻度以转速为单位的电压表，即可读出转速。
医用呼叫器(3) 闪光测速法
闪光测速法是利⽤可调脉冲频率的专⽤电源施加于闪光灯上，将闪光灯的灯光照到电机转动部分(可在电机端轴上粘贴⼀张标记纸⽚)，当调整脉冲频率使⿊⾊扇形⽚静⽌不动时，此时脉冲的频率是与电机转动的转速是同步的。若脉冲频
率为f ，则电机的转速为??
=min 60r f n 。 (4) 光电码盘测速法
光电码盘测速法是通过测出转速信号的频率或周期来测量电机转速的⼀种⽆接触测速法。光电码盘安装在转⼦端轴上，随着电机的转动，光电码盘也跟着⼀起转动，如果有⼀个固定光源照射在码盘上，则可利⽤光敏元件来接收到的光的次数就是码盘的编码数。若编码数为60，测量时间为t ，测量到的脉冲数为N ，则n=N/t 。
(5) 霍尔元件测速法
霍尔元件测速法是利⽤霍尔开关元件测转速的。霍尔开关元件内含稳压电路、霍尔电势发⽣器、放⼤器、施密特触发器和输出电路。输出电平与TTL电平兼容，在电机转轴上装⼀个圆盘，圆盘上装若⼲对⼩磁钢，⼩磁钢越多，分辨率越⾼，霍尔开关固定在⼩磁钢附近，当电机转动时，每当⼀个⼩磁钢转过霍尔开关，霍尔开关便输出⼀个脉冲，计算出单位时间的脉冲数，即可确定旋转体的转速。
在这五种测速⽅法中，离⼼式转速表测速法和测速发电机测速法所⽤的都是现成的测速仪表，容易得到。但转速表或测速机都要与电机同轴连接，⼀⽅⾯增加了电机机组安装难度，另⼀⽅⾯有些微电机功率很⼩，转速表或测速机消耗的功率占了微电机⼤部分，更有甚者微电机甚⾄拖不动这些仪表，所以对微特电机的测速，这⼆种⽅法不适⽤。霍尔元件测速法和光电码盘测速法的测速⽅法基本类似，都是在转轴上装⼀个很轻巧的传感器，将电机的转动信号通过磁(霍尔元件)或光(光电码盘)转换为电脉冲，从⽽通过计算电脉冲的个数来测速[5]。闪光测速法⽬前实际应⽤不⼴泛，主要是光源的问题。所以本课题设计采⽤光电码盘测速法。
3.2 设计任务及⽅案
本⽂针对电机的转速进⾏测量，以单⽚机为核⼼对光电开关产⽣的数字信号进⾏运算，从⽽测得电机的转速，然后⽤LCD把电机的转速显⽰出来。即通过光电开关将电机的转数转换成0，1的数字量，只要转轴每旋转⼀周，产⽣⼀个或固定的多个脉冲，并将脉冲送⼊单⽚机中进⾏计数和计算，就可获得转速的信息。
系统主要由AT89C51单⽚机处理系统、直流电机、光电转换、放⼤电路和单稳整形电路、显⽰系统等⼏个部分组成，如图3-1所⽰。
图3-1 系统组成框图超级管道
4 直流电机测速系统设计
随着超⼤规模集成电路技术提⾼，尤其是单⽚机应⽤技术以及功能强⼤，价格低廉的显著特点，使全数字化测量转速系统得到⼴泛应⽤。出于单⽚机在测量转速⽅⾯具有体积⼩、性能强、成本低的特点，越来越受到企业⽤户的青睐。对测量转速系统的硬件和编程进⾏研究，设计出⼀种以单⽚机为主的转速测量系统，保证了测量精度。
整个直流测速系统由信号采集电路、信号处理电路、单⽚机及数字显⽰四部分组成，⽤⼀个红外发光⼆极管和⼀个接受红外光的⼆极管组成⼀套光电管外加⼀个测速齿盘。当发射端连续发射红外信号，通过测速齿盘的转动，在接受端收到的红外信号不连续，如开关的通断。通过⽐较器和放⼤电路，从⽽输出“0”“1”两种⾼低电平，并把两种信号传给单⽚机进⾏统计，然后利⽤设定算法进⾏计算，最后通过数码显⽰管显⽰计算结果。其直流电机系统⽅框图如4-1所⽰，直流电机系统电路图如图4-2所⽰。播放路
图4-1 直流测速系统⽅框图
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