1、基于89c51的测量电动机转速系统摘要在测量电动机的转速中，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， 霍尔元件等为检测元件，得到的信号是脉冲信号。由于微型计算机迅速发展，特 别是高性价比的单片机的出现，转速测量普遍采用以单片机为核心的数字式测量 方法。本设计是由增量式光电编码器，89C51单片机，二极管，蜂鸣器以及一些必 要的运算放大器组成的电机转速检测系统。本设计的主要功能是：在电机运行过程中，检测系统对转速进行实时监控， 转速如果超过200r/min ,则发出报警；如果转速低于 200r/min，则正常运行。本设
2、计的优点是：硬件电路简单，软件编译简单，测量速度快捷，整体价格 低廉，电路功耗低等特点。但由于在硬件系统中的测量误差与计算中不可避免的 舍入误差，使得测量系统含有一定的误差。关键字：光电编码器，单片机，蜂鸣器， T法测速，T0定时器/计数器一、系统方案的选定本设计的设计目的是：设计一个由单片机控制的电机转速检测系统， 实时监测电机的转速，达到设定值，声音报警提示。通过设计，掌握光电编码器的工作 原理和控制系统的设计步骤，进一步提高综合运用知识的能力。 设计要求是：选 择光电编码器，设计电机转速检测系统，转速超过 200r/min，自动报警提示。所以根据设计目的与功能要求，选择增量式光电编码器，
3、选定光电编码器的 T法测速法；通过P3.2( INT0)，或P3.4 (T0)引脚把光电编码器输出05V的 方波脉冲序列，引入单片机内；通过单片机内部的TO定时器/计数器的功能，计 算出光电编码器每个脉冲的时间间隔 Tc；通过公式n=60/Z/Tc=60f/Z - M(Z= 倍频 系数X编码器光栅数)计算出电动机的实时转速 N;通过编好的软件，拿实时转 速N与规定转速上限n=200r/min比较，如果实时转速N大于200r/min，系统报 警(蜂鸣器发声)，红色报警灯亮；如果实时转速 N小于200r/min，系统正常工 作，不会报警，绿色工作指示灯亮。同时，检测系统进入下一个检测周期，继续 对
4、电动机转速进行检测。以此实现，转速系统对电动机的实时检测，报警提示。二、系统各部件及原理2.1.1光电编码器光电式旋转编码器是检测转速或转角的元件， 旋转编码器与电动机相连，当电动机转动时，带动编码器旋转，产生转速或转角信号。旋转编码器分绝对式和 增量式两种。绝对式编码器在码盘上分层刻上表示角度的二进制数码或是循环 码，通过接收器把该数码送入计算机。 增量式编码器是在码盘上均匀地克制一定 数量的光栅，当电动机旋转时，码盘随之一起转动。通过光栅的作用。通过光栅的作用，持续不断地开放或封闭光通路，因此在接受装置的输出端便得到频率与 转速成正比的方波脉冲序列，从而可以计算出转速。光电码盘的光栅数为
5、N,则转速分辨率为1/N，常用的增量式光电码盘光栅数有 1024、2048、4096等。采 用倍频电路，可以有效地提高转速分辨率，而不增加旋转码盘的光栅数。图1增量式光电码盘原理图图2某型光电编码器的使用参数本设计中采用增量式光电编码器，光栅数为 1024,不适用倍频电路，即一倍频。2.1.2测速方法光电编码器的测速方法有三种，M测速方法，T测速方法，M/T测速方法。M测速方法：在一定时间Tc内测取旋转编码器输出的脉冲数 M1,用以计算 这段时间内的转速。适用于高速测速。T测速方法：测出旋转码盘两个输出脉冲之间的间隔时间来计算转速，又称 周期测速法。适用于低速段测速。M/T测速方法：是T测速方
6、法与M测速方法的综合，分辨率高，适用范围大。 考虑到转速上限为200r/min，转速不大，且要求转速的测量简单易行，采 用T测速方法。T测速方法的实现：以旋转编码器输出的相邻两个脉冲的同样变化为计数的起点和终点，记录计算机发出的脉冲数，从而测出时间 Tt。准确的测速时间Tt是用所得的高频始终脉冲数 M2计算出来的，即 Tt=M2/f，因而电动机转速为 n=60/ZTt=60f/ZM2。测速原理如图所示：輪码器输出脉图3T法测速原理图2.2.189C51 单片机89C51单片机是整个测量系统的主要部分，负责接收光电编码器的脉冲信 号，开始记录单片机内部脉冲数 M或者循环次数A,从而得出时间Tc，
7、进而得 出实时转速N。通软件拿实时转速 N与规定转速上限n=200r/min比较，如果实 时转速N大于200r/min ,系统报警（蜂鸣器发声），红色报警灯亮；如果实时转 速N小于200r/min，系统正常工作，不会报警，绿色工作指示灯亮。单片机原理图如下，在本设计中将使用到 XTAL1 XTAL2 Vcc，RST/VpdVss, INT0或 T0，P1.0，P1.1，P1.2 引脚。图4 89C51单片机引脚图2.2.2时钟信号89C51芯片内部有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器。反相放大器的输入端为XTAL1输出端为XTAL2两端跨接石英晶体及两个电容，构成稳定自振荡器。电容C1和C2
8、常取30pF,可稳定频率并对晶振有微调作用， 频率为0 24MHz本设计使用6MHZ勺晶振。原理图如下：图5 89C51的片内振荡器2.2.3复位电路为89C51单片机设置一个上电自动复位的电路，即上电复位是在加电瞬间电 容通过充电来实现的。在测量出现较大偏差时，通过复位电路来恢复初始状态从 新测速，校正单片机的测速。其原理图如下，(因为选用的是6MHZ的晶振，电容 C=22Mf,电阻 R=1kQ)图6上电复位电路2.2.4定时器与计数器89C51芯片内有两个16为定时器/计数器，即定时器0( T0)和定时器1( T1)， 由工作模式寄存器TM0D和控制寄存器TCON工作原理如下：图7工作模式
9、寄存器TMODTF1TEL 1TFOTR.O用于夕卜咅K中幽fSFJ 1 EM 耳匸HCH 8 E*H SAH 宾宣 Hm运比T拴尙飙软彳牛j roi出 韦衣孟砸f牛）TL疋彳亍扌氓曲啦牧們） TI裤出蘇鮎碾件j（I Jrl ttj1 O停 JLt -44tjI O耒济出 r a=i 动I O停 11:（1溢出I |c 低怎平时何 斗图1O计脉冲数M法原理图由于n=60f/Z/2M，(f为单片机内部晶振f=6MHz M为脉冲次数，Z=倍频系 数X编码器光栅数z=1024),所以通过数学变化有 M=60f/Z/n/2，因为转速上限 n=200r/min，所以脉冲数M临界为878.9，近似为878
10、,舍入误差为0.103%，当 M大于878，转速小于200r/min ;当M小于878时，转速大于200r/min。因此，利用一个比较脉冲数 M与数878的大小，就可以实现转速的测定。 程序流程图如下：图11计脉冲数M法流程理图2.3.3计循环次数A法计循环次数法的原理为：单片机原理及接口技术 136页，例6-2-当P3.4引 脚上的电平发生负跳变，从P1.0输出一个500卩m的同步脉冲，以及101页，例 4-11-软件延时程序，1)采用循环程序进行延时子程序。把光电编码器的输出脉冲信号引到 P3.4引脚。选T0为模式2,外部计数方 式，当P3.4引脚上电平发生负跳变时，T0计数器加1,溢出标
11、志TF0置1,然 后进入循环与延时子程序，在循环与延时子程序中记录循环次数 A,并把溢出标志TF0置0,保持T0的外部计数方式，继续等待下一个负跳变。当下一个负跳 变到来，T0计数器加1,溢出标志TF0置1。跳出循环与延时子程序，保存循环 次数A。设计好的软件中延时时间为 T= (5A+1) 2卩m (单片机内部晶振f=6MHz 一个机器周期为2卩n),而它也是光电编码器两个相邻脉冲之间的时间 Tc。由于n=60/Z/Tc (Z= 咅频系数X编码器光栅数 z=1024),又Tc= (5A+1) 2 卩m通过数学变化有A=(60 /Z/n/2-1)/5 ，因为转速上限n=200r/min，所以循
12、 环数A临界为29.09，近似为29,舍入误差为3.1%，当M大于29时，转速小于 200r/min ;当M小于29时，转速大于200r/min。因此，利用一个比较循环数 A与数29的大小，就可以实现转速的测定。比较A与临界值大小延时等待测量原理图如下： Tc P3.4负跳变负跳变负蹒变对T0初始化TMDH SOtSH循环延时f程序开始 记录循环数A图12计循环数A法原理图 程序流程图如下：图13计循环数流程图2.3.1报警提示在软件中通使用硬件电路测量所得的脉冲数 M或循环数A,与规定转速上限200r/min对应的临界值的比较，得到相应的结果。如果测得的脉冲数M或循环数A小于转速上限200r
13、/min的临界值，系统报 警，即软件使蜂鸣器发声，红色报警灯亮；如果测得的脉冲数M或循环数A大于 转速上限200r/min的临界值，系统正常工作，不会报警，软件使绿色工作指示 灯亮。如图所示：89C5 1+ 5V图报警提示部分原理图232蜂鸣器本设计中采用压电式蜂鸣器约需 10mA的驱动电流，因此使用 TTL系列的7406低电平驱动。如图所示：驱动电路输入端接89C51的P1.0。当P1.0输出高电平1时，7406的输出为低电 平0,使压电蜂鸣器引线获得将近5V的直流电压，而产生蜂鸣。当P1.0输出低 电平0时，7406的输出为高电平1，使压电蜂鸣器引线两端均为+5V的直流电压， 不能产生蜂鸣
14、。2.3.3红色报警灯与绿色工作指示灯本设计中采用两个发光二极管，一个为红色报警灯与绿色工作指示灯。 如图 所示：红色报警灯接P1.1。当P1.1输出低电平0时，发光二极管引线获得将近5V 的直流电压，而点亮，发出红色报警指示。当 P1.1输出高电平1时，使发光二 极管引线两端均为+5V的直流电压，不能点亮。绿色工作指示灯接P1.2。当P1.2输出低电平0时，发光二极管引线获得将 近5V的直流电压，而点亮，发出绿色工作指示。当 P1.2输出高电平1时，使发 光二极管引线两端均为+5V的直流电压，不能点亮。二、系统设计硬件电路与PCB图TIJ四、控制程序4.1计脉冲数M法程序ORG 0000HA
15、JMP MAINORG 0300HMAIN:MOV TMOD,#09H;T为模式 1, GATE置 1MOV TL0,#00H装载计数初值0MOV THO,#00H装载计数初值0CLR P1.Q关闭蜂鸣器SETB P1.1 ;关闭红色报警灯SETB P1.2;关闭绿色工作指示灯WAIT1:JB P3.2,WAIT1 ;等待 INT0变低SETB TR0为启动T0做好准备WAIT2:JNB P3.2,WAIT2;等待方波脉冲，并开始计时WAIT3:JB P3.2,WAIT3；等待 INT0变低CLR TR0停止T0计数MOV R1,TL0存放TL0的计数值MOV R2,TH0存放TH0的计数值P
16、TFO1:MOV A,R2将TH0的数值存放到寄存器 ACLR CY标志位清0SUBB A,#06; A与临界值878D的高八位比较大小 JBC CY,PTFO2如果A小于临界值，转向报警程序CLR P1.2 ；如果A大于临界值，绿色工作指示灯点亮SJMP WAIT1返回循环程序，继续测速PTFO2:CLR P1.1 ；红色报警灯点亮SETB P1.0 ；蜂鸣器发声SJMP WAIT1返回循环程序，继续测速RETIEND结束4.2计循环次数A法程序ORG 0000HAJMP MAINORG 0300HMAIN:MOV TMOD,#06H设置T0为模式2,外部计数方式 MOV TL0,#0FFH
17、装载计数初值MOV THO,#0FFHCLR P1.Q关闭蜂鸣器SETB P1.1 ；关闭红色报警灯SETB P1.2；关闭绿色工作指示灯SETB TR0启动T0计数L00P1:JBC TF0,PTF01 查询 TO 溢出标志，TFO=1 时转移，且 TFO=O （查 P3.4 负跳变）SJMP L00P；1 等待负跳变PTFO1:MOV A,#OH把0装入寄存器 AW1:INC A; A力卩 1JBC TFO,PTFO2查询TO溢出标志，TFO=1时转移，且 TFO=O （查P3.4 负跳变）SJMP W1 等待负跳变PTFO2:CLR CY标志寄存器清OSUBB A,#1DH循环次数A与临
18、界值比较29DJBC CY,PTFO3如果循环次数A小于临界值，转向报警程序CLR 1.2 ;如果循环次数A大于临界值，绿色工作指示灯亮SJMP LOOP2转入延时子程序PTFO3:CLR P1.1;红色报警灯点亮SETB P1.0;蜂鸣器发声SJMP LOOP2转入延时子程序LOOP2:MOV R5,#0A设定循环次数为10次的延时W2:DJNZ R5,W2;判断循环条件SJMP LOOP1; 返回循环程序，继续等待中断，准备测速RETIEND结束五、设计心得 经过一周忙碌而又紧张的课程设计， 终于完成了电机转速检测系统设计的设 计报告。一周的设计，不单单加深、巩固了单片机与运动控制系统所学
19、的知识， 特别是与定时器 /计数器有关的知识；我更是深刻的的明白了一个道理那就 是理论与实践之间的巨大差距。 也许这就是所谓的 “理想很丰满， 现实很骨感。” 在课堂上，我们仅仅是了解了一些单片机的基本知识， 对于光电码盘与定时 器/ 计数器，循环计时，也只是通过一些数课本例题而得之，在实际的设计应用 应该考虑到很多问题中，特别是在方案的选定中，考虑到很多实际问题。在 protel软件上做PCB图时，常会出现各种错误，如元器件的选择，封装号等， 只能不断地上网查资料，或者向同学和大四的学长请教问题。但是从另一个侧面讲， 运用自己所学的知识， 通过自己上网和去图书馆查资 料，设计系统方案，编写程
20、序，与同学讨论，向学长、老师请教来独立完成一个 课题，完成一个实验，做好一项任务，对我们的学习，成长是大有裨益的，有利 于我们的长于发展。这种独立自主的实验设计对我们来说是一种锻炼，一种 磨 砺；一种从课内知识到课外实际应用的转化与迁移； 更一种综合运用知识的能力， 体会了学以致用，培养我们如何了解、把握一件事情，如何完成、做好一件事情 的契机。课程设计，让我体会到了探索知识的渴望，使我感受到了解决问题的艰辛。 令欣享到了自己劳动成果的喜悦。 但是我更是明白了自己现有知识的局限性， 创 新、开拓能力的不足。 在接下来的学习与生活中， 自己一定要抓紧时间努力踏实 学习，更要勤加思考，勤加练习，格物致知，学以致用，致知于行。
