1、基于51单片机的电机转速测量与显示系统摘 要单片机又称单片微控制器（MCU），它把一个计算机系统集成到一个芯片上。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。随着电子技术的迅猛发展，单片机技术也有了长足的发展，目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹，导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录象机、摄象机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。各种电机在工业得到广泛应用，为了能方便的对电机进行控制、
2、监视、调速，有必要对电机的转速进行测量，从而提高自动化程度。转速是工程上一个常用参数。转速测量的方法很多，采用光电开关管测量转速是较为常用的测量方法。在本系统设计中，我们以51单片机为核心控制单元，以红外对管（或称光/电，电/光二极管）为传感器，通过光电传感器实时采集电机转速并进行处理与显示， 设计出一个电动机转速测量系统,并研究其测量精度、测量范围及响应速度.程序设计部分分为初始化模块、脉冲计数模块、计时模块、参数调整模块和显示模块.最后通过试验测试,得到了相应的技术参数,并对转速测量系统的误差进行了分析.要求设计的系统稳定可靠、抗干扰能力强、成本低，使用方便。1 绪 论1.1 题目背景及目
3、的 目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹，导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录象机、摄象机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。 各种电机在工业得到广泛应用，为了能方便的对电机进行控制、监视、调速，有必要对电机的转速进行测量，从而提高自动化程度。1.2 题目研究方法测量转子速度的方法很多，但多数比较复杂。目前，测量转速的方法主要有四种：机械式、电磁式、光电式和激光式。机械式主要利用离心力原理，通过一个随轴转
4、动的固定质量重锤带动自由轴套上下运动，根据不同转速对应不同轴套位置获得测量结果原理简单直接，不需额外电器设备，适用于精度要求不高、接触式的转速测量场合。电磁式系统由电磁传感器和安装在轴上的齿盘组成，主轴转动带动齿盘旋转，齿牙通过传感器时引起电路磁阻变化，经过放大整形后形成脉冲，通过脉冲得到转速值。由于受齿盘加工精度、齿牙最小分辨间隔、电路最大计数频率等限制，测量精度不能保证。光电式结构类似于电磁式结构，把旋转齿盘换作光电编码盘或黑白相间的反射条纹，把电磁传感器换作光电接收器，通过对反射回来的光脉冲信号计数得到测量结果。由于受条纹最小分辨间隔、电路最大计数频率等限制，测量精度不能保证，所测转速值
5、和电磁式一样为两个计数脉冲间距的平均值。激光测速技术(LDV)是一种正在发展中的测速技术，通过激光多普勒效应获得转动体的瞬时角速度，理论上具有很高的瞬时转速测量精度，但目前实际产品精度不够高，并且价格昂贵，在实际使用上受到限制。通过改进已有的电磁式传感器，设计一种适于瞬时转速测量的新型传感器，在旋转机械瞬时状态分析中具有一定的实际意义。2 系统设计基础知识2.1 直流电机的基本知识直流电机的工作原理永磁式直流电机是应用很广泛的一种。只要在它上面加适当电压。电机就转动。图2.1是这种电机的符号和简化等效电路1。工作原理图：图 2.1 直流电机的符号和等效电路这种电机由定子、转子、换向器(又称整流
6、子)、电刷等组成，定子用作产生磁场。转于是在定子磁场作用下，得到转矩而旋转起来。换向器及时改变了电流方向，使转子能连续旋转下去。也就是说，直流电压加在电刷上，经换向器加到转子线圈，流过电流而产生磁场，这磁场与定子的固定磁场作用，转子被强迫转动起来。当它转动时，由于磁场的相互作用，也将产生反电动势，它的大小正比于转子的速度，方向和所加的直流电压相反。图2.1(b)给出了等效电路。Rw代表转子绕组的总电阻，E代表与速度相关的反电动势。永磁式换流器电机的特点：当电机负载固定时，电机转速正比于所加的电源电压。当电机直流电源固定时，电机的工作电流正比于转予负载的大小。加于电机的有效电压，等于外加直流电压
7、减去反电动势。因此当用固定电压驱动电机时，电机的速度趋向于自稳定。因为负载增加时，转子有慢下来的倾向，于是反电动势减少，而使有效电压增加，反过来又将使转子有快起来的倾向，所以总的效果使速度稳定。当转子静止时，反电动势为零，电机电流最大。其最大值等于VRw(这儿V是电源电压)。最大电流出现在刚起动的条件。转子转动的方向，可由电机上所加电压的极性来控制。体积小、重量轻、起动转矩大。由于具备上述的那些特点，所以在医疗器械、小型机床、电子仪器、计算机、气象探空仪、探矿测井、电动工具、家用电器及电子玩具等各个方面，都得到广泛的应用。对这种永磁式电机的控制，主要有电机的起停控制、方向控制、可变速度控制和速
8、度的稳定控制。 电机的起停控制电机的起停控制，最简单最原始的方法是在电机与电源之间，加一机械开关。或者用继电器的触点控制。现在比较流行的方法，是用开关晶体管来代替机械开关，无触点、无火花干扰，速度快。电路如图2.2(a)所示。当输入端为低电平时，开关晶体管Q1截止，电机无电流而处于停止状态。如果输入端为高电平时，Q1饱和导通，电机中有电流，因此电机起动运转。图中二极管D1和D2是保护二极管，防止反电动势损坏晶体管。电容C1是消除射频干扰而外加的。R1基极限流电阻，限制Q1的基极电流。在6V电源时，基极电流不超过52mA。在这种情况下，Q1提供电机的最大电流为1A左右。图 2.2 用晶体管控制电
9、机启停,(b)增强灵敏度图2.2(a)的电路，因基极电流需外部驱动电路。如果再增加一级缓冲放大，如图2.2(b)的电路，驱动电流减少到2mA。R3限制Q1的基极电流到安全值。其他元件作用与(a)图中相同。电机的方向控制水磁式换流器电机的转动方向，可以用改变电源极性的方法，使电机反转。如果用正、负双极性电源，可用一个单刀进行转换，如图2.3(a)所示。因为电机的电流直接通过开关，容易烧坏开关接点。所以可以改用功率开关晶体管来代替机械开关，就可以克服上述缺点。电路如图2.3(b)所示。图 2.3 电机方向控制电路工作原理：当开关SW1置于“正转”位时，Q1和Q3的基极加上偏流；Q2和Q4的偏置电路
10、被断开。所以Q1和Q3导通，Q2和Q4截止。电流从VQ3发射极Q3集电极电机正端电机负端地形成回路，此时电机正转。同理，如果SW1置于“反转位置时，Q2和Q4得到偏流而导通；01和Q3截止。电流从电源地端电机负端电机正端Q4集电极Q4发射极电源负端形成回路，故电机电源与上述情况相反，因此电机反转。而SW1置于断时，电机停止转动。图2.3(b)电路中SW1要转接正、负电源。在接口电路的应用中，用电子开关来代替SW1就比较困难。为了克服这个缺点，可用图2.3(c)的电路加以改进。图2.3(c)中的SW1就很容易用电子开关来代替。在这个电路中，SW1置于“正转”位置时，Q1和Q3导通，Q2和Q4截止
11、。SW1置于“反转”位置时，Q2和Q4导通，Q1和Q3截止。电机的速度控制直流电机的转速与所加的电压有效值成正比。图2.4是12V直流电机的可变电压速度控制。图中Q1和Q2是复合管射极跟随器，电机的直流电压可从0V变到12v。这种电路的特点是：在中速和高速时，速度的控制和自动调节的性能很好。但是低速和慢启动特性比较差。用开关方式或脉宽调制，可以获得非常好的速度控制性能。电路图如2.5所示：图 2.4 12V DC电机速度控制图 2.5 12V直流电机开关方式速度控制图中IC1作为50Hz的无稳多谐振荡器，它产生一个矩形波输出，占空比可变从20比1到1比20，由RV1进行调节。这个波形经过Q1和
12、Q2送到电机，电机上的电压有效值是随RV1的调节而变化的(总的周期是50HZ)。不过电机上所加上的电压，是具有峰值电压为12V的功率脉冲。因此在整个调速范围内；性能都非常好。即使在很低的速度，转矩也很大。速度控制的程度，正比于所加电压的有效值。2.2 51单片机的基础知识随着大规模集成电路的出现和发展，芯片生产厂家把中央处理器CPU（Central Processing Unit），随机存取内存RAM（Random Access Memory），只读存储器ROM（Read Only Memory），定时器/计数器以及I/O（Input/Output）接口电路等主要计算机部件，集成在一块集成电路
13、芯片（硅片）上，形成芯片级计算机，称为单片微型计算机（single chip microcomputer），直译为单片机。虽然单片机只是一个芯片，但从组成和功能上看，它已具有了微机系统的含义，又称微型处理部件MCU（Micro Controller Unit）,单片机商品名称为微控制器单元。单片机具有优异的性能价格比、体积小、可靠性高、控制功能强，广泛应用在智能仪表、机电一体化、实时过程控制、机器人、家用电器、模糊控制、通信系统等领域。根据单片机能够一次处理的数据的宽度（二进制位数），单片机分为1位机、4位机、8位机、16位机、32位机。目前，应用最广的产品是8位单片机，其中又属Intel公司
14、出品的MCS-51系列单片机应用最广。MCS-51系列单片机已经成为事实上的工业标准，其内部包含如下功能部件：1、一个 8位的中央处理器CPU，完成运算和控制功能；2、一个片内振荡器及时钟电路，外接石英晶体和微调电容需外接，为单片机产生时钟脉冲序列，系统允许的晶振频率033MHz；3、256B RAM数据存储器，前128单元作内部数据存储器，可擦写的数据，后128单元为专用寄存器。4、两个16位定时器/计数器，以实现定时或计数功能，并以其定时或计数结果对计算机进行控制。5、可寻址的64KB外部数据存储器以及控制电路。6、可寻址的64KB外部程序存储器以及控制电路。7、21个特殊功能寄存器8、3
15、2条可编程的I/O线(四个8位I/O并行端口)9、一个可编程全双工串行口，可作全双工异步通信收发器使用,实现单片机和其它设备之的串行资料传送；也可作为同步移位器使用10、五个中断源,外中断2个,定时/计数中断2个,串行中断1个；两个优先级，全部中断分为高级和低级共两个优先级。11、根据内部程序存储器ROM多少，MCS-51系列主要芯片与差异8031 片内无ROM；8051 片内4K掩膜ROM；8751 片内4K紫外线可擦除可编程程序存储器，EPROM；89C51 片内4K电可擦除可编程程序存储器，FLASH EEPROM；89S51 片内4K电可擦除可编程程序存储器，FLASH EEPROM，
16、支持ISP；89S52 片内8K电可擦除可编程程序存储器，FLASH EEPROM，支持ISP。如图2.6所示：图 2.6 51系列单片机AT89系列单片机的型号编码由：前缀、型号和后缀三个部分组成。例如：AT 89SXXXX XXXX其中，AT是前缀，89SXXXX是型号，XXXX是后缀。（1）前缀 由字母“AT”组成，表示该器件是ATMEL公司的产品。（2）型号 由“89CXXXX”或“89LVXXXX”或“89SXXXX”等表示。 9表示内部含 Flash存储器， “89CXXXX”中，C表示 CMOS产品。 “89LVXXXX”中，LV表示低压产品。 “89SXXXX”中，S表示含有串
17、行下载 Flash存储器。（3）后缀 由“XXXX”四个参数组成后缀中的第一个参数 X用于表示速度 X12，表示速度为12 MHz。 X24，表示速度为24 MHz。后缀中的第二个参数 X用于表示封装 XJ，表示 PLCC封装，Plastic Leaded Chip Carrier； XP，表示塑料双列直插 DIP封装，Dual Inline Package；后缀中第三个参数 X用于表示温度范围，它的意义如下： XC，表示商业用产品，温度范围为0十 70。 XI， 表示工业用产品，温度范围为40十 85。 XA， 表示汽车用产品，温度范围为40十 125。 XM， 表示军用产品，温度范围为55
18、十 150。后缀中第四个参数 X用于说明产品的处理情况，它的意义如下： X为空，表示处理工艺是标准工艺。 X883，表示处理工艺采用 MILSTD883标准。例如：有一个单片机型号为“AT89S5124PC0246”，则表示意义为该单片机是 ATMEL公司的Flash单片机，内部含有串行下载 Flash存储器，速度为24 MHz，封装为塑料双列直插封装DIP，是商业用产品，按MILSTD0246标准处理工艺生产。本系统采用的是AT89S52（如图 2.7）它包括下列几个部件：1）一个8位的CPU2）一个片内振荡器和时序电路3）4KB程序存储器ROM4）128字节数据存储器RAM5）两个16位可
19、编程的定时器/计数器6）1个可编程的全双工串行口7）4个8位可编程并行I/O端口，即P0,P1,P2,P3口8）64KB片外程序存储器ROM和64KB片外数据存储器RAM的扩展控制电路9）两个优先级嵌套中断结构，5个中断源2.3 LED显示管数码管中有8个发光二极管，其中7个发光二极管长条段状，可组成数字字形，1个发光二极管为点状，形成小数点，所以有时称为七段码。七段数码管引脚编码从左下脚开始，分别为第1引脚、第2引脚。七段数码管的8个发光二极管分别命名为a、b、c、d、e、f、g、dp；“com”为8个LED的公共引脚。按照公共引脚的接法，七段数码管分共阳极和共阴极两种。共阳极的七段数码管将
20、所有LED的正极连接在公共引脚，接到电源线。当某一个LED负极为低电平时，发亮；为高电平时，变暗。共阴极的七段数码管将所有LED的负极连接在公共引脚，接到地线。当某一个LED正极为高电平时，发亮；为低电平时，变暗。如图2.8所示： (a)实物图 (b)引脚外形图 (c)共阴极法 (d)共阳极法图 2.8 LED 显示数码管原理图2.4 传感器最广义地来说，传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。国际电工委员会(IEC:International Electrotechnical Committee)的定义为：“传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信
21、号”。按照Gopel等的说法是：“传感器是包括承载体和电路连接的敏感元件”，而“传感器系统则是组合有某种信息处理(模拟或数字)能力的传感器”。传感器是传感器系统的一个组成部分，它是被测量信号输入的第一道关口。2 传感器系统的原则进入传感器的信号幅度是很小的，而且混杂有干扰信号和噪声。为了方便随后的处理过程，首先要将信号整形成具有最佳特性的波形，有时还需要将信号线性化，该工作是由放大器、滤波器以及其他一些模拟电路完成的。在某些情况下，这些电路的一部分是和传感器部件直接相邻的。成形后的信号随后转换成数字信号，并输入到微处理器。德国和俄罗斯学者认为传感器应是由二部分组成的，即直接感知被测量信号的敏感
22、元件部分和初始处理信号的电路部分。按这种理解，传感器还包含了信号成形器的电路部分。 传感器系统的性能主要取决于传感器，传感器把某种形式的能量转换成另一种形式的能量。有两类传感器：有源的和无源的。有源传感器能将一种能量形式直接转变成另一种，不需要外接的能源或激励源有源(a)和无源(b)传感器的信号流程如下：无源传感器不能直接转换能量形式，但它能控制从另一输入端输入的能量，激励能传感器承担将某个对象或过程的特定特性转换成数量的工作。其“对象”可以是固体、液体或气体，而它们的状态可以是静态的，也可以是动态(即过程)的。对象特性被转换量化后可以通过多种方式检测。对象的特性可以是物理性质的，也可以是化学
23、性质的。按照其工作原理，传感器将对象特性或状态参数转换成可测定的电学量，然后将此电信号分离出来，送入传感器系统加以评测或标示。 各种物理效应和工作机理被用于制作不同功能的传感器。传感器可以直接接触被测量对象，也可以不接触。用于传感器的工作机制和效应类型不断增加，其包含的处理过程日益完善。常将传感器的功能与人类5大感觉器官相比拟： 光敏传感器视觉 声敏传感器听觉气敏传感器嗅觉 化学传感器味觉 压敏、温敏、流体传感器触觉与当代的传感器相比，人类的感觉能力好得多，但也有一些传感器比人的感觉功能优越，例如人类没有能力感知紫外或红外线辐射，感觉不到电磁场、无色无味的气体等。对传感器设定了许多技术要求，有
24、一些是对所有类型传感器都适用的，也有只对特定类型传感器适用的特殊要求。针对传感器的工作原理和结构在不同场合均需要的基本要求是：高灵敏度、抗干扰的稳定性(对噪声不敏感) 、线性、容易调节(校准简易) 、高精度、高可靠性、无迟滞性、工作寿命长(耐用性) 、可重复性、抗老化、高响应速率、抗环境影响(热、振动、酸、碱、空气、水、尘埃)的能力、选择性、安全性(传感器应是无污染的) 、互换性、低成本、宽测量范围、小尺寸、重量轻和高强度、宽工作温度范围、传感器的分类。可以用不同的观点对传感器进行分类：它们的转换原理(传感器工作的基本物理或化学效应)；它们的用途；它们的输出信号类型以及制作它们的材料和工艺等。
25、根据传感器工作原理，可分为物理传感器和化学传感器二大类传感器工作原理的分类物理传感器应用的是物理效应，诸如压电效应，磁致伸缩现象，离化、极化、热电、光电、磁电等效应。被测信号量的微小变化都将转换成电信号。化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器，被测信号量的微小变化也将转换成电信号。有些传感器既不能划分到物理类，也不能划分为化学类。大多数传感器是以物理原理为基础运作的。化学传感器技术问题较多，例如可靠性问题，规模生产的可能性，价格问题等，解决了这类难题，化学传感器的应用将会有巨大增长。 按照其用途，传感器可分类为： 压力敏和力敏传感器、位置传感器、液面传感器、 能耗传感
26、器、速度传感器、热敏传感器、加速度传感器、射线辐射传感器、振动传感器、湿敏传感器、磁敏传感器、气敏传感器、真空度传感器、生物传感器等。 以其输出信号为标准可将传感器分为： 模拟传感器将被测量的非电学量转换成模拟电信号。 数字传感器将被测量的非电学量转换成数字输出信号(包括直接和间接转换)。 膺数字传感器将被测量的信号量转换成频率信号或短周期信号的输出(包括直接或间接转换)。 开关传感器当一个被测量的信号达到某个特定的阈值时，传感器相应地输出一个设定的低电平或高电平信号。在外界因素的作用下，所有材料都会作出相应的、具有特征性的反应。它们中的那些对外界作用最敏感的材料，即那些具有功能特性的材料，被
27、用来制作传感器的敏感元件。从所应用的材料观点出发可将传感器分成下列几类： 1、按照其所用材料的类别分：金属、聚合物、陶瓷、混合物。 2、按材料的物理性质分：导体、绝缘体、半导体、磁性材料。3、按材料的晶体结构分：单晶、多晶、非晶材料。 与采用新材料紧密相关的传感器开发工作，可以归纳为下述三个方向： (1)在已知的材料中探索新的现象、效应和反应，然后使它们能在传感器技术中得到实际使用。 (2)探索新的材料，应用那些已知的现象、效应和反应来改进传感器技术。(3)在研究新型材料的基础上探索新现象、新效应和反应，并在传感器技术中加以具体实施。 现代传感器制造业的进展取决于用于传感器技术的新材料和敏感元
28、件的开发强度。传感器开发的基本趋势是和半导体以及介质材料的应用密切关联的。表1.2中给出了一些可用于传感器技术的、能够转换能量形式的材料。 按照其制造工艺，可以将传感器区分为： 集成传感器 薄膜传感器 厚膜传感器 陶瓷传感器 集成传感器是用标准的生产硅基半导体集成电路的工艺技术制造的。通常还将用于初步处理被测信号的部分电路也集成在同一芯片上。 薄膜传感器则是通过沉积在介质衬底(基板)上的，相应敏感材料的薄膜形成的。使用混合工艺时，同样可将部分电路制造在此基板上。 厚膜传感器是利用相应材料的浆料，涂覆在陶瓷基片上制成的，基片通常是Al2O3制成的，然后进行热处理，使厚膜成形。 陶瓷传感器采用标准
29、的陶瓷工艺或其某种变种工艺(溶胶-凝胶等)生产。 完成适当的预备性操作之后，已成形的元件在高温中进行烧结。厚膜和陶瓷传感器这二种工艺之间有许多共同特性，在某些方面，可以认为厚膜工艺是陶瓷工艺的一种变型。 每种工艺技术都有自已的优点和不足。由于研究、开发和生产所需的资本投入较低，以及传感器参数的高稳定性等原因，采用陶瓷和厚膜传感器比较合理。3 系统总体方案设计3.1 系统分析给直流电机加载直流电，电机就会转动。改变电压的正负可以改变电机的转动方向，电压为正时电机正转，电压为负时电机反转；改变电压的高低可以改变电机的转速，电压高则转动速度快，电压低则转动速度慢。转速是工程上的一个常用参数。转速通常
30、以每秒种或每分钟的转数来表示，因此单位为r/s或r/min。有时也用角速度表示，这时的单位相应为rad/s。电机转速的测量单片机能够处理二进制数字信号，而电机的转速是物理量，非电量信号，需要中间电路把转速转换成单片机可以处理的信号3。传感器是把外界信号转换成电信号的器件，是检测和控制系统中最关键的部分，在当代科学技术中，传感器占据了及其重要的地位。目前，集成技术在传感器技术中的成功应用，使传感器小型化、长寿命和低成本，是现代传感器的发展方向之一。脉冲信号的获得1、霍尔传感器霍尔传感器是对磁敏感的传感元件，常用于开关信号采集的有CS3020、CS3040等，这种传感器是一个3端器件，外形与三极管
31、相似，只要接上电源、地，即可工作，输出通常是集电极开路（OC）门输出，工作电压范围宽，使用非常方便。如图3.1所示是CS3020的外形图，将有字面对准自己，三根引脚从左向右分别是Vcc，地，输出。图3.1 CS3020外形图使用霍尔传感器获得脉冲信号，其机械结构也可以做得较为简单，只要在转轴的圆周上粘上一粒磁钢，让霍尔开关靠近磁钢，就有信号输出，转轴旋转时，就会不断地产生脉冲信号输出。如果在圆周上粘上多粒磁钢，可以实现旋转一周，获得多个脉冲输出。在粘磁钢时要注意，霍尔传感器对磁场方向敏感，粘之前可以先手动接近一下传感器，如果没有信号输出，可以换一个方向再试。这种传感器不怕灰尘、油污，在工业现场应用广泛。2、光电传感器光电传感器是应用非常广泛的一种器件，有各种各样的形式，如透射式、反射式等，基本的原理就是当发射管光照射到接收管时，接收管导通，反之关断。以透射式为例，如图2所示，当不透光的物体挡住发射与接收之间的间隙时，开关管关断，否则打开。为此，可以制作一个遮光叶片如图3所示，安装在转轴上，当扇叶经过时，产生脉冲信号。当叶片数较多时，旋转一周可以获得多个脉冲信号。图3.2 光电传感器的原理图图3.3遮光叶片3、光电编码器光电编码器的工作原理与光电传感器一样，不过它已将光电传感器、电子电路
