电机或机床主轴转速的测量

第一部分 绪论 第一部分 绪论 1.1设计要求 电机或机床主轴转速的测量（一路或两路），速度不高于1000转/分。查资料，选择合适的传感器，参考：编码器、圆光栅等。要求能够辨别方向，设计信号辨向和不低于4细分的电路。设计信号计数电路，设计单片机的信号采集电路及显示电路。计算显示当前转速，进行测量误差的简单分析。编写程序。设计电路图对应的PCB图（选做）。 1.2主要内容 通过选择合适的传感器、设计细分辨向电路、设计信号调理电路、设计单片机硬件电路、编写单片机程序等来实现主轴转速的测量。 1.3基本工作原理及原理框图 按照题目的要求我们要设计出能把转速转换为可以显示的输出电路，并且要能显示出正反转。转速的测量首先是把转速信号转换为可以测量的电量信号，可以用传感器来完成这一步骤。当信号被传感器采集后要经过细分电路和辨向电路处理，处理成便于单片机运算的信号，处理后的信号送入单片机运算和显示，最后转速在LED显示器里显示出来。思路方块图如下： 1.4#设计#选择 1、传感器： 测量转速的传感器有很多，主要有两种类型：一种是将转速转化为电量信号，比如电磁感应式测速传感器将转速转化为电压或是电流信号；另一种是将转速转化为脉冲信号，比如霍尔式，电磁式、光电式转速传感器。基于题目中的要求和工业现场的环境，我们选择霍尔式转速传感器。 电机转速的第一步就是要将电机的转速示为单片机可以识别的脉冲信号,从而进行脉冲计数。霍尔转速传感器是利用霍尔效应原理工作一个金属或半导体薄片置于磁场中,磁场垂直于薄片,当薄片通以电流Ic时，在薄片的两侧面上就会产生一个微量的霍尔电压UH，如果改变磁场的强度，霍尔电压的大小亦随之改变，当磁场消失时,霍尔电压变为零。霍尔效应式转速传感器输出的信号是矩形脉冲信号,很适合于数字控制系统,抗干扰能力强。霍尔器件作为一种转速测量系统的传感器,它有结构牢固,体积小、重量轻、寿命长、安装方便等优点,因此选用霍尔传感器脉冲信号。当电机转动时,带动传感器,产生对应频率的脉冲信号,经过信号处理后输出到计数器或其他的脉冲计数装置,进行转速的测量。 根据脉冲计数来实现转速检测的常用的有M法（测频法）、T法（测周期法）和M/T（频率周期法）3种，M法通常应用于定时采样中，T法在定步采样中使用较多。在转速较低时，T法的分辨率较高，M 法的分辨率较低；转速较高时，则反之。这里设计选用M法测转速。由于转速是以单位时间内转数来衡量，在变换过程中多数是有规律的重复运动。 2、细分辨向电路： 信号细分电路又称补差器，是采用电路的手段对周期性的测量信号进行插值以提高仪器的分辨力的一种重要方法。 测量电路通常采用对信号周期进行计数的方法实现对位移的测量，若单纯对信号的周期进行计数, 则仪器的分辨力就是一个信号周期所对应的位移量。为了提高仪器的分辨力，就需要使用细分电路。 根据周期性测量信号的波形、振幅或者相位的变化规律，在一个周期内进行插值，从而获得优于一个信号周期的更高的分辨力。 根据霍尔传感器采集的脉冲信号特性和题目中对细分的要求，我们采用直传式四细分辨向电路，它是最常用的细分辨向电路。 直传式细分电路由若干环节串联而成。 输入量：来自传感器的周期信号，以一对正、余弦信号或者相移为90°的两路方波最为常见。 输出量：有多种形式，有时为频率更高的脉冲或模拟信号，有时为可供计算机直接读取的数字信号。中间环节完成从输入到输出的转换，常由波形变换电路、比较器、模拟数字转换器和逻辑电路等组成。各环节依次向末端传递信息——直传的意思。 3、信号调理电路： 信号调理电路的目的是将细分电路产生的脉冲转变为便于单片机采集和判断处理的信号，细分电路会产生两路信号，正向和反向的输出结果是不同的。此电路主要解决两个问题：一是把细分电路输出的两路信号转变为一路脉冲送入单片机。二是根据细分辨向电路辨向的结果来判别霍尔传感器的转向，将其转向情况转变为便于单片机判断的高低电平。我们选用一个边沿D触发器和一个与门电路完成上述任务。 边沿D 触发器工作原理：CLK端正跳沿时触发器锁存加入的输入信号D的状态（高或是低电平），在Q端表示出来，其特征表、特征方程、时序图如下：　 1.​ 特征表　 CLK D Q(t+1) 0 x Q(t) 1 0 0 1 1 1 2.特征方程 Qn+1=D　　 3.时序图　 4、单片机及外围显示电路： 测速装置的最终目标是将转速显示出来，我们用单片机和显示电路来做。 脉冲信号被送入单片机后，单片机要经过运算把接收到的脉冲转换为转速(XXX转/分)，还要判断是正转还是反转，并且将结果在LED显示器上显示出来。由于题目中转速条件是低于1000转/分所以只要使用4个八段LED就可以满足要求，一个用来显示正反转，三个用来显示转速。 通过单片机可以省去一些硬件完成的工作，比如计数、转换等，大大简化了硬件电路。软硬件结合的方式也为系统的再次更改、升级提供条件，可以适合不同的现场环境。 第二部分 硬件电路设计 2.1 传感器 1.传感器的选择 在生产中,物体转速的准确测定常关系到产品的质量和工效。测量转速的方法很多,从传感器的安装方式来分,有接触式和非接触式两种;按传感器的类别来分,有磁电、磁敏、光电(光纤) 、霍尔等方式。接触式测量方式,传感器与被测旋转轴通过弹性联轴器连接,只能测量中速和低速物体的转速;非接触式测量方式,传感器与被测旋转轴不接触,可实现高速的转速测量。常用的转速测量方法有:霍尔传感器转速测量和光电式转速测量。这里我们选用了霍尔式传感器。由于霍尔效应式转速传感器输出的信号是矩形脉冲信号,很适合于数字控制系统,抗干扰能力强。传感器输出电压信号稳定，只要存在磁场,霍尔元件总是产生相同的电压,并且输出信号电压的大小与转速无关，即使是在发动机起动的低转速状态下，仍能够获得较高的检测准确度。霍尔器件作为一种转速测量系统的传感器, 它具有无触点、长寿命、高可靠性、无火花、无自激振荡、温度性能好、抗污染能力强、构造简单、坚固、体积小、耐冲击等优点,因此选用霍尔传感器检测脉冲信号。 本装置所选的霍尔传感器的型号是AD22151,它用一固定的霍尔传感器和一个安装在运动零件上的小磁铁来替代凸轮和接触器，，使其可靠性得到很大的改善。它可以响应微小的磁场变化，而且比较器内在的磁滞现象可以防止震荡的发生。 AD22151是一款线性磁场传感器，它采用了一个斩波器类型的运算放大器和一个内部温度传感器抵消了动态失调偏移。它设计在+5V直流电源下工作，而且有很低的失调漂移和增益漂移，使其工作范围可达-40°～+150°。 2.传感器的结构 磁性转盘结构图如下： 图一 磁性转盘结构图 上面是几种不同结构的霍尔式转速传感器。转盘的输入轴与被测转轴相连，当被测转轴转动时，转盘随之转动，固定在转盘附近的霍尔传感器便可在每一个小磁铁通过时产生一个相应的脉冲，检测出单位时间的脉冲数，便可知被测转速。根据磁性转盘上小磁铁数目多少就可确定传感器测量转速的分辨率。这里我选择的是图（d）。因为这个磁性转盘上小磁铁数目多， 它的分辨率高。当转速盘旋一周时,霍尔传感器就输出矩形脉冲信号，输出15个脉冲。因为磁性转盘上有15个小磁铁。 3.检测装置的安装 此检测装置完全模拟电机上传感器的安装位置。铝块、磁钢和传感器提前装在一起, 装好之后再一起固定在固定支架上。磁钢铆紧在铝块上,为了保证在铝块上不松动,可在磁钢上涂抹一些密封胶。传感器通过两个螺母拧紧在铝块上。铝块则通过两个螺钉固定在固定支架上, 并保证传感器的接近距离为8 mm，相对位置安装示意图如下： 图二 相对位置安装示意图 4.信号处理 霍尔式传感器是开关元件,直接输出为脉冲频率信号,但是由于存在电磁噪声干扰,必须对信号进行滤波和整形,提高采集准确度和抗干扰能力。经传感器转换的电信号, 由于测试环境的电磁干扰、传感器自身的影响,往往会含有多种频率成分的噪音信号。严重时,这种噪音信号会淹没待提取的输入信号, 造成测试系统无法获取被测信号。在这种情况下, 需要采取滤波措施,抑制不需要的杂散信号, 使系统的信噪比增加。这里选用了无源滤波器。 为了和后面的四细分辨向电路连接，我们必须利用霍尔传感器输出信号来产生两路相位相差为90°的方波，由于霍尔传感器输出的是一路信号。把霍尔传感器的输出信号作为A信号，A信号再利用电阻和电容的滞后特性来产生B信号。B信号通过调节电阻电容的值使A、B两路信号相位差为90°. 2.2四细分辨向电路的设计 该电路(见图三)是利用单稳态电路来提取两路方波信号的边沿实现四细分。A、B是两路相位差90度的方波信号，传感器正向移动时，设A超前B。 当A发生正跳变时，由非门U1F、电阻R2、电容C2和与门U2C组成的单稳触发器输出窄脉冲信号 ，此时B为高电平，经与或非门后，在非门U7E后有计数脉冲输出；由于B为低电平，非门U7F后无计数脉冲输出。 当B发生正跳变时，由非门U1E、电阻R4、电容C4和与门U2I组成的单稳触发器输出窄脉冲信号B’，此时A为高电平，U7E后有计数脉冲输出，U7F后仍无计数脉冲输出。 当A发生负跳变时，由非门U1D、电阻Rl、电容Cl和与门U2D组成的单稳触发器输出窄脉冲信号A’，此时 为高电平， U7E后有计数脉冲输出，U7F无计数脉冲输出。 当B发生负跳变时，由非门U1C、电组R3、电容C3和与门U2B组成的单稳触发器输出窄脉冲信号 ，此时 为高电平， U7E后有计数脉冲输出，U7F无计数脉冲输出。 这样，正向运动时，U7E在一个信号周期内输出A’、B’、 、 四个计数脉冲，实现了四细分。 在传感器反相运动时，由于A、B的相位关系发生变化，B超前A，这时U7F在一个信号周期内，输出 、B’、A’、 四个计数脉冲，这四个计数脉冲分别出现在 、 、B、A为高电平的半周期内，同样实现了四细分。U7E、U7F随运动方向的改变交替输出脉冲，输出信号U01、U02经信号调理电路处理。 图三 四细分辨向电路 图四 四细分辨向电路波形图 2.3 信号调理电路的设计 该电路由一个D触发器和一个与门构成，当主轴正向旋转时，U01输出矩形波，U02输出高电平，由电路图容易得出P3.5输出与U01相同的脉冲波，由于D触发器时钟脉冲端无上升沿，Q端与单片机接口p1.0相连，p1.0输出低电平。Q的非端与单片机接口pl.1相连，p1.l输出高电平。当主轴反向旋转时D触发器在U02发出的矩形波脉冲下，由于D端为高电平，Q端输出高电平，Q的非端输出低电平，同理P3.5端输出矩形波脉冲。 图五 信号调理电路及波形图 2.4 单片机及外围显示电路的设计 单片机选用8051，8051单片机可分为无ROM型和ROM型两种：无ROM型的芯片，必须外接EPROM才能应用（典型芯片为8031）；ROM型芯片又分为EPROM型（典型芯片为8751）、FLASH型（典型芯片为89C51）、掩膜ROM型（典型芯片为8051 ）、一次性可编程ROM（One Time Programming,简称OTP）的芯片（典型芯片为97C51）。 引脚图如下： 图六 8051引脚图 电源引脚Vcc和Vss Vcc：电源端，接＋5V。 Vss：接地端。 时钟电路引脚XTAL1和XTAL2 XTAL1：接外部晶振和微调电容的一端，在片内它是振荡器倒相放大器的输入，若使用外部TTL时钟时，该引脚必须接地。XTAL2：接外部晶振和微调电容的另一端，在片内它是振荡器倒相放大器的输出，若使用外部TTL时钟时，该引脚为外部时钟的输入端。 地址锁存允许ALE 系统扩展时，ALE用于控制地址锁存器锁存P0口输出的低8位地址，从而实现数据与低位地址的复用。 外部程序存储器读选通信号PSEN PSEN是外部程序存储器的读选通信号，低电平有效。 程序存储器地址允许输入端EA /VPP 当EA为高电平时，CPU执行片内程序存储器指令，但当PC中的值超过0FFFH时，将自动转向执行片外程序存储器指令。当EA为低电平时，CPU只执行片外程序存储器指令。 复位信号RST 信号高电平有效，在输入端保持两个机器周期的高电平后，就可以完成复位操作。 输入/输出端口引脚P0，P1，P2和P3 P0口（P0.0～P0.7）：该端口为漏极开路的8位准双向口，它为外部低8位地址线和8位数据线复用端口，驱动能力为8个LSTTL负载。 P1口（P1.0～P1.7）：它是一个内部带上拉电阻的8位准双向I/O口，P1口的驱动能力为4个LSTTL负载。 P2口（P2.0～P2.7）：它为一个内部带上拉电阻的8位准双向I/O口，P2口的驱动能力也为4个LSTTL负载。在访问外部程序存储器时，作为高8位地址线。 P3口（P3.0～P3.7）：为内部带上拉电阻的8位准双向I/O口，P3口除了作为一般的I/O口使用之外，还具有第二功能。 单片机及外围显示电路如图七，P0口输出段选码，P1口位选码，主轴转速范围1000r／min以下，用到四个LED显示器；10000r／min以下，用到五个，依此类推。设计题目条件是转速为1000r／min以下所以我们用四个LED显示。前三个LED管分别显示百位、十位、个位；第四个LED管指示主轴旋转的方向。当主轴正向旋转时，第四个LED管不显示，当主轴反向旋转时，该管显示符号“－”(g段发光二极管被点亮)。74AC04MTC为反相驱动器，这是因为8051P2口正逻辑输出的位控与共阴极LED要求的低电平点亮正好相反。 转速运算：主轴每秒所转圈数乘以转速信号盘每转输出的脉冲数15再与四相乘，得到每秒主轴所转圈数，除以60，以转／分输出显示，则传感器每秒输出脉冲的个数即为以转／分为单位的转速数。程序中用T0定时，T1计数，每秒将计数值送入单片机内存中，数据处理后输出显示，采取动态扫描显示。 图七 单片机实验及外围显示电路 图八 总体工作电路原理图 2.5总体工作电路原理图 见图八。 第三部分 软件的设计 3.1程序设计说明 本设计中，单片机用来完成计数和显示。程序用到两个计数器，一个用来记录和转速相关的脉冲数，一个用来一秒计时。因为传感器选择的是每圈15个脉冲的霍尔传感器，所以一秒钟单片机得到的脉冲数是实际电机转的圈数乘以15再乘以4，正好转化为每分钟多少转。也就是说单片机中程序省去了数字计算的步骤，直接可以把记得的脉冲数送到显示器上显示为XXXX转/分。 基于这种情况，程序设计时，够一秒钟的脉冲计数值才被送到显示缓存器里，不足一秒钟时，程序就显示上一秒测得的转速值。 3.2程序流程图 主程序流程图 中断服务程序流程图 显示子程序流程图 3.3 程序清单 主程序： ORG 0000H AJMP MAIN ORG 000BH MAIN： MOV SP，#60H MOV B，#14H ；寄存器B写20 MOV TMOD，#51H ；T0定时ls，模式1，每隔50ms中断一次，二十次为ls MOV TL0，#0B0H ；赋定时器初值50ms MOV TH0，#3CH MOV TLl，#00H ；T1计数，初值为零 MOV TH1，#00H SETB TR1 ；开定时器 SETB TR0 SETB ET0 SETB EA ；开总中断 SJMP $ 中断服务程序： ORG 000BH SERVE：MOV TL0，#0B0H ；T0重装初值 MOV TH0．#3CH DJNZ B，LOOP ；判断是否中断了20次 MOV B，#14H ；重新给B赋值20 CLR TR0 ；关闭两定时器 CLR TR1 MOV A，TH1 ；计数器值高八位送到寄存器R6里 MOV R6，A MOV A，TL1 ；计数器值低八位送到寄存器R7里 MOV R7，A ACALL HB2 ；二—十进制转换 LOOP： MOV R1，#64H ；LED显示次数100次 MOV TMOD，#11H ；T0模式不变，T1模式1，定时l0ms LOOP1：MOV TH1，#0D8H ；定时器T1装初值定时10ms MOV TL1，#0F0H SETB TR1 ；开T1 JNB TF1,$ ；等待T1溢出 CLR TF1 ；清除T1溢出位 ACALL DIS ;调用10ms一次数据动态显示子程序 DJNZ R1，LOOP1 ；循环显示100次 CLR TR1 ；关定时器T1，两个定时器回到初始模式 MOV TMOD，#51H MOV TL1，#00H MOV TH1，#00H MOV TL0，#0B0H MOV TH0，#3CH SETB TRl ；开启两定时器 SETB TR0 RETI 显示子程序 DIS： MOV A，R5 MOV 40H，A ；将个位放入40H单元 MOV A，R4 MOV 39H,A ；将十位放入39H单元 MOV A，R3 MOV 38H，A ；将百位放入38H单元 MOV R0，#40H ；显示数据首地址写入寄存器R0 DISl： MOV R2，#80H ；位选信号“10000000”写到R2 MOV A，R2 MOV DPTR，#TAB ；字形表头地址送DPTR JNB P1.0，L1 ；判断正反转状态 MOV P2，A ；反转第四个数码管显示 MOV A，#40H ；符号“－”的段码送到P0口 MOV P0，A LCALL Dlms ；调用延时1ms子程序 LI： MOV R2，#0lH ；正转第四个数码管不显示 MOV A，R2 L2： MOV P2，A ；从倒数第二个数码管开始显示 MOV A，@R0 MOVC A，@A+DPTR ；取出字形码 MOV P0，A ；送到P0口LED显示 ACALL Dlms ；调用延时1ms子程序 DEC R0 ；数据缓冲区地址向下移一位 MOV A，R2 JB ACC.2，LP1 ；第一个数码管显示了吗? RL A ；没有，位选左移一位 MOV R2，A AJMP L2 ；再次动态显示一次 LP1： RET TAB： DB 3FH，06H，5BH，4FH，66H，6DH DB 7DH，07H，7FH，6FH ；共阴极LED显示字形编码表 Dlms：MOV R7，#02H ；一秒延时子程序 DL： MOV R6，#0FFH DL1： DJNZ R6，DL1 DJNZ R7，DL RET HB2： CLR A ；二—十进制转换子程序 MOV R3，A MOV R4，A MOV R5，A MOV R2，#l0H HB3： CLR C MOV A，R7 RLC A MOV R7,A MOV A，R6 RLC A MOV R6，A MOV A，R5 ；R5中是个位数字 ADDC A，R5 DA A MOV R5，A MOV A，R4 ；R4中是十位数字 ADDC A，R4 DA A MOV R4，A MOV A，R3 ；R3中是百位数字 ADDC A，R3 DA A MOV R3，A DJNZ R2，HB3 ；判断是否转换完成 RET 第四部分 误差分析 测量误差是不可避免的，只有分析误差出现的原因才能对仪器进行标定和改造，就设计的系统而言，本电机转速测量装置的误差主要有四个方面。 1、传动误差 电机主轴和传感器的连接方式有可能引进误差。如果采用齿轮传动，只有齿间的啮合间隙会对正反转变换时有影响，但不会影响到转速的测量，因为电机转动不可能马上正反切换。如果采用皮带传动，因为皮带在突然加速或是减速时会有可能打滑，这样会导致测量误差。所以，不建议用皮带来来连接传感器。 2、传感器误差 A、对于转速检测系统，其性能好坏主要取决于准确性和分辨率。而准确性直接受到霍尔传感器性能的影响，这是因为霍尔传感器在制造过程中所形成的小磁铁的分割误差总是存在的。 B、由于测试环境的电磁干扰、传感器自身的影响,往往会含有多种频率成分的噪音信号。严重时,这种噪音信号会淹没待提取的输入信号, 造成测试系统无法获取被测信号。 3.转速测量方法的误差 M法测转速又称之为测频法，在实际的测量中，时间Tc内的脉冲个数不一定正好是整数，而且存在最大半个脉冲的误差。减小测量误差的方法是采用多个小磁针，使它的分辨率提高。并且对于给定的霍尔传感器在测量时间Tc条件下，转速越高，计数脉冲M1越大，误差也就越小。 4、单片机计数误差 该系统设计时是采用M法测转速，单片机定时采样接收到的脉冲数，我们把1秒分为20个50ms。每次采样的脉冲数都累加到R6、R7中，直到到1秒钟，再把总计数值送到显示缓存器中。 程序运用中断来调用显示，显示的期间单片机不计数，也就是说我们把1秒钟分为了不相连的20个50ms的段。由于不到一秒和到了一秒显示的时间不同，故而这个间隔也不是均等的。当电机处于加速或是减速时，这种不均匀就会带来误差。 此外，单片机在采样外部计数时也会存在误差，这种误差是随机的。有些脉冲正好在中断时到来，会因中断而丢失,但只丢失一个脉冲不会导致大的误差。 第五部分 设计 虽然自己比较喜欢学习电子，虽然自己已经学习了跟专业相关的大部分专业课，但是这次课程设计对于我来说仍然是一次挑战。要在短时间里完成元器件选择、传感器的选择，电路设计、程序设计、编写说明书不能不说是一件大工程。 本次课程设计让我收益匪浅，因为我查阅了很多资料，并通过这次课程设计，巩固了以前学习过的知识，对以前没有学好的知识点进行了加深。这次课程设计可以说是对以前的知识进行了一次大梳理，让我们收获颇多。 我的课程设计的题目是电机或机床转速的测量，只给了条件和要求，所有的思路，以及元器件的选择，还有单片机的编成都要自己来完成。所谓最难的是选择，因为可以实现的测转速的传感器有很多，我们小组讨论两天后，决定采用数字式传感器，便于后续处理。为了和其他同学不一样，我选择了霍尔传感器。因为测电机或机床的转速使用比较广泛的还是光电传感器。 传感器选好后，工作进程就进入电路的设计。方案的确定是根据题目的提示，方案确定后，基本上电路图的草稿已经出来。这学期刚好学完PROTEL画图软件，不过它不好用，我要重装了一个新版本Altium designer summer 08。但是事情并不是像想象中那样顺利，因为我第一次用这个软件，中间遇到了很多问题比如一些元器件找不到，命名的问题。我在图书馆借了相关的书一边学一边画，终于完成了电路原理图和PCB图。通过这次画图，我对原理图和PCB图的画法有了更深的体会。 另一方面，软件的设计也在同时进行，软件是用8051单片机实现计数，驱动显示等，设计程序是关键，运用学过的单片机，经过跟同组的其他同学讨论，完成了程序的设计。程序是系统的灵魂，它的好坏直接影响到我们设计的电路的工作情况。不过还有不足的地方，我用汇编语言编的程序，因为对C语言掌握的还不是很好。它比较麻烦且不易移植。所以我会利用暑假的时间好好学习C语言，来重新对软件进行优化设计。 经过这段时间的课程设计，我体会到用心做一件事是多么的快乐，有的时候在图书馆查资料，找到自己想要的答案，感觉挺充实的。这份说明书还不足以反应我们设计的成果，真正把它做出来，调试出来才是最终目标。总而言之，这次课程设计让自己学了很多东西，使自己收益匪浅。 参考文献 [1]秦曾煌，电工学上册、电工技术下册，电子技术[M]．北京：高等教育出版社.2004．(1)． [2]施文康，余晓芬．检测技术第二版[M]．北京：机械工业出版社. 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