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基于单片机的转速测量的研究与设计说明.doc
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2022-05-31
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基于单片机的转速测量的研究与设计说明.doc
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摘 要
在工程实践中,经常碰到需要测量转速的场合,而单片机作
为一款性价比很高的微控制器在测速系统有着广泛的应用。首先,
本文叙述了单片机测量转速的系统构成与转速测量的几种常用方
法。其次,介绍了一种基于 89C51 单片机的电动机测速系统,
该系统利用霍尔传感器产生脉冲信号,通过定时算法程序,将转
速结果实时显示出来。最后,对测量指标进行了分析、比较并提
出改进方案。
关键词:单片机;转速测量;霍尔传感器
I / 29

目 录
摘 要.................................................................................................................................I
目 录...............................................................................................................................II
第一章 绪论....................................................................................................................1
1.1 关于单片机测控系统.............................................................................................................. 1
1.2 数字式转速测量系统的发展背景..........................................................................................2
1.3 课题主要容和存在的问题与研究目的和意义.......................................................................3
1.3.1 课题研究目的和意义................................................................................................................3
1.3.2 研究的主要容............................................................................................................................3
1.3.3 需解决的问题............................................................................................................................3
第二章 基于单片机的转速测量原理............................................................................5
2.1 转速的测量原理......................................................................................................................5
2.2 转速的测量方法......................................................................................................................6
2.2.1 测频法“M 法”.............................................................................................................................6
2.2.2 测周期法“T 法”..........................................................................................................................7
2.2.3 测频测周法 M/T 法...................................................................................................................8
2.3 误差和精度分析......................................................................................................................8
2.3.1“M 法”测量误差分析.................................................................................................................8
2.3.2“T 法”测量误差分析...................................................................................................................9
2.3.3“M/T 法”测量误差分析............................................................................................................10
第三章 电机转速测量电路设计..................................................................................10
3.1 硬件电路设计........................................................................................................................10
3.2 电路工作原理分析................................................................................................................11
第四章 系统程序设计..................................................................................................15
4.1 程序设计................................................................................................................................ 15
4.1.1 工作方式与控制字设置..........................................................................................................16
4.2 结果分析和有待解决的问题................................................................................................19
结论...............................................................................................................................21
致...................................................................................................................................22
参考文献.......................................................................................................................23
附录 1 原理图................................................................................................................24
II / 29

第一章 绪论
1.1 关于单片机测控系统
目前,随着芯片技术与单片机功能的不断发展和成熟,单片
机技术已经在工业控制系统中得到广泛的应用。如气轮机电液调
节系统、调速系统等。典型的应用系统是单片机要完成工业测控
功能所必须具备的硬件结构系统,它包括系统扩展和系统配置两
部分容。单片机测控系统组成框图如 1-1 所示,整个系统由基
本部分(键盘、显示器配置)和测控增强部分(传感器接口与伺
服驱动控制接口)构成。
图 1-1 单片机测控系统组成框图
对 于 数 字 量 ( 频 率 、 周 期 、 相 位 、 计 数 ) 的 采 集 后 可 通 过
I/O 口输入,数字脉冲可直接作为计数输入、测试输入、 I/O 口
输入或中断源输入进行事件计数、定时计数、实现脉冲的频率、
相位与计数测量。对于模拟量的采集,则应通过 A/D 变换后送
入总线口,I/O 口或扩展 I/O 口,并配以相应的 A/D 转换控制信
号与地址线。对于开关量的采集则一般通过 I/O 口或扩展 I/O 口
线。应用系统可根据任何一种输入条件或部运行结果进行输出控
1 / 29

制。开关量输出控制有时序开关、逻辑开关、信号开关阵列等,
通常,这些开关量也是通过 I/O 口或扩展 I/O 口输出。模拟量的
输出常为伺服驱动控制,控制输出通过 D/A 变换后送入伺服驱
动电路。与上位机进行通 讯 的 RS232 , RS485 串行口、 微型
打印机等常规外设为纯数字信号大都可直接与单片机的数据线或
通讯口相连,其标准性和通用性很强,应用十分方便。
1.2 数字式转速测量系统的发展背景
目前国外测量电机转速的方法有很多,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
电动势计算所得),通风部测速法(如机械式或闪光式频闪式测
速仪)以与计数测速法。计数测速法有可分为机械式定时计数法
或电子式定时计数法。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,光电式测系统
具有低惯性、低噪音、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、采用速度快、测量围
宽和测量精度与被测转速无光等优点,具有广阔的应用前景。
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1.3 课题主要容和存在的问题与研究目的和意义
1.3.1 课题研究目的和意义
在工程实践中,经常会遇到各种需要测量转速的场合,例如
在发动机、电动机、卷扬机、机床主轴等旋转设备的实验、运转
和控制中,常常需要分时或连续测量和显示其转速与瞬时转速。
要测速,首先要解决的采样问题。在使用测速表时,常用测速发
电机的方法,即将测速发电机的转轴与待测轴相连,测速发电机
的电压高低反映了转速的高低。为了能精确地测量转速外,还要
保证测量的实时性,即要求能测得瞬时转速。因此转速的测试具
有重要的意义。
1.3.2 研究的主要容
1.详细分析转速的测量理论,对转速的周期测量法“ T”法、频
率测量法“M”法以与周期频率“M/T”测量法,三种具体测量方法
的转速计算、各自的测量精度和误差进行阐述。定性地比较三种
方法所针对的转速特征,分析高、中、低转速情况下各自的适用
状况,从而,在保持一定的测量精度情况下,应用“M”法,说明
转速测量原理。
2.根据单片机系统的设计原则,对电动机提出测量方案,构
建硬件系统。同时分析接口电路,显示转速。
3. 根据设计要求对单片机定时 /计数器进行设置,设计和说
明定时/计数器在“M”法测量中的作用和使用方法,用 C 语言编
制程序,包括主程序流程,显示中断程序流程。
1.3.3 需解决的问题
1.单片机在系统运行过程中,中断设置问题
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