高分辨率转速测速仪设计
高分辨率转速测速仪设计[20200408102111]
摘要
电机转速是发动机的重要参数之一，也是计算电机其他参数的重要根据。电机转速不仅能够反映电机的运行状态而且能够根据电机的转速来进行电机的控制。所以对电机的转速进行测量就变得相当重要。
现在对电机转速进行测量的方法有离心式转速表测速，光电码盘测速，测速发电机测速和霍尔测速法。本实验采用光电码盘测速法，利用光电编码器通过连轴与电机相连，将电机的转速通过光电传感器转变成脉冲信号，由单片机进行中断采集信号，并进行计数再由数码管显示出来。从而得到电机的转速。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:电机转速高分辨率单片机光电编码器数码管显示;
目录
第一章 绪论 1
1.1课题研究背景 1
1.2 本文主要研究内容及文章结构安排 1
第二章 转速测试系统的组成及原理 4
2.1 高分辨率转速系统框图 4
2.2 转速测试原理和方法 4
2.3 其他测速方法简介 5
2.3.1 F/V法测速 5
2.3.2 M/T测速法 6
第三章 转速测试系统的硬件设计 8
3.1 脉冲信号产生装置 8
3.2光电编码器简介 8
3.3 系统显示电路的设计 9
3.3.1 单片机及其工作最小系统 9
3.3.2 锁存器及数码管显示 10
第四章 转速测试系统程序的设计 12
4.1 转速测试系统程序模块及流程图 12
4.2 数据采集与处理过程 15
4.3 数码管循环显示时间控制 15
第五章 转速测试系统硬件与软件调试 17
第六章 测试结果与分析 19
参考文献 20
附录 21
致谢 22
第一章 绪论
1.1课题研究背景
随着科技的进步和发展，电机转速的测量成为社会生产中一个重要的测量和控制对象。在一些工业的自动控制领域和某些智能设备应用上,?会经常的使用到电机转速的测量.?由于现在的驱动系统不断朝着数字化和智能化方的方向不断发展，因此转速的控制成为工业测量和控制控系统实现中的关键的一环。而如何对电机的转速进行测量从而实现对电机转速的高精度的控制成为现在电机应用的一个非常突出的问题。现在一般的测量方法是采用直流测速机法,?其所使用的原理是用被测速的电机拖动测速发电机,?然后就对测速发电机发电所产生的电压进行测量,?在将电压通过转换换算成转速.?但采用这种测速方法有以下几个主要缺点:?第一,?将测速发电机作为被测速电机的负载,?必然会对转速产生影响,?有可能在一定的情况下影响到测量的精度;?其次,?测速发电机发电所产生的电压是模拟量,?没办法直接和数字控制系统相连接,?必须得先经过A/?D?转换,?这样就会增加对系统进行控制的复杂程度;?最后,?由于制造工艺的限制,?测速发电机的性能要想有较大的提高有困难[1],?
随着计算机在社会各领域的渗透和发展，在电子技术飞速发展的今天，单片机的应用不断地走向深入。针对现在的这种情况,?本文设计以单片机为核心的高分辨率转速测量系统,，其相对于直流测速机具有测量精度高、体积小、性价比高等优点。单片机技术在自动控制领域有着广泛的应用，如汽车、航空航天、电话、传真、视频等。相当多的行业涉及自动控制的情况下将同时也涉及到单片机技术。电子产品的人性化和智能化的应用已经非常成熟，单片机其实就是一个微型中央处理器（MCU），通过编程即可完成很多智能化工作?，因此单片机的出现给现代电子技术智能化和微型化起到了很大的助推作用。随着人们生活水平的日益提高，社会经济的快速发展，人们对身体素质的提高越来越重视。臂如在火车、汽车、工厂等许多地方都会用到电机驱动，当然同时也要精确的知道它的转速，本设计就是通过测试电机的转速在某些场合甚至可以影响整个系统的性能，所以有时需要对电机转速进行实时监控，现在工程测量需要的要求的精度也越来越高。据此本设计将进行高分辨率电机转速测量。具体就是将电机转速的精确度提高至小数点后一位。所以采用的是增量型光电编码器与电机同轴，通过光电转换将电机轴上的机械几何位置转换成脉冲信号方便测量。
电机转速拖动系统在工业生产和农业的日常生活中是不可或缺的一个系统。测量转速的快速性和精度的准确性会直接的影响到自动控制设备的性能，所以提高测量精度的方法，减轻工作人员的工作负担，采取有效措施减少经济损失，保障工农业顺利进行等问题迫在眉睫。因此，电机高精度的测速系统研究与实现就具有了十分重要的现实意义[2]。
1.2 本文主要研究内容及文章结构安排
本文主要研究高分辨率电机转速的测量方法与实现，并实现电机转速的实时监测，从而知道电机的运行状态。测量电机转速的方法很多如利用测速电机，运用霍尔传感器测速，利用光电传感器测速等等，这些方法各有优缺点，本文主要研究的是运用光电传感器和单片机的结合使用实现电机转速的测量和监测。因为光电传感器的发展使得现在的光电传感器精度越来越高，同时其稳定性和抗干扰能力也越来越强。单片机的迅速发展也为高分辨率的电机测速的实现提供了可靠数据采集和处理能力。
本文各章内容安排如下
第一章总述介绍高分辨率电机测速课题研究的背景和发展现状，并提出本课题的主要研究内容和各章节安排。
第二章全面分析本课题实现的可能性。并分析测量电机转速的方法和原理。同时画出原理框图供后面的具体方法及实现提供思路和整体框架。
第三章通过前面的分析来设计硬件电路图。其中包含电机和传感器的连接，单片机采集和处理信号并显示电路设计。运用画图软件Altium Design 10将原理图画出并生成PCB板，再将PCB板子中的元器件通过布局和布线完成PCB的制作，以便后期的印刷PCB板。
第四章根据之前硬件的设计和焊接完成的PCB板子，完成软件设计，具体就是分析各系统模块如单片机最小系统模块，数码管显示模块等，列出程序的流程图。各模块编写子程序，最后编写主程序将子程序调用，实现功能。
第五章软件和硬件的调试。先进行硬件的测试，包括焊点焊接有无虚焊，各元件是否按原理图上画的元件放置，元件选择是否准确等。硬件测试完成确保无误，在开始进行软件的调试。将编写完成的程序烧写至单片机，通电测试功能并测试有无bug。
第六章总结与展望。对本课题给出结论并讨论此次设计方法的优点和不足，提出进一步改进的意见。
第二章 转速测试系统的组成及原理
2.1 高分辨率转速系统框图
本实验使用的电机为3000r/m的直流电机，光电编码器使用的是600p/r的增量式编码器，从而得到的输出脉冲为30000p/s。通过这种方法将测速的精度提高一位，可以精确到小数点后一位。单片机采用的是瑞萨的R8C/25，将编码器输出的信号通过中端口进行采集，再由单片机做信号的处理，将处理完的信号送给锁存器，在供给数码管进行转速显示。系统原理框图如下2.1
图2.1系统原理框图
2.2 转速测试原理和方法
测量电机转速的方法有很多种，基本有M法，T法，M/T法。M法测速更加适合于高转速测量，转速越低时，所产生的测量误差就会越大。T法测速更加适合用于低转速测量，转速越高时，此方法测速所产生测量误差就会越大。M/T法测量转速的方法产生的相对误差与转速n无关，只与所采用的单片机的晶体振荡所产生的脉冲有关，所以这种方法就可以适合各种转速下的测量。测量时为了保证测量的精度往往采用的方法就是增大定时的时间T，或者就是提高单片机时钟脉冲的频率f c。因此，在实际的测量过程中往往采用一种称为变M/T的测量方法，所谓的变M/T法，变M/T法就是在M/T法测速的基础上，让测量时间Tc恒定地等于转速的输入脉冲信号的周期之和。并根据上一次的所测得转速及时地调整下次预测时间Tc，同时需要兼顾高转速和低转速时的测量精度。基于M法测量转速，电路和程序都较为简单，且可以在一定的条件下满足精度的要求，所以本设计中采用M法进行测量。?M法就是在固定的测量时间内，计算光电编码器输出的矩形脉冲个数之和，从而可以计算出电机的转速。设固定的测量时间为Tc（S），计数器所记取的矩形脉冲个数为M，设脉冲传感器每转输出的矩形脉冲个数为P，对应的测量转速为N（r/m），所以f=P*N/60(Hz),在固定的测量时间Tc里得到的脉冲个数为M=Tc*f,因此，当测得脉冲信号M时，就可以计算出此时的电机转速即N=60M/(p *Tc)。
摘要
电机转速是发动机的重要参数之一，也是计算电机其他参数的重要根据。电机转速不仅能够反映电机的运行状态而且能够根据电机的转速来进行电机的控制。所以对电机的转速进行测量就变得相当重要。
现在对电机转速进行测量的方法有离心式转速表测速，光电码盘测速，测速发电机测速和霍尔测速法。本实验采用光电码盘测速法，利用光电编码器通过连轴与电机相连，将电机的转速通过光电传感器转变成脉冲信号，由单片机进行中断采集信号，并进行计数再由数码管显示出来。从而得到电机的转速。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:电机转速高分辨率单片机光电编码器数码管显示;
目录
第一章 绪论 1
1.1课题研究背景 1
1.2 本文主要研究内容及文章结构安排 1
第二章 转速测试系统的组成及原理 4
2.1 高分辨率转速系统框图 4
2.2 转速测试原理和方法 4
2.3 其他测速方法简介 5
2.3.1 F/V法测速 5
2.3.2 M/T测速法 6
第三章 转速测试系统的硬件设计 8
3.1 脉冲信号产生装置 8
3.2光电编码器简介 8
3.3 系统显示电路的设计 9
3.3.1 单片机及其工作最小系统 9
3.3.2 锁存器及数码管显示 10
第四章 转速测试系统程序的设计 12
4.1 转速测试系统程序模块及流程图 12
4.2 数据采集与处理过程 15
4.3 数码管循环显示时间控制 15
第五章 转速测试系统硬件与软件调试 17
第六章 测试结果与分析 19
参考文献 20
附录 21
致谢 22
第一章 绪论
1.1课题研究背景
随着科技的进步和发展，电机转速的测量成为社会生产中一个重要的测量和控制对象。在一些工业的自动控制领域和某些智能设备应用上,?会经常的使用到电机转速的测量.?由于现在的驱动系统不断朝着数字化和智能化方的方向不断发展，因此转速的控制成为工业测量和控制控系统实现中的关键的一环。而如何对电机的转速进行测量从而实现对电机转速的高精度的控制成为现在电机应用的一个非常突出的问题。现在一般的测量方法是采用直流测速机法,?其所使用的原理是用被测速的电机拖动测速发电机,?然后就对测速发电机发电所产生的电压进行测量,?在将电压通过转换换算成转速.?但采用这种测速方法有以下几个主要缺点:?第一,?将测速发电机作为被测速电机的负载,?必然会对转速产生影响,?有可能在一定的情况下影响到测量的精度;?其次,?测速发电机发电所产生的电压是模拟量,?没办法直接和数字控制系统相连接,?必须得先经过A/?D?转换,?这样就会增加对系统进行控制的复杂程度;?最后,?由于制造工艺的限制,?测速发电机的性能要想有较大的提高有困难[1],?
随着计算机在社会各领域的渗透和发展，在电子技术飞速发展的今天，单片机的应用不断地走向深入。针对现在的这种情况,?本文设计以单片机为核心的高分辨率转速测量系统,，其相对于直流测速机具有测量精度高、体积小、性价比高等优点。单片机技术在自动控制领域有着广泛的应用，如汽车、航空航天、电话、传真、视频等。相当多的行业涉及自动控制的情况下将同时也涉及到单片机技术。电子产品的人性化和智能化的应用已经非常成熟，单片机其实就是一个微型中央处理器（MCU），通过编程即可完成很多智能化工作?，因此单片机的出现给现代电子技术智能化和微型化起到了很大的助推作用。随着人们生活水平的日益提高，社会经济的快速发展，人们对身体素质的提高越来越重视。臂如在火车、汽车、工厂等许多地方都会用到电机驱动，当然同时也要精确的知道它的转速，本设计就是通过测试电机的转速在某些场合甚至可以影响整个系统的性能，所以有时需要对电机转速进行实时监控，现在工程测量需要的要求的精度也越来越高。据此本设计将进行高分辨率电机转速测量。具体就是将电机转速的精确度提高至小数点后一位。所以采用的是增量型光电编码器与电机同轴，通过光电转换将电机轴上的机械几何位置转换成脉冲信号方便测量。
电机转速拖动系统在工业生产和农业的日常生活中是不可或缺的一个系统。测量转速的快速性和精度的准确性会直接的影响到自动控制设备的性能，所以提高测量精度的方法，减轻工作人员的工作负担，采取有效措施减少经济损失，保障工农业顺利进行等问题迫在眉睫。因此，电机高精度的测速系统研究与实现就具有了十分重要的现实意义[2]。
1.2 本文主要研究内容及文章结构安排
本文主要研究高分辨率电机转速的测量方法与实现，并实现电机转速的实时监测，从而知道电机的运行状态。测量电机转速的方法很多如利用测速电机，运用霍尔传感器测速，利用光电传感器测速等等，这些方法各有优缺点，本文主要研究的是运用光电传感器和单片机的结合使用实现电机转速的测量和监测。因为光电传感器的发展使得现在的光电传感器精度越来越高，同时其稳定性和抗干扰能力也越来越强。单片机的迅速发展也为高分辨率的电机测速的实现提供了可靠数据采集和处理能力。
本文各章内容安排如下
第一章总述介绍高分辨率电机测速课题研究的背景和发展现状，并提出本课题的主要研究内容和各章节安排。
第二章全面分析本课题实现的可能性。并分析测量电机转速的方法和原理。同时画出原理框图供后面的具体方法及实现提供思路和整体框架。
第三章通过前面的分析来设计硬件电路图。其中包含电机和传感器的连接，单片机采集和处理信号并显示电路设计。运用画图软件Altium Design 10将原理图画出并生成PCB板，再将PCB板子中的元器件通过布局和布线完成PCB的制作，以便后期的印刷PCB板。
第四章根据之前硬件的设计和焊接完成的PCB板子，完成软件设计，具体就是分析各系统模块如单片机最小系统模块，数码管显示模块等，列出程序的流程图。各模块编写子程序，最后编写主程序将子程序调用，实现功能。
第五章软件和硬件的调试。先进行硬件的测试，包括焊点焊接有无虚焊，各元件是否按原理图上画的元件放置，元件选择是否准确等。硬件测试完成确保无误，在开始进行软件的调试。将编写完成的程序烧写至单片机，通电测试功能并测试有无bug。
第六章总结与展望。对本课题给出结论并讨论此次设计方法的优点和不足，提出进一步改进的意见。
第二章 转速测试系统的组成及原理
2.1 高分辨率转速系统框图
本实验使用的电机为3000r/m的直流电机，光电编码器使用的是600p/r的增量式编码器，从而得到的输出脉冲为30000p/s。通过这种方法将测速的精度提高一位，可以精确到小数点后一位。单片机采用的是瑞萨的R8C/25，将编码器输出的信号通过中端口进行采集，再由单片机做信号的处理，将处理完的信号送给锁存器，在供给数码管进行转速显示。系统原理框图如下2.1
图2.1系统原理框图
2.2 转速测试原理和方法
测量电机转速的方法有很多种，基本有M法，T法，M/T法。M法测速更加适合于高转速测量，转速越低时，所产生的测量误差就会越大。T法测速更加适合用于低转速测量，转速越高时，此方法测速所产生测量误差就会越大。M/T法测量转速的方法产生的相对误差与转速n无关，只与所采用的单片机的晶体振荡所产生的脉冲有关，所以这种方法就可以适合各种转速下的测量。测量时为了保证测量的精度往往采用的方法就是增大定时的时间T，或者就是提高单片机时钟脉冲的频率f c。因此，在实际的测量过程中往往采用一种称为变M/T的测量方法，所谓的变M/T法，变M/T法就是在M/T法测速的基础上，让测量时间Tc恒定地等于转速的输入脉冲信号的周期之和。并根据上一次的所测得转速及时地调整下次预测时间Tc，同时需要兼顾高转速和低转速时的测量精度。基于M法测量转速，电路和程序都较为简单，且可以在一定的条件下满足精度的要求，所以本设计中采用M法进行测量。?M法就是在固定的测量时间内，计算光电编码器输出的矩形脉冲个数之和，从而可以计算出电机的转速。设固定的测量时间为Tc（S），计数器所记取的矩形脉冲个数为M，设脉冲传感器每转输出的矩形脉冲个数为P，对应的测量转速为N（r/m），所以f=P*N/60(Hz),在固定的测量时间Tc里得到的脉冲个数为M=Tc*f,因此，当测得脉冲信号M时，就可以计算出此时的电机转速即N=60M/(p *Tc)。
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