一种基于单片机的电机转速检测仪设计开题报告

毕业设计（论文）开题报告题目：一种基于单片机的电机转速检测仪设计专业：电子信息工程一、选题的背景、意义转速在工程实践里面是一个应用非常广泛的参数，它的测量方法有许多种，当前，转速测量的主要方法：模拟测量以及模拟处理技术。可是，这类方法已经不再适应现代科技发展的需求，因为在测量的范围和测量的精度上，它已经不能满足大多数系统的使用。伴随着大规模级的超大规模集成电路技术的不断发展，数字系统的测量系统已经达到了非常普遍的应用，特别是单片机对于脉冲数字信号强大的处理能力，使得全数字的测量系统越来越普及，在测量范围和测量精度上有着非常大的提高。国内外测量电机转速的方法有很多种。按照理论方法的不同，先后产生过一下几种：模拟测速法（例如离心式转速表）、同步测速法(例如闪光式频闪测速仪)、计数测速法。其中计数测速法又可分为：机械式的定时计数法和电子式的走时计数法。传统意义上的电机转速检测一般采用测速发电机或光电数字脉冲编码器，但也有采用其他方式的，例如：电磁式(利用电磁感应原理或可变磁阻的霍尔元件)、电容式(对高振荡进行幅值调制或频率调制)，以及一些特殊的测速器（利用基于置于旋转体之内的放射性材料来发生脉冲信号的）。其中应用最为广泛的是光电式。光电式测量系统具有傲性低、噪声低、分辨率高、精度高等优点加之激光光源、光学码盘、光栅、光导纤维等的相继出现和成功应用，使光电传感器在检测领域得到了非常广泛的应用。因为采用光电传感器制作的电机转速测量系统具有测量准确度高、采样速度快、测量范围宽以及测量精度和被测的转速无关等诸多优点，故而具有非常广阔的应用前景。当前检测电机转速的方法普遍都采用了以单片机为核心的方式。利用单片机对电机的转速进行测量不但精确度高而且非常简便。不但使系统的测量准确方便，还可以使得系统的检测进一步开发变的更为容易。而且该方式测速得到的数据准确、精度高，体积小、性价比高、使用非常方便。具有测量精度高，实时性好，显示直观等优点，因为其抗干扰能力较强，使用维护及安装较为方便，投资较为地节省，测速的效果也较好，故而尤其适合在测量的环境比较恶劣的情况下使用，因次该方法测速具有较高的实用价值和市场前景。基于单片机检测电机转速在工业的检测和民用的电器中都有很高的使用价值，转速测量系统一般都采用数字化结构，故而可以非常方便的和工业的控制计算机进行链接，从而能实现远程地管理，进一步地提高现代化的水平。伴随着现代化的生产规模不断地扩大，各个行业对测速方法德需求愈益地增加，并且对其性能也提出了更高的要求。研究并且制造出高性能、高可靠性的电机转速的检测系统具有十分重要的意义。二、相关研究的最新成果及动态从本世纪开始，国内外的电机检测系统正朝着高精度、高智能化，小型化等方面发展。目前，基于单片机的电机转速检测系统目前已经广泛地应用于数控机床、工业机器人等工厂的自动化设备中。智能化的转速测量可以对电机的转速进行高精度地自动测量，电机在运转的过程中，需对其平稳性进行监测，实时的转速测量可以有效地反映出电机的运转情况。而且它具有结构简单、运行可靠、功能齐全、成本低、体积小、测量范围宽等诸多优点。伴随着微型计算机的广泛应用，特别是高性价比的单片机地涌现。为了能精确地测量转速的同时还保证测量的实时性，转速测量普遍采用了以基于单片机为核心的数字式、智能化的微电脑代替了半机械式或模拟量结构。随着电子技术和计算机技术的持续发展,测量系统也逐步向着智能化转变。而且测量速度快、精度高、运行可靠，能满足人们对速度准确性和实时性的要求。当前，美国Microchip公司推出的PIC单片机系列，以其完善的性能、强大功能、开发应用方便、开机界面友好等突出的优点，在以单片机核心的电机转速检测等领域得到了广泛的应用。TI公司推出的16位MSP单片机系列以其电压低、功耗低、处理能力强等诸多优点在电机转速测量中得到了非常广泛的应用。用单片机为核心的电机转速检测系统具有功能强、体积小、可靠性高、应用简单灵活等一点。因此使用非常的广泛，它将强有力地推动各行各业的技术发展及更新换代。电机转速检测的系统采用基于单片机为核心的形式，可以节约人力资源和降低系统的成本，从而有效的提高工作的效率，能够实现复杂的测量。因其灵活性和适应性好，无零点漂移，测量精密高，故而能够提供人机界面，多机联网工作等。利用单片机对电机的转速来进行测量具有测速准确、精度高、体积小、性价比高、使用方便等优点，因而具有较高的实用价值及市场前景。今后各行各业对其需求将会日益地增加。电机转速检测的发展将会受到越来越多用户的关注，随着市场对其需求的不断增加，电机转速检测正朝着高智能化，高精确，高稳定性等方向发展。当前强大的系统功能、丰富的外围资源、良好的开发界面和在线的调试功能，无疑会引领单片机检测电机转速引入一个新的时代。3课题的研究内容及拟采取的研究方法（技术路线）、研究难点及预期达到的目标1.研究内容： 设计一种用8051单片机实现的电机转速检测的装置，研究转速测量的原理及检测系统的软硬件设计，能够保证在高速、低速轮速测量的精度，使得在低速测量时有很好的实时性，具有应用价值。2.技术目标：以AT89C52单片机作为核心控制单元，设计包括以下：

a).硬件电路的设计。包括测量电路，调理电路，AD采样电路，控制单元电路、输出电路，电源模块等。

b).通过对单片机编程，在LCD液晶上实现测量信号的动态实时显示，显示转速等相关参数。

3.研究方法目前测量转速的方法主要有三种：1、测周期法（T法）转速可以用两脉冲产生的间隔宽度Tp来决定，用来采集数据的叶片，一般有很多扇叶片。如果有N个扇叶片，那么测量的时间是每转的1/N。如图2.2所示，就是T法脉宽测最。Tp通过定时器测得，定时器对时基脉冲(频率为fe)进行计数定时，在Tp内计数值若为m2，那么计算公式为：P为转轴转一周脉冲发生器发生的脉冲数fc为硬件牛产生的时基脉冲频率，单位为HzN为转速，单位：rpmM2为时基脉冲由上图2.2可知，T法测量的精度误差主要有两个方面：两脉冲的上升沿触发时间不一致；计数和定时不一致。这种方法在测量低转速时精度很高，但随着转速增加，精度会慢慢变差。2、测频法(M法)在一定测量时间T内，测量脉冲发生器所产生的脉冲数ml来测量转速。测量精度由于定时时间T和脉冲不能保证严格同步，以及在T内也许不能测量外部脉冲的完整周期，产生的一个脉冲具有量化变差。因此，为了提高测量的精度，T要足够的长，定时时间可以根据测量的对象情况来预先设置。3、测频测周期法(M/T法)所谓的测频测周期法，就是综合了T、M法分别对高、低转速测量。利用各自的优点而产生的方法，精度高于两者之间。考虑到传感器的结构、安装以及测速的范围和环境条件等方面的适用性；以及二次仪表的要求，显示以及控制、通讯、远传方面的要求，利用传感器来对电机转速进行采集。目前可以采用霍尔传感器的测量方案和光电传感器的测量方案。1、霍尔传感器测量方案：霍尔传感器是利用霍尔效应来进行工作，其核心的元件是根据霍尔效应的原理所制成的霍尔元件。由霍尔效应原理可知：霍尔片处于磁场中，并且在垂直于磁场的方向上通以电流时，霍尔片上和电流与磁场垂直的方向将会产生霍尔电势差V=KBI，当通过霍尔片的电流恒定不变时，改变磁场的大小，就可以改变霍尔电势差。在电机的外壳附近的漏磁通会因电枢转动而引起变化。由于传感器的输出电压信号稳定。所以只要磁场存在，霍尔元件总是能产生相同大小的电压。即使在低转速的情况下，仍能获得较高的检测准确度。并且输出电压的信号的大小和转速无关，转子转动的过程中引起的定子磁通会发生变化，霍尔元件输出的信号无需经过放大，可以整形后直接送入单片机来进行处理，从而得到电机转速。将传感器与绕组相连，当电机开始转动时，传感器会输出脉冲，脉冲个数取决于绕组数，采集的信号经过信号处理之后就可以直接送给单片机，经过单片机处理之后，送LCD进行显示。2、光电传感器测量方案：整个的测量系统的组成框图如图2.6所示。从图中可见，转子由一直流的调速电机驱动，可以实现较大转速范围内的无级调速。转速信号由光电传感器拾取，使用时应该先在转子上做好光电标记，具体办法可以是：将转子表面擦干净后再用黑漆(或黑色的胶布)全部涂黑，再将一块反光材料贴在其上作为光电标记，然后将光电传感器(光电头)固定在正对光电标记的某一个适当的距离处。光电头采用低功耗高亮度的LCD，光源是高可靠性的可见红光，无论黑夜还是白天还是背景光较有很大范围的改变都不会影响接收的效果。光电头包含有前置的电路，输出0一5V的脉冲信号。接到单片机89C51的相应管脚上，通过89C51内部定时/计数器T0、T1及相应的程序设计，组成一个数字式的转速的测量系统。光电传感器的方案：线性度好、噪音小、分辨率高、精度高。霍尔传感器：结构简单，量程大，测量装置体积小，环境适应能力强，霍尔元件输出的信号无需经过放大，就可以直接整形后送入单片机进行处理而得到电机的转速，但采用霍尔传感器在信号采样的时候，会出现采样不精确。因为它是靠磁性感应采集脉冲的，使用时间长了就会出现磁性变小的情况，严重影响脉冲的采样精度。综合以上所诉，转速测量系统采用以下几个部分组成：转速信号采集、整形和倍频、单片机、频率计、驱动电路、显示部分。采集的信号经过信号处理之后传送给单片机，再经过单片机处理之后，由LCD进行显示。1、转速信号采集转速信号采集时整个系统的前端通道，目的就是将外界的非电参量通过一种特定方式转换成电量，这一环节可以通过传感器来实现。方法如下：将敏感元件和相应的测量电路、传递机构用适当的形式制成不同的类型、不同用处的传感器，再根据原理输出电量。该电量可以是模拟量、数字量、开关量。2、整形、倍频前向的通道中，从传感器输出的信号必须经过转换成计算机输入锁要求的信号，因为信号的调节电路与传感器的选择、现场的干扰程度等，都会影响信号的质量。而脉冲信号的上升沿和下降沿对数字电路的触发更为重要。因此，一般需要先对信号进行整形。而倍频电路主要用于解决低转速时测量的精度问题。3、单片机单片机是整个测量系统的核心部分，担负着对前端，脉冲信号的处理、计算、以及信号的同步、计时等任务。其次，将测量的数据经过计算之后，把得到的转速值送LCD进行显示。4、驱动电路主电路和控制电路之间，用来对控制电路的信号进行放大的中间电路（即放大控制电路的信号使其能够驱动功率晶体管）5，显示由于LCD液晶具有高亮度，可靠性好等优点，工业测速系统中，常用LCD液晶作为显示输出。3.技术难点：1.系统的整合。2.高精度转速测量。4.预期目标：针对系统需求进行硬件设计，绘制系统原理图并根据原理图设计PCB板，完成整个硬件系统的搭建及系统调试工作。研究单片机的体系结构、汇编指令集及使用单片机的开发工具链、编程与调试环境进行开发调试。将系统进行整体的调试，并加以改进，保证系统能正常运行。4研究工作详细工作进度和安排1）2010年12月1日--2011年1月10日

阅读相关文献，查找、分析资料，完成开题报告、文献综述、外文翻译的撰写

2）2011年2月28日--3月5日，明确功能需求与性能需求

3）2011年3月5日--4月15日

进行总体设计，对系统各模块功能设计

4）2011年4月15日--5月31日

完成毕业论文撰写

5）2011年5月27日--5月29日

论文答辩5参考文献[1].何立民.单片机应用技术选编.北京：北京航空航天大学出版社，1997，10[2].张有德.单片微机原理、应用与实验.上海:复旦大学出版社，1997，8[3].李朝青.单片机&DSP外围数字IC技术手册.北京:北京航空航天大学出版社，1998，4[4].梁廷贵、王裕琛.现代集成电路实用手册.北京:科学技术文献出版社，1999，6[5].于海生.微型计算机控制技术选编.北京：清华大学出版社，1999.3[6].徐爱钧.智能化测量控制仪表原理与设计.北京：北京航空航天大学出版社，1995.11[7].周兴华.手把手教你学单片机.北京：北京航空航天大学出版社，1996，7[8].神龙工作室.Protel2004实用培训教程.北京：人民邮电出版社，1995，1[9].扈啸，周旭升编著.单片机数据通信技术从入门到精通.西安：西安电子科技大学出版社，2002，9[10]肖斌.高精确度数字式转速测量技术的研究[J].华北航