基于89C51的转速测量系统设计

发布于:2021-08-05 17:26:04

第 8 卷第 6 期 2008 年 11 月

潍坊学院学报 Jour nal of Weifang University

Vol. 8 No. 6 Nov. 2008

基于 89C51 的转速测量系统设计
宋国梅 ( 潍坊学院, 山东 摘 潍坊 261061)

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要: 转速测量的应用系统在工业生产、 科技教育、 民用电器等各领域的应用极为广泛, 往往成为某

一产品或控制系统的核心部分。本测量系统采用 89C51 单片机控制, 利用霍尔元件由转速产生的脉冲, 对 转速进行测量。因而可以很方便的和工业控制计算机进行连接, 实行远程管理和控制, 进一步提高现代化 水*。 关键词: 单片机; 转速测量; 光电编码器 中图分类号: T K401 文献标识码: A 文章编号: 1671- 4288( 2008) 06- 0032- 03 由转速公式: n= 60m1 给出 TP

转速是工程中应用非常广泛的一个参数, 其测 量方法较多, 模拟量的采集和模拟处理一直是转速 测量的主要方法。随着大规模及超大规模集成电路 技术的发展, 数字系统测量得到普遍应用, 特别是单 片机对脉冲数字信号的强大处理能力, 使得全数字 测量系统越来越普及, 其转速测量系统也可以用全 数字化处理, 在测量范围和测量精度方面都有极大 的提高。因此, 分析各种测量转速的基本方法, 针对 不同的应用环境, 利用 89C51 单片机实现一种全数 字化测速系统, 从提高测量精度的角度出发, 分析讨 论其产生误差的可能原因, 为今后的实际使用提供 借鉴。并从实际硬件电路出发, 分析电路工作原理 和软件流程。 1 基于单片机的转速测量原理 1. 1 单片机转速测量方法及误差和精度分析 就转速测量原理而言, 大体可分为三大类, 一是 用单位时间内测得物体的旋转角度来计算速度, 例 如在单位时间 内, 累 计转速 传感器 发出的 N 个 脉 冲, 即为该单位时间的速度。这种以测量频率来实 现测量转速的方法, 称测频法, 即/ M0法; 二是在给 定的角位移距离内, 通过测量这一角位移的时间来 进行测速的方法, 称测周法, 即/ T0法。第三种测量 方法, 即/ M/ T0法, 结合这两种方法的优点, 一方面 象/ M0法那样在对传感器发出的脉冲计数的同时, 也象/ T0法那样计取脉冲的时间, 通过计算即可 得 出转速值。 1. 2 误差和精度分析 1. 2. 1 / M0法测量误差分析

因 m1 的量化误差是 1 个脉冲, 故转速变化: n c= 60( m1 + 1) 60m1 60 = ? = n+ $n pT pT pT ( 1)

其相对误差为: E $n = 1 = n m1 npT 60 60 1 E = # pT n m= 式中 E- 相对误差 N- 加入一个脉冲后的转速值 n- 转速误差 由式( 4) 可知, E 随转速 n 增大而减小, 因此, 这 种方法适合于高速测量, 当转速越低, 产生的误差会 越大。 1. 2. 2 码盘刻度误差分析 原理上测量误差的来源主要有码盘刻线误差、 计数过程中的 ? 1 误差、 时间基准误差、 干扰造成的 误触发引起的误差。由于数字电路具有很强的抗干 扰能力, 干扰引起的测量误差可忽略; 时间基准采用 晶体振荡器, 误差小可以不计; 用码盘脉冲作捕获信 号, 码盘脉冲计数值中不含 ? 1 误差。因此码盘刻 线误差和标准时间计数值中的 ? 1 误差是影响测量 准确度的主要因素。 误差分析: ( 2) ( 3) ( 4)

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收稿日期: 2008- 04- 16 作者简介: 宋国梅( 1963- ) , 女, 山东潍坊人, 潍坊学院总务处研究实*员。

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第 6期

宋国梅: 基于 89C51 的转速测量系统设计

误差可看为两部分产生: E TC + X t t 式中 t - 实际测量时间 E ) 刻度误差 X t TC ) ? 1 误差 t ( 5)

3 系统程序设计流程 在完成初始化工作以后, 即循环等待, 每 1s 时 间到之后, T 1 中断程序将会读取 T0 中的计数值, 并将其放入约定的存 储单元中, 并且置位/ 要求计 算0的标志, 当该标志位为 1 时, 主程序即转入计算, 第一步将 16 进制数的结果转化为 BCD 码, 第二步, 将 BCD 码转化并送入显示缓冲区。系统主程序框

增大测量时间 t 有利于提高测量准确度。在动 图见图 2。 态性能许可的情况下, 应尽可能采用大的测量时间。 通常码盘脉冲倍频数可以是码盘输出脉冲数的整数 倍。在测量时间和码盘脉冲倍频数确定后, 确定标 准时间 T c 。以确保测量准确度为准。 在其他条件不变的情况下, 转速越高, 码盘刻线 误差越小; 反之, 刻线误差越大。实际测量时间 t 随 T c 的增大而增大。 2 转速测量硬件电路设计 一个单片机应用系统的硬件电路设计应包含有 两个部分内容: 第一是系统扩展, 即当单片机内部的功能单元, 如 ROM、 RAM、 O 口、 I/ 定时/ 计数器、 中断系统 等 容量不能满足应用系统要求时, 必须在片外进行扩 展, 选择适当的芯片, 设计相应的电路。 第二是系统配置, 即按照系统功能要求配置外 围设备, 如键盘、 显示器、 打印机、 A、 D 转换器 D/ A/ 等, 并设计相应的接口电路。因此, 系统的扩展和配 置应遵循下列原则: 尽可能选择典型电路, 并符合单片机的常规用 法。 系统的扩展与外围设备配置应满足系统功能的 要求, 并留有适当的余量以便进行二次开发。 硬件结构应与应用软件方案统一考虑, 软件能 实现的硬件功能尽可能用软件来实现, 但需注意的 是软件实现占用 CP U 的时间, 而且响应时间比硬件 长。 单片机外接电路较多时, 应考虑其驱动能力, 减 少芯片功耗, 降低总线负载。根据上述原则, 设计系 统见图 1。

图2

主程序流程图

4 技术指标分析 4. 1 测速范围 程序中, 采用的闸门时间是 1s, T 0 的最大计数 值是 65536, 因此, 最大的计数量应该是在 1s 内不超 过 65535, 这样, 即可算出最高计数频率。 设计数频率为 f, 其周期为 1/ f, 计到 65535 个数 据时, 所用时间为: T = 65535* 1/ f ( 1) 按上述要求: 当 T= 1s 时, 为极大值 1= 65536* 1/ f f= 65535( H z) ( 2) 本设计在实现时, 设采用了 12 点的码盘, 即 轴每转一周, 产生 12 个脉冲, 因此, 轴实际输出频率 为: f= 65535/ 12= 5460( H z) 折算到转速: r= f* 60= 327600r/ min 4. 2 测量误差 由式( 4) 可知 60 1 # E = pT n 这里 T = 1s, P = 12, 如果我们设定: E= 0. 1% , ) 33 )

图1

单片机转速测量系统原理框图

潍坊学 院学报

2008 年 11 月

那么可以计算出, n= 60/ 0. 012= 5000 时, 可以满足 此要求, 当 n 小于 5000 时, 误差将超出允许范围之 外。 5 结论 对单片机用于转速测量的理论、 原理进行了系 统的分析、 比较, 并对每种测量方法定性、 定量的予 以阐述, 设计了显示接口电路和应用程序。 5. 1 硬件电路 单片机用于转速测量种类较多, 方法各有不同, 在硬件设计上根据使用场合、 功能和要求, 采用的电 路也有差异, 单片机有 80C51 系列的 80C31、 80C51 等, 并对其进行扩展, 接口采用 8155、 8255 等用于显 ))) ))) ))) ) )) ) )) ) )) ) ))
参考文献:

示。本系统采用 89C51 单片机, 充分利用单片机内 部自带的两个 16 位定时/ 计数器进行设计, 较完全 的开发了单片机自身的功能, 接口利用了 89C51 的 P0 口具有较大的电流驱动能力的特点, 未扩展驱动 芯片, 直接由单片机驱动, 简化了硬件电路。有一定 的实用价值和较高的性价比, 可用于工业控制中的 转速检测、 民用电器及其他应用。 5. 2 测量方法 在测量原理上采用先进的/ M0的测量方法, 保 证了高转速的测量中获得较高的精度。应用范围广 泛, 可通过扩展进行二次开发。

[ 1] 何立民. MCS- 51 系列单 片机应用系统设计系统配置与接口技术[ M] . 北京 : 北京航空航天大学出版社, 1990. [ 2] 孙涵芳, 徐爱卿. 单片机原理及应用[ M] . 北京: 北京航空航天大学出 版社, 1996. [ 3] 何立民. 单片机应用文集[ M] . 北京: 北京航空航天大学出版社, 1992. [ 4] 朱家建. 单片机与可编程控制器[ M] . 北京: 高等教育出版社, 1998. [ 5] 王云亮. 电力电子技术[ M] . 北京: 电子工业出版社, 2004. [ 6] 郭兰英, 赵祥模. 微机原理及接口技术[ M] . 北京: 清华大学出版社 , 2006. [ 7] 唐 介. 电机与拖动[ M] . 北京: 高等教育出版社, 2003.

89C51 Based on t he Speed Measurement System Design
SONG Guo- mei ( Weifang University, Weifang 261061, China) Abstr act : Speed Measurement of applicat ions in indust rial pr oduct ion, science and technology educat ion, consumer electr onics and ot her fields of application is ext remely broad, oft en become a product or t he cor e of t he cont rol syst em. The measur ement syst em used 89C51 microcontr oller cont rol, the use of H all element s pr oduced by t he speed of t he pulse, t he speed measur ed. which can be easily and indust rial con2 t rol computer access, management and implement ation of remot e cont rol, furt her improve t he moderni2 zat ion level. Keywor ds: single- chip microprocessor, speed measurement , phot oelect ric encoder ( 责任编辑: 肖恩忠)

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