1 绪论 1 绪论
1．1课题研究目的和意义
随着超大规模集成电路技术提高，尤其是单片机应用技术以其功能强大，价格低廉的显著特点，使全数字化测量转速系统得以广泛应用。由于单片机在测量转速方面具有体积小、性能强、成本低的特点，越来越受到企业用户的青睐。转速是工程中应用非常广泛的一个参数，其测量方法较多，而模拟量的采集和模拟处理一直是转速测量的主要方法，这种测量方技术已不能适应现代科技发展的要求，在测量范围和测量精度上，已不能满足大多数系统的使用。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。
常用的检测方法有机械式，光电式，霍尔式，频闪法，高压油管应变法等，本课题主要是针对智能转速测量系统的软件系统的设计。运用51系列单片机设计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。同时从实际硬件电路出发，分析电路的工作原理，根据仿真情况提出修改方案和解决办法。
本课题以单片机为核心，设计的全数字化测量转速系统，在工业控制和民用电器中都有较高使用价值。一方面它可以应用于工业控制中的某一部分，如数控车床的电机转速检测和控制、水泵流量控制以及需要利用转速检测来进行控制的许多场合，如车辆的里程表、车速表等。另一方面由于该转速测量系统采用全数字结构，因而可以很方便的和工业控制机进行连接，实行远程管理和控制，进一步提高现代化水平。并且，几乎不需做很大改变就能直接作为单独的产品使用。总之，转速测量系统的研究是一件非常有意义的课题[1]。
1．2转速测量在国内外研究情况
转速是能源设备与动力机械性能测试中的一个重要的特性参量，因为动力机械的许多特性参数是根据它们与转速的函数关系来确定的，例如压缩机的排气量、轴功率、内燃机的输出功率等等，而且动力机械的振动、管道气流脉动、各种工作零件的磨损状态等都与转速密切相关。
转速测量的方法很多，测量仪表的型式也多种多样，其使用条件和测量精度也各不相同。根据转速测量的工作方式可分为两大类：接触式转速测量仪表与非接触式转速测量仪表。前者在使用时必须与被测转轴直接接触，如离心式转速表、磁性转速表与测速发电机等；后者在使用时不需要与被测转轴接触,如光电式转速表、电子数字式转速表、闪光测速仪等。测量发动机转速的传统方法是使用光
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西安工业大学毕业设计（论文） 电式转速表测量。用这种方法测量时,既要在发动机转动轴上粘贴光标纸，又要求测量人员把转速表与光标纸的距离控制在很近的范围,测量十分不方便。随着科学技术的迅速发展,转速测量仪表已步入现代化、电子化的行列。过去曾经使用过的接触式测量仪表, 如离心式转速表、磁性转速表、微型发电机转速表及钟表是定时转速表，均已先后受到冷落；而利用已知频率的闪光与被测轴转速同步的方法来测速的闪光测速仪，虽属非接触式仪表，目前仍有应用,但也退居次要地位。代之而起的是非接触式的电子与数字化的测速仪表。这类转速仪表大多具有体积小、重量轻、读数准确、使用方便等优点，容易实现电脑荧屏显示和打印输出，能够连续的反映转速变化，既能测定发动机稳定情况下的平均转速,也能够用来在足够小的时间间隔这一特定条件下测定发动机的瞬时转速。
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，其各种参数在不同的应用中有其侧重，但转速测量系统作为普遍的应用在国民经济发展中，有重要的意义[2]。
1．3主要内容和存在的问题
1．3．1研究的主要内容
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”法以及周期频率“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[3]。
2.根据单片机硬件系统的设计，构建软件系统，分别对硬件系统的配置予以估计，使其能够对转速进行测量。同时分析接口电路，显示转速。
3.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，讨论测量精度的问题。
4.根据系统要求设置各控制字，用A51汇编语言编制程序，包括主程序流程，显示中断程序流程。并用软件的方法对计数和定时进行同步，力求在不增加硬件的条件下，使同步达到满意的效果。
5.利用Keil51软件的μVision3集成环境对系统对工作软件进行编译、调试和仿真。
1．3．2需解决的问题
1．单片机在系统运行过程中，中断设置问题； 2．转速测量及LED显示的实现； 3．键盘功能的实现； 4．软件的调试。
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2 基于单片机的转速测量方法及原理 2 基于单片机的转速测量方法及原理
2.1单片机测量转速的方法
转速是工程中应用非常广泛的一个参数，早期模拟量的模拟处理一直是作为转速测量的主要方法，这种测量方法在测量范围和测量精度上，已不能适应现代科技发展的要求。而随着大规模及超大规模集成电路技术的发展，数字测量系统得到普遍应用，利用单片机对脉冲数字信号的强大处理能力，应用全数字化的结构，使数字测量系统的越来越普及。在测量范围和测量精度方面都有极大的提高。下面对测量系统进行探讨。
一般转速测量系统有以下几个部分构成，转速测量框图如图2.1所示。 转显 速 整驱示 单 信形 动接显示 片号倍电口 机 拾频 路 芯 取 片 图2.1 转速测量框图
键盘 1．转速信号拾取
转速信号拾取是整个系统的前端通道，目的是将外界的非电参量，通过一定方式转换成电量，这一环节可以通过敏感元件、传感器或测量仪表等来实现。 2．整形和倍频
前向通道中，将传感器输出的信号转换成计算机输入要求的信号。 3．单片机
单片机是整个测量系统的主要部分，担负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，将测量的数据经计算后，将得到的转速值传送到显示接口中，用数码管显示数值。在本系统中考虑到计数的范围、使用的定时/计数器的个数及I/O口线，选用AT89C51单片机。 4．驱动和显示
由于LED数码管具有亮度高、可靠性好等特点，工业测控系统中常用LED数码管作为显示输出。本系统也采用数码管作显示。
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西安工业大学毕业设计（论文） 2.2转速测量原理
2.2.1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。用以采集数据的码盘，可以是单孔或多孔，对于单孔码盘测量两次脉冲间的时间，就可测出转述数据，TP也可以用时钟脉冲数来表示。对于多孔码盘，其测量的时间只是每转的1/N，N为码盘孔数。如图2.2“T”法脉宽测量所示。
TP通过定时器测得。定时器对时基脉冲(频率为fc)进行计数定时，在TP内计数值若为m2，则
计算公式为： n=60/PTp （2.1）
即：
n=60fc/Pm2 （2.2）
P-为转轴转一周脉冲发生器产生的脉冲数；
fc-为硬件产生的基准时钟脉冲频率：单位（Hz）； n-转速单位：（转/分）； m2-时基脉冲。
输入脉冲
时基脉冲
图2.2 “T”法脉宽测量
由 “T”法脉宽测量可知“T”法测量精度的误差主要有两个方面，一是两脉冲的上升沿触发时间不一致而产生的；二是计数和定时起始和关闭不一致而产生的。因此要求脉冲的上升沿（或下降沿）陡峭和计数和定时严格同步。测周法在低转速时精度较高，但随着转速的增加，精度变差，有小于一个脉冲的误差存在[5]。
2.2.2测频法“M法”
在一定测量时间T内，测量脉冲发生器（替代输入脉冲）产生的脉冲数m1
来测量转速，如图2.3“M”法测量转速脉冲所示，设在时间T内，转轴转过的弧度数为Xτ，则转速n可由下式表示：
n=60Xτ/2πT (2.3)
转轴转过的弧度数Xτ可用下式所示
Xτ=2πm1/p (2.4)
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图2.3 “M”法测量转速脉冲
将（2-4）式代入（2-3）式得 转速n的表达式为：
n=60m1/TP (2.5)
n-转速单位：（转/分）； T-定时时间单位：（秒）。
在该方法中，测量精度是由于定时时间T和脉冲不能保证严格同步，以及在T内能否正好测量外部脉冲的完整的周期，可能产生的1个脉冲的量化误差。因此，为了提高测量精度，T要有足够长的时间。定时时间可根据测量对象情况预先设置。设置的时间过长，可以提高精度，但在转速较快的情况下，所计的脉冲数增大（码盘孔数已定情况下），限制了转速测量的量程。而设置的时间过短，测量精度会受到一定的影响[6]。 2.2.3测频测周法M/T法
所谓测频测周法，即是综合了“T”法和“M”法分别对高、低转速具有的不同精度，利用各自的优点而产生的方法，精度位于两者之间，如图2.4“M/T”法定时/计数测量所示。
“M/T”法采用三个定时/计数器，同时对输入脉冲、高频脉冲（由振荡器产生）、及预设的定时时间进行定时和计数，m1反映转角，m2反映测速的准确时间，通过计算可得转速值n。该法在高速及低速时都具有相对较高的精度。测速时间Td由脉冲发生器脉冲来同步，即Td等于m1个脉冲周期。由图可见，从a点开始，计数器对m1和m2计数，到达b点，预定的测速时间时，计算机发出停止计数的指令，因为TC不一定正好等于整数个脉冲发生器脉冲周期，所以，计数器仍对高频脉冲继续计数，到达c点时，脉冲发生器脉冲的上升沿使计数器停止，这样，m2就代表了m1个脉冲周期的时间[7]。
“M/T”法综合了“T”和“M”两种方法，转速计算如下： 设高频脉冲的频率为fC，脉冲发生器每转发出P个脉冲，由式（2.2）和（2.5）可得M/T法转速计算公式为：
n=60fcm1/pm2 (2.6)
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