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1、智能测速仪设计任务智能测速仪设计任务一、设计任务要求一、设计任务要求本设计任务采用 MCS51 系列单片机完成测量，并将测量值按精度要求显示于数码管上。转速测量问题实质上是转速传感器输出脉冲信号的频率测量问题，因此，在分析测速仪之前，先研究测频方法。二、总体方案总体方案智能仪器中常用的数字化测频方法主要有两种智能仪器中常用的数字化测频方法主要有两种：测频法和测周法测频法和测周法。并且做一个误差和实用分析1 1、测频法、测频法（1）原理测频法是按照频率的定义（即 fNt）对信号的频率进行测量的一种方法，其原理如图 1 所示。图中，在与门的两个输入端分别输入被测信号以及持续时间为 t 的高电平信号
2、。这样，只有在时间间隔 t 内，被测的脉冲信号才能通过与门。如果在这段时间内，计数器的计数值为 N，则被测信号的频率可表达为 fNt。图 1 测频法测量信号频率的原理图（2）误差分析由 fNt 可得f/f(f/N)N (f/t)t/f由于1/f t/N,f/N 1/t,f/t N/t2所以f/f N/N t/t考虑到极限情况，测频法相对误差的最大值为(f/f)max(N/N t/t)式中，f/f为测量频率时的相对误差；N/N为计数值的相对误差；t/t为与门开启时间的相对误差。下面首先分析N/N。在测量过程中，与门开启时刻与计数脉冲之间的时间关系是不相关的，即它们在时间轴上的相对位置是随机的。在
3、图 2 中，第一次与门的开闭时刻和被测计数脉冲随机配合的结果使计数器读数为 N；第二次与门的开闭时刻和被测计数脉冲配合与第一次不同，结果使计数器为 N+1。即两次读数相差一个脉冲。图 2 两次计数器读数相差一个脉冲图 3 测频法测量频率时的1 误差当与门开闭时间 t 与被测脉冲周期的整数倍相接近或相等时，测频法测量频率的最大可能误差为1，如图 3 所示。此误差常被称为“1 个字误差”或“1 误差”。1 误差对测量的影响为N/N 1/(tf)。这样，如果被测信号的频率f 一定，则增大测量时间t，可使N/N减小，从而减小由1 误差引起的对测频相对误差的影响。接着分析t/t。测频法的时间基准 t 一
4、般是由石英振荡器提供的标准频率经整形电路、分频电路后产生的。这样t/t与晶体振荡器的频率稳定度和整形电路、分频电路及与门的开关速度有关。随着微电子技术的发展，整形电路、分频电路和与门的速度所引起的误差已越来越小，可以认为t/t主要取决于晶体振荡器的稳定度，即t/t f0/f0 G式中，f0为晶振频率；G 为晶振稳定度。当适当选择石英晶体并使它处于良好的工作环境时，可以认为f/f主要取决于1 误差，即(f/f)max N/N 1/(ft)这样，在测量时间 t 一定的情况下，测量误差随被测信号频率的降低而增大。显然，当 f 较低时，应探讨采用别的测量方法。2 2、测周法、测周法（l）原理测周法是先
5、对信号的周期 T 进行测量，然后根据 f=1/T 而得到信号的频率。图 3 中，与门输入端之一为方波信号。在高电平期间（这段时间等于被测信号的周期），该与门另一输入端由标准频率源产生的脉冲信号f可以通过与门。这样，通过对与门输出端的脉冲计数，就可得到被测信号的周期 TN/f。换算成频率f f/N。（2）误差分析由f f/N可得f/f(f/f)f (f/N)N/f由于f/f 1/N,f/N f/N2,1/f N/f所以f/f f/f N/N考虑极限情况，测周法相对误差的最大值为(f/f)max(N/N f/f)式中，f/f为测量频率时的相对误差；N/N为计数值的相对误差；f/f为标准频率源的稳定
6、度。显然，上述表达式与测频法的误差表达式类似。式中NMAX 1，即“1误差”。1 误差对测量精度的影响可用下式表示N/N 1/N 1/(Tf)由上式可知，标准频率源产生的信号，其频率越高（即f越大），N/N越小，测量精度越高。由于此时计数器是对f计数，因此计数器可输入的信号的最高频率这一指标，对测量精度有直接影响（82542 计数频率可达 10Hz，比8253 高）。若f已确定，则被测信号的频率越低（即 T 越大），N/N越小，测量精度越高。因此，测周法测量信号频率时，适用于信号频率较低的场合。由于标准频率源产生的脉冲信号一般也是从石英晶体振荡器获得的。因此，如果在采取了适当措施之后，同样也可
7、以使f/f很小。所以，可以认为，f/f也仍然取决于1 误差。3 3、测频法和测周法之间中界频率的确定、测频法和测周法之间中界频率的确定由上述分析可知，测频法和测周法的原理相似。为使仪器具有较大的测量范围和较高的测量精度，往往同时采用测频法和测周法相结合的测量方法。无论是测频法还是测周法，都存在1 误差。使用测频法时，1 误差对测量产生的影响为N/N 1/(tf)，即它对测频的影响随被测频率 f 的增加而减小。因此，测频法适用于被测信号频率较高的场合。使用测周法时，1 误差对测量产生的影响为N/N 1/(Tf)f/f，即它对测频的影响随被测频率f 的增加而增大。因此，测周法适用于被测信号频率较低
8、的场合。上述分析表明：为保证最佳的测量精度，利用计数器测频时，如果被测频率较高，则应使用测频法；如果被测频率较低，则应使用测周法。显然，当使用测频法和测周法的1 误差的影响相等时，就提供了一个频率分界点中界频率f0。f0满足下述表达式1/(f0t)f0/f即f0(f/t)1/2式中，f为测周法时的标准频率（一般与计数器的最高输入频率有关）；t 为测频法时的测量时间（一般与允许的最大测量时间有关）。转轴等回转体转速的实时测量及数据处理（方案具体实现）转轴等回转体转速的实时测量及数据处理（方案具体实现）采用以 8031 单片机为核心的计算机检测系统，该系统用于过程控制和工业设备中对转轴等回转体转速
9、的实时测量及数据处理等，并可以作为智能仪表或集散型测控系统的子系统。1、系统的主要性能系统的测速范围为 69999r/min；系统自动根据转速范围调整测速方法，使相对误差始终小于0.1%；当转速超出设定范围时，系统将报警，且转速设定值可由小键盘输入；系统留有与上位机通信的软硬件接口，以便扩展使用功能。2、测量方法分析（1）转速测量原理为了提高测速精度，系统采用了两种测速方法。高速时采用测频率法，低速时采用测周期法。测频率法是在一定的定时时间内，采集旋转角编码器发出的计数脉冲的个数，然后计算出转速。测周期法是利用单片机内部的定时器在旋转角编码器发出的计数脉冲的一个或若干个周期内定时测出其周期，然
10、后计算出转速。开机时，首先按低速测量，然后判别转速，低于 360r/min 时按测周期法进行测量，高于此值后，则切换到测频率法测量，这样就保证了各种转速下的测速精度。转速测量可以采用接触式和非接触式方法，用于旋转体转速测量的传感器较多，如圆光栅、旋转角编码器、自整角电机以及光电式非接触式测量用的光敏元件等。本系统采用 360p/r 的旋转角编码器，转速在 3609999r/min 之间时采用测频法。转速计算公式如下：n 60Nr/min360T式中，N 为脉冲个数计算数值，T为定时周期（s）。其量化误差N 1，因此相对误差为1100%。N显然，N 越大，相对误差越小。因此，为了提高测速精度，应
11、该加大每次采集到的计数脉冲个数 N。而加大 N 必须加大定时周期T，这将导致测速系统的动态特性降低。为解决这个矛盾，在不同的转速范围应采用不同的定时周期：当转速在 3601800 r/min 之间时，相当于 630 r/s，则每秒发出 216010800 个计数脉冲，取T为 500ms，则每次可采集到 10805400 个脉冲，相对误差为11100%-100%，即 0.09%-0.018%；当转速在 18009999r/min 时，10805400取T为 100ms，则每次可采集到10806000 个脉冲，对应的相对误差为0.09%-0.017%。采用两种不同的定时时间，既保证了相对误差小于
12、0.1，又保证了在高速时系统的动态响应速度。工作时，用 CPU 内部定时器实现 100ms 的“基本定时”，再与软件计数器结合实现不同的采样周期。在低速时应采用测周期法。测周期法是在脉冲的上升沿到来时开始定时，脉冲的下降沿到来时停止定时。计算出定时时间再乘2 即为旋转一周的时间。MCS-51 单片机具有门控工作方式，通过指令使定时器 0 工作在门控工作方式，并将旋转角编码器的计数脉冲引到 8031 的外部中断输入引脚 INT0。这样，当计数脉冲上升沿到来时 INT0 为高电平，定时器 0 开始定时；当计数脉冲的下降沿到来时，INT0 转为低电平，定时器立即停止计数。读出定时器内的计数值再乘以单
13、片机的机器周期即可得到定时时间。转速计算公式如式为n 60r/min2 N T1360式中，N 为定时器计数值，T1为单片机机器周期（s），如 8031 的主频率为6 MHz，则 T1=2s。这里可知计算机的主频越高，测量精度越高。由上式确定的转速的相对误差仍为1所以定时计数值 N 越大越好。100%，N因此，转速在 630r/min 之间时，采用单周期测量；转速在 30120r/min 之间时采用 4 周期测量；转速在 120360r/min 之间时采用 8 周期测量，以保证相对误差不大于 0.1的要求。例如，n120r/min 相当于 2r/s，旋转角编码器每秒发出 720 个脉冲，脉冲周
14、期为 1388.8s，高电平时间为694.4s，采用4 周期测量，采样周期为694.44=2777.6s，由于 T1为 2s，所以计数值为 2777.6/21339，其相对误差为1100%0.07%。1339三、硬件原理图（软件框图）三、硬件原理图（软件框图）（2）测量法的自动切换测量法的切换由软硬件配合实现，这是保证本转速测量系统测量精度的关键。图 4 所示为旋转角编码器计数脉冲切换的硬件控制电路的原理图。图 4 计数脉冲通道切换原理电路其中，74LS373 为 8D 锁存器，74LS151 为 8 选 1 多路模拟开关。当 74LS373的 Q1端输出为 1 时，与门将计数脉冲引到 803
15、1 定时/计数器通道 0 的外部脉冲输入端 T0，系统采用测频率法测量。当74LS373 的 Q1端输出为 0 时，系统选通数据选择开关 74LS151 的使能控制端 S，使计数脉冲通过 74LS151 有选择地输入到 8031 的外部中断输入端 INT0，系统采用测周期法测量。在测周期法时，74LS373Q2、Q3、Q4端的输出控制 74LS151 的数据选择端 A、B、C，切换 Q2、Q3、Q4端的数值（000、100、010），可以选择将计数脉冲直接输入、4 分频输入、8 分频输入三种方式，即选择单周期、4 周期、8 周期测量。软件在每次计算出转速之后，立即与几个临界值比较，根据比较结果
16、向锁存器中写入相应的控制值。3、系统组成根据上述测量原理，可以设计如图 5 所示的系统的硬件电路。单片机8031、地址锁存器74LS373与程序存储器2764组成单片机最小系统。单片机 8031、显示数据锁存器 74LS273 与数码管 LED 以共阴极方式构成静态显示模块。系统工作时，由 8031 先将显示数据进行软件译码，分 4 次将显示字型数据写人锁存器。并行接口 8155、命令输入键盘、声光报警器构成控制与报警模块。旋转角编码器、计数脉冲输入通道选择电路、8031 计数器 T0口与外部中断INT0构成计数脉冲输入通道。由单片机串行口构成的与上位机的接口电路。（4）系统功能评价智能转速表
17、与传统测速表相比具有多方面的优点，主要表现在如下几个方面。测量范围大，且测量精度高。其测速范围达到 69999 r/min，但最大相对误差在任意速度段内均小于 0.l。智能测速表通过在测速过程中自动切换测速方法，很容易地实现了上述目标，如果用传统电路实现上述目标，电路将非常复杂且难以实现。具有越限报警功能，且可以通过键盘任意设定报警值，使用灵活。具有存储记忆功能，可以记录最大转速值、工作中超限次数等用户关心的重要数据。可以通过修改控制软件而改变系统功能，如改变测频率法时的采集周期、改变测周期法时的分频数，从而改变测速精度或动态响应速度。可以根据需要控制小型打印机、定时打印测速实验数据，也可通过
18、串行接口与上位机通信，实现更复杂的控制功能。扩展硬件的后向控制通道，增加软件的控制模块，可以很容易地扩展为闭环调速系统。五、设计总结五、设计总结本次课程设计测速仪方案，采用本次课程设计测速仪方案，采用 80318031 单片机为核心的检测系统，用旋转编码单片机为核心的检测系统，用旋转编码器作为接受回转体信号，高速时测频低速时测周法，从最大程度上减少误差，器作为接受回转体信号，高速时测频低速时测周法，从最大程度上减少误差，精度上满足要求。但在设计过程中，误差分析中和计数脉冲通道切换遇到了麻精度上满足要求。但在设计过程中，误差分析中和计数脉冲通道切换遇到了麻烦，但查阅了相关参考书，弄懂了其根本原理。整个设计体现了团队合作的精烦，但查阅了相关参考书，弄懂了其根本原理。整个设计体现了团队合作的精神，培养了设计的兴趣。神，培养了设计的兴趣。六、参考书目一览六、参考书目一览1张靖等检测技术与系统设计中国电力出版社，2001 年。2陈润泰检测技术与智能仪表中南工业大学出版社，1990 年。3徐爱均智能化测量控制仪表原理与设计航空航天大学出版社，1995 年目录目录一、一、设设计任务（要求）计任务（要求）二、二、总总体方案体方案三、三、四、四、五、五、六、六、硬件原理图硬件原理图软件框图软件框图设计感想设计感想参考书目一览参考书目一览