测速仪设计报告

智能测速仪设计任务一、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。并且做一个误差和实用分析1、测频法（1）原理测频法是按照频率的定义（即f＝N／t）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。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f＝N／t。图1测频法测量信号频率的原理图（2）误差分析由f＝N／t可得fttfNNfff/])/()/[(/由于2//,/1/,//1tNtftNfNtf所以ttNNff///考虑到极限情况，测频法相对误差的最大值为)//()/(maxttNNff式中，ff/为测量频率时的相对误差；NN/为计数值的相对误差；tt/为与门开启时间的相对误差。下面首先分析NN/。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)/(1/tfNN。这样，如果被测信号的频率f一定，则增大测量时间t，可使NN/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tt/。测频法的时间基准t一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tt/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tt/主要取决于晶体振荡器的稳定度，即Gfftt00//式中，0f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ff/主要取决于±1误差，即)/(1/)/(maxftNNff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、测周法（l）原理测周法是先对信号的周期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T＝N/f。换算成频率Nff/。（2）误差分析由Nff/可得fNNffffff/])/()/[(/由于fNfNfNfNff//1,//,/1/2所以NNffff///考虑极限情况，测周法相对误差的最大值为)//()/(maxffNNff式中，ff/为测量频率时的相对误差；NN/为计数值的相对误差；ff/为标准频率源的稳定度。显然，上述表达式与测频法的误差表达式类似。式中1MAXN，即“±1误差”。±1误差对测量精度的影响可用下式表示)/(1/1/TfNNN由上式可知，标准频率源产生的信号，其频率越高（即f越大），NN/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（8254－2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），NN/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，同样也可以使ff/很小。所以，可以认为，ff/也仍然取决于±1误差。3、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)/(1/tfNN，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ffTfNN/)/(1/，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fftf/)/(100即2/10)/(tff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）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6－9999r/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360－9999r/min之间时采用测频法。转速计算公式如下：min/36060rTNn式中，N为脉冲个数计算数值，T为定时周期（s）。其量化误差1N，因此相对误差为%1001N。显然，N越大，相对误差越小。因此，为了提高测速精度，应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360－1800r/min之间时，相当于6－30r/s，则每秒发出2160－10800个计数脉冲，取T为500ms，则每次可采集到1080－5400个脉冲，相对误差为%10054001--%10010801，即0.09%-0.018%；当转速在1800－9999r/min时，取T为100ms，则每次可采集到1080－6000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片机的机器周期即可得到定时时间。转速计算公式如式为min/3602601rTNn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6MHz，则T1=2μs。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%1001N，所以定时计数值N越大越好。因此，转速在6－30r/min之间时，采用单周期测量；转速在30－120r/min之间时采用4周期测量；转速在120－360r/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，n＝120r/min相当于2r/s，旋转角编码器每秒发出720个脉冲，脉冲周期为1388.8μs，高电平时间为694.4μs，采用4周期测量，采样周期为694.4×4=2777.6μs，由于T1为2μs，所以计数值为2777.6/2≈1339，其相对误差为%07.0%10013391。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8031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。①测量范围大，且测量精度高。其测速范围达到6－9999r/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。②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。③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。④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。⑤可以根据需要控制小型打印机、定时打印测速实验数据，也可通过串行接口与上位机通信，实现更复杂的控制功能。⑤扩展硬件的后向控