机床主轴测速课程设计

1一、课程设计说明书设计课题：电机或机床主轴转速的测量（一路或两路），速度不高于己于1000转/分。查资料，选择合适的传感器，参考：编码器、圆光栅等。要求能够辨别方向，设计信号辨向和不低于4细分的电路。设计信号计数电路，设计单片机的信号采集电路及显示电路。计算显示当前转速，进行测量误差的简单分析。编写程序。设计电路图对应的PCB图(选做)。二、设计要求1、设计原理图，用计算机protell绘图。2、设计电路图对应的PCB图(选做)。3、传感器选择合理，电路正确。4、编写软件程序。5、提交完整的电路图6、提交PCB图(选做)7、提交不少于3000字的设计报告。包括设计思想，电路设计说明，程序。说明书中应有选用元器件引脚的说明（单片机除外）。三、设计步骤1、机床主轴转速测量的总体设计对机床主轴转速的测量通过设计滤波、细分辨相、信号计数电路，将增量式编码器与805l单片机相连，单片机与led数码管显示电路相连作为系统的硬件部分，软件编程实现转速测量、数据采集、输2出及显示。系统的框架图如图1：图1机床主轴转速测量系统图2、增量式光电编码器光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。光电编码器按其刻度方法及信号输出形式可分为：增量式、绝对式以及混合式三种。根据检测原理，编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式。本次课程设计在于测量机床主轴的转速，因此选用了增量式光电编码器，因为增量式编码器具有原理构造简单、易于实现；机械平均寿命长，可达到几万小时以上；分辨率高；抗干扰能力较强，信号传输距离较长，可靠性较高，并且跟8051的接口很容易连接。增量式光电编码器主要由光源、码盘、检测光栅、光电检测器件和转换电路组成，如图2所示：图2增量式光电编码器的组成码盘上刻有节距相等的辐射状透光缝隙，相邻两个透光缝隙之间代表一个增量周期；检测光栅上刻有A、B两组与码盘相对应的透光缝隙，用以通过或阻挡光源和光电检测器件之间的光线。它们的节距和码盘上的节距相等，并且两组透光缝隙错开1/4节距，使得光电检测器件输出的信号在相位上相差90°电度角。当码盘随着被测转轴转动时，检测光栅机床主轴增量式光电编码器四细分辨向电路细分信号连接电路8051单片机LED显示器3不动，光线透过码盘和检测光栅上的透过缝隙照射到光电检测器件上光电检测器件就输出两组相位相差90°电度角的近似于正弦波的电信号，电信号经过转换电路的信号处理，可以得到被测轴的速度信息。增量式光电编码器输出信号波形如图3所示。图3增量式光电编码器输出信号波形信号转换电路用来把近似正弦波的信号转变为方波，转换电路图如图4：图4增量式光电编码器中的转换电路通过转换电路的A、B信号，连接到四细分辨向电路中去，作为四细分辨向电路的两个输入信号。43、四细分辨向电路图5、四细分辨相电路图该电路(见图5)是利用单稳提取两路方波信号的边沿实现四细分的。A、B是两路相位差90°的方波信号，传感器正相移动时，设A导前B(如图6)，当A发生正跳变时，由非门DGl、电阻Rl、电容Cl和与门DG3组成的单稳触发器输出窄脉冲信号A′，此时B为高电平，由与门和或门组成的与或非门DG5有计数脉冲输出；由于B为低电平。由与门和或门组成的与或门DGlO无计数脉冲输出。当B发生正跳变时，由非门DG6、电阻R3、电容R3和与门DG8组成的单稳触发器输出窄脉冲信号B′，此时A为高电平，DG5有计数脉冲输出，DGlO仍无计数脉冲输出。当A发生负跳变时，由非门DG2、电阻R2、电容C2和与门DG4组成的单稳触发器输出窄脉冲信号/A，此时B为高电平，与或非门DG5有计数脉冲输出，DGlO无计数脉冲输出。当B发生负跳变时，由非门D97、电阻R4、电容C4和与门DG9组成的单稳触发器输出窄脉冲信号/B，此时A为高电平，与或非门DG5有计数脉冲输出，DGlO无计数脉冲输出。这样，在正向运动时，DG5在一个信号周期内依次输出A′，B′、/A、/B四个计数脉冲，实现了四细5分。在传感器反相运动时，由于A、B的相位关系发生变化，B导前A，这时DG10在一个信号内输出/A、B′、A′、/B四个计数脉冲，这四个计数脉冲分别出现在B、A、B、A为高电平的半周期内，同样实现了四细分。DG5、DGlO随运动方向的改变交替输出脉冲，输出信号1oU、2oU经后续电路处理与单片机相连接。四细分电路后1oU、2oU的波形图如下，分为正向运动和反向运动，如图7：a)正向运动b)反向运动图6、正反转时1oU、2oU的输出波形图4、细分信号连接电路细分信号整形电路用来把1oU、2oU的信号经过D触发器转换成8051单片机所能识别的信号，用来显示机床是正转还是反转，直接把1oU、2oU两者中的有效信号直接输入到8051单片机。细分信号整形电路电路图如图7：6图7细分信号连接电路该电路由一个D触发器和一个与门构成，当机轴正向旋转时，1oU输出矩形波,2oU输出高电平，由电路图容易得出P3．5输出与1oU相同的脉冲波，D触发器在1oU发出的矩形波脉冲下，由于时钟脉冲CLK端为高电平，Q端输出高电平，Q端输出低电平；当主轴反向旋转时，1oU输出高电平，2oU输出矩形波，同理P3．5端输出矩形波脉冲，由于D触发器的D端输入一直为0，因此无论时钟脉冲CLK怎么变化，Q端输出为低电平，Q端输出为高电平。Q端与8051单片机P1.0接口相连，Q端与8051单片机P1.1接口相连,在通过8051单片机编程判断出电机的正反转。D触发器的内部结构如图8所示：图8、D触发器内部结构7D触发器的逻辑功能：⑴D=0当时钟脉冲来到之前，即CLK=0时，G3、G4、G6的输出均为1，G5因输入端全为1而输出为0。这时，触发器的状态不变。当时钟脉冲从0上跳为1，即CLK=1时，G6、G5、G3的输出保持原状态未变，而G4因输入端全1其输出由1变为0。这个负脉冲一方面使基本触发器置0，同时反馈到G6的输入端，使在CLK=1期间不论D作何变化，触发器保持0状态不变。⑵D=1当CLK=0时，G3和G4的输出为1，G6的输出为0，G5的输出为1。这时，触发器的状态不变。当CLK=1时，G3的输出由1变为0。这个负脉冲一方面使基本触发器置1，同时反馈到G4和G5的输入端，使在CLK=1期间不论D作何变化，只能改变G6的输出状态，而其他门均保持不变，即触发器保持1状态不变。此次细分整形电路使用了在时钟脉冲CLK一直为1时，不论D作任何变化，触发器保持1状态不变，在D一直为0时，无论时钟脉冲CLK如何变化，触发器保持0状态不变。注：在电动机正转前，应在DS端加上开关使D触发器置位1状态。D触发器的逻辑状态表如表1所示DnQ1nQ功能00100置010111置1表1、D触发器逻辑状态表85、8051单片机Ⅰ、单片机端口及控制电路8051单片机通过细分信号连接电路与四细分辨向后的信号相连接，8051单片机通过单片机内部编程实现主轴转速的显示。8051单片机的端口图形如图9所示：图9、8051单片机的端口8051单片机复位及时钟脉冲信号电路如图10所示：9图10、8051单片机复位及时钟脉冲信号电路Ⅱ、单片机控制字设置及工作方式:1．工作模式寄存器TMOD定时／计数器的方式控制字TMOD，其地址为89H，复位值00H，不可位寻址。其8位控制内容如表2所示：表2、共作模式寄存器TMOD的位定义其中，低4位用于T0，高4位用于T1各位功能的介绍:⑴M1和M0：操作模式控制位。两位可形成4种编码，对应于4种操作模式（即4种电路结构），其操作模式如表3所示：M1MO工作模式功能描述00模式013位计数器01模式116位计数器10模式2自动再装入8位计数器11模式3定时器0；分成2个8位计数器定时器1；停止计数表3、M1和M0控制的4种工作模式⑵C/T：定时器/计数器方式选择位：C/T=0，设置为定时方式。定时器计数89C51片内脉冲，亦即对机器10周期（振荡周期的12倍）计数。C/T=1，设置为计数方式，计数器的输入时来自T0（P3.4）或T1（P3.5）端的外部脉冲。⑶GATE：门控位GATE=0时，只要用软件使TR0或TR1置1，就可以启动定时器，而不管0INT（或1INT）的电平是高还是低。GATE=1时，只有0INT（或1INT）引脚为高电平且由软件使TR0或TR1置1时，才能启动定时器工作。根据前面的描述，可以确定TMOD的控制字应为51H。程序中用：MOVTMOD，#51H将控制字送入TMOD。2．控制寄存器TCONTCON地址88H，复位值OOH，可进行位寻址还可以进行字节寻址。各位定义及格式如表4所示：表4、控制寄存器TCON的位定义TCON各位的作用如下：⑴TF1：T1溢出标志位。当T1溢出时，由硬件自动使中断触发器TF1置1，并向CPU申请中断。当CPU响应中断进入中断服务程序后，TF1又被硬件自动清0。TF1也可以用软件清0。11⑵TF0：T0溢出标志位。其功能和操作情况同TF1。⑶TR1：T1运行控制位。可通过软件置1或清0来启动后关闭T1。在程序中用指令“SETBTR1”使TR1位置1.，定时器T1便开始计数。⑷TR0：T0运行控制位。其功能机操作情况同TR1。⑸IE1、IT1、IE0和IT0：外部中断1INT和0INT请求及请求方式控制位。Ⅲ、定时器以及计数器的选择本课程设计中，选定了以T0作为定时器，T1作为计数器，根据P3.5端口输入脉冲的在由T0定时器规定的时间内所产生的信号个数判定机床主轴的转速，根据P1.0端口的信号判定机床主轴的转向。此次选定的固定时间为1s，因此在设定定时器时，考虑到了单片机直接定时为1s时，LED显示器的效果不好，也不能及时的了解机床主轴的转速。因此把T0定时器的时间设定为100ms，循环次数为10次，同时用考虑到LED显示器的情况，因此在此程序中，又设定了T1定时器的时间定时为10ms，在LED显示器中显示出来。在编写程序时，设定定时时间为100ms时，计数值X为：1636122*100*106*10XsHz求得：X=15536=3CB0H因此：（TL0）=B0H，（TH0）=3CH同理可得到在定时为10ms时，（TL1）=F0H，（TH1）=D8H12其中定时为100ms的编程程序为：MOVTL0,#B0HMOVTH0,#3CH6、LED显示器本课程设计要求机床主轴转速的范围在1000r/min一下，又要能够显示机床主轴的转动方向，因此需要使用四个LED显示器。前三个LED管分别显示百位、十位、个位，第四个LED管指示机床主轴的转动方向。当机床主轴正向旋转时，第四个LED管不显示，当机床主轴反向旋转时，第四个LED管显示符号“—”（g段发光二极管被点亮），LED管的7段显示器引脚配置以及选用的极性如图11所示：a）显示器引脚图b）共阴极图11、LED显示器引脚及共阴极图形由于为动态显示，只需要0~9这10个数字，因此共阴极7段LED显示字形编码表如表5:显示字符0123456789共阴极3F065B4F666D7D077F6F表5、共阴极字形编码表138051单片机与LED显示器的连接如图12所示：四、转速测量及误差分析1、转速测量：机床主轴转动速度的数字检测基本方法是利用与机床主轴同轴连接的光电脉冲发生器的输出脉冲频率与转速成正比的原理,根据脉冲发生器发出的脉冲速度和序列,测量转速和判别其转动方向。根据脉冲计数来实现转速测量的方法主要有:M法(测频法)、T法(测周期法)和MPT法(频率P周期法)。在图13中列出了3种常用的基于光电编码器的测速方法，假定时钟频率为f，光电编码器每转脉冲数为P14图13、常用测速方法原理图根据3种常用的基于光电编码器的原理图可知，又此次课程设计的转速范围为1000r/min一下为低速，最好是采用T法，但考虑到单片机的编程以及方便于数字显示，此次转速测量选用了M法。M法的测量原理为：通过测量一段时间间隔的编码器脉冲数来计算转速，如图13（a）所示，设在固定时间T内测得的编码器脉冲数位M，则