机床主轴测速课程设计

、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8051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、输出及显示。系统的框架图如图1:量光编器

增式电码细辨电四分向路分号接路

细信连电8051单片机LED显示量光编器

增式电码细辨电四分向路分号接路

细信连电8051单片机LED显示器图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：光源睡倒恍州"胃留转弑谴归―皓口A图2增量式光电编码器的组成-JU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

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：I图4增量式光电编码器中的转换电路路的两个输入信号。彳路的两个输入信号。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

3、四细分辨向电路路的两个输入信号。彳路的两个输入信号。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），当入发生正跳变时，由非门DGl、电肿1、电容61和与门DG3组成的单稳触发器输出窄脉冲信号A'，此时万为高电平，由与门和或门组成的与或非门DG5有计数脉冲输出；由于8为低电平。由与门和或门组成的与或门DG1O无计数脉冲输出。当8发生正跳变时，由非门DG6、电脓3、电枷3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，DG1O仍无计数脉冲输出。当入发生负跳变时，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矛，此时B为高电平，与或非门DG5有计数脉冲输出，DG1O无计数脉冲输出。当8发生负跳变时，由非597、电阻R4、电逐4和与门DG9组成的单稳触发器输出窄脉冲信号B'，此时I为高电平，与或非门DG5有计数脉冲输出，DG1O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'、矛、B四个计数脉冲，实现了四细

分。在传感器反相运动时，由TA、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I、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u、U经后续电路处理与单片机相连接。°1°2四细分电路后U、U的波形图如下，分为正向运动和反向运动，a）正向运动a）正向运动图6、正反转时u、b）反向运动U2的输出波形图A-1__1A」__11__1B|__||_」i——nbi__ilqnn_nqjnlnn&nnn—n__n—nnnnnnn%rrLnnrLTLnrmnnnnUq2innnnnnnnnnn4、细分信号连接电路细分信号整形电路用来把U、U的信号经过D触发器转换成°1°28051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U、U两者中的有效信号直接输入到8051单片机。细分信号整12形电路电路图如图7：

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，u输出矩形波，U输出高电平，由电路图容易得出P3.5输出与u相I同的脉冲波，。触发器在U1发出的矩形波脉冲下，由于时钟脉7此LK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，U输出高电平，U2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D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，应在如端加上开关使D触发器置位1状态。D触发器的逻辑状态表如表1所示DQnQn1功能000置010101置111表1、D触发器逻辑状态表5、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：—=——珏迥EJCD——言一I图9、.051单片机的端口，3S518051单片机复位及时钟脉冲信号电路如图10所示: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：GATE..C/TMl'MOGATEc疗MIMO"T1TO表2、共作模式寄存器TMOD的位定义其中，低4位用TT0,高4位用于口各位功能的介绍：(1)M1和M0:操作模式控制位。两位可形成种编码，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：MlMO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T0CP3.4）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INT0（或INT1）的电平是高还是低。GATE=1时，只有INT0（或INT1）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：TF1TR1TF0TROIE1IT1IE0ITC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。⑵TF0：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：外部中断而和INT0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，选定了以丁0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：L)*12216-X/*=100*10-3s6*106Hz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)=D8H

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“一”（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:b）共阴极a）显示器引脚图图11、b）共阴极由于为动态显示，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

8051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P

编码器脉冲编码器脉冲嫡码器脉冲(c)M/T法编码器脉冲编码器脉冲嫡码器脉冲(c)M/T法(a)M法(b)T法图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，则转速为：V60MN~PT。

课程设计中，增量式光电编码器每转脉冲数为15,通过四细分电路后传到8051单片机中去，选定固定时间为1s，因此通过公式可得，N=M，因此在is内经过四细分电路后在单片机中的脉冲数日即为机床主轴转动的转速。2、误差分析:机床主轴转动转速测量装置的误差主要来源于3个方面，分别为传动误差、计算方法及传感器误差、单片机误差。⑴、传动误差机床主轴和传感器连接方式引进的误差。不同的连接方面会带来不同的误差，这些误差或多或少的都会影响，通过选择合适的连接方式就可以尽可能的减小传动误差。⑵、计算方法及传感器误差由转速公式：N=60M给出因M的量化误差是1个脉冲，故转速变化:PT60（M土1）N=PT其相对误差为：AN1£==NM60M60（M土1）N=PT其相对误差为：AN1£==NM60M土丝=N+ANPTPT_NPTM=60*!_PTN£一相对误差n'一加入一个脉冲后的转速值AN一转速误差⑶单片机计数误差单片机定时采用把1秒分为10个100ms。每次采样的脉冲数都累加到R6、R7中，直到1秒钟，再把总计数送到显示缓存器中。程序运用中断来调用显示，即每采样100ms后显示转速。单片机在中断时由于有时间的延时，因此真正的时间有所变化，因此会产生误

差。当电机处于加速或是减速时，五、软件编程及程序流程图也会带来误差。1、软件编程主程序：ORG0000HAJMPMAINORG000BHMAIN：MOVSP，#60HMOVB，#0AH；寄存器B写10MOVTMOD，#51H；T0定时ls，模式1，每隔100ms中断次，十次为lsMOVTL0，#0B0H；赋定时器初值100msMOVTH0，#3CHMOVTLl，#00H；T1计数，初值为零MOVTH1，#00HSETBTR1；开定时器SETBTR0SETBET0SETBEA；开总中断SJMP$中断服务程序：ORG000BHSERVE：CLRTR0；关闭两定时器CLRTR1MOVA，TH1；计数器值高八位叠加到寄存器R6里ADDA，R6MOVR6，AMOVA，TL1；计数器值低八位叠加到寄存器R7里ADDA，R7MOVR7，AMOVR1，#64H；LED显示次数100次DJNZB，LOOP；判断是否中断了10次MOVB，#0AH；重新给B赋值10ACALLHB2；二、十进制转换LOOP：MOVR1，#64H；LED显示次数100次

MOVTMOD,#11H；T0模式不变，T1模式1,定时l0msLOOP1：MOVTH1,#0ECHMOVTL1,#78HSETBTR1JNBTF1,$CLRTF1ACALLDISDJNZR1,LOOP1CLRTR1MOVTMOD,#51HMOVTL1,#00HMOVTH1,#00HMOVTL0,#0B0HMOVTH0,#3CHSETBTRlSETBTR0RETI;定时器T1装初值定时10ms;开T1；等待T1溢出；清除T1溢出位;调用10ms次数据动态显示子程序；循环显示100次；关定时器T1,两个定时器回到初始模式；开启两定时器显示子程序：DIS：MOVA,R5MOV40H,AMOVA,R4MOV39H,AMOVA,R3MOV38H,AMOVR0,#40HDISl：MOVR2,#80HMOVA,R2MOVDPTR,#TABJBP1.0,L1MOVP2,AMOVA,#40HMOVP0,ALCALLDlms；将个位放入40H单元；将十位放入39H单元；将百位放入38H单元；显示数据首地址写入寄存器R0；位选信号“10000000”写到R2；字形表头地址送DPTR；判断正反转状态；反转第四个数码管显示；符号“一”的段码送到P0口；调用延时1ms子程序

LI：MOVR2,#0lH;正转第四个数码管不显示MOVA,R2L2：MOVP2,A;从倒数第二个数码管开始显示MOVA,@R0MOVCA,@A+DPTR;取出字形码MOVP0,A；送到P0口LED显示ACALLDlms;调用延时1ms子程序DECR0；数据缓冲区地址向下移一位MOVA,R2JBACC.2,LP1；第一个数码管显示了吗？RLA；没有，位选左移一位MOVR2,AAJMPL2；再次动态显示次LP1：RETTAB：DB3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DHDB7DH,07H,7FH,6FH；共阴极LED显示字形编码表Dims：MOVR7,#02H；1ms延时子程序DL：MOVR6,#0FFHDL1：DJNZR6,DL1DJNZR7,DLRETHB2：CLRA；二、十进制转换子程序MOVR3,AMOVR4,AMOVR5,AMOVR2,#l0HHB3：CLRCMOVA,R7RLCAMOVR7,AMOVA,R6RLCAMOVR6,AMOVA,R5；R5中是个位数字ADDCA,R5DAA

MOVR5,AMOVA,R4;R4中是十位数字ADDCA,R4DAAMOVR4,AMOVA,R3;R3中是百位数字ADDCA,R3DAAMOVR3,ADJNZR2,HB3;判断是否转换完成RET2、程序流程图：主程序流程图中断服务程序流程图显示子程序流程图:结束ACC.2=1?显示完了吗?P1.0=1?判定正反转[dis显示子程序YN（反转）个、十、百位数据写入40H、39H、结束ACC.2=1?显示完了吗?P1.0=1?判定正反转[dis显示子程序YN（反转）个、十、百位数据写入40H、39H、38H单元指向下一个缓冲单元（R0）—1点亮最右边的LED显示器送出“一”号段码显示控位信号左移一位首地址40H写入送出一位显示查表取字型码送位控制信取显示数据延时1ms延时1ms六、设计小结为期两周的课程设计，在忙碌中结束了，一边需要考试，一边还需要思考自己课程设计的题目。此次，我所获得的课程设计的题目为电机或机床主轴转速的测量。初次看到题目时，只能了解到我们需要做一个速度显示的装置，具体的细节则