洛阳理工学院运动控制系统课程设计MT法测速

运动控制系统课程设计学号：姓名：日期：

M法、T法、M/T法测速单片机程序设计摘要数字测速具有测速精度高、分辨能力强、受器件影响小等优点，被广泛应用于调速高，调速范围大的调速系统和伺服系统。本设计的数字转速测量是以单片机AT89C52为控制芯片，利用单片机三个定时器的特点，可以使用按键输入来调整M法、T法测速法中Z、TC等参数以及测速方法的选择，以此来增强本设计的适应性，运用转速测量M法、T法、M/T法，通过对光电编码盘输出的脉冲信号测量，获得电动机转速测量，有精度高，范围宽等特点。测量结果将会显示在LCD1602液晶显示屏上。关键词：数字测速，单片机，LCD1602，转速，测速法目录第1章绪论 51.1数字测速方法的原理与应用 51.1.1M法测速 51.1.2T法测速 61.1.3M/T法测速 6第2章系统总体设计 8第3章硬件设计 93.1硬件选型 93.1.1CPU主控模块的选型 9显示器的选型 103.2硬件电路设计 10时钟电路的设计 10显示电路 10速度检测电路 11按键输入电路 11复位电路 12第4章软件设计 134.1系统流程 134.1.1主程序流程设计 134.1.2M法测速程序设计 144.1.3T法测速程序设计 15M/T法测速程序设计 15第5章仿真结果 175.1测速功能仿真测试 175.1.1建立仿真文件 175.1.2测速功能测试 185.2仿真结果分析 19结论 20参考文献 21附录 22第1章绪论数字测速方法的原理与应用1.1.1M法测速在一定时间TC内测取旋转编码器输出的脉冲个数M1用以计算这段时间内的转速,称作M法测速。把M1除以TC就可得到旋转编码器输出脉冲的频率f1=M1/TC，所以又称为频率法。M法是测量单位时间内的脉数换算成频率，因存在测量时间内首尾的半个脉冲问题，可能会有2个脉的误差。速度较低时，因测量时间内的脉冲数变少，误差所占的比例会变大，所以M法宜测量高速。如要降低测量的速度下限，可以提高编码器线数或加大测量的单位时间，使用一次采集的脉冲数尽可能多。计算公式为：时钟Z=倍频系数x编码器光栅数。M法测速的分辨率：M法测速误差率：在上式中，Z和TC均为常值，因此转速n正比于脉冲个数。高速时M1大，量化误差较小，随着转速的降低误差增大。所以，M法测速只适用于高速段。1.1.2T法测速T法测速是测出旋转编码器两个输出脉冲之间的间隔时间来计算转速，它又成为周期法测速。T法是测量两个脉冲之间的时间换算成周期，从而得到频率。因存在半个时间单位的问题，可能会有1个时间单位的误差。速度较高时，测得的周期较小，误差所占的比例变大，所以T法宜测量低速。如要增加速度测量的上限，可以减小编码器的脉冲数，或使用更小更精确的计时单位，使一次测量的时间值尽可能大。计算公式为：T法测速的分辨率：Ｔ法测速误差率：低速时，编码器相邻脉冲间隔时间长，测得的高频时钟脉冲个数M2多，所以误差率小，测速精度高，故T法测速适用于低速段。1.1.3M/T法测速在M法测速中，随着电动机的转速的降低，计数值M1减少，测速装置的分辨能力变差，测速误差增大。如果速度过低，M1将小于1，测速装置便不能正常工作。T法测速正好相反，随着电动机转速的增加，计算值M2减小，测速装置的分辨能力越来越差。综合这两种测速方法的特点，产生了M/T法测速。它无论在高速还是在低速时都具有较高的分辨力和检测精度。M/T法采用三个定时/计数器，同时对输入脉冲、高频脉冲、及预设的定时时间进行定时和计数，M1反映转角，M2反映测速的准却时间，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1-1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，单片机发出停止计数指令，因为TC不一定正好等于整数个脉冲发生器脉冲周期，所以，计数器仍然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个脉冲在周期时间。转速角可表示为：θ检测周期可写成：T综合二式可求出被测得转速为：nn—转速值，单位：（转/分）；f0—晶体震荡频率，单位：HZ；M1—输入脉冲数，反映转角；M2—时基脉冲数。图1-1M/T法定时/计数测量第2章系统总体设计设计一个基于51单片机的光电编码器测测速。设计一个电路来实现光电编码器测量；利用单片机内部精确到微妙的定时计数器来实现一个周期的时间来统计脉冲数；P0和P2口控制1602液晶显示转速；利用复位按键功能来实现复位操作。由于定时器工作模式2是八位，可装入的值太小，每进行一个周期的脉冲统计需要进入5000次定时器中断，由于进入中断的次数太多，所以很容易出现在低八位装满本应触发而程序还在中断子程序中运行，而无法触发中断的情况，所以不采用工作模式2。工作模式0只需要进入定时中断1000次就可以进行一个周期的脉冲统计，所以选择功能模式0。用纯软件计数虽然电路简单，但是计数速度慢，难以满足实时性要求，而且容易出错。我们可以用单片机内部的计数器来实现加减计数。单片机片内有两个16位定时计数器都可以用来脉冲计数，用两个外部中断来检测正反转，避免了每一个脉冲都要进行高低电平检测的步骤。转速测量系统的总体设计框图如图2-1所示。图2-1总体设计框图第3章硬件设计硬件选型3.1.1CPU主控模块的选型AT89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。具有以下标准功能：8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KBEEPROM，MAX810复位电路，2个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工u/view/1060187.htm"串行口。另外可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35MHz，6T/12T可选。40404142434412337363031323334351819202122232425578910111213VSS16VDD38RES4ALE27PSEN26EA29X014X1151728396U1AT89C52RC-40C-PQFP图3-1单片机原理图显示器的选型本设计的显示部分使用的是液晶显示器LCD1602，该显示器只能显示英文字母和数字，所以参数的说明都用英语意思或是符号代替。屏幕上会显示参数、模式以及计算后的速度。硬件电路设计时钟电路的设计STC89C52内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚RXD和TXD分别是此放大器的输入端和输出端。时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。在RXD和TXD引脚上外接定时元件，内部振荡器就产生自激振荡。定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。晶体振荡频率可以在1.2～12MHz之间选择，电容值在5～30pF之间选择，电容值的大小可对频率起微调的作用。其电路图3-2如下所示：图3-2时钟电路图显示电路显示电路原理图如图3-3所示。图3-3显示电路原理图速度检测电路光电编码器是开漏输出，所以在和单片机连接时需要加上拉电阻。编码器输出端连接到51单片机外部中断0引脚上所以就可以在每次接收到脉冲时就能触发外部中断，电路如图3-4所示。图3-4速度检测电路原理图按键输入电路按键输入负责调整测速模式和改变参数的值，一个按键是“确认”按键，一个是“加”按键,在模式选择时为T法选择键；另一个是“减”按键,在模式选择时为M法选择键。在调整参数的时候，也是根据“减”“加”调整参数。其电路图如图3-5所示图3-5按键输入电路图3复位电路是指单片机的初始化操作。单片机启动运行时都需要先复位，其作用是使CPU和系统中其他的部件处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。因而，复位是个很重要的操作方式。但单片机本身不能自动进行复位的，必须配合相应的外部电路才能实现复位功能。复位电路的基本功能是：系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。为可靠期间，电源稳定后还需经历一定延时才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分—合过程中引起抖动而影响复位。复位电路如图3-6所示：图3-6复位电路第4章软件设计系统流程4.1.1主程序流程设计本设计程序运行时，通过按键输入首先来选择测速方法，然后设定测速法中T和Z等参数。主程序流程图如图4-1所示。图4-1主程序流程图M法测速程序设计选择M法测速模式后，打开外部中断0，同时开启定时器0开始一定时间的定时，外部中断开始计数脉冲个数。当定时间到的时候关闭外部中断和定时器，读取外部中断计数的个数并计算速度。M法测速程序流程如图4-2所示。图4-2M法测速流程图T法测速程序设计程序初始化完成后选择T法测速模式，只打开外部中断0，当外部中断检测到脉冲的第一个跳变时打开定时器0的中断开始计时。当外部中断检测到第二个跳变是关闭外部中断0和定时器并读取计时的时间值。图4-3T法测速程序流程图：图4-3T法测速流程图M/T法测速程序设计M/T法测速程序设计如图4-4所示。图4-4M/T法测速流程图第5章仿真结果测速功能仿真测试电路仿真采用Proteus软件，Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。建立仿真文件认真了解设计要求并写出具体方案后，开始进行硬件仿真调试，建立如图5-1电路仿真图图5-1电路仿真图测速功能测试首先运行程序，然后选择M法测速，则液晶屏会有图5-2显示图5-2选择M法测速按下确认键，通过加间按钮来进行Z、TC参数的选择，如同5-3所示图5-3参数的选择选择完毕后，按下确认键，液晶屏就会显示出测速结果，如图5-4所示图5-3测速结果仿真结果分析通过软件程序控制能够实现测速方法德选择，参数的设定，及测试结果的显示等基本功能。调试结果一切正常。此过程中我们查找出来了些程序的错误并通过多次的运行分析，终于把程序更完善了，但是我们认为在一些方面还可以再进行深一步研究和完善，不过由于时间与能力有限，没能继续。结论本设计是M法、T法、M/T法测速单片机程序设计，采用单片机技术来实现转速的测量，可以提高效果和精确度，具有较好的实时性。本文介绍的转速测量方法适用于高、低转速测量，测量精确度与转速无关，因而具有较宽的适用范围和较广阔的应用前景。经过这次课程设计，使我觉得不论从理论知识还是从实际操纵中都学到了不少知识。它让我接触更多平时没有接触过的科学仪器、元器件以及获得相关的仪器调试经验，同时我也发现自己在这方面很多不足之处。体会到理论知识对实践有很大的指导作用，学会了高效率的查阅资料、运用工具书、利用网络查找资料，各种参数都需要自己去调整。偶尔还会遇到错误的资料现象，这就要求我们应更加注重实践环节。在课程设计中，我们应当注意重点与细节的关系。参考文献高伟.AT89单片机原理及应用.北京:国防工业出版社,2008陈伯时.电力拖动自动控制系统［M］.北京：机械工业出版社，2004.新型高精度测速方法探讨[J].安徽机电学院学报,1997年02期.于海生.微型计算机控制技术选编.北京：清华大学出版社，1999耿长清．单片机应用技术［M］．北京：化学工业出版社，2002李晓林,苏淑靖.单片机原理与接口技术［M］.北京:电子工业出版社,2015陈敏逊.近代电机调速技术[G]:科学技术文献出版社，2004康华光.电子技术基础.数字部分（第四版）.北京：高等教育出版社，2000附录硬件电路总图软件程序#include<reg52.h>#include<intrins.h>#define uchar unsignedchar#defineuint unsignedint#defineDataPortP0 //LCD1602数据端口sbitLCM_RS=P2^5;//LCD1602命令端口 sbitLCM_EN=P2^7;//LCD1602使能端口sbitKEY1=P1^1;//确认按键sbitKEY2=P1^3; //减按键M法sbitKEY3=P1^5;//加按键T法sbitKEY4=P1^6;//按键M/T法uchartable[]="Modeselection:";//显示模式选择uchartable2[]="selection:M/T";//显示模式选择uintM1=0;bitM_FLAG=0;//M法脉冲个数及M法标志位uintM2=0;bitT_FLAG=0;//T法测速脉冲个数及T法标志位bitMT_FLAG=0;uintZ=0,T=1000,n=100;//转轴转一周脉冲发生器个数计时时间bitflag=0;voiddelay(uintz) //延迟函数{ uintx,y; for(x=z;x>0;x--) for(y=110;y>0;y--);}voidwrite_com(ucharcom) //写命令{ LCM_RS=0;//低电平为命令选择,即选择写命令模式 DataPort=com;//将要写的命令送到数据总线P0口 delay(5);//延迟5ms，稍作延迟使数据稳定 LCM_EN=1;//给使能端一段高脉冲，因为初始化中函数已将使能端置0 delay(5);//稍作延迟 LCM_EN=0; //完成高脉冲}voidwrite_data(uchardate) //写数据{ LCM_RS=1; //高电平为数据选择 DataPort=date;//将要写的数据传送到P0口 delay(5); //延迟5ms LCM_EN=1; //高脉冲 delay(5); LCM_EN=0; // 完成高脉冲}voidinit() //1602初始化{ LCM_EN=0; write_com(0x38);//设置16*2显示，5*7点阵，8位数据接口 write_com(0x0e);//设置开显示 write_com(0x06);//写一个字符后地址指针加1 write_com(0x01);//显示清0，数据指针清0（清除LCD显示内容） write_com(0x80+0x00);//10000000从液晶第一行开始写命令}voidmain(void) //主函数{ uchari; init();//液晶初始化 write_com(0x80);//10000000从液晶第一行开始写命令 for(i=0;i<15;i++) //循环写入15个数据字母"Modeselection:"; write_data(table[i]); //写数据令其显示在1602上 while(!flag) //循环检测如果flag=0则执行循环 { if(!KEY2)//减按键选择M法 { delay(15); //延迟15ms write_com(0x80+15);//定位数据指针，使其显示在后面 write_data('M');//写数据，使其显示“M” M_FLAG=1;//M标志位置1 T_FLAG=0;//T标志位置0 MT_FLAG=0; while(!KEY2);//等待按键释放 } if(!KEY3)//加按键选择T法 { delay(15); write_com(0x80+15); write_data('T');//写数据，使其显示“T” T_FLAG=1; M_FLAG=0; MT_FLAG=0; while(!KEY3); } if(!KEY4)//加按键选择M/T法 { delay(15); init();//液晶初始化 write_com(0x80);//10000000从液晶第一行开始写命令 for(i=0;i<13;i++) //循环写入15个数据字母"Modeselection:"; write_data(table2[i]); //写数据令其显示在1602上 T_FLAG=0; M_FLAG=0; MT_FLAG=1; while(!KEY4); } if(!KEY1&&(T_FLAG||M_FLAG||MT_FLAG))//如果已经选择了M法或T法，//并按确认键 { flag=1;//flag标志位置1 while(!KEY1);//等待按键释放 } } write_com(0x80+0x40); //从1602第二行开始写命令、数据 write_data('Z'); //显示“Z” write_data('=');//显示“=” write_data(Z/100+'0');//显示Z的百位 write_data(Z/10%10+'0');//显示Z的十位 write_data(Z%10+'0');//显示Z的个位 flag=0;//flag标志位置0 while(!flag)//如果flag标志位是0 { if(!KEY2) //减按键 { delay(15); Z=Z-50; write_com(0x80+0x42);//从1602第二行第三位开始写命令、数据 write_data(Z/100+'0'); write_data(Z/10%10+'0'); write_data(Z%10+'0'); delay(15);while(!KEY2); } if(!KEY3)//加按键 { delay(15); Z=Z+50; write_com(0x80+0x42); write_data(Z/100+'0'); write_data(Z/10%10+'0'); write_data(Z%10+'0'); delay(15);while(!KEY3); } if(!KEY1) //按下确认建 {flag=1;while(!KEY1);} } write_com(0x80+0x48);//LCD第二行，第9位开始写数据 write_data('T');//显示T=多少ms(周期) write_data('='); write_data(T/1000+'0'); write_data(T/100%10+'0'); write_data(T/10%10+'0'); write_data(T%10+'0'); write_com(0x80+0x4E); write_data('m'); write_data('s'); flag=0; while(!flag) { if(!KEY2) { delay(15); T=T-500; write_com(0x80+0x4A); write_data(T/1000+'0'); write_data(T/100%10+'0'); write_data(T/10%10+'0'); write_data(T%10+'0'); while(!KEY2); } if(!KEY3) { delay(15); T=T+500; write_com(0x80+0x4A); write_data(T/1000+'0'); write_data(T/100%10+'0'); write_data(T/10%10+'0'); write_data(T%10+'0'); while(!KEY3); } if(!KEY1) {flag=1;while(!KEY1);} } flag=0; write_com(0x01);//lCD1602清零 IT0=1;//下降沿触发 EX0=1;//打开外部中断0 TMOD=0x11;//定时/计数器0、1工作于方式1 TL0=0x18; //装入初值 ET0=1;//允许定时/计数器0中断 if(MT_FLAG)//如果选择了M法测速 TR0=1;//启动定时/计数器0中断 if(M_FLAG)//如果选择了M法测速 TR0=1;//启动定时/计数器0中断 elseif(T_FLAG)//如果选择了T法测速 TR0=0;//启动定时/计数器0中断 EA=1;//开总中断 while(1)//大循环 { ; }}voidInt0(void)interrupt0//外部中断0函数{ if(M_FLAG)//如果选择M法测速 M1++; if(MT_FLAG)//如果选择M/T法测速 M1++; if(T_FLAG)//如果选择T法测速 { TR0=1;//启动定时器0 if(flag)//如果flag标志位为1 { flag=0;//将标志位置零 n=60000/Z/M2; //n=60000/Z/M2;//转速公式 ////转速公式//转速公式// write_com(0x80);//从1602第一行写数据 write_data('s');//显示Speed:（表示速度） write_data('p'); write_data('e'); write_data('e'); write_data('d'); write_data(':'); write_data(n/10000+'0');//显示转速万位 write_data(n/1000