王麗娜

(太原市高級(jí)技工學(xué)校，山西 太原 030021)

1 系統(tǒng)方案

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)是以STC89C52單片機(jī)為核心[1]，包括采樣電阻模塊、電磁信號(hào)傳感器、電壓比較器模塊、放大電路、可調(diào)電源等構(gòu)成，如圖1。通過(guò)調(diào)節(jié)電壓的方式控制直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速[2]，在1.8V時(shí)可以達(dá)到600rpm,在9.5V時(shí)可以達(dá)到5000rmp。其轉(zhuǎn)速可通過(guò)采樣電阻或自制電磁信號(hào)傳感器采集轉(zhuǎn)速信號(hào)利用電壓比較器進(jìn)行信號(hào)處理，51單片機(jī)進(jìn)行內(nèi)部計(jì)數(shù)，利用4位數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定測(cè)量直流電機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速，且測(cè)量周期可以達(dá)到2S。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速低于600rpm和高于5000rpm時(shí)報(bào)警。

圖1 直流電機(jī)測(cè)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.2 方案選擇論證

1) 最小系統(tǒng)方案選擇

采用單片機(jī)定時(shí)計(jì)數(shù)器和中斷配合采集信號(hào)，數(shù)碼管顯示四位十進(jìn)制數(shù)。采集時(shí)信號(hào)略有波動(dòng)，信號(hào)不太穩(wěn)定，數(shù)碼管顯示不太穩(wěn)定。若采用12位的AD芯片采集信號(hào)，由于采集信號(hào)波動(dòng)大，容易造成誤差。利用電壓比較器采集把正弦波轉(zhuǎn)化成方波，通過(guò)51單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器和中斷器開(kāi)始計(jì)數(shù)，從而把計(jì)數(shù)值轉(zhuǎn)化為電機(jī)轉(zhuǎn)速[3]。

2) 顯示模塊方案選擇

采用LCD液晶顯示，顯示內(nèi)容豐富，但價(jià)格高，耗能大。采用4位數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示，簡(jiǎn)單明了，節(jié)約成本，耗能少。

3) 傳感器方案選擇

采用鐵釘纏繞線(xiàn)圈的方式來(lái)測(cè)量電機(jī)殼外電壓，信號(hào)雜亂不可取。而采用磁環(huán)纏繞線(xiàn)圈的方式來(lái)測(cè)量殼外電壓，信號(hào)相對(duì)來(lái)說(shuō)比較穩(wěn)定，所以利用電磁感應(yīng)的傳感器采集電壓變化，用51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)中斷計(jì)數(shù)。

2 理論分析與計(jì)算

2.1 理論分析

本系統(tǒng)采用電壓比較器采集信號(hào)，4位數(shù)碼管顯示，環(huán)形磁鐵纏繞線(xiàn)圈制作電磁信號(hào)傳感器。通過(guò)調(diào)節(jié)電壓來(lái)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，用采樣電阻和自制電磁信號(hào)采集器采集信號(hào)，利用放大電路和電壓比較器把正弦波轉(zhuǎn)化為方波(利用示波器顯示)，利用低電平觸發(fā)最小系統(tǒng)停止運(yùn)行，并進(jìn)行計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)過(guò)程性處理。同時(shí)采用定時(shí)器進(jìn)行計(jì)時(shí)，每隔1.5s采集一次數(shù)據(jù)，并進(jìn)行計(jì)算，用數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速[4]。

2.2 測(cè)速方式

采集電路產(chǎn)生方波，單片機(jī)定時(shí)計(jì)數(shù)器與中斷采集信號(hào)。通過(guò)計(jì)算顯示在數(shù)碼管上。

2.3 誤差分析

表1 系統(tǒng)指標(biāo)誤差分析表

采樣電阻采集到的信號(hào)通過(guò)放大是有雜波產(chǎn)生，最后觸發(fā)中斷時(shí)，前段產(chǎn)生的雜波就會(huì)影響到單片機(jī)的信號(hào)采集，從而形成了誤差。

3 硬件與軟件設(shè)計(jì)

3.1 硬件電路設(shè)計(jì)

1) 單片機(jī)最小系統(tǒng)由電源、復(fù)位電路及振蕩電路構(gòu)成[5]。

圖2 最小系統(tǒng)

圖3 放大電路

圖4 電壓比較器

2) 放大電路制作一個(gè)50倍到500倍的可調(diào)電路。分為兩級(jí)，一級(jí)放大50倍，二級(jí)放大10倍。

3) 電壓比較器模塊由LM393芯片制成，工作時(shí)將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)化為方波信號(hào),以便觸發(fā)中斷，開(kāi)始計(jì)數(shù)。

3.2 軟件程序設(shè)計(jì)

首先對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行定時(shí)器和計(jì)數(shù)器初始化，檢測(cè)到有脈沖輸入時(shí)，啟動(dòng)計(jì)數(shù)器和定時(shí)器。將記錄到的脈沖個(gè)數(shù)轉(zhuǎn)換為直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，并在數(shù)碼管輸出顯示，如圖5所示。中斷計(jì)數(shù)器的中斷子程序如圖6所示。

圖5 程序流程圖 圖6 中斷子程序流程圖

4 總結(jié)

本設(shè)計(jì)中采樣電阻達(dá)到了對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的最小影響，采樣周期達(dá)到了2s以?xún)?nèi)，轉(zhuǎn)速誤差不大于0.5%。設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵主要在于正確的方案選擇和可靠的電路設(shè)計(jì)，系統(tǒng)采用了單片機(jī)脈沖計(jì)數(shù)，電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈通過(guò)電路就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的方波，單片機(jī)采集到脈沖后觸發(fā)中斷從而實(shí)現(xiàn)精確的計(jì)數(shù)，最后顯示在數(shù)碼管上。