基于编码器电机测量转速及转角课程设计.docx

课程设计报告

课程名称： 专业课课程设计II
课设题目： 简易测量电机转速和转角装置
专业班级： 电子信息工程1001
姓 名： 郭阳 学 号： 100402124
课设时间： 2013.12 批阅时间：
指导教师： 桂珺 成 绩：
13

任务书
题目：简易测量电机转速和转角装置

参数：
处理器——————89C52
显示设备———————LCM1602
编码器————————欧姆龙H38S6-2000-3-2-24
电机—————————— GM12F-N20VA08260/298-R

要求：
利用C语言设计，基于单片机实现简易的电机转速和转角测量。当电机转动时能够实时的显示转角和转速，转角要求有正负（以初始位置为0度）。当电机停止转动时，用手拧动编码器的轴也可实现转角测量。

日程安排：
12月19---12月20，查阅资料，确定课设题目
12月23---12月26，进行电机测转速的编程及仿真工作。
12月27---12月31，进行电机测角度的编程及仿真工作。
1月2，老师进行检查
1月3----1月7日，进行最后的补充与修改及写报告

目录
摘要。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。3
一、 总体方案。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。4
1. 方案一。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。4
2. 方案二。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。4
3. 方案选择。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。4
二、 编码器介绍。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。5
1. 编码器原理。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。5
2. 编码器选型。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。5
三、 编码器测量电机转速。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。6
1. 原理介绍。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。6
2. 程序框图。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。6
3. 编程实现。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。6
4 改错心得。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。7
四、 编码器测量电机转角。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。9
1.原理介绍。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。9
2.程序框图。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。9
3.编程实现。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。9
4.改错心得。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。10
五、 实验检测。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。11
1. 实验描述。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。11
2. 实验结果。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。11
六、 总结。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。11

简易测量电机转速和转角装置
摘要
本文介绍了基于89C52单片机的测量电机转速和转角的系统，概述了编码器的工作原理和应用，详细阐述了测速及测转角的基本原理、实现的步骤和软硬件的设计，采用C语言编程，用1602液晶屏显示数据，结果表明该方法具有简单、精度高、稳定性好的优点。

关键词：89C52单片机 测速 测转角 编码器 电机

一、 整体方案
1. 方案一
采用红外光电对管数据采集电路，红外对管根据电机转动时开口遮光片的位置，每转一圈输送几个低脉冲实现转速及转角的测量。
2. 方案二
采用编码器采集信号，将编码器的轴与电机的轴通过联轴器固定，电机带动编码器转动，同时想单片机发出信号，经过单片机处理测出转速及转角。
3. 方案选择
采用编码器测量系统具有低惯性、低噪声、高分辨率和高精度的优点，光栅的成功应用使编码器在检测和控制领域得到了广泛的应用。选择编码器做传感器使得系统拥有测量准确度高、采样速度快、测量范围宽和测量精度与被测速度无关等优点。所以选择方案二。

二、 编码器介绍
1. 编码器原理
编码器是将信号或数据进行编制、转换为可用以通讯、传输和存储的信号形式的设备。编码器把角位移或直线位移转换成电信号。按照读出方式编码器可以分为接触式和非接触式两种；按照工作原理编码器可分为增量式和绝对式两类。增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码，因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。现在编码器的厂家生产的系列都很全，一般都是专用的，如电梯专用型编码器、机床专用编码器、伺服电机专用型编码器等，并且编码器都是智能型的，有各种并行接口可以与其它设备通讯。
编码器由一个中心有轴的光电码盘，其上有环形通、暗的刻线，有光电发射和接收器件读取，获得四组正弦波信号组合成A、B、C、D,每个正弦波相差90度相位差，将C、D信号反向，叠加在A、B两相上，可增强稳定信号；另每转输出一个Z相脉冲以代表零位参考位。
优点：体积小，精密，本身分辨度可以很高，无接触无磨损;同一品种既可检测角度位移，又可在机械转换装置帮助下检测直线位移;多圈光电绝对编码器可以检测相当长量程的直线位移(如25位多圈)。寿命长，安装随意，接口形式丰富，价格合理。成熟技术，多年前已在国内外得到广泛应用。
缺点：精密但对户外及恶劣环境下使用提出较高的保护要求；量测直线位移需依赖机械装置转换，需消除机械间隙带来的误差；检测轨道运行物体难以克服滑差。

2. 编码器选型
选型的三个要素是机械安装尺寸，分辨率和电气接口。我选用了欧姆龙H38S6-2000-3-2-24这款编码器。外径38mm,止口20mm,轴径6mm,电缆侧出，标准配线2米。尺寸符合标准。选用2000转的高分辨率，完全可以测角度，单片机也可计算。集电极开路是常用的一般电路选择。

图2.2
三、 采用编码器测量电机转速
1． 原理介绍

利用编码器的Z轴每当转一圈会发一个脉冲，将Z轴信号接到外部中断0引脚，每当有下降沿信号则使变量加1。同时采用定时器中断，每隔一秒查看变量增加的个数，即可算出每秒转过的圈数。再把这个转速送给显示函数，用数码管显示出来。

2． 程序框图 否
是否进入外部中断
开始

是
y++
时间是否过了1s

V=y;y=0;
显示函数
是 否

图3.2
3． 编程实现

首先要在初始化函数里打开定时器0中断和外部0中断，并且给定时器设定初始值，由于目标为定时1秒大于65535，可以实行定时50ms,然后在定时器中断服务程序里设一个变量，每进一次中断变量加一，加到20次，即时间过1秒后，查看变量y，把y的值赋予给转速v，并且使y=0，意义为每秒重新计数。外部中断0要设置成下降沿中断，服务程序为y++，即每转一圈变量加一。

void quanshu() interrupt 0 // 外部中断 0 计C相脉冲数
{
y++;
}
void zhuansu() interrupt 1 //定时器0中断每隔1秒查一次转过的圈数
{
TR0=0;
TH0=(65536-50000)/256;
TL0=(65536-50000)%256;
count++;
if(count==20)
{
v=y;
y=0;
count=0;
}
TR0=1;
}
4． 改错及心得

进行测量时出现误差，并且转速值不稳定。原因有两个：第一个是使用过多的外部中断占用了CPU过多的时间，使一些信号采集不准确，导致误差。第二个是Z轴信号本身的缺陷，只有到一个固定位置时才会发一个脉冲信号，使得无法实时的计算速度，即如果1s内没转够1圈，无论速度多快或多慢，系统就认为速度是零。经过重新思考，决定不用Z轴做采集信号，而是用A轴。这样做既减少了一个中断处理，又避免了误差，大大提高了系统的稳定性与实时性。根据这样的思路更改程序框图如下：

否
是否进入外部中断1
开始

是
y++
时间是否过了0.5s

V=y*0.01;y=0;
显示函数
是 否

图3.4

当然程序也要做相应的改变。首先把外部中断0全部关断，在外部中断1中加一句话y++;，由于转速的定义为每秒转的圈数，我每0.5秒查看一次y的数值，转换公式为v=y/(2000*0.5),即v=y*0.001，因为显示方便，这里使v=y*0.01，然后把个位赋值给小数点后一位，把十位赋值给个位就可以正确显示了，更改后的程序如下：

void jiaodu() interrupt 2 //外部中断 1 计A相脉冲数
{
y++;
}

void zhuansu() interrupt 1 //定时器0中断每隔 0.5 秒查一次A转过的脉冲数
{
TR0=0;
TH0=(65536-50000)/256;
TL0=(65536-50000)%256;
count++;
if(count==10)
{
v=y*0.01;//转速换算
y=0;
count=0;
}
TR0=1;
}

经过如此的更改就解决了之前的问题，显示非常稳定，误差也减小了很多。再给51系列单片机编程时应尽量的减少中断的使用，尤其是输入信号频率高，要求精度高，硬件设备质量低的情况。最好是根据有用信号，即用最少的输入信号得到最多的有用信息，通过编程减少外部设备，这样做不仅能够有效的减少误差，还可以节约资源。

四、 采用编码器测量电机转角
1. 原理介绍
利用编码器的A轴和B轴来判断正反转和角度。这里的正反是以开机时电机的初始位置为标准的。正反转的判别方法：因为A和B 相差90度，假设正转时A超前B90度，则反转时B超前A90度，利用这一特点可以判断正反。把A接到外部中断1，B接到P0^0口，当进入中断时，判断B轴是高电平还是低电平就可以判断正反了。角度的计算方法：电机转一圈是360度，编码器转一圈发出2000个矩形波，有这个关系就可以计算角度，即角度=计数个数*360、2000.
2. 程序框图
开始

是否进入中断

X=|x|*360/2000
否
显示函数

X--
X++
P0^0是否为1
是 否

图4.2

3. 编程实现
首先在初始化函数里要打开外部中断1，并且设置成下降沿触发。但A轴有信号来临时，进入到外部中断1服务程序，先判断P0^0口的高低电平，若为高电平，则计数变量加一，反之，计数变量减一。如果计数变量X大于2000或小于-2000，则使X等于0.这样做减轻了变换角度的计算量，使系统认为编码器一直在正一周或负一周之内活动。接下来就可以将计数变量通过公式转换成角度显示了。显示正负角则可以判断计数变量的正负来确定。

void jiaodu() interrupt 2 //外部中断 1 计A相脉冲数
{
if(d1==1)
x
else
x--;
if((x>2000)||(x<(-2000)))
x=0;
}
uint jiaodujisuan()//角度计算
{ uint j;
if(x<0)
{
wela=1; //显示角度符号位
P0=0xfb;
wela=0;
dula=1;
P0=0x40;
dula=0;
delay(3);
}
j=fabs(x);
j=j*0.18; //角度转换公式
return j;
}
4. 改错及心得
开始没有设置计数变量的上下限，使测量角度大于360度，改正后效果正确。开始角度转换公式为X=X*360/2000,结果显示不正确，后来改为X=X*0.18,显示正确。这段程序很考察细节，一个注意不到的地方有可能使程序出错。

五、 试验检测
1. 实验过程
把编码器与直流电机用联轴器固定在一起，通过改变只直流电压改变直流电机的转速，观察数码管显示的变化。停止直流电机，用手拧动编码器，可方便观察转角的变化。
2. 实验结果
系统可以实时的显示电机的转速及转角。
六、 总结
这次课程设计让我学到了很多。对于编码器与电机的应用又多了一层的认识，在编程上也有了大大的提高，对单片机的理解，尤其是对中断的处理加深了认识。在实验过程中，我曾经出现了很多次错误，大多数都是很细节的东西，这时就需要耐心与分析问题的能力来一次次的解决，也正是因为无数次的改正错误才使最后的程序调试成功。