基于單片機系統的電機轉速測量電路設計

楊揚

（徐州工程機械技師學院，江蘇 徐州221000）

1 轉速測量方法

本電路設計轉速測量是用增量式編碼器結合單片機，采用M/T 法，完成測速工作并顯示。增量式編碼器與電機相連，輸出信號接入本設計電路,即可實現轉速測量及顯示。

1.1 增量式軸編碼器

光電軸角編碼器,又稱軸編碼器或光電角位置傳感器，是通過兩個光敏接收管來轉化角度碼盤的時序和相位關系，并與單片機、計算機等控制器及顯示裝置相連接,實現數字測量、數字控制與數字顯示。增量式編碼器轉軸旋轉時，有相應的脈沖輸出，軸編碼器主要分為增量式、絕對式與混合式3 種,其中增量式軸編碼器主要用于測量轉子速度, 絕對式軸編碼器主要用于測量轉子的空間位置, 混合式軸編碼器是增量式軸編碼器與絕對式軸編碼器的組合后端加入處理芯片之后,3 種軸編碼器都具有測量轉子速度與空間位置的功能。增量式軸編碼器的結構如圖1。

圖1 增量式軸碼器的結構

1.2 M/T法測轉速

常用的采用旋轉編碼器的數字測速方法有三種：M法、T 法、M/T法。檢測TC時間內旋轉編碼器輸出的脈沖個數M1，又檢測同一時間間隔的高頻時鐘脈沖個數M2，用來計算轉速的方法，稱作M/T法測速。高頻脈沖的頻率為f0，則準確的測速時間為Tt=M2/f0,電機的轉速為：

采用M/T法測速時，應保證高頻時鐘脈沖計數器與旋轉編碼器計數器同時開啟與關閉，以減少誤差。只有捕捉到編碼器脈沖前沿時，兩個計數器才同時開啟與停止計數。

圖2 M/T 法測速

2 硬件電路設計

單片機測量轉速基本原理框圖如圖3 所示，本模塊的設計思路是：引入編碼器信號，對編碼器信號進行簡單的整形后，送入光耦將信號隔離，經光耦隔離后信號送入CPLD 進行預處理（辨向、倍頻），然后送入單片機計算轉速，送入LED 數碼管顯示。測速模塊由整形電路、cpld、單片機、LED顯示電路組成。

圖3 硬件電路設計框圖

2.1 傳感器部分

主要分為兩個部分，第一部分是光電編碼器，將電機的轉速信號轉換為脈沖信號。第二部分是光電耦合器，將編碼器輸出信號和單片機計數電路兩部分隔離，以減少干擾。光電編碼器信號由JP1接入，本測速模塊可應用兩種型號編碼器（5V 或12V），由開關S2、S3 控制，編碼器信號經差分信號接收器AM26C32 后，由74LS14芯片將轉速方波信號整形，送入光耦。光耦的結構相當于把發光二極管和光敏（三極）管封裝在一起。發光二極管把輸入的電信號轉換為光信號傳給光敏管轉換為電信號輸出，由于沒有直接的電氣連接，這樣既耦合傳輸了信號，又有隔離作用，提高抗干擾能力。

2.2 CPLD部分

CPLD主要用于倍頻以及辨向處理，一般編碼器輸出A、B兩路信號，倍頻處理可以利用光柵潛在的精度，使轉速測量更為準確。一般的編碼器，廠家給出的A、B 兩相互差90 度的方波脈沖，是用4 個光電元件相當于等間距安放在一個柵距的距離上產生的脈沖信號，如果不經倍頻處理將浪費光柵尺的精度，利用CPLD 可以將A、B兩路信號進行2 倍頻或4 倍頻處理。

2.3 單片機部分

單片機用于計數，轉速計算，本模塊采用的是C8051F020 單片機，單片機內部有可編程計數器陣列（PCA0），帶有捕捉功能。單片機采用新華龍公司的C8051F020，該單片機的主要功能已在上文論述，單片機外接22.1184MHZ 晶陣，轉速脈沖及方向信號輸入單片機后，由單片機進行轉速計算，輸出轉速及轉向信號。單片機的P4、P5、P6、P7 口用于接數碼管進行轉速顯示，S1 用于給單片機復位，復位電路的基本功能是：系統上電時提供復位信號，直至系統電源穩定后，撤銷復位信號。本模塊采用的RC復位電路可以實現上述基本功能。單片機為低電平復位。

2.4 顯示部分

轉速計算完成后，通過數碼管顯示電機轉速，由兩個二極管顯示電機轉向（正轉或者反轉）。電源供電情況由LED1 和LED2 顯示，二極管LED1 是芯片電源VCC（5.5V）指示燈，LED2 是單片機電源3.3V指示燈。電機轉向由D1 和D2 顯示，D1 是正轉指示燈，D2 是反轉指示燈。用D3 的閃爍速度間接指示電機轉速，D4 用于單片機編程時測試用。電機轉速由七段數碼管顯示，選用共陰極LED數碼管。由于單片機剩余管腳較多，可以采用靜態顯示，單片機管腳輸出電壓不足以驅動數碼管顯示，故采用4 片74LS245 芯片驅動。

2.5 電源部分

用于給所硬件電路用到的5V 芯片，3.3V 單片機，LED 等器件供電，本部分包含電壓隔離措施。5.5V直流電源由CON2 口引入，由于本模塊選用的C8051F020 芯片的電源電壓為3.3V，而其它芯片電源電壓為5V，故需一個電壓轉換芯片。TPS333QD 用于將5V電源轉換為3.3V，給單片機部分供電，為降低編碼器輸入信號部分對電機轉速信號處理部分的干擾，需要進行電壓隔離，DC/DC變換器將轉速處理部分5V電源與編碼器輸出部分5V電源隔離。電容C1-C6,C7-C11,C22-C25 用于各部分信號的濾波處理。

3 軟件設計

系統要正常工作，需要軟件的配合，軟件除了完成對系統硬件的初始化，還要對硬件電路進行實時控制，對數據進行輸入輸出操作和數值分析，并根據分析結果做出相應的處理。以下給出單片機的軟件流程。單片機的軟件部分主要完成計數工作，轉速計算及顯示。軟件設計分為主程序和中斷程序兩個部分，主程序用設置單片機的工作狀態，初始化各種參數，顯示電機的轉速值及轉向。中斷程序為PCA0 脈沖觸發中斷，用于計M1,M2；以及定時器中斷，用于每個測速周期提供計數中止信號。中斷程序中還包括了電機轉速的計算。

圖4 主程序流程

圖5 定時器T0 中斷服務程序流程

圖6 定時器T1 中斷服務程序流程

在電機處于超低轉速狀態，或者電機出于停機過程中時，T0 定時時間到而PCA0 在很長時間內無法捕捉到上升沿，在電機停轉時甚至沒有碼盤脈沖產生，也就沒有上升沿，為使測速能繼續進行，添加定時器T1，T1 中斷可解決上述問題。

當T0 計時時間到，T0中斷響應后,PCA0 未捕捉到下一個碼盤脈沖上升沿，無法產生PCA0 中斷，直到T1 時間到，響應T1中斷，完成本次測速周期。

4 設計小結

本模塊依據M/T 法進行設計，設計分為硬件和軟件兩個部分，軟件與硬件的結合，可完成電機轉速的測量工作。

電路部分考慮到的設計因素有：光電編碼器的信號接入方式，電路整形及防干擾措施，電源供電及電壓變換，倍頻及辨向，單片機的應用，顯示電路。