1、智能儀表綜合課程設計 目錄 1緒論2 1.1題目背景及目的2 1.2 題目研究方法2 2系統設計基礎知識3 2.1直流電機的基本知識3 2.2 51單片機的基礎知識7 2.3 LED顯示管10 2.4 傳感器10 3系統總體方案設計14 3.1 系統分析14 3.2 設計思路和方案16 3.3 系統構成17 4硬件電路設計19 4.1 電源電路19 4.2 轉速測量電路19 4.3 LED顯示模塊21 4.4系統硬件設計21 5系統軟件設計23 5.1計時方案的選擇23 5.2軟件結構劃分24 6設計心得與體會26 7參考文獻26 智能儀表綜合課程設計 摘 要 單片機乂稱單片微控制器（MCU）

2、,它把一個計算機系統集成到一個芯片上。它的 體積小、質量輕、價格便宜、為學習、應用和開發提供了便利條件。隨著電子技術的 迅猛發展，單片機技術也有了長足的發展，目前單片機滲透到我們生活的各個領域， 兒乎很難找到哪個領域沒有單片機的蹤跡，導彈的導航裝置，飛機上各種儀表的控制, 計算機的網絡通訊與數據傳輸，工業自動化過程的實時控制和數據處理，廣泛使用的 各種智能IC卡，民用豪華轎車的安全保障系統，錄象機、攝象機、全自動洗衣機的控 制，以及程控玩具、電子寵物等等，這些都離不開單片機。 各種電機在工業得到廣泛應用，為了能方便的對電機進行控制、監視、調速，有 必要對電機的轉速進行測量，從而提高自動化程度。

3、轉速是工程上一個常用參數。轉 速測量的方法很多，釆用光電開關管測量轉速是較為常用的測量方法。 在本系統設計中，我們以51單片機為核心控制單元，以紅外對管（或稱光/電， 電/光二極管）為傳感器，通過光電傳感器實時釆集電機轉速并進行處理與顯示，設 計出一個電動機轉速測量系統,并研究其測量精度、測量范圍及響應速度.程序設計部 分分為初始化模塊、脈沖計數模塊、計時模塊、參數調整模塊和顯示模塊最后通過試 驗測試，得到了相應的技術參數，并對轉速測量系統的誤差進行了分析.要求設計的系 統穩定可靠、抗干擾能力強、成本低，使用方便。 智能儀表綜合課程設計 1緒論 1.1題目背景及目的 目前單片機滲透到我們生活的

4、各個領域，兒乎很難找到哪個領域沒有單片機的蹤 跡，導彈的導航裝置，飛機上各種儀表的控制，計算機的網絡通訊與數據傳輸，工業 自動化過程的實時控制和數據處理，廣泛使用的各種智能IC卡，民用豪華轎車的安全 保障系統，錄象機、攝象機、全自動洗衣機的控制，以及程控玩具、電子寵物等等， 這些都離不開單片機。 各種電機在工業得到廣泛應用，為了能方便的對電機進行控制、監視、調速，有 必要對電機的轉速進行測量，從而提高自動化程度。 1.2題目研究方法 測量轉子速度的方法很多，但多數比較復雜。目前，測量轉速的方法主要有四種: 機械式、電磁式、光電式和激光式。機械式主要利用離心力原理，通過一個隨軸轉動 的固定質量重

5、錘帶動自由軸套上下運動，根據不同轉速對應不同軸套位置獲得測量結 果原理簡單直接，不需額外電器設備，適用于精度要求不高、接觸式的轉速測量場合。 電磁式系統由電磁傳感器和安裝在軸上的齒盤組成，主軸轉動帶動齒盤旋轉，齒牙通 過傳感器時引起電路磁阻變化，經過放大整形后形成脈沖，通過脈沖得到轉速值。由 于受齒盤加工精度、齒牙最小分辨間隔、電路最大計數頻率等限制，測量精度不能保 證。光電式結構類似于電磁式結構，把旋轉齒盤換作光電編碼盤或黑白相間的反射條 紋，把電磁傳感器換作光電接收器，通過對反射回來的光脈沖信號計數得到測量結果。 由于受條紋最小分辨間隔、電路最大計數頻率等限制，測量精度不能保證，所測轉速

6、值和電磁式一樣為兩個計數脈沖間距的平均值。激光測速技術(LDV)是一種正在發展中 的測速技術，通過激光多普勒效應獲得轉動體的瞬時角速度，理論上具有很高的瞬時 轉速測量精度，但目前實際產品精度不夠高，并且價格昂貴，在實際使用上受到限制。 通過改進己有的電磁式傳感器，設計一種適于瞬時轉速測量的新型傳感器，在旋轉機 械瞬時狀態分析中具有一定的實際意義。 智能儀表綜合課程設計 2系統設計基礎知識 2.1直流電機的基本知識 直流電機的工作原理 永磁式直流電機是應用很廣泛的一種。只要在它上面加適當電壓。電機就轉動。 圖2. 1是這種電機的符號和簡化等效電路。 工作原理圖： 圖2.1直流電機的符號和等效電路

7、 這種電機由定子、轉子、換向器(乂稱整流子)、電刷等組成，定子用作產生磁場。 轉于是在定子磁場作用下，得到轉矩而旋轉起來。換向器及時改變了電流方向，使轉 子能連續旋轉下去。也就是說，直流電壓加在電刷上，經換向器加到轉子線圈，流過 電流而產生磁場，這磁場與定子的固定磁場作用，轉子被強迫轉動起來。當它轉動時, 由于磁場的相互作用，也將產生反電動勢，它的大小正比于轉子的速度，方向和所加 的直流電壓相反。圖2. 1 (b)給出了等效電路。Rw代表轉子繞組的總電阻，E代表與速 度相關的反電動勢。 永磁式換流器電機的特點： 當電機負載固定時，電機轉速正比于所加的電源電壓。 當電機直流電源固定時，電機的工作

8、電流正比于轉予負載的大小。 加于電機的有效電壓，等于外加直流電壓減去反電動勢。因此當用固定電壓驅動電機 時，電機的速度趨向于自穩定。因為負載增加時，轉子有慢下來的傾向，于是反電動 勢減少，而使有效電壓增加，反過來乂將使轉子有快起來的傾向，所以總的效果使速 度穩定。 智能儀表綜合課程設計 當轉子靜止時，反電動勢為零，電機電流最大。其最大值等于V/Rw(這兒V是電 源電壓)。最大電流出現在剛起動的條件。 轉子轉動的方向，可由電機上所加電壓的極性來控制。 體積小、重量輕、起動轉矩大。 由于具備上述的那些特點，所以在醫療器械、小型機床、電子儀器、計算機、氣 象探空儀、探礦測井、電動工具、家用電器及電子

9、玩具等各個方面，都得到廣泛的應 用。 對這種永磁式電機的控制，主要有電機的起停控制、方向控制、可變速度控制和 速度的穩定控制。 電機的起/停控制 電機的起/停控制，最簡單最原始的方法是在電機與電源之間，加一機械開關。 或者用繼電器的觸點控制。 現在比較流行的方法，是用開關晶體管來代替機械開關，無觸點、無火花干擾， 速度快。電路如圖2. 2 (a)所示。當輸入端為低電平時，開關晶體管Q1截止，電機無 電流而處于停止狀態。如果輸入端為高電平時，Q1飽和導通，電機中有電流，因此電 機起動運轉。圖中二極管D1和D2是保護二極管，防止反電動勢損壞晶體管。電容C1 是消除射頻干擾而外加的。R1基極限流電阻

10、，限制Q1的基極電流。在6V電源時，基 極電流不超過52mA。在這種情況下，Q1提供電機的最大電流為1A左右。 U4 /nh Qv G) 0) 圖2.2用晶體管控制電機啟停,(b)增強靈敏度 圖2. 2 (a)的電路，因基極電流需外部驅動電路。如果再增加一級緩沖放大，如圖 2. 2(b)的電路，驅動電流減少到2mA。R3限制Q1的基極電流到安全值。其他元件作用 與(a)圖中相同。 智能儀表綜合課程設計 電機的方向控制 水磁式換流器電機的轉動方向，可以用改變電源極性的方法，使電機反轉。如果 用正、負雙極性電源，可用一個單刀進行轉換，如圖2.3(a)所示。因為電機的電流直 接通過開關，容易燒壞開關

11、接點。所以可以改用功率開關晶體管來代替機械開關，就 可以克服上述缺點。電路如圖2. 3(b)所示。 (用單開關晶體管開關(C)單辺輸入晶住首開關 圖2.3電機方向控制 電路工作原理：當開關SW1置于“正轉”位時，Q1和Q3的基極加上偏流；Q2和 Q4的偏置電路被斷開。所以Q1和Q3導通，Q2和Q4截止。電流從V+-Q3發射極一Q3 集電極一電機正端電機負端一地形成回路，此時電機正轉。同理，如果SW1置于“反 轉位置時，Q2和Q4得到偏流而導通；01和Q3截止。電流從電源地端一電機負端一 電機正端一Q4集電極一Q4發射極一電源負端形成回路，故電機電源與上述情況相反, 因此電機反轉。而SW1置于斷

12、時，電機停止轉動。 圖2. 3(b)電路中SW1要轉接正、負電源。在接口電路的應用中，用電子開關來代 替SW1就比較困難。為了克服這個缺點，可用圖2.3(c)的電路加以改進。圖2.3(c) 中的SW1就很容易用電子開關來代替。在這個電路中，SW1置于“正轉”位置時，Q1 和Q3導通，Q2和Q4截止。SW1置于“反轉”位置時,Q2和Q4導通,Q1和Q3截止。 電機的速度控制 直流電機的轉速與所加的電壓有效值成正比。圖2. 4是12V直流電機的可變電壓 速度控制。圖中Q1和Q2是復合管射極跟隨器，電機的直流電壓可從0V變到12v。這 種電路的特點是：在中速和高速時，速度的控制和自動調節的性能很好。

13、但是低速和 智能儀表綜合課程設計 慢啟動特性比較差。 用開關方式或脈寬調制，可以獲得非常好的速度控制性能。電路圖如2. 5所示: 圖2.4 12VDC電機速度控制 1N414S 1N3 圖2.5 12V直流電機開關方式速度控制 圖中IC1作為50Hz的無穩多諧振蕩器，它產生一個矩形波輸出，占空比可變從 20比1到1比20,由RV1進行調節。這個波形經過Q1和Q2送到電機，電機上的電壓 有效值是隨RV1的調節而變化的（總的周期是50HZ） o不過電機上所加上的電壓，是具 有峰值電壓為12V的功率脈沖。因此在整個調速范圍內；性能都非常好。即使在很低 的速度，轉矩也很大。速度控制的程度，正比于所加電

14、壓的有效值。 智能儀表綜合課程設計 2.2 51單片機的基礎知識 隨著大規模集成電路的出現和發展，芯片生產廠家把中央處理器CPU (Central Processing Unit),隨機存取內存 RAM (Random Access Memory),只讀存儲器 ROM (Read Only Memory),定時器/計數器以及I/O ( Input/Output)接口電路等主要計算機部件, 集成在一塊集成電路芯片(硅片)上，形成芯片級計算機，稱為單片微型計算機(single chip microcomputer),直譯為單片機。雖然單片機只是一個芯片，但從組成和功能上 看，它己具有了微機系統的含

15、義，乂稱微型處理部件MCU(Micro Controller Unit), 單片機商品名稱為微控制器單元。單片機具有優異的性能價格比、體積小、可靠性高、 控制功能強，廣泛應用在智能儀表、機電一體化、實時過程控制、機器人、家用電器、 模糊控制、通信系統等領域。 根據單片機能夠一次處理的數據的寬度(二進制位數)，單片機分為1位機、4位 機、8位機、16位機、32位機。目前，應用最廣的產品是8位單片機，其中又 Intel 公司出品的MCS-51系列單片機應用最廣。MCS-51系列單片機已經成為事實上的工業 標準，其內部包含如下功能部件： 1、一個8位的中央處理器CPU,完成運算和控制功能； 2、一個

16、片內振蕩器及時鐘電路，外接石英晶體和微調電容需外接，為單 片機產生時鐘脈沖序列，系統允許的晶振頻率033MHz； 3、256B RAM數據存儲器，前128單元作內部數據存儲器，可擦寫的數據， 后128單元為專用寄存器。 4、兩個16位定時器/計數器，以實現定時或計數功能，并以其定時或計 數結果對計算機進行控制。 5、可尋址的64KB外部數據存儲器以及控制電路。 6、可尋址的64KB外部程序存儲器以及控制電路。 7、21個特殊功能寄存器 8、32條可編程的I/O線(四個8位I/O并行端口) 9、一個可編程全雙工串行口，可作全雙工異步通信收發器使用，實現單片 機和其它設備之的串行資料傳送；也可作為

17、同步移位器使用 10、五個中斷源，外中斷2個，定時/計數中斷2個，串行中斷1個；兩個優 智能儀表綜合課程設計 先級，全部中斷分為高級和低級共兩個優先級。 11、根據內部程序存儲器ROM多少，MCS-51系列主要芯片與差異 8031 片內無ROM； 8051 片內4K掩膜ROM； 8751片內4K紫外線可擦除可編程程序存儲器，EPROM； 89C51片內4K電可擦除可編程程序存儲器，FLASH EEPROM； 89S51片內4K電可擦除可編程程序存儲器，FLASH EEPROM,支持ISP； 89S52 片內8K電可擦除可編程程序存儲器，FLASH EEPROM,支持ISP。 如圖2. 6所示：

18、 AT89C51 24PC 0222 圖2.6 51系列單片機 AT89系列單片機的型號編碼由：前綴、型號和后綴三個部分組成。 例如：AT 89SXXXX XXXX其中，AT是前綴，89SXXXX是型號,XXXX是后綴。 (1) 前綴 由字母“AT”組成，表示該器件是ATMEL公司的產品。 (2) 型號 由 “89CXXXX” 或 “89LVXXXX” 或 “89SXXXX” 等表示。 9表示內部含Flash存儲器， “89CXXXX” 中，C 表示 CMOS 產品。 “89LVXXXX”中，LV表示低壓產品。 “89SXXXX”中，S表示含有串行下載Flash存儲器。 科能儀表綜合課程設計

19、（3）后綴 由“XXXX”四個參數組成 后綴中的第一個參數X用于表示速度 X=12,表示速度為12 MHz。 X=24,表示速度為24 MHz。 后綴中的第二個參數X用于表示封裝 X=J,表示 PLCC 封裝，Plastic Leaded Chip Carrier； X=P,表示塑料雙列直插DIP封裝,Dual Inline Package； 后綴中第三個參數X用于表示溫度范圍，它的意義如下： X=C,表示商業用產品，溫度范圍為0十70Co X=I, 表示工業用產品，溫度范圍為一40十85Co X=A,表示汽車用產品，溫度范圍為一40十125C。 X=M,表示軍用產品，溫度范圍為一55k 15

20、0Co 后綴中第四個參數X用于說明產品的處理情況，它的意義如下： X為空，表示處理工藝是標準工藝。 X= / 883,表示處理工藝采用MILSTD883標準。 例如：有一個單片機型號為“AT89S5124PC0246”，則表示意義為該單片機是 ATMEL公司的Flash單片機，內部含有串行下載Flash存儲器，速度為24 MHz,封裝 為塑料雙列直插封裝DIP，是商業用產品，按MILSTD 本系統釆用的是AT89S52 （如圖2.7） 它包括下列幾個部件： 1） 一個8位的CPU 0246標準處理工藝生產。 U5 O1C-3 45 67 (xoooaoGO 39 2) 一個片內振蕩器和時序電路

21、 INT1 INTO 3) 4KB程序存儲器ROM 4) 128字節數據存儲器RAM 31 H T1 A TO o eTxt 4 XI P20 P21 P22 P23 P24 P25 P26 P27 5) 兩個16位可編程的定時器/計數器 6) 1個可編程的全雙工串行口 4 RESET a叵 ol WR RXD TXD ALEP PSEN 7) 4個8位可編程并行I/O端口，即 8) P0, Pl, P2, P3 口 S9S51 圖2.7單片機引腳 64KB片外程序存儲器ROM和64KB片外數據存儲器RAM的擴展控制電路 9) 兩個優先級嵌套中斷結構，5個中斷源 智能儀表綜合課程設計 2.3

22、LED顯示管 數碼管中有8個發光二極管，其中7個發光二極管長條段狀，可組成數字字形，1 個發光二極管為點狀，形成小數點，所以有時稱為七段碼。七段數碼管引腳編碼從左 下腳開始，分別為第1引腳、第2引腳.。 七段數碼管的8個發光二極管分別命名為a、b、c、d、e、f g、dp； com”為 8個LED的公共引腳。按照公共引腳的接法，七段數碼管分共陽極和共陰極兩種。 共陽極的七段數碼管將所有LED的正極連接在公共引腳，接到電源線。當某一個 LED負極為低電平時，發亮；為高電平時，變暗。 共陰極的七段數碼管將所有LED的負極連接在公共引腳，接到地線。當某一個LED 正極為高電平時，發亮；為低電平時，變

23、暗。如圖2. 8所示： vcc 1234 5 10 9876 g f com a b b c dp e d com c dp 共陽極I (d)共陽極法 7 極 陰 共 (Q)實物圖 (b)引腳外形圖 (C)共陰極法 圖2.8 LED顯示數碼管原理圖 2.4傳感器 最廣義地來說，傳感器是一種能把物理量或化學量轉變成便于利用的電信號的器 件。國際電工委員會(IEC： International Electrotechnical Committee)的定義為： “傳感器是測量系統中的一種前置部件，它將輸入變量轉換成可供測量的信號”。按 照Gopel等的說法是：“傳感器是包括承載體和電路連接的敏感元件

24、”，而“傳感器 系統則是組合有某種信息處理(模擬或數字)能力的傳感器”。傳感器是傳感器系統的 一個組成部分，它是被測量信號輸入的第一道關口。 傳感器系統的原則 智能儀表綜合課程設計 進入傳感器的信號幅度是很小的，而且混雜有干擾信號和噪聲。為了方便隨后的 處理過程，首先要將信號整形成具有最佳特性的波形，有時還需要將信號線性化，該 工作是由放大器、濾波器以及其他一些模擬電路完成的。在某些情況下，這些電路的 一部分是和傳感器部件直接相鄰的。成形后的信號隨后轉換成數字信號，并輸入到微 處理器。 徳國和俄羅斯學者認為傳感器應是由二部分組成的，即直接感知被測量信號的敏 感元件部分和初始處理信號的電路部分。

25、按這種理解，傳感器還包含了信號成形器的 電路部分。 傳感器系統的性能主要取決于傳感器，傳感器把某種形式的能量轉換成另一種形 式的能量。有兩類傳感器：有源的和無源的。有源傳感器能將一種能量形式直接轉變 成另一種，不需要外接的能源或激勵源 有源(a)和無源(b)傳感器的信號流程如下： 無源傳感器不能直接轉換能量形式，但它能控制從另一輸入端輸入的能量，激勵 能 傳感器承擔將某個對象或過程的特定特性轉換成數量的工作。其“對象”可以是固體、 液體或氣體，而它們的狀態可以是靜態的，也可以是動態(即過程)的。對象特性被轉 換量化后可以通過多種方式檢測。對象的特性可以是物理性質的，也可以是化學性質 的。按照其

26、工作原理，傳感器將對象特性或狀態參數轉換成可測定的電學量，然后將 此電信號分離出來，送入傳感器系統加以評測或標示。 各種物理效應和工作機理被用于制作不同功能的傳感器。傳感器可以直接接觸被 測量對象，也可以不接觸。用于傳感器的工作機制和效應類型不斷增加，其包含的處 理過程日益完善。 常將傳感器的功能與人類5大感覺器官相比擬： 光敏傳感器一一視覺聲敏傳感器一一聽覺 氣敏傳感器一一嗅覺化學傳感器一一味覺 壓敏、溫敏、流體傳感器一一觸覺 與當代的傳感器相比，人類的感覺能力好得多，但也有一些傳感器比人的感覺功 能優越，例如人類沒有能力感知紫外或紅外線輻射，感覺不到電磁場、無色無味的氣 體等。 智能儀表綜

27、合課程設計 對傳感器設定了許多技術要求，有一些是對所有類型傳感器都適用的，也有只對 特定類型傳感器適用的特殊要求。針對傳感器的工作原理和結構在不同場合均需要的 基本要求是：高靈敏度、抗干擾的穩定性（對噪聲不敏感）、線性、容易調節（校準簡 易）、高精度、高可靠性、無遲滯性、工作壽命長（耐用性）、可重復性、抗老化、高 響應速率、抗環境影響（熱、振動、酸、堿、空氣、水、塵埃）的能力、選擇性、安全 性（傳感器應是無污染的）、互換性、低成本、寬測量范圍、小尺寸、重量輕和高強度、 寬工作溫度范圍、傳感器的分類。 可以用不同的觀點對傳感器進行分類:它們的轉換原理（傳感器工作的基本物理或 化學效應）；它們的用

28、途；它們的輸出信號類型以及制作它們的材料和工藝等。 根據傳感器工作原理，可分為物理傳感器和化學傳感器二大類 傳感器工作原理的分類物理傳感器應用的是物理效應，諸如壓電效應，磁致伸縮 現象，離化、極化、熱電、光電、磁電等效應。被測信號量的微小變化都將轉換成電 信號。 化學傳感器包括那些以化學吸附、電化學反應等現象為因果關系的傳感器，被測 信號量的微小變化也將轉換成電信號。 有些傳感器既不能劃分到物理類，也不能劃分為化學類。大多數傳感器是以物理 原理為基礎運作的。化學傳感器技術問題較多，例如可靠性問題，規模生產的可能性, 價格問題等，解決了這類難題，化學傳感器的應用將會有巨大增長。 按照其用途，傳感

29、器可分類為：壓力敏和力敏傳感器、位置傳感器、液面傳感器、 能耗傳感器、速度傳感器、熱敏傳感器、加速度傳感器、射線輻射傳感器、振動傳感 器、濕敏傳感器、磁敏傳感器、氣敏傳感器、真空度傳感器、生物傳感器等。 以其輸出信號為標準可將傳感器分為： 模擬傳感器一一將被測量的非電學量轉換成模擬電信號。 數字傳感器一一將被測量的非電學量轉換成數字輸出信號（包括直接和間接轉 換）。 膺數字傳感器一一將被測量的信號量轉換成頻率信號或短周期信號的輸出（包 括直接或間接轉換）O 開關傳感器一一當一個被測量的信號達到某個特定的閾值時，傳感器相應地輸出 一個設定的低電平或高電平信號。 在外界因素的作用下，所有材料都會作

30、出相應的、具有特征性的反應。它們中的 智能儀表綜合課程設計 那些對外界作用最敏感的材料，即那些具有功能特性的材料，被用來制作傳感器的敏 感元件。從所應用的材料觀點出發可將傳感器分成下列兒類： 1、按照其所用材料的類別分：金屬、聚合物、陶瓷、混合物。 2、按材料的物理性質分：導體、絕緣體、半導體、磁性材料。 3、按材料的晶體結構分：單晶、多晶、非晶材料。 與釆用新材料緊密相關的傳感器開發工作，可以歸納為下述三個方向： (1) 在己知的材料中探索新的現象、效應和反應，然后使它們能在傳感器技術中得 到實際使用。 (2) 探索新的材料，應用那些己知的現象、效應和反應來改進傳感器技術。 (3) 在研究新

31、型材料的基礎上探索新現象、新效應和反應，并在傳感器技術中加以 具體實施。 現代傳感器制造業的進展取決于用于傳感器技術的新材料和敏感元件的開發強 度。傳感器開發的基本趨勢是和半導體以及介質材料的應用密切關聯的。表1.2中給 出了一些可用于傳感器技術的、能夠轉換能量形式的材料。 按照其制造工藝，可以將傳感器區分為： 集成傳感器薄膜傳感器厚膜傳感器陶瓷傳感器 集成傳感器是用標準的生產硅基半導體集成電路的工藝技術制造的。通常還將用 于初步處理被測信號的部分電路也集成在同一芯片上。 薄膜傳感器則是通過沉積在介質襯底(基板)上的，相應敏感材料的薄膜形成的。 使用混合工藝時，同樣可將部分電路制造在此基板上。

32、 厚膜傳感器是利用相應材料的漿料，涂覆在陶瓷基片上制成的，基片通常是A1203 制成的，然后進行熱處理，使厚膜成形。 陶瓷傳感器釆用標準的陶瓷工藝或其某種變種工藝(溶膠-凝膠等)生產。 完成適當的預備性操作之后，己成形的元件在高溫中進行燒結。厚膜和陶瓷傳感 器這二種工藝之間有許多共同特性，在某些方面，可以認為厚膜工藝是陶瓷工藝的一 種變型。 每種工藝技術都有自己的優點和不足。由于研究、開發和生產所需的資本投入較 低，以及傳感器參數的高穩定性等原因，釆用陶瓷和厚膜傳感器比較合理。 13 智能儀表綜合課程設計 3系統總體方案設計 3.1系統分析 給直流電機加載直流電，電機就會轉動。改變電壓的正負可

33、以改變電機的轉動方 向，電壓為正時電機正轉，電壓為負時電機反轉；改變電壓的高低可以改變電機的轉 速，電壓高則轉動速度快，電壓低則轉動速度慢。 轉速是工程上的一個常用參數。轉速通常以每秒種或每分鐘的轉數來表示，因此 單位為r/s或r/mino有時也用角速度表示，這時的單位相應為rad/s。 電機轉速的測量 單片機能夠處理二進制數字信號，而電機的轉速是物理量，非電量信號，需要中 間電路把轉速轉換成單片機可以處理的信號。 傳感器是把外界信號轉換成電信號的器件，是檢測和控制系統中最關鍵的部分， 在當代科學技術中，傳感器占據了及其重要的地位。目前，集成技術在傳感器技術中 的成功應用，使傳感器小型化、長壽

34、命和低成本，是現代傳感器的發展方向之一。 脈沖信號的獲得 1、霍爾傳感器 霍爾傳感器是對磁敏感的傳感元件，常用于開關信號采集的有CS3020. CS3040 等，這種傳感器是一個3端器件，外形與三極管相似，只要接上電源、地，即可工作, 輸出通常是集電極開路（0C）門輸出，工作電壓范圍寬，使用非常方便。如圖3.1所 示是CS3020的外形圖，將有字面對準自己，三根引腳從左向右分別是Vcc,地，輸出。 圖3.1 CS3020外形圖 14 智能儀表綜合課程設計 使用霍爾傳感器獲得脈沖信號，其機械結構也可以做得較為簡單，只要在轉軸的 圓周上粘上一粒磁鋼，讓霍爾開關靠近磁鋼，就有信號輸出，轉軸旋轉時，就

35、會不斷 地產生脈沖信號輸出。如果在圓周上粘上多粒磁鋼，可以實現旋轉一周，獲得多個脈 沖輸出。在粘磁鋼時要注意，霍爾傳感器對磁場方向敏感，粘之前可以先手動接近一 下傳感器，如果沒有信號輸出，可以換一個方向再試。 這種傳感器不怕灰塵、油污，在工業現場應用廣泛。 2、光電傳感器 光電傳感器是應用非常廣泛的一種器件，有各種各樣的形式，如透射式、反射式 等，基本的原理就是當發射管光照射到接收管時，接收管導通，反之關斷。以透射式 為例，如圖2所示，當不透光的物體擋住發射與接收之間的間隙時，開關管關斷，否 則打開。為此，可以制作一個遮光葉片如圖3所示，安裝在轉軸上，當扇葉經過時， 產生脈沖信號。當葉片數較多

36、時，旋轉一周可以獲得多個脈沖信號。 15 圖3.2光電傳感器的原理圖 圖3.3遮光葉片 3光電編碼器 光電編碼器的工作原理與光電傳感器一樣，不過它已將光電傳感器、電子電路、 碼盤等做成一個整體，只要用連軸器將光電傳感器的軸與轉軸相連，就能獲得多種輸 出信號。它廣泛應用于數控機床、回轉臺、伺服傳動、機器人、雷達、軍事目標測定 等需要檢測角度的裝置和設備中。如圖3.4所示，是某光電編碼器的外形。 智能儀表綜合課程設計 圖3.4成品光電編碼器 電機轉速的處理 數據處理部分采用Intel公司MCS-51系列單片機單片機。 電機轉速的顯示 顯示部分釆用4位七段數碼管，可以顯示0、9999范圍內的數字。

37、3.2設計思路和方案 1、光電傳感器是應用非常廣泛的一種器件，有各種各樣的形式，如透射式、反射 式等，基本的原理就是當發射管光照射到接收管時，接收管導通，反之關斷。以透射 式為例，如圖3. 5所示，當不透光的物體擋住發射與接收之間的間隙時，開關管關斷, 否則打開。為此，可以制作一個遮光葉片如圖3所示，安裝在轉軸上，當扇葉經過時, 產生脈沖信號。當葉片數較多時，旋轉一周可以獲得多個脈沖信號。 圖3.5光電傳感器的原理圖 圖3.6遮光葉片 16 2、計數脈沖通過計數電路進行有效的計數，按照設計要求每一秒種都必須對計數 器清零一次，因為電路實行秒更新，所以計數器到譯碼電路之間有鎖存電路，在計數 器進

38、行計數的過程中對上一次的數據進行鎖存顯示，這樣做不僅解決了數碼顯示的邏 智能儀表綜合課程設計 輯混亂，而且避免了數碼顯示的閃爍問題。 3、對于脈沖記數，有測周和測頻的方式。測周電路的測量精度主要受電路系統的 脈沖產生電路的影響，對于低頻率信號，其精度較高。測頻電路其對于正負一的信號 差比較敏感，對于低頻率信號的測量誤差較大，但是本電路仍然釆用測頻方式，原因 是本電路對于馬達電機轉速精度要求較低，本電路還有升級為頻率計使用，而測頻方 式對高頻的精度還是很高的。 4、顯示電路釆用靜態顯示方法5,由于靜態顯示易于制作和調試，原理也較簡 單，所需元易于購買。 5、電路時鐘是整個電路的關鍵，他是整個電路

39、有效工作的核心，負責電路的鎖存 和清零。其基本思路是：產生頻率一秒是時鐘，當秒時鐘到來時，既上升沿到來時， 對鎖存電路進行鎖存，鎖存以后才能對計數器進行清零，鎖存和清零間隔要充分小， 否則就影響電路的計數準確度。鑒于此，對鎖存集成必須釆用邊沿觸發形式的集成， 并且計數器應該與鎖存同步工作，既都在秒時鐘的上升沿觸發工作。 另外大多的譯碼器都帶有鎖存功能，但是他的鎖存方式基本上都是電平觸發， 若設計成電平觸發的話，勢必會增加電路的復雜度，還不如直接釆用邊沿瑣存的單集 成，所以不使用譯碼器中的鎖存電路。 時鐘實現方法很多，本電路采用晶振電路，己求得高精度的時鐘需求。 3.3系統構成 測速系統總體結構

40、如圖3. 7所示，主要包括紅外測速傳感器（由紅外發射與接收 電路和齒盤組成）、信號處理電路、單片機以及數字顯示部分。其工作過程如下：當 齒盤旋轉時，由于輪齒的遮擋，紅外發射管與接收管之間的紅外線光路時斷時續，信 號處理電路將此變化的光信號轉換為電脈沖信號，一個脈沖信號即表示齒盤轉過一個 齒。單片機對脈沖進行計數，同時通過其內部的計時器對接收一定數目的脈沖計時， 根據脈沖數目及所用時間就可計算出齒盤的轉速，最后通過數字顯示部分將轉速顯示 出來叫 智能儀表綜合課程設計 3.7測速系統總體結構 原理框圖 圖3.8測速系統原理框圖 智能儀表綜合課程設計 4硬件電路設計 系統電路的功能主要包括：電機及其

41、相關處理，實時顯示電機信息。硬件設計主 要包括以下幾個模塊：電源，電機轉速測試電路及顯示電路。下面對電路模塊進行說 明。 4.1電源電路 因為單片機工作電源為+5V,且底層電路功耗很小。采用7805三端穩壓片即可滿 足要求叭 具體電路圖如下: 7805U1* 圖4.1電源電路圖 4.2轉速測量電路 紅外發光二極管或稱電/光二級管SE303 （白色），出紅外光（近紅外線約 0.93mn ）。管壓降約1.4V ,工作電流一般小于20mA,外形尺寸:5mm。 紅外接收二極管或稱光/電二級管（黑色）品牌：金威 型號:PD5308B-B工作電 壓:1.4-1. 6波長:940工作電流:20接收距離:10

42、-12外形尺寸:5mm。 紅外接收二極管工作在反向狀態，當沒有接收到紅外發光二極管的光信號時，二 極管截至，負級輸出低電平。當接受到紅外發光二極管的光信號時，二極管導通，負 極輸出高電平。能正常接受到紅外發光二極管的光信號的距離大概為3 4米，這取決 于發射管的發射功率。 實物圖片及原理圖如下： 19 智能儀表綜合課程設計 圖4.2紅外發光二極管實物圖 1發射紅外純吏j空處役 紅外發光二極管 IA2 紅外捷收二耦管 圖4.3工作原理圖 實際焊接電路如下： 圖4.4紅外發光二極管焊接電路 電路核心由一個光電開關管組成，半時電機轉輪靜止，發光二極管所發出的光被 輪子擋住，所以接收管處于截止狀態，1

43、端為高電平。當電機轉動一圈，會使接收管 導通一次，1端輸出一個低電平， 1端波形為： 在實際電機工作狀態中，會受到各方面的干擾，波形會存在許多雜波成分，需要 對波形進行處理，處理成符合記計數器所需要的矩型波。 波形處理電路有一個三極管組成，如上圖。當輸入電壓逐步升高時，紅外接收管收到 紅外發光二極管發出的光時導通，三極管就不導通，輸出高電平；當紅外接收管沒有 20 智能儀表綜合課程設計 接到紅外發光二極管發出的光時截止，三極管導通。這樣就有效的防止了雜波的干擾, 并使輸出得到矩形脈沖，符合了下級計數的需求。工作波形如下: 4.3 LED顯示模塊 電路原理圖如下: 圖4.7 LED顯示接口電路

44、四位數碼管可以顯示的范圍為0000-9999,用單片機的P0 口控制每根數碼管的 閃動，用P2. 0-P2. 4 口片選，屬于動態顯示電路，逐位輪流點亮各個LED,每位點亮 1ms,這樣利用人眼的視覺暫留，就好像6個LED是同時點亮的。 4.4系統硬件設計 根據紅外測速的原理，系統的電路設計如圖4. 8所示。刃 21 智能儀表綜合課程設計 圖4.8紅外測速系統總設計圖 本系統采用AT89C52單片機，它是美國ATMEL公司生產的低電壓，高性能CM0S8 位單片機，片內含8KB的可反復擦寫的Flash程序存儲器和256B的隨機數據存儲器 (RAM),器件釆用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技

45、術生產，與標準MS-51指令 系統及8052產品引腳兼容，片內置有8位中央處理器(CPU)o功能強大的AT89C52 單片機適用于許多較為復雜的控制應用場合。他 電路中選用紅外光敏二極管作為受光器件，它與紅外發光二極管一起組成一對紅 外發射接收管，紅外光敏二極管在電路中處于反向工作狀態。沒有光照射時，光敏二 極管處于截止狀態，反向電阻很大，反向電流(暗電流)很小。隨著光照的增強，光 敏二極管處于導通狀態，其反向電阻減小，反向電流(光電流)增大，其光電流與照 度之間呈線性關系。 轉速顯示選用字符型液晶顯示模塊(LCM) JHD12864,可顯示16X8或16X16點 陣字符。其主控制驅動電路為H

46、D44780,具有標準的接口特性，適配M6800系列和MCS-51 系列MCU的操作時序；模塊內部具有64個字節的自定義字符RAM,可自定義顯示字符。 該模塊釆用+5V電源供電，共有20個引腳，其與單片機的接口路如圖2所示,其中可 變電阻RW2用來調節顯示器的對比度。 22 智能儀表綜合課程設計 5系統軟件設計 5.1計時方案的選擇 根據計時方案的不同，目前數字式轉速測量裝置的計時方法主要有M法、T法和 同步M/T法。M法測速是在相等的時間間隔At內讀取脈沖數M,由M/A t計算出轉 速，速度越高在At時間內計得的M就越多，由1個計數脈沖誤差所引起的轉速測 量誤差就越小，故該法適用于高速。T法

47、測速是根據相鄰兩個脈沖時間間隔對應的時 鐘脈沖計數值m來計算轉速的，轉速越慢或每轉脈沖數越多，其計數值m就越多，計 數器1個計數脈沖所引起的誤差就越小，故該法適用于低速。上述兩種方法測量的 絕對誤差反比于速度釆樣時間T（Hp：時間間隔At或計數值m）,因此在穩態測量和實 時性要求不高的場合，可取較大的T以保證足夠的測量精度。但在動態測量和實時控 制系統中，往往對轉速測量的實時性有較高的要求。因此，釆樣時間T不能隨意取大, 為了解決既要周期小，乂要測速精度高的矛盾，可釆用同步M/T法。這種方法的特點 是不固定定時時間At，以記錄到完整的盤脈沖為準，主要是設法使M與同步, 從整數個盤脈沖開始計時，

48、同樣在整數個盤脈沖結束計時，記錄到的是整數個盤脈沖, 且與計時是“同步”的。其原理如圖5.1所示，在采樣時間At時間內實際計時時間 t開始于第一盤脈沖的下降沿，終止于最后一個脈沖的下降沿，因而得到整數個盤 脈沖，消除了 M法和T法中1個脈沖引入的誤差。鑒于幾種方法的比較，在設計中 釆用同步M/T法設計本測速系統。 采樣時間 盤脈沖 juuLrLrLn_rLTL 記時時間 記錄的盤脈沖 時鐘 IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII 2 圖5.1同步M/T法測速原理圖 23 智能儀表綜合課程設計 5.2軟件結構劃分 采用結構化軟件設計的方法，使得設計簡單，易于調試和移

49、植，提高編程效率。 釆用結構化設計軟件的方法將本系統軟件劃分為圖5. 2所示的4個模塊：齒數計數模 塊、計時模塊、轉速計算模塊和轉速顯示模塊。其中最主要的是計時模塊和轉速計算 模塊。切 紅外測速系統 齒數計數模塊 計時模塊 轉速計算模塊 轉速顯示模塊 24 圖5.2軟件模塊劃分 計時模塊 由圖2可知當紅外線發射管發射的紅外線未被輪齒擋住時，接收管受紅外線照射 呈導通狀態，經三極管輸入到單片機中斷端口的電壓為高電平，不產生中斷；而當紅 外線發射管發射的紅外線被輪齒擋住時，接收管不受紅外線照射則呈截止狀態，經三 極管輸入到單片機中斷端口的電壓跳變為低電平。從而激活中斷程序對脈沖進行計數。 計數流程

50、圖如圖5. 3所示。由于計數需要與計時同步，所以需要在產生第一次紅外光 被擋住時（紅外光被擋住時Pass二0,反之Pass二1）,也即中斷口電位由高變低時打開定 時器。 智能儀表綜合課程設計 圖5.3計數與計時程序流程圖 轉速計算模塊 由于系統采用同步M/T法測量轉速，所以計算轉速時，需要的參數有盤脈沖數和 計時值。本系統中AT89C52單片機釆用頻率為12MHz的外接晶振，則每個機器周期為 luso單片機定時器的計數脈沖周期為一個機器周期，若定時器從零開時計數，關閉定 時器時其計數值為m,則計時時間就是m微秒。計算轉速部分程序如下。 m二THO X256 /讀出計數器的計數變量THO,并將其

51、左移8位 m二TH0+TL0 /獲得時鐘脈沖數 time二m 計算出計時時間 11=60*106/ (9*time) /計算轉速 r/min 25 智能儀表綜合課程設計 6設計心得與體會 通過本次畢業實習和畢業設計的實踐，在很大程度上提高了我的綜合素質與工程 能力；培養了我綜合運用所學的理論知識與技能去分析與解決本專業范圍具有一定復 雜程度的工程技術問題；使我樹立了正確的設計思想和了解了現代設計方法，嚴謹認 真的科學態度和工作作風，以及勇于實踐、勇于探索和開拓創新精神。 致此本人設計基本完成了預期的目標，系統在硬件自動測試，鍵盤操作，實時顯 示方面做的比較好。但是由于時間倉促、條件有限，設計成

52、果并不是很完美。我準備 在今后的工作過程中進一步完善此設計。 7參考文獻 11 錢建強，薛敏.紅外光電轉速測量儀J.工業計量2003, 6： 3335 2 鮑鴻，劉明建.數字化霍爾轉速儀的研究J.廣東工學院學報.1996, 9 (3) : 67 70 3 田國華，楊青等，實時操作系統u C/0S- II在LPC2210上的移植研究與實現 J微計算機信息,2005, 21-12： 33-36 4 肖金球.單片機原理與接口技術/編著.清華大學出版社，2004 5 吳寧.80X86/Pentium微型計算機原理及應用.電子工業出版社，2000. 8 6 康華光.電子技術基礎模擬電路部分.高等教育出版

53、社，2006. 1, 4 7 何立民.單片機應用技術選編.北京航空航天大學出版社，1997.10,5 8 張有徳.單片微機原理、應用與實驗.上海.復旦大學出版社,2000, 8 9 梁廷貴、王裕琛.現代集成電路實用手冊.北京.科學技術文獻出版社,2005, 7 10 于海生.微型計算機控制技術選編.清華大學出版社，1999.3,2006 11 周興華.手把手教你學單片機.北京.北京航空航天大學出版社 12 神龍工作室.Protel 2004實用培訓教程.北京.人民郵電出版社,2003。 26 智能儀表綜合課程設計 附錄：程序代碼 ORG 0000H ;單片機主程序入口地址 LJMP MAIN ORG 0003H ;外部中斷0入口地址 LJMP INTERO ORG OOOBH ;定時器0入口地址 LJMP TIMERO INIT_TO: ;子程序，初始化定時器0 MOV TMOD, ftOlH ;定時器0工作方式1, 1