1、精選優質文檔-傾情為你奉上 摘 要本論文介紹了一種基于AT89C51單片機平臺,采用光電傳感器進行電機轉速測量的方法,介紹了該測速法的基本原理、實現步驟和軟硬件設計。為了設計簡單可靠的直流電機測速裝置，提出了基于單片機為核心的電機轉速測量系統。整個系統的構架包括轉速信號的采集，光電轉換及信號處理電路設計，整形驅動電路設計，復位電路設計，晶振電路設計，LED顯示電路設計。整形放大電路主要是將傳感器輸出的不穩定的電信號轉化成脈沖信號; 轉速的計算利用單片機AT89C51 的定時器和計數器。根據系統編寫源程序，并通過運行試驗證明。該系統結構簡單，測量結果穩定可靠，滿足電機的測速要求。 關鍵詞：轉速測

2、量；單片機；光電傳感器；電機 Abstract This paper introduces a platform based on AT89C51, adopt the method of photoelectric sensor to implement motor speed measurement, introduces the basic principle of the speed measuring method, implementation steps and the hardware and software design. In order to design a simp

3、le and reliable device for dc motor speed estimation, motor speed measurement system based on single chip microcomputer as the core is put forward. The architecture of the whole system including the speed signal acquisition, rotation speed signal processing, speed calculation and display. Plastic am

4、plifying circuit is mainly the sensor output with outside noise of the unstable signal into pulse signal; Rotational speed of the calculation of AT89C51 single-chip timer and counter. Write the source program according to the system, and by running the experiment proved that the system has simple st

5、ructure, stable and reliable measurement results, satisfy the requirement of the motor speed.Keywords：Speed measurement; Single chip microcomputer; Photoelectric sensor; The motor專心-專注-專業目 錄 0 1 1 概述1.1數字化轉速測量系統的發展背景 目前國內外測量電機轉速的方法很多，按照不同的理論方法，先后產生過模擬測速法(如離心式轉速表、用電機轉矩或者電機電樞電動勢計算所得)、同步測速法(如機械式或閃光式頻閃測

6、速儀)以及計數測速法。計數測速法又可分為機械式定時計數法和電子式定時計數法。傳統的電機轉速檢測多采用測速發電機或光電數字脈沖編碼器，也有采用電磁式(利用電磁感應原理或可變磁阻的霍爾元件等)、電容式(對高頻振蕩進行幅值調制或頻率調制)等，數字化測速法具有測速精度高，分辨能力強，受器件影響小的優點，被廣泛應用于調速要求高，調速范圍大的調速系統。其中應用最廣的是光電式測速系統，它具有低慣性、低噪聲、高分辨率和高精度的優點，使得光電傳感器在檢測和控制領域得到了廣泛的應用。而光電傳感器的電機轉速測量系統則有準確度高、采樣速度快、測量范圍寬和測量精度與被測轉速無關等優點，具有廣闊的應用前景。1.2 本設計

7、課題的目的和意義 在工程實踐中,經常會遇到各種需要測量轉速的場合,例如在發動機、電動機、卷揚機、機床主軸等旋轉設備的試驗、運轉和控制中,常需要分時或連續測量和顯示其轉速及瞬時轉速。要測速，首先要解決是采樣問題。在使用模技術制作測速表時，常用測速發電機的方法，即將測速發電機的轉軸與待測軸相連，測速發電機的電壓高低反映了轉速的高低。為了能精確地測量轉速外,還要保證測量的實時性,要求能測得瞬時轉速方法。因此轉速的測試具有重要的意義【1】。 論文設計以單片機為中心，設計出全數字化測量轉速系統，采用單片機構成控制系統，可以節約人力資源和降低系統成本，從而有效的提高工作效率，在工業控制和民用電器中都有較高

8、使用價值。其可以應用于工業控制中的某一部分，如數控車床的電機轉速檢測和控制、水泵流量控制以及需要利用轉速檢測來進行控制的許多場合。如車輛的里程表、車速表等。其次該轉速測量系統由于采用全數字化結構，因而可以很方便的和工業控制計算機進行連接，實行遠程管理和控制，進一步提高現代化水平。并且，幾乎不需做很大改變直接就能作為單獨的使用產品。總之，轉速測量系統的研究是一件非常有意義的課題【2】。這次設計內容包含知識全面，對光電傳感器測量發電機轉速的不同的方法及原理設計有較多介紹，在測量系統中能學到關于測量轉速的傳感器采樣問題，單片機部分的內容，顯示部分等各個模塊的通信和聯調。全面了解單片機和信號放大的知識

9、，進一步鍛煉了在信號采集，處理，顯示方面的實際工作能力。2 轉速測量系統的原理與方法2.1轉速測量原理 轉速是指作圓周運動的物體在單位時間內所轉過的圈數,其大小及變化往往意味著機器設備運轉的正常與否,因此,轉速測量一直是工業領域的一個重要問題。按照不同的理論方法,先后產生過模擬測速法(如離心式轉速表)、同步測速法(如機械式或閃光式頻閃測速儀)以及計數測速法【3】。計數測速法又可分為機械式定時計數法和電子式定時計數法。本文介紹的采用單片機和光電傳感器組成的高精度轉速測量系統,其轉速測量方法采用的就是電子式定時計數法。采用數字測速法進行轉速測量，其測量原理是：在固定的時間內，記錄光電傳感器發生的脈

10、沖信號數量，從而轉換為實際轉速。設固定的測量時間為（min）,計數記錄的脈沖個數為m,假設脈沖發生器每轉輸出q個脈沖，對應被測轉速為n(r/min),則頻率Hz;在測量時間內，記錄光電傳感器輸出的脈沖個數m=.所以，只要我們測得m值，就可得出實際轉速值。2.2轉速測量方法按轉速測量原理可分為三類轉速測量方法：1.在一定的時間T內測取旋轉編碼器輸出的脈沖個數，用以計算這段時間內的轉速，稱為“M”法測速，又稱為頻率法。M法測速的分辨率與實際轉速的大小無關【4】。在時間T內，轉軸轉過的弧度數為X，則的轉速n可由下式表示： (2-1) 轉軸轉過的弧度數X,可用下式所示： （2-2）將(2-1)式代入(

11、2-2)式，得轉速n的表達式為： （2-3）-轉速單位；（轉/分）-定時時間單位；（秒）2. “T”法測速是測出旋轉編碼器兩個輸出脈沖之間的間隔時間來計算轉速，又被稱為周期法測速。“T”法一般用于低速測量，速度越低測量精度越高，但在測量高轉速時，誤差較大。T法測速同樣也是用計數器實現的。與M法測速不同的是，它所計的是計算機發出的高頻時鐘脈沖的個數，以旋轉編碼器輸出的相鄰兩個脈沖的同樣變化沿作為計數器的其實點和終止點【5】。T法測速的分辨率與轉速高低有關，轉速越低，分辨能力越強。定時器對時基脈沖(頻率為)進行計數定時，在TP內計數值若為m2，則計算公式為： （2-4）即： （2-5）-為轉軸轉一

12、周脈沖發生器產生的脈沖數。-為硬件產生的基準時鐘脈沖頻率單位Hz。-轉速單位；（轉/分）。-時基脈沖。3.“M/T”法，結合上述這兩種方法的優點，一方面象“M”法那樣在對光電傳感器發出的脈沖計數的同時，也象“T”法那樣計取脈沖的時間，通過計算即可得出轉速值。在實際測量中，還須設定定時時間，兼顧高、低轉速時的精度影響，適時調節采樣時間，它的關鍵是計數同步開始和關閉【6】。實際的檢測時間與旋轉編碼器的輸出脈沖一致，能有效減小測速誤差。設高頻脈沖的頻率為，脈沖發生器每轉發出P個脈沖，由式（2-2）和（2-5）可得“M/T”法轉速計算公式為： （2-6）-轉速值。單位；（轉/分）。-晶體震蕩頻率。單位

13、Hz。-輸入脈沖數，反映轉角。-時基脈沖數。3 系統方案提出和論證 轉速測量的方案選擇,一般要考慮傳感器的結構、安裝以及測速范圍與環境條件等方面的適用性;再就是二次儀表的要求,除了顯示以外還有控制、通訊和遠傳方面的要求【7】。由于光電傳感器具有頻譜寬、不易受電磁干擾的影響、非接觸式測量、響應快、可靠性高等優點。隨著激光、光纖、CCD技術的發展，光電式傳感器在自動檢測、計算機和控制系統中得到了廣泛的應用。經過我查資料、構思和自己的設計，通過分析，從實現難度、熟悉程度、器件用量等方面綜合考慮，最終選擇了下面方案【8】。3.1方案設計 光電式傳感器是將被測量的轉速轉換成光信號，再通過光電器件把光信號

14、轉換成電信號的一種傳感器。圖3.1為光電傳感器的原理框圖，它一般由光源，光學通路，光電器件三部分組成【9】。轉速作用于光源或者光學通路，從而引起光量的變化。 測量電路 光電元件 光源 光學通路 光量 光量 電量 電量輸出 轉速轉速 圖3.1光電傳感器的原理框圖3.2系統原理 下圖為轉速測量系統的原理圖。傳感器單片機LED顯示 放大、整形電路 信號接收 信號處理轉速顯示 圖3.2 系統原理圖各部分模塊的功能：傳感器：采集轉速信號放大、整形電路：對傳感器送過來的信號進行放大和整形，在送入單片機進行數據的處理轉換。單片機：對放大整形的信號轉換成轉速信號，送入LEDLED顯示：顯示轉速測量實際值4 系

15、統硬件設計 隨著超大規模集成電路技術提高，尤其是單片機應用技術以及功能強大，價格低廉的顯著特點，使全數字化測量轉度系統得一廣泛應用【10】。出于單片機在測量轉速方面具有體積小、性能強、成本低的特點，越來越受到企業用戶的青睞。所以我要對測量轉速系統的硬件和編程進行研究，設計出一種以單片機為主的轉速測量系統，保證了測量精度【11】。4.1 轉速信號采集在設計中采用光電傳感器采集信號，這種傳感器是把旋轉軸的轉速變為相應頻率的脈沖，然后用測量電路測出頻率，由頻率值就可知道所側轉速值。這種測量方法具有簡單、可靠、測量精度高的特點【12】。是目前常用的一種測量轉速的方法。圖4.1所示為轉速測量傳感器電路，

16、由于紅外光不可見，無法用肉眼識別發光信號是否在工作，故將紅外線的輸出回路串接了一個普通光電二極管作為判別光源發生回路是否為通路。所選用的紅外二極管IR3401，在正向工作電流為20mA時,其導通電壓為1.21.5V,所選用的發光二極管的正向壓降一般為1.52.0V,電流為10-20Ma。轉速傳感器輸出電壓幅度在01.6mV呈正弦波變化，由此可見，紅外線接收三極管的光信號轉化為電信號的電壓很微弱(一般為量級)，需要進行信號處理。 圖4.1 轉速測量傳感器電路圖如圖4.1所示，它的工作原理：從光源發出的光通過測速齒盤上的齒槽照射到光電元件上，使光電元件感光。測速齒盤上有30個齒槽，當測速齒槽旋轉一

17、周，光敏元件就能感受與開孔數相等次數的光次數【13】。測速齒盤裝在發射光源(紅外線發光二極管)與接收光源的裝置(紅外線接收二極管)之間,紅外線發光二極管(規格IR3401)負責發出光信號,紅外線接收三極管(規格3DU12)負責接收發出的光信號,產生電信號,每轉過一個齒,光的明暗變化經歷了一個正弦周期,即產生了正弦脈沖電信號。 圖4.2光電傳感器的原理圖 如圖4.2所示這是光電傳感器的原理圖，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【14】。在這里我們選擇的傳感器型號為SZGB-3（單向）。光電傳感器的特點和主要性能介紹：特點：1)供單向計數器使用，測量轉速和線速度. 2)采

18、用密封結構性能穩定. 3）光源用紅外發光管，功耗小，壽命長. 4) SZGB-3, 20電源電壓為12V DC 性能：SZGB-3.型光電轉速傳感器，使用時通過連軸節與被測轉軸連接，當 轉軸旋轉時，將轉角位移轉換成電脈沖信號，供二次儀表計數使用。1） 輸出脈沖數：60脈沖（每一轉）2） 輸出信號幅值：50r/min時300mV3） 測速范圍:50-5000r/min4) 使用時間:可連續使用,使用中勿需加潤滑油5) 工作環境:溫度-1040,相對濕度85%無腐蝕性氣體4.2光電轉換及信號處理電路設計 傳感器將電機的轉速信號轉變成了電脈沖信號，該信號經過LM324集成運放整形驅動電路，送到單片機

19、進行脈沖計數，從而測出電動機轉速。光電轉換部分與單片機的連接框圖如圖4.3所示 AT89C51整形驅動LM324 傳感器LED數碼管圖4.3 光電轉換部分與單片機的連接框圖 4.2.1整形驅動電路設計 本設計計劃采用高性能集成四運放LM324來進行光電信號調理電路設計。 高性能集成四運放LM324具有電源電壓范圍寬，靜態功耗小，可單電源使用，價格低廉等優點。電路采用兩級放大電路對脈沖信號進行放大，防止信號脈沖太小以至對實驗結果不產生影響。每一組運算放大器可用圖4.4所示的符號來表示，LM324是四運放集成電路，它采用14腳雙列直插塑料封裝，外形如圖所示。它的內部包含四組形式完全相同的運算放大器

20、， 除電源共用外，四組運放相互獨立。每一組運算放大器可用圖3.3所示的符號來表示，它有5個引出腳，其中“+”、“-”為兩個信號輸入端，“V+”、“V-”為正、負電源端，“Vo”為輸出端。兩個信號輸入端中，Vi-（-）為反相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的位相反;Vi+（+）為同相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位相同。LM324的引腳排列見圖 ： 圖4.4放大器圖圖4.5 引腳圖4.3單片機AT89C51介紹 AT89C51是一種帶4K字節閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROM）的低電壓，高性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機。它有40個管腳，分成兩排，每一排各有

21、20個腳，其中左下角標有箭頭的為第1腳，然后按逆時針方向依次為第2腳、第3腳第40腳。在單片機技術中，每個端口都有一個特定的名字，比如第一腳的那個端口叫做“P1.0”。1主要特性：與MCS-51 兼容 4K字節可編程閃爍存儲器 壽命：1000寫/擦循環數據保留時間：10年全靜態工作：0Hz-24Hz內部程序存儲器128*8位內部數據存儲器4個8位并行I/O口兩個16位定時器/計數器5個中斷源 全雙工串行口片內振蕩器和時鐘電路 2管腳說明： VCC：供電電壓， GND:接地。 輸入/輸出口線：P0.0P0.7 P0口8位雙向口線 P1.0P1.7 P1口8位雙向口線 P2.0P2.7 P2口8位

22、雙向口線 P3.0P3.7 P3口8位雙向口線 RST：復位信號 ALE/PROG：地址鎖存控制信號。PSEN：外部程序讀選通信號。EA/VPP：訪問程序存儲器控制信號。XTAL1，XTAL2：外接晶體輸入輸出引線端。3振蕩器特性：XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內振蕩器。4芯片擦除：在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲字節被重復編程以前，該操作必須被執行。此外，AT89C51設有穩態邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，CPU停止工作。但RAM，定時器，計數器，串口和中斷系統仍在工作。在掉

23、電模式下，保存RAM的內容并且凍結振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個硬件復位為止。并且單片機是整個測量系統的主要部分，擔負對前端脈沖信號的處理、計算、以及信號的同步，計時等任務，其次，將測量的數據經計算后，將得到的轉速值傳送到顯示接口中，用數碼管顯示數值。4.4 最小系統的設計 在最小系統的設計中，將整形電路與單片機控制電路相連接，并且在光電傳感器的作用下進行最小系統的模擬。 圖4.6 最小系統圖4.4.1復位電路設計AT89C51 單片機復位電路是指單片機的初始化操作。單片機啟運運行時，都需要先復位，其作用是使CPU和系統中其他部件處于一個確定的初始狀態，并從這個狀態開始工作

24、。因而，復位是一個很重要的操作方式。但單片機本身是不能自動進行復位的，必須配合相應的外部電路才能實現。 圖4.7復位電路 復位電路用于產生復位信號，通過RST引腳送入單片機，進行復位操作。復位電路的好壞直接影響單片機系統工作的可靠性，因此，本次設計要重視復位電路的設計與研究。AT89C51復位電路共有四種類型，分別是：積分電路型，微分電路型，比較器型和看門狗型。最常用的積分型和微分型的作用是前者用于產生低電平復位信號，后者用于產生高電平復位信號。AT89C51單片機的基本復位電路有上電復位，按鍵電平復位和按鍵脈沖復位3種。單片機的復位是由外部的復位電路來實現的。單片機的復位操作使單片機進入初始

25、化狀態，其中包括使程序計數器PC0000H，這表明程序從0000H地址單元開始執行。單片機冷啟動后，片內RAM為隨機值，運行中的復位操作不改變片內RAM區中的內容，21個特殊功能寄存器復位后的狀態為確定值，見表4-1。 表4-1寄存器復位后狀態表特殊功能寄存器初始狀態特殊功能寄存器初始狀態ABPSW00H00H00HTMODTCONTH000H00H00HSPDPLDPHP0P3IPIE07H00H00HFFH*00000B0*00000BTL0TH1TL1SBUFSCONPCON00H00H00H不定00H0*B注：表4-1中符號 * 為隨機狀態4.4.2 晶振電路設計 圖4.8晶振電路 晶

26、振（圖4.10）是晶體振蕩器的簡稱，在電氣上它可以等效成一個電容和一個電阻并聯再串聯一個電容的二端網絡，電工學上這個網絡有兩個諧振點，以頻率的高低分其中較低的頻率是串聯諧振，較高的頻率是并聯諧振。AT89C51芯片中的高增益反向放大器，輸入端為引腳XTAL1，輸出端為引腳XTAL2。4.5顯示部分電路設計 顯示部分應用LED數碼管進行顯示，LED數碼有共陽和共陰兩種，把這些LED發光二極管的正極接到一塊而作為一個引腳，就叫共陽的，相反的，就叫共陰的，那么應用時這個腳就分別的接VCC和GND。再把多個這樣的8字裝在一起就成了多位的數碼管了。數碼管要正常顯示，就要用驅動電路來驅動數碼管的各個段碼，

27、從而顯示出本次設計所測量的轉速，因此根據數碼管的驅動方式的不同，可以分為靜態式和動態式兩類。由于動態顯示驅動是單片機中應用最為廣泛的一種顯示方式之一，并且動態顯示的效果和靜態顯示是一樣的，能夠節省大量的I/O端口，而且功耗更低。所以我們選擇應用動態顯示驅動【15】。如圖（4.11）所示為動態顯示驅動仿真圖。 圖4.9 動態驅動仿真動態顯示程序：#include<reg51.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned intuint mm=1234; /顯示1234/uchar jj;uchar code table=0xc0

28、,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90,; delay(uint m) uint i,j; for(i=m;i>0;i-) for(j=110;j>0;j-);xian_shi() uchar qian,bei,shi,ge; qian=mm/1000; bei=mm%1000/100; shi=mm%100/10; ge=mm%10; P2=0x80; P0=tableqian; delay(50); P2=0; P2=0x40; P0=tablebei; delay(50); P2=0;P2=0x20; P0=tableshi

29、; delay(50); P2=0;P2=0x10; P0=tablege; delay(50); P2=0;5 系統軟件設計5.1 主程序初始化（1）.定時器的初始化 AT89C51有兩個定時器/計數器T0和T1，每個定時器/計數器均可設置成為16位，也可以設置成為13位進行定時或計數。計數器的功能是對T0或T1外來脈沖的進行計數，外部輸入脈沖負跳變時，計數器進行加1。定時器有4種工作方式：方式0、方式2、方式2和方式3。（2）中斷允許控制AT89C51單片機中沒有專門的開中斷和關中斷指令，對各個中斷源的允許和屏蔽是由內部的中斷允許寄存器IE的各位來控制的。該寄存器地址為A8H，位地址為AF

30、HA8H，可以進行位尋址。ET0(ET1)=0，禁止定時器中斷；ET0(ET1)=1，允許定時器中斷。EX0(EX1)=0，禁止外中斷；EX0(EX1)=1，允許外中斷。5.2主程序流程圖子程序流程圖主程序流程圖顯示開始初始化定時器計時器刷新數碼管延時2ms 圖5.1主程序流程圖顯示子程序流程圖開始 顯示緩存初始化LED顯示初始化數碼顯示圖5.2 顯示子程序流程圖5.3系統總程序#include<reg51.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned intuint mm=1234;uchar code table=0xc0

31、,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90,; delay(uint m) uint i,j; for(i=m;i>0;i-) for(j=60;j>0;j-);xian_shi() uchar qian,bei,shi,ge; uint jj; jj=mm; jj*=20; /jj+=1; qian=jj/1000; bei=jj%1000/100; shi=jj%100/10; ge=jj%10; P2=0x10; P0=tableqian; delay(1); /P2=0; P2=0x20; P0=tablebei; delay

32、(1); /P2=0; P2=0x40; P0=tableshi; delay(1); /P2=0; P2=0x80; P0=tablege; delay(1); /P2=0;timer_init() /定時器計數器初始化函數 EA=1; ET0=1; ET1=1; TMOD=0X51; TH0=(65535-50000)/256; TL0=(65535-50000)%256; TH1=0; TL1=0; TR0=1; TR1=1;main() timer_init(); P0=0; /開始數碼管不顯示 while(1) xian_shi(); delay(2); /數碼管刷新時間單位毫秒 void timer0() interrupt 1 TR0=0; TR1=0; TH0=(65535-50000)/256; TL0=(65535-50000)%256; mm=0; mm|=TH1; mm=(mm<<8)|TL1;/mm-=55536; TH1=0; TL1=0; TR0=1; TR1=1;void timer1() interrupt 3 /顯示0000說明出錯 TR1=0; TR0=0; mm=0; / TH1=0; / TL1=0; / TR1=1; 總 結采用單片機技術來實現電