本科生畢業(yè)設計（論文）論文題目：姓學班年專學名：號：級：級：業(yè)：院：對射式光電轉(zhuǎn)速測量儀的設計陳春根090221360902212009級測控技術與儀器核工程與地球物理學院肖慧（講師）2013年6月4日指導教師：完成時間：作者聲明本人以信譽鄭重聲明：所呈交的學位畢業(yè)設計（論文），是本人在指導教師指導下由本人獨立撰寫完成的，沒有剽竊、抄襲、造假等違反道德、學術規(guī)范和其他侵權行為。文中引用他人的文獻、數(shù)據(jù)、圖件、資料均已明確標注出，不包含他人成果及為獲得東華理工大學或其他教育機構的學位或證書而使用過的材料。對本設計（論文）的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本畢業(yè)設計（論文）引起的法律結(jié)果完全由本人承擔。本畢業(yè)設計（論文）成果歸東華理工大學所有。特此聲明。畢業(yè)設計（論文）作者（簽字）：簽字日期：年月日本人聲明：該學位論文是本人指導學生完成的研究成果，已經(jīng)審閱過論文的全部內(nèi)容，并能夠保證題目、關鍵詞、摘要部分中英文內(nèi)容的一致性和準確性。學位論文指導教師簽名：年月日對射式光電轉(zhuǎn)速測量儀的設計陳春根DesignaPhotoelectricSpeedMeasuringInstrumentBasedonCorrelationofTypeChen,Chungen2013年6月4日摘要轉(zhuǎn)速測量是電子測量領域中經(jīng)常遇到的問題。傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)速測量裝置多數(shù)采用機械式傳感器測量，由于機械傳動的磨損等各方面原因，難以保證其精度。在對各種測速方法進行分析后提出了基于光電傳感器的轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)。該測量裝置測量范圍寬、成本低、適應面廣，具有一般測速裝置不可比擬的快速性、精確性和優(yōu)越性。本文設計的轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)裝置是以STC89C52RC為核心的對射式光電轉(zhuǎn)速測量儀。包括光電轉(zhuǎn)速傳感器模塊、信號處理電路、定時和計數(shù)部分、數(shù)碼管顯示這四個部分。采用LM393N對信號進行放大整流濾波，該信號處理的上限電壓為36V，下限電壓為2V；定時，計數(shù)部分則是以STC89C52單片機為核心，因為單片機P3.5口有能夠直接讀取脈沖的特點，所以可以通過脈沖數(shù)和所用時間計算出轉(zhuǎn)速；選擇C語言來編寫轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的程序，將編寫好的程序燒入到單片機中，則數(shù)碼管顯示的數(shù)值即為所測轉(zhuǎn)速。測試結(jié)果表明：在實驗室測量的條件下，所設計的光電轉(zhuǎn)速測量儀測光電轉(zhuǎn)速傳感器在0~10V的驅(qū)動電源下，誤差小于10%；在10~20v的驅(qū)動電源下，誤差小于2%，能夠達到預期設計的目標，可以用于測量。關鍵詞：對射式光電轉(zhuǎn)速傳感器；轉(zhuǎn)速測量；STC89C52RCIAbstractSpeedmeasurementisoftenmetinthefieldofelectronicmeasurement.Traditionalrotationalspeedmeasuringdevicemostadoptmechanicalsensor.Thatisdifficulttoguaranteeitsaccuracyforthewearandtearofmechanicaltransmissionandsoon.Aftertheanalysisofvariousspeedmeasuringmethod，thespeedofthephotoelectricsensormeasuringsystemisproposed.Thatmeasuredevicehavewiderangelowcostandadaptation.Thathaveincomparablerapidity,accuracyandsuperiority.Speedmeasuringsystemisnamedcorrelationphotoelectricspeedmeasuringinstrument.ThatisbasedonSTC89C52RCasthecore.Thatincludethephotoelectricrotatingspeedsensormodule,thesignalprocessingcircuit,timingandcounting,digitaltubedisplaying.TheLM393Nisusedtofilterthesignalandenlarge.thesignalprocessingoftheupperlimitvoltageis36V,thresholdvoltageis2V.TheSTC89C52isthecoreofthepartoftiming,becausethesinglechipmicrocomputerP3.5mouthhasthecharacteristicofcandirectlyreadthepulse,sothatcanbeusedtocalculatetherotationalspeedbypulsenumberandthetime.ThatchooseClanguagetowriteprogramstorotationalspeedmeasurementsystem.Thentakingtheprogramsburntothesingle-chipcomputer,thedigitaltubedisplayisthemeasuredspeed.Throughthisdesignthetestresultsshowthatthemeasurementinthelaboratoryconditions.thedesignedphotoelectricspeedmetermeteringelectricityspeedsensorin0~10Vdriverpowersupply.theerrorislessthan10%,In10to20Vdriverpowersupply,theerrorislessthan2%,Thatcanmeettheexpecteddesigntarget,canbeusedtomeasure.Keywords:correlationphotoelectricrotatingspeedsensor;Speedmeasurement;STC89C52RCII目錄緒論........................................................................................................................................11.1轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的背景............................................................................................11.2轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的現(xiàn)狀............................................................................................11.3轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)研究的意義....................................................................................21.4對射式光電轉(zhuǎn)速測量儀的研究內(nèi)容....................................................................22轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的理論基礎..............................................................................................32.1轉(zhuǎn)速測量方法........................................................................................................32.2轉(zhuǎn)速測量原理........................................................................................................42.3轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)方案的提出和論證........................................................................52.4STC89C52RC單片機的理論介紹........................................................................82.5光電轉(zhuǎn)速傳感器的方式介紹..............................................................................102.6顯示部分的理論介紹..........................................................................................122.7速度傳感器的各種類型介紹..............................................................................132.8電路設計方法的理論介紹..................................................................................143對射式轉(zhuǎn)速測量儀的設計實現(xiàn)....................................................................................153.1光電轉(zhuǎn)速傳感模塊的設計..................................................................................153.2放大、整流濾波電路的設計..............................................................................163.3計數(shù)、定時模塊的設計......................................................................................173.3.1硬件設計......................................................................................................173.3.2軟件設計......................................................................................................183.4顯示模塊的設計..................................................................................................203.4.1顯示模塊硬件電路的設計..........................................................................203.4.2顯示功能實現(xiàn)的軟件設計..........................................................................213.5總的電路圖與程序說明......................................................................................214對射式轉(zhuǎn)速測量儀的測試............................................................................................234.1Protues的仿真測試.............................................................................................234.1.1仿真結(jié)果......................................................................................................234.2對射式轉(zhuǎn)速測量儀的實際測試..........................................................................254.2.1測試條件和步驟..........................................................................................254.2.2實物焊接圖及調(diào)試結(jié)果..............................................................................254.3本章小結(jié)..............................................................................................................30結(jié)論與展望..........................................................................................................................32致謝......................................................................................................................................33參考文獻..............................................................................................................................34附錄......................................................................................................................................35III東華理工大學畢業(yè)設計（論文）緒論緒論1.1轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的背景隨著電子技術發(fā)展，特別是隨著大規(guī)模的集成電路的產(chǎn)生，給人們的是生活帶來了根本性質(zhì)變化。轉(zhuǎn)速是工程中應用非常廣泛的一個參數(shù)。在工業(yè)生產(chǎn)、科學實驗以及物件的應用中，轉(zhuǎn)速測量都是不可缺少的部分。目前國內(nèi)外測量電機轉(zhuǎn)速的方法很多，按照不同的理論方法，先后產(chǎn)生過模擬測速法(如離心式轉(zhuǎn)速表、用電機轉(zhuǎn)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速儀)以及計數(shù)測速法。計數(shù)測速法又可分為機械式定時計數(shù)法和電子式定時計數(shù)法。傳統(tǒng)的電機轉(zhuǎn)速檢測多采用測速發(fā)電機或光電數(shù)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(diào)制或頻率調(diào)制)等，還有一些特殊的測速器是利用置于旋轉(zhuǎn)體內(nèi)的放射性材料來發(fā)生脈沖信號．其中應用最廣的是光電式，光電式測系統(tǒng)具有低慣性、低噪聲、高分辨率和高精度的優(yōu)點．加之激光光源、光柵、光學碼盤、CCD器件、光導纖維等的相繼出現(xiàn)和成功應用，使得光電傳感器在檢測和控制領域得到了廣泛的應用。傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)速測量裝置多采用機械式傳感器測量轉(zhuǎn)速，由于機械傳動的磨損等各方面原因，難以保證其精度。而且采用的接觸式轉(zhuǎn)速計，這種轉(zhuǎn)速測量儀必須頂在轉(zhuǎn)軸中心才能進行測量，使用起來不方便，局限性很大，安全性也不是很好。1.2轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的現(xiàn)狀轉(zhuǎn)速是能源設備與動力機械性能測試中的一個重要特性參量，因為動力機械的許多特性參數(shù)是根據(jù)它們與轉(zhuǎn)速的函數(shù)關系來確定的，例如壓縮機的排油量、軸功率、內(nèi)燃機的輸出功率等等，而且動力機械的震動、管道氣流、各種工作零件的磨損狀態(tài)等都與轉(zhuǎn)速有著密切關系[1]。轉(zhuǎn)速測量的方法很多，測量儀表的型式也多種多樣。其使用條件和測量精度也各不相同。根據(jù)轉(zhuǎn)速測量的工作方式可分為兩大類：接觸式轉(zhuǎn)速測量儀和非接觸式轉(zhuǎn)速測量儀。前者在使用時必須與被測轉(zhuǎn)軸直接接觸，如磁式轉(zhuǎn)速表、離心式轉(zhuǎn)速表與測速發(fā)動機。后者在使用時不需要與被測軸接觸，如光電式轉(zhuǎn)速表、電子數(shù)字式轉(zhuǎn)速表、閃光測速儀等。1986年，美國NI公司提出了虛擬儀器的概念，提出了“軟件即儀器(Thesoftwareistheinstrument)”的口號，徹底打破了傳統(tǒng)儀器只能由生產(chǎn)廠家定義，用戶無法改變的模式，從而引發(fā)一場儀器和自動化工業(yè)的革命。隨著現(xiàn)代軟件和硬件技術的飛速發(fā)1東華理工大學畢業(yè)設計（論文）緒論展，轉(zhuǎn)速測量儀成為電子系統(tǒng)中一個最基本的也是最常見的組成部分之一。隨著科學技術的迅速發(fā)展，轉(zhuǎn)速測量儀表已步入現(xiàn)代化、電子化的行列。過去使用的接觸式測量儀表，如磁式轉(zhuǎn)速表、離心式轉(zhuǎn)速表與測速發(fā)動機均已先后受到冷落；而利用已知的頻率閃光和被測轉(zhuǎn)軸同步的方法來測速的閃光測速儀，雖屬于非接觸式儀表，目前仍有應用，但也退居其次要地位。取而代之的是非接觸式的電子與數(shù)字化的測速儀表。這類轉(zhuǎn)速儀表大多具有體積小、重量輕、讀數(shù)精確、使用方便的優(yōu)點，能夠連續(xù)反映轉(zhuǎn)速變化。轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)廣泛應用于各個領域。人們常用的鼠標，中間的鼠標滾輪，正是利用光電式轉(zhuǎn)速測速的原理，當滑輪滑動時，光電感應部件感應轉(zhuǎn)動的角度，將其轉(zhuǎn)化成電信號經(jīng)處理后最后反應在屏幕上光標的移動距離。在汽車領域中，儀表轉(zhuǎn)速的使用也是轉(zhuǎn)速測量儀廣泛應用的產(chǎn)物之一。轉(zhuǎn)速測量的應用系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)、科技教育、民用電器等各領域的應用極為廣泛，往往成為某一產(chǎn)品或控制系統(tǒng)的核心部分，其各種參數(shù)在不同的應用中有其側(cè)重，但轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)作為普通的應用在國民經(jīng)濟發(fā)展中，有著重要的意義。1.3轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)研究的意義本文轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)采用的是STC89C52單片機，大大減小了機械傳動引起摩擦等，降低了使用的消耗，無損的測轉(zhuǎn)速。同時，轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)測量精度高，能夠反應微小變動的位移。它也具有良好的頻率特性，使得能測出高轉(zhuǎn)速的物體。本設計采用以STC89C52為核心的光電傳感器的轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)，有著體積小、重量輕、使用方便、準確度高、采樣速度快、測量范圍寬和測量精度與被測轉(zhuǎn)速無關等優(yōu)點，具有廣闊的應用前景等特點。由光電式非接觸的特性，可實現(xiàn)無損的轉(zhuǎn)速測量。而且，本設計的計數(shù)頻率比較高，能夠測量轉(zhuǎn)速較快的物體。測出轉(zhuǎn)速的精度也較高除此之外還有其成本非常低特別是高性價比的單片機的出現(xiàn)、線性度非常好。1.4對射式光電轉(zhuǎn)速測量儀的研究內(nèi)容對射式光電轉(zhuǎn)速測量儀的設計是用來測量轉(zhuǎn)速。根據(jù)本設計要求，本文研究內(nèi)容：(1)調(diào)研并設計本設計的相關硬件電路和相關軟件編程設計。(2)用Protues仿真調(diào)研的硬件電路和軟件部分。(3)用多功能板焊接本設計的相關的硬件電路。(4)最后測試原理樣機。2東華理工大學畢業(yè)設計（論文）轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的理論基礎2轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的理論基礎2.1轉(zhuǎn)速測量方法轉(zhuǎn)速是指作圓周運動的物體在單位時間內(nèi)所轉(zhuǎn)過的圈數(shù)，其大小及變化往往意味著機器設備運轉(zhuǎn)的正常與否，因此，轉(zhuǎn)速測量一直是工業(yè)領域的一個重要問題。按照不同的理論方法，先后產(chǎn)生過模擬測速法(如離心式轉(zhuǎn)速表)、同步測速法(如機械式或閃光式頻閃測速儀)以及計數(shù)測速法。計數(shù)測速法又可分為機械式定時計數(shù)法和電子式定時計數(shù)法。本文介紹的采用單片機和光電傳感器組成的高精度轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)，其轉(zhuǎn)速測量方法采用的就是電子式定時計數(shù)法。對轉(zhuǎn)速的測量實際上是對轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)引起的周期脈沖信號的頻率進行測量。在頻率的工程測量中，電子式定時計數(shù)測量頻率的方法一般有三種：①測頻率法：在一定時間間隔t內(nèi)，計數(shù)被測信號的重復變化次數(shù)N，則被測信號的頻率fx可表示為：fxNt（2-1）②測周期法：在被測信號的一個周期內(nèi)，計數(shù)時鐘脈沖數(shù)m0，fc為時鐘脈沖信號頻率。則被測信號的頻率fx可表示為：fxfc（2-2）m0③多周期測頻法：在被測信號m1個周期內(nèi)，計數(shù)時鐘脈沖數(shù)m2，從而得到被測信號頻率fx，則被測信號頻率可以表示為：fxm1m2fc（2-3）m1由測量準確度確定。電子式定時計數(shù)法測量頻率時，其測量準確度主要由兩項誤差來決定：一項是時基誤差；另一項是量化±1誤差。當時基誤差小于量化±1誤差一個或兩個數(shù)量級時，這時測量準確度主要由量化±1誤差來確定。對于測頻率法，測量相對誤差為：Er1測量誤差值實際測量值100%1N100%(2-4)由此可見，被測信號頻率越高，N越大，Er1就越小，所以測頻率法適用于高頻信號3東華理工大學畢業(yè)設計（論文）轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的理論基礎(高轉(zhuǎn)速信號)的測量。對于測周期法，測量相對誤差為：Er2測量誤差值實際測量值100%1m0100%（2-5）對于給定的時鐘脈沖fc，當被測信號頻率越低時，m0越大，Er2就越小，所以測周期法適用于低頻信號（低轉(zhuǎn)速信號）的測量。對于多周期測頻法，測量相對誤差為：Er3測量誤差值實際測量值100%1m2100%（2-6）從上式可知，被測脈沖信號周期數(shù)m1越大，就越大，則測量精度就越高。它適用于高、低頻信號(高、低轉(zhuǎn)速信號)的測量。但隨著精度和頻率的提高，采樣周期將大大延長，并且判斷m1也要延長采樣周期，不適合實時測量。根據(jù)以上的討論，考慮到實際應用中需要測量的轉(zhuǎn)速范圍很寬，上述的轉(zhuǎn)速測量方法難以滿足要求，因此，研究高精度的轉(zhuǎn)速測量方法，以同時適用于高、低轉(zhuǎn)速信號的測量，不僅具有重要的理論意義，也是實際生產(chǎn)中的需要[2]。2.2轉(zhuǎn)速測量原理在此采用頻率測量法，其測量原理為，在固定的測量時間內(nèi)，計取轉(zhuǎn)速傳感器產(chǎn)生的脈沖個數(shù)，從而算出實際轉(zhuǎn)速。設固定的測量時間為TC（min），計數(shù)器計取的脈沖個數(shù)m，假定脈沖發(fā)生器每轉(zhuǎn)輸出p個脈沖，對應被測轉(zhuǎn)速為N（r/min），則f的表達式為：fpNHZ(2-7)60另在測量時間TC內(nèi)，計取轉(zhuǎn)速傳感器輸出的脈沖個數(shù)m應為：mTcf（2-8）所以，當測得m值時，就可算出實際轉(zhuǎn)速值：N60m()（2-9）pTC一般的轉(zhuǎn)速長期測量系統(tǒng)是預先在軸上安裝一個有60齒的測速齒盤，用變磁阻式或電渦流式傳感器獲得一轉(zhuǎn)60倍轉(zhuǎn)速脈沖，再用測頻的辦法實現(xiàn)轉(zhuǎn)速測量。而臨時性轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)，多采用光電傳感器，從轉(zhuǎn)軸上預先粘貼的一個標志上獲得一轉(zhuǎn)一個轉(zhuǎn)速脈沖，隨后利用電子倍頻器和測頻方法實現(xiàn)轉(zhuǎn)速測量。不論長期或臨時轉(zhuǎn)速測量，都可以在微處理器的參與下，通過測量轉(zhuǎn)軸上預留的一轉(zhuǎn)一齒的鑒相信號或光電信號4東華理工大學畢業(yè)設計（論文）轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的理論基礎的周期，換算出轉(zhuǎn)軸的頻率或轉(zhuǎn)速。即通過速度傳感器，將轉(zhuǎn)速信號變?yōu)殡娒}沖，利用微機在單位時間內(nèi)對脈沖進行計數(shù)，再經(jīng)過軟件計算獲得轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)。即：Nn(2-10)mT(1)n—轉(zhuǎn)速、單位：轉(zhuǎn)/分鐘；N—采樣時間內(nèi)所計脈沖個數(shù)；T—采樣時間、單位：分鐘；m—每旋轉(zhuǎn)一周所產(chǎn)生的脈沖個數(shù)(通常指測速碼盤的齒數(shù))。如果m=60，那么1秒鐘內(nèi)脈沖個數(shù)N就是轉(zhuǎn)速n，即：NN1nN(2-11)mT6060(2)通常m為60。在對轉(zhuǎn)速波動較快系統(tǒng)或要求動態(tài)特性好而精度高的轉(zhuǎn)速測控系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)周期一般很短，相應的采樣周期需取得很小，使得脈沖當量增高，從而導致整個系統(tǒng)測量精度降低，難以滿足測控要求。提高采樣速率通常就要減小采樣時間T，而T的減小會使采到的脈沖數(shù)值N下降，導致脈沖當量(每個脈沖所代表的轉(zhuǎn)速)增高，從而使得測量精度變得粗糙。通過增加測速碼盤的齒數(shù)可以提高精度，但是碼盤齒數(shù)的增加會受到加工工藝的限制，同時會使轉(zhuǎn)速測量脈沖的頻率增高，頻率的提升又會受到傳感器中光電器或磁敏器或磁電器件最高工作頻率的限制。凡此種種因素限制了常規(guī)智能轉(zhuǎn)速測量方法的使用范圍。而采用本文所提出的定時分時雙頻率采樣法，可在保證采樣精度的同時，提高采樣速率，充分發(fā)揮微機智能測速方法的優(yōu)越性及靈活性要[15]。2.3轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)方案的提出和論證轉(zhuǎn)速測量的方案選擇，一般要考慮傳感器的結(jié)構、安裝以及測速范圍與環(huán)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。本說明書中給出兩種轉(zhuǎn)速測量方案，經(jīng)過我和伙伴查資料、構思和自己的設計，總體電路我們有兩套設計方案，部分重要模塊也考慮了其它設計方法，經(jīng)過分析，從實現(xiàn)難度、熟悉程度、器件用量等方面綜合考慮，我們才最終選擇了一個方案。下面就看一下我們對兩套設計方案的簡要說明。方案一：霍爾傳感器測量方案霍爾傳感器是利用霍爾效應進行工作的。其核心元件是根據(jù)霍爾效應原理制成的霍爾元件。本文介紹一種泵驅(qū)動軸的轉(zhuǎn)速采用霍爾轉(zhuǎn)速傳感器測量?；魻栟D(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構原理圖如圖2-1所示，霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的接線圖如圖2-2所示。傳感器的定子上有2個互相垂直的繞組A和B，在繞組的中心線上粘有霍爾片HA和HB，轉(zhuǎn)子為永久磁鋼，霍爾元件HA和HB的激勵電機分別與繞組A和B相連，它們的霍爾電極串聯(lián)后作為傳感器的輸出。5東華理工大學畢業(yè)設計（論文）轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的理論基礎圖2-1霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構原理圖圖2-2方案霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的接線圖缺點：采用霍爾傳感器在信號采樣的時候，會出現(xiàn)采樣不精確，因為它是靠磁感應才采集脈沖的，使用時間長了會出現(xiàn)磁性變小，影響脈沖的采樣精度。方案二：光電傳感器整個測量系統(tǒng)的組成框圖如圖2-3所示。從圖中可見，轉(zhuǎn)子由一直流調(diào)速電機動，可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的無級調(diào)速。轉(zhuǎn)速信號由光電傳感器拾取，使用時應先在轉(zhuǎn)子上做好光電標記，具體辦法可以是：將轉(zhuǎn)子表面擦干凈后用黑漆(或黑色膠布)全部涂黑，再將一塊反光材料貼在其上作為光電標記，然后將光電傳感器(光電頭)固定在正對光電標記的某一適當距離處。光電頭采用低功耗高亮度LED，光源為高可靠性可見紅光，無論黑夜還是白天，或是背景光強有大范圍改變都不影響接收效果。光電頭包含有前置電路，輸出0—5V的脈沖信號。接到單片機STC89C52的相應管腳上，通過STC89C52內(nèi)部定時/計時器T0、T1及相應的程序設計，組成一個數(shù)字式轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)[4]。6東華理工大學畢業(yè)設計（論文）轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的理論基礎圖2-3測量系統(tǒng)的組成框圖優(yōu)點：這種方案使用光電轉(zhuǎn)速傳感器具有采樣精確，采樣速度快，范圍廣的特點。綜上所述，方案二使用光電傳感器來作為本設計的最佳選擇方案。本設計采用了紅外光電傳感器，進行非接觸式檢測。當有物體擋在紅外光電發(fā)光二極管和高靈敏度的光電晶體管之間時，傳感器將會輸出一個低電平，而當沒有物體擋在中間時則輸出為高電平，從而形成一個脈沖。本設計采用H42B6槽型光電傳感器（還可以采用H2010、ITR9606等傳感器）如圖2-4所示：圖2-4H42B6槽型光電傳感器系統(tǒng)在光電傳感器收發(fā)端間加入電動機，并在電動機的轉(zhuǎn)軸上安裝一轉(zhuǎn)盤。在這個轉(zhuǎn)盤的邊沿處挖出若干個圓形過孔，把傳感器的檢測部分放在圓孔的圓心位置。每當轉(zhuǎn)盤隨著后輪旋轉(zhuǎn)的時候，傳感器將向外輸出若干個脈沖。把這些脈沖通過一系列的波形整形成單片機可以識別的TTL電平，即可算出輪子即時的轉(zhuǎn)速[5]。轉(zhuǎn)盤的圓孔的個數(shù)決定了測量的精度，個數(shù)越多，精度越高。這樣就可以在單位時間內(nèi)盡可能多地得到脈沖數(shù)，從而避免了因為兩個過孔之間的距離過大，而正好在過孔之間或者是在下個過孔之前停止了，造成較大的誤差。設計中轉(zhuǎn)盤的圓孔的實際個數(shù)受到技術的限制。為了達到預定的效果設計在轉(zhuǎn)盤過孔的設計上采用11個過孔，從而留下了10個同等的間距。這樣在以后的軟件設計中能夠較為方便的計算出脈沖頻率。脈沖發(fā)生源的硬件結(jié)構圖如圖2-5所示：7東華理工大學畢業(yè)設計（論文）轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的理論基礎圖2-5脈沖發(fā)生源硬件結(jié)構圖（左為正視圖，右為側(cè)視圖）2.4STC89C52RC單片機的理論介紹STC89C52RC單片機是宏晶科技推出的新一代高速/低功耗/超強抗干擾的單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機，12時鐘/機器周期和6時鐘/機器周期可以任意選擇，其引腳圖如圖2-6所示：圖2-6STC89C52引腳圖STC89C52引腳功能說明：VCC（40引腳）：電源電壓VSS（20引腳）：接地P0端口（P0.0～P0.7，39～32引腳）：P0口是一個漏極開路的8位雙向I/O口。作為輸出端口，每個引腳能驅(qū)動8個TTL負載，對端口P0寫入“1”時，可以作為高阻抗輸入。在訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時，P0口也可以提供低8位地址和8位數(shù)據(jù)的復用總線。此時，P0口內(nèi)部上拉電阻有效。在FlashROM編程時，P0端口接收指令字節(jié)；而在校驗程序時，則輸出指令字節(jié)。驗證時，要求外接上拉電阻。P1端口（P1.0～P1.7，1～8引腳）：P1口是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。P1的輸出緩沖器可驅(qū)動（吸收或者輸出電流方式）4個TTL輸入。對端口寫入1時，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，這是可用作輸入口。P1口作輸入口使8東華理工大學畢業(yè)設計（論文）轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的理論基礎用時，因為有內(nèi)部上拉電阻，那些被外部拉低的引腳會輸出一個電流。此外，P1.0和P1.1還可以作為定時器/計數(shù)器2的外部技術輸入（P1.0/T2）和定時器/計數(shù)器2的觸發(fā)輸入（P1.1/T2EX）。在對FlashROM編程和程序校驗時，P1接收低8位地址。對端口寫入1時，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，這時可用作輸入口。P2作為輸入口使用時，因為有內(nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會輸出一個電流。在訪問外部程序存儲器和16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（如執(zhí)行“MOVX@DPTR”指令）時，P2送出高8位地址。在訪問8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（如執(zhí)行“MOVX@R1”指令）時，P2口引腳上的內(nèi)容（就是專用寄存器（SFR）區(qū)中的P2寄存器的內(nèi)容），在整個訪問期間不會改變。在對FlashROM編程和程序校驗期間，P2也接收高位地址和一些控制信號。P3端口（P3.0～P3.7，10～17引腳）：P3是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端口。P3的輸出緩沖器可驅(qū)動（吸收或輸出電流方式）4個TTL輸入。對端口寫入1時，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，這時可用作輸入口。P3做輸入口使用時，因為有內(nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會輸入一個電流。在對FlashROM編程或程序校驗時，P3還接收一些控制信號[6]。并非所有的地址都被定義，從80H～FFH共128個字節(jié)只有一部分被定義。還有相當一部分沒有定義。對沒有定義的單元讀寫將是無效的，讀出的數(shù)值將不確定，而寫入的數(shù)據(jù)也將丟失。不應將“1”寫入未定義的單元，由于這些單元在將來的產(chǎn)品中可能賦予新的功能，在這種情況下，復位后這些單元數(shù)值總是“0”。STC89C52RC除了有定時器/計數(shù)器0和定時器/計數(shù)器1之外，還增加了一個一個定時器/計數(shù)器2.定時器/計數(shù)器2的控制和狀態(tài)位位于T2CON（見表2）和T2MOD。定時器2是一個16位定時/計數(shù)器。通過設置特殊功能寄存器T2CON中的C/T2位，可將其作為定時器或計數(shù)器。定時器2有3種操作模式：捕獲、自動重新裝載（遞增或遞減計數(shù)）和波特率發(fā)生器。STC單片機有兩種時鐘模式，一種是單倍速，也就是12時鐘模式，在該模式下，STC單片機與其他公司51系列單片機具有相同的機器周期，即12個振蕩周期為一個機器周期；另一種是雙倍速，又稱6時鐘模式，在該模式下，STC單片機比其他公司的51單片機運行速度快一倍[7]。STC89C52有兩個定時器/計數(shù)器T0和T1，每個定時器/計數(shù)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(shù)。計數(shù)器的功能是對T0或T1外來脈沖的進行計數(shù)，外部輸入脈沖負跳變時，計數(shù)器進行加1。定時功能是通過計數(shù)器的計數(shù)來實現(xiàn)的，每個機器周期產(chǎn)生1個計數(shù)脈沖，即每個機器周期計數(shù)器加1，因此定時時間等于計數(shù)個數(shù)乘以機器周期。定時器工作時，每接收到1個計數(shù)脈沖（或機器周期）則在設定的初值基礎上自動加1，當所有位都位9東華理工大學畢業(yè)設計（論文）轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的理論基礎1時，再加1就會產(chǎn)生溢出，將向CPU提出定時器溢出中斷身請。當定時器采用不同的工作方式和設置不同的初值時，產(chǎn)生溢出中斷的定時值和計數(shù)值將不同，從而可以適應不同的定時或計數(shù)控制。定時器有4種工作方式：方式0、方式2、方式2和方式3，在此對工作方式不做具體介紹。M1、M0為工作方式選擇位，用于對T0的四種工作方式，T1的三種工作方式進行選擇，選擇情況如表2-1所示：M1M0=00為方式0；M1M0=01為方式1；表2-1T1的三種工作方式M0011M10111工作方式0123方式說明13位定時/計數(shù)器16位定時/計數(shù)器8位自動重置定時/計數(shù)器兩個8位定時/計數(shù)器（只有T0有）2.5光電轉(zhuǎn)速傳感器的方式介紹光電轉(zhuǎn)速傳感器的方式主要分為反射式光電轉(zhuǎn)速傳感器和投射式光電轉(zhuǎn)速傳感器。光電式速度傳感器將速度的變化轉(zhuǎn)變成光通量的變化，在通過光電轉(zhuǎn)換元件將光通量的變化轉(zhuǎn)換成電量變化，即利用光電脈沖變成電脈沖，光電轉(zhuǎn)換元件的工作原理是光電效應。它是由裝在軸上的帶孔或縫隙的旋轉(zhuǎn)盤（光電編碼盤），光源，光接收器等組成，輸入軸與被測軸相連接。光源發(fā)出的光通過縫隙旋轉(zhuǎn)盤照射到光敏器件上，使光敏器件感光并產(chǎn)生電脈沖。轉(zhuǎn)軸連續(xù)轉(zhuǎn)動，光敏器件就輸出一系列與轉(zhuǎn)速及帶縫隙旋轉(zhuǎn)盤上縫隙數(shù)成正比的電脈沖數(shù)。在指示縫隙數(shù)一定的情況下，該脈沖數(shù)和轉(zhuǎn)速成正比。光電式速度傳感器原理圖如圖2-7所示。（a）光線被遮住，接收器無信號（b）光線未被遮住，接收器有信號當帶縫隙的旋轉(zhuǎn)盤隨被測軸轉(zhuǎn)動時，由于圓盤上的縫隙間距與指示縫隙的相同，因此帶縫隙旋轉(zhuǎn)盤每轉(zhuǎn)一周，光敏器件輸出與之相等的電脈沖，根據(jù)測量時間內(nèi)的脈沖數(shù)N就可測出測速，電脈沖送入測量電路進行放大和整形后，再送入頻率計顯示。也即可專門設計一個計數(shù)器進行計數(shù)和顯示。10東華理工大學畢業(yè)設計（論文）轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的理論基礎圖2-7光電轉(zhuǎn)速傳感器原理圖光電轉(zhuǎn)速傳感器的優(yōu)點：(1)光電轉(zhuǎn)速傳感器為非接觸式轉(zhuǎn)速表，光電轉(zhuǎn)速傳感器采用光學原理制造，屬于非接觸式轉(zhuǎn)速測量儀表，它的測量距離一般可達200mm左右。光電轉(zhuǎn)速傳感器的測量無需與被測量對象接觸，不會對被測量軸形成額外的負載，因此光電轉(zhuǎn)速傳感器的測量誤差更小，精度更高；(2)光電轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構緊湊，電轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構緊湊，主要由投射光線部件、接收光線部件也就是光敏元件和放大元件等組成，因此光電轉(zhuǎn)速傳感器的體積設計小巧、內(nèi)部結(jié)構精致，一般重量不會超過200g，非常便于使用者的攜帶、安裝和使用；(3)光電轉(zhuǎn)速傳感器的抗干擾性好，光電轉(zhuǎn)速傳感器多采用LED作為光線投射部件，極少會出現(xiàn)光線停頓的情況，也不會存在燈泡燒毀等故障危險。另外，光電轉(zhuǎn)速傳感器的光源都是經(jīng)過特殊方式調(diào)制的，有極強的抗干擾能力，不會受普通光線的干擾；(4)光電轉(zhuǎn)速傳感器的測量能力好，光電轉(zhuǎn)速傳感器的可采用光纖封裝，可于測量微小的物體，特別是微小旋轉(zhuǎn)體的測量，特別適用于高精密、小元件的機械設備測量。光電轉(zhuǎn)速傳感器的運行穩(wěn)定，有良好的可靠性，測量的精度較高，能滿足使用者的測量要求[8]。投射式光電轉(zhuǎn)速傳感器；投射式光電轉(zhuǎn)速傳感器設有讀數(shù)盤和測量盤，兩者之間存在間隔相同的縫隙。投射式光電轉(zhuǎn)速傳感器在測量物體轉(zhuǎn)速時，測量盤會隨著被測物體轉(zhuǎn)動，光線則隨測量盤轉(zhuǎn)動不斷經(jīng)過各條縫隙，并透過縫隙投射到光敏元件上。投射式光電轉(zhuǎn)速傳感器的光敏元件在接收光線并感知其明暗變化后，即輸出電流脈沖信號。投射式光電轉(zhuǎn)速傳感器的脈沖信號，通過在一段時間內(nèi)的計數(shù)和計算，就可以獲得被測量對象的轉(zhuǎn)速狀態(tài)。反射式光電轉(zhuǎn)速傳感器，反射式光電轉(zhuǎn)速傳感器是通過在被測量轉(zhuǎn)軸上設定反射記號，而后獲得光線反射信號來完成物體轉(zhuǎn)速測量的。反射式光電轉(zhuǎn)速傳感器的光源會對被測轉(zhuǎn)軸發(fā)出光線，光線透過透鏡和半透膜入射到被測轉(zhuǎn)軸上，而當被測轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時，反射記號對光線的反射率就會發(fā)生變化。反射式光電轉(zhuǎn)速傳感器內(nèi)裝有光敏元件，當轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動反射率增大時，反射光線會通過透鏡投射到光敏元件上，反射式光電轉(zhuǎn)速傳感器即可發(fā)出一個脈沖信號，而當反11東華理工大學畢業(yè)設計（論文）轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的理論基礎射光線隨轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動到另一位置時，反射率變小光線變?nèi)?，光敏元件無法感應，即不會發(fā)出脈沖信號。由于光電轉(zhuǎn)速傳感器是以光線的投射和接收來完成轉(zhuǎn)速測量的一種轉(zhuǎn)速表。光電轉(zhuǎn)速傳感器的設計精密、應用方便，使用范圍廣泛。光電轉(zhuǎn)速傳感器的優(yōu)點很多，例如結(jié)構緊湊、運行穩(wěn)定、不會對被測量軸形成額外負載等。反射板式光電的抗光干擾能力稍差，對射式的好些，安全性屬對射式光電更高，國外品牌進入中國開始階段均是反射式，現(xiàn)在大的主流是對射式光電開關。你最好選擇對射光電（如果安全性要求高的話），且對射式光電價格更便宜[9]。2.6顯示部分的理論介紹顯示部分的設計主要有三種方法：數(shù)碼管的動態(tài)顯示、數(shù)碼管的靜態(tài)顯示、液晶顯示。下面我們來分析這三種顯示方法各自的特點。靜態(tài)顯示的特點是每個數(shù)碼管的段選必須接一個8位數(shù)據(jù)線來保持顯示的字形碼。當送入一次字形碼后，顯示字形可一直保持，直到送入新字形碼為止。這種方法的優(yōu)點是占用CPU時間少，顯示便于監(jiān)測和控制。缺點是硬件電路比較復雜，成本較高。動態(tài)顯示的特點是將所有位數(shù)碼管的段選線并聯(lián)在一起，由位選線控制是哪一位數(shù)碼管有效。選亮數(shù)碼管采用動態(tài)掃描顯示。所謂動態(tài)掃描顯示即輪流向各位數(shù)碼管送出字形碼和相應的位選，利用發(fā)光管的余輝和人眼視覺暫留作用，使人的感覺好像各位數(shù)碼管同時都在顯示。動態(tài)顯示的亮度比靜態(tài)顯示要差一些，所以在選擇限流電阻時應略小于靜態(tài)顯示電路中的。液晶顯示的不閃爍、不傷眼由于液晶顯示器每一個點在收到信號后就一直保持那種色彩和亮度，恒定發(fā)光，而不象陰極射線管顯示器（CRT）那樣需要不斷刷新亮點。因此，液晶顯示器畫質(zhì)高而且絕對不會閃爍，把眼睛疲勞降到最低。沒有電磁輻射，可視面積大，可直接使用數(shù)字式接口，身材勻稱小巧，功率消耗小。LCD屏的液晶單元極易出現(xiàn)暇疵。LCD顯示屏包含了在CRT技術中未曾用到的一些東西。為屏幕提供光源的是盤繞在其背后的熒光管。有些時候，我們會發(fā)現(xiàn)屏幕的某一部分出現(xiàn)異常亮的線條。也可能出現(xiàn)一些不雅的條紋，一幅特殊的淺色或深色圖像會對相鄰的顯示區(qū)域造成影響。此外，一些相當精密的圖案(比如經(jīng)抖動處理的圖像)可能在液晶顯示屏上出難看的波紋或者干擾紋。存在可視角度另外還有一個視角或者"觀察角度"的問題。LCD之所以存在視角問題，是由于它采用的是光線透射機制，會對穿過屏幕的光線進行調(diào)節(jié)。而CRT是一種光線發(fā)射系統(tǒng)。對CRT來說，屏幕背后的特殊材料(熒光粉)能主動發(fā)射出光線。而在LCD中，雖然光線能穿透正確的像素，但傾斜的光線也會穿透相鄰的像素，所以從正常視角之外觀看時會發(fā)現(xiàn)顏色嚴重失真。液晶12東華理工大學畢業(yè)設計（論文）轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的理論基礎顯示的價格要比數(shù)碼管的顯示要貴好多。2.7速度傳感器的各種類型介紹速度傳感器的普及從推廣到市場以來得到了廣泛的應用，很多廠商在其原理之上，又開發(fā)了多種速度傳感器要[10]。具體有以下幾種：(1)光電式速度傳感器—由帶孔的轉(zhuǎn)盤兩個光導體纖維，一個發(fā)光二極管，一個作為光傳感器的光電三極管組成。一個以光電三極管為基礎的放大器為發(fā)動機控制電腦或點火模塊提供足夠功率的信號，光電三極管和放大器產(chǎn)生數(shù)字輸出信號(開關脈沖)。發(fā)光二極管透過轉(zhuǎn)盤上的孔照到光電二極管上實現(xiàn)光的傳遞與接收；(2)磁電式速度傳感器—模擬交流信號發(fā)生器，產(chǎn)生交變電流信號，通常由帶兩個接線柱的磁芯及線圈組成。磁組輪上的逐個齒輪將產(chǎn)生一對應的系列脈沖，其形狀是一樣的。輸出信號的振幅與磁組輪的轉(zhuǎn)速成正比(車速)，信號的頻率大小表現(xiàn)于磁組輪的轉(zhuǎn)速大小。發(fā)動機控制電腦或點火模塊正是靠這個同步脈沖信號來確定觸發(fā)電火時間或燃油噴射時刻的；(3)霍爾式速度傳感器—它們主要應用在曲軸轉(zhuǎn)角和凸輪軸位置上，用于開關點火和燃油噴射電路觸發(fā)，它還應用在其它需要控制轉(zhuǎn)動部件的位置和速度控制電腦電路中。由一個幾乎完全閉合的包含永久磁鐵和磁極部分的磁路組成，一個軟磁鐵葉片轉(zhuǎn)子穿過磁鐵和磁極間的氣隙，在葉片轉(zhuǎn)子上的窗口允許磁場不受影響的穿過并到達霍爾效應傳感器，而沒有窗口的部分則中斷磁場；(4)旋轉(zhuǎn)式速度傳感器的結(jié)構和特征。旋轉(zhuǎn)式速度傳感器按安裝形式分為接觸式和非接觸式兩類。接觸式旋轉(zhuǎn)式速度傳感器與運動物體直接接觸。當運動物體與旋轉(zhuǎn)式速度傳感器接觸時，摩擦力帶動傳感器的滾輪轉(zhuǎn)動。裝在滾輪上的轉(zhuǎn)動脈沖傳感器，發(fā)送出一連串的脈沖。每個脈沖代表著一定的距離值，從而就能測出線速度；(5)接觸式旋轉(zhuǎn)速度傳感器結(jié)構簡單，使用方便。但是接觸滾輪的直徑是與運動物體始終接觸著，滾輪的外周將磨損，從而影響滾輪的周長。而脈沖數(shù)對每個傳感器又是固定的，影響傳感器的測量精度。要提高測量精度必須在二次儀表中增加補償電路。另外接觸式難免產(chǎn)生滑差，滑差的存在也將影響測量的正確性。因此傳感器使用中必須施加一定的正壓力或著滾輪表面采用摩擦力系數(shù)大的材料，盡可能減小滑差。非接觸式旋轉(zhuǎn)式速度傳感器與運動物體無直接接觸，非接觸式測量原理很多。光電流速傳感器的葉輪的葉片邊緣貼有反射膜，流體流動時帶動葉輪旋轉(zhuǎn)，葉輪每轉(zhuǎn)動一周光纖傳輸反光一次，產(chǎn)生一個電脈沖信號?？捎蓹z測到的脈沖數(shù)，計算出流速。光電風速傳感器的風帶動風速計旋轉(zhuǎn)，經(jīng)齒輪傳動帶動凸輪成比例旋轉(zhuǎn)。光纖被凸輪輪盤遮斷形成一串光脈沖，經(jīng)光電管轉(zhuǎn)換成定信號，經(jīng)計算可檢測出風速。非接觸式旋轉(zhuǎn)速度傳感器壽命長，無需增加補償13東華理工大學畢業(yè)設計（論文）轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的理論基礎電路。但脈沖當量不是距離整數(shù)倍，因此速度運算相對比較復雜。旋轉(zhuǎn)式速度傳感器的性能可歸納如下：(1)傳感器的輸出信號為脈沖信號，其穩(wěn)定性比較好，不易受外部噪聲干擾，對測量電路無特殊要求；(2).結(jié)構比較簡單，成本低，性能穩(wěn)定可靠。功能齊全的微機芯片，使運算變換系數(shù)易于獲得，故目前速度傳感器應用極為普遍。2.8電路設計方法的理論介紹電路的設計方法主要有純數(shù)字電路設計，單片機設計和可編程邏輯器件。下面詳細介紹這三種電路設計方法。純數(shù)字設計指的大多是74系列那樣的通用芯片，有點是組建方便，簡單系統(tǒng)成本低，是可編程邏輯器件的基礎，早期單板機就用這個，現(xiàn)在led光屏也有很多，缺點是復雜應用成本高，設計復雜，功耗大，部分效率較低。在設計中主要用到數(shù)字設計中的邏輯門(LogicGates)邏輯門是在集成電路(IntegratedCircuit)上的基本組件[11]。簡單的邏輯門可由晶體管組成。這些晶體管的組合可以使代表兩種信號的高低電平在通過它們之后產(chǎn)生高電平或者低電平的信號。高、低電平可以分別代表邏輯上的“真”與“假”或二進制當中的1和0，從而實現(xiàn)邏輯運算。常見的邏輯門包括“與”門，“或”門，“非”門，“異或”門(ExclusiveORgate)（也稱：互斥或）等等。邏輯門可以組合使用實現(xiàn)更為復雜的邏輯運算。各種邏輯門可以組合成加法器，減法器，乘法器等等。純電路的設計復雜，同時成本較高，不利與小規(guī)模制造，速度較高[8]。單片機的設計中單片機功耗低應用靈活，但是執(zhí)行并行任務效率低。不過一般的應用對實時性要求不高，所以應用特別特別特別廣泛…收發(fā)器，收音機，充電器，顯示屏，無所不在，而且沾了單片機也能顯得高端不少，單片機需要綜合考慮輸入輸出通道問題，到現(xiàn)場干擾問題等等，板子做好后拿到現(xiàn)場有可能不好用，對初學者來說尤其如此.但勝在成本低.單片機設計的設計簡單，而且成本較低，利于小規(guī)模制造，速度次之[12]。PLD成本高，功耗較低，另外較穩(wěn)定易維護，方便量產(chǎn)。設計開發(fā)過程隨著技術的進步也越來越簡便快捷。由于其主要用于工業(yè)控制上，用于強電。由專業(yè)公司精心設計的硬件和軟件系統(tǒng)，功能強大、可靠性好。編程方法簡單易學，即使是不熟悉電腦的工程師也可以用它開發(fā)復雜的控制系統(tǒng)[4]?？垢蓴_能力強，適用于環(huán)境惡劣的工業(yè)控制場合。有豐富的擴展模塊和聯(lián)網(wǎng)能力，可以做成大型復雜的工業(yè)控制系統(tǒng)。其缺點價格昂貴，體積大，功能擴展要較多的模塊，不適合大批量重復生產(chǎn)的產(chǎn)品。14東華理工大學畢業(yè)設計（論文）對射式轉(zhuǎn)速測量儀的設計實現(xiàn)3對射式轉(zhuǎn)速測量儀的設計實現(xiàn)本設計主要分為四大模塊，其分別是光電轉(zhuǎn)速傳感器模塊、信號調(diào)節(jié)電路模塊、單片機的計數(shù)、定時模塊、數(shù)碼管的顯示模塊。結(jié)構框圖如圖3-1所示；光電轉(zhuǎn)速傳感器系統(tǒng)在光電傳感器收發(fā)端間加入電動機，并在電動機的轉(zhuǎn)軸上安裝一個轉(zhuǎn)盤。在這個轉(zhuǎn)盤的邊沿處挖出6個圓形過孔，把傳感器的檢測部分放在圓孔的圓心位置。每當轉(zhuǎn)盤隨著后輪旋轉(zhuǎn)的時候，傳感器將向外輸出若干個方波脈沖。根據(jù)轉(zhuǎn)速和方波脈沖之間的關系當圓盤無孔時，轉(zhuǎn)速和脈沖數(shù)是相等的，當為6個過孔時，則轉(zhuǎn)數(shù)是脈沖數(shù)的六分之一。故本設計從測轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)為測該光電轉(zhuǎn)速傳感器的輸出信號的脈沖數(shù)。然后將方波脈沖信號接入到LM393N進行放大、整流濾波，由于單片機的P3.5能夠直接讀取脈沖信號，并能對脈沖信號進行計數(shù)，所以將處理好的方波信號接入到STC89C52的P3.5口處理，在單片機外圍接數(shù)碼管的顯示模塊的，用P2口控制數(shù)碼管的位選，P0口控制數(shù)碼管的段選。本設計各部分模塊的功能可綜述為：①光電轉(zhuǎn)速傳感器：用來對信號的采樣。②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(shù)據(jù)的處理轉(zhuǎn)換。③單片機：對處理過的信號進行轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)速的實際值，送入LED④LED顯示：用來對所測量到的轉(zhuǎn)速進行顯示。圖3-1對射式轉(zhuǎn)速測量儀的結(jié)構框圖3.1光電轉(zhuǎn)速傳感模塊的設計本設計中光電轉(zhuǎn)速傳感器是由光電傳感器、HD74HC04P反相器、電動機、轉(zhuǎn)盤等組成。光電傳感器將光信號轉(zhuǎn)換成電信號；反相器將輸入信號取反，不僅具有提升帶負載能力的作用，而且具有隔離的作用即給輸入引腳處提供高阻特性，使信號上升時間或上升沿陡峭程度不受內(nèi)部電路影響。電信號使得電動機帶動轉(zhuǎn)盤，把傳感器的檢測部分放在圓孔的圓心位置。每當轉(zhuǎn)盤隨著后輪旋轉(zhuǎn)的時候，傳感器將向外輸出若干個方波脈沖。轉(zhuǎn)盤上有六個均勻大小的圓孔，當轉(zhuǎn)盤無孔時脈沖數(shù)等于轉(zhuǎn)速，則該光電轉(zhuǎn)速傳感器的轉(zhuǎn)速是脈沖數(shù)的六分之一。光電轉(zhuǎn)速傳感器的內(nèi)部電路模塊如圖3-2所示。則該方波信號即為本設計所要測的模擬量，方波信號的脈沖數(shù)是本設計所要測的數(shù)字量。該光電轉(zhuǎn)速傳感器的實物圖如圖3-3所示：15東華理工大學畢業(yè)設計（論文）對射式轉(zhuǎn)速測量儀的設計實現(xiàn)圖3-2光電轉(zhuǎn)速傳感器的內(nèi)部電路圖圖3-3光電轉(zhuǎn)速傳感器的實物圖3.2放大、整流濾波電路的設計本設計中從該光電轉(zhuǎn)速傳感器的輸出端輸出的方波信號并非是標準的方波信號，而單片機的的P3.5口只能讀取脈沖信號，為了使光電轉(zhuǎn)速傳感器所采集的輸出信號能夠被單片機的P3.5口所讀取和計數(shù)，使結(jié)果更加精確，故必須采用LM393N電壓比較器對信號進行放大、整形濾波。LM393N的最小電源電壓為2V，最大電源電壓為36V，當VinVin時，Vout輸出Vcc即為高電平，當VinVin時，Vout輸出0V即為低電平。LM393由內(nèi)部兩個獨立精確的電壓比較器組成，失調(diào)電壓不超過2mv。兩電壓比較器專門設計在電壓范圍較寬的單電源或雙電源下工作，LM393在單電源下工作輸入共摸電壓范圍也可達到零電平，另一個特點是輸入差分電壓范圍等于電源電壓，它的低輸入偏置電流為25mA，低輸入失調(diào)電流為正負5mA，輸出電壓可直接與TTL及CMOS邏輯電路接口。雙電壓比較器LM393N，它有兩個輸入端和兩個輸出端，一個基準電壓端。輸入端電壓低于基準電壓時輸出端為高電平，反之輸出端電平翻轉(zhuǎn)。16東華理工大學畢業(yè)設計（論文）對射式轉(zhuǎn)速測量儀的設計實現(xiàn)本設計的LM393N與光電轉(zhuǎn)速傳感器輸出信號的放大，整流濾波電路的設計如圖3-4所示：圖3-4放大、整流濾波電路3.3計數(shù)、定時模塊的設計本設計中選用STC89C52RC單片機來實現(xiàn)計數(shù)、定時模塊的設計，實現(xiàn)該模塊設計單片機需要連接外圍的硬件電路和燒入實現(xiàn)該模塊定時、計數(shù)功能程序的軟件部分。STC89C52RC單片機的外圍硬件電路主要是晶振電路和復位電路，軟件部分是對P3.5口的方波信號進行處理，軟件的設計思路是根據(jù)在一定的時間內(nèi)單片機讀取所輸入的脈沖信號數(shù)。3.3.1硬件設計STC89C52單片機的最下系統(tǒng)的硬件電路設計的包含兩個部分：晶振電路和復位電路。如圖3-5所示即為本設計的STC89C52單片機的外圍硬件電路。圖3-5單片機外圍硬件電路17東華理工大學畢業(yè)設計（論文）對射式轉(zhuǎn)速測量儀的設計實現(xiàn)在單片機的系統(tǒng)里都有晶振電路，晶振電路的作用非常大，它結(jié)合單片機內(nèi)部電路產(chǎn)生單片機所需的時鐘頻率，單片機晶振提供的時鐘頻率越高，單片機運行速度越快，單片機接收的一切指令的執(zhí)行都是建立在單片機晶振提供的時鐘頻率。就是為單片機提供“能量”，單片機每條指令的運行都是嚴格按照機器周期來執(zhí)行的，雖然晶振不能自激振蕩，但是用晶振和電容可以組成一個選頻網(wǎng)絡，利用單片機內(nèi)部時鐘，就可以產(chǎn)生一個和晶振頻率一樣的時鐘信號晶振，就象是單片機的心臟，提供時鐘激勵，保證單片機內(nèi)部和外部電路的時序邏輯電路協(xié)調(diào)動作。本設計中選用30PF的電容和fosc為12MHZ的晶振組成一個可以產(chǎn)生和晶振頻率一樣的時鐘信號，即可得到機器周期脈沖Tcy為1s。單片機的復位電路是在上電或復位過程中，控制CPU的復位狀態(tài)：這段時間內(nèi)讓CPU保持復位狀態(tài)，而不是一上電或剛復位完畢就工作，防止CPU發(fā)出錯誤的指令、執(zhí)行錯誤操作，也可以提高電磁兼容性能。在本設計中RST復位輸入引腳上接一個10F的電容至Vcc端，下接一個10K電阻到地。上電復位的工作過程是在加電時，復位電路通過電容加給RST端一個短暫的高電平信號，此高電平信號隨著Vcc對電容的充電過程而逐漸回落，即RST端的高電平持續(xù)時間取決于電容的充電時間。為了保證系統(tǒng)能夠可靠地復位，RST端的高電平信號必須維持足夠長的時間。在復位電路中，當Vcc掉電時，必然會使RST端電壓迅速下降到0V以下，但是，由于內(nèi)部電路的限制作用，這個負電壓將不會對器件產(chǎn)生損害。另外，在復位期間，端口引腳處于隨機狀態(tài)，復位后，系統(tǒng)將端口置為全“l(fā)”態(tài)。如果系統(tǒng)在上電時得不到有效的復位，則程序計數(shù)器PC將得不到一個合適的初值，因此，CPU可能會從一個未被定義的位置開始執(zhí)行程序。3.3.2軟件設計單片機計數(shù)、定時模塊的軟件設計的目的是能夠?qū)M入到P3.5口的方波信號能夠產(chǎn)生計數(shù)，本單片機計數(shù)、定時軟件設計的思路：開始開定時器和計數(shù)器，定時器定時50ms，計數(shù)器計數(shù)50ms，最后讀出計數(shù)器值并清零，計數(shù)器定時重新裝初始值并啟動定時器。本設計中的單片機的計數(shù)程序：首先開計數(shù)器1中斷，開總中斷開關，然后設置計數(shù)器1的初始值，其高8位和低8位都為0，開啟計數(shù)器1，記錄方波脈沖數(shù)。當定時到了50ms時，記錄結(jié)果。其計數(shù)的程序流程圖如圖3-6所示：18東華理工大學畢業(yè)設計（論文）對射式轉(zhuǎn)速測量儀的設計實現(xiàn)N圖3-6計數(shù)程序流程圖本設計中的單片機的定時程序：首先開定時器0中斷，開總中斷開關，然后設置定時器0的初始值，其高8位和低8位都為0，開啟定時器0。定時到50ms時，定時重新裝入初始值，并啟動定時器。其定時的程序流程圖如圖3-7所示：NY圖3-7定時程序流程圖在計數(shù)、定時模塊的設計中，還有一部分的中斷程序的設計：首先關定時器0、計數(shù)器1，重新設初始值，然后把計數(shù)器1中記錄的脈沖數(shù)取出，將計數(shù)器1清0，最后開定時器0、計數(shù)器1.其中斷程序流程圖如圖3-8所示：19東華理工大學畢業(yè)設計（論文）對射式轉(zhuǎn)速測量儀的設計實現(xiàn)圖3-8中斷程序流程圖3.4顯示模塊的設計本設計中的顯示采用的是數(shù)碼管的動態(tài)顯示方式，顯示的數(shù)值即為對射式轉(zhuǎn)速傳感器的轉(zhuǎn)速，它的設計分為硬件模塊和顯示的軟件模塊。3.4.1顯示模塊硬件電路的設計硬件電路的設計：顯示部分的數(shù)碼管是接在單片機的上的，本設計中選得數(shù)碼管為共陰數(shù)碼管，數(shù)碼管接在單片機上必須要接上拉電阻，為了能夠有效的顯示轉(zhuǎn)速我們的上拉電阻不能選得太大，在本設計中選得上拉電阻為10千歐。本設計選擇P0口做為數(shù)碼管的段選，用P2口做為數(shù)碼管的位選。其硬件電路的設計圖3-9所示：圖3-9顯示的硬件電路20東華理工大學畢業(yè)設計（論文）對射式轉(zhuǎn)速測量儀的設計實現(xiàn)3.4.2顯示功能實現(xiàn)的軟件設計顯示部分的軟件設計根據(jù)開發(fā)板的實際電路原理圖設計，讓顯示部分最高位為千位，最低位為個位。顯示部分的數(shù)碼管的動態(tài)顯示程序：本設計的構思開始顯示緩存初始化，數(shù)碼管顯示初始化，數(shù)碼管顯示。其程序流程圖如圖3-10所示：HYPERLINK"/retype/zoom/963f3813a0116c175e0e4886?pn=27&x=0&y=0&raww=312&rawh=293&o=jpg_6_0_______&type=pic&aimh=293&md5sum=c10e597d21f526aca84222496eb5ca87&sign=c3df99c0e5&z