測(cè)轉(zhuǎn)速的光電感器器課程設(shè)計(jì)

1、<p>　　…………………………裝………………………………訂………………………………線……………………………………………………………… </p><p>　　測(cè)轉(zhuǎn)速的光電傳感器課程設(shè)計(jì)</p><p>　　摘 要：轉(zhuǎn)速是發(fā)動(dòng)機(jī)重要的工作參數(shù)之一,也是其它參數(shù)計(jì)算的重要依據(jù)。目前常用的轉(zhuǎn)速測(cè)量方法有離心式轉(zhuǎn)速表測(cè)速法、測(cè)速發(fā)電機(jī)測(cè)速法、光電碼盤測(cè)速法和霍爾元件測(cè)速法等。在對(duì)各種測(cè)速

2、方法進(jìn)行分析后提出了基于光電傳感器的轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)。詳細(xì)分析了系統(tǒng)的組成及工作原理，給出了系統(tǒng)中各硬件模塊設(shè)計(jì)方法及系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方法，給出了部分程序流程圖和程序清單。該測(cè)速系統(tǒng)安裝維護(hù)方便，工作穩(wěn)定，運(yùn)行可靠，具有較大的推廣應(yīng)用價(jià)值。</p><p>　　關(guān)鍵詞 ：光電轉(zhuǎn)速傳感器，轉(zhuǎn)速測(cè)量，單片機(jī)，測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p><b>　　1引言</b></p&g

3、t;<p>　　2 系統(tǒng)組成及工作原理4</p><p><b>　　2.1器件選擇4</b></p><p>　　2.2轉(zhuǎn)速測(cè)量方法4</p><p><b>　　2.3轉(zhuǎn)速測(cè)量原理</b></p><p>　　3 方案的設(shè)計(jì)與選擇5</p><p>

4、　　3.1 光電門測(cè)量方案5</p><p>　　3.2 霍爾傳感器器測(cè)量方案6</p><p>　　3.3 光電傳感器測(cè)量方案6</p><p>　　4 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)7</p><p>　　4.1脈沖信號(hào)產(chǎn)生模塊</p><p>　　4.2脈沖信號(hào)的處理模塊</p><p>　　4.3

5、轉(zhuǎn)速的顯示模塊</p><p><b>　　4.4其他模塊</b></p><p><b>　　5相關(guān)器件的介紹</b></p><p>　　5.1光電傳感器的介紹</p><p><b>　　5.2單片機(jī)的介紹</b></p><p><b>

6、;　　6軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　6.1主程序流程圖及各子程序流程圖</p><p>　　6.2單片機(jī)程序編寫</p><p><b>　　結(jié)論</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p><b>　　1.引言&

7、lt;/b></p><p>　　在工程實(shí)踐中，經(jīng)常會(huì)遇到各種需要測(cè)量轉(zhuǎn)速的場(chǎng)合，例如在發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)、卷?yè)P(yáng)機(jī)、機(jī)床主軸等旋轉(zhuǎn)設(shè)備的試驗(yàn)、運(yùn)轉(zhuǎn)和控制中，常需要分時(shí)或連續(xù)測(cè)量和顯示其轉(zhuǎn)速及瞬時(shí)轉(zhuǎn)速。目前國(guó)內(nèi)外測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速的方法有很多，按照不同的理論方法，先后產(chǎn)生過(guò)模擬測(cè)速法(如離心式轉(zhuǎn)速表、用電機(jī)轉(zhuǎn)矩或者電機(jī)電樞電動(dòng)勢(shì)計(jì)算所得)、同步測(cè)速法(如機(jī)械式或閃光式頻閃測(cè)速儀)以及計(jì)數(shù)測(cè)速法。計(jì)數(shù)測(cè)速法又可分為機(jī)械式

8、定時(shí)計(jì)數(shù)法和電子式定時(shí)計(jì)數(shù)法。其中應(yīng)用最廣的是光電式，光電式測(cè)系統(tǒng)具有低慣性、低噪聲、高分辨率和高精度的優(yōu)點(diǎn)。加之激光光源、光柵、光學(xué)碼盤、CCD器件、光導(dǎo)纖維等的相繼出現(xiàn)和成功應(yīng)用，使得光電傳感器在檢測(cè)和控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。而采用光電傳感器的電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量準(zhǔn)確度高、采樣速度快、測(cè)量范圍寬和測(cè)量精度與被測(cè)轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。這次設(shè)計(jì)的內(nèi)容包含了多個(gè)方面，從脈沖信號(hào)的產(chǎn)生模塊、脈沖信號(hào)的處理模塊和轉(zhuǎn)速的顯示模塊

9、三個(gè)模塊入手，全面鍛煉了我們信號(hào)采集，處理和分析的工作能力。</p><p>　　2.轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)的原理</p><p><b>　　2.1選用器材</b></p><p>　　AT89C51單片機(jī)，4位數(shù)碼管，9013三極管4個(gè)，9014三極管一個(gè)，按鈕一個(gè)，12M晶振1個(gè)，30pF電容3個(gè)，180、3.3K、4.7K、20K、10K歐電阻各

10、1個(gè)，馬達(dá)1個(gè)，光電門一個(gè)。</p><p><b>　　2.2轉(zhuǎn)速測(cè)量方法</b></p><p>　　轉(zhuǎn)速是指作圓周運(yùn)動(dòng)的物體在單位時(shí)間內(nèi)所轉(zhuǎn)過(guò)的圈數(shù)，其大小及變化往往意味著機(jī)器設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的正常與否，因此，轉(zhuǎn)速測(cè)量一直是工業(yè)領(lǐng)域的一個(gè)重要問(wèn)題。按照不同的理論方法，先后產(chǎn)生過(guò)模擬測(cè)速法(如離心式轉(zhuǎn)速表)、同步測(cè)速法(如機(jī)械式或閃光式頻閃測(cè)速儀)以及計(jì)數(shù)測(cè)速法。計(jì)數(shù)測(cè)速

11、法又可分為機(jī)械式定時(shí)計(jì)數(shù)法和電子式定時(shí)計(jì)數(shù)法。本文介紹的采用單片機(jī)和光電傳感器組成的高精度轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)，其轉(zhuǎn)速測(cè)量方法采用的就是電子式定時(shí)計(jì)數(shù)法。</p><p>　　對(duì)轉(zhuǎn)速的測(cè)量實(shí)際上是對(duì)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)引起的周期脈沖信號(hào)的頻率進(jìn)行測(cè)量。在頻率的工程測(cè)量中，電子式定時(shí)計(jì)數(shù)測(cè)量頻率的方法一般有三種：</p><p><b>　　（1）測(cè)頻率法</b></p>&

12、lt;p>　　在一定時(shí)間間隔t內(nèi)，計(jì)數(shù)被測(cè)信號(hào)的重復(fù)變化次數(shù)N，則被測(cè)信號(hào)的頻率fx可表示為</p><p><b>　　f x =Nt</b></p><p><b>　?。?）測(cè)周期法</b></p><p>　　在被測(cè)信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)，計(jì)數(shù)時(shí)鐘脈沖數(shù)m0，則被測(cè)信號(hào)頻率fx = fc/ m0 其中，fc為時(shí)鐘脈

13、沖信號(hào)頻率。</p><p><b>　　（3）多周期測(cè)頻法</b></p><p>　　在被測(cè)信號(hào)m1個(gè)周期內(nèi)，計(jì)數(shù)時(shí)鐘脈沖數(shù)m2，從而得到被測(cè)信號(hào)頻率fx，則fx可以表示為fx =m1 fcm2，m1由測(cè)量準(zhǔn)確度確定。</p><p>　　電子式定時(shí)計(jì)數(shù)法測(cè)量頻率時(shí)，其測(cè)量準(zhǔn)確度主要由兩項(xiàng)誤差來(lái)決定：一項(xiàng)是時(shí)基誤差；另一項(xiàng)是量化±

14、1誤差。當(dāng)時(shí)基誤差小于量化±1 誤差一個(gè)或兩個(gè)數(shù)量級(jí)時(shí)，這時(shí)測(cè)量準(zhǔn)確度主要由量化±1 誤差來(lái)確定。對(duì)于測(cè)頻率法，測(cè)量相對(duì)誤差為：</p><p>　　Er1 =測(cè)量誤差值實(shí)際測(cè)量值×100 % =1N×100 %</p><p>　　由此可見(jiàn)，被測(cè)信號(hào)頻率越高，N越大，Er1就越小，所以測(cè)頻率法適用于高頻信號(hào)(高轉(zhuǎn)速信號(hào)) 的測(cè)量。對(duì)于測(cè)周期法，測(cè)量

15、相對(duì)誤差為：</p><p>　　Er2 =測(cè)量誤差值實(shí)際測(cè)量值×100 % =1m0×100 %</p><p>　　對(duì)于給定的時(shí)鐘脈沖fc，當(dāng)被測(cè)信號(hào)頻率越低時(shí)，m0越大，Er2就越小，所以測(cè)周期法適用于低頻信號(hào)(低轉(zhuǎn)速信號(hào))的測(cè)量。對(duì)于多周期測(cè)頻法，測(cè)量相對(duì)誤差為：</p><p>　　Er3 =測(cè)量誤差值實(shí)際測(cè)量值100%=1m2

16、5;100 %</p><p>　　從上式可知，被測(cè)脈沖信號(hào)周期數(shù)m1越大，m2就越大，則測(cè)量精度就越高。它適用于高、低頻信號(hào)(高、低轉(zhuǎn)速信號(hào))的測(cè)量。但隨著精度和頻率的提高，采樣周期將大大延長(zhǎng)，并且判斷m1也要延長(zhǎng)采樣周期，不適合實(shí)時(shí)測(cè)量。</p><p>　　根據(jù)以上的討論，考慮到實(shí)際應(yīng)用中需要測(cè)量的轉(zhuǎn)速范圍很寬，上述的轉(zhuǎn)速測(cè)量方法難以滿足要求，因此，研究高精度的轉(zhuǎn)速測(cè)量方法，以同時(shí)適

17、用于高、低轉(zhuǎn)速信號(hào)的測(cè)量，不僅具有重要的理論意義，也是實(shí)際生產(chǎn)中的需要。</p><p><b>　　2.3轉(zhuǎn)速測(cè)量原理</b></p><p>　　一般的轉(zhuǎn)速長(zhǎng)期測(cè)量系統(tǒng)是預(yù)先在軸上安裝一個(gè)有60齒的測(cè)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(cè)頻的辦法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速測(cè)量。而臨時(shí)性轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)，多采用光電傳感器，從轉(zhuǎn)軸上預(yù)先粘貼的一個(gè)標(biāo)志上獲得一轉(zhuǎn)一個(gè)

18、轉(zhuǎn)速脈沖，隨后利用電子倍頻器和測(cè)頻方法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速測(cè)量。不論長(zhǎng)期或臨時(shí)轉(zhuǎn)速測(cè)量，都可以在微處理器的參與下，通過(guò)測(cè)量轉(zhuǎn)軸上預(yù)留的一轉(zhuǎn)一齒的鑒相信號(hào)或光電信號(hào)的周期，換算出轉(zhuǎn)軸的頻率或轉(zhuǎn)速。即通過(guò)速度傳感器，將轉(zhuǎn)速信號(hào)變?yōu)殡娒}沖，利用微機(jī)在單位時(shí)間內(nèi)對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，再經(jīng)過(guò)軟件計(jì)算獲得轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)。即：</p><p><b>　　n=N/ (mT)</b></p><p>　　其

19、中n為轉(zhuǎn)速、單位：轉(zhuǎn)/分鐘；N為采樣時(shí)間內(nèi)所計(jì)脈沖個(gè)數(shù)；T為采樣時(shí)間、單位：分鐘；m為每旋轉(zhuǎn)一周所產(chǎn)生的脈沖個(gè)數(shù)(通常指測(cè)速碼盤的齒數(shù))，通常m為60，如果m=60， 那么1秒鐘內(nèi)脈沖個(gè)數(shù)N就是轉(zhuǎn)速n，即:</p><p>　　n=N/ (mT) =N/60×1/60=N</p><p>　　在對(duì)轉(zhuǎn)速波動(dòng)較快系統(tǒng)或要求動(dòng)態(tài)特性好而精度高的轉(zhuǎn)速測(cè)控系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)周期一般很短，相應(yīng)的采

20、樣周期需取得很小，使得脈沖當(dāng)量增高，從而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)測(cè)量精度降低，難以滿足測(cè)控要求。提高采樣速率通常就要減小采樣時(shí)間T， 而T的減小會(huì)使采到的脈沖數(shù)值N下降，導(dǎo)致脈沖當(dāng)量(每個(gè)脈沖所代表的轉(zhuǎn)速)增高，從而使得測(cè)量精度變得粗糙。通過(guò)增加測(cè)速碼盤的齒數(shù)可以提高精度，但是碼盤齒數(shù)的增加會(huì)受到加工工藝的限制，同時(shí)會(huì)使轉(zhuǎn)速測(cè)量脈沖的頻率增高，頻率的提升又會(huì)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(cè)量方

21、法的使用范圍。而采用本文所提出的定時(shí)分時(shí)雙頻率采樣法，可在保證采樣精度的同時(shí)，提高采樣速率，充分發(fā)揮微機(jī)智能測(cè)速方法的優(yōu)越性及靈活性。</p><p><b>　　3方案的設(shè)計(jì)與選擇</b></p><p>　　轉(zhuǎn)速測(cè)量的方案選擇，除了要考慮能否實(shí)現(xiàn)還有測(cè)速范圍外，還要考慮價(jià)格還有測(cè)量精度問(wèn)題，通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)速測(cè)量資料的查閱還有我們的構(gòu)思和設(shè)計(jì)，總體電路我們有三套設(shè)計(jì)方案，

22、部分重要模塊也嘗試了多種實(shí)現(xiàn)方法，從而經(jīng)過(guò)分析和比較，我們從方案的實(shí)現(xiàn)難度、對(duì)器材的熟悉程度、器件用量、價(jià)格等方面進(jìn)行綜合考慮，然后最終選擇了一個(gè)方案。下面我們便介紹我們考慮的三種不同的設(shè)計(jì)方案。</p><p>　　3.1光電門測(cè)量方案</p><p>　　光電門是一個(gè)像門樣的裝置，一邊安裝發(fā)光裝置，一邊安裝接收裝置并與計(jì)時(shí)裝置連接。當(dāng)物體通過(guò)光電門時(shí)光被擋住，計(jì)時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，當(dāng)物體離開(kāi)

23、時(shí)停止計(jì)時(shí)，這樣就可以根據(jù)物體大小與運(yùn)動(dòng)時(shí)間計(jì)算物體運(yùn)動(dòng)的速度；若計(jì)時(shí)裝置具備運(yùn)算功能，使用隨機(jī)配置的擋光片(寬度一定)，可以直接測(cè)量物體的瞬時(shí)速度。光電門是由一個(gè)小的聚光燈泡和一個(gè)光敏管組成的，聚光燈泡對(duì)準(zhǔn)光敏管，光敏管前面有一個(gè)小孔可以接收光的照射。光敏門與計(jì)時(shí)儀是按以下方式聯(lián)接的。即當(dāng)兩個(gè)光電門的任一個(gè)被擋住時(shí)，計(jì)時(shí)儀開(kāi)始計(jì)時(shí)；當(dāng)兩個(gè)光電門中任一個(gè)被再次擋光時(shí)，計(jì)時(shí)終止。計(jì)時(shí)儀顯示的是兩次擋光之間的時(shí)間間隔。光電門主要應(yīng)用于計(jì)數(shù)，

24、計(jì)時(shí)，測(cè)速等方面。工作原理是光照度改變使光敏電阻阻值的改變，而引起光敏電阻兩端電壓的改變。電壓變化信號(hào)通過(guò)傳感器傳到計(jì)數(shù)器上計(jì)數(shù)計(jì)時(shí)。光電門一端有個(gè)線性光源，另一端有個(gè)光敏電阻，門中無(wú)物體阻擋時(shí)光照射到光敏電阻上。有光照時(shí)光敏電阻阻值減小，光敏電阻兩端為低電壓。當(dāng)門中有物體阻擋時(shí)，光敏電阻受到光照度減小，電阻增大，光敏電阻兩端為高電壓。當(dāng)光電門計(jì)數(shù)時(shí)，傳感器將高低變化的信號(hào)傳到計(jì)數(shù)器上，計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)。一次電壓變化計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)</p

25、><p>　　光電門原理應(yīng)用很廣泛，現(xiàn)在已經(jīng)不局限于門的形狀，如點(diǎn)鈔機(jī)，生產(chǎn)線計(jì)數(shù)器，光控路燈等。</p><p>　　由于我們班另外一組選擇了這個(gè)實(shí)驗(yàn)方案，于是我們便放棄了這個(gè)方案，以下為光電門傳感器的圖片。</p><p><b>　　圖1 光電門傳感器</b></p><p>　　3.2霍爾傳感器測(cè)量方案</p&

26、gt;<p>　　霍爾傳感器是利用霍爾效應(yīng)進(jìn)行工作的？其核心元件是根據(jù)霍爾效應(yīng)原理制成的霍爾元件。本文介紹一種泵驅(qū)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速采用霍爾轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)量?；魻栟D(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖如圖2，霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的接線圖如圖3。</p><p>　　傳感器的定子上有2個(gè)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(lì)電機(jī)分別與繞組A和B相連，它們的霍爾電極串聯(lián)后作

27、為傳感器的輸出。</p><p>　　圖2 霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖</p><p>　　圖3 方案霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的接線圖</p><p>　　缺點(diǎn)：采用霍爾傳感器在信號(hào)采樣的時(shí)候，會(huì)出現(xiàn)采樣不精確，因?yàn)樗强看判愿袘?yīng)才采集脈沖的，使用時(shí)間長(zhǎng)了會(huì)出現(xiàn)磁性變小，影響脈沖的采樣精度。</p><p>　　3.3光電傳感器測(cè)量方案</p&g

28、t;<p>　　整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的組成框圖如圖4所示。從圖中可見(jiàn)，轉(zhuǎn)子由一直流調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的無(wú)級(jí)調(diào)速。轉(zhuǎn)速信號(hào)由光電傳感器拾取，使用時(shí)應(yīng)先在轉(zhuǎn)子上做好光電標(biāo)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(biāo)記，然后將光電傳感器(光電頭)固定在正對(duì)光電標(biāo)記的某一適當(dāng)距離處。光電頭采用低功耗高亮度LED，光源為高可靠性可見(jiàn)紅光，無(wú)論黑夜還是白天，或是背景光強(qiáng)有

29、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(hào)。接到單片機(jī)89C51的相應(yīng)管腳上，通過(guò)89C51內(nèi)部定時(shí)/計(jì)時(shí)器T0、T1及相應(yīng)的程序設(shè)計(jì)，組成一個(gè)數(shù)字式轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)。</p><p>　　圖4 測(cè)量系統(tǒng)的組成框圖</p><p>　　優(yōu)點(diǎn)：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(diǎn)。</p><p>　　綜上所述，方

30、案三使用光電傳感器為本設(shè)計(jì)的最佳選擇方案。</p><p><b>　　4硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　根據(jù)之前的分析，我們選擇了光電傳感器結(jié)合單片機(jī)的方案來(lái)設(shè)計(jì)測(cè)量轉(zhuǎn)速的電路。以下為我們的系統(tǒng)總電路圖：</p><p><b>　　圖5 系統(tǒng)總電路圖</b></p><p>　　我們把

31、整個(gè)電路分成四大模塊，模塊一為脈沖信號(hào)的產(chǎn)生模塊；模塊二為脈沖信號(hào)的處理模塊；模塊三為轉(zhuǎn)速的顯示模塊；模塊四為其他模塊，例如復(fù)位電路等。以下便是我們各大模塊的設(shè)計(jì)。</p><p>　　4.1脈沖信號(hào)產(chǎn)生模塊</p><p>　　在設(shè)計(jì)中采用光電傳感器采集信號(hào)，這種傳感器是把旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速變?yōu)橄鄳?yīng)頻率的脈沖，然后用測(cè)量電路測(cè)出頻率，由頻率值就可知道所側(cè)轉(zhuǎn)素值。這種測(cè)量方法具有傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、

32、可靠、測(cè)量精度高的特點(diǎn)。是目前常用的一種測(cè)量轉(zhuǎn)速的方法。</p><p>　　從光源發(fā)出的光通過(guò)測(cè)速齒盤上的齒槽照射到光電元件上，使光電元件感光。測(cè)速齒盤上有30個(gè)齒槽，當(dāng)測(cè)速齒槽旋轉(zhuǎn)一周，光敏元件就能感受與開(kāi)孔數(shù)相等次數(shù)的光次數(shù)。對(duì)于被測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速在90—1700r/min的來(lái)說(shuō)，每轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生30個(gè)電脈沖信號(hào)，因此，傳感器輸出波形的頻率的大小為： </p><p>　　

33、45Hz≤f≤850Hz</p><p>　　測(cè)速齒盤裝在發(fā)射光源(紅外線發(fā)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(fā)光二極管(規(guī)格IR3401)負(fù)責(zé)發(fā)出光信號(hào)，紅外線接收三極管(規(guī)格3DU12)負(fù)責(zé)接收發(fā)出的光信號(hào)，產(chǎn)生電信號(hào)，每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒，光的明暗變化經(jīng)歷了一個(gè)正弦周期，即產(chǎn)生了正弦脈沖電信號(hào)。</p><p>　　圖6所示為轉(zhuǎn)速傳感器電路，由于紅外光不可見(jiàn)，無(wú)法用肉

34、眼識(shí)別發(fā)光信號(hào)是否在工作，故將紅外線的輸出回路串接了一個(gè)普通光電二極管作為判別光源發(fā)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(shí)，其導(dǎo)通電壓為1.2—1.5V，所選用的發(fā)光二極管的正向壓降一般為1.5—2.0V，電流為10—20mA。</p><p>　　轉(zhuǎn)速傳感器輸出電壓幅度在0—1.6mV呈正弦波變化，由此可見(jiàn)，紅外線接收三極管的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的電壓Uo很微弱(一般為mV量

35、級(jí))，需要進(jìn)行信號(hào)處理。</p><p>　　圖6 轉(zhuǎn)速傳感器電路圖</p><p>　　4.2脈沖信號(hào)的處理模塊</p><p>　　轉(zhuǎn)速信號(hào)處理電路為一個(gè)放大電路，因?yàn)楫a(chǎn)生的電壓信號(hào)很小，所以需要進(jìn)行放大處理，一般至少要放大1000倍，然后再進(jìn)行信號(hào)處理工作。信號(hào)放大裝置選用運(yùn)算放大器TL084作為放大電壓放大原件，其電路圖為下圖所示：</p>

36、<p>　　圖7 脈沖信號(hào)的放大電路圖</p><p>　　4.3轉(zhuǎn)速的顯示模塊</p><p>　　許多電子產(chǎn)品上都有跳動(dòng)的數(shù)碼來(lái)指示電器的工作狀態(tài)，其實(shí)數(shù)碼管顯示的數(shù)碼均是由八個(gè)發(fā)光二極管構(gòu)成的。每段上加上合適的電壓，該段就點(diǎn)亮。我們應(yīng)用了一個(gè)四位八段數(shù)碼管，并使用了一些電阻，起到對(duì)數(shù)碼管的保護(hù)作用。其電路圖如下圖所示：</p><p><b&g

37、t;　　圖8 顯示模塊</b></p><p><b>　　4.4其他模塊</b></p><p><b>　　（1）復(fù)位電路</b></p><p>　　單片機(jī)復(fù)位電路是指單片機(jī)的初始化操作。單片機(jī)啟運(yùn)運(yùn)行時(shí)，都需要先復(fù)位，其作用是使CPU和系統(tǒng)中其他部件處于一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開(kāi)始工作。因而，復(fù)

38、位是一個(gè)很重要的操作方式。但單片機(jī)本身是不能自動(dòng)進(jìn)行復(fù)位的，必須配合相應(yīng)的外部電路才能實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　復(fù)位電路的基本功能是：系統(tǒng)上電時(shí)提供復(fù)位信號(hào)，直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后，撤銷復(fù)位信號(hào)。為可靠起見(jiàn)，電源穩(wěn)定后還要經(jīng)一定的延時(shí)才撤銷復(fù)位信號(hào)，以防電源開(kāi)關(guān)或電源插頭分—合過(guò)程中引起的抖動(dòng)而影響復(fù)位。以下便是復(fù)位電路圖：</p><p><b>　　圖9 復(fù)位電路</b&

39、gt;</p><p><b>　?。?）晶振電路</b></p><p>　　晶振是晶體振蕩器的簡(jiǎn)稱，在電氣上它可以等效成一個(gè)電容和一個(gè)電阻并聯(lián)再串聯(lián)一個(gè)電容的二端網(wǎng)絡(luò)，電工學(xué)上這個(gè)網(wǎng)絡(luò)有兩個(gè)諧振點(diǎn)，以頻率的高低分其中較低的頻率是串聯(lián)諧振，較高的頻率是并聯(lián)諧振。</p><p>　　AT89S52單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大

40、器。引腳XTAL1和XTAL2分別是此放大器的輸入端和輸出端。這個(gè)放大器與作為反饋元件的片外晶體諧振器一起構(gòu)成一個(gè)自激振蕩器。外接晶體諧振器以及電容C1和C2構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，接在放大器的反饋回路中。對(duì)外接電容的值雖然沒(méi)有嚴(yán)格的要求，但電容的大小會(huì)影響震蕩器頻率的高低、震蕩器的穩(wěn)定性、起振的快速性和溫度的穩(wěn)定性。因此，此系統(tǒng)電路的晶體振蕩器的值為12MHz，電容應(yīng)盡可能的選擇陶瓷電容，電容值約為30μF。在焊接刷電路板時(shí)，晶體振蕩器和電

41、容應(yīng)盡可能安裝得與單片機(jī)芯片靠近，以減少寄生電容，更好地保證震蕩器穩(wěn)定和可靠地工作。晶體振蕩電路如圖10：</p><p>　　晶振有一個(gè)重要的參數(shù)，那就是負(fù)載電容值，選擇與負(fù)載電容值相等的并聯(lián)電容，就可以得到晶振標(biāo)稱的諧振頻率。</p><p><b>　　圖10 晶振電路</b></p><p><b>　　5相關(guān)器件的介紹<

42、;/b></p><p>　　5.1光電傳感器的介紹</p><p>　　光電傳感器是應(yīng)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(dāng)發(fā)射管光照射到接收管時(shí)，接收管導(dǎo)通，反之關(guān)斷。</p><p>　　圖11 光電傳感器的原理圖</p><p>　　以透射式為例，當(dāng)不透光的物體擋住發(fā)射與接收之間的間隙時(shí)，開(kāi)

43、關(guān)管關(guān)斷，否則打開(kāi)。為此，可以制作一個(gè)遮光葉片如圖12所示，安裝在轉(zhuǎn)軸上，當(dāng)扇葉經(jīng)過(guò)時(shí)，產(chǎn)生脈沖信號(hào)。當(dāng)葉片數(shù)較多時(shí)，旋轉(zhuǎn)一周可以獲得多個(gè)脈沖信號(hào)。</p><p><b>　　圖12 遮光葉片</b></p><p>　　于是我們選用的是SZGB-3型(單向)傳感器，其工作電壓為12V(DC)，有以下特點(diǎn)：</p><p>　　（1）供單向計(jì)

44、數(shù)器使用，測(cè)量轉(zhuǎn)速和線速；</p><p>　　（2）采用密封結(jié)構(gòu)性能穩(wěn)定；</p><p>　?。?）光源用紅外發(fā)光管，功耗小，壽命長(zhǎng)。</p><p>　　SZGB-3型光電轉(zhuǎn)速傳感器，使用時(shí)通過(guò)連軸節(jié)與被測(cè)轉(zhuǎn)軸連接，當(dāng)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，將轉(zhuǎn)角位移轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào)，供二次儀表計(jì)數(shù)使用。它的輸出脈沖是每一轉(zhuǎn)60脈沖，輸出信號(hào)幅值在轉(zhuǎn)速為50r/min時(shí)是300mV，它的

45、測(cè)速范圍為50—5000r/min，可持續(xù)使用，其工作環(huán)境為工作溫度在-10—40℃，相對(duì)濕度≤85%，無(wú)腐蝕性氣體。 </p><p><b>　　5.2單片機(jī)的介紹</b></p><p>　　AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器(FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory)

46、的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。</p><p>　　圖13是常用的一種單片機(jī)，型號(hào)為AT89C51，它將計(jì)算機(jī)的功能都集成到這個(gè)芯片內(nèi)部去了，因此

47、叫做單片機(jī)。</p><p>　　圖13 AT89C51芯片</p><p>　　它有40個(gè)管腳，分成兩排，每一排各有20個(gè)腳，其中左下角標(biāo)有箭頭的為第1腳，然后按逆時(shí)針?lè)较蛞来螢榈?腳、第3腳……第40腳。</p><p>　　在40個(gè)管腳中，其中有32個(gè)腳可用于各種控制，比如控制小燈的亮與滅、控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)、控制電梯的升與降等，這32個(gè)腳叫做單片機(jī)的“端

48、口”，在單片機(jī)技術(shù)中，每個(gè)端口都有一個(gè)特定的名字，比如第一腳的那個(gè)端口叫做“P1.0”。</p><p>　　AT89C51單片機(jī)的功能：</p><p><b>　?。?）主要特性：</b></p><p>　　能與MCS-51 兼容；4K字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器；壽命為1000寫/擦循環(huán)；數(shù)據(jù)能保留10年；全靜態(tài)工作在0Hz-24Hz之間；三級(jí)

49、程序存儲(chǔ)器鎖定；有128*8位內(nèi)部RAM；有32可編程I/O線；有兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；有5個(gè)中斷源； 可編程串行通道；有低功耗的閑置和掉電模式；有片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路。 </p><p><b>　?。?）芯片擦除</b></p><p>　　整個(gè)PEROM陣列和三個(gè)鎖定位的電擦除可通過(guò)正確的控制信號(hào)組合，并保持ALE管腳處于低電平10ms 來(lái)完成。在芯片擦操作

50、中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲(chǔ)字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。</p><p>　　此外，AT89C51設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)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(shí)器，計(jì)數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存RAM的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個(gè)硬件復(fù)位為止。</p><p><

51、;b>　?。?）單片機(jī)的復(fù)位</b></p><p>　　單片機(jī)的復(fù)位是由外部的復(fù)位電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的。片內(nèi)復(fù)位電路是復(fù)位引腳RST通過(guò)一個(gè)斯密特觸發(fā)器與復(fù)位電路相連，斯密特觸發(fā)器用來(lái)抑制噪聲，它的輸出在每個(gè)機(jī)器周期的S5P2，由復(fù)位電路采樣一次。復(fù)位電路通常采用上電自動(dòng)復(fù)位(如圖15(a) )和按鈕復(fù)位(如圖15(b) )兩種方式。</p><p>　　圖15 RC復(fù)位電路&

52、lt;/p><p>　　單片機(jī)復(fù)位后的狀態(tài)：?jiǎn)纹瑱C(jī)的復(fù)位操作使單片機(jī)進(jìn)入初始化狀態(tài)，其中包括使程序計(jì)數(shù)器PC＝0000H，這表明程序從0000H地址單元開(kāi)始執(zhí)行。單片機(jī)冷啟動(dòng)后，片內(nèi)RAM為隨機(jī)值，運(yùn)行中的復(fù)位操作不改變片內(nèi)RAM區(qū)中的內(nèi)容，21個(gè)特殊功能寄存器復(fù)位后的狀態(tài)為確定值，見(jiàn)表1。 </p><p>　　值得指出的是，記住一些特殊功能寄存器復(fù)位后的主要狀態(tài)，對(duì)于了解單片機(jī)

53、的初態(tài)，減少應(yīng)用程序中的初始化部分是十分必要的。 </p><p>　　51單片機(jī)的復(fù)位是由RESET引腳來(lái)控制的，此引腳與高電平相接超過(guò)24個(gè)振蕩周期后，51單片機(jī)即進(jìn)入芯片內(nèi)部復(fù)位狀態(tài)，而且一直在此狀態(tài)下等待，直到RESET引腳轉(zhuǎn)為低電平后，才檢查EA引腳是高電平或低電平，若為高電平則執(zhí)行芯片內(nèi)部的程序代碼，若為低電平便會(huì)執(zhí)行外部程序。

54、51單片機(jī)在系統(tǒng)復(fù)位時(shí)，將其內(nèi)部的一些重要寄存器設(shè)置為特定的值，至于內(nèi)部RAM內(nèi)部的數(shù)據(jù)則不變。</p><p><b>　　6軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　硬件電路完成以后，進(jìn)行系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。首先要分析系統(tǒng)對(duì)軟件的要求，然后進(jìn)行軟件的總體的設(shè)計(jì)，包括程序的總體設(shè)計(jì)和對(duì)程序的模塊化設(shè)計(jì)。按整體功能分為多個(gè)不同的模塊，單獨(dú)設(shè)計(jì)、編程、調(diào)試，然后將各個(gè)模塊裝配

55、聯(lián)調(diào)，組成完整的軟件。</p><p>　　根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，單片機(jī)的任務(wù)是：內(nèi)部進(jìn)行計(jì)數(shù)，在計(jì)算出速度后顯示。軟件編程用C語(yǔ)言完成的。以下便為各程序流程圖已經(jīng)單片機(jī)程序。</p><p>　　6.1主程序流程圖及各子程序流程圖</p><p><b>　　(1)主程序流程圖</b></p><p>　　圖19 主程序流程

56、圖</p><p>　　(2)顯示子程序流程圖</p><p>　　圖20 顯示子程序流程圖</p><p>　　(3)定時(shí)計(jì)數(shù)子程序流程圖</p><p>　　圖21 定時(shí)計(jì)數(shù)子程序流程圖</p><p>　　6.2單片機(jī)程序編寫</p><p><b>　　見(jiàn)附件2。</b

57、></p><p><b>　　結(jié)論</b></p><p>　　采用單片機(jī)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的測(cè)量，可以提高轉(zhuǎn)速的測(cè)量，可以提高轉(zhuǎn)速測(cè)量的精確度，并且加快了采樣的速率，具有較好的實(shí)時(shí)性。本文介紹的轉(zhuǎn)速方法使用于高、低轉(zhuǎn)速的測(cè)量，測(cè)量精確度與轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)，因而具有較寬的應(yīng)用范圍和廣闊的應(yīng)用的前景。通過(guò)這次設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，我們對(duì)單片機(jī)、光電傳感器有了更深的了解，同時(shí)在查閱資料

58、的過(guò)程中也學(xué)到了不少知識(shí)。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 陳伯時(shí). 電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)-運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社，2003.</p><p>　　[2] 馬全權(quán)，李慶輝，強(qiáng)盛. 一種高精度實(shí)時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量新方法[M]. 齊齊哈爾大學(xué)學(xué)報(bào)，2002.</p><p>

59、;　　[3] 孫桂榮，班 瑩，劉 鳴. 電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)[M]. 實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2005. </p><p>　　[4] 王雪文，張志勇. 數(shù)字邏輯電路與系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M]. 北京航空航天大學(xué)出版社，2004.</p><p>　　[5] 王秀杰，張疇先. 模擬集成電路應(yīng)用[M]. 西北工業(yè)大學(xué)出版社，2003.</p><p>　　附件1：電路設(shè)計(jì)實(shí)物圖</p

60、><p>　　附件2：?jiǎn)纹瑱C(jī)總程序</p><p>　　#include<reg51.h></p><p>　　#define uchar unsigned char</p><p>　　#define uint unsigned int</p><p>　　uint mm=1234;</p>&

61、lt;p>　　uchar code table[]={0xc0，0xF9，0xA4，0xB0，0x99，0x92，0x82，0xF8，0x80，0x90，}; </p><p>　　delay(uint m)</p><p>　　{ uint i，j;</p><p>　　for(i=m;i>0;i--)</p><p>　　fo

62、r(j=60;j>0;j--);</p><p><b>　　}</b></p><p>　　xian_shi() </p><p>　　{ uchar qian，bei，shi，ge;</p><p><b>　　uint jj;</b></p><p><

63、;b>　　jj=mm;</b></p><p><b>　　jj*=20;</b></p><p><b>　　//jj+=1;</b></p><p>　　qian=jj/1000;</p><p>　　bei=jj%1000/100;</p><p>　

64、　shi=jj%100/10;</p><p><b>　　ge=jj%10;</b></p><p><b>　　P2=0x10;</b></p><p>　　P0=table[qian];</p><p><b>　　delay(1);</b></p><

65、;p><b>　　//P2=0;</b></p><p><b>　　P2=0x20;</b></p><p>　　P0=table[bei];</p><p><b>　　delay(1);</b></p><p><b>　　//P2=0;</b>

66、;</p><p><b>　　P2=0x40;</b></p><p>　　P0=table[shi];</p><p><b>　　delay(1);</b></p><p><b>　　//P2=0;</b></p><p><b>　　

67、P2=0x80;</b></p><p>　　P0=table[ge];</p><p><b>　　delay(1);</b></p><p><b>　　//P2=0;</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　

68、timer_init() //定時(shí)器計(jì)數(shù)器初始化函數(shù)</p><p><b>　　{ EA=1;</b></p><p><b>　　ET0=1;</b></p><p><b>　　ET1=1;</b></p><p>　　TMOD=0X51;</p>&

69、lt;p>　　TH0=(65535-50000)/256;</p><p>　　TL0=(65535-50000)%256;</p><p><b>　　TH1=0;</b></p><p><b>　　TL1=0;</b></p><p><b>　　TR0=1;</b>

70、;</p><p><b>　　TR1=1;</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　main()</b></p><p><b>　　{ </b></p><p>　　timer_in

71、it();</p><p>　　P0=0; //開(kāi)始數(shù)碼管不顯示</p><p><b>　　while(1)</b></p><p><b>　　{ </b></p><p>　　xian_shi();</p><p>　　delay(2); //數(shù)碼管刷新時(shí)

72、間單位毫秒</p><p><b>　　} </b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　void timer0() interrupt 1</p><p>　　{ TR0=0;</p><p><b>　　TR1=0;</b&g

73、t;</p><p>　　TH0=(65535-50000)/256;</p><p>　　TL0=(65535-50000)%256;</p><p><b>　　mm=0;</b></p><p><b>　　mm|=TH1;</b></p><p>　　mm=(mm&l

74、t;<8)|TL1;</p><p>　　//mm-=55536;</p><p><b>　　TH1=0;</b></p><p><b>　　TL1=0;</b></p><p><b>　　TR0=1;</b></p><p><b&

75、gt;　　TR1=1;</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　void timer1() interrupt 3 //顯示0000說(shuō)明出錯(cuò)</p><p>　　{ TR1=0; </p><p><b>　　TR0=0;</b></p>