光电转速表课题设计(最新修改版)

课程名称光电转速表课程设计

课程设计总评成绩

学生专业班级10届电子信息系机电四班

指导教师姓名

课程设计起止日期2012.07.21---2012.09.09

一、课程设计项目名称

光电式转速表

二、项目设计目的及技术要求

1. 设计目的:

1）熟悉单片机最小系统及应用；

2）结合选题要求，完成系统设计和调试，具有功能扩展和创新；

3）根据设计的电路，画系统总体结构框图，用proteus工具画硬件电路图；

4）用C语言完成系统的软件编程；

5）熟悉并学会使用keil编译器，对所编程序进行编译。

6）用proteus实现结果仿真。

2. 技术要求:

1）运用光电传感器,将光信号转换成电信号,设计相应的电路,输出脉冲波。

2）用按键控制直流电机，并对PWM设置不同的占空比控制直流电机的速度。

3）运用AT89C51单片机，结合用C语言编出频率计数的程序，能够直接计出输出的脉冲波。

4）掌握浪涌保护的基础知识并以此设计抑制或消除浪涌电流的电路。

5）通过单片机的串行接口通信，由LED数码管显示出频率计数值。

本课题设计内容包含知识全面，对传感器测量发电机转速的不同方法及原理设计有较多介绍，在测量系统中能学到关于测量转速的传感器采样问题，单片机部分的内容，显示部分等各个模块的通信和联调。全面了解单片机和信号放大的具体内容。进一步锻炼我们在信号采集，处理，显示方面的实际工作能力。

三、转速检测计量技术的发展现状与存在的问题

在工程实践中，经常会遇到各种需要测量转速的场合，例如在发动机、发电机、卷扬机、机床主轴等旋转设备的实验、运转和控制中，常需要分时或连续测量和显示其转速及瞬时转速。要测速，首先要解

决采样问题。在使用模拟技术制作测速表时，常用测速发电机的方法，即将测速发电机的转轴与待测轴相连，测速发电机的电压高低反映了转速的高低。为了能精确地测量转速外，还要保证测量的实时性，要求能测得瞬时转速方法。因此转速的测试具有重要的意义。

目前国内外测量电动机转速的方法很多，按照不同的理论方法，先后产生过模拟测速法（如离心式转速表、用电机转矩或者电机电枢电动势计算所得）、同步测速法（如机械式或闪光式频率测速仪）以及计数测速法。计数测速法又可分为机械式定时计数法和电子式计数法。传统的电机转速检测多采用测速发电机或光电数字脉冲编码器，也有采用电磁式（利用电磁感应原理或可变磁阻的霍尔元件等）、电容式（对高频振荡进行幅值调制或频率调制）等，还有一些特殊的测速器是利用置于旋转体内的放射性材料来发生脉冲信号。其中应用最广的事光电式，光电式测速系统具有低惯性、低噪音、高分辨率和高精度的优点。加之激光光源、光栅、光学码盘、CCD器件、光导纤维等的相继出现和成功应用，使得光电式传感器在检测和控制领域得到了广泛的应用。而采用光电式传感器的电机转速测量系统测量准确度高、采样速度快、测量范围宽和测量精度与被测转速无关等优点，具有广阔的应用前景。

1、转速概述

转速是旋转物体的转数与时间之比的物理量,是描述各种旋转机械运转技术性能的一个重要参量。在计量学里,转速属于导出单位,其物理含义为旋转物体在单位时间内转过的转数。工程中用它来描述

动力机械的运动特性。转速和频率有共同的量纲,都是单位时间内某一量值(脉冲个数、转数) 出现的次数,从理论上讲,转速值可以直接和频率值进行比对。测时计数是转速计量的基本方法。在我国,转速表(含转速测量仪等) 属依法管理的计量器具。通常用转速标准装置(本文特指转速标准源) 可以完成对各类转速表的检测/ 校准工作。

2 、转速表的类型和检测技术

转速测量技术随着科学技术的飞速发展,在旋转物体速率测量方式上应用了各种新的技术,实现了测量的准确高效、安全便捷。转速表依据测量方式可分为接触式和非接触式两大类,转速表依据工作原理和采样方式可分为机械式、光电式、激光式、频闪式、磁电式等。目前使用纯机械式转速表的用户已经越来越少,并呈现将被电子计数式转速表逐渐取代的趋势。转速测量范围一般为几十转至几万转,测量准确度大多为0. 1 %以下,极少数产品能达到0. 05 %。

2.1、机械式转速表

检测中,被测转速表通过机械联接或摩擦接触的方式,从转速标准装置输出轴获得标准转速的输入。检测时应该采取何种联接方式取决于被检表实际使用时的联接状态。

2.2、光电式转速表

对光电式转速表,目前使用的检测装置有两种: (1) 采用转速标准装置,将定向反射纸贴于装置的测速盘上,由转速标准装置通过测速盘输出标准转速,进行检测。 (2) 采用脉冲光源测速装置来检测光电式转速表。这类检测设备通常由频率信号发生器、频率计数计及

一个发光二极管组成。两种检测装置的工作原理有质的差别。脉冲光源测速装置能否做为标准,在转速界争议较大。

2.3、频闪式转速表

频闪式转速表利用的是频闪效应原理。检测此类转速表时,需先在转速标准装置测速盘上做出明显的标记,当标准装置转轴的转速与被测转速表闪光频率相等或成一定倍数关系时,转轴上的标记呈现停留不动的状态,这时,转速表显示值与频闪象停留序数的乘积即为转速表的实测值。

2.4、磁电式转速表

磁电式转速表利用的是非电量电测的原理,它包括磁感应式、电脉冲式和电动式转速表等。这类转速表有接触式和非接触式两种。根据被测表工作原理的不同,所选用的检测方法也不同,但是都可在转速标准装置上进行检测。磁电式转速表大多由传感器和显示器两部分组成。检测接触式转速表时,将传感器与转速标准装置转轴连接,转轴旋转时使传感器产生电信号,显示器显示的即为转速表实测值。检测非接触式转速表时,应根据传感器的结构原理设法使转速标准装置。

2.5、红外数字转速仪

红外数字转速仪是一种非接触式，光电传感的转速计量仪器。它由光源、光电盘、光敏二极管、检波放大电路与数显装置等组成。光电盘随转轴一同转动,光敏二极管将光电盘透射来的光信号转换为电信号,然后通过计数脉冲的频率,即可在数显装置上读出旋转轴的转速。

（本课题选择的是光电式转速表。）

四、总体方案设计

由于本课题研究的电动机转速范围为3r/min至10000r/min，即当电动机为最低转速时，有周期为20秒。本课题选择的晶体振荡器的晶振频率是12MHz，因为计数频率=晶振频率/12，所以计数频率为1MHz，即计数周期为1微秒（每1微秒计数器加1）。若选用8位计数器，其最大定时时间为256*1us=256us，显然，最低转速时的周期20秒远大于8位计数器的最大定时时间256微秒。如果我们采用计数溢出次数的方法，那么在初值为0的情况下，会得到78125次的溢出次数（20000000/256=78125），显然，78125也是大于256，不能成功计数。若我们选择16位计数器并且采用计数溢出次数的方法，由于其最大定时时间为65536us，那么在初值为0的情况下，得到的溢出次数为305次（20000000/65536=305.175781），显然，305小于65536，可以成功计数。所以本课题选用16位计数器。

上电复位后，检测第一个脉冲上升沿，中断服务程序，启动计数器T0；检测到第二个脉冲上升沿，中断服务程序，关闭计数器T0。

16位计数器的计数范围是0至65535，其最大计数值为65536。在计数器允许的计数范围内，计数器可以从任何值开始计数，对于加1计数器，当计到最大值时（对于16位计数器，当计数值从65535再加1时，计数值变为0），产生溢出。

这里我们通过观察溢出信号得到最高转速时的溢出次数和最低转速时的溢出次数，进而得到转速N与溢出次数n之间的一次方程

式。本课题研究的转速是3r/min至10000r/min。我们赋初值为63536，即每2000us计数一次，那么就得到最高转速时的溢出次数为3次，最低转速时的溢出次数为10000次。所以有转速N与溢出次数n之间的一次方程式：

N=-n+10003

N——转速，单位：r/min;

n——溢出次数。

下图所示为转速测量系统框图：

五、光电转速表硬件设计

在硬件设计中我们提出了以下方案：

利用光电传感器将光信号转换为电信号，该电信号是具有强弱的连续信号。通过滤波后送入单片机，然后计算频率，即可得到转速。

本系统硬件主要由4个部分组成：

1）电源部分

2）信号采集部分

3）单片机部分（包括复位电路和晶体振荡电路）

4）数码管显示部分

1电源部分

2、信号采集电路

该部分由光电传感器一个、300欧电阻一个、43K电阻两个、10K电阻一个、NPN三极管一个、发光LED一个组成。

当码盘没有物体遮挡时OUT输出高，有物体遮挡时输出低。光电传感器信号采集电路和其仿真图如下所示：

光电传感器由一个放光管，一个光敏三极管组成，放置在一个槽型的器件两端，组成一个传感器。在槽中放置一个圆盘，在盘的一周开20个孔。当电路导通时，发光管发光，圆盘在槽转动，当光透过孔时，在连续的时间内，该器件输出一个连续的强弱明显的脉冲，将得到的脉冲经过处理后送入单片机，即可得到所测的转速。当码盘遮住时，光电传感器内部的的三极管处于截至区，与光电传感器连接的PNP三极管处于放大区，集电极和发射极被导通，out端输出一个高电平，遮挡物移开之后，情况相反。

3、晶体振荡电路

晶振是晶体振荡器的简称，在电气上它可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络，电工学上这个网络有两个谐振点，以频率的高低分其中较低的频率是串联谐振，较高的频率是并联谐振。

AT89C51单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器。引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外晶体谐振器一起构成一个自激振荡器。外接晶体谐振器以及电容C1和C2构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响震荡器频率的高低、震荡器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性。因此，此系统电路的晶体振荡器的值为12MHz，电容应尽可能的选择陶瓷电容，电容值约为30pF。在焊接刷电路板时，晶体振荡器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，更好地保证震荡器稳定和可靠地工作。晶体振荡电路如下图所示：

4、复位电路

复位电路的基本功能是：在上电或复位过程中，控制CPU的复

位状态（这段时间内让CPU保持复位状态，而不是一上电或刚复位完毕就工作，防止CPU发出错误的指令、执行错误操作，也可以提高电磁兼容性能）。无论用户使用哪种类型的单片机,总要涉及到单片机复位电路的设计。而单片机复位电路设计的好坏,直接影响到整个系统工作的可靠性。许多用户在设计完单片机系统,并在实验室调试成功后,在现场却出现了“死机”、“程序走飞”等现象，这主要是单片机的复位电路设计不可靠引起的。单片机在启动时都需要复位，以使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初态开始工作。89系列单片机的复位信号是从RST引脚输入到芯片内的施密特触发器中的。当系统处于正常工作状态时，且振荡器稳定后，如果RST引脚上有一个高电平并维持2个机器周期(24个振荡周期)以上，则CPU 就可以响应并将系统复位。单片机系统的复位方式有：手动按钮复位和上电复位。

1）手动按钮复位手动按钮复位需要人为在复位输入端RST上加入高电平。一般采用的办法是在RST端和正电源Vcc之间接一个按钮。当人为按下按钮时，则Vcc的+5V电平就会直接加到RST端。由于人的动作再快也会使按钮保持接通达数十毫秒，所以，完全能够满足复位的时间要求。手动按钮复位电路如图1所示：

图1

2）上电复位AT89C51的上电复位电路如图2所示，只要在RST复位输入引脚上接一电容至Vcc端，下接一个电阻到地即可。对于CMOS型单片机，由于在RST端内部有一个下拉电阻，故可将外部电阻去掉，而将外接电容减至1u F。上电复位的工作过程是在加电时，复位电路通过电容加给RST端一个短暂的高电平信号，此高电平信号随着Vcc对电容的充电过程而逐渐回落，即RST端的高电平持续时间取决于电容的充电时间。为了保证系统能够可靠地复位，RST端的高电平信号必须维持足够长的时间。上电时，Vcc的上升时间约为10ms，而振荡器的起振时间取决于振荡频率，如晶振频率为10MHz，起振时间为1ms；晶振频率为1MHz，起振时间则为10ms。在图2的复位电路中，当Vcc掉电时，必然会使RST端电压迅速下降到0V 以下，但是，由于内部电路的限制作用，这个负电压将不会对器件产

生损害。另外，在复位期间，端口引脚处于随机状态，复位后，系统将端口置为全“l”态。如果系统在上电时得不到有效的复位，则程序计数器PC将得不到一个合适的初值，因此，CPU可能会从一个未被定义的位置开始执行程序。

图2

6、数码管显示电路

许多电子产品上都有跳动的数码来指示电器的工作状态，其实数码管显示的数码均是由八个发光二极管构成的。每段上加上合适的电压，该段就点亮。LED数码有共阳和共阴两种，把这些LED发光二极管的正极接到一块（一般是拼成一个8字加一个小数点）而作为一个

引脚，就叫共阳的，相反的，就叫共阴的，那么应用时这个脚就分别的接VCC和GND。再把多个这样的8字装在一起就成了多位的数码管了。实物如下图所示：

共阳型就是八个发光管的正极都连在一起，作为一条引线.A~G 段用于显示数字,字符的笔画,（dp显示小数点），每一段控制A~G~dp 的亮与来。内部结构如下图所示：

共阴型就是七个发光管的负极都连在一起，作为一条引线。A~G 段用于显示数字,字符的笔画,（dp显示小数点），每一段控制A~G~dp 的亮与灭。内部结构如下图所示：

数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数字，因此根据数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。静态显示驱动：静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O端口进行驱动，或者使用如BCD码二-十进制译码器译码进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O端口多，如驱动5个数码管静态显示则需要5×8＝40根I/O端口来驱动，要知道一个89S51单片机可用的I/O端口才32个呢：），实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动，增加了硬件电路的复杂性。动态显示驱动：数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的的COM端，就使各个数码管

轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为1～2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低。

四位数码管动态显示电路图如下所示；

5、硬件系统总电路图

六、AT89C51简介

AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电

压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。图4.5是常用的一种单片机，型号为AT89C51，它将计算机的功能都集成到这个芯片内部去了，就这么一个小小的芯片就能构成一台小型的电脑，因此叫做单片机。

40个管脚，分成两排，每一排各有20个脚，其中左下角标有箭头的为第1脚，然后按逆时针方向依次为第2脚、第3脚……第40脚。在40个管脚中，其中有32个脚可用于各种控制，比如控制小灯的亮与灭、控制电机的正转与反转、控制电梯的升与降等，这32个脚叫做单片机的“端口”，在单片机技术中，每个端口都有一个特定的名字，比如第一脚的那个端口叫做“P1.0”。

AT89C51单片机的功能：

1、主要特性：

◆与MCS-51兼容

◆4K字节可编程闪烁存储器

◆寿命：1000写/擦循环

◆数据保留时间：10年

◆全静态工作：0Hz-24Hz

◆三级程序存储器锁定

◆128*8位内部RAM

◆32可编程I/O线

◆两个16位定时器/计数器

◆5个中断源

◆可编程串行通道

◆低功耗的闲置和掉电模式

◆片内振荡器和时钟电路

2、管脚说明如下图所示：

●VCC：供电电压，

●GND：接地。

●P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第

一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

●P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

●P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

●P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口。P3口管脚备选功能：

●P3.0RXD（串行输入口）

●P3.1TXD（串行输出口）

●P3.2/INT0（外部中断0）

●P3.3/INT1（外部中断1）

●P3.4T0（记时器0外部输入）

●P3.5T1（记时器1外部输入）

●P3.6/WR（外部数据存储器写选通）

●P3.7/RD（外部数据存储器读选通）

●P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

●RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

●ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

●PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。