基于光电效应的转速测量仪设计毕业设计

基于光电效应的转速测量仪设计

摘要

随着电子技术、通信技术、计算机技术的发展，数字化的智能仪表是当代的发展趋势。单片机与工业控制行业也有了紧密的联系，通过单片机实现控制过程的自动化，也是现代工业的重要标志。单片机微处理器体积小、功能强、功耗小、性价比高的突出优点，表现出了强有力的生命力，越来越受各行业的青睐。顺应形势，本文设计了一种基于AT89C51的全数字式转速测量仪。

本文首先介绍了单片机测量转速的系统构成以及转速测量的“M”法（测频法），并介绍了其测量上的特点、计算和误差分析。其次，针对测量环境，设计了一种基于AT89C51单片机的全数字式测速系统，它是由光电传感器、LM324运算放大器、74HC14整形芯片、AT89C51单片机、键盘电路、显示接口电路等组成，实现了全数字的测速功能。该仪器操作方便，测量精确度高。另外，简单的阐述了测速系统的工作原理以及数字测速仪机械原理。本文是运用固定在旋转设备壳体上的发光二极管发光，通过与高速转轴同步的带孔圆盘，照射到集成电路板上的光电转换元件，通过引线引出，与外部的单片机、LED显示器相接。

该测速系统精确度为0.1min

/r，全量程的测速误差达到0.005%，并且是一种便携式测速仪器，使用操作方便简单，抗干扰能力强。

关键词：AT89C51单片机；转速；测量精度

The design of speed measuring instrument based on

photoelectric effect

Abstract

With the development of electronic technology, communication technology and computer technology, digital intelligent instrument is the contemporary trends. SCM and industrial control industry have also had close contact, Microprocessor control of process automation is the core sign of modern industry. Microprocessor is with these outstanding merits of small size, strong function, power consumption and cost-effective, showing a strong vitality and more favored by the industry. Conform to the situation, the paper designs a fully digital speed measuring instrument based on AT89C51.

This paper introduces the structure of SCM speed measurement system and the "M" method (frequency measurement method), and describes the characteristics of the measurement, calculation and error analysis. Second, for the measurement environment, designing an all-digital speed system based on AT89C51 microcontroller, which consists of a photoelectric sensor (optical pulse encoder), LM324 Amplifiers, 74HC14 Plastic chips, AT89C51 microcontroller, keyboard circuits, display interface circuit and other components to achieve the fully digital speed function, the instrument is with easy operation, high accuracy. And the paper exposes of the principle of the system and the mechanical principle of digital speed measuring instrument simply, the paper makes use of the photodiode light fixed on the shell of rotating equipment , synchronized with the high-speed shaft hole disc, exposure to the photoelectric conversion device of the integrated circuit board, the wire leads and connects the external SCM and LED display.

Speed system’s accuracy is 0.1min

/r, the full error measuring is to 0.005%, and it is a portable instrument which is with easy operation and strong anti-interference. Key words: AT89C51 microcontroller; Speed ; Accuracy

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

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涉密论文按学校规定处理。

作者签名：日期：年月日

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指导教师评阅书

评阅教师评阅书

教研室（或答辩小组）及教学系意见

I

II

目录

摘要 (1)

Abstract (1)

1 绪论 (1)

1.1 转速测量的目的和意义 (1)

1.2 国内外转速测量方法与技术 (1)

1.2.1 国内外转速测量方法 (1)

1.2.2 国内外转速测量技术发展状况 (3)

1.3 单片机在智能仪表中的应用 (4)

1.4 本设计的主要任务 (6)

2 光电转速测量仪的构成 (7)

2.1 光电转速测量仪的电气线路 (7)

2.2 光电转速测量仪的机械原理 (7)

3 转速测量方案选择与分析 (9)

3.1 “M”（测频法）、“T”（测周法）、“T

M/”方法的比较 (9)

3.2 “M”法的转速测量原理 (10)

3.3 误差分析 (11)

4 光电转速测量仪的硬件电路设计 (12)

4.1 传感器的设计 (12)

4.1.1 光电传感器及信号的放大整形 (13)

4.1.2 光电脉冲编码器 (17)

III

4.1.3 反光式光电转速测量 (20)

4.2 单片机芯片的选择 (21)

4.2.1 AT89C51的介绍 (21)

4.2.2 单片机低功耗工作模式 (28)

4.3 键盘显示模块设计 (30)

4.4 显示器接口技术与显示技术 (30)

4.4.1 LED显示器 (30)

4.4.2 8255接口芯片与74LS244缓冲芯片 (35)

4.5 单片机系统抗干扰技术 (38)

5 光电转速测量仪的软件设计 (40)

5.1 转速测量的主流程图设计 (40)

5.2 6个数码管逐个显示的程序设计 (40)

5.3 固定时间为1s的计数器中断子程序 (42)

5.4 转速测量的误差分析 (43)

6 结论 (45)

谢辞 (45)

参考文献 (46)

IV

基于光电效应的转速测量仪设计

1 绪论

1.1 转速测量的目的和意义

工程实践中，经常会遇到各种需要测量转速的场合，例如在发电机、电动机、卷扬机、机床主轴等旋转设备的试验、运转和控制中，常需要分时或连续测量和显示其转速和瞬时转速。

转速测量的应用系统在工业生产、科技教育、民用电器等各领域的应用极为广泛，往往成为某一产品或控制系统的核心部分，其各种参数在不同的应用中有其侧重，但转速测量系统普遍的应用在国民经济中，有着重要的意义。

1.2 国内外转速测量方法与技术

1.2.1 国内外转速测量方法

目前国内外测量转速的方法很多，按照不同的设计理论，先后产生过模拟测速法、同步测速法和计数测速法。传统的转速测量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、电容式等，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。其中应用最广的是光电式，光电式测速系统具有低惯性、低噪声、高分辨率和高精度的优点。加之激光电源、光栅、光学码盘、CCD器件、光导纤维等的相继出现和成功应用，使得光电传感器在检测和控制领域得到了广泛的应用。采用光电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量转速无关等优点，具有广泛的应用前景。不同测量方法的比较如表1.1所示。

表1.1 不同测量方法的比较

续表1.1

根据旋转设备高速旋转的特性，测量结果精确度高的要求，选择光电式转速测量方法。

转速的测量方法分为三种：测频法（M 法）、测周法（T 法）、T M /法。 M 法：测量原理为，在固定的测量时间内，计取转速传感器产生的脉冲个数，从而算出实际转速。设固定的测量时间为C T ）（min ，计数器计取的脉冲个数m ，假定脉冲发生器每转输出P 个脉冲，对应被测转速为min)/(r N ，则Hz PN f 60/=；另在测量时间C T 内，计取转速传感器输出的脉冲数m 应为f T m C *=,所以，当测得m 值时，就可算出实际转速值：C PT m N /60=。

T 法：在被测信号的一个周期内，计数时钟脉冲数0m 。则被测信号频率0/m f f C X =，其中C f 为时钟脉冲信号频率，0/60Pm f n C =，P 为脉冲发生器每转输出的脉冲数。

T M /法：是一种快速精确的转速测量方法，被测转速脉冲和系统时钟脉冲同时开始、同时结束计数。设系统时钟周期为0T ，对被测转速脉冲计数为M ，系统时钟计数为n ，则被测转速脉冲频率为)*/(0T n M f =，21/60Pm m f n C =。

1.2.2 国内外转速测量技术发展状况

⑴ 典型光电转速测量仪性能指标

台湾欣悦仪器仪表有限公司生产的光电转速测量仪EMT260C 主要性能指标如

下：

●测量范围转速：1～99999r/min ；

●计数：1～99999 ；

●测量精度全量程范围误差0.005%的超高精度（转速）；

●显示五位有效数字动态液晶浮点显示；

●信号输入:1～5VP-P脉冲输入；

●信号输出:TTL电平脉冲输出；

●电源两节七号电池供电，可连续使用24小时；或外接2～3V直流电源供

电。

⑵光电脉冲式旋转编码器

测量角位移的数字编码器，具有分辨能力强、测量精度和工作可靠等优点，是测量转角位置的一种最常用位移传感器。

光电轴角编码器通常按照光栅码盘团的编码方式进行分类。目前常用的类型为增量式光电轴角编码器和绝对光电轴角编码器。光栅式光电编码器正向着高分辨力的方向发展。如日本尼康公司生产的2HR32400轴角编码器，每转可输出1296万个脉冲（0.1″），可谓日本的最高分辨力。我国在光电轴角编码器的开发方面上也已经取得了长足的进展，1995年中科院长春光机所和中国计量科学研究院联合研制出的角度基准。分辨力0.001″，精度P+V=0.05″（误差修正后）；成都光电所研制的JC21精密测角仪的增量式光电轴角编码器分辨力达到了

0.02″，测角精度R≤0.04″。

1.3单片机在智能仪表中的应用

⑴单片机是当代发展的趋势

随着微电子技术的不断发展，微处理器芯片的集成程度越来越高，已经可以在一块芯片上同时集成CPU、存储器、定时器/计数器、并行和串行接口以及A/D 转换器等。人们把这种大规模的集成电路芯片称作“单片微控制器”，简称为单

片机。单片机的出现，引起了仪器仪表结构的根本性变革。以单片机为主体取代传统仪表的常规电子线路，可以容易地将计算机技术与测量控制系统结合在一起，组成新一代的“智能仪器”。这种新型的智能仪器在测量过程自动化，测量结果的数据处理以及功能的多样化方面，都取得了巨大的进展。目前，在研制高精度、高性能、多功能的测量仪器时，几乎没有不考虑采用微处理器使之成为智能仪器的，而在仪器仪表中使用得最多的微处理器就是单片机。在测量控制仪表中采用单片机技术使之成为智能仪器后能够解决许多传统仪表不能或不易解决的难题。同时还能简化仪表电路，提高仪表的可靠性，降低仪表的成本以及加快新产品的开发速度。这类仪器的设计重点已经从模拟和逻辑电路的设计转向专用的单片机模板或功能部件、接口电路以及输出输入通道的设计、通用或专用软件程序的开发。目前，这类智能化测量控制仪表已经能够实现四则运算、逻辑判断、命令识别、自诊断自校正甚至自适应和自学习的功能。随着科学技术的进一步发展，这类仪器的智能化程度必将会越来越高。

自动化、数字化和智能化是现代科技发展的潮流，而凡是需要自动化、数字化和智能化的产品和设备等都离不开单片机。这足以说明单片机应用的广泛和深入程度。例如，时钟计时、锅炉温度控制、电机转速测量与控制等。

⑵单片机在智能转速测量仪表中的应用

①单片机在转速测量上的控制原理

光电式转速测量系统由传感器、信号放大整形电路、单片机和LED显示器等组成。

发光二极管发出红外线照射到光电三极管上，光信号转变成微弱电信号，通过电信号的放大整形，模拟信号转变成单片机能够识别的数字信号。接着，通过

T内，计数器计数，时间结束，键盘设置单片机内部的计数初值，在固定时间

C

系统产生中断。然后根据转速计算公式：

P

T m n C 160 计算转速值，再通过译码器把数值转变成十进制的数，在LED 显示器上进行显示。智能仪表的基本结构如图1.1所示：

图1.1 智能仪表的基本组成 1.4 本设计的主要任务

⑴ 主要参数

① 转速测量范围：0—99999.9min /r ；

② 测量精度0.1min /r ，全量程范围误差0.005%（转速）；

③ 显示六位有效数字动态液晶浮点显示；

④ 信号输入：1～5VP-P 脉冲输入；

⑤ 信号输出：TTL 电平脉冲输出 ；

⑥ 外接5V 直流电源供电。

⑵ 设计要求

① 由光电三极管或光电脉冲编码器作为检测元件；

② 以单片机作为脉冲计数和转速计算的核心元件；

③ 设计光电转速测量仪的机械原理图和电气线路图。

2 光电转速测量仪的构成

2.1 光电转速测量仪的电气线路

图2.1 光电转速测量仪

光电转速测量仪由光电传感器、LM324放大器、74HC14整形芯片、AT89C51单片机、8255接口扩展芯片、74LS244缓冲芯片、74LS06非门芯片、键盘输入电路以及LED显示器构成，连接电路如图2.1所示。

各部件的功能：

●光电传感器:把光信号转变成微弱的电信号；

●LM324放大器：把微弱的电信号放大，送入整流器；

●74HC14整形芯片：对放大器送入的信号进行整流，转为数字信号；

●AT89C51单片机：对送入的数字信号进行计数、运算，并把转速值输出；

●8255接口扩展芯片：对单片机的接口进行扩展，连接LCD显示器；

●74LS244缓冲芯片：对单片机输入的段码进行缓存，有序输出；

●74LS06非门芯片：对8255输出的信号取反，并输出LED的位码；

●键盘输入电路：根据不同的需求，通过按键进行复位或显示数据；

●LED显示器：对测得数据进行显示。

2.2 光电转速测量仪的机械原理

图2.2 光电转速测量仪结构原理图

如图2.2所示，光电三极管固定在旋转机械的外壳上，发出红外光线，照射并通过固定在转轴上圆盘中均匀分布的圆孔，照射到固定在旋转机械内部后盖上的信号检测元件（光电三极管），该检测元件镶嵌在集信号放大、整形、计数计算、显示的电路板上。

该转速测量仪的机械原理图适合接触式的测量，通过前面的锥形探头与被测轴突出外部的部位接触，带动内部的码盘同步转动，固定在箱体上的检测元件光电三极管接收间断的红外光，产生脉冲信号，接下来再对信号进行处理，后面将详细介绍。

该机械原理图还可以把前面的锥形探头改为一个感光灵敏元件，在被测轴适当位置上贴一矩形的泊片，通过光线反射的原理，进行非接触式的测量。

3 转速测量方案选择与分析

3.1 “M”（测频法）、“T”（测周法）、“T

M/”方法的比较就转速测量原理而言，大体可分为两大类，一是用单位时间内测得物体的旋转角度来计算速度，例如在单位时间内，累计转速传感器发出的N个脉冲，即为该单位时间的速度。这种以测量频率来实现测量转速的方法，称测频法，即“M”法；另一类是在给定的角位移距离内，通过测量这一角位移的时间来进行测速的方法，称测周期法，即“T”法，如给定的角位移

A，传感器便发出一

个电脉冲周期，以晶体振荡频率而产生的标准脉冲来度量这一周期时间，再经换算可得转速。这两种测速方法各有优缺点，“M”法一般用于高速测量，在转速较低时，测量误差较大，而且，检测装置对转速分辨能力也比较较差；而“T”法一般用于低速测量，速度越低测量精度越高，但在测量高转速时，误差较大；结合这两种测量方法就可以得出第三种测量方法，即“T

M/”法结合这两种方