红外线数字转速表

课程设计(论文)说明书

题目：红外线数字转速表

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2011 年 12 月 4 日

摘要

本文设计了一种基于AT89S52单片机的红外线转速测量系统。该系统的红外发射与接收采用直射式，红外发光管射出的红外线通过圆盘的小孔照射到红外探头上，接收电路再经过简单的信号处理得到脉冲式的转速信号。使用AT89S52单片机采样脉冲信号并计算每分钟内脉冲信号的数目，即电机对应的转速值，最终系统通过四位七段数码管显示电机每分钟的转速值。本文详细分析了系统的组成及工作原理，给出了系统中各硬件模块设计方法及系统软件设计方法，给出了部分程序流程图和程序清单。该测速系统安装维护方便，工作稳定，运行可靠，具有较大的推广应用价值。

关键词：转速测量；红外发射与接收；单片机

Abstract

A infrared speed measuring system which based on the MCU of AT89S52 was designed in this paper. The infrared transmitter and receiver of the system used the direct type. The infrared light emitted from the IR LED passed through the hole in the disc to the infrared sensor, and the receiver circuit output a pulsed infrared signal by a simple signal processing. The A T89S52 was used to sample the pulse signal and calculate the amount of the pulse signal per minute which was the value of the motor speed. Finally the value of the motor would be displayed real-time by four-bit seven-segment digital tube. The composition and the principle of the system are presented, and the design method of hardware and the software are also presented. The measurement system will have a broad prospects because the convenient installation and maintenance, stable working, reliable operation.

Key words: Speed measurement; Infrared transmitter and receiver; MCU

目录

引言 (3)

1设计要求 (4)

1.1设计目的 (4)

1.2设计内容及要求 (4)

2转速测量系统的原理 (4)

2.1转速测量方法 (4)

2.1.1M法(测频法) (4)

2.1.2T法(测周期法) (4)

2.1.3M/T法(频率/周期法) (4)

2.2转速测量原理 (5)

3系统概述 (5)

3.1转动系统 (5)

3.2信号采集及其处理 (6)

3.3单片机处理电路 (6)

3.4显示电路 (6)

4设计的具体实现 (6)

4.1系统硬件电路的设计 (6)

4.1.1脉冲产生模块设计 (6)

4.1.2转速信号处理模块设计 (6)

4.1.3单片机处理模块设计 (7)

4.1.4显示模块设计 (10)

4.2系统软件的设计 (11)

4.2.1控制程序说明 (11)

4.2.2程序设计流程图 (12)

5小结 (13)

谢辞 (14)

参考文献..............................................................1 5 附录.. (16)

引言

电机，作为一种量大面广的产品，已广泛应用于国民经济的各个行业中。而电机的生产王国正在由日本转移到中国，尤其是浙江温州和广东珠三角地区，许多家电厂家在家电中生产也要大量用到电机。不管是电机生产厂家，还是将电机作为它们的产品中的零部件的厂家，要将它们的产品打到国际市场上，迫切需要IS09002认证。而IS09002要求生产产品所用的零部件以及最终的产品都要经过本单位的质量检测，也就是说，每年要检测上亿个电机，故对电机测试仪的需求非常迫切。电机测试的参数主要有：效率、功率因数、定子输入电流、转矩、转速等，本课题主要研究转速的测量。

转速是各类电机运行中的一个重要物理量，如何准确、快速而又方便地测量电机转速，极为重要。红外线数字转速表是一种非接触式，光电传感的转速计量仪器。它由红外光源、遮光圆盘、红外探头、信号处理电路与数显装置等组成。遮光圆盘随电机转轴一同转动,红外探头将从圆盘上的小孔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。目前我国的转速计量技术与发达国家相比，在精度上与发达国家还有一定的差距。国家质量监督局的文件显示，目前在我国工业领域应用的高精度转速计量仪器中，90%的转速测量仪的测量准确度只能达到0.1%左右，而在发达国家的测量精度能达到0.05%。可想而知，两者测量精度的不一样，会在产品的质量上产生什么样的结果。同样由于机械式转速测量仪的精度上和测量方式上远远比不上光电式转速测量仪，所以采用红外数字转速测量仪是转速测量仪器发展的一种不可避免的趋势。

1 设计要求

红外线数字转速表是一种代替机械转速表，并用来测量转动速率的计量仪表。

1.1 设计目的

（1）掌握红外线光电转换器的工作原理；

（2）掌握红外线转速表的设计、组装、调试方法。

1.2 设计内容及要求

（1）设计四位数数值的红外线转速表，转速表基于红外线采样，测速范围为0000 - 9999转/分，实现近距离测量；

（2）红外发光管发射的红外线经由红外探头得到，在接收电路中进行一系列的信号处理，得出被测转速的脉冲信号；

（3）编写计数器的C程序，并在Proteus软件上进行计数部分的仿真；

（4）画出完整的电路图，组装、调试红外线转速表，写出设计、调试报告；

（5）选作远距离的转速测量。

2 转速测量系统的原理

2.1 转速测量方法

转速是指作圆周运动的物体在单位时间内所转过的圈数，其大小及变化往往意味着机器设备运转的正常与否。因此，转速测量一直是工业领域的一个重要问题。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) 、同步测速法(如机械式或闪光式频闪测速仪) 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定时计数法。本文介绍的采用单片机和红外采样部分组成的高精度转速测量系统,其转速测量方法采用的就是电子式定时计数法。

对转速的测量实际上是对转子旋转引起的周期脉冲信号的频率进行测量。在频率的工程测量中,电子式定时计数测量频率的方法一般有三种：M法(测频法) 、T 法(测周期法) 和M/T 法(频率/周期法) 。

2.1.1 M法(测频法)

在规定的检测时间内，检测光电脉冲发生器所产生的脉冲信号的个数来确定转速。虽然检测时间一定,但检测的起止时间具有随机性，因此M法测量转速在极端情况下会产生±1个转速脉冲的误差。当被测转速较高或电机转动一圈发出的转速脉冲信号的个数较大时，才有较高的测量精度，因此M法适合于高速测量。

2.1.2 T法(测周期法)

它是测量光电脉冲发生器所产生的相邻两个转速脉冲信号的时间来确定转速。相邻两个转速脉冲信号时间的测量是采用对已知高频脉冲信号进行计数来实现的。在极端情况下，时间的测量会产生±1个高频脉冲周期，因此T法在被测转速较低(相邻两个转速脉冲信号时间较大)时，才有较高的测量精度，所以T法适合于低速测量。

2.1.3 M/T法(频率/周期法)

它是同时测量检测时间和在此检测时间内光电脉冲发生器所产生的转速脉冲信号的个数来确定转速。由于同时对两种脉冲信号进行计数，因此只要“同时性”处理得当,M/T 法在高速和低速时都具有较高的测速精度。

本设计要实现在转速范围0000 - 9999转/分之间测量转速，所以红外数字转速表既要测量低速转速又要测量高速转速，而M/T 法在高速和低速时都有较高的精度。由于M/T 法可在整个速度范围内获得高分辨率，可在不损失精度和分辨率的前提下获得快速响应，所以本次设计采用M/T 法。 2.2 转速测量原理

一般的转速长期测量系统是预先在轴上安装一个有60 齿的测速齿盘，用变磁阻式或电涡流式传感器获得一转60倍转速脉冲，再用测频的办法实现转速测量。而临时性转速测量系统，可采用红外采样系统，从转轴上预先粘贴的一个标志上获得一转一个转速脉冲，随后利用电子倍频器和测频方法实现转速测量。不论长期或临时转速测量，都可以在微处理器的参与下，通过测量转轴上预留的一转一齿的鉴相信号或光电信号的周期，换算出转轴的频率或转速。即通过速度传感器，将转速信号变为电脉冲，利用微机在单位时间内对脉冲进行计数，再经过软件计算获得转速数据。亦即：

)/(T m N n *=

(1)

◆n ——转速，单位：转/ 分钟； ◆N ——采样时间内所计脉冲个数； ◆T ——采样时间，单位：分钟；

◆m ——每旋转一周所产生的脉冲个数(通常指测速码盘的齿数) 。

如果m=60，那么1秒钟内脉冲个数N 就是转速n ， 即： N N T m N n =?=*=)60160/()/(

(2)

◆通常m 为60。

3 系统概述

系统主要由AT89S52单片机处理系统、电机、信号采集单元、信号处理单元和显示系统等几个部分组成，如图1:

图 1 系统组成框图

3.1 转动系统

红外线转速表采用的红外线探头有直接式和反射式两种。本设计中采用直射式测量转动系统

信号采集及其处理

单片机处理电路

显示电路

电机转速。当不透光的物体挡住发射与接收之间的间隙时，接收电路产生电信号。

3.2信号采集及其处理

被测物理量经过红外探头进行光电变换后，变为电阻、电流、电压、电感等某种电参数的变化值。为了进行信号的分析、处理、显示和记录，须对信号作放大、运算、分析等处理，这就引入了中间变化电路。

3.3单片机处理电路

用于测量转速的脉冲信号通过P3.5/T1输入单片机，用AT89S52的定时计数器T1对脉冲信号进行计数，用定时计数器T0进行定时，每50ms产生一个中断对数码管进行刷新，产生120个中断后（即6s），进行一次转速处理，再通过单片机对T1的脉冲数进行运算转换后，用数码管显示电机的转速。

3.4显示电路

系统通过四位七段数码管实时显示电机的转速值。

4 设计的具体实现

4.1 系统硬件电路的设计

4.1.1脉冲产生模块设计

设计采用了红外光电传感器，进行非接触式检测。当有物体挡在红外发光二极管和高灵敏度的红外探头之间时，接收电路将会输出一个高电平，而当没有物体挡在中间时则输出为低电平，从而形成一个脉冲。系统在红外对管间加入电动机，并在电动机的转轴上安装一转盘。在这个转盘的边沿处挖出若干个圆形过孔，每当转盘随着后轮旋转的时候，接收电路将向外输出若干个脉冲。把这些脉冲通过一系列的波形整形成单片机可以识别的TTL电平，即可算出轮子即时的转速。因此，脉冲信号的频率大小就反映了电机转速的高低。该装置的优点是输出信号的幅值与转速无关，而且可测转速范围大，一般为1～104 r/s以上，精确度高。

脉冲发生源的硬件结构图如图2所示。

过孔

图2 脉冲发生源硬件结构图（左为正视图，右为侧视图）

4.1.2转速信号处理模块设计

转速信号处理电路包括信号放大电路、整形电路。由于产生的电压信号很小，所以

要采用共射电路进行放大处理，然后再使用CD40106进行脉冲整形工作，使输出为矩形脉冲。

图3 信号处理电路图

（1）放大电路：采用NPN 三极管共射电路，三极管放大系数195=β。设计好直流通路，使放大器的静态工作点位于放大区。

（2）整形电路：CD40106由六个斯密特触发器电路组成，每个电路均为在输入端具有斯密特触发器功能的反相器，触发器在信号的上升和下降沿的不同点开、关。上升电压(VT+)和下降电压(VT-)之差定义为滞后电压。图4为CD40106的信号整形示意图。

图4 整形电路图

4.1.3单片机处理模块设计

（1）AT89S52单片机介绍

如图5所示，AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 可编程Flash 存储器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU 和在线系统可编程Flash ，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

引脚功能：

电源引脚：VCC 接电源、GND 接地。

输入/输出口：PORT 0（39~32）、PORT 1（1~8）、PORT 2（21~28）、PORT 3（10~17）。 复位引脚：RST 。几乎所有的微控制器都需要复位（Reset ）的操作。对于8051而

言，只要复位引脚接高电平超过两个机器周期（约s μ2），即可产生复位操作。

频率引脚：XTAL1、XTAL2。

存储器引脚：EA 。当1=EA 时，系统使用内部存储器；当0=EA 时，系统使用外部存储器。

外部存储器控制引脚：第30脚（ALE ）：地址锁存启用信号，若ALE=1，P0被当成地址总线；若ALE=0，P0被当成数据总线。第29脚（PSEN ）：程序存储启用信号，通常把此引脚连接到外部存储器（ROM ）的OE 引脚，当8051要读取外部存储器的数据时，此引脚就会输出一个低电平信号。

图5 AT89S52引脚图

（2）主控单元

如下图6所示，X1为12MHz 的晶振，第9脚为复位引脚，通过按键开关控制。用于测量转速的脉冲通过P3.5输入单片机，用AT89S52的定时/计数器T1对脉冲信号进行计数，用定时/计数器T0进行定时，每50ms 产生一个中断对数码管进行刷新，产生120个中断后（即6s ），进行一次转速处理，再通过单片机对T1的脉冲数进行乘10运算转换后，用数码管显示电机的转速。

图6 AT89S52单片机处理电路

（3）时钟电路

单片机各功能部件的运行都是以时钟控制信号为基准，有条不紊地一拍一拍地工作。因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。本设计中此采用内部时钟方式，如图7所示，以石英晶体振荡器和两个片电容组成外部振荡源。片内的高增益反相放大器通过XTAL1、XTAL2外接，作为反馈元件的片外晶体振荡器与电容组成的并联谐振回路构成一个自激振荡器，向内部时钟电路提供振荡时钟。振荡器的频率取决于晶振的振荡频率，振荡频率范围为1.2—12MHz。工程应用时通常采用6MHz或12MHz。图中X1为12MHz，电容C1、C2为30pF，它们一起构成此单片机的自激振荡器。

图7 时钟电路图

（4）复位电路

8051的复位引脚（Reset）是第9脚，当单片机振荡器工作时，该引脚上出现持续2个机器周期的高电平，就可以实现系统复位。如图8所示，本设计采用手动复位，用一个电容与一个10K电阻串联组成，电阻接地，电容接VCC，RESET脚接在它们中间。未上电时，RST端为低电平，只要按下这个按键，RST端转换为高电平，经过两个机器周期后，单片机就能复位。

图8 含手动的Reset电路图

（5）存储器设置电路

如果将第31脚（EA）接地，则采用外部存储器；将31脚接Vcc，则采用内部存储器。本次设计采用内部存储器，故将第31脚与第40脚及Vcc相连接，如图9所示。

图9 基本电路图

4.1.4显示模块设计

（1）显示部分采用四位七段数码管来显示最终的结果，即电机的转速。如图10所示，采用470Ω的限流电阻，并使用1K的上拉电阻，以增加数码管的亮度。

图10 显示电路图

（2）四位七段数码管：内部的4个数码管共用a~dp这8根数据线，有4个公共端，加上a~dp，共有12个引脚。图11是一个共阴四位数码管的内部结构图。引脚排列是从左下角的那个脚（1脚）开始，以逆时针方向依次为1~12脚。

图11 四位七段数码管内部结构图

管脚顺序：从数码管的正面观看，以第一脚为起点，管脚的顺序逆时针方向排列。

12 — 9 — 8 — 6 →公共脚

a--11 b--7 c--4 d--2 e--1 f--10 g--5 dp--3

4.2 系统软件的设计

4.2.1控制程序说明

在6S之内计数外部脉冲的频率，由定时器0进行6S的定时（定时方式），定时器1对外部脉冲进行计数。和PC机相比，单片机资源十分有限。因此单片机系统不可能像windows系统那样建立庞大的消息循环机制，将消息分发给各个程序并行处理。在基于消息的单片机编程中，采取一种简化的方式，消息可以这样来定义：当某个事件(例如中断)发生时，事件处理程序（例如中断服务程序）设置相应的标志，不同的标志即代表不同的消息；而主程序所进行的消息循环就是主程序不断地判断这些标志，以决定启动哪一个处理函数（即将消息发送给特定的消息处理函数）。这种方法在多中断系统

中使用，可以明显地提高中断的实时性；另外，由于在中断服务程序中不需要调用数据处理程序，也有效地防止了代码重入带来的问题。

4.2.2程序设计流程图

（1）主程序流程图

图12 主程序流程图

（2）测量函数流程图

图13 测量函数流程图

（3）显示函数流程图

图14 显示函数流程图

（4）T0_6s中断子程序流程图

图15 T0_6s中断子程序流程图

5 小结

在实际的电路测试中，由于只是采用简单的模拟信号采集电路，故存在一定的误差。但是该电路已经可以实现基本的计数功能，从而经过计算得到直流电机的每分钟的转速。

谢辞

经过将近一个月的忙碌，本次课程设计已经接近尾声。通过这次学校组织的课程设计，我端正了自己学习的态度，锻炼了自己独立动手的能力。在此，我要感谢每一个帮助过我的人。

首先，我要感谢的是我的导师陈辉老师。陈辉老师平日里工作繁多，我的论文的选题到最终的定稿，几经修改，都无不凝聚了陈老师的辛勤付出。可以说，没有陈辉的悉心指导和帮助，我是不可能顺利完成我的课程设计的。另外，他的治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作。

再次，我要感谢的是我的同学和舍友们。在我课程设计期间，他们给了我不少的关心和帮助。理论与实践的结合，是对知识较好牢固掌握的一种方法，这次的课设有了这种理念，基于改变高分低能的现状。对于即将毕业的我们，社会更迫切需要的是能力，而不只是以往的高分。学校看出了这种现状，所以安排了我们的课程设计：理论实践相结合。所以作为桂电学子的我表示深切感谢，这次真的是一次的难得的宝贵经验。最后我要感谢的是我亲爱的桂林电子科技大学的每一位老师和同学。

总之，感谢每一位关心过我，爱护过我的人。滴水之恩，当涌泉相报。

参考文献

[1] 王福瑞．单片微机测控系统设计大全[M]．北京航空航天大学出版社，1999:4-9

[2] 张勇．电机拖动与控制[M]．机械工业出版社，2001

[3] 邵群涛，徐余法．电机及拖动基础[M]．机械工业出版社，2002:250-269

[4] 马西秦．自动检测技术[M]．机械工业出版社，2001:210-230

[5] J.Sachs, M.Kmec, P.Peyerl et al, “MSCW-Radar – a novel Ultra Wideband Radar Principle”,

International Radar Symposium 2005, Berlin, Germany, September 2005

[6] 张毅刚.单片机原理及应用(M).高等教育出版社，2003:120-124

[7] 张道德.单片机接口技术（C51版）（M）.中国水利水电出版社，2007:112-115

[8] 杨路明.C语言程序设计（M）.北京邮电大学出版社，2005:1-7

[9] 林志琦，郎建军，李会杰等.基于Proteus的单片机可视化软硬件仿真（M）.北京航空航天大

学出版，2006:1-5

桂林电子科技大学课程设计（论文）报告用纸第16 页共19 页附录

（1）原理图

图16 红外线数字转速表原理图

（2）PCB图

图17 红外线数字转速表PCB图

（3）源程序

/*红外线数字转速表,由P3.5输入经过处理后的脉冲信号，按下PB0于6s后显示直流电机转速*/

//==声明区================================================================= #include //定义8051寄存器的头文件

#define SEG P0 //定义七段LED数码管接至Port0 #define SCANP P2 //定义扫描线接至Port2

sbit PB0=P3^2; //声明PB0按钮，接至P3.2

char TAB[11]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66, //数字0-4

0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x67,0x00}; //数字5-9，及数码管不亮

char disp[4]={0x3f,0x3f,0x3f,0x3f}; //声明显示区数组初始显示0000 /*声明T0定时相关声明*/ //THx TLx

#define count 50000 //T0(MODE 1)的计数值，0.05s

#define TH_M1 (65636-count)/256 //T0(MODE 1)计数高8位

#define TL_M1 (65636-count)%256 //T0(MODE 1)计数低8位

char count_T0=0; //计算T0中断次数

/*声明基本变量*/

bit status_F=1; //状态标志位

unsigned int freq=0; //频率变量

sfr16 DPTR=0x82; //声明DPTR，数据指针寄存器void delay_1ms(int); //声明延迟函数

void measure(void); //声明测量函数

void display(void); //声明显示函数

//==主程序================================================================= main() //主程序开始

{ P0=0x3f;P2=0xff; //数码管显示为0000 while(1) //无穷循环

{ if(PB0==0) //若按下PB0

{ status_F=0; //则进入测量阶段

measure(); //调用测量函数

while(status_F==0); //等待0，测量完毕

}

else display(); //显示阶段

} //while循环结束

} //主循环结束

//==子程序：=============================================================== /*测量函数*/

void measure(void) //测量函数开始

{ IE=0x8a; //1000 1010，启动T0、T1中断

TMOD=0x51; //0101 0001:T1为计数器、T0为定时器，都采用MODE1 TH0=TH_M1;TL0=TL_M1; //设置T0计数量的高、低八位

TH1=0;TL1=0; //设置T1归零

TR0=1;TR1=1; //启动T0、T1

}

/*6s定时函数*/

void T0_6s(void)interrupt 1 //T0_6s中断子程序开始

{ TH0=TH_M1;TL0=TL_M1; //设置T0计数器的高、低8位if(++count_T0==120) //若达到6s

{ count_T0=0; //重新计数

status_F=1; //完成测量

TR1=0;TR0=0; //关闭T1、T0

DPH=TH1;DPL=TL1; //计数量的高、低8位

freq=DPTR; //计数器T1值放入freq变量

if(freq*10>=10000) //当电机转速超过10000r/min时

{ disp[0]=TAB[10]; //千位显示区不亮

disp[1]=TAB[10]; //百位显示区不亮

disp[2]=TAB[freq*10/10000]; //填入十位显示区

disp[3]=TAB[(freq*10/1000)%10]; //填入个位显示区

}

else //当电机转速低于10000r/min时

{ disp[0]=TAB[(freq*10/1000)%10]; //填入千位显示区

disp[1]=TAB[(freq*10/100)%10]; //填入百位显示区

disp[2]=TAB[(freq*10/10)%10]; //填入十位显示区

disp[3]=TAB[(freq*10)%10]; //填入个位显示区

} //结束if判断（达到6s）} //T0_6s中断子程序结束

}

/*显示函数*/

void display(void) //显示函数开始

{ while(PB0==1) //若按下PB0

{ P2=0xfe; //P2.0输出0，P2端其余输出1 P0=disp[0]; //点亮最高位数码管

delay_1ms(4); //延迟4ms

P2=0xfd; //P2.1输出0，P2端其余输出1 P0=disp[1]; //点亮次高位

delay_1ms(4); //延迟4ms

P2=0xfb; //P2.2输出0，P2端其余输出1 P0=disp[2]; //点亮次低位

delay_1ms(4); //延迟4ms

P2=0xf7; //P2.3输出0，P2端其余输出1 P0=disp[3]; //点亮最低位

delay_1ms(4); //延迟4ms

} //结束while（按下PB0）

} //显示函数结束

/*延迟函数，延迟约x*1ms*/

void delay_1ms(int x) //延迟函数开始

{ int i,j; //声明整数变量for(i=0;i

for(j=0;j<120;j++); //计数120次，延迟1ms

}