数字测速仪设计方案

1 数字测速仪设计 方案 1 绪论 数字测速仪介绍 目前国内外数字测速的方法有离心式转速表测量法、测速发电机测量法、闪光测量法、光断续器测量法和霍尔元件测量法。本文采用的是 车轮转动一周时， 断续器将会产生一个感应信号，再将产生的感应信号转换为电信号传入单片机，经过数据处理和算法处理后得到转轴的实际速度。 数字测速仪的应用 转速是能源设备与动力机械性能测试中的一个重要的特性参量，因为动力设备的许多性能参数是根据转速来确定的，例如泵的扬程、压缩机的排气量 、轴的功率等等，而且动力设备的振动、管道流体的压力、各种零件及阀门的磨损松动等都与转速密切相关。 本设计所要实现的目标 本文 针对电机的转速进行测量，以单片机为核心对 光电开关产生的数字信号进行运算，从而测得电机的转速， 然后用 电机的转速显示出来。 即通过电传感器 将电机的转数转换成 0， 1 的数字量，只要转轴每旋转一周，产生一个或固定的多个脉冲，并将脉冲送入单片机中进行计数和计算，就可获得转速的信息。 本文采用 片机实现了转速的实时测量，本设计简单，测量速度快，精度高，运行可 靠，可以满足人们对速度准确性和实时性的要求。 本文的设计方案 速度测速仪设计主要包括微处理器、光电传感器、显示器和驱动器的选择以及硬件电路和软件的设计。 数字测速仪设计 2 系统硬件方面，控制芯片选取美国 司的 片机， 电传感器 ，显示器选择 1602动器选择 74片。利用 片机作为核心控制器件 ,接受来自光电传感器的电信号，处理后输出显示在 在软件方面，首先利用单片机进行数据处理，给出速度测速仪的软件设计流程图，最后采用 C 语言对控制源程序进行编 译，用单片机处理把速度显示在 2 主要器件介绍 片机 脚如图 2示： 图 2脚图 各引脚功能说明： 电源端，为 +5V。 接 地 端。 口 ： 一个 8位漏极开路的双向 I/ 位都可以能驱动 8个 当 对 一次 写 “1”时，引脚 被定义为 高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时， 它 也 可以 作为低 8位地址 /数据复用。在这种模式 3 下， 有内部上拉电阻 的 。在 ， 为原码输入口， 在程序校验时，输出 原码 ， 此时 口 ： 上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， 缓冲器 可驱动 4个 当 入 “1”时， 通过内部的上拉电阻使端口拉变为高电位 ， 这 时可 用 作输入。 当用作 输入使用时，外部 被 拉低的引脚 因为内部 有 电阻的原因，将 会 输出电流。 当 为 低 8位地址 接收 。 口： 是一个内部 有 上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， 出 的 缓冲器 可驱动 4个 当 写 “1”时， 通过 内部 的 上拉电阻 可以 把端口 变为 高 电位 ， 这时 可 用 作输入。 当用作 输入使用时，外部拉低的引脚 因为 内部 有 电阻的原因，将 会 输出电流。 当用于 外部程序存储器或 者 用 于 16位地址读取外部数据存储器时， 将输 出高八位地址。在这种应用中， 使用很强的内部上拉发送 1。在使用 8位地址访问外部数据存储器时， 输出 者 校验时，也 可 接收高 8位 控制信号 和 地址 信号。 口： 是一个内部具有上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，驱动 4个 当 “1”后 ， 它们被 内部上拉 为 高 电平 ，并用作输入 。作为输入时， 由于 外部 下 拉 为 低 电平 ，将输出电流。在 可 作为 殊功能 端口 ，如下表所示。 表 23 口第二功能表 引脚 第二功能特性 行输入 行输出 中断 0 中断 1 0 定时器 0 外输入 1 定时器 1 外输入 R 外部存储器 选通 写 D 外部存储器选通 读 复位输入 端 。 当振荡器进行复位器件时，需保持 地址锁存允许信号端。 程序存储允许输出信号端 。 当由外部程序存储器读地址期间，每个机器周期 当进行外部数据存储器时，将不出现这两次有效的 4 信号。 访问外部程序存储器控制信号。为使能从 0000H 到 了执行内部程序指令， 2伏 振荡电路反相 放大器 及外 部时钟 脉冲 的输入端。 振荡电路反相放大器 的输出端。 定时器 /计数器的结构 定时 /计数器的实质是加 1 计数器（ 16 位），由高 8 位和低 8 位两个寄存器组成。定时 /计数器的工作方式寄存器，确定工作方式和功能； 控制寄存器，控制 启动和停止及设置溢出标志 。 定时 /计数器结构如图 2示： C P 1 T L 1 T H 0 T L 0T C O N T M O T 1( P 3 . 3 )I N T 0( P 3 . 2 )T 1 ( P 3 . 5 )T 0 ( P 3 . 4 )定 时 器 T 0定 时 器 T 1溢 出中 断内 部 总 线启 动工 作 方 式溢 出启 动工 作 方 式图 2时 /计数器结构 定时 /计数器的控制 片机定时 /计数器的工作由两个特殊功能寄存器控制。 于设置其工作方式； 于控制其启动和中断申请。 （ 1） 工作 模式 寄存器 作 模式 寄存器 于 控制 工作模式，其各位的定义格式如下表： 表 2位定义 控位。 0 时， 用软件使 1 来启动定时 /计数器； 1 时， 用软件使 1，同时 相对应的 外部中断引脚也为高电平时，才能启动定时 /计数器工作 。 C/T：定时器 /计数器方式选择位。 C/T=1 时， 设置为 计数器 方式 ，计数器对外部输入引脚 外部脉冲计数； C/T=0 时， 设置为定时方式，定时器计数 89内脉冲，对机器周期计数 。 作 模式 设置位。定时 /计数器有四种工作 模式 ，由 行设置。 表 21 和 工作模式 作模式 功能描述 0 0 模式 0 13 位计数器 0 1 模式 1 16 位计数器 1 0 模式 2 自动再装入 8 位计数器 1 1 模式 3 定时器 0：分成二个 8 位计数器 定时器 1：停止计数 （ 2） 控制寄存器 低 4 位用于控制外部中断 ,已在前面介绍。 高 4 位用于控制定时 /计数器的启动和中断申请。其格式如下： 表 2位定义 88H) 89H 88H ： 出标志位。 数溢出时由硬件自动置 1。 硬件自动清 0。 作时， 随时查询 状态。所以，用作查询测试的标志。 可以用软件置 1 或清 0，同硬件置 1 或清 0 的效果一样。 行控制位。 可通过软件置 1 或清 0 来启动或关闭 程序中用指令“ 置 1，定时器 始计数。 出中断请求标志位，其功能与 同。 行控制位，其功能与 同。 中断控制 中断源的开放和屏蔽是由中断允许寄存器 制的。 表 2E 的位定义 数字测速仪设计 6 9H A 外部中断 0 中断 允许位； 定时 器 /计数器 溢出 中断允许位； 外部中断 1 中断 允许位； 定时 器 /计数器 溢出 中断允许位； 串行口中断允许位； 中 断允许 总控制 位。 光电传感器 目前，传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。此外，利用红外线的隐蔽性，还可在银行、仓库、商店、办公室以及其它需要的场合作为防盗警戒之用。 光电 断续器 把发射端和接收端 之间光的强弱变化转化为 电信号 以达到探测的目的。由于光电开关输出回路和输入回路是电隔离的（即电缘绝），所以它可以在许多场合得到应用。 光电传感器具有线性度好、分辨率高、噪音小和精度高、无触点、无机械碰撞、响应快、控制精度高，而 且能识别色标等优点，在此我们选择光电转速传感器来进行转速的检测。 光电断续器的工作原理 光电断续器分为遮断型和反射型两种。遮断型光电断续器又称为槽式光电开关，通常是标准的 发射器和接收器做在体积很小的同一塑料壳体中，分别位于 两者能可靠的对准，安装和使用非常的方便。当被检测物体经过 电开关就产生开关量信号。槽式光电开关非常可靠，较适合高速检测。光电断续器是使用发光二极管直接用直流电驱动，也可用 40外线 降为 动电流一般 7 控制在 20电传感器如图 2 图 2电传感器原理图 光电断续器的特点 列光电 断续器 是现代微电子技术发展的产物， 比 列红外光电断续器的性能优越 。与以往的光电 传感器 相比具有自己显著的特点： （ 1）具有自诊断工作区 稳定 指示 的 功能， 可随 时 检测 工作状态是否可靠； （ 2） 遮断型和反射型 光电 断续器 都 具有 防止 互相 干扰 性 能， 非常对称的， 安装 和使用 方便； （ 3）对 同步（ 外诊断）控制端的设置可 以 在运行前检 测 光电 断续器 是否正常 的 工作。并 且 可 以 随时接受计算机 和 可编程控制器的中断或检测指令， 自 诊断与 外 诊断的 互相配合 可使光电 断续器变得 智能化； （ 4） 反 应速度 很 快， 电 断续器 的 反 应速度可达到 分钟 检测操作可达 30 万次，能检 测 出高速 运 动的微小物体； （ 5） 光电断续器 采用 独特 集成电路和 精密 的 面安装工艺，具有很 强 的可靠性； （ 6）体积小（最小仅 203112重量轻，安装调试简单，并具有短路保护功能。 显示芯片 要特性 1602指显示的内容为 16*2,即可以显示两行，每行 16个字符液晶模块（显示字符和数字）。 1602叫做 1602 字符型液晶，用它来显示字母、符号、数字等的一种点阵型液晶模块。它由若干个 5*7 或者 5*11 等点阵的字符位组成，每个点阵字符位用作显示一个字符，每位之间的间隔为一个点距，每行之间也有一定的间隔，使字符和行之间有一定的间距，因为有间距所以它不能很好地显示图形。内部的复位电路可以提供各种控制命令 ,如：光标闪动、屏幕清除、移位显示、字符闪动等功能。 脚定义 常有 16 个引脚，也有少部分有 14 个引脚，当选用 14 个引脚的 有背光 ，很少使用。 1602 型 16 个 引脚接口功能定义如下表数字测速仪设计 8 所示： 表 2引脚编号 符 号 状 态 引脚说明 1 电源地 2 +5V 逻辑电源 3 液晶驱动电源（用于调节对比度） 4 入 寄存器选择（ =1：数据寄存器； =0：指令寄存器） 5 R/W 输入 读、写信号线（ =1：读操作； =0：写 操作） 6 E 输入 使能端 7 14 态 数据总线 15 背光源正极 16 背光源负极 9 数字测速仪设计 10 3 系统硬件构成 设计原理 数字测速仪硬件 设计 部分 采用 片机作为核心控制器件，结合外部的 电断续 器 和 示等硬件辅助电路，组成数字测速仪的硬件系统 。通过光断续器采集到脉冲信号，经过单片机处理之后显示在 。数字测速仪由电源电路、 电断续器、显示 电路和复位电路组成。硬件的总体设计结构框图如图 3示。 电 源 电 路A T 8 9 C 5 2主 控 电 路光 电 断 续 器 L C D 显 示图 3件设计总体框架图 外围电路 电源电路 本设计 采用 +5V 稳 压电源， 其电路如图 3 11 图 3源电路原理图 稳压电源电路利用晶体管作为调整元件和负载串联，调整元件 可 看做可变电阻，从输出电压中提取全部或部分电压调节调整 器 所呈现的电阻来维持输出电压基本不变。它的输出电压可以连续调节，输出电流也可达到很大，稳压精度高。 稳压电源电路主要由变压器、 三端集成稳压器 7805、 整流电路、滤波电路组成。 变压器是利用电磁感应原理进行变换交流电压、阻抗和电流的器件；三端稳压器可靠性高、精度高、电路实现简单且价格低廉，可以实现可靠的直流稳压电源； 整流电路采用全桥式整流桥， 它 利用四个二极管两两并联后接入输出电压；电容滤波电路在输出端并联一个电容器。 晶振电路 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 3示，以石英 晶体振荡器和两个片电容组成外部振荡 电路 。 单片机 片内的高 倍 增益反相放大器 经 过 接， 用作 反馈元件的片外晶体振荡器 和 电容组成的并联回路 谐振组成 一个自激振荡器， 给 内部 的 时钟电路提供振荡时钟。振荡器的 振荡 频率 由 晶振的振荡频率 决定 ，振荡频率范围为 2程应用时通常采用 6 12中 12容 33们一起构成此单片机的自激振荡器。 复位电路 单片机的 脚为复位（ 。当单片机振荡器工作时，该引脚上出现持续两个机 器周期的低电平，就可以实现系统复位，使单片机回到初始状态。如图 3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 容 接地， 接在它们中间， 择 10按键与 200R 电阻串数字测速仪设计 12 联， 在电容两端并联，就成了按键复位电路， 未上电时， 为高电平， 只要按下这个按键， 转换为低电平，经过两个机器周期后， 单片机就能复位。 图 3振电路 图 3位电路 信号处理电路 由于电机每次转动的时候，光线每次经过转子 上的反光片都反射到光传感器使光传感器产生一个电信号，但是因为光电信号较弱，而且产生的脉冲波形不整，所以会影响单片机对信号的处理。 13 图 3号处理电路 如图 3光感三极管，当无光源照射时， 作在截止区（ 止），作在饱和区（ 通）， 555 定时器 脚为低电平；当有光源照射时，作在饱和区（ 通）， 作在截止区（ 止）， 555 定时器的 脚为 5V 电平。两个三极管导通和截止过程产生的信号通过 555 定时器构成的单稳态整形电路，整形为标准的方波脉冲并由 Q 端输出。该电路特点是只要输入电压达到三极管的工作电压，通过三极管的导通和截止，保证了向 555 定时器输入的波形在 05V 之间跳变，免去了对三极管放大电压的计算。 显示部分 1602 字符型 单片机的连接主要由两种：直接访问方式连接和间接控制方式连接。 直接访问方式连接由于构成三总线的结构，所以在软件控制上比较简单，用通过访问外部地址的方式就能访问 是，在使用这种连接方式时需要注意单片机的控制总线时序和地址总线时序必须要与 需要的时序相匹配否则无法访问。 间接控制方式连接是利用 具的 4 位数据总线功能简化电路接口的一种连接方式。但是由于 身为速度较慢的器件，每一次数据传输大概需要几十微秒至几毫秒的时间，如采用间接控制方式访问，每传输一个字节的数据需要访问 2 次 将占用大量的时间，使 得繁忙，甚至影响 理其他数据的传输速度。 在实际中常采用如图 3示电路。采用这种连接方式不能构成三总线的结数字测速仪设计 14 构，所以不能通过地址形式直接访问，而是需要通过 方式进行数据的传输，同时由于数据总线使用了 8 条 ，所以在数据传输的时间上与直接访问的时间相同，速度较间接控制方式提高了一倍，缩短了 访问时间。又因为单片机的输出电流较低，所以需外接上拉电阻。 图 3路 15 数字测速仪设计 16 4 系统软件设计 编程语言的选用 本设计中采用的处理器是 片机，由此可 以 用面向 程序机器 语言， 它 包括 C 语言和 汇编 语言， C 语言 和汇编语言 各有特点。汇编语言更加 接近机器语言， 一般 用来 编辑 与系统硬件 有 关的程序，如访问 I/O 端口、 进行 中断处理 的 程序、 进行操作 程序、 选择读写 程序等； 关于 数学运算程序 一般 用 C 语言编写， 因为 高级语言编写 的 运算程序可 以 提高编程 的 效率和应用程序可靠性。 C 语言是一种通用的计算机程序 编辑 语言，在国际上十分流行，它即可用来编写计算机系统程序，也可以用来编写一般的应用程序。计算机的系统软件 以前 主要是 由 汇编语言编写的，单片机应用系统 编辑 更是如此。 因为 汇编语言程序的可移植 性和可 读 性都 非常 差， 运用 汇编语言 编辑 单片机 的 应用程序 时 周期长， 并 且调试和排错 起来 比较 麻烦 。 C 语言具有很好的可移植性和硬件控制能力，表达和运算能力也较强。它具有以下特点： （ 1） 语言简洁，使用方便灵活。 （ 2） 可移植性好。 （ 3） 表达能力强。 （ 4） 表达方式灵活。 （ 5） 可进行架构化程序设计。 （ 6） 可以直接操作计算机硬件。 （ 7） 生成的目标代码质量高 。 为了提高编制计算机系统和应用程序的效率，改善程序的可读性和可移植性，在此采用高级 C 语言编程。 程序设计流程图 本设计采用计数程序采集脉冲，定时程序产生中断，通过 示器显示转速值。 17 开 始初 始 化O 续 器数 据 转 换数 据 算 法 处 理 显 示图 4总体流程图 通常对于转速或速度的测量可转化为对信号频率（或周期）的检测，对信号频率的检测最常采用的 3 种方法是计数法、周期法和多倍周期法。其中计数法适合测量高频，侧低频时所需时间较长，故误差较大。周期法适合测低频率，测高频率信号时要求对比脉冲的频率较高，因此误差大。以上两种方法的优点是实现起来比较简单。但多倍周期法可以在一定程度上弥补高低频之间的不足，但是实现起来相对比较复杂。因为多倍周期法必须预先确定一个适当的参数 N，但是 果 N 确定不当，一样使检测时间变长或者高频时会有较大的 改进，并提出了一个简单的 N 算法，既可以自动的确定恰当的 N，又可以满足高低频信号的检测要求，主程序流程图如图 4示。 数字测速仪设计 18 开 始定 时 器 T 0 输 入 初 值P 3 测 到 高 电 平 了 吗开 始 计 时定 时 5 0 m s 到 了 吗时 间 计 数 值 加 1时 间 计 数 值 为 2 0 吗将 p 1 脚 置 为 低 电 平将 定 时 到 1 秒 时 间 的 信 号 送 入 数据 缓 冲 区定时器流程图 程序说明：通过对定时器 0 的门控位 置 1，使定时器 0 的启动可以由脚的高电平状态开启。 定时器 0 的定时时间为 50行 20 次可以得到 1s 的定时时间。 定时 1s 时间到时向 脚输出低电平信号， 脚接双 D 触发器的复位端 （低电平复位），复位后触发器向 脚输出低电平，关闭定时器0/计数器 1。 将定时 1s 时间到的信号（ ）送给主程序。 19 开 始计 数 器 1 输 入 计 数 初 值P 3 测 到 高 电 平 没计 数 器 1 开 始 计 数 脉 冲P 3 测 到 低 电 平 没停 止 计 数 并 将 计 数 值输 入 缓 冲 区计数器流程图 程序说明：通过对计数器 1 的门控位 置 1，使计数器 1 的启动可以由脚的高电平状态开启。 定时 1s 时间到，定时器复位双 D 触发器，使双 D 触发器的输出端向 脚输出低电平，关闭计数器 1。 将计数到的脉冲个数，送入主程序处理。 数字测速仪设计 20 开 始液 晶 初 始 化显 示 器 复 位 程 序数 据 来 了 没显 示 器 忙 吗向 显 示 器 写 入 命 令 函 数显 示 器 正 忙 吗向 显 示 器 写 入 数 据 函 数显 示 数 据延 迟 1 0 m 1 0 m 液晶显示器流程图 程序说明： 向 入数据，逐步经过判忙程序分别输入命令函数和写入数据函数，并显示。 21 数字测速仪设计 22 5 软件调试及仿真 本次设计软件调试工具采用 司出品的 52 系列兼容单片机 C 语言软件开发系统 52 标准 C 编译器为 8051 微控制器的软件开发提供了 C 语言环境 ,并保留了汇编代码高效、快速的特点。 软件仿真工具采用英国 司研发的多功能 件中 的 一款操作简单便捷的电子系统原理设计和仿真平台软件，它运行于 作系统，可以仿真和分析各种模拟器和集成电路。 软件编译 工程的创建 运行 件 点击 点击 图5 图 5程创建图 片机的选择 本次设计选用的是单片机 图 5 23 图 5片机的选择图 程序编译 （ 1）程序代码的编写 通过 C 语言对系统进行程序代码的编写工作，如图 5 图 5序编译图 （ 2）生成仿真所需的 件 数字测速仪设计 24 点击 点击 设置晶振为 击 选定 i ，如图 5 图 5件的生成图 系统仿真测试 将设计好的电路，通过 设定 好的输入参数和电路仿真实现的数据进行对比，验证电路设计的可行性。 信号处理电路仿真结果 因为电机的转速通过光感元件后，表现为一定频率的脉冲波形，所以，可以通过 仿真功能，给信号处理电路输入一定周期的非标准方波脉冲信号，再通过仿真示波器，检测信号处理电路的输出波形是否达到，信号处理电路预期的放大、整形功能。如图 5波形发生器向光敏三极管 入一定频率的脉冲以代表光电码盘转动时产生的脉冲，示波器 D 端检测输入信号， A 端检测信号处理电路的输出波形。 设定输入幅值为 率 为 3正弦波如图 5波器检测到的值 如图 5 25 图 5信号处理电路的仿真检测 图 5波形发生器参数设定 图 5示波器检测到的参数 仿 真结论：通过向信号处理电路输入幅值为 率为 3正弦波（绿色波形），检测到信号处理电路输出波形（黄色波形）的幅值为大约 5V 的标准方波；信号处理电路理论上达到要求。 数字测速仪设计 26 整体仿真结果 整体仿真如图 5入参数如图 5 图 5整体仿真图 整体仿真结论：在输入幅值为 率为 3正 弦波后， 示1800n/ 27 数字测速仪设计 28 6 结论 本设计采用单片机测速法 ， 利用 断续器采集信号，通过信号处理电路得到适合的脉冲后，输入单片机进行处理、计算，得出实际的转速值，辅以 本设计基于单片机技术，利用美国爱特梅尔（ 司的 片机作为主控芯片、 示 、结合电源电路、晶振振荡电路、复位电路等外围辅助电路，并采用 C 语言对程序进行 编译。通过硬件和软件相结合的方式完成 了简单的数字测速仪 设计，从而实现了 片机通过串口与 传感器的通信 ，把接收到的 光信号通过滤波处理显示在 。 数字测速仪 可以广泛地应用于 工厂 、教学 和 汽车 等多个领域。该系统 速度快 、 实时性强 ，具有较好的适用性和推广价值 。 29 数字测速仪设计 30 参考文献 1 马西秦自动检测技术 M 合肥： 机械工业出版社， 2001:2002 李朝青 M北京航空航天大学出版社 ,2005:30 3 雷玉堂 2版） M中国计量出版社， 2009:2144 郭培源，付扬 M北京航空航天大学出版， 2006:2215 张道德 M中国水利水电出版社， 2007:1126 汪云 J. 传感器技 术 2003， 22(10):35 7 杨路明 M北京邮电大学出版社， 2005:18 徐玮，徐富军，沈建良 M机械工业出版社， 2006:139 王为青，程国钢 M人民邮电出版社， 2007:3110 朱清慧等 2版） M清华大学出版社 ,2011:3511 丁英丽 . 智能光电计数系统的设计 J. 计量与测试技术 , 2004,5(2): 1112 陈照章，朱湘临 J 2002， 1（ 8） :23 31 数字测速仪设计 32 致 谢 大学四年匆匆而