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智能转速测量器利用红外线测量转速系统的设计方案 第1章 绪 论1.1 本课题设计的背景和意义在我们的工程实践中和日常生活中,时常会见到到各种需要测量转速的地方, 比如在电动机、发动机、卷扬机、机床主轴等设备的测试、运行和操控中,不断地需要分时或者连续测量及显示其转速和其瞬时转速值。伴随着电力电子技术和现代控制技术的飞速发展，对微电机的测速和控制技术的要求越来越高。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，这就要求我们从简单、实用、经济等方面来研究和解决我们生活中所遇到的各种需要测量转速的问题。而本课题的提出就是针对于这方面而做出的步探索和研究1.2 电机转速测量在国内外的发展情况随着现代科学技术的高速发展，现代军事、工业生产以及民用自动化设备越来越多，需要检测转速的速度的设备应用也越来越广泛，这也推动了转速传感器的研究与发展。比如直流测速机和光电式速度传感器、磁电式速度传感器以及霍尔速度传感器。其中由于光电式速度传感器的具有众多优点在现代设备中广泛应用。美国是研究光电传感器起步最早、水平最高的国家之一，在军事和民用领域的应用发展得十分迅速。美国的邦纳公司拥有世界最健全的光电系列产品线。并且拥有行业内最齐全的标准光纤和定制光纤产品。西欧以及日本各国也非重视并投资大量的经费来开发展光电相应的产品。上世纪九十年代，由日本电气，东芝等15家研究机构和公司，研究并开发出了多种具有一流先进水平的民用的光电传感器，电器产品在日本以价格适中质量好而闻名全球。西方各国的大公司和型企业也主动参与了光电传感器的开发和市场的争夺。由于光电式传感器在现代工业占据着重要位置，所以我国在这一块涉及得也比较早，目前国内应该有上百个单位在光电技术与检测方面展开研究了。到现在为止，光电技术应用在检测上已经非常全面了，特别是应用在速度、加速度、位移等检测上。目前转速检测对于自动化生产以及汽车控制等方面有着重要作用，同时对转速检测要求精度和稳定性方面越来越高，这也加强了对光电传感器在转速领域的研究。目前国内和国外通常用的转速测量方式有离心式转速表测速法、测速发电机测速法、闪光测速法、光电测速法和霍尔元件测速法。第2 章 系统设计方案2.1设计的任务和要求(1) 设计制作一台转速测量计;(2) 能实时测量和显示被测转速;(3) 测量范围:0800r/min;(4)测量精度: 2%;(5)1人独立完成硬件和软件的设计任务;(6)按照规定提交符合规范要求的毕业设计论文.2.2 目前常用的测速方法目前国内和国外通常用的转速测量方式有离心式转速表测速法、测速发电机测速法、闪光测速法、光电测速法和霍尔元件测速法。2.2.1 离心式转速表测速法离心转式测速仪器,采用离心的原理能够直接读出电机的转速速度值。速度表的末端插到电机轴的中心，注意应该清楚使石油中心孔和转速电机轴维持同心,不要上下左和右偏转,否则容易表轴扭转,影响转速的准确读数，所以应该使用断断续续测量方式来减少磨损和防止过热。如果想改变所测的范围、还要将转速表取出停转后,然后更改范围。2.2.2 测速发电机测速法发电机转速测量速度时,电机连接到测量电机轴测量结束后,测量电机机械速度转换成电压信号输出值为E = CeFn，然后再读取速度值。2.2.3 闪光测速法闪光测速技术是用一个专用可调脉冲频率的被强加的闪光灯组成，闪烁的灯光照到电机旋转部件,通过调节脉冲频率,使黑扇片频率的脉冲与发动机转速同步。如果脉冲频率设为f,则电机转速n=60f(rmin)。2.2.4光电测速法光电测速技术是一种非接触式测量电机转速的方法，测量转速信号所形成的电压频率或时钟周期来进行测量。光学编码器被安装在轴心端的旋转电机、光学编码器连同转动,如果有一个固定光源,在代码的磁盘,可以使用数量的光所收到的感光元素是磁盘的代码数量的编码。若编码数字60,测量时间t,则测量脉冲N,那么n= N/ t。2.2.5 霍尔元件测速法霍尔元件测量速度的方法是使用霍尔开关元器件来测量速度的。霍尔开关器件包括一个电压调节器、在发电机、放大器、施密特触发器和输出电路。输出电平与TTL电平兼容，并安装在电机的轴顶部，光盘上装了小磁铁，小磁铁越多分辨率就越高，霍尔开关固定在附近的小磁铁，当电机旋转时，一块小磁铁转向霍尔开关，霍尔开关将输出一个脉冲，计算单位时间内的脉冲数，就可以判断旋转体的转速。2.3 测速系统方案的选择在以上的五种测量电动机转速的方法中，离心式转速表测速法和测速发电机测速法所使用的全是现已做成的做好的测速仪器仪表，这些能够轻易地买到。不过转速表和被测量的电机全要和电机同轴连接才可以完成转速的测量，这不但增加了电机机的组安装难度，而且有时有的微电机功率很小，转速表和测速机所需要的电功率占据了微电机的大部分，甚到有的微电机的所需电功率甚至拖不起这些仪表。因此对于离心式转速表测速法，微特电机的测速以及测速发电机测速法这两种方法不适合。而闪光测速法在目前的社会应用中还不是很多，主要原因是由于光源对于条件要求的问题。光电测速法和霍尔元件测速法的测量电机转速的方法大致相同，都是在同一个电机转轴上安装一个很小巧的光电式传感器，使电机的转动速度信号通过磁(霍尔元器件)或者光(光电码盘)转换为相应的电脉冲，再通过计算电脉冲个数来进行相应的处理来得到所测电机的转速，同时这两种测量电机方法成本较低。所以本系统的设计所要采用的方法就是从这两种方法中来选择其中一种可行性的方法。2.3.1 方案一：霍尔传感器测量方案 霍尔传感器利用的是霍尔效应，其核心元部件是依据霍尔效应的原理制成为霍尔传感器。下面介绍了泵传动轴霍尔转速传感器测量速度。霍尔传感器的结构原理图如图2-1所示，霍尔速度传感器接线原理图如图2-2所示.在图1上有两个相互垂直的绕组定子，缠绕粘霍尔芯片的HA和HB，转子的永久磁铁中心线有两个A和B的传感器，霍尔元件的HA和HB激励电机绕组A和B系列霍尔电极连接传感器的输出。图2-1 霍尔测速结构原理图图2-2 霍尔转速的传感器连线图此方案的特点：霍尔转速传感器的信号进行采样，采样有时不准确，因为它是依靠感受脉冲磁感应强度的，使用时间长了会出现磁性减弱而影响采样精度。2.3.2 方案二： 光电传感器方案光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器。它可用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等；也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的识别等。光电传感器的信号发送端和接收端如下图2-3所示: 图2-3光电传感器在光电发送与接收部分些方案特点：具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此,光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。综上所述，本设计的最佳测量方法选择方案二，即用光电传感器测速系统来测量电机的转速。2.4系统设计总体框图系统设计总体框图如图2.4所示，其主要由光电传感器信号产生部分，信号采集电路、信号处理电路、转速显示电路四部分组成。光电传感器信号采集电路信号处理电路（单片机）转速显示图2-4系统设计总体框图第3章 系统硬件设计3.1 转速测量原理本设计中采用的是光电传器来进行对电机转速的测量.其主要测量原理为，系统在正常工作时,光电传感器对电机的转速行相应的转换后输出相应的电压脉冲信号,然后经整形电路可得到相应的方波脉冲信号个数，在一定的测量时间内，统计取转速传感器发生的脉冲个数（或频率），再进行相应的处理算出实际的电机转速。假设一定的测量时间为T ，计数器计取的脉冲个数N，假定脉冲发生器每秒转输出x个脉冲，对应被测转速为n（r/min），就可算出实际转速值n=60N/ (xT) n 电机的转速,单位:转/ 分钟；N 采样时间内所计取的脉冲个数；T采样时间,单位:秒；x 电机每转一周所产生的脉冲个数(通常指测速码盘的齿数)3.2 光电传感器部分3.2.1光电传感器原理光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。其常用的有以下五种类型(1)漫反射式光电传感器：这是一种将发射器及接收器为一体的光电传感器，一旦有被检测到物体经过的时候，物体就会将光电感器的发射器发射的红外光线反射至接收器，因此光电开关就产生了相应大小的电信号。当被检测物体的表面很光亮或其反光率很高时，则漫反射式光电开关就是首选的检测模式。(2) 镜反射式光电传感器： 这种传感器也是将发射器用接收器于一体，光电发射器发出光线经过反射镜反射至接收器，一旦检测物体经过的时候就会使接收传感器检测而产生相应电信号。(3) 对射式光电传感器：这种传感器结构上是相互分离的，发射机的发射器与接收器的光轴是相对放置的，发射器会发出光再直接进入接收器，当物体发射器与接收器之间阻挡光线，光电传感器就会产生信号。当被检测物体是不透明的，这种传感器是最合适的检测设备。(4) 槽式光电传感器： 它通常是一个标准的U形结构，发射机和接收机位于两个U形槽的两侧，并形成一个光轴，当被测物体后，U形槽和阻止光轴，光电传感器就会产生光电信号。槽式光电开关比较适合检测快速移动的物体，它可以区分透明和半透明物体，使用安全可靠。(5) 光纤式光电传感器： 它采用塑料或玻璃光纤传感器来引导光线，可以检测被检测对象的距离。一般通过光束和漫反射光纤到光纤传感器。3.2.2 红外传感器的工作原理反射式光电传感器常用的光源有很多种类，时常见到的有红外发光二极管，普通发光二极管，和激光二极管，前两个很容易受到外部光源的干扰，但是激光二极管发出的光的频率密度很高，不太会被扰乱，但传感器只能获得很窄的频率范围内的光，其价格比较昂贵。理论上反射式发光二极管发出红外线，经反射区反射后能够被接收区的光电三极管接收到，其光电传感器就可以正常实现光电检测的任务。测量区域反射面可能会受到外界的干扰，因而这是一个理想的结果。其干扰因素包括许多因素，如反射面的形状，颜色，表面处理，日光，荧光灯等不确定性的因素。如果直接使用发射器和接收管来衡量，如果排除干扰等的错误信号，反射光强度给予加强，则就可以提高系统的可靠性和准确性。红外线反射光强的测量原理是传输信号经调制后送红外管发射器，光电二极管接收调制的红外信号，如在图3-1所示。图3-1 反射式光电传感器光照与光电电压的关系反射面电压输出信号Vout的强度和传感器之间的距离X是成一定的函数，设置反射面含有相同的物质时，X 和VOUT响应曲线是非线性的，如图2所示。当输出电压达到一定值时作为目标值，不同的阈值电压的目标是不一样的。我们可以使用它的颜色敏感的特点，当检测表面是黑色的时候，反射光较弱的接收端的光可以忽略，使接收器显示不变的状态，如始终打开开关;当检测表面是白色的，反射的红外线很强，同时发射器发射接收端，以便接收器表现出相反的状态，如开关始终打开。这两个相反状态在电路中就是高和低的脉冲信号。3.2.3 传感器型号的选定-TCRT5000本系统的设计中所要使用的光电传感器是根据光敏二极管的工作原理制造的一种感应接收光强度变化的反射式电子元器件，当发射二极管发出红外光被电动机的转盘反射时，则做为传器感应接收端的光电三极管会产生出相应的脉冲信号。光电式传感器不仅独立而且相对放置，由光电发射器和光电收光传感器组成。本设计选用的传感器为TCRT5000.其反射式的光电传感器的工作原理图如下图3-2所示图3-2 反射式光电传感器原理图TCRT5000光电传感器模块是基于TCRT5000红外光电传感器设计的一款红外反射式光电开关。传感器采用高发射功率红外光电二极管和高灵敏度光电晶体管组成，输出信号经施密特电路整形，稳定可靠。实物图如图3-3所示：应用场合： （1）.电度表脉冲数据采样（2）.传真机碎纸机纸张检测（3）.障碍检测（4）.黑白线检测TCRT5000基本参数：1.外形尺寸： 长 32mm37 mm；宽 7.5mm；厚 2mm2.工作电压： DC 3V5.5V，推荐工作电压为5V3.检测距离： 1mm8mm适用，焦点距离为2.5mm图3-3 TCTR5000实物图在TCRT5000传感器上，传感器的红外发射二极管不断发射红外线，当发射出的红外线没有被反射回来或被反射回来但强度不够大时，光敏三极管一直处于关断状态，此时模块的输出端为低电平，指示二极管一直处于熄灭状态；被检测物体出现在检测范围内时，红外线被反射回来且强度足够大，光敏三极管饱和，此时模块的输出端为高电平，指示二极管被点亮。其原理图如下图3-4所示： 图3-4TCRT5000传感器模块电路原理图3.3 信号采信电路在传感器的应用中，被测的量经传感器后转化为电阻值，电流，电压，电感，等一些电气参数的变化，再通过信号分析，处理，放大，计算，显示和记录等，而在设计中采用的是光电传感器采集信号,这种传感器是把电机转轴的转速变为相应频率的脉冲个数,然后由测量电路测出电机的转动频率,再由频率值就可以处理得到所测电机的转速值。这种以光电感器为主要测量元件的测量方法具有系统设计结构简单、测理值可靠、测量精度高的特点。在目前的电机转速测量实践中是常用的一种测量转速的方法。由于本设计系统中采用的是反射式光电传感器测量电机转速，所以当不透光的物体挡住发射管发射的红外线时，就会将发射管发出的红外线反射到接收管接收管时，光电开关接通，反之光电开光断开。所以可以制作一个反射光叶片如图3-5所示，安装在电机转轴上，当叶片转动时，光电开关产生脉冲信号。当叶片数较多时，旋转一周可以获得多个脉冲信号。 如果系统采用8个叶片，在一分钟内产生的脉冲数为10000个，则电动机的转速就为1250r/min。 图3-5 电机的转盘根据本设计系统的需要设计了如下图3-6所示的中间变换电路。其中，R4、R1 起限流的作用， R3 为输出电阻，R2 起分流作用。因此当转盘上的电机转片所反射的发射二极管所发出的红外线到接收红线的三极管时，输出低电平；当通光孔被遮住时，电路的输出端就为高电平，反之输出端输出为低电平。从光源发出的光线通过齿槽到达光电元件上，使感光光电元件感光。齿槽旋转一周，转速齿轮会产生8个电脉冲，每一次就能感受到感光元件办输出值的变化。光电测速齿轮安装在发射光（红外线发光二极管）和光接收设备（红外接收二极管）上，红外发光二极管（规格IR3401）负责发出光信号，红外接收三极管（规格3DU12）是负责接收光电信号，然后产生一个电信号，每个轮齿光线通过一个正弦周期产生正弦脉冲信号。因为红外光为不可见的，所以不能用肉眼判断其是否在工作，所以红外输出电路串联连接到一个共同的光电二极管的发光信号就可以确定光电传感器工作与否。 IR3401红外二极管，选定工作电流为20mA，导通电压为1.2-1.5V，所选的发光二极管的正向电压下降为1.5-2.0V，电流10-20mA的。 R的计算公式如下： R=(12V-Ud1-Ud2)/I1可以得到： Rmax=465,Rmin=425。设所选择的电阻值为430（RminRRmax）。 光电传感器输出的电压幅值在01.6mV而且为正弦波变化的,所以可知红外线接收三极管的光电信号转化为电信号的电压Uo很小(一般为mV量级),需要进行相应的处理，来使得测量电路更加合理。图3-6 光电脉冲信号产生电路光电开关能通过光强度的变化来反映发射器和接收端之间的电流的变化，以达到检测速度的目的。光电开关输出电路和输入电路电气隔离（即电缘绝地），因此它可以在许多场合应用。光电传感器具有线性度好，分辨率高，噪音低，精度高，非接触式，非机械碰撞，响应速度快，控制精度高，并能识别颜色等优点。3.4 信号处理电路 3.4.1 信号处理电路的核心STC89C52单片机STC89C52是一类功耗低、性能高的CMOS8位微型控制器，具有 8K 在系统内可编程的Flash 存储器。在单个芯片上，拥有灵活的8 位CPU 和在系统内可编程的Flash，使得STC89C52为众多的嵌入式控制应用系统提供高灵活性及超有效的解决方式。 其具有以下的标准功能： 8k字节的Flash，512字节的RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，三个16 位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口。另外 STC89X52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35Mhz，6T/12T可选。STC89C52单片机如图3-7所示。图3-7 STC89C52单片机实物图3.4.1.1 ST89C52单片机的主要性能(1) 与MCS-51单片机产品兼容(2)8K字节在系统可编程Flash存储器(3) 1000次擦写周期(4) 全静态操作：0Hz33Hz(5) 三级加密程序存储器(6) 32个可编程I/O口线(7)三个16位定时器/计数器(8)八个中断源(9) 全双工的UART串行通道(10) 低功耗的空闲和掉电两种模式(11) 中断可在掉电后被唤醒(12) 看门狗定时器(13) 双数据指针(14) 掉电符 3.4.1.2 引脚功能 图3-8 STC89C52引脚图VCC : 电源GND : 地P0 口：P0口是一个8位的向漏极开路的双向I/O口。属于输出口，每一位能够驱动8个TTL的逻辑电平。向P0口写入“1”时，引脚就为高阻抗的输入。当访问外部的数据和程序存储器时，P0口也可被作为低8位地址/数据的复用口。在这样的模式下，P0有内部的上拉电阻。当flash编程时，P0口也可用来接收指令字符；在程序的校验过程中，输出字节指令。当程序校验的时候，其需要在外部接上拉电阻。P1 口：P1 属于一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，p1 的输出缓冲器能够驱动4 个TTL 逻辑电平。向P1 端口写“1”时，其内部上拉电阻把端口拉为高，这时作为输入口来使用。用来输入使用的时候，由于外部拉低的引脚改变内部电阻的原因，将输出值电流（IIL）。另外，P1.2和P1.0分别用作定时器/计数器2外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2触发输入（P1.1/T2EX），具体如下表所示。在Flash编程及校验的时候，P1口接收低8位地址。引脚号 第二功能P1.0 ：T2（定时器/计数器T2外部的计数输入），时钟输出P1.1 ：T2EX（定时器/计数器T2捕捉/重载折触发信号及方向控制）P1.5 ：MOSI（在系统的编程时用）P1.6 ：MISO（在系统的编程时用）P1.7 ：SCK（在系统的编程时用）P2 口：P2 口是作为具有上拉电阻的内部8 位双向I/O接 口，P2 输出的缓冲器能够驱动4 个TTL 逻辑电平。向P2 口写入“1”时，内部的上拉电阻全把端口的电阻值拉高，这时可以用作输入口来使用。用作输入口来使用时，会被外部拉低的引脚原因，将输出电流（IIL）。当访问外部程序有存储器或者用16位地址的读取外部数据存储器时，P2 口输出高八位的地址。在这种运用中，P2 的口使用很高的内部上拉来发送1。当使用8位的地址（如MOVRT）来访问外部数据存储器的时候，P2口的输出P2锁存器内部内容。当flash编程及校验的时候，P2口也够接收一些来自高8位地址的控制信号。P3 口：P3 口是具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，p2 的输出缓冲器能够驱动4 个TTL 逻辑电平。在向P3 端口写版主“1”时，其内部的上拉电阻会把端口的阻值拉高，这时可以用作输入口来使用。当用作输入口来用时，会被外部拉低的引脚因为内部电阻的因素，会输出电流（IIL）。P3口也可作为ST89C52特殊功能（第二功能）使用。当flash编程及校验的时候，P3口也能接收一些的控制信号。引脚号第二功能P3.0 RXD（串行输入）P3.1 TXD（串行输出）P3.2 INT0(外部中断0)P3.3 INT0(外部中断0)P3.4 T0（定时器0外部输入）P3.5 T1（定时器1外部输入）P3.6 WR(外部数据存储器的写选通)P3.7 RD(外部数据存储器的写选通)RST: 其作用是复位输入。当晶振在工作时，RST引脚能持续2 个机器周期的高电平来使单片机复位。当看门狗折计时完成以后，RST 脚能输出96个高电平，为晶体振荡的高电平。其特殊寄存器折AUXR上的DISRTO位能够使此作用无效。DISRTO默认状态下为复位高电平有效。ALE/PROG：为地址锁存控制信号（ALE），当它访问外部程序存储器的时候，锁存的低8 位地址输出脉冲。当flash编程的时候，这个引脚（PROG）亦可以用来编程输入脉冲。一般情况下，ALE 以晶振六分之一固定频率输出相应的脉冲，作为外部定时器和时钟来使用。但是，特别强调，录每次访问的为外部数据存储器的时候，ALE脉冲将会被跳过。万一需要的话会通过将地址为8EH的SFR的第0位变为“1”，此时ALE的操作将无用。这个位置为“1”，ALE 只是在执行MOVX 和MOVC的指令时才有效。不然，ALE 将会被微弱地拉高。此ALE 使能标志位的设置对于微控制器在外部执行模式下时无效。PSEN:外部程序存储器的选通信号（PSEN），它是外部程序存储器的选通信号。当 St89C52从外部程序存储器来运行外部代码的时候，PSEN会在每个机器周期被两次激活，但在访问外部数据存储器的时候，PSEN不会被激活的。EA/VPP:访问外部程序存储器的控制信号。是使能端从0000H变到FFFFH的外部程序存储器的读取指令，EA一定要接GND。要使其执行内部程序的指令，EA应被 接VCC。当flash编程的时候，EA也能接收12伏的VPP电压。XTAL1:振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。XTAL2:振荡器反相放大器的输出端。3.4.1.3 定时/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。TMOD是定时/计数器的工作方式寄存器，确定工作方式和功能；TCON是控制寄存器，控制T0、T1的启动和停止及设置溢出标志。定时/计数器结构如图3-9所示： 图3-9 定时/计数器结构3.4.1.4 定时/计数器的控制STC89C52单片机定时/计数器的工作由两个特殊功能寄存器控制。TMOD用于设置其工作方式；TCON用于控制其启动和中断申请。(1) TMOD工作方式寄存器TMOD工作方式寄存器用于设置定时/计数器工作方式，其低四位用作T0，高的四位用作T1。它的格式如下表3-1所示：表3-1 TMOD工作方式寄存器格式GATE：门控位。GATE0时，以运行控制位TRX(X=0，1)来启动定时/计数器运行；GATA1时，要用软件使TR0或TR1为1，同时外部中断引脚或也为高电平时，才能启动定时/计数器工作；C/T计数器模式和定时器模式选择位C/T=1时，选择计数器模式，计数器对外部输入引脚T0（P3.4）或T1（P3.5）的外部脉冲计数；C/T=0时，选择定时器模式。M1M0：为工作方式设置位。定时计数器有四种工作方式，由M1M0进行设置。表 3-2 M1M0工作方式(2) TCON控制寄存器 TCON的低4位地址用来控制外部中断,已在前面介绍。TCON的高4位用来控制定时/计数器的启动和中断申请。格式如下表3-3所示：表3-3 控制寄存器TCON格式位76543210字节地址：88HTF1TR1TF0TR0TCONTF1（TCON.7）：T1用作溢出中断的请求标志位。T1的计数溢出的时候由硬件自动设TF1为1。CPU的响应中断后TF1再由硬件来自动清0。T1工作时，CPU能够可随时查询TF1的值。因些，TF1可以 用作查询测试结果的标志。TF1还可以用软件置1或清0，其校果和硬件置1或清0一样。TR1（TCON.6）：T1为运行控制位。TR1置1时，T1开始工作；TR1置0时，T1停止工作。TR1用软件来置1和清0。因此，运用软件可以控制定时/计数器的启动与停止。TF0（TCON.5）：T0作为溢出中断请求的标志位，其功能与TF1相同。TR0（TCON.4）：T0为运行控制位，它的功能和R1相同。3.4.1.5 中断控制CPU对中断系统所有中断以及某个中断源的开放和屏蔽是由中断允许寄存器IE控制的，如表3-4所示。表3-4 中断继存器位76543210字节地址：88HEAESET1EX1ET0EX0IEEX0(IE.0)，外部中断0允许位；ET0(IE.1)，定时/计数器T0中断允许位； EX1(IE.2)，外部中断0允许位；ET1(IE.3)，定时/计数器T1中断允许位；ES（IE.4)，串行口中断允许位；EA (IE.7)， CPU中断允许（总允许）位。3.4.1.6 定时/计数器方式1逻辑结构图3-10 定时/计数器方式1逻辑结构此时，定时/计数器为16位的计数器，由TLX（X=0，1）的低5位和THX的高8位组成。TLX低5位溢出则向THX进位，THX计数溢出则置位TCON中的溢出标志位TFX。系统选择定时/计数方式1，以T1作为计数器对光电开关产生的脉冲进行计数，用T0作为定时器，每10ms产生一定时中断对LED液晶显示屏进行刷新，产生100次中断后，对T1接受到的脉冲数进行计算处理，得出转速。（1） 用于定时工作方式，其定时时间为： T=（216-t1的初值）振荡周期12此设计采用的是12MHz的晶振，定时器T0定时为10ms，将参数带入公式 ：t1=65536-10000=55536；换成十六进制，则t1=0xd8f0 ； 所以对于定时器T0有，TMOD = 0x01；TH0 = 0xd8；TL0 = 0xf0；（2） 用于计数工作方式，计数长度为： 216=65536(个外部脉冲)由此可知规定时间（1s）内外部脉冲个数不超过65536即可。3.4.2 信号处理的主控单元单片机最小系统单片机的最小系统是单片机实现其它扩展功能的基础，所以任何有关单片机的设计，都离不开单片机的最小系统。单片机的最小系统主要由复位电路和时钟晶振电路两部分组成。3.4.2.1单片机的复位电路单片机复位电路是单片机复位的控制电路，如图3-11所示。单片机在运行之前,需要重置,其作用是使CPU和其它系统组件在一个特定的初始状态,从那开始的这个状态开始才正常运行。因此,复位是一个非常重要的操作模式。在单片机本身内部是不会自动复位的,所以必须通过外部电路来进行复位。图3-11 单片机复位电路（1） 复位功能： 复位电路的基本功能是：系统上全部引脚或管脚恢复到系统稳定的状态，撤销复位之前的所有信号，使其作为一个可靠的，稳定的系统。单片机的复位是由外部的电路来实现的。复位电路是通过一个斯密特触发器重置复位触发器来进行的。复位电路通常采用功率自动复位实现。其原理图如图3-12(a)和按钮复位如图3-12(b)这两种方式。图3-12 RC复位电路（2） 单片机复位以后的状态: 复位操作使单机其进入初始化状态，包括程序计数器PC=0000H，它表明了程序从地址0000H单元开始。单片机的冷启动，作为一个随机值的片上RAM，复位操作的操作不改变片上RAM区的内容，21个特殊功能寄存器复位状态，以确定在表1所示的值。值得注意的是，记下一些特殊功能寄存器的复位后的值和状态，有必要了解单片机的初始状态减少的部分：表3-5中符号“*”为随机状态。表3-5 寄存器复位后状态表特殊功能寄存器初始状态特殊功能寄存器初始状态ABPSW00H00H00HTMODTCONTH000H00H00HSPDPLDPHP0P3IPIE07H00H00HFFH*00000B0*00000BTL0TH1TL1SBUFSCONPCON00H00H00H不定00H0*BPSW = 00 H,表明选寄存器组0为工作寄存器;SP = 07 H,表明堆栈指针到芯片上PSW = 00 H,表明,选择0组工作寄存器组;SP = 07 H,显示堆栈指针所处的位置(RAM 07 H字节单元),这是根据堆栈操作先加后压的原则,它是第一个被写入的内容到08H单元中的;Po-P3 = FFH,表明必须每个端口1号线在这段时间可以使用每个端口，不仅可以用于输入还可以用于输出。IP = XXX 00000 B,表明每个中断源在一个低优先级;IE = 000000 B,显示每个中断都被关闭;系统重置是任何计算机系统执行的第一步,使整个控制芯片回到默认的硬件条件51单片机复位RESET引脚，该引脚超过24个振荡周期阶段，51个单片机芯片内部复位状态，并已在此状态下等待直到RESET引脚为低电平时，才检查EA引脚是高或低电平，如果芯片内部电压为高，则低的程序代码将执行一个外部程序。 51单片机系统中的重置其内部寄存器设置为特定值的内部值，RAM内部的数据将保持不变3.4.2.2 单片机的晶振电路晶振是晶体振荡器的的简称，在电气上相当于一个电容器和一个电阻并联在一起的两终端网络，电气工程的网络有两个谐振点，以低的为频率中的串联谐振。高频的为并联谐振。ST89C52单片机内部有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器。 XTAL1和XTAL2管脚是放大器的输入和输出。该放大器芯片的晶体谐振器作为反馈元件一起构成自激振荡器。外部石英晶体谐振器，电容器C1和C2组成一个并联谐振电路连接到放大器的反馈环路。严格的要求，外部电容值，电容的大小会影响振荡器的频率水平，振荡器的稳定性，起效迅速和温度稳定性。因此，本系统的12MHz晶体振荡器电路的值，电容应该可以选择陶瓷电容器，约30F的电容值。应安装焊接印刷电路板，晶体振荡器和电容附近的单芯片，以减少寄生电容，更好地保证振荡器工作稳定可靠。晶体振荡器电路如图3-13所示：负载电容值是晶振的一个重要的参数，它选择与负载电容的数值相同的并联电容，就可以得到晶振标称的谐振频率。 图3-13 晶体振荡电路3.4.3 信号处理电路在下图中，X1是12MHz晶振，9口为复位接口，通过开关控制。用来衡量通过P3.5/T1 ST89C52单片机定时器计数器T1的信号脉冲数。定时器计数器T0的计时，每隔10ms高速脉冲输入产生一个中断，刷新数码管，产生500个中断（即，5S），再由单片机进行处理转换后得到电机的速度。四个数码管显示电机的转速。如图3-14所示：图3-14 STC89C52单片机处理电路3.5 LED显示电路3.5.1 LED显示原理很多电子产品的工作状态都用跳动的数码管来显示，事实上，数字显示的数字由8个发光二极管组成，每一个都会加上适当的电压时该段才会亮。LED数码分为两种，一种为共阳数码管，一种为共阴数码管，而把这些LED发光二极管的正极接到一起作为一个引脚与高电平相接，就叫共阳数码管，相反地，就叫共阴LED数码管，应用时这两个脚就分别接VCC和GND。同这样的8字装在一起的多个就成了多位的数码管。实物如图3-15图3-15 数码管共阳型（图3-16）即八个发光二极管的正极全连在同一根导线上作为一条引线，.显示数字,字符的笔画的数码段为A到G，dp显示的是小数点，每一段控制AGdp每个管的灭与亮。 其内部电路图如下:图3-16共阳型LED共阴型（图3-1）即八个发光二极管的负极全连在同一根导线上作为一条引线，.显示数字,字符的笔画的数码段为A到G，dp显示的是小数点，每一段控制AGdp每个管的灭与亮。 图3-17 共阴型LED数码管显示正常，需要使用驱动电路来驱动数码管段，从而显示出数字，所以，我们根据数码管驱动方式可分为静态和动态的类别划分。静态驱动，也称为直流驱动，由单片机的I / O端口驱动，或使用如BCD码驱动器，每个数字控制每个代码段 - 十进制解码器解码。静态驱动的优点是编程简单，显示屏的亮度高，缺点是占用I / O端口，如驱动5个数码管显示就要58= 40根I / O端口，而STC89C52单片机可用的I / O端口才只有32个，所以实际应用的时候需要增加译码驱动器，所以硬件电路较复杂。动态显示驱动：数码动态显示的接口是单片机应用中最广泛的一种显示方式，动态驱动是将全部数码管的8个显示二极管a,b,c,d,e,f,g,dp的同名端连在一起，以增加门选通控制电路控制的I/ O线，当单片机输出字形码时，全数字化控制，每个数字公共用相同的字体代码，但什么是数码管将显示的形状，取决于单片机控制选通COM端电路，所以我们只需要显示数码管选通控制打开，而不是让LED管不亮。通过分时来反过来控制各种数字控制的COM端，因此，数码管依次显示控制，动态驱动。在轮流显示过程中的每一个数码管灯的通断为12毫秒，由于人的视觉暂留现象和发光二极管的余辉效应，尽管不停地变化数码管的灭亮，但只要扫描速度足够快人就会感觉是一直在显示的。因此这样可以节省大量的I / O端口和更低的功耗。3.5.2 LED的段码表LED的段码表如下表3-6所示：表3-6 LED段码表显示字符共阴极段选码共阳极段选码显示字符共阴极段选码共阳极段选码012343FH06H5BH4FH66HC0HF9HA4HB0H99H567896DH7DH07H7BH6FH92H82HF8H80H90H 3.5.3 LED动态显示电路连接图在本设计中，将测量的信号通过P3.5/T1进入ST89C52单片机，定时器计数器T1对脉冲信号进行计数，定时器计数器T0每隔10ms产生一个中断来刷新LED屏幕，在500个中断后，进行一次电机转速的处理，然后通过Led显示屏进行显示其所测的电机转速值。LED的动态显示电路图如下图3-18所示：图3-18 LED动态显示电路连接图3.6 电机的转动系统本设计中采用的是直流36V的直流电动机来进行反射式光电传感器测量电机转速的。当电动机的转动片挡住红外发射管发射的红线线时，就就产生反射传到接收管，此时反射式光电开关断开，反之打开。3.6.1 电机装置的安装本设计所采用的检测装置与实际传感器安装在发动机的位置的检测设备相同。如图3-19它固定于电机轴，光电速度传感器的对面就是信号板。光电速度传感器连接4根导线用于连接发光二极管和光敏三极管，发光二极管的阴极连接到红线，绿线连接其负面光敏三级管的红线连接到其集电极，绿线连接到他们的发射器。测量头安装在光电速度传感器和信号板两端测头相同的距离。测量器件封装，永久安装的位置接近信号板和光电元件，信号盘旋转可以输出交替周期正负变化的脉冲信号。在一个周期内所产生的脉冲信号等于电机转片的齿数。因此，频率脉冲信号的大小反映了电机转速的水平。该设备具有独立的转速，而且在所测范围内输出信号与幅度无关，可以测量1R/秒104 R / S以上，精度很高。图3-19 电机转速检测装置示意图3.6.2 电机转速的控制本系统的设计采用的是直流35V控制的直流电机.该电机的转速便于控制，在系统的设计中，采用一个电位器和直流电机的串联，通过调节电位器的阻值的大小，进而可以控制加在直流电机两侧的电压大小，依据电机两侧电压的变化从而就可以引起电机转速的不断变化，从而实现在一定的电压变化范围内就可以得到相应的电动机的转动速度.其实物装置如图3-20所示：图3-20 实物系统硬件实物图第4章 软件设计4.1 软件编程的目的和要求：本系统的设计的目的是为了实现利用光电（红外线）反射式传感器测量电动机的转动速度，软件系统所要实现的功能是将光电传感器产生的电压脉冲经过STC89C52单片机处理电路后所得的脉冲进行计数，同时进行相应的处理和换算后得到所测电动机的转速值然后并通过LED显示屏显示出来,所以软件编程的功能就是实现这些功能。4.2 软件编程语言的选择本系统设计中采用的处理器是AT89C52单片机，由此我们可以采用面向MCS-51的程序设计语言，这其中包括ASM51汇编语言编程和C51高级语言编程，这两种语言各有各自的特点。ASM51汇编语言更接近机器的执行语言，通常用来编写与系统硬件相关的程序，比如中断处理程序、访问I/O端口、实时控制程序、实时通信程序等程序的编写；而对于数学运算程序则更适合于用C51高级语言编写，这是因为用C51高级语言编写运算程序有很多的优点：一是它的编程简单，更接近于实际的应用语言，二是所编写的程序便于人们阅读。三是可以提高编程效率特别是对于一具有复杂关系的编程，同时可以提高应用程序的可靠性。 还有一种很常用的编程语言是C语言，它是一种非常通用的计算机程序设计语言，在社会的实际编程应用上十分流行。C语言不仅可用来编写计算机系统的程序，还可以用来编写一般实际应用的程序。在C语言被发明以前，大多数的计算机的系统主要就是采用汇编语言来编写的，这相对于单片机的应用系统来说同样也是采用的是汇编语言编写程序。但是由于汇编语言程序其可读性和可移植性能都比较差，通常采用汇编语言编写其单片机应用程序的周期一般都较长，而且调试和检查错误也比较困难，所以慢慢地C语言就逐渐地替代了汇编语言在编程方面的地位。这种以C语言编写的程序通常具有很好的可移植性和硬件的控制能力，表达性能和运算能力也较强。C语言具有以下特点：（1）.编程语言简洁，使用灵活方便。（2）.语言的可移植性高。（3）.编程语言的表达能力强。（4）.编程的表达方式灵活。（5）.可进行架构化程序设计。（6）.所编程序可以直接操作计算机硬件。（7）.编写的程序生成的目标代码质量高。由于C语言编程有以上的优点，所以为了提高编程的效率，提高程序的可移植性，改善程序的可读性和可执行性，在此采用C语言高级语言编程。4.3 软件程序设计流程图本系统采用单片机的时钟计数程序来采集光电信号脉冲，用定时器产生中断，对LED显示屏进行不断地刷新和缓冲区的数据进行不断更新，并以LED显示屏进行显示出电机的所测数值。计数程序流程如图4-1；定时显示程序流程如图4-2。Y按公式：转速=60脉冲数/(齿轮数*T)计算数据数据缓冲区LED显示脉冲计数Flag_=1 ？单片机初始化开 始N 图4-1系统主程序流程图程序说明：将定时器设置为方式1，对外部脉冲进行计数，并判断Flag_clac的值。当Flag_calc=1时，将脉冲的数值由十六进制转换成十进制，按转速转换公式转换后，载入数据缓冲区。NJ定 时数据缓冲区显示定时器T0清零10ms？T=1000？Flag_clac=1产生定时中断LED清零时间计数T+开 始NY Y图4-2 LED定时显示程序流程图程序说明：定时器设置为方式1，定时10ms。当定时达到10ms时，产生中断，对LED显示屏进行刷新，显示转速，并使时间计数标志T加1。当时间计数标志T=1000时，使Flag_calc置1，取出计数器在此时间内计算的脉冲数，通过转速计算程序计算得出转速值后，存入数据缓冲区，供LED显示屏显示使用。第5章 系统仿真与电路调试5.