光电传感器转速测量系统设计

1、2013 课程设计Error!Error!- -0西西 南南 交交 通通 大大 学学 峨峨 眉眉 校校 区区课课程程名名称称：工工程程测测试试技技术术题题 目目： 光光电电传传感感器器转转速速测测量量系系统统设设计计院院 系系： 机机械械工工程程系系 专专 业业： 工工程程机机械械2 2 班班 年年 级级： 2 20 01 10 0 级级 姓姓 名名： x xx xx xx xx x 指指导导教教师师： 曾曾祥祥光光 2 20 01 13 3 年年 5 5 月月 1 15 5 日日2013 课程设计Error!Error!- -1课课 程程 设设 计计 任任 务务 书书专专 业业 工机工机 5

2、 班班 姓姓 名名 xxxx 学学 号号 20107454 开题日期开题日期：2013 年年 4 月月 5 日日 完成日期：完成日期： 2013 年年 5 月月 15 日日题题 目目 光电传感器转速测量系统设计光电传感器转速测量系统设计一、设计的目的一、设计的目的 掌握利用光电传感器进行转速测量系统的方法和途径，掌握测量和显示电路的设计方法，培养实践能力，提高分析和解决问题的 二、设计的内容及要求二、设计的内容及要求系统组成及工作原理，系统硬件电路的设计，单片机，系统软件设计等等 三三、指导教师评语指导教师评语 四四、成成 绩绩 指导教师指导教师 (签章签章) 2013 课程设计Error!E

3、rror!- -2摘摘 要要： 转速是发动机重要的工作参数之一,也是其它参数计算的重要依据。目前常用的转速测量方法有离心式转速表测速法、测速发电机测速法、光电码盘测速法和霍尔元件测速法等。在对各种测速方法进行分析后提出了基于光电传感器的转速测量系统。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。关键词关键词 ：单片机，光电转速传感器，转速测量，数据处理Abstract：The rotate speed is one of the important param

4、eters for the engine, and it is also the important factor that calculates other parameters. At present there are many methods for the tachometric survey measurement. After analyze various rotate speed measurement methods, the photoelectric sensor tachometric survey system is presented. The compositi

5、on and the principle of the system are presented, and the design method of hardware and the software are also presented. The whole system has the bigger promotion application value.Key words：single-chip computer，photoelectric sensor，rotate speed measurement，data processing2013 课程设计Error!Error!- -3目目

6、 录录1 1 引引 言言.42 2 系统组成及工作原理系统组成及工作原理.42.1 转速测量原理转速测量原理.42.2 转速测量系统组成框图转速测量系统组成框图.43 3 系统硬件电路的设计系统硬件电路的设计.53.1 脉冲产生电路设计脉冲产生电路设计.53.2 光电转换及信号调理电路设计光电转换及信号调理电路设计.53.2.1 光电传感器简介 .63.2.2 光电转换及信号调理电路设计光电转换及信号调理电路设计 .73.3 测量系统主机部分设计测量系统主机部分设计.83.3.1 单片机单片机 .83.3.2 键盘显示模块设计键盘显示模块设计 .104 4 系统软件设计系统软件设计 .124.

7、1 程序模块设计程序模块设计.125 结果分析结果分析.14参考文献参考文献 .142013 课程设计Error!Error!- -41 1 引引 言言转速测量是社会生产和日常生活中重要的测量和控制对象。近年来，由于世界范围内对转速测量合理利用的日益重视，促使转速测量技术的迅速发展，各种新型的测量仪表相继问世并越来越多地得到应用。进行转速测量的检测控制，可以使用多种传感器。由于技术保密，厂家不会提供详细电路图和源代码，用户很难自行进行二次开发和改进。针对这种现状，使用光电传感器结合 STC 公司的 STC 89C51 型单片机设计的一种转速测量与控制系统。STC 89C51 单片机采用了 CM

8、OS 工艺和高密度非易失性存储器技术，而且其输入/输出引脚和指令系统都与 MCS-51 兼容，是开发该系统的适合芯片。2 2 系统组成及工作原理系统组成及工作原理2.1 转速测量原理转速测量原理在此采用频率测量法，其测量原理为，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Tc（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N（r/min），则f=pN/60Hz；另在测量时间Tc内，计取转速传感器输出的脉冲个数m应为 m=Tcf ，所以，当测得m值时，就可算出实际转速值1：N=60m/pTc (r/min)（1） 2.2

9、 转速测量系统组成框图转速测量系统组成框图系统由信号预处理电路、单片机 STC 89C51、系统化 LED 显示模块、串口数据存储电路和系统软件组成。其中信号预处理电路包含信号放大、波形变换和波形整形。对待测信号进行放大的目的是降低对待测信号的幅度要求；波形变换和波形整形电路则用来将放大的信号转换成可与单片机匹配的 TTL 信号；通过对单片机的编程设置可使内部定时器 T0 对输入脉冲进行计数，这样就能精确地算出加到 T0 引脚的单位时间内检测到的脉冲数；设计中转速显示部分采用价格低廉且使用方便的 LED 模块，通过相关计算方法计算得到的转速通过 I2C 总线放到 E2PROM 存储，既节省了所

10、需单片机的口线和外围器件，同时也简化了显示部分的软件编程。系统的原理框图如图 2.1 所示。信 号放大器波形变换波形整形2013 课程设计Error!Error!- -5图 2.1 系统的原理框图3 3 系统硬件电路的设计系统硬件电路的设计3.1 脉冲产生电路设计脉冲产生电路设计设计采用了红外光电传感器，进行非接触式检测。当有物体挡在红外光电发光二极管和高灵敏度的光电晶体管之间时，传感器将会输出一个低电平，而当没有物体挡在中间时则输出为高电平，从而形成一个脉冲。系统在光电传感器收发端间加入电动机，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，把传感器的检测部分放在圆孔的圆

11、心位置。每当转盘随着后轮旋转的时候，传感器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。转盘的圆孔的个数决定了测量的精度，个数越多，精度越高。这样就可以在单位时间内尽可能多地得到脉冲数，从而避免了因为两个过孔之间的距离过大，而正好在过孔之间或者是在下个过孔之前停止了，造成较大的误差。设计中转盘的圆孔的实际个数受到技术的限制。为了达到预定的效果设计在转盘过孔的设计上采用 11 个过孔，从而留下了 10 个同等的间距。这样在以后的软件设计中能够较为方便的计算出脉冲频率。脉冲发生源的硬件结构图如图 3.1 所示。图 3.1 脉冲发生源硬件结

12、构图（左为正视图，右为侧视图）3.2 光电转换及信号调理电路设计光电转换及信号调理电路设计LED 显 示数字存储电路单片机键盘模块RS2322013 课程设计Error!Error!- -6由于系统需要将光信号转换为电信号，因而需要使用光电传感器并设计相应的信号调理电路，以得到符合要求的脉冲信号，送给单片机 STC89C51 进行计数，同时得到计数的时间，由单片机进行相关计算以得到电动机转速。3.2.13.2.1 光电传感器简介光电传感器简介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

13、学通路和光电元件三部分组成。光电检测方法具有精度高、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。由光通量对光电元件的作用原理不同所制成的光学测控系统是多种多样的，按光电元件(光学测控系统)输出量性质可分二类，即模拟式光电传感器和脉冲(开关)式光电传感器。模拟式光电传感器是将被测量转换成连续变化的光电流，它与被测量间呈单值关系。模拟式光电传感器按被测量(检测目标物体)方法可分为透射(吸收)式、漫反射式、遮光式(光束阻档)三大类。所谓透射式是指被测物体放在光路中，恒光源发出的光能量穿过被测物，部份被吸收后，透射光投射到光电元件

14、上；所谓漫反射式是指恒光源发出的光投射到被测物上，再从被测物体表面反射后投射到光电元件上；所谓遮光式是指当光源发出的光通量经被测物光遮其中一部份，使投射刭光电元件上的光通量改变，改变的程度与被测物体在光路位置有关。 光源是许多光电传感器的重要组成部分，要使光电传感器很好地工作，除了合理选用光电元件外，还必须配备合适的光源。 发光二极管是一种把电能转变成光能的半导体器件。它具有体积小、功耗低、寿命长、响应快、机械强度高等优点，并能和集成电路相匹配。因此，广泛地用于计算机、仪器仪表和自动控制设备中。钨丝灯泡是一种最常用的光源，它具有丰富的红外线。如果选用的光电元件对红外光敏感，构成传感器时可加滤色

15、片将钨丝灯泡的可见光滤除，而仅用它的红外线做光源，这样，可有效防止其他光线的干扰。激光与普通光线相比具有能量高度集中，方向性好，频率单纯、相干性好等优点，是很理想的光源。综上所述，各种光源各具优点，但从经济与使用便利方面考虑，并考虑到抗干扰性能，我们决定选用红外光二极管做系统测量的光源。 2013 课程设计Error!Error!- -7由光源、光学通路和光电器件组成的光电传感器在用于光电检测时，还必须配备适当的信号调理电路。这些信号调理电路负责将光电传感器输出的微弱的光电信号进行放大、整形，转换成所单片机定时计数所需要的脉冲信号。不同的光电元件，所要求的测量电路也不相同，为此设计时必须详加考

16、虑。3.2.2 光电转换及信号调理电路设计光电转换及信号调理电路设计传感器将电机的转速信号转变成了电脉冲信号，该信号经过LM324集成运放整形驱动，送到单片机进行脉冲计数，从而测出电动机转速。光电转换部分与单片机的连接框图如图3.2所示。图 3.2 光电转换部分与单片机的连接框图LM324 是四运放集成电路，它采用 14 脚双列直插塑料封装，外形如图所示。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器， 除电源共用外，四组运放相互独立。每一组运算放大器可用图 3.3 所示的符号来表示，它有 5 个引出脚，其中“+” 、 “-”为两个信号输入端， “V+” 、 “V-”为正、负电源端， “Vo”为输出

17、端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端 Vo 的信号与该输入端的位相反;Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端 Vo 的信号与该输入端的相位相同。LM324 的引脚排列见图3.4 图 3.3 放大器图 图 3.4 引脚图由于 LM324 四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中。计数脉冲传感器整形驱动LM324STC 89C51数码显示译码器LED 数码管2013 课程设计Error!Error!- -8本设计计划采用高性能集成四运放 LM324 来进行光电信号调理电路设计。电路采用两级放大电路对脉冲信号进行放

18、大，防止信号脉冲太小以至对实验结果不产生影响。此外，还设计了有源带通滤波器。为了达到预定效果，对系统运用 MULTISIM 8 进行模拟仿真，并利用模拟仿真结果对有关元器件进行参数设定，以使电路满足要求。如图 3.5 所示是 MULTISIM 进行电路模拟仿真示意图及其模拟仿真结果。图 3.5 电路模拟仿真示意图及其模拟仿真结果3.3 测量系统主机部分设计测量系统主机部分设计3.3.1 单片机单片机单片机是单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）的简称，是指在一块芯片上集成了中央处理器 CPU、随机存储器 RAM、程序存储器 ROM 或 EPROM、定时器/计数器、

19、中断控制器以及串行和并行 I/O 接口等部件，构成一个完整的微型计算机。目前，新型单片机内还有 A/D 及 D/A 转换器、高速输入/输出等部件。由于它的结构和指令功能都是按工业控制要求设计的，特别适用于工业控制及其数据处理场合，因此，确切的称谓应2013 课程设计Error!Error!- -9是微控制器（Microcontroller）. 系统使用的单片机是 STC 89C51 型单片机。STC 89C51 单片机是基于 MCS-51 单片机为内核的，其输入/输出管脚以及指令系统和 MCS-51 单片机是完全兼容的。其优越的性价比使其成为颇受欢迎的 8 位单片机。如图 3.6 是 STC

20、89C51 结构框图。STC 89C51 单片机的特点： 它内部有一个 8 位的 CPU，具有 4KB 的 EEPROM。 128 字节的 RAM 数据存储器，21 个特殊功能寄存器 SFR。 4 个 8 位并行 I/O 口，其中 P0、P2 为地址/数据线，可寻址 64KB ROM 和 64KB RAM. 一个可编程全双工串行口,具有 5 个中断源。 两个 16 位定时器/计数器。 计数脉冲输入 T0 T1 P0 P1 P2 P3 TXD RXD INT0 INT1 中断输入图 3.6 STC 89C51 结构框图 图 3.7 是 STC 89C51 单片机引脚分布图。由图我们可以看到，单片

21、机的引脚除了电源、复位、时钟接入、用户 I/O 口外，其余管脚是为实现系统扩展而设置的。这些引脚构成 MCS-51 单片机片外三总线结构，即： 地址总线（AB）：地址总线宽为 16 位，因此，其外部存储器直接寻址为 64K 字节，16 位地址总线由 P0 口经地址锁存器提供 8 位地址（A0 至 A7） ；P2 口直接提供 8 位地址。 数据总线（DB）：数据总线宽度为 8 位，由 P0 提供。 CPU串行接口并行 I/O 接口中断系统特殊功能寄存器SFR128 字节RAM4K ROM（EPROM）（8031 无）定时/计数器 T0、T1时钟源2013 课程设计Error!Error!- -1

22、0 控制总线（CB）：由 P3 口的第二功能状态和 4 根独立控制线RESET、EA、ALE、PSEN 组成。 图 3.7 STC89C51 管脚图3.3.2 键盘显示模块设计键盘显示模块设计图3.8为键盘电路图，按键功能通过软件编程设置：按 K0 为清零、复位；按 K1 显示计时时间；按 K2 显示计数脉冲数；此按键电路为低电平有效，当无按键按下时，单片机输入引脚P1.0、P1.1、P1.2、P1.3 端口均为高电平。当其中任一按键按下时，其对应的 P1 端口变为低电平，在软件中利用这个低电平设计其功能。软件中还设置了按键防抖动误触发功能，软件中设置定时器 1 50ms 中断一次，每次中断都

23、对按键进行扫描，如果扫描到有按键按下，则延迟 10ms，再次进行键扫描，若仍有按键按下，则按键为真，并从 P1 口读取数据，低电平对应的即为有效按键。 图3.8 按键电路图显示部分采用价廉方便的LED数码管，图3.9为数码管的引脚接线图。测量系统有8位共阳的LED数码管，表3.1为驱动LED数码管的段代码表，1-代表对应的笔段亮，0-代表2013 课程设计Error!Error!- -11对应的笔段不亮。若需要在最右边（S0）显示“5” ，只要将从表中查得相应的段代码写入P0口，在将P2.0置高，P2.1-P2.7置低即可。图3.9 数码管的引脚接线图表3.1 驱动LED数码管的段代码表显示电

24、路如图 3.10，其电路采用动态显示方式。电机转速的测量结果经过译码， 输出的 8 位并行数据通过 STC89C51 的并行口(P0 口)输出，送至 7 段 LED ，同时由 P2 口输出位扫描信号以实现测量数据的动态显示。P0 口 和 P2 口都是准双向口，输出时需要接上拉电阻。P0 内部没有上拉电阻，P2 口内部有弱上拉。所以 P0 口外围电路设计为低电平有效，高电平无效。要使数码管 S0-S7 的其中一个亮，其对应的 P2 端口要置高，P2 的其余端口置低。如：S0 亮：P2.0 置高，P2.1-P2.7 置低。系统将定时把缓冲区的数据送出，在数码管上显示。2013 课程设计Error!

25、Error!- -12图3.10 显示电路图4 4 系统软件设计系统软件设计4.1 程序模块设计程序模块设计软件部分由数据处理程序、按键程序设计、中断服务子程序、LED显示程序等几个部分组成。数据处理完成对各种测量数据的处理，如各种数据的计算、数据格式的转换等。按键程序包括按键防抖动处理、判键及修改项目等。按键流程图如图4.1所示。定时器 1 服务子程序设计，流程图如图 4.2 所示。定时器 1 完成定时功能，定时2Oms，并每隔 20ms 进行一次显示，每隔 1 秒读一次计数结果。单片机对在 1 秒内计数的值进行处理，转换成每分钟的速度送显存以便显示。具体算法如下:主程序在对定时器、计数器、

26、堆栈等进行初始化后即判断标志是否为 2013 课程设计Error!Error!- -131，如果为 1，说明要求对数据进行计算处理，首先将标志清零，以保证下次能正常判断，然后进入数据处理程序，由于这里的闸门时间为 1s，而显示要求为转/分，因此，要将测到的数据进行转换，转换的方法是将测得的数据乘以60，但由于转轴上安装有11只孔，每旋转一周可以得到11个脉冲，因此，要将测得的数据除以11，所以综合起来，将测得的数据乘以5.4545即可得到每分钟的转速。计算得到的结果是二进制的整数，要将数据送往显示缓冲区需要将该数转化为BCD码。运算得到的是压缩BCD码，需要将其转换为非压缩BCD码，从标号CBCD开始的一段程序即作了这样的处理。需要说明的是，这里多位二进制乘法和多位二进制到BCD码的转换都是用了现成的成熟子程序，因此，首先将二进制数转换为压结合实际BCD码，然后再转换成非压缩BCD码，看似多写了些程序，实际上这对于保证程序的质量很有好处。定时器T1用作定时发生器，在定时中断程序中进行数码管的动态扫描，同时产生1s的闸门信号。1s闸门信号的产生