光电传感器转速测量系统设计

西南交通大学峨眉校区题院专年姓题院专年姓目：光电传感器转速测量系统设计课程名称：工程测试技术系： 机械工程系 业： 工程机械2班 级： 2010级 名： xxxxx指导教师： 曾祥光

2013年5月15日课程设计任务书专业工机5班姓名xxxx学号20107454开题日期：2013年4月5日完成日期：2013年5月15日题目光电传感器转速测量系统设计一、 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，系统软件设三、指导教帅评语四、成绩 指导教师 签章）摘要：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：单片机，光电转速传感器，转速测量，数据处理Abstract：Therotatespeedisoneoftheimportantparametersfortheengine,anditisalsotheimportantfactorthatcalculatesotherparameters.Atpresenttherearemanymethodsforthetachometricsurveymeasurement.Afteranalyzevariousrotatespeedmeasurementmethods,thephotoelectricsensortachometricsurveysystemispresented.Thecompositionandtheprincipleofthesystemarepresented,andthedesignmethodofhardwareandthesoftwarearealsopresented.Thewholesystemhasthebiggerpromotionapplicationvalue.Keywords：single-chipcomputer，photoelectricsensor，rotatespeedmeasurement，dataprocessing目录TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"1引言 4\o"CurrentDocument"系统组成及工作原理 4\o"CurrentDocument"2.1 转速测量原理 4\o"CurrentDocument"转速测量系统组成框图 4\o"CurrentDocument"系统硬件电路的设计 5\o"CurrentDocument"脉冲产生电路设计 5\o"CurrentDocument"光电转换及信号调理电路设计 5\o"CurrentDocument"光电传感器简介 6\o"CurrentDocument"光电转换及信号调理电路设计 7\o"CurrentDocument"测量系统主机部分设计 8\o"CurrentDocument"3.3.1单片机 8\o"CurrentDocument"键盘显示模块设计 10\o"CurrentDocument"系统软件设计 12\o"CurrentDocument"4.1程序模块设计 12\o"CurrentDocument"5结果分析 14\o"CurrentDocument"参考文献 141引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STC89C51型单片机设计的一种转速测量与控制系统。STC89C51单片机采用了CMOS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系统组成及工作原理2.1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)，贝f二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)转速测量系统组成框图系统由信号预处理电路、单片机STC89C51、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贝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。图2.1系统的原理框图3系统硬件电路的设计3.1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脉冲发生源硬件结构图（左为正视图，右为侧视图）光电转换及信号调理电路设计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。3.2.1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。

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虑。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。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1413121110 981 2 3 4 5 6 7图图3.3放大器图1413121110 981 2 3 4 5 6 7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。

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MULTISIM8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。IJ4DU3C：R2u.u.-15VR4X]SignalOptionsFrequency10050TirTiHbaseChannelAIDms/Divk'vJ'DivDC].uk：n10VDivSetRise/FallTimeFunctionGenerator图35CommonXFG1XS€1R5-1.0ktlWaveformsLM324NVCC：-.•^iplrtude 15Offset0LM324N--15VChannelBRquqpsqIGN匸i(*IJ4DU3C：R2u.u.-15VR4X]SignalOptionsFrequency10050TirTiHbaseChannelAIDms/Divk'vJ'DivDC].uk：n10VDivSetRise/FallTimeFunctionGenerator图35CommonXFG1XS€1R5-1.0ktlWaveformsLM324NVCC：-.•^iplrtude 15Offset0LM324N--15VChannelBRquqpsqIGN匸i(*ChannelBLevel电路模拟TypeSi「Ig.N匸卫仙口［甬花TimeLI.DLILIS匚:治nnel_A620.892V-Trigger—EdgeT1T2也T2-T1□士「□士訂Oscilloscope-XSC13.3测量系统主机部分设计3.3.1单片机单片机是单片微型计算机(SingleChipMicrocomputer)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、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，确切的称谓应是微控制器（Microcontroller）.系统使用的单片机是STC89C51型单片机。STC89C51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STC89C51结构框图。STC89C51单片机的特点：⑴它内部有一个8位的CPU，具有4KB的EEPROM。⑵128字节的RAM数据存储器，21个特殊功能寄存器SFR。⑶4个8位并行I/O口，其中P0、P2为地址/数据线，可寻址64KBROM和64KBRAM.⑷一个可编程全双工串行口,具有5个中断源。⑸两个16位定时器/计数器。计数脉冲输入T0T1P0P1P2P3TXDRXD INTOINT1中断输入图3.6STC89C51结构框图图3.7是STC89C51单片机引脚分布图。由图我们可以看到，单片机的引脚除了电源、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。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。

T2/P1.0T2EX/P1.1Pl.2Pl.3Pl.4RXD/Pa0TXDT2/P1.0T2EX/P1.1Pl.2Pl.3Pl.4RXD/Pa0TXD/Pa1TNTO/Pa2Tnti/F»a3to/pa4T1/P3.5wt/pa6raj/pa7XTAL2XTAL1VSSBnlDHUSOSHBHSnBBP0.0/ADOPO.1/ADIPQ2/AD2PO.3/ADSPO.4/AD4PO.5/ADSPO.6/AD6PO.7/AD7ALE/PFiOGFSEN7/Al56/Al45/A13P24/Al2PZ3/A11P2.2/A10P2,1/A9F*Z0/A8图3.7STC89C51管脚图3.3.2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150ms中断一次，每次中断都对按键进行扫描，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。

表3.1驱动LED数码管的段代码表6AU表3.1驱动LED数码管的段代码表6AU浙码管的引显示电路如图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。

4系统软件设计4系统软件设计4.1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、堆栈等进行初始化后即判断标志是否为1，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