基于光電效應(yīng)的轉(zhuǎn)速測量儀設(shè)計論文

1、 . . . 基于光電效應(yīng)的轉(zhuǎn)速測量儀設(shè)計摘 要隨著電子技術(shù)、通信技術(shù)、計算機技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化的智能儀表是當代的發(fā)展趨勢。單片機與工業(yè)控制行業(yè)也有了緊密的聯(lián)系，通過單片機實現(xiàn)控制過程的自動化，也是現(xiàn)代工業(yè)的重要標志。單片機微處理器體積小、功能強、功耗小、性價比高的突出優(yōu)點，表現(xiàn)出了強有力的生命力，越來越受各行業(yè)的青睞。順應(yīng)形勢，本文設(shè)計了一種基于AT89C51的全數(shù)字式轉(zhuǎn)速測量儀。本文首先介紹了單片機測量轉(zhuǎn)速的系統(tǒng)構(gòu)成以與轉(zhuǎn)速測量的“”法（測頻法），并介紹了其測量上的特點、計算和誤差分析。其次，針對測量環(huán)境，設(shè)計了一種基于AT89C51單片機的全數(shù)字式測速系統(tǒng)，它是由光電傳感器、LM324運

2、算放大器、74HC14整形芯片、AT89C51單片機、鍵盤電路、顯示接口電路等組成，實現(xiàn)了全數(shù)字的測速功能。該儀器操作方便，測量精確度高。另外，簡單的闡述了測速系統(tǒng)的工作原理以與數(shù)字測速儀機械原理。本文是運用固定在旋轉(zhuǎn)設(shè)備殼體上的發(fā)光二極管發(fā)光，通過與高速轉(zhuǎn)軸同步的帶孔圓盤，照射到集成電路板上的光電轉(zhuǎn)換元件，通過引線引出，與外部的單片機、LED顯示器相接。該測速系統(tǒng)精確度為0.1，全量程的測速誤差達到0.005%，并且是一種便攜式測速儀器，使用操作方便簡單，抗干擾能力強。關(guān)鍵詞：AT89C51單片機；轉(zhuǎn)速；測量精度The design of speed measuring instrument

3、 based on photoelectric effectAbstractWith the development of electronic technology, communication technology and computer technology, digital intelligent instrument is the contemporary trends. SCM and industrial control industry have also had close contact, Microprocessor control of process automat

4、ionis the core sign of modern industry. Microprocessor is with these outstanding merits of small size, strong function, power consumption and cost-effective, showing a strong vitality and more favored by the industry. Conform to the situation, the paper designs a fully digital speed measuring instru

5、ment based on AT89C51. This paper introduces the structure of SCM speed measurement system and the M method (frequency measurement method), and describes the characteristics of the measurement, calculation and error analysis. Second, for the measurement environment, designing an all-digital speed sy

6、stem based on AT89C51 microcontroller, which consists of a photoelectric sensor (optical pulse encoder), LM324 Amplifiers, 74HC14 Plastic chips, AT89C51 microcontroller, keyboard circuits, display interface circuit and other components to achieve the fully digital speed function, the instrument is w

7、ith easy operation, high accuracy. And the paper exposes of the principle of the system and the mechanical principle of digital speed measuring instrument simply, the paper makes use of the photodiode light fixed on the shell of rotating equipment , synchronized with the high-speed shaft hole disc,

8、exposure to the photoelectric conversion device of the integrated circuit board, the wire leads and connects the external SCM and LED display. Speed systems accuracy is 0.1, the full error measuring is to 0.005%,and it is a portable instrument which is with easy operation and strong anti-interferenc

9、e.朗讀顯示對應(yīng)的拉丁字符的拼音Keywords: AT89C51 microcontroller; Speed ; Accuracy目錄摘要IAbstractII1 緒論11.1 轉(zhuǎn)速測量的目的和意義11.2 國外轉(zhuǎn)速測量方法與技術(shù)11.2.1 國外轉(zhuǎn)速測量方法11.2.2 國外轉(zhuǎn)速測量技術(shù)發(fā)展狀況41.3單片機在智能儀表中的應(yīng)用51.4 本設(shè)計的主要任務(wù)72 光電轉(zhuǎn)速測量儀的構(gòu)成82.1 光電轉(zhuǎn)速測量儀的電氣線路82.2 光電轉(zhuǎn)速測量儀的機械原理93 轉(zhuǎn)速測量方案選擇與分析113.1 “”（測頻法）、“”（測周法）、“”方法的比較113.2 “”法的轉(zhuǎn)速測量原理123.3 誤差分析134

10、光電轉(zhuǎn)速測量儀的硬件電路設(shè)計144.1 傳感器的設(shè)計144.1.1 光電傳感器與信號的放大整形164.1.2 光電脈沖編碼器204.1.3 反光式光電轉(zhuǎn)速測量244.2 單片機芯片的選擇254.2.1 AT89C51的介紹254.2.2 單片機低功耗工作模式334.3 鍵盤顯示模塊設(shè)計354.4 顯示器接口技術(shù)與顯示技術(shù)364.4.1 LED顯示器364.4.2 8255接口芯片與74LS244緩沖芯片414.5 單片機系統(tǒng)抗干擾技術(shù)455 光電轉(zhuǎn)速測量儀的軟件設(shè)計475.1 轉(zhuǎn)速測量的主流程圖設(shè)計475.2 6個數(shù)碼管逐個顯示的程序設(shè)計485.3 固定時間為1s的計數(shù)器中斷子程序505.4

11、轉(zhuǎn)速測量的誤差分析516 結(jié)論53辭54參考文獻5556 / 62基于光電效應(yīng)的轉(zhuǎn)速測量儀設(shè)計1 緒論1.1 轉(zhuǎn)速測量的目的和意義工程實踐中，經(jīng)常會遇到各種需要測量轉(zhuǎn)速的場合，例如在發(fā)電機、電動機、卷揚機、機床主軸等旋轉(zhuǎn)設(shè)備的試驗、運轉(zhuǎn)和控制中，常需要分時或連續(xù)測量和顯示其轉(zhuǎn)速和瞬時轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速測量的應(yīng)用系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)、科技教育、民用電器等各領(lǐng)域的應(yīng)用極為廣泛，往往成為某一產(chǎn)品或控制系統(tǒng)的核心部分，其各種參數(shù)在不同的應(yīng)用中有其側(cè)重，但轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)普遍的應(yīng)用在國民經(jīng)濟中，有著重要的意義。1.2 國外轉(zhuǎn)速測量方法與技術(shù)1.2.1 國外轉(zhuǎn)速測量方法目前國外測量轉(zhuǎn)速的方法很多，按照不同的設(shè)計理論，先后產(chǎn)

12、生過模擬測速法、同步測速法和計數(shù)測速法。傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)速測量多采用測速發(fā)電機或光電數(shù)字脈沖編碼器，也有采用電磁式、電容式等，還有一些特殊的測速器是利用置于旋轉(zhuǎn)體的放射性材料來發(fā)生脈沖信號。其中應(yīng)用最廣的是光電式，光電式測速系統(tǒng)具有低慣性、低噪聲、高分辨率和高精度的優(yōu)點。加之激光電源、光柵、光學(xué)碼盤、CCD器件、光導(dǎo)纖維等的相繼出現(xiàn)和成功應(yīng)用，使得光電傳感器在檢測和控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。采用光電傳感器的電機轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)測量準確度高，采樣速度快，測量圍寬和測量精度與被測量轉(zhuǎn)速無關(guān)等優(yōu)點，具有廣泛的應(yīng)用前景。不同測量方法的比較如表1.1所示。表1.1 不同測量方法的比較型式測量方法使用圍特點備注計數(shù)式

13、機械式通過齒輪轉(zhuǎn)動數(shù)字輪中、低速簡單、價廉光電式來自被測旋轉(zhuǎn)體上的光線使光電管產(chǎn)生電脈沖中、高速數(shù)字式電磁式利用磁電轉(zhuǎn)換器將轉(zhuǎn)速變換成脈沖中、高速數(shù)字式模擬式機械式利用離心力與轉(zhuǎn)速的平方成正比的關(guān)系中、低速簡單發(fā)電機式利用電機電流或交流電壓與轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系高速可遠距離指示測速發(fā)電機 續(xù)表1.1型式測量方法使用圍特點備注模擬式電容式利用電容充、放電與轉(zhuǎn)速成正比的關(guān)系中、高速同步式機械式轉(zhuǎn)動帶槽的圓盤，觀察旋轉(zhuǎn)體的同步關(guān)系中速閃光式用已知頻率閃光測出旋轉(zhuǎn)體同步的頻率中、高速根據(jù)旋轉(zhuǎn)設(shè)備高速旋轉(zhuǎn)的特性，測量結(jié)果精確度高的要求，選擇光電式轉(zhuǎn)速測量方法。轉(zhuǎn)速的測量方法分為三種：測頻法（法）、測周法（法）

14、、法。法：測量原理為，在固定的測量時間，計取轉(zhuǎn)速傳感器產(chǎn)生的脈沖個數(shù)，從而算出實際轉(zhuǎn)速。設(shè)固定的測量時間為，計數(shù)器計取的脈沖個數(shù)，假定脈沖發(fā)生器每轉(zhuǎn)輸出個脈沖，對應(yīng)被測轉(zhuǎn)速為，則；另在測量時間，計取轉(zhuǎn)速傳感器輸出的脈沖數(shù)應(yīng)為,所以，當測得值時，就可算出實際轉(zhuǎn)速值：。法：在被測信號的一個周期，計數(shù)時鐘脈沖數(shù)。則被測信號頻率，其中為時鐘脈沖信號頻率，為脈沖發(fā)生器每轉(zhuǎn)輸出的脈沖數(shù)。法：是一種快速精確的轉(zhuǎn)速測量方法，被測轉(zhuǎn)速脈沖和系統(tǒng)時鐘脈沖同時開始、同時結(jié)束計數(shù)。設(shè)系統(tǒng)時鐘周期為，對被測轉(zhuǎn)速脈沖計數(shù)為，系統(tǒng)時鐘計數(shù)為，則被測轉(zhuǎn)速脈沖頻率為，。1.2.2 國外轉(zhuǎn)速測量技術(shù)發(fā)展狀況 典型光電轉(zhuǎn)速測量儀性

15、能指標欣悅儀器儀表生產(chǎn)的光電轉(zhuǎn)速測量儀EMT260C主要性能指標如下：l 測量圍轉(zhuǎn)速：199999r/min ；l 計數(shù)：199999 ；l 測量精度全量程圍誤差0.005%的超高精度（轉(zhuǎn)速）；l 顯示五位有效數(shù)字動態(tài)液晶浮點顯示 ；l 信號輸入:15VP-P脈沖輸入 ；l 信號輸出:TTL電平脈沖輸出 ；l 電源兩節(jié)七號電池供電，可連續(xù)使用24小時；或外接23V直流電源供電。 光電脈沖式旋轉(zhuǎn)編碼器測量角位移的數(shù)字編碼器，具有分辨能力強、測量精度和工作可靠等優(yōu)點，是測量轉(zhuǎn)角位置的一種最常用位移傳感器。光電軸角編碼器通常按照光柵碼盤團的編碼方式進行分類。目前常用的類型為增量式光電軸角編碼器和絕對

16、光電軸角編碼器。光柵式光電編碼器正向著高分辨力的方向發(fā)展。如日本尼康公司生產(chǎn)的2HR32400軸角編碼器，每轉(zhuǎn)可輸出1296萬個脈沖（0.1），可謂日本的最高分辨力。我國在光電軸角編碼器的開發(fā)方面上也已經(jīng)取得了長足的進展，1995年中科院光機所和中國計量科學(xué)研究院聯(lián)合研制出的角度基準。分辨力0.001，精度P+V=0.05（誤差修正后）；光電所研制的JC21精密測角儀的增量式光電軸角編碼器分辨力達到了0.02，測角精度R0.04。1.3 單片機在智能儀表中的應(yīng)用 單片機是當代發(fā)展的趨勢隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，微處理器芯片的集成程度越來越高，已經(jīng)可以在一塊芯片上同時集成CPU、存儲器、定時器/

17、計數(shù)器、并行和串行接口以與A/D轉(zhuǎn)換器等。人們把這種大規(guī)模的集成電路芯片稱作“單片微控制器”，簡稱為單片機。單片機的出現(xiàn)，引起了儀器儀表結(jié)構(gòu)的根本性變革。以單片機為主體取代傳統(tǒng)儀表的常規(guī)電子線路，可以容易地將計算機技術(shù)與測量控制系統(tǒng)結(jié)合在一起，組成新一代的“智能儀器”。這種新型的智能儀器在測量過程自動化，測量結(jié)果的數(shù)據(jù)處理以與功能的多樣化方面，都取得了巨大的進展。目前，在研制高精度、高性能、多功能的測量儀器時，幾乎沒有不考慮采用微處理器使之成為智能儀器的，而在儀器儀表中使用得最多的微處理器就是單片機。在測量控制儀表中采用單片機技術(shù)使之成為智能儀器后能夠解決許多傳統(tǒng)儀表不能或不易解決的難題。同時

18、還能簡化儀表電路，提高儀表的可靠性，降低儀表的成本以與加快新產(chǎn)品的開發(fā)速度。這類儀器的設(shè)計重點已經(jīng)從模擬和邏輯電路的設(shè)計轉(zhuǎn)向?qū)Ｓ玫膯纹瑱C模板或功能部件、接口電路以與輸出輸入通道的設(shè)計、通用或?qū)Ｓ密浖绦虻拈_發(fā)。目前，這類智能化測量控制儀表已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)四則運算、邏輯判斷、命令識別、自診斷自校正甚至自適應(yīng)和自學(xué)習(xí)的功能。隨著科學(xué)技術(shù)的進一步發(fā)展，這類儀器的智能化程度必將會越來越高。自動化、數(shù)字化和智能化是現(xiàn)代科技發(fā)展的潮流，而凡是需要自動化、數(shù)字化和智能化的產(chǎn)品和設(shè)備等都離不開單片機。這足以說明單片機應(yīng)用的廣泛和深入程度。例如，時鐘計時、鍋爐溫度控制、電機轉(zhuǎn)速測量與控制等。單片機在智能轉(zhuǎn)速測量儀表

19、中的應(yīng)用 單片機在轉(zhuǎn)速測量上的控制原理光電式轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)由傳感器、信號放大整形電路、單片機和LED顯示器等組成。發(fā)光二極管發(fā)出紅外線照射到光電三極管上，光信號轉(zhuǎn)變成微弱電信號，通過電信號的放大整形，模擬信號轉(zhuǎn)變成單片機能夠識別的數(shù)字信號。接著，通過鍵盤設(shè)置單片機部的計數(shù)初值，在固定時間，計數(shù)器計數(shù)，時間結(jié)束，系統(tǒng)產(chǎn)生中斷。然后根據(jù)轉(zhuǎn)速計算公式：計算轉(zhuǎn)速值，再通過譯碼器把數(shù)值轉(zhuǎn)變成十進制的數(shù)，在LED顯示器上進行顯示。智能儀表的基本結(jié)構(gòu)如圖1.1所示：片外擴展存儲器單片機放大、整形被測量LED/LCD顯示器接口面板鍵盤鍵盤輸入接口圖1.1 智能儀表的基本組成1.4 本設(shè)計的主要任務(wù) 主要參數(shù)轉(zhuǎn)速

20、測量圍：099999.9； 測量精度0.1，全量程圍誤差0.005%（轉(zhuǎn)速）；顯示六位有效數(shù)字動態(tài)液晶浮點顯示；信號輸入：15VP-P脈沖輸入；信號輸出：TTL電平脈沖輸出 ；外接5V直流電源供電。 設(shè)計要求 由光電三極管或光電脈沖編碼器作為檢測元件； 以單片機作為脈沖計數(shù)和轉(zhuǎn)速計算的核心元件； 設(shè)計光電轉(zhuǎn)速測量儀的機械原理圖和電氣線路圖。2 光電轉(zhuǎn)速測量儀的構(gòu)成2.1 光電轉(zhuǎn)速測量儀的電氣線路圖2.1 光電轉(zhuǎn)速測量儀光電轉(zhuǎn)速測量儀由光電傳感器、LM324放大器、74HC14整形芯片、AT89C51單片機、8255接口擴展芯片、74LS244緩沖芯片、74LS06非門芯片、鍵盤輸入電路以與LE

21、D顯示器構(gòu)成，連接電路如圖2.1所示。各部件的功能：l 光電傳感器:把光信號轉(zhuǎn)變成微弱的電信號；l LM324放大器：把微弱的電信號放大，送入整流器；l 74HC14整形芯片：對放大器送入的信號進行整流，轉(zhuǎn)為數(shù)字信號；l AT89C51單片機：對送入的數(shù)字信號進行計數(shù)、運算，并把轉(zhuǎn)速值輸出；l 8255接口擴展芯片：對單片機的接口進行擴展，連接LCD顯示器；l 74LS244緩沖芯片：對單片機輸入的段碼進行緩存，有序輸出；l 74LS06非門芯片：對8255輸出的信號取反，并輸出LED的位碼；l 鍵盤輸入電路：根據(jù)不同的需求，通過按鍵進行復(fù)位或顯示數(shù)據(jù)；l LED顯示器：對測得數(shù)據(jù)進行顯示。2

22、.2 光電轉(zhuǎn)速測量儀的機械原理圖2.2 光電轉(zhuǎn)速測量儀結(jié)構(gòu)原理圖如圖2.2所示，光電三極管固定在旋轉(zhuǎn)機械的外殼上，發(fā)出紅外光線，照射并通過固定在轉(zhuǎn)軸上圓盤中均勻分布的圓孔，照射到固定在旋轉(zhuǎn)機械部后蓋上的信號檢測元件（光電三極管），該檢測元件鑲嵌在集信號放大、整形、計數(shù)計算、顯示的電路板上。該轉(zhuǎn)速測量儀的機械原理圖適合接觸式的測量，通過前面的錐形探頭與被測軸突出外部的部位接觸，帶動部的碼盤同步轉(zhuǎn)動，固定在箱體上的檢測元件光電三極管接收間斷的紅外光，產(chǎn)生脈沖信號，接下來再對信號進行處理，后面將詳細介紹。該機械原理圖還可以把前面的錐形探頭改為一個感光靈敏元件，在被測軸適當位置上貼一矩形的泊片，通過光

23、線反射的原理，進行非接觸式的測量。3 轉(zhuǎn)速測量方案選擇與分析3.1 “”（測頻法）、“”（測周法）、“”方法的比較就轉(zhuǎn)速測量原理而言，大體可分為兩大類，一是用單位時間測得物體的旋轉(zhuǎn)角度來計算速度，例如在單位時間，累計轉(zhuǎn)速傳感器發(fā)出的個脈沖，即為該單位時間的速度。這種以測量頻率來實現(xiàn)測量轉(zhuǎn)速的方法，稱測頻法，即“”法；另一類是在給定的角位移距離，通過測量這一角位移的時間來進行測速的方法，稱測周期法，即“”法，如給定的角位移，傳感器便發(fā)出一個電脈沖周期，以晶體振蕩頻率而產(chǎn)生的標準脈沖來度量這一周期時間，再經(jīng)換算可得轉(zhuǎn)速。這兩種測速方法各有優(yōu)缺點，“”法一般用于高速測量，在轉(zhuǎn)速較低時，測量誤差較大，

24、而且，檢測裝置對轉(zhuǎn)速分辨能力也比較較差；而“”法一般用于低速測量，速度越低測量精度越高，但在測量高轉(zhuǎn)速時，誤差較大；結(jié)合這兩種測量方法就可以得出第三種測量方法，即“”法結(jié)合這兩種方法的優(yōu)點，一方面像“”法那樣在對傳感器發(fā)出的脈沖計數(shù)的同時，也像“”法那樣計取脈沖的時間，通過計算即可得出轉(zhuǎn)速值。在實際測量中，還需設(shè)定定時時間，兼顧高、低轉(zhuǎn)速時的精度影響，實時調(diào)節(jié)采樣時間?；谏鲜龅拿枋?，結(jié)合設(shè)備高速旋轉(zhuǎn)的工作性質(zhì)，本文選擇“”法來進行轉(zhuǎn)速的測量。3.2 “”法的轉(zhuǎn)速測量原理圖3.1 “”法測量轉(zhuǎn)速脈沖在一定的測量時間，測量輸入脈沖產(chǎn)生的脈沖數(shù)來測量轉(zhuǎn)速，如圖3.1所示。設(shè)在時間，轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過的弧度為

25、，則轉(zhuǎn)速可有下式表示： （3.1）轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過的弧度數(shù)可用下式表示： （3.2）將（3.2）代入（3.1）得： （3.3）轉(zhuǎn)速 ；定時時間；轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)一周輸出的脈沖數(shù)。3.3 誤差分析轉(zhuǎn)速公式： 給出因的量化誤差是一個脈沖，故轉(zhuǎn)速變化： (3.4)其相對誤差為： (3.5) (3.6) (3.7) 相對誤差；加入一個脈沖后的轉(zhuǎn)速值；轉(zhuǎn)速誤差。由（3.7）可知，隨轉(zhuǎn)速增大而減小，因此，這種方法適合與高速測量，當轉(zhuǎn)速越低，產(chǎn)生的誤差會越大。4 光電轉(zhuǎn)速測量儀的硬件電路設(shè)計一個單片機的應(yīng)用系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計應(yīng)包含兩個部分容：第一是系統(tǒng)擴展，即當單片機部的功能單元，如ROM、RAM、I/O口、定時/計數(shù)器、

26、中斷系統(tǒng)等容量不能滿足應(yīng)用系統(tǒng)的要求時，必須在片外進行擴展，選擇適當?shù)男酒O(shè)計相應(yīng)的電路。第二是系統(tǒng)的配置，即按照系統(tǒng)功能要求配置外圍設(shè)備，如鍵盤、顯示器、打印機、D/A、A/D轉(zhuǎn)換器等，并進行相應(yīng)的接口電路。因此，系統(tǒng)的擴展和配置應(yīng)遵循下列原則：l 盡可能選擇典型電路，并符合單片機的常規(guī)用法；l 系統(tǒng)的擴展與外圍設(shè)備配置應(yīng)滿足系統(tǒng)功能的要求，并留有適當?shù)挠嗔?，以便進行二次開發(fā)；l 硬件結(jié)構(gòu)應(yīng)與應(yīng)用軟件方案統(tǒng)一考慮，軟件能實現(xiàn)的硬件功能盡可能用軟件來實現(xiàn)，但需注意的是軟件實現(xiàn)占用CPU的時間，而且，響應(yīng)時間比硬件長；l 單片機外接電路較多時，應(yīng)考慮其驅(qū)動能力，減少芯片功耗，降低總線負載。4.

27、1 傳感器的設(shè)計 方案一：采用光電傳感器進行電機的轉(zhuǎn)速測量，并通過集驅(qū)動、譯碼于一體的數(shù)碼管顯示轉(zhuǎn)速。由于元器件成本低，測量精確度高，結(jié)構(gòu)簡單，所以運用于本系統(tǒng)比較理想，適用于接觸式測量，如圖4.1所示。圖4.1 光電傳感器轉(zhuǎn)速測量原理圖 方案二：采用成品光電編碼器進行轉(zhuǎn)速測量，本文著重介紹SZLF l024BM CO5L光電脈沖編碼器，其各方面的性能都很好，但是成本較高，一般不被采用。 方案三：采用反光式光電測量，在電機軸上裝有反光物質(zhì)利用光線反射，回收頻率來測量電機轉(zhuǎn)速。但所用元件價格較昂貴，精度要求很高，如圖4.2所示。圖4.2 反光式光電轉(zhuǎn)速測量原理圖 方案四：采用霍爾傳感器，霍爾器件

28、是由半導(dǎo)體材料制成的一種薄片，在垂直于平面方向上施加外部磁場B，在沿平面方向兩端施加外電場，則使電子在磁場中運動，結(jié)果在器件的兩側(cè)之間產(chǎn)生霍爾電勢。其大小與外磁場與電流大小成比例?；魻杺鞲衅饔捎谄潴w積小，無觸點，動態(tài)特性好，使用壽命長等特點，故在測量轉(zhuǎn)動物體旋轉(zhuǎn)速度領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，適用于轉(zhuǎn)速的非接觸式測量。其原理圖如圖4.2，只是把設(shè)備轉(zhuǎn)軸上放上磁鐵，產(chǎn)生外加磁場，另外在沿薄片平面方向施加一外電場，同時在薄片兩側(cè)之間產(chǎn)生霍爾電勢即可。4.1.1 光電傳感器與信號的放大整形發(fā)光二極管發(fā)出紅外線，經(jīng)光電三極管轉(zhuǎn)變成微弱的電信號，由LM324運算放大器進行放大，由74HC14對正弦模擬信號進行整

29、形，并把整形后的信號轉(zhuǎn)換成單片機能夠識別的數(shù)制。信號的測量、放大整形電路圖如圖4.3所示。圖4.3 信號的測量、放大整形電路圖 LM324運算放大器圖4.4 LM324運算放大器LM324系列器件為價格便宜的帶有真差動輸入的四運算放大器。與單電源應(yīng)用場合的標準運算放大器相比，它們有一些顯著優(yōu)點。該四運放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的電源下，靜態(tài)電流為MC1741的靜態(tài)電流的五分之一。共模輸入圍包括負電源，因而消除了在許多應(yīng)用場合中采用外部偏置元件的必要性。每一組運算放大器可用圖4.4所示的符號來表示，它有5個引出腳，其中“+”、“-”（即輸入1的3、2引腳等）為兩個信號輸入端，“V

30、+”、“V-”（即4、11引腳）為正、負電源端，“VO”（即輸出1的1引腳等）為輸出端。兩個信號輸入端中，Vi-（-）為反相輸入端，表示運放輸出端VO的信號與該輸入端的相位相反；Vi+（+）為同相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位一樣。LM324的引腳排列見圖4.4所示。LM324的特點： 短路保護輸出 ；真差動輸入級 ；可單電源工作：3V-32V ；低偏置電流：最大100mA；每封裝含四個運算放大器；具有部補償?shù)墓δ?；共模圍擴展到負電源 ；行業(yè)標準的引腳排列；輸入端具有靜電保護功能。 74HC14整形芯片圖4.574HC14芯片 如圖4.5所示，74HC14芯片的A1、A2、A

31、3、A4、A5、A6為信號輸入端，Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6為對應(yīng)的輸出端，GND接地，接電源。74HC14由555定時器組成，555定時器是一種數(shù)字電路與模擬電路相結(jié)合的中規(guī)模集成電路，其應(yīng)用極為廣泛，通過其外接不同的連接，就可以構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器?，F(xiàn)具體分析如下。常用的555定時器有TTL定時器CB555和CMOS定時器CC7555等，下面介紹CB555定時器，如圖4.6（a）所示。CB555定時器含有兩個電壓比較器C1和C2、一個由與非門組成的基本RS觸發(fā)器、一個與門、一個非門、一個放電晶體管T以與由三個5的電阻組成的分壓器。比較器C1的參考電壓，加在同相輸入端；C2的

32、參考電壓，加在反相輸入端。如果5端外接固定電壓，則，；如果5端不用時，經(jīng)0.01的電容接地，以防干擾引入。是置0輸入端，低電平有效，加上低電平，輸出電壓=0不受其他輸入狀態(tài)的影響。正常工作時，=1。和分別為6端和2端的輸入電壓。和分別與和比較，得出C1和C2的輸出狀態(tài)，由此得出基本RS觸發(fā)器Q端的狀態(tài)，而后得出的狀態(tài)。工作原理的說明列在表4.1中。表4.1 CB555的工作原理說明表0*0導(dǎo)通10100導(dǎo)通11011截止111保持保持保持電源電壓圍為518V。輸出電流可達200mA，因此可以直接驅(qū)動繼電器、發(fā)光二極管、揚聲器與指示燈等，輸出高壓約低于電源電壓13V。如圖4.6（b）所示為74H

33、C14的部分電路圖。（a）（b）圖4.6 （a）CB555定時器芯片圖 （b）74HC14電路圖4.1.2 光電脈沖編碼器 脈沖編碼器分類和結(jié)構(gòu) 脈沖編碼器是一種旋轉(zhuǎn)式脈沖發(fā)生器。它把機械轉(zhuǎn)角變成電脈沖，是一種常用的角位移傳感器。脈沖編碼器分光電式、接觸式和電磁感應(yīng)式三種。光電式的精度與可靠性都優(yōu)于其他兩種，因此數(shù)控機床上只使用光電式脈沖編碼器 。 增量式光電脈沖編碼器最初的結(jié)構(gòu)就是光電盤。在一個圓盤的圓周上分成相等的透明與不透明部分，圓盤與工作軸一起旋轉(zhuǎn)。此外還有一個固定不動的扇形薄片與圓盤平行放置，并制作有辨向狹縫(或狹縫群)，當光線通過這兩個作相對運動的透光與不透光部分時，使光電元件接受

34、到的光通量也時明時暗地連續(xù)變化 (近似于正弦信號)，經(jīng)放大、整形電路的變換后變成脈沖信號。通過計量脈沖的數(shù)目和頻率即可測出工作軸的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速。高精度脈沖編碼器要求提高光電盤圓周的等分狹縫的密度，實際上變成了圓光柵線紋。它的制作工藝是在一塊具有一定直徑的玻璃圓盤上，用真空鍍膜的方法鍍上一層不透光的金屬薄膜，再涂上一層均勻的感光材料，然后用精密照相腐蝕工藝，制成沿圓周等距的透光和不透光部分相間的輻射狀線紋，相鄰的透光與不透光線紋構(gòu)成一個節(jié)距 P。在圓盤的里圈不透光圓環(huán)上還刻有一條透光條紋，用來產(chǎn)生一轉(zhuǎn)脈沖信號z。辨向指示光柵上有兩段線紋組A和B，每一組的線紋間的節(jié)距與圓光柵一樣，而A組與B組的線紋

35、彼此錯開 14節(jié)距。指示光柵固定在底座上，與圓光柵的線紋平行放置，兩者間保一個小的間距。當圓光柵旋轉(zhuǎn)時，光線透過這兩個光柵的線紋部分，形成明暗相間的條紋，被光電元件接收，產(chǎn)生近似于正弦波的電信號，經(jīng)變換電路，變換成測量脈沖，其分辨率取決于圓光柵的一圈線紋數(shù)和測量線路的細分倍數(shù)。該編碼器通過十字連接頭與伺服電動機連接，它的法蘭盤固定在電動機端面上，罩上防護罩，構(gòu)成完整的驅(qū)動部件。圖4.7 SZLF l024BM CO5L光電脈沖編碼器電路圖脈沖編碼器的工作原理該脈沖編碼器是采用圓光柵的光電脈沖編碼器。每轉(zhuǎn)產(chǎn)生1024個脈沖，光線由光源 G發(fā)出，當光線透過圓光柵和指示光柵的線紋后，在光電元件上形成

36、明暗相間按正弦規(guī)律分布的莫爾條紋，當圓光柵隨電機轉(zhuǎn)動時，莫爾條紋也相應(yīng)的移動，則光電元件上的光線強弱發(fā)生變化，光電元件將變化的光信號轉(zhuǎn)換成近似正弦波的電信號。Dl、D3為A組，D2、D4為 B組，每組的兩個光電元件在莫爾條紋光線上的對應(yīng)位置相位相差180度，兩組所對應(yīng)的元件D1與D2 (D3與 D4)在相位上相差 9O度。兩組光電元件產(chǎn)生相位相差90度正弦波的信號，兩組信號分別加到電壓比較器 Al、A2。以圖4.7中A相為例分析信號傳輸過程，在正弦波正半周時，A1同相端 IC1(LM339N 9腳)為高電平，反相端IC1(8腳)為低電平 (電位差只有零點幾伏)，經(jīng)比較器A1， ICl(14腳)

37、輸出高電平 (+5V)。相反，在正弦波的負半周，A1同相端 IC1(9腳)為低電平，反相端 ICl(8腳)為高電平，(14腳)輸出低電平 (OV)。Al的輸出 IC1(14腳)，直接送到 IC2(KS74HCTLS12N)的 3、4、5腳 (為三輸入端的與非門，三個輸入端接到一起作為非門電路使用)，IC2的6腳輸出經(jīng)R13，送到 IC3(MC3487N)的腳，經(jīng)功放處理，由IC3的 5、6腳輸出，6腳輸出信號與輸入信號相位一樣，腳輸出信號與輸入信號相位相反。電路中A、B相各主要對應(yīng)點的波形如圖所示 。 Z相是一轉(zhuǎn)脈沖，由光電元件D5產(chǎn)生，它是用來產(chǎn)生機床的基準點的。通常，數(shù)控機床的機械參考點與

38、各軸的脈沖編碼器發(fā)z相脈沖的位置是一致的。當數(shù)控車床主軸電機轉(zhuǎn)到機械參考點時，光電元件D5獲得光信號，電壓比較器A3反相端IC1(4腳)為低電平，A3的同相端 IC1(5腳)經(jīng)R9和 R10分壓后為定值電壓，此時A3輸出 IC1(2腳)為高電平。IC1(2腳)圖4.8 轉(zhuǎn)軸正轉(zhuǎn)時電路中各點對應(yīng)波的輸出經(jīng) R15送到 IC3(腳)，此時，IC3 l0腳輸出高電平，11腳輸出低電平。當主軸電機離開參考點后，A3輸出IC1(2腳)為低電平，IC1(2腳)的輸出經(jīng)R15送到 IC3(9腳)，此時IC3 10腳輸出低電平，1l腳輸出高電平。在應(yīng)用時，從脈沖編碼器輸出的A和B和四個方波被引入位置控制電路經(jīng)

39、辨向和乘以倍率后，變成代表位移的測量脈沖。經(jīng)頻率變換器變成正比于頻率的電壓，作為速度反饋信號，供給速度控制單元，進行速度調(diào)節(jié)。另外，轉(zhuǎn)軸正轉(zhuǎn)時電路中各點對應(yīng)波如圖4.8所示。.4.1.3 反光式光電轉(zhuǎn)速測量該測量系統(tǒng)也是由紅外線光電傳感器、信號處理電路、單片機以與數(shù)字顯示部分。和另外兩種方案不同的是，其感光檢測元件接收的是通過矩形泊片反射的紅外光，下面對其光學(xué)成像系統(tǒng)進行介紹。紅外光電傳感器發(fā)出的光，聚焦到被測的旋轉(zhuǎn)軸上，光由轉(zhuǎn)軸反射后，再聚焦到傳感器光電探測器的光敏面上。聚焦在旋轉(zhuǎn)軸上的光斑的大小直接影響到測量的靈敏度，在旋轉(zhuǎn)速度一定時如果光斑比較小，那么光斑渡越矩形反射區(qū)的時間很快，反應(yīng)到

40、脈沖波形上，上升沿將會比較陡峭。如果光斑比較大，那么光斑渡越矩形反射區(qū)的時間相對比較慢一些，因而其輸出的脈沖信號的上升沿將會有一定的坡度。對頻率測量來說，脈沖信號的上升沿越陡，頻率測量分辨率越高。因此，在進行反光式轉(zhuǎn)速測量時，反光泊片和光電探測器的光敏面的安裝、校對是比較復(fù)雜的。綜上所述，光電傳感器進行電機的轉(zhuǎn)速測量較另外兩種方法制造成本低，且測量精度滿足本設(shè)計的測量要求，硬件電路簡單，對于接觸式測量首選。反光式轉(zhuǎn)速測量，雖然測量前的校對復(fù)雜，但相對光電脈沖編碼器廉價，且測量精度高，線性度好，安裝方便，測量轉(zhuǎn)速圍較寬，對低速的測量也有相當高的精度，可用于各行業(yè)轉(zhuǎn)速的非接觸式的檢測和控制。根據(jù)被

41、測設(shè)備的不同情況，選擇合適的光電傳感器，進行測量。4.2 單片機芯片的選擇ATMEL公司的89C51系列產(chǎn)品是近年來在我國非常流行的單片機，符合本設(shè)計的單片機要求，芯片管腳圖如圖4.9所示。4.2.1 AT89C51的介紹圖4.9 AT89C51單片機 本控制系統(tǒng)選用AT89C51單片機，其主要性能如下：l 片有4KB閃速存儲器；l 128B的部RAM單元；l 兩個16位定時/計數(shù)器；l 中斷系統(tǒng)仍為5個中斷源，二級優(yōu)先結(jié)構(gòu)；l 4個8位I/O口，即32位可編程口線；l 可編程全雙工串行口；l 寬圍的工作電壓，的允許變化圍為2.7-6.0V；l 可設(shè)置為待機狀態(tài)和掉電狀態(tài)；l 振蕩器與時鐘電路

42、，全靜態(tài)工作方式，時鐘頻率可為0Hz-24MHz。 工作方式與控制字設(shè)置 定時/計數(shù)器本系統(tǒng)設(shè)計中，用于計數(shù)，選定為工作方式1（16位的計數(shù)方式），設(shè)計中，輸入外部脈沖，預(yù)置初值由公式（4.1）得：（-計數(shù)初值）*晶振周期*12=定時時間 （4.1）本系統(tǒng)設(shè)計中，被用于數(shù)碼管顯示與形成閘門信號，由于系統(tǒng)中用到六位數(shù)碼管，動態(tài)顯示時，一組數(shù)碼管顯示的總時間以不超過20ms為宜，但是為了方便，這里選擇的定時時間4ms，這里選用的工作狀態(tài)1（即M1M0=01時，定時器所選擇的狀態(tài)）。確定了定時/計數(shù)器的定時時間以后，就要計算定時初值，本系統(tǒng)用12MHz的晶振，恰好是一個機器周期為1，因此，4ms定時

43、時間意味著只要計數(shù)4000次即可，由于定時/計數(shù)器是向上計數(shù)，因此，要化為16進制，并分別送入的高8位和低8位。定時/計數(shù)器每4ms中斷一次，用以進行數(shù)碼管的顯示和每1秒讀取一次計數(shù)器中的數(shù)值。 定時/計數(shù)器的工作方式與控制定時/計數(shù)器的方式控制字TMOD，其地址為89H，復(fù)位值00H，不可位尋址，用于控制和的工作方式。其8位控制容如圖4.10：圖4.10 定時/計數(shù)器的8位控制容說明：GATE：門空位。由GATE、軟件控制位TR0/1和INT0/1共同決定定時/計數(shù)器T0/1的打開或關(guān)閉。當GATE=0，只要TR0/1=1即可啟動定時/計數(shù)器T0/1工作。GATE=1，只有INT0/1引腳為

44、高電平且用指令置TR0/1=1時，才能啟動定時/計數(shù)器T0/1的工作。：定時/計數(shù)器選擇位。=1，工作于計數(shù)器方式；=0工作于定時器方式。M1、M0：定時/計數(shù)器工作模式選擇位。M1M0=00,方式,0，13位計數(shù)；M1M0=01，方式1，16位計數(shù)；M1M0=10，方式2，常數(shù)自動重新裝入8位定時/計數(shù)器；M1M0=11，方式3，分為兩個8位計數(shù)器，僅適用于T0。 定時/計數(shù)器控制寄存器TCONTCON的地址88H，可進行位尋址，復(fù)位值00H。TCON用于控制定時器的啟動、停止以與表明定時器的溢出和中斷情況，定時/計數(shù)器控制寄存器TCON如圖4.11。圖4.11 定時/計數(shù)器控制寄存器TCO

45、NTF1：定時器1溢出標志，T1溢出時由硬件置1，并申請中斷，CPU相應(yīng)中斷后，又由硬件清0。TF1也可由軟件清0。TF0：定時器0溢出標志，功能與TF1一樣；TR1 ：定時器1運行控制位，可由軟件置1或清0來啟動或停止T1；TR0：定時器0運行控制位，功能與TR1一樣；IE0：外部中斷0請求標志；IE1：外部中斷1請求標志；IT1：外部中斷1觸發(fā)方式選擇位；IT0：外部中斷0觸發(fā)方式選擇位；當整機復(fù)位后，TCON中的各位均為0。 四個8位并行接口P0、P1、P2、P3四個端口的應(yīng)用有以下兩個特點：l 可以用來進行8位并行數(shù)據(jù)的輸入或輸出操作。每個端口部結(jié)構(gòu)都包括一個輸出鎖存器、一個輸出驅(qū)動器

46、和一個輸入緩沖器。輸入時，數(shù)據(jù)可以緩存；輸出時，數(shù)據(jù)可以鎖存。而且，這四個端口的每一條I/O先都可以獨立地用來進行輸入或輸出，即可以進行位操作。需要說明的是，這四個端口都是8位的準雙向口。所謂的準雙向口，是指該端口可以用來輸入，也可以用來輸出，但是，當輸入時，讀取引腳狀態(tài)前，應(yīng)先向?qū)?yīng)的鎖存器寫入“1”，用于輸入時，先向鎖存器寫“1”，使得并聯(lián)在引腳上的場效應(yīng)管FET截止，使引腳浮空，可作為高阻抗輸入。l 當P0、P2、P3不用做輸入/輸出端口時，他們分別有第二功能可以應(yīng)用。在89C51片外擴展存儲器或I/O接口時，P0端口分時作為低8位地址輸出和8位數(shù)據(jù)的輸入/輸出，P2端口送出高8位的地址

47、，P3端口中的P3.7和P3.6兩個引腳分別輸出讀（）、寫（）控制信號，這樣就構(gòu)成了控制片外存儲器或I/O接口的系統(tǒng)總線。 AT89C51部分結(jié)構(gòu)的介紹 時鐘電路單片機的時鐘電路由振蕩電路和分頻電路組成。其中振蕩電路由反相器以與并聯(lián)外接的石英晶體和電容組成，用于產(chǎn)生振蕩脈沖。而分頻電路則用于把振蕩脈沖分頻，以得到所需要的時鐘信號，如圖4.12所示。圖4.12 AT89C51單片機的時鐘電路框圖 振蕩電路AT89C51芯片中的高增益反相放大器，其輸入端為引腳XTAL1，輸入端為引腳XTAL2。通過這兩個引腳在芯片外接石英晶體振蕩器和兩只電容（電容C1和C2一般取30PF）。石英晶體為感性元件，與

48、電容構(gòu)成振蕩回路，為片放大器提供正反饋和振蕩所需的相移條件，從而構(gòu)成一個穩(wěn)定的自激振蕩器，如圖4.13所示。圖4.13 AT89C51單片機的振蕩電路 分頻電路振蕩電路產(chǎn)生的振蕩信號并不直接為單片機所用，要進行分頻，經(jīng)分頻后才能得到單片機各種相關(guān)的時鐘信號，振蕩脈沖經(jīng)過二分頻后作為系統(tǒng)的時鐘信號（注意時鐘信號與振蕩脈沖之間的二分頻關(guān)系，否則會造成概念上的錯誤），在二分頻的基礎(chǔ)上再三分頻產(chǎn)生ALE信號，在二分頻的基礎(chǔ)上再進行六分頻就得到機器周期信號。 復(fù)位電路復(fù)位電路用于產(chǎn)生復(fù)位信號，通過RST引腳送入單片機，進行復(fù)位操作。復(fù)位電路的好壞直接影響單片機自動工作的可靠性，因此，要重視復(fù)位電路的設(shè)計

49、和研究。目前，在單片機系統(tǒng)中共使用過4種類型的復(fù)位電路，分別為：積分電路型、微分電路型、比較型和看門狗型。其中前3種是在芯片外面用分立元件或集成電路芯片搭建成，而最后一種位于芯片部，是單片機芯片的一部分，下面介紹兩種復(fù)位方式。其一是按鍵電平復(fù)位，如圖4.14所示。圖4.14 按鍵電平復(fù)位其中，為200，為1，為22。其二是看門狗復(fù)位“看門狗”是系統(tǒng)可靠性設(shè)計中的重要環(huán)節(jié)。在一個單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，所謂的“看門狗”是指系統(tǒng)設(shè)計過軟件或硬件方式在一定的周期監(jiān)控單片機的運行狀況。如果在規(guī)定的時間沒有收到來自單片機的清楚信號，也就是通常所說的沒有與時“喂狗”，則系統(tǒng)會強制復(fù)位，以保證系統(tǒng)在受到干擾時仍能

50、維持正常工作狀態(tài)。Watchdog有如下特性：l 本身能獨立工作，基本上不依賴CPU；l CPU在正常工作時，每隔一個固定的時間間隔要和該系統(tǒng)打一次交道（喂一次狗），以表明系統(tǒng)目前正常。當CPU陷入死鎖后，監(jiān)視系統(tǒng)與時發(fā)覺并自動使系統(tǒng)復(fù)位。圖4.15 MAX813L看門狗復(fù)位根據(jù)上述描述，選擇“看門狗”復(fù)位，如圖4.15所示。復(fù)位操作有一些專用寄存器設(shè)置初始狀態(tài)、程序狀態(tài)字PSW清0、程序計數(shù)器PC被賦值為0000H以與為芯片的某些引腳設(shè)置電平狀態(tài)等容。復(fù)位操作之后，部分專用寄存器（SFR）的初始化狀態(tài)如表4.2所示：表4.2 部分專用寄存器初始化狀態(tài)SFR名稱初始化狀態(tài)SFR名稱初始化狀態(tài)P

51、C0000HTCON00HACC00HTL000HPSW00HTH000HSP07HTL100HDPTR0000HTH100HP0-P3FFHSCON00HIP*00000BSBUF*BIE0*000000BPCON0*BTMOD00H4.2.2 單片機低功耗工作模式 單片機低功耗的意義低功耗對單片機的意義主要體現(xiàn)在以下幾個方面： 只有降低功耗才有可能既使用輕便電源又保證長期供電，這對于便攜式設(shè)備和掌上智能設(shè)備（PDA）中使用的單片機十分必要。功耗可低至用紐扣電池就可以為其長期供電，5-10年才更換一次電池。 低功耗可降低芯片的發(fā)熱量，電路中元器件的排列才可能更加緊密，從而有利于提高芯片的集成

52、密度，并降低芯片的封裝成本。 由于低功耗芯片工作時發(fā)熱量少，進而有利于提高芯片工作的可靠性。 單片機芯片的低功耗，有效地促進了單片機系統(tǒng)的整體低功耗化。在設(shè)計單片機系統(tǒng)時必須把低功耗作為一個目標，采用低功耗電路設(shè)計方法，選用低功耗的外擴展部件，例如，液晶顯示器等。 兩種低功耗工作模式 待機模式如果使用指令把電源控制寄存器PCON的IDL位（PCON.0）置1，單片機就進入待機模式。待機模式的主要特點是關(guān)閉CPU，辦法是阻斷向CPU提供時鐘信號的通路。CPU因得不到時鐘信號而停止工作，同時，與CPU相關(guān)的SP、PC、PSW、ACC以與各寄存器等也被“凍結(jié)”在原狀態(tài)。待機模式的典型例子是液晶顯示器

53、LCD處于靜止不變的顯示過程，此時因用不著CPU而只需外圍接口電路工作，所以單片機可以進入待機模式。退出待機模式的方法是復(fù)位。加在RST引腳上的有效復(fù)位信號同樣也能將電源控制寄存器的PCON.0位清零，從而使單片機退出待機模式，進入程序運行模式。PCON寄存器的位格式表示如圖4.16所示：D7D6D5D4D3D2D1D0SMODGF1GF0PDIDL圖4.16 PCON寄存器的位格式SMOD：波特率倍增位，進行波特率加倍處理，在串行通信時才使用。GFO：通用標志位。GF1：通用標志位。PD：掉電方式位，PD=1，則進入掉電方式。IDL：待機模式位，IDL=1，則進入待機模式。 掉電模式PCON寄存器中PD位的狀態(tài)控制單片機進入掉電模式，PD=1，則進入掉電模式，在掉電模式下，振蕩器停振，單片機停止工作，但部RAM單元的容能被保存。退出掉電模式狀態(tài)的唯一方法是硬件復(fù)位。復(fù)位信號應(yīng)維持足夠時間（大約10），以使振蕩器能起振并穩(wěn)定下來。復(fù)位操作將使系統(tǒng)重新初始化，并從頭執(zhí)行程序，但部RAM中仍保持掉電前的容。此時仍然存在，正因為如此部RAM單元的容才能得以保存。4.3 鍵盤顯示模塊設(shè)計圖4.17 按鍵原理圖按鍵的功能，如圖4.17所示。 按K0為清零、復(fù)位，K0與89C51的P1.0連接。 按K1顯示計時時間，K1與89C5