傳感器測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)學(xué)生姓名：學(xué)號(hào)：學(xué)院：班級(jí)：題目：傳感器測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì),_、.一一一，_.一一指導(dǎo)教師：窗一職稱:副教授年12月26日摘要例如在發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)、卷?yè)P(yáng)機(jī)、在工程實(shí)踐中，經(jīng)常會(huì)遇到各種需要測(cè)量轉(zhuǎn)速的場(chǎng)合，機(jī)床主軸等旋轉(zhuǎn)設(shè)備的試驗(yàn)、運(yùn)轉(zhuǎn)和控制中，常需要分時(shí)或連續(xù)測(cè)量和顯示其轉(zhuǎn)速及瞬時(shí)轉(zhuǎn)速。要測(cè)速，首先要解決是采樣問(wèn)題。在使用模技術(shù)制作測(cè)速表時(shí)，常用測(cè)速發(fā)電機(jī)的方法，即將測(cè)速發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸與待測(cè)軸相連，測(cè)速發(fā)電機(jī)的電壓高低反映了轉(zhuǎn)速的高低。為了能精確地測(cè)量轉(zhuǎn)速外，還要保證測(cè)量的實(shí)時(shí)性，要求能測(cè)得瞬時(shí)轉(zhuǎn)速方法。因此轉(zhuǎn)速的測(cè)試具有重要的意義。關(guān)鍵詞：電動(dòng)機(jī)，單片機(jī)，傳感器，晶振電路，流程圖目錄1

2、概述31.1 本課題設(shè)計(jì)的目的和意義31.2 數(shù)字式轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)的發(fā)展背景32單片機(jī)42.1單片機(jī)AT89C51介紹43系統(tǒng)方案提出和論證（傳感器的選擇）73.1 方案一霍爾傳感器測(cè)量方案73.2 方案二光電傳感器84轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)的原理94.1 轉(zhuǎn)速測(cè)量方法94.2 轉(zhuǎn)速測(cè)量原理95系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)115.1 轉(zhuǎn)速信號(hào)采集115.2 轉(zhuǎn)速信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)135.3 最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)145.3.1 復(fù)位電路（圖4.8）145.3.2 晶振電路165.3.3 最小系統(tǒng)的仿真17總結(jié)18參考文獻(xiàn)191概述1.1 本設(shè)計(jì)課題的目的和意義在工程實(shí)踐中，經(jīng)常會(huì)遇到各種需要測(cè)量轉(zhuǎn)速的場(chǎng)合，例如在發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)、卷

3、揚(yáng)機(jī)、機(jī)床主軸等旋轉(zhuǎn)設(shè)備的試驗(yàn)、運(yùn)轉(zhuǎn)和控制中，常需要分時(shí)或連續(xù)測(cè)量和顯示其轉(zhuǎn)速及瞬時(shí)轉(zhuǎn)速。要測(cè)速，首先要解決是采樣問(wèn)題。在使用模技術(shù)制作測(cè)速表時(shí)，常用測(cè)速發(fā)電機(jī)的方法，即將測(cè)速發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸與待測(cè)軸相連，測(cè)速發(fā)電機(jī)的電壓高低反映了轉(zhuǎn)速的高低。為了能精確地測(cè)量轉(zhuǎn)速外，還要保證測(cè)量的實(shí)時(shí)性，要求能測(cè)得瞬時(shí)轉(zhuǎn)速方法。因此轉(zhuǎn)速的測(cè)試具有重要的意義。這次設(shè)計(jì)內(nèi)容包含知識(shí)全面，對(duì)傳感器測(cè)量發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的不同的方法及原理設(shè)計(jì)有較多介紹，在測(cè)量系統(tǒng)中能學(xué)到關(guān)于測(cè)量轉(zhuǎn)速的傳感器采樣問(wèn)題，單片機(jī)部分的內(nèi)容，顯示部分等各個(gè)模塊的通信和聯(lián)調(diào)。全面了解單片機(jī)和信號(hào)放大的具體內(nèi)容。進(jìn)一步鍛煉我們?cè)谛盘?hào)采集，處理，顯示發(fā)面的實(shí)

4、際工作能力。1.2 數(shù)字式轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)的發(fā)展背景目前國(guó)內(nèi)外測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速的方法很多，按照不同的理論方法，先后產(chǎn)生過(guò)模擬測(cè)速法（如離心式轉(zhuǎn)速表、用電機(jī)轉(zhuǎn)矩或者電機(jī)電樞電動(dòng)勢(shì)計(jì)算所得卜同步測(cè)速法（如機(jī)械式或閃光式頻閃測(cè)速儀）以及計(jì)數(shù)測(cè)速法。計(jì)數(shù)測(cè)速法又可分為機(jī)械式定時(shí)計(jì)數(shù)法和電子式定時(shí)計(jì)數(shù)法。傳統(tǒng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)多采用測(cè)速發(fā)電機(jī)或光電數(shù)字脈沖編碼器，也有采用電磁式（利用電磁感應(yīng)原理或可變磁阻的霍爾元件等卜電容式（對(duì)高頻振蕩進(jìn)行幅值調(diào)制或頻率調(diào)制）等,還有一些特殊的測(cè)速器是利用置于旋轉(zhuǎn)體內(nèi)的放射性材料來(lái)發(fā)生脈沖信號(hào).其中應(yīng)用最廣的是光電式，光電式測(cè)系統(tǒng)具有低慣性、低噪聲、高分辨率和高精度的優(yōu)點(diǎn).加之激光

5、光源、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(cè)和控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。而采用光電傳感器的電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量準(zhǔn)確度高、采樣速度快、測(cè)量范圍寬和測(cè)量精度與被測(cè)轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。2單片機(jī)2.1單片機(jī)AT89C51介紹AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器(FPEROMFalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory)的低電壓，高性能CMOS8位微處理器,俗稱單片機(jī)1。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位C

6、PU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。圖21是常用的一種單片機(jī)，型號(hào)為AT89C51,它將計(jì)算機(jī)的功能都集成到這個(gè)芯片內(nèi)部去了，就這么一個(gè)小小的芯片就能構(gòu)成一臺(tái)小型的電腦，因此叫做單片機(jī)。圖21AT89C51芯片它有40個(gè)管腳，分成兩排，每一排各有20個(gè)腳，其中左下角標(biāo)有箭頭的為第1腳，然后按逆時(shí)針?lè)较蛞来螢榈?腳、第3腳,，第40腳。在40個(gè)管腳中，其中有32個(gè)腳可用于各種控制，比如控制小燈的亮與滅、控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)、控制電梯的升與降等，這32個(gè)腳叫做單片機(jī)的“端口”，在單片機(jī)技術(shù)中，每個(gè)端口都

7、有一個(gè)特定的名字，比如第一腳的那個(gè)端口叫做“P1.0”。EUD)P3.0E(hP3I；(T5TB)P12(ro>pn(n(TUP.<5T34醺)?ji*循ATB9C51PQ.G/KWpo.i/(A0nPQ.?'iWJPO.3,UD3)P<k4/(AW)P&S/(ADJ)P/6/f.Wt1POlT/IJUH)£ji/VPPALE/PiOCPSF?PJ.7/1,-iP246/(A14>P2.5"AIM憶4川2)P2,2/(A10)HAU圖22AT89C51管腳分布 VCC:供電電壓， GND:接地。 P0口:P0口為一個(gè)8位漏級(jí)開(kāi)路雙向I

8、/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時(shí)，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時(shí)，P0口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校3時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí)P0外部必須被拉高。 P1:P1是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口作為第八位地址接收。 P2:P2為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個(gè)TTL門電流，當(dāng)

9、P2口被寫“1時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。 P3:P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的

10、緣故。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口。P3口管腳備選功能： P3.0RXD（串行輸入口） P3.1TXD（串行輸出口） P3.2/INT0（外部中斷0） P3.3/INT1（外部中斷1） P3.4T0（記時(shí)器0外部輸入） P3.5T1（記時(shí)器1外部輸入） P3.6/WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通） P3.7/RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通） P3口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。 RST:復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。 ALE/PROG:當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入

11、編程脈沖。在平時(shí)，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過(guò)一個(gè)ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時(shí)，ALE只有在執(zhí)行MOVX,MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無(wú)效。 PSEN:外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次/PSEN有效。但在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的/PSEN信號(hào)將不出現(xiàn)。 EA/VPP:當(dāng)/EA保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（

12、0000H-FFFFH）,不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式1時(shí)，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET;當(dāng)/EA端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。 XTAL1:反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。 XTAL2:來(lái)自反向振蕩器的輸出。振蕩器特性：XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件，XTAL2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)要通過(guò)一個(gè)二分頻觸發(fā)器，因此對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的脈寬無(wú)任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。芯片擦除

13、：整個(gè)PEROM陣列和三個(gè)鎖定位的電擦除可通過(guò)正確的控制信號(hào)組合，并保持ALE管腳處于低電平10ms來(lái)完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫“1且在任何非空存儲(chǔ)字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。此外，AT89C51設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，CPU停止工彳但RAM,定時(shí)器，計(jì)數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存RAM的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個(gè)硬件復(fù)位為止。3系統(tǒng)方案提由和論證（傳感器的選擇）轉(zhuǎn)速測(cè)量的方案選擇，一般要考慮傳感器的結(jié)構(gòu)、安裝以及測(cè)速范圍與環(huán)境條件等方面的適用性；再就是二次儀表的

14、要求，除了顯示以外還有控制、通訊和遠(yuǎn)傳方面的要求。本說(shuō)明書(shū)中給出兩種轉(zhuǎn)速測(cè)量方案，經(jīng)過(guò)查資料、構(gòu)思和設(shè)計(jì)，總體電路我們有兩套設(shè)計(jì)方案，部分重要模塊也考慮了其它設(shè)計(jì)方法，經(jīng)過(guò)分析，從實(shí)現(xiàn)難度、熟悉程度、器件用量等方面綜合考慮，我們才最終選擇了一個(gè)方案。下面就看一下我們對(duì)兩套設(shè)計(jì)方案的簡(jiǎn)要說(shuō)明。3.1 方案一：霍爾傳感器測(cè)量方案霍爾傳感器是利用霍爾效應(yīng)進(jìn)行工作的？其核心元件是根據(jù)霍爾效應(yīng)原理制成的霍爾元件。本文介紹一種泵驅(qū)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速采用霍爾轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)量。霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖如圖31,霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的接線圖如圖32。傳感器的定子上有2個(gè)互相垂直的繞組A和B,在繞組的中心線上粘有霍爾片HA和H

15、B，轉(zhuǎn)子為永久磁鋼，霍爾元件HA和HB的激勵(lì)電機(jī)分別與繞組A和B相連，它們的霍爾電極串聯(lián)后作為傳感器的輸出。圖3-1霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖圖3-2霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的接線圖缺點(diǎn)：采用霍爾傳感器在信號(hào)采樣的時(shí)候，會(huì)出現(xiàn)采樣不精確，因?yàn)樗强看判愿袘?yīng)才采集脈沖的，使用時(shí)間長(zhǎng)了會(huì)出現(xiàn)磁性變小，影響脈沖的采樣精度。3.2 方案二：光電傳感器整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的組成框圖如圖33所示。從圖中可見(jiàn)，轉(zhuǎn)子由一直流調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的無(wú)級(jí)調(diào)速。轉(zhuǎn)速信號(hào)由光電傳感器拾取，使用時(shí)應(yīng)先在轉(zhuǎn)子上做好光電標(biāo)記，具體辦法可以是：將轉(zhuǎn)子表面擦干凈后用黑漆（或黑色膠布）全部涂黑，再將一塊反光材料貼在其上作為光電標(biāo)記，然

16、后將光電傳感器（光電頭）固定在正對(duì)光電標(biāo)記的某一適當(dāng)距離處。光電頭采用低功耗高亮度LED，光源為高可靠性可見(jiàn)紅光，無(wú)論黑夜還是白天，或是背景光強(qiáng)有大范圍改變都不影響接收效果。光電頭包含有前置電路，輸出05V的脈沖信號(hào)。接到單片機(jī)89C51的相應(yīng)管腳上，通過(guò)89C51內(nèi)部定時(shí)/計(jì)時(shí)器T0、T1及相應(yīng)的程序設(shè)計(jì)，組成一個(gè)數(shù)字式轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)。LED顯示89c51圖33測(cè)量系統(tǒng)的組成框圖優(yōu)點(diǎn)：這種方案使用光電轉(zhuǎn)速傳感器具有采樣精確，采樣速度快，范圍廣的特點(diǎn)。綜上所述，方案二使用光電傳感器來(lái)作為本設(shè)計(jì)的最佳選擇方案。4轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)的原理4.1 轉(zhuǎn)速測(cè)量方法轉(zhuǎn)速是指作圓周運(yùn)動(dòng)的物體在單位時(shí)間內(nèi)所轉(zhuǎn)過(guò)的圈數(shù)

17、，其大小及變化往往意味著機(jī)器設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的正常與否，因此，轉(zhuǎn)速測(cè)量3一直是工業(yè)領(lǐng)域的一個(gè)重要問(wèn)題。按照不同的理論方法，先后產(chǎn)生過(guò)模擬測(cè)速法(如離心式轉(zhuǎn)速表)、同步測(cè)速法(如機(jī)械式或閃光式頻閃測(cè)速儀)以及計(jì)數(shù)測(cè)速法。計(jì)數(shù)測(cè)速法又可分為機(jī)械式定時(shí)計(jì)數(shù)法和電子式定時(shí)計(jì)數(shù)法。本文介紹的采用單片機(jī)和光電傳感器組成的高精度轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)，其轉(zhuǎn)速測(cè)量方法采用的就是電子式定時(shí)計(jì)數(shù)法。對(duì)轉(zhuǎn)速的測(cè)量實(shí)際上是對(duì)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)引起的周期脈沖信號(hào)的頻率進(jìn)行測(cè)量。在頻率的工程測(cè)量中，電子式定時(shí)計(jì)數(shù)測(cè)量頻率的方法一般有三種：測(cè)頻率法：在一定時(shí)間間隔t內(nèi)，計(jì)數(shù)被測(cè)信號(hào)的重復(fù)變化次數(shù)N,則被測(cè)信號(hào)的頻率僅可表不為fx=Nt(4-1)測(cè)周期

18、法：在被測(cè)信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)，計(jì)數(shù)時(shí)鐘脈沖數(shù)m0，則被測(cè)信號(hào)頻率fx=fc/m0，其中，fc為時(shí)鐘脈沖信號(hào)頻率。多周期測(cè)頻法：在被測(cè)信號(hào)ml個(gè)周期內(nèi)，計(jì)數(shù)時(shí)鐘脈沖數(shù)m2，從而得到被測(cè)信號(hào)頻率fx,則僅可以表示為fx=m1fcm2,ml由測(cè)量準(zhǔn)確度確定。電子式定時(shí)計(jì)數(shù)法測(cè)量頻率時(shí)，其測(cè)量準(zhǔn)確度主要由兩項(xiàng)誤差來(lái)決定：一項(xiàng)是時(shí)基誤差；另一項(xiàng)是量化土1誤差。當(dāng)時(shí)基誤差小于量化土1誤差一個(gè)或兩個(gè)數(shù)量級(jí)時(shí)，這時(shí)測(cè)量準(zhǔn)確度主要由量化土1誤差來(lái)確定。對(duì)于測(cè)頻率法，測(cè)量相對(duì)誤差為：Er1=測(cè)量誤差值實(shí)際測(cè)量值X100%=1NX100%(4-2)由此可見(jiàn)，被測(cè)信號(hào)頻率越高，N越大，Er1就越小，所以測(cè)頻率法適用于高

19、頻信號(hào)(高轉(zhuǎn)速信號(hào))的測(cè)量。對(duì)于測(cè)周期法，測(cè)量相對(duì)誤差為：Er2=測(cè)量誤差值實(shí)際測(cè)量值X100%=1m0X100%(4-3)對(duì)于給定的日鐘脈沖fc,當(dāng)被測(cè)信號(hào)頻率越低時(shí),m0越大，Er2就越小，所以測(cè)周期法適用于低頻信號(hào)(低轉(zhuǎn)速信號(hào))的測(cè)量。對(duì)于多周期測(cè)頻法，測(cè)量相對(duì)誤差為：Er3=測(cè)量誤差值實(shí)際測(cè)量值100%=1m2X100%(4-4)從上式可知，被測(cè)脈沖信號(hào)周期數(shù)m1越大，m2就越大，則測(cè)量精度就越高。它適用于高、低頻信號(hào)(高、低轉(zhuǎn)速信號(hào))的測(cè)量。但隨著精度和頻率的提高，采樣周期將大大延長(zhǎng)，并且判斷m1也要延長(zhǎng)采樣周期，不適合實(shí)時(shí)測(cè)量。根據(jù)以上的討論，考慮到實(shí)際應(yīng)用中需要測(cè)量的轉(zhuǎn)速范圍很寬

20、，上述的轉(zhuǎn)速測(cè)量方法難以滿足要求，因此，研究高精度的轉(zhuǎn)速測(cè)量方法，以同時(shí)適用于高、低轉(zhuǎn)速信號(hào)的測(cè)量，不僅具有重要的理論意義，也是實(shí)際生產(chǎn)中的需要。4.2 轉(zhuǎn)速測(cè)量原理一般的轉(zhuǎn)速長(zhǎng)期測(cè)量系統(tǒng)是預(yù)先在軸上安裝一個(gè)有60齒的測(cè)速齒盤，用變磁阻式或電渦流式傳感器獲得一轉(zhuǎn)60倍轉(zhuǎn)速脈沖，再用測(cè)頻的辦法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速測(cè)量。而臨時(shí)性轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)，多采用光電傳感器，從轉(zhuǎn)軸上預(yù)先粘貼的一個(gè)標(biāo)志上獲得一轉(zhuǎn)一個(gè)轉(zhuǎn)速脈沖，隨后利用電子倍頻器和測(cè)頻方法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速測(cè)量4。不論長(zhǎng)期或臨日轉(zhuǎn)速測(cè)量，都可以在微處理器的參與下，通過(guò)測(cè)量轉(zhuǎn)軸上預(yù)留的一轉(zhuǎn)一齒的鑒相信號(hào)或光電信號(hào)的周期，換算出轉(zhuǎn)軸的頻率或轉(zhuǎn)速。即通過(guò)速度傳感器，將轉(zhuǎn)速信號(hào)變

21、為電脈沖，利用微機(jī)在單位時(shí)間內(nèi)對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，再經(jīng)過(guò)軟件計(jì)算獲得轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)。即：n=N/(mT)(4-5) n轉(zhuǎn)速、單位：轉(zhuǎn)/分鐘； N采樣時(shí)間內(nèi)所計(jì)脈沖個(gè)數(shù)； T采樣時(shí)間、單位：分鐘； m每旋轉(zhuǎn)一周所產(chǎn)生的脈沖個(gè)數(shù)(通常指測(cè)速碼盤的齒數(shù))。如果m=60,那么1秒鐘內(nèi)脈沖個(gè)數(shù)N就是轉(zhuǎn)速n,即：n=N/(mT)=N/60X1/60=N(4-6) 通常m為60。在對(duì)轉(zhuǎn)速波動(dòng)較快系統(tǒng)或要求動(dòng)態(tài)特性好而精度高的轉(zhuǎn)速測(cè)控系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)周期一般很短,相應(yīng)的采樣周期需取得很小，使得脈沖當(dāng)量增高，從而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)測(cè)量精度降低，難以滿足測(cè)控要求。提高采樣速率通常就要減小采樣時(shí)間T,而T的減小會(huì)使采到的脈沖數(shù)值N下降

22、,導(dǎo)致脈沖當(dāng)量(每個(gè)脈沖所代表的轉(zhuǎn)速)增高，從而使得測(cè)量精度變得粗糙。通過(guò)增加測(cè)速碼盤的齒數(shù)可以提高精度，但是碼盤齒數(shù)的增加會(huì)受到加工工藝的限制，同時(shí)會(huì)使轉(zhuǎn)速測(cè)量脈沖的頻率增高，頻率的提升又會(huì)受到傳感器中光電器或磁敏器或磁電器件最高工作頻率的限制。凡此種種因素限制了常規(guī)智能轉(zhuǎn)速測(cè)量方法的使用范圍。而采用本文所提出的定時(shí)分時(shí)雙頻率采樣法，可在保證采樣精度的同時(shí)，提高采樣速率，充分發(fā)揮微機(jī)智能測(cè)速方法的優(yōu)越性及靈活性。圖41系統(tǒng)原理圖各部分模塊的功能：傳感器：用來(lái)對(duì)信號(hào)的采樣。在送入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理LED放大、整形電路：對(duì)傳感器送過(guò)來(lái)的信號(hào)進(jìn)行放大和整形,轉(zhuǎn)換。單片機(jī)：對(duì)處理過(guò)的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換成

23、轉(zhuǎn)速的實(shí)際值，送入LED顯示：用來(lái)對(duì)所測(cè)量到的轉(zhuǎn)速進(jìn)行顯示。105系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)提高，尤其是單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)以及功能強(qiáng)大，價(jià)格低廉的顯著特點(diǎn)，是全數(shù)字化測(cè)量轉(zhuǎn)度系統(tǒng)得一廣泛應(yīng)用。出于單片機(jī)在測(cè)量轉(zhuǎn)速方面具有體積小、性能強(qiáng)、成本低的特點(diǎn)，越來(lái)越受到企業(yè)用戶的青睞。對(duì)測(cè)量轉(zhuǎn)速系統(tǒng)的硬件和編程進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)出一種以單片機(jī)為主的轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)，保證了測(cè)量精度。5.1轉(zhuǎn)速信號(hào)采集在設(shè)計(jì)中采用光電彳感器采集信號(hào)，這種傳感器是把旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速變?yōu)橄鄳?yīng)頻率的脈沖，然后用測(cè)量電路測(cè)出頻率，由頻率值就可知道所側(cè)轉(zhuǎn)素值。這種測(cè)量方法具有傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠、測(cè)量精度高的特點(diǎn)。是目前常用的一種測(cè)量轉(zhuǎn)速

24、的方法。從光源發(fā)出的光通過(guò)測(cè)速齒盤上的齒槽照射到光電元件上，使光電元件感光。測(cè)速齒盤上有30個(gè)齒槽，當(dāng)測(cè)速齒槽旋轉(zhuǎn)一周，光敏元件就能感受與開(kāi)孔數(shù)相等次數(shù)的光次數(shù)。對(duì)于被測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速在03600r/min的來(lái)說(shuō)，每轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生30個(gè)電脈沖信號(hào)，因此，傳感器輸出波形的頻率的大小為：0Hz<f<1800Hz（5-1）測(cè)速齒盤裝在發(fā)射光源（紅外線發(fā)光二極管）與接收光源的裝置（紅外線接收二極管）之間，紅外線發(fā)光二極管（規(guī)格IR3401）負(fù)責(zé)發(fā)出光信號(hào)，紅外線接收三極管（規(guī)格3DU12）負(fù)責(zé)接收發(fā)出的光信號(hào)，產(chǎn)生電信號(hào)，每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒，光的明暗變化經(jīng)歷了一個(gè)正弦周期，即產(chǎn)生了正弦脈沖電信號(hào)。圖51

25、所示為轉(zhuǎn)速傳感器電路，由于紅外光不可見(jiàn)，無(wú)法用肉眼識(shí)別發(fā)光信號(hào)是否在工作，故將紅外線的輸出回路串接了一個(gè)普通光電二極管作為判別光源發(fā)生回路是否為通路。所選用的紅外二極管IR3401,在正向工作電流為20mA時(shí)淇導(dǎo)通電壓為1.21.5V,所選用的發(fā)光二極管的正向壓降一般為1.52.0V,電流為10-20mAoR的計(jì)算公式為：R1=（12V-Ud1-Ud2）/I1計(jì)算得：Rmin=425Q;Rmin=465Q。設(shè)定中所選阻值為430a（Rmin<R<Rmax）。轉(zhuǎn)速傳感器輸出電壓幅度在01.6mV呈正弦波變化，由此可見(jiàn)，紅外線接收三極管的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電彳t號(hào)的電壓Uo很微弱（一般為mV

26、量級(jí)，需要進(jìn)行信號(hào)處理.11圖51轉(zhuǎn)速傳感器電路圖（1）光電傳感器是應(yīng)用非常廣泛的一種器件，有各種各樣的形式，如透射式、反射式等，基本的原理就是當(dāng)發(fā)射管光照射到接收管時(shí)，接收管導(dǎo)通，反之關(guān)斷。以透射式為例，如圖5.1所示，當(dāng)不透光的物體擋住發(fā)射與接收之間的間隙時(shí)，開(kāi)關(guān)管關(guān)斷，否則打開(kāi)。為此，可以制作一個(gè)遮光葉片，安裝在轉(zhuǎn)軸上，當(dāng)扇葉經(jīng)過(guò)時(shí)，產(chǎn)生脈沖信號(hào)。當(dāng)葉片數(shù)較多時(shí)，旋轉(zhuǎn)一周可以獲得多個(gè)脈沖信號(hào)。J1圖52光電傳感器的原理圖圖5-3遮光葉片（2）選用的傳感器型號(hào)為SZGB-3（單向）SZGB-3型傳感器特點(diǎn)介紹如下：1）供單向計(jì)數(shù)器使用，測(cè)量轉(zhuǎn)速和線速度.2）采用密封結(jié)構(gòu)性能穩(wěn)定.3）光源用

27、紅外發(fā)光管，功耗小，壽命長(zhǎng).1.1 SZGB-3,20電源電壓為12VDCSZGB-3型傳感器主要性能介紹如下：SZGB-3.型光電轉(zhuǎn)速傳感器，使用時(shí)通過(guò)連軸節(jié)與被測(cè)轉(zhuǎn)軸連接，當(dāng)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，將轉(zhuǎn)角位移轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào)，供二次儀表計(jì)數(shù)使用。1）輸出脈沖數(shù)：60脈沖（每一轉(zhuǎn)）122）輸出信號(hào)幅值：50r/min時(shí)300mV3）測(cè)速范圍：50-5000r/min4）使用時(shí)間：可連續(xù)使用，使用中勿需加潤(rùn)滑油5）工作環(huán)境：溫度-1040C,相對(duì)濕度W85%無(wú)腐蝕性氣體1.2 轉(zhuǎn)速信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速信號(hào)處理電路包括信號(hào)放大電路、整形及三極管整形電路。由于產(chǎn)生的電壓信號(hào)很小，所以要進(jìn)行放大處理，一般要放大

28、至少1000倍（60dB）,然后在進(jìn)行信號(hào)處理工作。信號(hào)放大裝置選用運(yùn)算放大器TL084作為放大電壓放大元件，采用兩級(jí)放大電路，每一級(jí)都采用反向比例運(yùn)算電路如圖4.4.設(shè)計(jì)的電壓放大倍數(shù)為3000倍。其中第一級(jí)放大倍數(shù)為30,第二級(jí)放大倍數(shù)為100.放大后電壓變化范圍為04.8V。TL084采用12V雙電源供電，由于電源的供電電壓在一定范圍內(nèi)有副值上的波動(dòng)，形成干擾信號(hào)。為起到消除干擾，實(shí)現(xiàn)濾波作用，故供電電源兩端需接10UF的電容接地，電容選擇金屬化聚丙已烯膜電容。兩級(jí)運(yùn)放放大所采用的供電電源均采用此接法。圖5-4信號(hào)處理電路圖整形電路的主要作用是將正弦波信號(hào)轉(zhuǎn)化為方波脈沖信號(hào)，正弦波信號(hào)電

29、壓的最大幅值約為4.8V,最小幅值為0V。整形電路設(shè)計(jì)的是一種滯回電壓比較器，它具有慣性，起到抗干擾的作用。從而向輸入端輸入的滯回比較器。在整形電路的輸入端接一個(gè)電容C7（103）,起到的作用是阻止其他信號(hào)的干擾，并且將放大的信號(hào)進(jìn)行濾波，解耦。R11和R17是防止電路短路，起到保護(hù)電路的作用。第一次整形后的信號(hào)基本上為土5V的電平的脈沖信號(hào)，在脈沖計(jì)數(shù)時(shí)，常用的是+5V的脈沖信號(hào)。如果直接采用-5V的脈沖計(jì)數(shù)，會(huì)增加電路的復(fù)雜性，故一般不直接使用，而是先進(jìn)行二次整形。第二次用三極管整形電路，當(dāng)輸出為-5V的信號(hào)時(shí)，三極管VT2（8050）的基-射極和電阻R18組成并聯(lián)電路電流經(jīng)過(guò)R18.R1

30、7,三極管VT2處于反向偏置狀態(tài)，所以，VT2的集-射極未接通，故處于截止?fàn)顟B(tài)。電源回路由R19,三極管VT2的集-射極組成，采用單電源+12V供電，由于集射極截止，處于斷路狀態(tài)，故輸出電壓U0為+12V。當(dāng)?shù)谝淮握屋敵鰹?5V的信號(hào)時(shí)，三極管VT2基-射極處于正向偏置狀態(tài)，有電流I通過(guò)，故此時(shí)三極管的集-射極處于通路狀態(tài)。電源電流流經(jīng)電阻R19,三極管的集-射極到地端，由于集-射極導(dǎo)通時(shí)的電阻很小，可以忽略不計(jì)。電源電壓主要在R19上，其輸出電壓約為0V。綜上所述，13三極管整形的電路的輸入關(guān)系是：信號(hào)為-5V時(shí)，U0=+12V;信號(hào)為+5V時(shí)，U0=0V。1.3 最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1.3.1

31、 復(fù)位電路（圖55）:MCS-51單片機(jī)復(fù)位電路是指單片機(jī)6的初始化操作。單片機(jī)啟運(yùn)運(yùn)行時(shí)，都需要先復(fù)位，其作用是使CPU和系統(tǒng)中其他部件處于一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開(kāi)始工作。因而，復(fù)位是一個(gè)很重要的操作方式。但單片機(jī)本身是不能自動(dòng)進(jìn)行復(fù)位的，必須配合相應(yīng)的外部電路才能實(shí)現(xiàn)。XTAL1XTAI2RBT口/13.4，石才P口0R閱H1VAB1raZARZ2*陽(yáng)ra.wAttp口部海raAKpa.7wpzm6吐11fleFZACP2以1FZ,12F2SAGPZM”P27W1S口ngPS.IfWpisnnnfmHTEFt<K?35rn門而KP3.7M圖55復(fù)位電路復(fù)位功能：復(fù)位電路的基

32、本功能是：系統(tǒng)上電時(shí)提供復(fù)位信號(hào)，直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后，撤銷復(fù)位信號(hào)。為可靠起見(jiàn)，電源穩(wěn)定后還要經(jīng)一定的延時(shí)才撤銷復(fù)位信號(hào)，以防電源開(kāi)關(guān)或電源插頭分-合過(guò)程中引起的抖動(dòng)而影響復(fù)位。單片機(jī)的復(fù)位是由外部的復(fù)位電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的。片內(nèi)復(fù)位電路是復(fù)位引腳RST通過(guò)一個(gè)斯密特觸發(fā)器與復(fù)位電路相連，斯密特觸發(fā)器用來(lái)抑制噪聲，它的輸出在每個(gè)機(jī)器周期的S5P2,由復(fù)位電路采樣一次。復(fù)位電路通常采用上電自動(dòng)復(fù)位（如圖55（a）和按鈕復(fù)位（如圖55（b）兩種方式。14(外上電復(fù)位電箔(b)按腱復(fù)位電路圖56復(fù)位電路單片機(jī)復(fù)位后的狀態(tài)單片機(jī)的復(fù)位操作使單片機(jī)進(jìn)入初始化狀態(tài)，其中包括使程序計(jì)數(shù)器PC=0000H,這表明程序

33、從0000H地址單元開(kāi)始執(zhí)行。單片機(jī)冷啟動(dòng)后，片內(nèi)RAM為隨機(jī)值，運(yùn)行中的復(fù)位操作不改變片內(nèi)RAM區(qū)中的內(nèi)容，21個(gè)特殊功能寄存器復(fù)位后的狀態(tài)為確定值，值得指出的是，記住一些特殊功能寄存器復(fù)位后的主要狀態(tài)，對(duì)于了解單片機(jī)的初態(tài)，減少應(yīng)用程序中的初始化部分是十分必要的。說(shuō)明：表5-3-1中符號(hào)*為隨機(jī)狀態(tài)：表531寄存器復(fù)位后狀態(tài)表特殊功能寄存器初始狀態(tài)特殊功能寄存器初始狀態(tài)A00HTMOD00HB00HTCON00HPSW00HTH000HSP07HTL000HDPL00HTH100HDPH00HTL100HP0P3FFHSBUF不定IP*00000BSCON00HIE0*00000BPCON

34、0*B15PSW=00H,表明選寄存器0組為工作寄存器組；SP=07H,表明堆棧指針指向片內(nèi)RAM07H字節(jié)單元，根據(jù)堆棧操作的先加后壓法則，第一個(gè)被壓入的內(nèi)容寫入到08H單元中；Po-P3=FFH,表明已向各端口線寫入1,此時(shí)，各端口既可用于輸入又可用于輸出。IP=XXX00000B,表明各個(gè)中斷源處于低優(yōu)先級(jí)；IE=0XX00000B,表明各個(gè)中斷均被關(guān)斷；系統(tǒng)復(fù)位是任何微機(jī)系統(tǒng)執(zhí)行的第一步，使整個(gè)控制芯片回到默認(rèn)的硬件狀態(tài)下。51單片機(jī)的復(fù)位是由RESET引腳來(lái)控制的，此引腳與高電平相接超過(guò)24個(gè)振蕩周期后，51單片機(jī)即進(jìn)入芯片內(nèi)部復(fù)位狀態(tài)，而且一直在此狀態(tài)下等待，直到RESET引腳轉(zhuǎn)為

35、低電平后，才檢查EA引腳是高電平或低電平，若為高電平則執(zhí)行芯片內(nèi)部的程序代碼，若為低電平便會(huì)執(zhí)行外部程序。51單片機(jī)在系統(tǒng)復(fù)位時(shí)，將其內(nèi)部的一些重要寄存器設(shè)置為特定的值，至于內(nèi)部RAM內(nèi)部的數(shù)據(jù)則不變。5.3.2晶振電路晶振是晶體振蕩器的簡(jiǎn)稱，在電氣上它可以等效成一個(gè)電容和一個(gè)電阻并聯(lián)再串聯(lián)一個(gè)電容的二端網(wǎng)絡(luò)，電工學(xué)上這個(gè)網(wǎng)絡(luò)有兩個(gè)諧振點(diǎn)，以頻率的高低分其中較低的頻率是串聯(lián)諧振，較高的頻率是并聯(lián)諧振。AT89C51單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器7。引腳XTAL1和XTAL2分別是此放大器的輸入端和輸出端。這個(gè)放大器與作為反饋元件的片外晶體諧振器一起構(gòu)成一個(gè)自激振蕩器。外接晶體

36、諧振器以及電容C1和C2構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，接在放大器的反饋回路中。對(duì)外接電容的值雖然沒(méi)有嚴(yán)格的要求，但電容的大小會(huì)影響震蕩器頻率的高低、震蕩器的穩(wěn)定性、起振的快速性和溫度的穩(wěn)定性。因此，此系統(tǒng)電路的晶體振蕩器的值為12MHz,電容應(yīng)盡可能的選擇陶瓷電容，電容值約為30科F。在焊接刷電路板時(shí)，晶體振蕩器和電容應(yīng)盡可能安裝得與單片機(jī)芯片靠近，以減少寄生電容，更好地保證震蕩器穩(wěn)定和可靠地工作。晶體振蕩電路如圖5.7:晶振有一個(gè)重要的參數(shù)，那就是負(fù)載電容值，選擇與負(fù)載電容值相等的并聯(lián)電容，就可P1,QFMTFM.2.3.5IP1.6.7P30/RXDP3：1/TXD-2/INTO2T45678以得到晶振標(biāo)稱的諧振頻率。1-Clr3Opj3-人上伯iV-TAI4QLl-CiMAriLl翥yv.1.1.fHnLll!"-1111on-dlJLftirri-i3_一一_royuT'i_J/<TEXT>-1S-rui1371kJqJHU工，:TAILS-.-_.pH-/Arwl8.3Op-_口門-JF2iniK34-.<