光电设计-基于STC89C51的测速装置报告

摘要

在工程实践中，经常会遇到各种需要测量转速的场合，测量转速的方法分为模拟式和数字式两种。模拟式采用测速发电机为检测元件，得到的信号是模拟量。数字式通常采用光电编码器，霍尔元件等为检测元件，得到的信号是脉冲信号。随着微型计算机的广泛应用，特别是高性能价格比的单片机的出现，转速测量普遍采用以单片机为核心的数字式测量方法。

本文便是运用AT89C51单片机控制的智能化转速测量仪。电机在运行过程中，需要对其进行监控，转速是一个必不可少的一个参数。本系统就是对电机转速进行测量，显示电机的转速，并观察电机运行的基本状况。

本设计主要用AT89C51作为控制核心，由光电传感器、LM339比较器、LCD液晶显示器构成。详细介绍了单片机的测量转速系统与单片机之间的串行通讯，充分发挥了单片机的性能。本文重点是测量速度并显示在LCD液晶显示屏上。

其优点硬件是电路简单，软件功能完善，测量速度快、精度高、控制系统可靠，性价比较高等特点。

关键字：MSC-51（单片机）；转速；传感器

1.设计目的和意义

1.1本设计课题的目的和意义

在工程实践中,经常会遇到各种需要测量转速的场合, 例如在发动机、电动机、卷扬机、机床主轴等旋转设备的试验、运转和控制中,常需要分时或连续测量和显示其转速及瞬时转速。要测速，首先要解决是采样问题。在使用模技术制作测速表时，常用测速发电机的方法，即将测速发电机的转轴与待测轴相连，测速发电机的电压高低反映了转速的高低。为了能精确地测量转速外,还要保证测量的实时性,要求能测得瞬时转速方法。因此转速的测试具有重要的意义。这次设计内容包含知识全面，对传感器测量发电机转速的不同的方法及原理设计有较多介绍，在测量系统中能学到关于测量转速的传感器采样问题，单片机部分的内容，显示部分等各个模块的通信和联调。全面了解单片机和信号放大的具体内容。进一步锻炼我们在信号采集，处理，显示发面的实际工作能力。

1.2 数字式转速测量系统的发展背景

目前国内外测量电机转速的方法很多，按照不同的理论方法，先后产生过模拟测速法(如离心式转速表、用电机转矩或者电机电枢电动势计算所得)、同步测速法(如机械式或闪光式频闪测速仪)以及计数测速法。计数测速法又可分为机械式定时计数法和电子式定时计数法。传统的电机转速检测多采用测速发电机或光电数字脉冲编码器，也有采用电磁式(利用电磁感应原理或可变磁阻的霍尔元件等)、电容式(对高频振荡进行幅值调制或频率调制)等，还有一些特殊的测速器是利用置于旋转体内的放射性材料来发生脉冲信号．其中应用最广的是光电式，光电式测系统具有低惯性、低噪声、高分辨率和高精度的优点．加之激光光源、光栅、光学码盘、CCD 器件、光导纤维等的相继出现和成功应用，使得光电传感器在检测和控制领域得到了广泛的应用。而采用光电传感器的电机转速测量系统测量准确度高、采样速度快、测量范围宽和测量精度与被测转速无关等优点，具有广阔的应用前景。

2.转速测量系统的原理

2.1转速测量方法

转速是指作圆周运动的物体在单位时间内所转过的圈数,其大小及变化往往意味着机器设备运转的正常与否,因此,转速测量一直是工业领域的一个重要问题。按照不同的理论方法,先后产生过模拟测速法(如离心式转速表) 、同步测速法(如机械式或闪光式频闪测速仪) 以及计数测速法。计数测速法又可分为机械式定时计数法和电子式定时计数法。本文介绍的采用单片机和光电传感器组成的高精度转速测量系统,其转速测量方法采用的就是电子式定时计数法。 对转速的测量实际上是对转子旋转引起的周期脉冲信号的频率进行测量。在频率的工程测量中,电子式定时计数测量频率的方法一般有三种：

①测频率法:在一定时间间隔t 内,计数被测信号的重复变化次数N ,则被测信号的频率fx可表示为

f x =Nt(1)

②测周期法:在被测信号的一个周期内,计数时钟脉冲数m0 ,则被测信号频率

fx= fc/ m0 ,其中, fc 为时钟脉冲信号频率。

③多周期测频法:在被测信号m1 个周期内, 计数时钟脉冲数m2 ,从而得到被测信号频率fx ,则fx可以表示为fx=m1 fcm2, m1 由测量准确度确定。

电子式定时计数法测量频率时,其测量准确度主要由两项误差来决定:一项是时基误差;另一项是量化±1误差。当时基误差小于量化±1 误差一个或两个数量级时,这时测量准确度主要由量化±1 误差来确定。对于测频率法,测量相对误差为：

Er1 =测量误差值实际测量值×100 % =1N×100 % (2)

由此可见,被测信号频率越高, N 越大, Er1就越小,所以测频率法适用于高频信号(高转速信号) 的测量。对于测周期法,测量相对误差为：

Er2 =测量误差值实际测量值×100 % =1m0×100 % (3)

对于给定的时钟脉冲fc , 当被测信号频率越低时,m0 越大, Er2就越小,所以测周期法适用于低频信号(低转速信号) 的测量。对于多周期测频法,测量相对误差为：

Er3 =测量误差值实际测量值100%=1m2×100 % (4)

从上式可知,被测脉冲信号周期数m1 越大, m2 就越大,则测量精度就越高。

它适用于高、低频信号(高、低转速信号) 的测量。但随着精度和频率的提高, 采样周期将大大延长,并且判断m1 也要延长采样周期,不适合实时测量。

根据以上的讨论,考虑到实际应用中需要测量的转速范围很宽,上述的转速测量方法难以满足要求,因此,研究高精度的转速测量方法,以同时适用于高、低转速信号的测量,不仅具有重要的理论意义,也是实际生产中的需要。

2.2转速测量原理

一般的转速长期测量系统是预先在轴上安装一个有60 齿的测速齿盘,用变磁阻式或电涡流式传感器获得一转60 倍转速脉冲,再用测频的办法实现转速测量。而临时性转速测量系统,多采用光电传感器,从转轴上预先粘贴的一个标志上获得一转一个转速脉冲,随后利用电子倍频器和测频方法实现转速测量。不论长期或临时转速测量,都可以在微处理器的参与下,通过测量转轴上预留的一转一齿的鉴相信号或光电信号的周期,换算出转轴的频率或转速。即通过速度传感器,将转速信号变为电脉冲,利用微机在单位时间内对脉冲进行计数,再经过软件计算获得转速数据。即:

n=N/ (mT) (1)

◆n ———转速、单位:转/ 分钟; ◆N ———采样时间内所计脉冲个数; ◆T———采样时间、单位:分钟;

◆m ———每旋转一周所产生的脉冲个数(通常指测速码盘的齿数) 。 如果m=60, 那么1 秒钟内脉冲个数N就是转速n, 即:

n=N/ (mT) =N/60 ×1/60=N (2)

◆通常m为60。

在对转速波动较快系统或要求动态特性好而精度高的转速测控系统中,

调节周期一般很短,相应的采样周期需取得很小,使得脉冲当量增高,从而导致整个系统测量精度降低,难以满足测控要求。提高采样速率通常就要减小采样时间T, 而T 的减小会使采到的脉冲数值N 下降,导致脉冲当量(每个脉冲所代表的转速) 增高,从而使得测量精度变得粗糙。通过增加测速码盘的齿数可以提高精度,但是码盘齿数的增加会受到加工工艺的限制,同时会使转速测量脉冲的频率增高,频率的提升又会受到传感器中光电器或磁敏器或磁电器件最高工作频率的限制。凡此种种因素限制了常规智能转速测量方法的使用范围。而采用本文所提出的定时分时双频率采样法,可在保证采样精度的同时,提高采样速率,充分

发挥微机智能测速方法的优越性及灵活性。

系统原理图

各部分模块的功能：

①传感器：用来对信号的采样。

②放大、整形电路：对传感器送过来的信号进行放大和整形，在送入单片机进行数据的处理转换。

③单片机：对处理过的信号进行转换成转速的实际值，送入LCD

④LCD显示：用来对所测量到的转速进行显示。

3.设计方案

2.1 系统原理框图

2.2 基本工作原理

放置直流电机驱动叶片，记叶片数为M，将红外对管ST188上电后光电对管的发光管发出红外，当红外照射到叶片间隙时，光线将透过，接收管未接收到返回的光线，经比较器后输出低电平；当红外照射到叶片时，光线将由叶片反射回来，接收管接收到返回的光线，经比较器后输出高电平；将此输出脚接入单片机的定时/计数器T0（即P3.4口），设置为计数模式，进行计数N。同时使用单片机的定时/计数器T1进行T秒定时，当到T秒时，单片机去读取计数器中的值N，则转速为V=N/MT (rad/s)。为了方便计算，使T为1,则转速为V=N/M (rad/s)。

2.3 特点描述

本方案是利用光电传感器采集信号，送入单片机，由单片机分析处理后算出叶片转动速度，再由单片机输出到液晶屏显示。本方案的特点主要表现在几

个方面：

①选择光电传感器：用于测速的传感器有霍尔传感器和光电传感器，我们之所以光电传感器是因为霍尔传感器在信号采样的时候，会出现采样不精确，因为它是靠磁性感应才采集脉冲的，使用时间长了会出现磁性变小，影响脉冲的采样精度。而光电头采用低功耗高亮度LED ,光源为高可靠性可见红光,无论黑夜还是白天,或是背景光强有大范围改变都不影响接收效果。这种方案使用光电转速传感器具有采样精确，采样速度快，范围广的特点。

②采用STC89C51单片机：比起复杂的纯电路硬件，使用单片机会简单、灵活、方便很多。一方面可以减少硬件电路，另一方面可以通过软件反复擦写，实现多功能应用。在单片机中，STC89C51单片机是最简单易学的，而且价格较低，完全可以实现测速功能，最适合本方案。在单片机的选型上实现了节能环保。

③使用1602液晶屏显示：单片机的显示模块一般使用数码管（LED）和液晶屏（LCD），由于数码管只能显示数字及少数字母，而液晶屏可以显示数字、专用符号和图形，液晶显示模块已普遍应用到电子产品。本方案使用液晶屏，可以配合不同程序实现多种功能，且移植性较好。

4.设计指标

由于现有电机材料的限制，未能测得所测最快限度，但由测试数据表明，本作品目前可以实现0—520之间的计数，所测转速可达到260转/秒，完全可以满足一般转动装置的测速。

5.设计具体实现

4.1 硬件设计

4.1.1单片机主模块

STC89C52是一种带8K字节闪烁可编程可檫除只读存储器（FPEROM-Flash Programable and Erasable Read Only Memory ）的低电压，高性能COMOS8的微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL搞密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，STC89C52一种高效微控制器，STC89C52为多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

单片机总控制电路如下图：

1.复位电路

STC 单片机复位电路是指单片机的初始化操作。单片机启运运行时，都需要先复位，其作用是使CPU和系统中其他部件处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。因而，复位是一个很重要的操作方式。但单片机本身是不能自动进行复位的，必须配合相应的外部电路才能实现。

①复位功能：

复位电路的基本功能是：系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分-合过程中引起的抖动而影响复位。

单片机的复位是由外部的复位电路来实现的。片内复位电路是复位引脚RST通过一个斯密特触发器与复位电路相连，斯密特触发器用来抑制噪声，它的输出在每个机器周期的S5P2，由复位电路采样一次。复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式，本次设计采用上电复位方式（如图）。 ②单片机复位后的状态:

单片机的复位操作使单片机进入初始化状态，其中包括使程序计数器PC＝0000H，这表明程序从0000H地址单元开始执行。单片机冷启动后，片内RAM为随机值，运行中的复位操作不改变片内RAM区中的内容，21个特殊功能寄存器复位后的状态为确定值。

值得指出的是，记住一些特殊功能寄存器复位后的主要状态，对于了解单片机的初态，减少应用程序中的初始化部分是十分必要的。

2.晶振电路

晶振（图4.10）是晶体振荡器的简称，在电气上它可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络，电工学上这个网络有两个谐振点，以频率的高低分其中较低的频率是串联谐振，较高的频率是并联谐振。

STC89C52片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器。引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外晶体谐振器一起构成一个自激振荡器。外接晶体谐振器以及电容C1和

C2构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响震荡器频率的高低、震荡器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性。因此，此系统电路的晶体振荡器的值为12MHz，电容应尽可能的选择陶瓷电容，电容值约为30μF。在焊接刷电路板时，晶体振荡器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，更好地保证震荡器稳定和可靠地工作。

晶振有一个重要的参数，那就是负载电容值，选择与负载电容值相等的并联电容，就可以得到晶振标称的谐振频率。

4.1.2光电检测模块

光电传感器是应用非常广泛的一种器件，有各种各样的形式，如透射式、反射式等，基本的原理就是当发射管光照射到接收管时，接收管导通，反之关断。以透射式为例，如图4.1所示，当不透光的物体挡住发射与接收之间的间隙时，开关管关断，否则打开。为此，可以制作一个遮光叶片如图4.2 所示，安装在转轴上，当扇叶经过时，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。

图4.2光电传感器的原理图图4.3 遮光叶片

4.1.3按键模块

键盘是十分重要的人机对话的组成部分，是人向机器发出指令、输入信息的必需设备。 1、键的特性

键盘是由若干独立的键组成，键的按下与释放是通过机械触点的闭合与断

开来实现的，因机械触点的弹性作用，在闭合与断开的瞬间均有一个抖动过程。抖动必须消除，去抖动的方法主要有硬件消抖和软件消抖，本设计使用软件消抖。

2、键盘的形式

键盘的形式有独立式键盘和编码式键盘，本设计使用独立式键盘。

4.1.41602显示模块

1602LCD分为带背光和不带背光两种，基控制器大部分为HD44780，带背光的比不带背光的厚，是否带背光在应用中并无差别，两者尺寸差别如下图

图二 3`LCD1602主要技术参数： 显示容量:16×2个字符 芯片工作电压:4.5—5.5V 工作电流:2.0mA(5.0V) 模块最佳工作电压:5.0V 字符尺寸:2.95×4.35(W×H)mm 4`引脚功能说明

1602LCD采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如表

表1 引脚接口说明表 第1脚：VSS为地电源。 第2脚：VDD接5V正电源。

第3脚：VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。

第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。

第5脚：R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。

第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。 第7～14脚：D0～D7为8位双向数据线。 第15脚：背光源正极。

第16脚：背光源负极。

表一

1602液晶模块的读写操作，屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。（说明1为高电平，0为低电平）

指令1：清显示，指令码01H，光标复位到地址00H位置 指令2：光标复位，光标返回到地址00H

指令3：光标和显示位置设置I/D，光标移动方向，高电平右移，低电平左移，S：屏幕上所有文字是否左移或右移，高电平表示有效，低电平表示无效。 指令4：显示开关控制。D：控制整体的显示开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示。C:控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标 B：控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁。

指令5：光标或显示移位 S/C ：高电平时显示移动的文字，低电平时移动光标

指令6：功能设置命令 DL：高电平时为4位总线，低电平时为8位总线 N：低电平时为单行显示，高电平时为双行显示，F：低电平时显示5X7的点阵字符，高电平时显示5X10的显示字符。 指令7：字符发生器RAM地址设置。 指令8：DDRAM地址设置。

指令9：读忙信号和光标地址 BF：忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或数据，如果为低电平表示不忙。 与HD44780相兼容的芯片时序表如下：

4.2软件设计

4.2.1主程序流程图 4.2.2显示子程序流程图 4.2.3定时计数子程序流程图

6. 印刷电路图

7.实验数据及分析

7.1实验数据

7.2数据分析

由于电机的供电电压影响电机的转速，且基本成正比例关系，则可通过改变电机的供电电压来改变转速，以此来检测所设计的测速装置的准确性及稳定性。由以上数据得，所测转速与电机的供电电压基本成线性关系，而稳定性较高，故所设计的测速装置符合要求，可以实现测速功能。

8.设计体会

经过几天的努力，终于完成了这个测速装置。虽然期间也遇到一些困难，但最终还是解决了，从中也学到了一些书本中学不到的知识，增强了解决问题的能力。通过这次毕业设计，我深深懂得了要不断把所学知识学以致用，也发现了自己的知识薄弱，还需通过自身不断努力，不断提高自己的分析问题、解决问题的能力，同时也提高了我的专业技能，拓展了我的专业知识面，使我更加体会到要想完成一件事必须认真、踏实、勤于思考、和谨慎稳重。

我觉得要设计一个作品，首先你要清楚自己要做一个什么作品，可以实现什么功能，再由此出发去设计方案，选择所需要的元器件。当这些都搞清楚之后接着去画原理图，必要的时候可以先仿真，试试其可行性，选择合适的封装，再画PCB。即使你觉得这些都没有问题，做出来的板子也不是万无一失的，遇到问题不要慌，分析其造成的可能原因，借助万用表等现有工具一个个去排查，也可以上网查一些资料。当硬件没有问题之后再去写软件，软件不是一次就可以成功的，一定要慢慢地调，一个个模块去调，最后再整合到一起，任何一个小错误都会导致程序的不可行，一定要一个一个去排查。

最后，还要谢谢指导老师的悉心指导。

9.作品照片

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/juli.html