红外线数字转速表的设计.docx
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红外线数字转速表的设计
红外线数字转速表的设计
摘要
红外线数字转速表是一种代替机械转速表、用来测量转动速率的计量仪表。
红外线数字转速表采用的红外探头有直射式和反射式两种。
从原理上讲，任何一种电子数字式速度表都可以视为一个频率计，可用一只频率计先测出某一信号的频率，然后用此频率计测量该信号的频率，调节电位器使被测信号频率与标准频率计所测频率数一致。
若找不到标准频率计可采用交流电源变压器。
红外数字转速表可由频率计，秒脉冲电路以及计数控制门等组成。
本文介绍了一种基于AT89C51单片机平台，采用光电传感器实施电机转速测量的方法，硬件系统包括脉冲信号产生、脉冲信号处理和显示模块，并采用C语言编程，结果表明该方法具有简单、精度高、稳定性好的优点。
介绍了该测速法的基本原理、实现步骤和软硬件设计。
关键词：
转速测量，单片机，光电传感器，电机
ABSTRACT
Infrareddigitaltachometerisanalternativewhichreplacesmechanicaltachometerandisusedtomeasuretherotationrate.Infrareddigitaltachometerusesdirectorreflectiveinfraredprobe.Toprinciple，anykindofelectronicdigitalspeedometercanberegardedasafrequencymeter，andfrequencymetercanbeusedafirstmeasuredthefrequencyofasignal，andthenmeasuringthefrequencyofthesignalinthisfrequencyadjustmentpotentiometerwhichallowsthesignalfrequencyandthestandardfrequencymetertoaccordwiththefrequencynumber.Onceunabletofindastandardfrequencymeter，ACpoweradaptercanbeused.Infrareddigitaltachometerconstructcontainthefrequencymetercircuit，thesecondpulseandcountcontrolgate，etc.
ThisarticledescribesmicrocontrollerplatformwhichisbasedonAT89C51，andusesaphotoelectricsensortomotorspeed，consistsofthepulsesignal，pulsesignalprocessinganddisplaymodule，andusingtheCprogramminglanguage.Theresultsshowalotofadvantages，suchas，simplemethod，highprecision，goodstability.Introducesthebasicprinciplesofthespeedlaw，proceduresandhardwareandsoftwaredesign.
Keywords:
speedmeasurement，microcontroller，photoelectricsensors，motor
前言
单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器（MicrocontrollerUnit），常用英文字母的缩写MCU表示单片机，它最早是被用在工业控制领域。
单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。
最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。
INTEL的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器，从此以后，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。
早期的单片机都是8位或4位的。
其中最成功的是INTEL的8031，因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。
此后在8031上发展出了MCS51系列单片机系统。
基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。
随着工业控制领域要求的提高，开始出现了16位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。
90年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大提高。
随着INTELi960系列特别是后来的ARM系列的广泛应用，32位单片机迅速取代16位单片机的高端地位，并且进入主流市场。
而传统的8位单片机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起80年代提高了数百倍。
目前，高端的32位单片机主频已经超过300MHz，性能直追90年代中期的专用处理器，而普通的型号出厂价格跌落至1美元，最高端的型号也只有10美元。
当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。
而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用的Windows和Linux操作系统。
单片机作为嵌入式微控制器在工业测控系统，智能仪器和家用电气中得到广泛应用。
虽然单片机的品种很多，但MCS-51系列单片机仍不失为单片机中的主流机型。
本课程一MCS-51系列以及派生系列单片机芯片为主介绍单片机的原理与应用，与其特点是由浅入深，注重接口技术和应用。
单片机作为嵌入式微控制器在工业测控系统，智能仪器和家用电气中得到广泛应用。
虽然单片机的品种很多，但MCS-51系列单片机仍不失为单片机中的主流机型。
本课程一MCS-51系列以及派生系列单片机芯片为主介绍单片机的原理与应用，与其特点是由浅入深，注重接口技术和应用。
近年来，微型计算机的发展速度足以让世人惊叹，以计算机为主导的信息技术作为一种崭新的生产力，正在向社会的各个领域渗透，也使机电一体化的进程大大加快。
机电一体化是当今制造技术和产品发展的主要倾向，也是我国机电工业发展的必由之路。
可以认为，它是用系统工程学的观点和方法，研究在机电系统和产品中如何将机械、计算机、信息处理和自动控制技术综合应用，以求机电系统和产品达到最佳的组合。
机电一体化产品所需要的是嵌入式微机，而单片机具有体积小、集成度高、功能强等特点，适于嵌入式应用。
智能仪器、家用电器、数控机床、工业控制等机电设备和产品中竟相使用单片机。
就目前而言，单片机的发展势头依然不减，各种型号和功能更强的单片机和超级接口芯片不断出现，进一步向高层次发展的重要标志就是构成多机系统和分布式网络。
世界上单片机芯片的产量以每年27%的速度递增，到本世纪初已达30亿片，而我国的年需求量也超过了亿片的数量，这表明单片机有着广阔的应用前景。
本课程设计主要针对目前我国早期应用比较广泛的“MCS-51”单片机进行系统的讲解和分析。
为使用和开发各类机电一体化设备和仪表建立基础。
第1章概述
1.1数字电子技术发展现状
数字电子技术是当前发展最快的学科之一，电子技术可分为数字电子技术和模拟电子技术，就逻辑器件而言，已经从20世纪40年代的电子管，20世纪50年代的晶体管，20世纪60年代的小规模集成电路，发展到现在的中规模集成电路，大规模集成电路，超大规模集成电路.近几年又出现了可编程逻辑器件，为数字电路设计提供了更加完善方便的器件设计过程和方法也再不断的演变和发展.由于半导体技术的迅速发展，微型计算机的广泛应用，使得数字电路技术在现代科学技术领域中占有很重要的地位，在各个领域中得到了广泛的应用。
1.2转速检测计量技术的发展现状与存在的问题
1.2.1转速概述
转速是旋转物体的转数与时间之比的物理量，是描述各种旋转机械运转技术性能的一个重要参量。
在计量学里，转速属于导出单位，其物理含义为旋转物体在单位时间内转过的转数。
工程中用它来描述动力机械的运动特性。
转速和频率有共同的量纲，都是单位时间内某一量值（脉冲个数、转数）出现的次数，从理论上讲，转速值可以直接和频率值进行比对。
测时计数是转速计量的基本方法。
在我国，转速表（含转速测量仪等）属依法管理的计量器具。
通常用转速标准装置（本文特指转速标准源）可以完成对各类转速表的检测/校准工作。
1.2.2转速表的类型和检测技术
转速测量技术随着科学技术的飞速发展，在旋转物体速率测量方式上应用了各种新的技术，实现了测量的准确高效、安全便捷。
转速表依据测量方式可分为接触式和非接触式两大类，转速表依据工作原理和采样方式可分为机械式、光电式、激光式、频闪式、磁电式等。
目前使用纯机械式转速表的用户已经越来越少，并呈现将被电子计数式转速表逐渐取代的趋势。
转速测量范围一般为几十转至几万转，测量准确度大多为0.1%以下，极少数产品能达到0.05%。
（1）机械式转速表
检测中，被测转速表通过机械联接或摩擦接触的方式，从转速标准装置输出轴获得标准转速的输入。
检测时应该采取何种联接方式取决于被检表实际使用时的联接状态。
（2）光电式转速表
对光电式转速表，目前使用的检测装置有两种：
1）采用转速标准装置，将定向反射纸贴于装置的测速盘上，由转速标准装置通过测速盘输出标准转速，进行检测。
2）采用脉冲光源测速装置来检测光电式转速表。
这类检测设备通常由频率信号发生器、频率计数计及一个发光二极管组成。
两种检测装置的工作原理有质的差别。
脉冲光源测速装置能否做为标准，在转速界争议较大，下面给出较为详细地讨论。
（3）频闪式转速表
频闪式转速表利用的是频闪效应原理。
检测此类转速表时，需先在转速标准装置测速盘上做出明显的标记，当标准装置转轴的转速与被测转速表闪光频率相等或成一定倍数关系时，转轴上的标记呈现停留不动的状态，这时，转速表显示值与频闪象停留序数的乘积即为转速表的实测值。
（4）磁电式转速表
磁电式转速表利用的是非电量电测的原理，它包括磁感应式、电脉冲式和电动式转速表等。
这类转速表有接触式和非接触式两种。
根据被测表工作原理的不同，所选用的检测方法也不同，但是都可在转速标准装置上进行检测。
磁电式转速表大多由传感器和显示器两部分组成。
检测接触式转速表时，将传感器与转速标准装置转轴连接，转轴旋转时使传感器产生电信号，显示器显示的即为转速表实测值。
检测非接触式转速表时，应根据传感器的结构原理设法使转速标准装置。
1.2.3国内转速计量技术存在的问题
目前国内使用的转速仪表在测试精度、测量范围、实现监控、性能价格比等方面均存在明显的缺陷。
就非接触式转速表检测中，脉冲光源式测速装置能否与转速标准源装置共存的问题，多年来在国内转速计量领域内一直存在着很大的分歧。
一些计量科技人员认为，用脉冲光源测速装置作为非接触式转速表检测的标准装置，可以提高测量准确度，方法可行。
而另一方则认为，如果此方法可以作为转速标准装置的另一种形式存在，势必造成转速计量领域里的混乱。
比较统一的看法是:
使用转速标准装置（即标准转速源）对现有的各类转速表进行检测/校准，综合考虑了转速表实际工况，更具科学性和合理性。
1.3选择红外数字转速仪设计的意义
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。
红外数字转速仪是一种非接触式，光电传感的转速计量仪器。
它由光源、光电盘、光敏二极管、检波放大电路与数显装置等组成。
光电盘随转轴一同转动，光敏二极管将光电盘透射来的光信号转换为电信号，然后通过计数脉冲的频率，即可在数显装置上读出旋转轴的转速。
目前我国的转速计量技术与发达国家想比，在精度上与发达国家还有一定的差距。
国家质量监督局的文件显示，目前在我国工业领域应用的高精度转速计量仪器中，90%的转速测量仪的测量准确度只能达到0.1%左右，而在发达国家的测量精度能达到0.05%。
可想而知，两者测量精度的不一样，会在产品的质量上产生什么样的结果。
同样由于机械式转速测量仪的精度上和测量方式上远远比不上光电式转速测量仪，所以采用红外数字转速测量仪是转速测量仪器发展的一种不可避免的趋势。
1.4设计红外数字转速仪所做的工作
在设计红外数字转速仪的工作中，总共分为以下步骤：
（1）搜集资料；
（2）实验仿真；
（3）购买元件，焊接电路；
（4）检查电路，测试电路；
（5）改进完善电路。
第2章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：
fx=Nt（2—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=m1fcm2，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—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%（2—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%（2—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）（2—5）
●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—6）
●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。
2.3总体思路
本课题要求以MCS-51系列单片机为核心，设计一个数字转速表对脉冲转速信号进行检测，能将所测量的转速在LED显示器上显示（十进制）。
单片机通过检测手动脉冲信号计算转速，测速范围0～9999转/分，转速显示要求至少4位。
该系统的功能概括起来就是能测量当前每秒钟给的手动脉冲数，并且进行超速报警。
MCS-51单片机内有两个定时器/计数器T0和T1，利用其内部定时器T1设置为定时方式，且定时时间为1s。
计数器T0设置为外部脉冲计数工作方式，设在1s内测量的脉冲个数为n，再将n乘上60即是转速（转/分）。
2.4系统组成
本系统由AT89C51单片机，LED显示电路，LED显示器，时钟与复位电路四个部分组成。
图2-1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LED。
④LED显示：
用来对所测量到的转速进行显示。
2.5转速测量的方案
转速测量的方案选择，一般要考虑传感器的结构、安装以及测速范围与环境条件等方面的适用性;再就是二次仪表的要求，除了显示以外还有控制、通讯和远传方面的要求，光电传感器ST188符合以上要求。
整个测量系统的组成框图如图2-2所示。
从图中可见，转子由一直流调速电机驱动，可实现大转速范围内的无级调速。
转速信号由光电传感器拾取，使用时应先在转子上做好光电标记，具体办法可以是:
将转子表面擦干净后用黑漆（或黑色胶布）全部涂黑，再将一块反光材料贴在其上作为光电标记，然后将光电传感器（光电头）固定在正对光电标记的某一适当距离处。
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。
光电头包含有前置电路，输出0—5V的脉冲信号。
接到单片机89C51的相应管脚上，通过89C51内部定时/计时器T0、T1及相应的程序设计，组成一个数字式转速测量系统。
图2-2测量系统的组成框图
优点：
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。
2.6红外光电传感器ST188介绍
2.6.1ST188介绍实物图
图2-3ST188的实物图
其中A-K为红外发射管，C-E为红外接收管。
内部电路图如图4-3：
图2-4内部电路图
2.6.2极限参数
表2-1ST188的极限参数（Ta=25℃）
项目
符号
数值
单位
输入
正向电流
IF
50
mA
反向电压
Vr
6
V
耗散功率
P
75
mW
输出
集-射电压
Vceo
25
V
射-集电压
Veco
6
V
集电极功耗
Pc
50
mW
工作温度
Topr
-20—+65
℃
储存为度
Tstg
-30—+75
℃
2.6.3光电特性
表2-2ST188的光电特性（Ta=25℃）
项目
符号
测试条件
最小
典型
最大
单位
输入
正向压降
VF
IF=20mA
-
1.25
1.5
V
反向电流
IR
VR=3V
-
-
10
uA
输出
集电极暗电流
Iceo
Vce=20V
-
-
1
uA
集电极亮电流
IL
Vce=15V
IF=8mA
L3
0.30
-
-
mA
L4
0.40
-
-
mA
L5
0.50
-
-
mA
饱和压降
Vce
IF=20Ma，Ic=0.15mA
-
-
0.4
V
传输特性
响应时间
Tr
IF=20mA，Vce=5V
Rc=100Ω
-
10
-
us
Tf
-
10
-
us
2.6.4常用电路
图2-5光电传感器电路图
根据反射式红外光电传感器的原理和内部结构，我们可以设计上面的电路，电阻主要起限流作用，电阻值常设置为：
R1=510Ω，R2=20kΩ。
这样，如果接收管接收到反射回来的红外线，红外接收头导通，E管脚输出高电平，接近Vcc；如果没有没有接收到反射回来的红外线，红外接收头不导通，E管脚输出低电平，接近GND。
在实际应用中，我们可以通过单片机扫描E管脚（类似按键扫描的方法）以确定接收管的状态。
2.6.5原理说明
当没有物体反射红外线时，ce之间截止，无电流流过，输出电压为电源电压，高电平。
当有物体反射红外线时，be饱和导通ce也就导通了，输出端就相当于接地，输出电压为低电平。
第3章系统硬件设计
随着超大规模集成电路技术提高，尤其是单片机应用技术以及功能强大，价格低廉的显著特点，是全数字化测量转度系统得一广泛应用。
出于单片机在测量转速方面具有体积小、性能强、成本低的特点，越来越受到企业用户的青睐。
对测量转速系统的硬件和编程进行研究，设计出一种以单片机为主的转速测量系统，保证了测量精度。
3.1单片机AT89C51介绍
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
该器件采用ATMEL高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，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
图3-1是常用的一种单片机，型号为AT89C51，它将计算机的功能都集成到这个芯片内部去了，就这么一个小小的芯片就能构成一台小型的电脑，因此叫做单片机。
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