基于单片机控制的转速和温度测量系统大学毕业设计论文Word文档下载推荐.docx
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接触式测温是与被测物体直接接触，经过一段时间，当两者经过热传递达到平衡时，此时测温计显示的读数就是被测物体的温度。
此种测温方法比较简单，测温也直观、可靠。
但由于需和被测物直接接触，难免会影响被测物的温度场分布，从而偏离真实值。
而且在接触的过程中，若碰到高温、腐蚀等复杂的测量场合，不可避免的会损坏测温计的敏感元件，因此，接触式测温计仅能使用在一些精度要求不高且环境适宜的场合。
非接触测温的原理是利用所有物质总在不停向外界发出红外辐射能量。
只要温度高于绝对零度的物体都会不断的向外界发出电磁辐射，俗称红外光。
红外辐射的本质是热辐射，而物体的温度决定了热辐射的程度，温度越高，辐射出来的能量就越强。
根据这个理论，只要测得物体的辐射能量，经过转换电路将光信号转换为电信号，便能测量物体的温度，这就是非接触式红外测温仪原理。
非接触式是利用被测物体的红外辐射能量和温度的对应关系来测量温度，由于没有和被测物体直接接触，故测得的温度值较接触式精确。
此法测温动态性强，测温范围广，能测量运动的物体。
十九世纪初，著名英国物理学家弗里德里希.威廉.赫歇尔发现了一种频率范围在0.76um-1000um的不可见光，后被证实是红外辐射，又称红外线、红外光，从此为人类应用红外技术奠定了夯实的基础[11]。
从早期的红外辐射测温仪如红外点温仪、红外扫描仪到现在使用广泛、技术成熟的红外辐射热像仪，测量温度的设备随着时代的进步，也发生了巨大的变化。
在很多场合，人们不仅要测量某点的温度，还希望能够由点及面，了解物体表面温度场的分布。
红外热像仪的原理是通过红外成像，它将物体表面温度场分布转换成图像，它的问世进一步推动了红外测温技术的发展。
这种技术随着时代的发展，使得热像仪的测温的范围更广，测温精度更高，在各行各业应用得更加广泛。
红外测温技术发展到了九十年代中叶，美国FSI公司推出了一种技术功能更为强大的红外热像仪，在测温时，只需要对准被测物几秒就可以提取热图像，并保存在存储器中，随后可利用相关软件对测量的参数进行后期分析和处理，再利用焦平面阵列式的成像技术原理，从而测量出温度。
红外测温技术相比于传统的测温有了本质上的提升，由于其操作简单，便于携带，这种测温方法已经成功的从军用转为民用了，红外测温相比于传统的测温很多优点，归纳如下：
（1）不受距离限制。
适用于对旋转体、高温物体表面温度的测量。
（2）测量精度高。
因为红外测温不需要和被测物体接触，所以被测物体原有的温度场不会受到影响。
因此测量结果精确、真实。
（3）灵敏度高。
物体表面温度发生细微变化，便引起辐射能的明显变化，红外传感器能快速检测出来。
（4）红外测温响应速度快。
1．3本课题主要研究内容
本课题研究的是基于单片机控制的转速和温度测量系统，对大型主轴的转速和温度进行测量。
采用非接触方式对转速和温度进行测量，并用液晶显示器把测量的数据显示出来。
其中对于转轴在高转速和低转速时采用不同的测量方法来提高测量精度。
目前对转速测量的系统和温度测量测量系统很多，但是能够同时测量转速和温度，并把二者结合在一起的测量系统并不多见。
所以本课题研究集转速和温度为一体的测量系统，在工业场合或是民用环境都有很高的使用价值。
大到发电机组、风机叶轮，小到发动机、车轴等需要转速和温度的测量来保证这些设备正常运作。
1.3.1转速测量
通过对转速测量方法的比较，分析测量方法的测量精度和误差，在考虑到电路的简洁性且保证精度的同时，高转速和低转速时采用不同的测量方法来提高测量精度。
高速采用测频率法（“M”法）来测量。
低速采用测周期法（“T”法）来测量。
基本的转速测量系统由转速信号釆集电路、信号放大电路、整形电路、转速计算和转速显示等部分组成。
转速测量系统的关键在于传感器的选择，需考虑现场条件对测量过程的影响，筛选最终选择红外光电对管。
相对于磁电式，它不受现场磁场环境的影响。
1.3.2温度测量
本系统采用红外非接触式测温方法。
非接触式红外温度测量系统包括红外光学系统、红外探测器、信号放大处理电路以及显示电路。
红外测温系统的关键是红外温度探测器。
挑选探测器时，应考虑探测器的工作范围、精度、视场范围、响应速率、被测物体的发射率等。
经比较后，本系统选用的是TO-39型红外温度测量模块，这是一种内部集成了环境温度补偿和前置放大电路的红外传感器，大大简化了本测量系统的设计。
2总体设计
2．1设计要求
设计要求：
2．2系统结构
本系统选择STC89C52单片机作为主控制芯片。
主要组成电路包括电源电压电路、晶振电路、复位电路、转速测量电路、信号放大电路、信号整形电路、红外温度测量集成电路、LCD1602显示模块等。
主要组成部件有：
STC89C52单片机、MLX90614红外温度采集模块、红外光电对管、TL082运算放大器、NE555芯片、LCD1602显示模块等。
同时对温度和转速进行测量，对于转速的测量，首先使用测频率法（“M”法）来测量，如果测得的结果低于6000r/min，那就采用测周期法（“T”法）来测量。
系统总体结构框图如图1所示。
图1转速和温度测量系统总框图
3硬件设计
3．1转速测量原理
3.1.1测频法“M”法
当红外光电接收二极管将接收到的转速信号通过放大电路将信号放大，然后通过整形电路对信号进行整形处理之后，再送到单片机内部16位计数器计数。
读出计数器内计数值即是被测物体的转速，“M”法测量转速原理图如图2所示。
图2“M”法测量转速原理图
用被测物体在一定的时间内旋转过的角度计算转速，例如在单位时间内，红外光电接收管接收N个脉冲，即为该单位时间的转速，这种通过频率测量来实现转速测量的方法，称为测频法（“M”法）。
“M”法测量转速时序图如图3所示，设定时间
内，计数器记录脉冲数为
，则转速为：
式中：
：
转速单位：
（转/分）
：
采样时间单位：
（秒）
被测旋转体上贴的高反光率金属材料个数
测速脉冲周期
脉冲个数
图3“M”法测量转速时序图
利用“M”法测量转速，测量时间
和脉冲不能严格同步，所以在测量精度上可能产生±
1个脉冲的量化误差。
现对该法进行误差分析：
相对误差：
由上式可知：
相对误差与转速成反比，即被测转速越大，相对误差越小，测量精度也就越高。
所以“M”法适用于高速测量场合，而在低速测量误差较大。
3.1.2测周期法“T”法
测周期法“T”法，即旋转一定的角位移的距离，然后测量通过这一角位移的时间，以此来测量转速。
以外部晶振12分频后差生的时基脉冲来计量这个脉冲周期的时间，经过单片机换算，就可以计算出转速。
用来采集脉冲的齿盘，可以是单孔，也可以是多孔，通过测量两次脉冲间的时间，就可以测出转速。
对于多孔齿盘，齿盘的孔数P，其测量的时间只是每转的1/P。
“T法”时序波形如图4所示。
设定时间
内，计数器内记录脉冲数为
，则
则“T”法测量所得转速为：
单片机内部基准时钟频率
时钟脉冲计数
图4“T”法测量转速时序图
影响“T”法测量转速的误差是两个相邻脉冲的上升沿触发时间不一定相同，以及达不到同时启动和关闭定时/计数器。
在测量精度上会产生±
l个脉冲的量化误差。
“T”法测量转速的相对误差与转速成正比，即被测转速越小，相对误差越小，测量精度也就越高。
所以在低速测量场合采用“T”法测量，高速测量误差较大。
3.1.3测频测周法“M/T”法
由于“T”法和“M”法不能同时对转速脉冲和时钟脉冲进行计数的缺点，于是出现了测频测周法“M/T”法，这样就可以达到对两个信号采集的同步性，从而减小误差。
即在被测转速信号
个周期内，计数时钟脉冲个数
。
“M/T”法时序波形如图5所示。
图5“M/T”测量转速时序图
由“M/T”测量转速时序图可知：
则：
因此，“M/T”法测量所得转速为：
转速脉冲计数
根据“M/T”法测量原理，转速脉冲计数和定时器计时是同步的，定时器误差忽略不计。
但是由单片机设定软件程序启动测量，还是可能产生±
相对误差：
由上式可知，“M/T”法测量转速的相对误差与物体的转速无关，只与单片机晶振有关。
由于“T”法和“M”法分别对高、低转速具有的不同精度，“M/T”法利用各自的优点而产生的方法，精度位于两者之间，另外考虑到电路的简洁性，所以在实际应用对精度要求较高的场合中很少使用。
经过对以上三种测量转速方法的分析可知，当转速较低时，如果采用“M”法测量，那么会导致测量误差偏大。
当转速较高时，如果采用“T”法测量，误差增大。
所以结合以上特点，本系统在高速是采用“M”法测量，在速度低的时候转换为“T”法测量，从而减小误差，保证测量精度。
3．2红外测温原理
在自然界中，任何物质内部的带电粒子都是处于不断运动的状态。
当物体具有一定的温度时，即物体温度高于热力学温度0K或者摄氏温度-273°
C，它就不断向四周进行电磁福射。
红外线是位于可见光中的红色光以外的光线,波长范围大致在076um到l000um的频谱范围之内。
相对应的频率大致在4*1014HZ到3*1011Hz之间。
参见图6所示，红外线和可见光、紫外线、X射线、y射线、微波、无线电波一起,构成了整个无限连续的电磁波谱。
图6电磁波谱图
全辐射测温法是测量物体所辐射的全波段辐射能量来确定物体的温度。
它是斯蒂芬-玻尔兹曼定律的实际应用，其表达式为：
式中
是物体表面的法向比辐射率，由此可见，若
不等于1，则测量结果将出现误差。
对于
引起的误差可以利用下式进行修正：
式中：
物体在温度T时的真实温度
物体在温度T时的比辐射率
所测温度
校正系数，
3．3芯片及元器件介绍
3.3.1STC89C52芯片
STC89C52单片机是一种高性能低功率的微型计算机，它的抗干扰能力也很强，影响单片机系统安全运行的主要因素主要来自系统内部和外部的各种电气干扰，并受系统结构设计以及元器件的选择等影响。
STC89C52单片机能与标准的MCS-51指令系统兼容，功能强大，可灵活应用于各种嵌入式控制系统中[12,13]。
主要特性如下：
1.工作电压为5.5V～3.3V/3.8V～2.0V
2.用户应用程序空间为8K字节
3.片上集成512字节RAM
4.32个通用可编程I/O口
5.具有看门狗功能
6.具有EEPROM功能
7.不需要专用的编程器，可以直接通过串口（P3.0,P3.1）下载程序
8.3个16位定时器/计数器
9.4路外部中断
10.通用异步串行口（UART）
单片机引脚如图7所示。
图7STC89C52引脚图
3.3.2MLX90614红外温度测量
MLX90614模块是目前应用最为广泛的通用的红外测温模块。
被测物体的温度和环境温度可以由单通道输出，该模块已进行校验及线性化[14]。
此模块具有不与被测物体接触、稳定性较好、测温精度高等优点，所以被越来越多用户所青睐，应用于各种领域。
MLX90614的技术指参数：
工作电压：
5V—7V
测定温度范围：
-70℃—380℃
分辨率：
0.02℃
反向电压：
0.4V
DC源电流：
25mA
引脚介绍：
VDD：
外部电源输入
VSS：
地和外壳相连
SCL/Vz：
SMBus接口的时钟信号
PWM：
PWM接口的数据信号，通常模式下被测物体的温度通过该引脚输出
MLX90614管脚如图8所示。
图8MLX90614的管脚分布
3.3.3LCD1602液晶显示屏
本系统设计所用到的显示电路是为了显示出当前的转速和温度，让监测人员可以直观的了解到设备的运行是否正常。
LCD1602是单片机应用系统使用较多的显示器。
每行可以显示16个字符，共能显示2行，为并行接口。
它的优点在于功耗低、体积小、操作简单，适用于多种场合。
LCD1602主要技术参数：
显示容量：
16*2个字符
4.5V—5.5V
工作电流：
2.0mA
字符尺寸：
2.95*435（W*H）
正常工作温度：
0—55度
LCD1602引脚接口如表1所示。
表1LCD1602引脚接口说明
编号
符号
引脚说明
1
VSS
电源地
9
D2
数据
2
VDD
电源正极
10
D3
3
VL
液晶显示偏压
11
D4
4
RS
数据/命令选择
12
D5
5
R/W
读/写选择
13
D6
6
E
使能信号
14
D7
7
D0
15
BLA
背光源正极
8
D1
16
BLK
背光源负极
3.3.4TL082芯片
TL082是一款常用的四输入双运算放大器，其有较低的输入偏置电压和偏移电流，有较高的输入阻抗，内部有补偿电路，该运放采用DIP8的封装形式。
各引脚如图9所示。
图9TL082引脚图
3.3.5NE555芯片
用NE555芯片构成斯密特触发器的主要作用是将正弦波信号转化为矩形波信号，斯密特触发器设计的是一种滞回电压比较器，可以起到抗干扰的作用。
NE555的内部结构图如图10所示。
图10NE555的内部结构图
芯片引脚位功能配置：
Pin1：
公共接地端
Pin2：
触发启动它的时间周期
Pin3：
时间周期输出脚位
Pin4：
一个低逻辑电位送至这个脚位时会重置定时器和使输出回到一个低电位。
它通常被接到正电源或忽略不用
Pin5：
外部电压改变触发
Pin6：
复位锁定
Pin7：
电流输出
Pin8：
电源电压端范围是+4.5V至+16V
3．4转速测量电路
考虑到现场条件对测量过程的影响，所以本设计采用红外光电对管，相对于磁电式，它不受现场磁场环境的影响。
红外接收发射对管在市面上很常见，性能稳定，价格便宜。
转速测量电路如图11所示，在设计中，红外发射二极管D2和限流电阻构成的红外发射电路，红外接收二极管D3和限流电阻构成的红外接收电路。
当测量时，红外发射管D2发射出红外光信号，当红外线照射在粘贴在被测转轴上的金属锡箔上时，反射回的红外线使红外接收二极管D3感光产生电信号，当被测转轴旋转一周时，在照射在明暗相间的金属锡箔上时，产生的电信号强度是同的，接收到的光电信号的明暗变化了一个周期，红外接收二极管输出近似正弦的脉冲信号。
图11转速测量电路
3．5放大整形电路
由于红外接收二极管接收到的红外光信号后输出的信号比较微弱，不足以被单片机识别，需要经过放大，放大电路的设计原则是避免电压失调、抗共模干扰能力差等因素，所以用一个TL082运算放大器芯片，将信号放大。
放大整形电路如图12所示，TL082是一款常用的四输入运算放大器，整个放大电路采用TL082运放芯片，作为正向放大器，R6作为正向输入端输入电阻，阻值为1K，可变电阻R7为反馈电阻，之所以选择可变电阻，是因为可以通过改变电阻R7的值，可以达到调节放大倍数的目的。
本放大电路中使用的TL082运放芯片采用+9V和-9V的双电源供电。
为了避免电源电压在一定范围内的波动，在电源端接一个103的电容接地。
因为通过TL082放大后的信号近似于正弦信号，没有陡峭的上升沿，不利于单片机计数，所以必须对其进行整形处理。
整形电路的目的是将正弦信号转化为上升沿的脉冲信号，便于单片机识别并计数。
常用的整形触发器有斯密特触发器、单稳态触发器、多谐振荡器。
考虑到电路的简洁性，于是决定采用555定时器构成斯密特触发器，将引脚2和引脚6连接在一起接输入信号，从引脚3输出，对经过TL082放大后的信号进行整形。
输入信号与输出信号反相。
当经过放大后的电压Vi﹤1/3Vcc时，输出端Vo输出为高电平，当Vi﹥2/3Vcc时，输出端Vo输出为低电平[15]。
所以，将输入的信号经过555整形电路进行整形，就可以达到将正弦波转变为矩形波的目的。
图12放大整形电路
输入输出波形关系如图13所示。
图13整形后输出波形图
3．6温度测量电路
温度测量模块是一个内部集成度很高的模块，该模块直接和单片机的I/O口相连。
此模块的的SCL引脚与单片机的P3.6口相连，SDA引脚和单片机的P3.7口相连，由于其输入输出接口是漏级开路结构，所以需要加上拉电阻。
其工作电压为+5V，温度测量电路如图14所示。
图14红外温度测量电路
3．7液晶显示电路
由于需要同时显示转速和温度，所以本设计所采用的是LCD1602，每行可以显示16个字符，共能显示2行，分别显示转轴的转速和温度。
液晶显示屏的D0-D7各管脚分别与单片机P0.0-P0.7口相连接，RS、R/W、E分别与P2.5、P2.6、P2.7相连接，VDD上接一个5V电压为其供电，Vo上接一个可变电阻，用来调节液晶显示的对比度。
液晶显示电路如图15所示。
图15液晶显示电路
3．8晶振电路
STC89C52单片机内含有一个高增益的反向放大器，单片机想要正常工作，必须要外接一个晶振电路。
晶振电路包括一个晶体振荡器和两个电容，组成一个自激振荡器。
单片机的时钟具有两种工作模式，分别是片内时钟模式和片外时钟模式，本设计采用的是片内时钟模式。
振荡器的频率由晶体决定，两外接电容对频率也有微调作用，所以将C9、C10和晶体尽量安装在单片机附近，这样可以减少寄生电容，并能有效保证振荡器的稳定性，晶振电路如图16所示。
图16晶振电路
3．9复位电路
单片机复位是指单片机的初始化操作。
当单片机开始启动运行时，复位操作可以使CPU和其他组件达到初始的状态，所以需要先对其进行复位操作。
复位电路接+5V直流电压时，C2电容就会充电，从而在电阻上出现一定电压，单片机进入复位状态，几毫秒以后，电容电量达到最大，而电阻上的电流则降至0A，电压降至0V，单片机进入工作状态。
复位电路RESET端产生复位信号，通过连接单片机引脚9给单片机进行复位，电路图如图17所示。
图17复位电路
3．10电源供电电路
本系统需要用到双电源，因为TL082需要双电源给其供电。
外接一个+9V直流电供放大和整形电路、电机等使用。
另一个+9V直流电再经过LM7805三端稳压集成电路和C5整流后得到更稳定的+5V直流电压供单片机电路、红外测速电路、复位电路等使用。
其中的D1是电源指示灯，具体电路如图18所示。
图18电源供电电路
4原理图绘制和仿真调试
4．1仿真软件介绍
本设计采用Proteus来仿真。
Proteus能够很方便的和KEIL等编译软件结合，只需要简单的将程序下载进去，便可以实现仿真效果。
它不但具备其余仿真软件的工作效果，还可以对单片机和其它元器件进行仿真。
用Proteus进行设计仿真，这对于设计电路帮助很大，便于验证自己所设计的电路是否正确，也可以模拟仿真输出信号是否正常，能否满足设计要求，相比于搭建实物，不仅节约了成本，而且效率也提高了不少。
Proteus软件功能强大，元件库也非常丰富，比如里面包含多达上千种不同类型的仿真元器件。
可提供仿真仪表资源。
除拥有器件外，它还能够显示图形，能够反映出电路中信号的改变，通过图像进行实时地反映，其作用类似于示波器[16]。
4．2调试工具
由于本次设计使用了Proteus来绘制此次仿真的图形，因而为了对仿真所需要的代码进行调试，本设计采用KeiluVision4来对编写的代码进行编译，及时发现问题并进行修改，保证在仿真前整串代码能够准确无误的正常运行。
在编译的过程中，有时候一个标点符号的书写不当或者缺失都会使编译结果出现错误，此时就需要根据编译的结果对相应部分的代码进行逐词逐句的检查，并正确修改。
当不再出现错误时，就可以将Keil生成的.hex文件下载到Proteus的仿真图中相应元件的属性对话框
升级会员 