持手式激光转速测量仪的设计本科毕业设计Word文档格式.docx

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同时从实际硬件电路出发，分析电路的工作原理，提出了修改方案和解决办法。

本课题以单片机为核心，设计的以半导体激光二极管作为光源的全数字化测量转速系统，在工业控制和民用电器中都有较高使用价值。

一方面它可以应用于工业控制中的某一部分，如数控车床的电机转速检测和控制、水泵流量控制以及需要利用转速检测来进行控制的许多场合，如车辆的里程表、车速表等。

另一方面由于该转速测量系统采用全数字结构，因而可以很方便的和工业控制机进行连接，实行远程管理和控制，进一步提高现代化水平。

并且，几乎不需做太多改变就能直接作为工业产品投入使用。

总之，转速测量系统的研究是一件非常有意义的课题。

1.2转速测量在国内的研究情况

转速是能源设备与动力机械性能测试中的一个重要的特性参量，因为动力机械的许多特性参数是根据它们与转速的函数关系来确定的，例如压缩机的排气量、轴功率、内燃机的输出功率等等，而且动力机械的振动、管道气流脉动、各种工作零件的磨损状态等都与转速密切相关。

转速测量的方法很多，测量仪表的型式也多种多样，其使用条件和测量精度也各不相同。

根据转速测量的工作方式可分为两大类：

接触式转速测量仪表与非接触式转速测量仪表。

前者在使用时必须与被测转轴直接接触，如离心式转速表、磁性转速表与测速发电机等；

后者在使用时不需要与被测转轴接触,如光电式转速表、电子数字式转速表、闪光测速仪等。

测量发动机转速的传统方法是使用光电式转速表测量。

用这种方法测量时,既要在发动机转动轴上粘贴光标纸，又要求测量人员把转速表与光标纸的距离控制在很近的范围,测量十分不方便。

随着科学技术的迅速发展,转速测量仪表已步入现代化、电子化的行列。

过去曾经使用过的接触式测量仪表,如离心式转速表、磁性转速表、微型发电机转速表属定时转速表，均已先后受到冷落；

而利用已知频率的闪光与被测轴转速同步的方法来测速的闪光测速仪，虽属非接触式仪表，目前仍有应用,但也退居次要地位。

代之而起的是非接触式的电子与数字化的测速仪表。

这类转速仪表大多具有体积小、重量轻、读数准确、使用方便等优点，容易实现电脑荧屏显示和打印输出，能够连续的反映转速变化，既能测定转动设备稳定情况下的平均转速,也能够用来在足够小的时间间隔这一特定条件下测定转动设备的瞬时转速。

转速测量的应用系统在工业生产、科技教育、民用电器等各领域的应用极为广泛，往往成为某一产品或控制系统的核心部分，其各种参数在不同的应用中有其侧重，但转速测量系统作为普遍的应用在国民经济发展中，有重要的意义。

1.3主要内容与问题

1.3.1研究的主要内容

1.详细分析半导体激光二极管的工作原理，并对半导体激光二极管的特点进行较深入的研究。

2.详细分析转速的测量理论，对转速的周期测量法“T”法、频率测量法“M”法以及周期频率“M/T”测量法，三种具体测量方法的转速计算、各自的测量精度和误差进行阐述。

定性的比较三种方法所针对的转速特征，分析高、中、低转速情况下各自的适用状况，从而在保持一定的测量精度情况下，应用“M”法，说明转速测量原理。

3.根据单片机硬件系统的设计，构建软件系统，分别对硬件系统的配置予以估计，使其能够对转速进行测量。

同时分析接口电路，显示转速。

4.对单片机定时/计数器进行设置，设计和说明定时/计数器在“M”法测量中的作用和使用方法，讨论测量精度的问题。

5.根据系统要求设置各控制字，用C语言编制程序，包括主程序流程，显示中断程序流程。

并用软件的方法对计数和定时进行同步，力求在不增加硬件的条件下，使同步达到满意的效果。

6.利用KeilC51软件的μVision4集成环境对系统对软件进行编译、调试,Protues7.8进行仿真。

1.3.2阐明的问题

1、针对现行转速测量相关产品及关键技术进行调研，重点放在非接触式转速测量仪、光学反射式转速测量方法的研究上。

综合论述光学反射式转速测量仪的原理、结构及功能，比较国内外相关测速产品的应用方案及优缺点。

重点内容包括：

采用激光反射式测速模式，以单片机为核心构成测速及实时显示装置；

研究激光发射，特别是反射信号的采集处理；

研究转速测量中的相关算法，选择适合本设计的测速算法。

2、从以上的方案调研论证中，分析比较各类转速测量相关产品之间的优劣，从而深入了解光学反射式转速测量方法、电路组成及相关测速算法的特点，最终选择采用激光反射式转速测量方法，得出实用的、可行的总体设计方案。

3、根据总体设计方案，对基于激光反射原理的手持式转速测量仪进行硬件设计、软件设计，并制作硬件实物。

4、对毕业论文及设计的工作进行总结，分析存在的问题及不足之处，并对该方案的应用前景进行展望。

2系统设计的方案

转速测量的方案选择,充分考虑传感器的结构、安装以及测速范围与环境条件等方面的适用性。

本文设计中给出了传感器、显示以及电源的选择方案，经过查资料、构思和自己的设计，总体电路给出了几种设计方案，部分重要模块也考虑了其它设计方法，经过分析，从实现难度、熟悉程度、器件用量以及价格等方面综合考虑，我们才最终选择了一个方案。

2.1电源方案的选择与论证

（1）方案一：

干电池

干电池又叫一次性电池，是电源家族中最原始的成员。

它体积小，携带方便，价格低廉，供电稳定，适用于各种对电压电流要求不高的场合。

但干电池的还原性能极差，虽然国内外也曾有许多人尝试用恒压充电器，恒流充电器，脉动充电器，正负脉冲充电器等等来延长干电池的使用寿命，但其电能—化学能的可逆性仍未得到改变。

（2）方案二：

开关稳压源

开关稳压源是利用现代电力电子技术，控制开关管通和断开的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。

与线性电源相比，PWM开关电源更为有效的工作过程是通过“斩波”，即把输入的直流电压斩成幅值等于输入电压幅值的脉冲电压来实现的。

脉冲电源的占空比由开关电源的控制器来调节。

一旦输出电压被沾成交流方波，其幅值就可以通过变压器来升高或降低。

通过增加变压器的二次绕组数就可以增加输出的电压值。

最后这些交流波形经过整流滤波后就得到直流输出电压。

（3）方案选择

综合考虑，本设计手持式的要求，所以必须选用干电池作为电源，即方案一。

2.2显示方案的选择与论证

数码管显示

数码管一种半导体的发光器件，它的基本组成单元是发光二极管。

数码管按段数可以分为七段数码管和八段数码管，多个数码管相互组合就可以作为显示屏，通过对数码管不同的管脚输入相对的电流，使得数码管对应的段的二极管发亮，从而显示出数字能够显示时间、日期、转速等所有可以用数字表示的参数。

12864液晶屏显示

12864液晶显示屏是128*64点阵液晶模块，带中文字库的12864液晶显示屏是一种具有4位或8位并行、2线或3线串行的多种接口方式，它内部包含有国家标准的一级、二级简体中文字库的点阵图形；

其显示的分辨率是128×

64,它内部有8192个16*16点汉字和128个16×

8点ASCII字符集，可以显示8×

4行16×

16点阵的汉字。

利用该液晶屏的灵活接口方式和简单的操作指令，就可构成全中文人机交互的图形界面。

它的另一个显著特点是工作时它的功耗很低。

（3）方案三：

1602液晶屏显示

1602液晶显示屏是一种字符型的液晶模块。

它具有字符发生器ROM：

192种5×

8点字体字符，64种5×

10点字体字符；

具有字符发生器RAM：

8种5×

8点字体字符，4种5×

它可以显示2行×

16个字符，每个字符都是由5×

8点阵组成的字符块集。

1602液晶屏是采用8位并行的数据接口，同时还可以选用4位并行数据方式。

1602液晶屏模块结构不仅稳定，工作时功耗很低，而且它的使用寿命长、可靠性高。

（4）方案选择:

本文设计的手持式激光转速测量仪要求显示转速这一数字量。

数码管的显示方案焊接电路复杂，占用单片机管脚较多，显示效果没有液晶屏的显示效果好，而且耗电量大，干电池的电量长时间无法满足其供电要求；

1602液晶显示电路连接简单，可显示字符和数字，功耗低，价格便宜；

12864液晶显示电路连接简单，可显示汉字、字符和数字，功耗低，但价格高出1602一倍左右。

综合考虑，本文设计的手持式激光转速测量仪采用方案三。

2.3传感器方案的选择和论证

霍尔传感器测量方案

霍尔传感器是利用霍尔效应进行工作的，其核心元件是根据霍尔效应原理制成的霍尔元件。

采用霍尔传感器在信号采样的时候，由于其有滞回效应，会导致采样不精确，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。

光电传感器

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,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STC89C52的相应管脚上，通过STC89C52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。

综合考虑，光电转速传感器具有采样精确，采样速度快，范围广的特点，关键是无需固定，所以选用方案二。

3基于单片机的转速测量方法及原理

3.1半导体激光二极管的工作原理和特点

3.1.1半导体激光二极管的工作原理

半导体激光二极管的基本结构如图3.1所示，垂直于PN结面的一对平行平面构成法布里—珀罗谐振腔，它们可以是半导体晶体的解理面，也可以是经过抛光的平面。

其余两侧面则相对粗糙，用以消除主方向外其它方向的激光作用。

图3.1半导体二极管的基本结构

半导体中的光发射通常起因于载流子的复合。

当半导体的PN结加有正向电压时，会削弱PN结势垒，迫使电子从N区经PN结注入P区，空穴从P区经过PN结注入N区，这些注入PN结附近的非平衡电子和空穴将会发生复合，从而发射出波长为λ的光子，其公式如下：

λ=hC/Eg 

（3.1）

式中：

h—普朗克常数；

C—光速；

Eg—半导体的禁带宽度。

上述由于电子与空穴的自发复合而发光的现象称为自发辐射。

当自发辐射所产生的光子通过半导体时，一旦经过已发射的电子—空穴对附近，就能激励二者复合，产生新光子，这种光子诱使已激发的载流子复合而发出新光子现象称为受激辐射。

如果注入电流足够大，则会形成和热平衡状态相反的载流子分布，即粒子数反转。

当有源层内的载流子在大量反转情况下，少量自发辐射产生的光子由于谐振腔两端面往复反射而产生感应辐射，造成选频谐振正反馈，或者说对某一频率具有增益。

当增益大于吸收损耗时，就可从PN结发出具有良好谱线的相干光—激光。

由于半导体激光是方向性很强的相干光源，经光学透镜准直或聚焦后，光束很细，因此可用小光阑获取直径为0.1mm～0.5mm的激光光束，用这种细的准直光束可以实现高精度的定位控制、位置检测、线径测量，并可以检测直径小到像绣花针头般大小的目标。

特别是将半导体激光束通过芯径5mm～9mm单模光纤耦合并准直后，可以将检测精度提高到微米级，像头发丝直径这样大小的目标均可轻而易举地检测出来。

值得一提的是，将准直后的激光束通过柱面光学透镜后，可以射出一条直线光，其线宽可做到0.5mm，如图3.2所示。

采用这种线光源，可以实现流水作业中材料定位切割、医学上CT检测中目标定位、物体的直线度、不平度检测等，应用十分广泛。

本设计也采用了半导体激光二极管作为光源。

图3.2线状激光光源

3.1.2半导体激光二极管的常用参数

（1）波长：

即激光管工作波长，目前可作光电开关用的激光管波长有635nm、650nm、670nm、690nm、780nm、810nm、860nm、980nm等。

（2）阈值电流Ith：

即激光管开始产生激光振荡的电流，对一般小功率激光管而言，其值约在数十毫安，具有应变多量子阱结构的激光管阈值电流可低至10mA以下。

（3）工作电流Iop：

即激光管达到额定输出功率时的驱动电流，此值对于设计调试激光驱动电路较重要。

（4）垂直发散角θ⊥：

激光二极管的发光带在垂直PN结方向张开的角度，一般在15˚～40˚左右。

（5）水平发散角θ∥：

激光二极管的发光带在与PN结平行方向所张开的角度，一般在6˚～10˚左右。

（6）监控电流Im：

即激光管在额定输出功率时，在PIN管上流过的电流。

3.1.3半导体激光二极管的特点

（1）照射距离长

半导体激光光源是一种相干性强的光源，因而方向性很强，用光学系统准直后，可很容易的把发散角限制在0.2mrad以内，如示意图8。

激光照射的光斑大小可按下式近似计算：

d≈Lθ 

（3.2）

式中，d—光斑直径（mm）；

L—检测距离（m）；

θ—发散角（mrad）。

若一束激光投射到500m远处，可近似得光斑直径为100mm，可见光斑并不大，在此范围内仍有较大的能量分布，足以驱动接收器工作。

同时，采用功率较大的激光管则容易实现数公里远的目标探测。

（2）可实现高精度的定位控制和微小目标的检测

值得一提的是，将准直后的激光束通过柱面光学透镜后，可以射出一条直线光，其线宽可做到0.5mm，此外，将准直的激光光束通过某种光栅片后可射出十字形激光，在检测和定位方面亦有独到的应用之处。

（3）适应不同使用要求，有多种波长的激光光源可供选用

近一、二十年来，半导体激光技术取得长足的发展，业已商品化的半导体激光管在可见光波段有波长为635nm、650nm、670nm、690nm四种类型，在近红外波段则有780nm、810nm、830nm、850nm、860nm、910nm、980nm等几种。

根据使用要求，可灵活选择其中任何一种作为光电开关的激光电源。

一般来说，若选择可见光波段，则在安装、调试、对准上都比较方便，若选用近红外波段，则在安装、调试过程中，须使用夜视仪或红外测试卡配合进行。

当使用波长短于860nm的型号时，虽然看不见激光光束，但激光管窗口还能清楚看到有红色光，即所谓有“红暴现象”。

因此，在作周界报警的光电发射传感器时，宜选用无“红暴现象”的910nm、980nm激光器，以免暴露目标。

有时还要考虑传输介质中的损耗问题，例如，绿色激光在水中很少被吸收，其他波段则很容易被水吸收引起激光能量严重衰减。

因此，在水中工作时，选用532nm的绿色激光最为适宜。

总之，今天的半导体激光波长范围之宽，品种之丰富，均为使用者提供了充分选择的余地。

3.2单片机测量转速的方法

转速是工程中应用非常广泛的一个参数，早期模拟量的模拟处理一直是作为转速测量的主要方法，这种测量方法在测量范围和测量精度上，已不能适应现代科技发展的要求。

而随着大规模及超大规模集成电路技术的发展，数字测量系统得到普遍应用，利用单片机对脉冲数字信号的强大处理能力，应用全数字化的结构，使数字测量系统的越来越普及。

下面对测量系统进行探讨。

一般转速测量系统有以下几个部分构成，转速测量框图如图3.3所示。

图3.3转速测量框图

1．转速信号拾取

转速信号拾取是整个系统的前端通道，目的是将外界的非电参量，通过一定方式转换成电量，这一环节可以通过敏感元件、传感器或测量仪表等来实现。

2．整形和放大

前向通道中，将传感器输出的信号转换成单片机输入要求的信号。

3．单片机

单片机是整个测量系统的主要部分，担负对前端脉冲信号的处理、计算、以及信号的同步，计时等任务，其次，将测量的数据经计算后，将得到的转速值传送到显示接口中，用液晶显示器显示数值。

在本系统中考虑到计数的范围、使用的定时/计数器的个数及I/O口线，选用STC89C52单片机。

4．驱动和显示

液晶显示器以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄超轻等诸多优点，在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛应用。

由于本系统采用独立供电的方案，所以也选用了液晶来显示。

3.3转速测量原理

3.3.1测周期法“T法”

转速可以用两脉冲产生的间隔宽度TP来决定。

用以采集数据的码盘，可以是单孔或多孔，对于单孔码盘测量两次脉冲间的时间，就可测出转述数据，TP也可以用时钟脉冲数来表示。

对于多孔码盘，其测量的时间只是每转的1/N，N为码盘孔数。

如图3.4“T”法脉宽测量所示。

TP通过定时器测得。

定时器对时基脉冲（频率为fc）进行计数定时，在TP内计数值若为m2，则

计算公式为：

n=60/PTp（3.3）

即：

n=60fc/Pm2（3.4）

P—为转轴转一周脉冲发生器产生的脉冲数；

fc—为硬件产生的基准时钟脉冲频率：

单位（Hz）；

n—转速单位：

（转/分）；

m2—时基脉冲。

输入脉冲

时基脉冲

图3.4“T”法脉宽测量

由“T”法脉宽测量可知“T”法测量精度的误差主要有两个方面，一是两脉冲的上升沿触发时间不一致而产生的；

二是计数和定时起始和关闭不一致而产生的。

因此要求脉冲的上升沿（或下降沿）陡峭和计数和定时严格同步。

测周法在低转速时精度较高，但随着转速的增加，精度变差，会有小于一个脉冲的误差存在。

3.3.2测频率法“M法”

在一定测量时间T内，测量脉冲发生器（替代输入脉冲）产生的脉冲数m1来测量转速，如图3.5“M”法测量转速脉冲所示，设在时间T内，转轴转过的弧度数为Xτ，则转速n可由下式表示：

n=60Xτ/2πT（3.5）

转轴转过的弧度数Xτ可用下式所示

Xτ=2πm1/p（3.6）

图3.5“M”法测量转速脉冲

将（3-6）式代入（3-5）式得

转速n的表达式为：

n=60m1/TP（3.7）

n-转速单位：

T-定时时间单位：

（秒）。

在该方法中，由于定时时间T和脉冲不能保证严格同步，以及在定时时间T内能否准确测量外部脉冲的完整周期等问题的影响，所以可能产生1个脉冲的量化误差。

因此，为了提高测量精度，要保证定时时间T足够长。

定时时间T可根据测量对象情况预先设置。

设置的时间过长，虽然可以提高精度，但在转速较快的情况下，所计的脉冲数增大（码盘孔数已经确定的情况下），限制了转速测量的量程。

而设置的时间过短，测量精度又会受到一定的影响。

3.3.3测频测周期法“M/T法”

所谓测频测周期法，即是综合了“T”法和“M”法分别对高、低转速具有的不同精度，利用各自的优点而产生的方法，精度位于两者之间，如图3.6“M/T”法定时/计数测量所示。

“M/T”法采用三个定时/计数器，同时对输入脉冲、高频脉冲（由振荡器产生）、及预设的定时时间进行定时和计数，m1反映转角，m2反映测速的准确时间，通过计算可得转速值n。

该法在高速及低速时都具有相对较高的精度。

测速时间Td由脉冲发生器脉冲来同步，即Td等于m1个脉冲周期。

由图可见，从a点开始，计数器对m1和m2计数，到达b点，预定的测速时间时，计算机发出停止计数的指令，因为TC不一定正好等于整数个脉冲发生器脉冲周期，所以，计数器仍对高频脉冲继续计数，到达c点时，脉冲发生器产生的脉冲上升沿使计数器停止计数，这样，m2就代表了m1个脉冲周期的时间。

“M/T”法综合了“T”和“