低功耗转速测量仪基本设计方案.docx
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低功耗转速测量仪基本设计方案
低功耗转速测量仪基本设计方案
学院:
电气工程
专业：
09电气工程及其自动化一班
成员：
吴宗俞黄静静张小芳
指导老师：
杨伟新
2012年4月10日
低功耗转速测量仪基本设计方案
根据要求，我们主要任务是，设计并制作一个低功耗转速测量仪，实时测量一个转动叶轮的转速，转速范围为0~60转/秒。
叶轮的半边带有一个金属片，转速测量采用非接触方式，其检测电路框图如图1所示，叶轮的结构如图2所示。
图1 低功耗转速测量仪
图2 叶轮结构图
转速是发动机重要的工作参数之一,也是其它参数计算的重要依据。
目前常用的转速测量方法有离心式转速表测速法、测速发电机测速法、光电码盘测速法和霍尔元件测速法等。
在对各种测速方法进行分析后提出了基于光电传感器的转速测量系统。
使用光电传感器结合STC公司的STC89C51型单片机设计的一种转速测量与控制系统。
STC89C51单片机采用了CMOS工艺和高密度非易失性存储器技术，而且其输入/输出引脚和指令系统都与MCS-51兼容
关键词：
单片机光电转速传感器转速测量数据处理
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/（m*T）
（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/（m*T）=N/（601/60）=N
（2）
◆通常m为60。
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。
光电传感器
整个测量系统的组成框图如图3.3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。
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。
转速信号采集
在设计中采用光电传感器采集信号，这种传感器是把旋转轴的转速变为相应频率的脉冲，然后用测量电路测出频率，由频率值就可知道所侧转速值。
这种测量方法具有传感器结构简单、可靠、测量精度高的特点。
是目前常用的一种测量转速的方法。
从光电传感器发出的光照射到叶片的反光片上，传感器接收一次信号，经过电路传导到单片机上，单片机采用定时计数，通过定时一分钟，记录接收到的信号次数，即为电机的转速。
转速信号处理电路设计
转速信号处理电路包括信号放大电路、整形及三极管整形电路。
由于产生的电压信号很小，所以要进行放大处理，一般要放大至少1000倍（≥60dB），然后在进行信号处理工作。
信号放大装置选用运算放大器TL084作为放大电压放大元件，采用两级放大电路，每一级都采用反响比例运算电路如图4.4.设计的电压放大倍数为3000倍。
其中第一级放大倍数为30，第二级放大倍数为100.放大后电压变化范围为0～4.8V。
TL084采用12V双电源供电，由于电源的供电电压在一定范围内有幅值上的波动，形成干扰信号。
为起到消除干扰，实现滤波作用，故供电电源两端需接10UF的电容接地，电容选择金属化聚丙已烯膜电容。
两级运放放大所采用的供电电源均采用此接法。
信号处理电路图
整形电路的主要作用是将正弦波信号转化为方波脉冲信号，正弦波信号电压的最大幅值约为4.8V，最小幅值为0V。
整形电路设计的是一种滞回电压比较器，它具有惯性，起到抗干扰的作用。
从而向输入端输入的滞回比较器。
在整形电路的输入端接一个电容C7（103），起到的作用是阻止其他信号的干扰，并且将放大的信号进行滤波，解耦。
R11和R17是防止电路短路，起到保护电路的作用。
一次整形后的信号基本上为±5V的电平的脉冲信号，在脉冲计数时，常用的是+5V的脉冲信号。
如果直接采用-5V的脉冲计数，会增加电路的复杂性，故一般不直接使用，而是先进行二次整形。
第二次用三极管整形电路，当输出为-5V的信号时，三极管VT2（8050）的基-射极和电阻R18组成并联电路电流经过R18.R17,三极管VT2处于反向偏置状态，所以，VT2的集-射极未接通，故处于截止状态。
电源回路由R19，三极管VT2的集-射极组成，采用单电源+12V供电，由于集射极截止，处于断路状态，故输出电压U0为V。
当第一次整形输出为+5V的信号时，三极管VT2基-射极处于正向偏置状态，有电流I通过，故此时三极管的集-射极处于通路状态。
电源电流流经电阻R19，三极管的集-射极到地端，由于集-射极导通时的电阻很小，可以忽略不计。
电源电压主要在R19上，其输出电压约为0V。
综上所述，三极管整形的电路的输入关系是：
信号为-5V时，U0=+12V；信号为+5V时，U0=0V。
测量系统部分设计
（一）单片机
单片机是单片微型计算机（SingleChipMicrocomputer）的简称，是指在一块芯片上集成了中央处理器CPU、随机存储器RAM、程序存储器ROM或EPROM、定时器/计数器、中断控制器以及串行和并行I/O接口等部件，构成一个完整的微型计算机。
目前，新型单片机内还有A/D及D/A转换器、高速输入/输出等部件。
由于它的结构和指令功能都是按工业控制要求设计的，特别适用于工业控制及其数据处理场合，因此，确切的称谓应是微控制器（Microcontroller）.
系统使用的单片机是STC89C51型单片机。
STC89C51单片机是基于MCS-51单片机为内核的，其输入/输出管脚以及指令系统和MCS-51单片机是完全兼容的。
其优越的性价比使其成为颇受欢迎的8位单片机。
如图3.6是STC89C51结构框图。
STC89C51单片机的特点：
⑴它内部有一个8位的CPU，具有4KB的EEPROM。
⑵128字节的RAM数据存储器，21个特殊功能寄存器SFR。
⑶4个8位并行I/O口，其中P0、P2为地址/数据线，可寻址64KBROM和64KBRAM.
⑷一个可编程全双工串行口,具有5个中断源。
⑸两个16位定时器/计数器的计数脉冲输入T0T1，
中断输入INT0INT1，
P0P1P2P3TXDRXDINT0INT1
STC89C51结构框图
图3.7是STC89C51单片机引脚分布图。
由图我们可以看到，单片机的引脚除了电源、复位、时钟接入、用户I/O口外，其余管脚是为实现系统扩展而设置的。
这些引脚构成MCS-51单片机片外三总线结构，即：
①地址总线（AB）：
地址总线宽为16位，因此，其外部存储器直接寻址为64K字节，16位地址总线由P0口经地址锁存器提供8位地址（A0至A7）；P2口直接提供8位地址。
②数据总线（DB）：
数据总线宽度为8位，由P0提供。
③控制总线（CB）：
由P3口的第二功能状态和4根独立控制线RESET、EA、ALE、PSEN组成。
STC89C51管脚图
（二）显示部分设计
（1）许多电子产品上都有跳动的数码来指示电器的工作状态，其实数码管显示的数码均是由八个发光二极管构成的。
每段上加上合适的电压，该段就点亮。
（2）LED数码有共阳和共阴两种，把这些LED发光二极管的正极接到一块（一般是拼成一个8字加一个小数点）而作为一个引脚，就叫共阳的;相反的，就叫共阴的，那么应用时这个脚就分别的接VCC和GND。
再把多个这样的8字装在一起就成了多位的数码管了。
实物如图
共阳型就是八个发光管的正极都连在一起，作为一条引线,用低电平驱动数码管各段的阴极。
A~G段用于显示数字,字符的笔画,（dp显示小数点），每一段控制A~G~dp的亮度。
其内部结构图:
图（a）共阳型LCD
共阴型就是七个发光管的负极都连在一起，作为一条引线,用高电平驱动数码管各段的阳极。
A~G段用于显示数字,字符的笔画,（dp显示小数点），每一段控制A~G~dp的亮度.
其内部结构图:
图（b）共阴型LCD
数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数字，因此根据数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。
静态显示驱动：
静态驱动也称直流驱动。
静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O端口进行驱动，或者使用如BCD码二-十进制译码器译码进行驱动。
静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O端口多，（如驱动5个数码管静态显示则需要5×8＝40根I/O端口来驱动，要知道一个89S51单片机可用的I/O端口才32个呢。
），实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动，增加了硬件电路的复杂性。
动态显示驱动：
数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。
通过分时轮流控制各个数码管的的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。
在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为1～2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低。
（3）段码表
下表为LED段码表
LED段码表
显示字符
共阴极段选码
共阳极段选码
显示字符
共阴极段选码
共阳极段选码
0
1
2
3
4
3FH
06H
5BH
4FH
66H
C0H
F9H
A4H
B0H
99H
5
6
7
8
9
6DH
7DH
07H
7BH
6FH
92H
82H
F8H
80H
90H
（4）动态显示仿真
动态显示仿真图
以上即为我们的初步设计方案！
队员姓名：
吴宗俞
黄静静
张小芳
2012年4月10日
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