基于光电效应的转速测量仪设计论文

1、 . . . 基于光电效应的转速测量仪设计摘 要随着电子技术、通信技术、计算机技术的发展，数字化的智能仪表是当代的发展趋势。单片机与工业控制行业也有了紧密的联系，通过单片机实现控制过程的自动化，也是现代工业的重要标志。单片机微处理器体积小、功能强、功耗小、性价比高的突出优点，表现出了强有力的生命力，越来越受各行业的青睐。顺应形势，本文设计了一种基于AT89C51的全数字式转速测量仪。本文首先介绍了单片机测量转速的系统构成以与转速测量的“”法（测频法），并介绍了其测量上的特点、计算和误差分析。其次，针对测量环境，设计了一种基于AT89C51单片机的全数字式测速系统，它是由光电传感器、LM324运

2、算放大器、74HC14整形芯片、AT89C51单片机、键盘电路、显示接口电路等组成，实现了全数字的测速功能。该仪器操作方便，测量精确度高。另外，简单的阐述了测速系统的工作原理以与数字测速仪机械原理。本文是运用固定在旋转设备壳体上的发光二极管发光，通过与高速转轴同步的带孔圆盘，照射到集成电路板上的光电转换元件，通过引线引出，与外部的单片机、LED显示器相接。该测速系统精确度为0.1，全量程的测速误差达到0.005%，并且是一种便携式测速仪器，使用操作方便简单，抗干扰能力强。关键词：AT89C51单片机；转速；测量精度The design of speed measuring instrument

3、 based on photoelectric effectAbstractWith the development of electronic technology, communication technology and computer technology, digital intelligent instrument is the contemporary trends. SCM and industrial control industry have also had close contact, Microprocessor control of process automat

4、ionis the core sign of modern industry. Microprocessor is with these outstanding merits of small size, strong function, power consumption and cost-effective, showing a strong vitality and more favored by the industry. Conform to the situation, the paper designs a fully digital speed measuring instru

5、ment based on AT89C51. This paper introduces the structure of SCM speed measurement system and the M method (frequency measurement method), and describes the characteristics of the measurement, calculation and error analysis. Second, for the measurement environment, designing an all-digital speed sy

6、stem based on AT89C51 microcontroller, which consists of a photoelectric sensor (optical pulse encoder), LM324 Amplifiers, 74HC14 Plastic chips, AT89C51 microcontroller, keyboard circuits, display interface circuit and other components to achieve the fully digital speed function, the instrument is w

7、ith easy operation, high accuracy. And the paper exposes of the principle of the system and the mechanical principle of digital speed measuring instrument simply, the paper makes use of the photodiode light fixed on the shell of rotating equipment , synchronized with the high-speed shaft hole disc,

8、exposure to the photoelectric conversion device of the integrated circuit board, the wire leads and connects the external SCM and LED display. Speed systems accuracy is 0.1, the full error measuring is to 0.005%,and it is a portable instrument which is with easy operation and strong anti-interferenc

9、e.朗读显示对应的拉丁字符的拼音Keywords: AT89C51 microcontroller; Speed ; Accuracy目录摘要IAbstractII1 绪论11.1 转速测量的目的和意义11.2 国外转速测量方法与技术11.2.1 国外转速测量方法11.2.2 国外转速测量技术发展状况41.3单片机在智能仪表中的应用51.4 本设计的主要任务72 光电转速测量仪的构成82.1 光电转速测量仪的电气线路82.2 光电转速测量仪的机械原理93 转速测量方案选择与分析113.1 “”（测频法）、“”（测周法）、“”方法的比较113.2 “”法的转速测量原理123.3 误差分析134

10、光电转速测量仪的硬件电路设计144.1 传感器的设计144.1.1 光电传感器与信号的放大整形164.1.2 光电脉冲编码器204.1.3 反光式光电转速测量244.2 单片机芯片的选择254.2.1 AT89C51的介绍254.2.2 单片机低功耗工作模式334.3 键盘显示模块设计354.4 显示器接口技术与显示技术364.4.1 LED显示器364.4.2 8255接口芯片与74LS244缓冲芯片414.5 单片机系统抗干扰技术455 光电转速测量仪的软件设计475.1 转速测量的主流程图设计475.2 6个数码管逐个显示的程序设计485.3 固定时间为1s的计数器中断子程序505.4

11、转速测量的误差分析516 结论53辞54参考文献5556 / 62基于光电效应的转速测量仪设计1 绪论1.1 转速测量的目的和意义工程实践中，经常会遇到各种需要测量转速的场合，例如在发电机、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和瞬时转速。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，但转速测量系统普遍的应用在国民经济中，有着重要的意义。1.2 国外转速测量方法与技术1.2.1 国外转速测量方法目前国外测量转速的方法很多，按照不同的设计理论，先后产

12、生过模拟测速法、同步测速法和计数测速法。传统的转速测量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、电容式等，还有一些特殊的测速器是利用置于旋转体的放射性材料来发生脉冲信号。其中应用最广的是光电式，光电式测速系统具有低惯性、低噪声、高分辨率和高精度的优点。加之激光电源、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。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，测量围宽和测量精度与被测量转速无关等优点，具有广泛的应用前景。不同测量方法的比较如表1.1所示。表1.1 不同测量方法的比较型式测量方法使用围特点备注计数式

13、机械式通过齿轮转动数字轮中、低速简单、价廉光电式来自被测旋转体上的光线使光电管产生电脉冲中、高速数字式电磁式利用磁电转换器将转速变换成脉冲中、高速数字式模拟式机械式利用离心力与转速的平方成正比的关系中、低速简单发电机式利用电机电流或交流电压与转速成正比关系高速可远距离指示测速发电机 续表1.1型式测量方法使用围特点备注模拟式电容式利用电容充、放电与转速成正比的关系中、高速同步式机械式转动带槽的圆盘，观察旋转体的同步关系中速闪光式用已知频率闪光测出旋转体同步的频率中、高速根据旋转设备高速旋转的特性，测量结果精确度高的要求，选择光电式转速测量方法。转速的测量方法分为三种：测频法（法）、测周法（法）

14、、法。法：测量原理为，在固定的测量时间，计取转速传感器产生的脉冲个数，从而算出实际转速。设固定的测量时间为，计数器计取的脉冲个数，假定脉冲发生器每转输出个脉冲，对应被测转速为，则；另在测量时间，计取转速传感器输出的脉冲数应为,所以，当测得值时，就可算出实际转速值：。法：在被测信号的一个周期，计数时钟脉冲数。则被测信号频率，其中为时钟脉冲信号频率，为脉冲发生器每转输出的脉冲数。法：是一种快速精确的转速测量方法，被测转速脉冲和系统时钟脉冲同时开始、同时结束计数。设系统时钟周期为，对被测转速脉冲计数为，系统时钟计数为，则被测转速脉冲频率为，。1.2.2 国外转速测量技术发展状况 典型光电转速测量仪性

15、能指标欣悦仪器仪表生产的光电转速测量仪EMT260C主要性能指标如下：l 测量围转速：199999r/min ；l 计数：199999 ；l 测量精度全量程围误差0.005%的超高精度（转速）；l 显示五位有效数字动态液晶浮点显示 ；l 信号输入:15VP-P脉冲输入 ；l 信号输出:TTL电平脉冲输出 ；l 电源两节七号电池供电，可连续使用24小时；或外接23V直流电源供电。 光电脉冲式旋转编码器测量角位移的数字编码器，具有分辨能力强、测量精度和工作可靠等优点，是测量转角位置的一种最常用位移传感器。光电轴角编码器通常按照光栅码盘团的编码方式进行分类。目前常用的类型为增量式光电轴角编码器和绝对

16、光电轴角编码器。光栅式光电编码器正向着高分辨力的方向发展。如日本尼康公司生产的2HR32400轴角编码器，每转可输出1296万个脉冲（0.1），可谓日本的最高分辨力。我国在光电轴角编码器的开发方面上也已经取得了长足的进展，1995年中科院光机所和中国计量科学研究院联合研制出的角度基准。分辨力0.001，精度P+V=0.05（误差修正后）；光电所研制的JC21精密测角仪的增量式光电轴角编码器分辨力达到了0.02，测角精度R0.04。1.3 单片机在智能仪表中的应用 单片机是当代发展的趋势随着微电子技术的不断发展，微处理器芯片的集成程度越来越高，已经可以在一块芯片上同时集成CPU、存储器、定时器/

17、计数器、并行和串行接口以与A/D转换器等。人们把这种大规模的集成电路芯片称作“单片微控制器”，简称为单片机。单片机的出现，引起了仪器仪表结构的根本性变革。以单片机为主体取代传统仪表的常规电子线路，可以容易地将计算机技术与测量控制系统结合在一起，组成新一代的“智能仪器”。这种新型的智能仪器在测量过程自动化，测量结果的数据处理以与功能的多样化方面，都取得了巨大的进展。目前，在研制高精度、高性能、多功能的测量仪器时，几乎没有不考虑采用微处理器使之成为智能仪器的，而在仪器仪表中使用得最多的微处理器就是单片机。在测量控制仪表中采用单片机技术使之成为智能仪器后能够解决许多传统仪表不能或不易解决的难题。同时

18、还能简化仪表电路，提高仪表的可靠性，降低仪表的成本以与加快新产品的开发速度。这类仪器的设计重点已经从模拟和逻辑电路的设计转向专用的单片机模板或功能部件、接口电路以与输出输入通道的设计、通用或专用软件程序的开发。目前，这类智能化测量控制仪表已经能够实现四则运算、逻辑判断、命令识别、自诊断自校正甚至自适应和自学习的功能。随着科学技术的进一步发展，这类仪器的智能化程度必将会越来越高。自动化、数字化和智能化是现代科技发展的潮流，而凡是需要自动化、数字化和智能化的产品和设备等都离不开单片机。这足以说明单片机应用的广泛和深入程度。例如，时钟计时、锅炉温度控制、电机转速测量与控制等。单片机在智能转速测量仪表

19、中的应用 单片机在转速测量上的控制原理光电式转速测量系统由传感器、信号放大整形电路、单片机和LED显示器等组成。发光二极管发出红外线照射到光电三极管上，光信号转变成微弱电信号，通过电信号的放大整形，模拟信号转变成单片机能够识别的数字信号。接着，通过键盘设置单片机部的计数初值，在固定时间，计数器计数，时间结束，系统产生中断。然后根据转速计算公式：计算转速值，再通过译码器把数值转变成十进制的数，在LED显示器上进行显示。智能仪表的基本结构如图1.1所示：片外扩展存储器单片机放大、整形被测量LED/LCD显示器接口面板键盘键盘输入接口图1.1 智能仪表的基本组成1.4 本设计的主要任务 主要参数转速

20、测量围：099999.9； 测量精度0.1，全量程围误差0.005%（转速）；显示六位有效数字动态液晶浮点显示；信号输入：15VP-P脉冲输入；信号输出：TTL电平脉冲输出 ；外接5V直流电源供电。 设计要求 由光电三极管或光电脉冲编码器作为检测元件； 以单片机作为脉冲计数和转速计算的核心元件； 设计光电转速测量仪的机械原理图和电气线路图。2 光电转速测量仪的构成2.1 光电转速测量仪的电气线路图2.1 光电转速测量仪光电转速测量仪由光电传感器、LM324放大器、74HC14整形芯片、AT89C51单片机、8255接口扩展芯片、74LS244缓冲芯片、74LS06非门芯片、键盘输入电路以与LE

21、D显示器构成，连接电路如图2.1所示。各部件的功能：l 光电传感器:把光信号转变成微弱的电信号；l LM324放大器：把微弱的电信号放大，送入整流器；l 74HC14整形芯片：对放大器送入的信号进行整流，转为数字信号；l AT89C51单片机：对送入的数字信号进行计数、运算，并把转速值输出；l 8255接口扩展芯片：对单片机的接口进行扩展，连接LCD显示器；l 74LS244缓冲芯片：对单片机输入的段码进行缓存，有序输出；l 74LS06非门芯片：对8255输出的信号取反，并输出LED的位码；l 键盘输入电路：根据不同的需求，通过按键进行复位或显示数据；l LED显示器：对测得数据进行显示。2

22、.2 光电转速测量仪的机械原理图2.2 光电转速测量仪结构原理图如图2.2所示，光电三极管固定在旋转机械的外壳上，发出红外光线，照射并通过固定在转轴上圆盘中均匀分布的圆孔，照射到固定在旋转机械部后盖上的信号检测元件（光电三极管），该检测元件镶嵌在集信号放大、整形、计数计算、显示的电路板上。该转速测量仪的机械原理图适合接触式的测量，通过前面的锥形探头与被测轴突出外部的部位接触，带动部的码盘同步转动，固定在箱体上的检测元件光电三极管接收间断的红外光，产生脉冲信号，接下来再对信号进行处理，后面将详细介绍。该机械原理图还可以把前面的锥形探头改为一个感光灵敏元件，在被测轴适当位置上贴一矩形的泊片，通过光

23、线反射的原理，进行非接触式的测量。3 转速测量方案选择与分析3.1 “”（测频法）、“”（测周法）、“”方法的比较就转速测量原理而言，大体可分为两大类，一是用单位时间测得物体的旋转角度来计算速度，例如在单位时间，累计转速传感器发出的个脉冲，即为该单位时间的速度。这种以测量频率来实现测量转速的方法，称测频法，即“”法；另一类是在给定的角位移距离，通过测量这一角位移的时间来进行测速的方法，称测周期法，即“”法，如给定的角位移，传感器便发出一个电脉冲周期，以晶体振荡频率而产生的标准脉冲来度量这一周期时间，再经换算可得转速。这两种测速方法各有优缺点，“”法一般用于高速测量，在转速较低时，测量误差较大，

24、而且，检测装置对转速分辨能力也比较较差；而“”法一般用于低速测量，速度越低测量精度越高，但在测量高转速时，误差较大；结合这两种测量方法就可以得出第三种测量方法，即“”法结合这两种方法的优点，一方面像“”法那样在对传感器发出的脉冲计数的同时，也像“”法那样计取脉冲的时间，通过计算即可得出转速值。在实际测量中，还需设定定时时间，兼顾高、低转速时的精度影响，实时调节采样时间。基于上述的描述，结合设备高速旋转的工作性质，本文选择“”法来进行转速的测量。3.2 “”法的转速测量原理图3.1 “”法测量转速脉冲在一定的测量时间，测量输入脉冲产生的脉冲数来测量转速，如图3.1所示。设在时间，转轴转过的弧度为

25、，则转速可有下式表示： （3.1）转轴转过的弧度数可用下式表示： （3.2）将（3.2）代入（3.1）得： （3.3）转速 ；定时时间；转轴旋转一周输出的脉冲数。3.3 误差分析转速公式： 给出因的量化误差是一个脉冲，故转速变化： (3.4)其相对误差为： (3.5) (3.6) (3.7) 相对误差；加入一个脉冲后的转速值；转速误差。由（3.7）可知，随转速增大而减小，因此，这种方法适合与高速测量，当转速越低，产生的误差会越大。4 光电转速测量仪的硬件电路设计一个单片机的应用系统的硬件电路设计应包含两个部分容：第一是系统扩展，即当单片机部的功能单元，如ROM、RAM、I/O口、定时/计数器、

26、中断系统等容量不能满足应用系统的要求时，必须在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计相应的电路。第二是系统的配置，即按照系统功能要求配置外围设备，如键盘、显示器、打印机、D/A、A/D转换器等，并进行相应的接口电路。因此，系统的扩展和配置应遵循下列原则：l 尽可能选择典型电路，并符合单片机的常规用法；l 系统的扩展与外围设备配置应满足系统功能的要求，并留有适当的余量，以便进行二次开发；l 硬件结构应与应用软件方案统一考虑，软件能实现的硬件功能尽可能用软件来实现，但需注意的是软件实现占用CPU的时间，而且，响应时间比硬件长；l 单片机外接电路较多时，应考虑其驱动能力，减少芯片功耗，降低总线负载。4.

27、1 传感器的设计 方案一：采用光电传感器进行电机的转速测量，并通过集驱动、译码于一体的数码管显示转速。由于元器件成本低，测量精确度高，结构简单，所以运用于本系统比较理想，适用于接触式测量，如图4.1所示。图4.1 光电传感器转速测量原理图 方案二：采用成品光电编码器进行转速测量，本文着重介绍SZLF l024BM CO5L光电脉冲编码器，其各方面的性能都很好，但是成本较高，一般不被采用。 方案三：采用反光式光电测量，在电机轴上装有反光物质利用光线反射，回收频率来测量电机转速。但所用元件价格较昂贵，精度要求很高，如图4.2所示。图4.2 反光式光电转速测量原理图 方案四：采用霍尔传感器，霍尔器件

28、是由半导体材料制成的一种薄片，在垂直于平面方向上施加外部磁场B，在沿平面方向两端施加外电场，则使电子在磁场中运动，结果在器件的两侧之间产生霍尔电势。其大小与外磁场与电流大小成比例。霍尔传感器由于其体积小，无触点，动态特性好，使用寿命长等特点，故在测量转动物体旋转速度领域得到广泛的应用，适用于转速的非接触式测量。其原理图如图4.2，只是把设备转轴上放上磁铁，产生外加磁场，另外在沿薄片平面方向施加一外电场，同时在薄片两侧之间产生霍尔电势即可。4.1.1 光电传感器与信号的放大整形发光二极管发出红外线，经光电三极管转变成微弱的电信号，由LM324运算放大器进行放大，由74HC14对正弦模拟信号进行整

29、形，并把整形后的信号转换成单片机能够识别的数制。信号的测量、放大整形电路图如图4.3所示。图4.3 信号的测量、放大整形电路图 LM324运算放大器图4.4 LM324运算放大器LM324系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。该四运放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。共模输入围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。每一组运算放大器可用图4.4所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”（即输入1的3、2引脚等）为两个信号输入端，“V

30、+”、“V-”（即4、11引脚）为正、负电源端，“VO”（即输出1的1引脚等）为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端VO的信号与该输入端的相位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位一样。LM324的引脚排列见图4.4所示。LM324的特点： 短路保护输出 ；真差动输入级 ；可单电源工作：3V-32V ；低偏置电流：最大100mA；每封装含四个运算放大器；具有部补偿的功能；共模围扩展到负电源 ；行业标准的引脚排列；输入端具有静电保护功能。 74HC14整形芯片图4.574HC14芯片 如图4.5所示，74HC14芯片的A1、A2、A

31、3、A4、A5、A6为信号输入端，Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6为对应的输出端，GND接地，接电源。74HC14由555定时器组成，555定时器是一种数字电路与模拟电路相结合的中规模集成电路，其应用极为广泛，通过其外接不同的连接，就可以构成单稳态触发器和多谐振荡器。现具体分析如下。常用的555定时器有TTL定时器CB555和CMOS定时器CC7555等，下面介绍CB555定时器，如图4.6（a）所示。CB555定时器含有两个电压比较器C1和C2、一个由与非门组成的基本RS触发器、一个与门、一个非门、一个放电晶体管T以与由三个5的电阻组成的分压器。比较器C1的参考电压，加在同相输入端；C2的

32、参考电压，加在反相输入端。如果5端外接固定电压，则，；如果5端不用时，经0.01的电容接地，以防干扰引入。是置0输入端，低电平有效，加上低电平，输出电压=0不受其他输入状态的影响。正常工作时，=1。和分别为6端和2端的输入电压。和分别与和比较，得出C1和C2的输出状态，由此得出基本RS触发器Q端的状态，而后得出的状态。工作原理的说明列在表4.1中。表4.1 CB555的工作原理说明表0*0导通10100导通11011截止111保持保持保持电源电压围为518V。输出电流可达200mA，因此可以直接驱动继电器、发光二极管、扬声器与指示灯等，输出高压约低于电源电压13V。如图4.6（b）所示为74H

33、C14的部分电路图。（a）（b）图4.6 （a）CB555定时器芯片图 （b）74HC14电路图4.1.2 光电脉冲编码器 脉冲编码器分类和结构 脉冲编码器是一种旋转式脉冲发生器。它把机械转角变成电脉冲，是一种常用的角位移传感器。脉冲编码器分光电式、接触式和电磁感应式三种。光电式的精度与可靠性都优于其他两种，因此数控机床上只使用光电式脉冲编码器 。 增量式光电脉冲编码器最初的结构就是光电盘。在一个圆盘的圆周上分成相等的透明与不透明部分，圆盘与工作轴一起旋转。此外还有一个固定不动的扇形薄片与圆盘平行放置，并制作有辨向狭缝(或狭缝群)，当光线通过这两个作相对运动的透光与不透光部分时，使光电元件接受

34、到的光通量也时明时暗地连续变化 (近似于正弦信号)，经放大、整形电路的变换后变成脉冲信号。通过计量脉冲的数目和频率即可测出工作轴的转角和转速。高精度脉冲编码器要求提高光电盘圆周的等分狭缝的密度，实际上变成了圆光栅线纹。它的制作工艺是在一块具有一定直径的玻璃圆盘上，用真空镀膜的方法镀上一层不透光的金属薄膜，再涂上一层均匀的感光材料，然后用精密照相腐蚀工艺，制成沿圆周等距的透光和不透光部分相间的辐射状线纹，相邻的透光与不透光线纹构成一个节距 P。在圆盘的里圈不透光圆环上还刻有一条透光条纹，用来产生一转脉冲信号z。辨向指示光栅上有两段线纹组A和B，每一组的线纹间的节距与圆光栅一样，而A组与B组的线纹

35、彼此错开 14节距。指示光栅固定在底座上，与圆光栅的线纹平行放置，两者间保一个小的间距。当圆光栅旋转时，光线透过这两个光栅的线纹部分，形成明暗相间的条纹，被光电元件接收，产生近似于正弦波的电信号，经变换电路，变换成测量脉冲，其分辨率取决于圆光栅的一圈线纹数和测量线路的细分倍数。该编码器通过十字连接头与伺服电动机连接，它的法兰盘固定在电动机端面上，罩上防护罩，构成完整的驱动部件。图4.7 SZLF l024BM CO5L光电脉冲编码器电路图脉冲编码器的工作原理该脉冲编码器是采用圆光栅的光电脉冲编码器。每转产生1024个脉冲，光线由光源 G发出，当光线透过圆光栅和指示光栅的线纹后，在光电元件上形成

36、明暗相间按正弦规律分布的莫尔条纹，当圆光栅随电机转动时，莫尔条纹也相应的移动，则光电元件上的光线强弱发生变化，光电元件将变化的光信号转换成近似正弦波的电信号。Dl、D3为A组，D2、D4为 B组，每组的两个光电元件在莫尔条纹光线上的对应位置相位相差180度，两组所对应的元件D1与D2 (D3与 D4)在相位上相差 9O度。两组光电元件产生相位相差90度正弦波的信号，两组信号分别加到电压比较器 Al、A2。以图4.7中A相为例分析信号传输过程，在正弦波正半周时，A1同相端 IC1(LM339N 9脚)为高电平，反相端IC1(8脚)为低电平 (电位差只有零点几伏)，经比较器A1， ICl(14脚)

37、输出高电平 (+5V)。相反，在正弦波的负半周，A1同相端 IC1(9脚)为低电平，反相端 ICl(8脚)为高电平，(14脚)输出低电平 (OV)。Al的输出 IC1(14脚)，直接送到 IC2(KS74HCTLS12N)的 3、4、5脚 (为三输入端的与非门，三个输入端接到一起作为非门电路使用)，IC2的6脚输出经R13，送到 IC3(MC3487N)的脚，经功放处理，由IC3的 5、6脚输出，6脚输出信号与输入信号相位一样，脚输出信号与输入信号相位相反。电路中A、B相各主要对应点的波形如图所示 。 Z相是一转脉冲，由光电元件D5产生，它是用来产生机床的基准点的。通常，数控机床的机械参考点与

38、各轴的脉冲编码器发z相脉冲的位置是一致的。当数控车床主轴电机转到机械参考点时，光电元件D5获得光信号，电压比较器A3反相端IC1(4脚)为低电平，A3的同相端 IC1(5脚)经R9和 R10分压后为定值电压，此时A3输出 IC1(2脚)为高电平。IC1(2脚)图4.8 转轴正转时电路中各点对应波的输出经 R15送到 IC3(脚)，此时，IC3 l0脚输出高电平，11脚输出低电平。当主轴电机离开参考点后，A3输出IC1(2脚)为低电平，IC1(2脚)的输出经R15送到 IC3(9脚)，此时IC3 10脚输出低电平，1l脚输出高电平。在应用时，从脉冲编码器输出的A和B和四个方波被引入位置控制电路经

39、辨向和乘以倍率后，变成代表位移的测量脉冲。经频率变换器变成正比于频率的电压，作为速度反馈信号，供给速度控制单元，进行速度调节。另外，转轴正转时电路中各点对应波如图4.8所示。.4.1.3 反光式光电转速测量该测量系统也是由红外线光电传感器、信号处理电路、单片机以与数字显示部分。和另外两种方案不同的是，其感光检测元件接收的是通过矩形泊片反射的红外光，下面对其光学成像系统进行介绍。红外光电传感器发出的光，聚焦到被测的旋转轴上，光由转轴反射后，再聚焦到传感器光电探测器的光敏面上。聚焦在旋转轴上的光斑的大小直接影响到测量的灵敏度，在旋转速度一定时如果光斑比较小，那么光斑渡越矩形反射区的时间很快，反应到

40、脉冲波形上，上升沿将会比较陡峭。如果光斑比较大，那么光斑渡越矩形反射区的时间相对比较慢一些，因而其输出的脉冲信号的上升沿将会有一定的坡度。对频率测量来说，脉冲信号的上升沿越陡，频率测量分辨率越高。因此，在进行反光式转速测量时，反光泊片和光电探测器的光敏面的安装、校对是比较复杂的。综上所述，光电传感器进行电机的转速测量较另外两种方法制造成本低，且测量精度满足本设计的测量要求，硬件电路简单，对于接触式测量首选。反光式转速测量，虽然测量前的校对复杂，但相对光电脉冲编码器廉价，且测量精度高，线性度好，安装方便，测量转速围较宽，对低速的测量也有相当高的精度，可用于各行业转速的非接触式的检测和控制。根据被

41、测设备的不同情况，选择合适的光电传感器，进行测量。4.2 单片机芯片的选择ATMEL公司的89C51系列产品是近年来在我国非常流行的单片机，符合本设计的单片机要求，芯片管脚图如图4.9所示。4.2.1 AT89C51的介绍图4.9 AT89C51单片机 本控制系统选用AT89C51单片机，其主要性能如下：l 片有4KB闪速存储器；l 128B的部RAM单元；l 两个16位定时/计数器；l 中断系统仍为5个中断源，二级优先结构；l 4个8位I/O口，即32位可编程口线；l 可编程全双工串行口；l 宽围的工作电压，的允许变化围为2.7-6.0V；l 可设置为待机状态和掉电状态；l 振荡器与时钟电路

42、，全静态工作方式，时钟频率可为0Hz-24MHz。 工作方式与控制字设置 定时/计数器本系统设计中，用于计数，选定为工作方式1（16位的计数方式），设计中，输入外部脉冲，预置初值由公式（4.1）得：（-计数初值）*晶振周期*12=定时时间 （4.1）本系统设计中，被用于数码管显示与形成闸门信号，由于系统中用到六位数码管，动态显示时，一组数码管显示的总时间以不超过20ms为宜，但是为了方便，这里选择的定时时间4ms，这里选用的工作状态1（即M1M0=01时，定时器所选择的状态）。确定了定时/计数器的定时时间以后，就要计算定时初值，本系统用12MHz的晶振，恰好是一个机器周期为1，因此，4ms定时

43、时间意味着只要计数4000次即可，由于定时/计数器是向上计数，因此，要化为16进制，并分别送入的高8位和低8位。定时/计数器每4ms中断一次，用以进行数码管的显示和每1秒读取一次计数器中的数值。 定时/计数器的工作方式与控制定时/计数器的方式控制字TMOD，其地址为89H，复位值00H，不可位寻址，用于控制和的工作方式。其8位控制容如图4.10：图4.10 定时/计数器的8位控制容说明：GATE：门空位。由GATE、软件控制位TR0/1和INT0/1共同决定定时/计数器T0/1的打开或关闭。当GATE=0，只要TR0/1=1即可启动定时/计数器T0/1工作。GATE=1，只有INT0/1引脚为

44、高电平且用指令置TR0/1=1时，才能启动定时/计数器T0/1的工作。：定时/计数器选择位。=1，工作于计数器方式；=0工作于定时器方式。M1、M0：定时/计数器工作模式选择位。M1M0=00,方式,0，13位计数；M1M0=01，方式1，16位计数；M1M0=10，方式2，常数自动重新装入8位定时/计数器；M1M0=11，方式3，分为两个8位计数器，仅适用于T0。 定时/计数器控制寄存器TCONTCON的地址88H，可进行位寻址，复位值00H。TCON用于控制定时器的启动、停止以与表明定时器的溢出和中断情况，定时/计数器控制寄存器TCON如图4.11。图4.11 定时/计数器控制寄存器TCO

45、NTF1：定时器1溢出标志，T1溢出时由硬件置1，并申请中断，CPU相应中断后，又由硬件清0。TF1也可由软件清0。TF0：定时器0溢出标志，功能与TF1一样；TR1 ：定时器1运行控制位，可由软件置1或清0来启动或停止T1；TR0：定时器0运行控制位，功能与TR1一样；IE0：外部中断0请求标志；IE1：外部中断1请求标志；IT1：外部中断1触发方式选择位；IT0：外部中断0触发方式选择位；当整机复位后，TCON中的各位均为0。 四个8位并行接口P0、P1、P2、P3四个端口的应用有以下两个特点：l 可以用来进行8位并行数据的输入或输出操作。每个端口部结构都包括一个输出锁存器、一个输出驱动器

46、和一个输入缓冲器。输入时，数据可以缓存；输出时，数据可以锁存。而且，这四个端口的每一条I/O先都可以独立地用来进行输入或输出，即可以进行位操作。需要说明的是，这四个端口都是8位的准双向口。所谓的准双向口，是指该端口可以用来输入，也可以用来输出，但是，当输入时，读取引脚状态前，应先向对应的锁存器写入“1”，用于输入时，先向锁存器写“1”，使得并联在引脚上的场效应管FET截止，使引脚浮空，可作为高阻抗输入。l 当P0、P2、P3不用做输入/输出端口时，他们分别有第二功能可以应用。在89C51片外扩展存储器或I/O接口时，P0端口分时作为低8位地址输出和8位数据的输入/输出，P2端口送出高8位的地址

47、，P3端口中的P3.7和P3.6两个引脚分别输出读（）、写（）控制信号，这样就构成了控制片外存储器或I/O接口的系统总线。 AT89C51部分结构的介绍 时钟电路单片机的时钟电路由振荡电路和分频电路组成。其中振荡电路由反相器以与并联外接的石英晶体和电容组成，用于产生振荡脉冲。而分频电路则用于把振荡脉冲分频，以得到所需要的时钟信号，如图4.12所示。图4.12 AT89C51单片机的时钟电路框图 振荡电路AT89C51芯片中的高增益反相放大器，其输入端为引脚XTAL1，输入端为引脚XTAL2。通过这两个引脚在芯片外接石英晶体振荡器和两只电容（电容C1和C2一般取30PF）。石英晶体为感性元件，与

48、电容构成振荡回路，为片放大器提供正反馈和振荡所需的相移条件，从而构成一个稳定的自激振荡器，如图4.13所示。图4.13 AT89C51单片机的振荡电路 分频电路振荡电路产生的振荡信号并不直接为单片机所用，要进行分频，经分频后才能得到单片机各种相关的时钟信号，振荡脉冲经过二分频后作为系统的时钟信号（注意时钟信号与振荡脉冲之间的二分频关系，否则会造成概念上的错误），在二分频的基础上再三分频产生ALE信号，在二分频的基础上再进行六分频就得到机器周期信号。 复位电路复位电路用于产生复位信号，通过RST引脚送入单片机，进行复位操作。复位电路的好坏直接影响单片机自动工作的可靠性，因此，要重视复位电路的设计

49、和研究。目前，在单片机系统中共使用过4种类型的复位电路，分别为：积分电路型、微分电路型、比较型和看门狗型。其中前3种是在芯片外面用分立元件或集成电路芯片搭建成，而最后一种位于芯片部，是单片机芯片的一部分，下面介绍两种复位方式。其一是按键电平复位，如图4.14所示。图4.14 按键电平复位其中，为200，为1，为22。其二是看门狗复位“看门狗”是系统可靠性设计中的重要环节。在一个单片机应用系统中，所谓的“看门狗”是指系统设计过软件或硬件方式在一定的周期监控单片机的运行状况。如果在规定的时间没有收到来自单片机的清楚信号，也就是通常所说的没有与时“喂狗”，则系统会强制复位，以保证系统在受到干扰时仍能

50、维持正常工作状态。Watchdog有如下特性：l 本身能独立工作，基本上不依赖CPU；l CPU在正常工作时，每隔一个固定的时间间隔要和该系统打一次交道（喂一次狗），以表明系统目前正常。当CPU陷入死锁后，监视系统与时发觉并自动使系统复位。图4.15 MAX813L看门狗复位根据上述描述，选择“看门狗”复位，如图4.15所示。复位操作有一些专用寄存器设置初始状态、程序状态字PSW清0、程序计数器PC被赋值为0000H以与为芯片的某些引脚设置电平状态等容。复位操作之后，部分专用寄存器（SFR）的初始化状态如表4.2所示：表4.2 部分专用寄存器初始化状态SFR名称初始化状态SFR名称初始化状态P

51、C0000HTCON00HACC00HTL000HPSW00HTH000HSP07HTL100HDPTR0000HTH100HP0-P3FFHSCON00HIP*00000BSBUF*BIE0*000000BPCON0*BTMOD00H4.2.2 单片机低功耗工作模式 单片机低功耗的意义低功耗对单片机的意义主要体现在以下几个方面： 只有降低功耗才有可能既使用轻便电源又保证长期供电，这对于便携式设备和掌上智能设备（PDA）中使用的单片机十分必要。功耗可低至用纽扣电池就可以为其长期供电，5-10年才更换一次电池。 低功耗可降低芯片的发热量，电路中元器件的排列才可能更加紧密，从而有利于提高芯片的集成

52、密度，并降低芯片的封装成本。 由于低功耗芯片工作时发热量少，进而有利于提高芯片工作的可靠性。 单片机芯片的低功耗，有效地促进了单片机系统的整体低功耗化。在设计单片机系统时必须把低功耗作为一个目标，采用低功耗电路设计方法，选用低功耗的外扩展部件，例如，液晶显示器等。 两种低功耗工作模式 待机模式如果使用指令把电源控制寄存器PCON的IDL位（PCON.0）置1，单片机就进入待机模式。待机模式的主要特点是关闭CPU，办法是阻断向CPU提供时钟信号的通路。CPU因得不到时钟信号而停止工作，同时，与CPU相关的SP、PC、PSW、ACC以与各寄存器等也被“冻结”在原状态。待机模式的典型例子是液晶显示器

53、LCD处于静止不变的显示过程，此时因用不着CPU而只需外围接口电路工作，所以单片机可以进入待机模式。退出待机模式的方法是复位。加在RST引脚上的有效复位信号同样也能将电源控制寄存器的PCON.0位清零，从而使单片机退出待机模式，进入程序运行模式。PCON寄存器的位格式表示如图4.16所示：D7D6D5D4D3D2D1D0SMODGF1GF0PDIDL图4.16 PCON寄存器的位格式SMOD：波特率倍增位，进行波特率加倍处理，在串行通信时才使用。GFO：通用标志位。GF1：通用标志位。PD：掉电方式位，PD=1，则进入掉电方式。IDL：待机模式位，IDL=1，则进入待机模式。 掉电模式PCON寄存器中PD位的状态控制单片机进入掉电模式，PD=1，则进入掉电模式，在掉电模式下，振荡器停振，单片机停止工作，但部RAM单元的容能被保存。退出掉电模式状态的唯一方法是硬件复位。复位信号应维持足够时间（大约10），以使振荡器能起振并稳定下来。复位操作将使系统重新初始化，并从头执行程序，但部RAM中仍保持掉电前的容。此时仍然存在，正因为如此部RAM单元的容才能得以保存。4.3 键盘显示模块设计图4.17 按键原理图按键的功能，如图4.17所示。 按K0为清零、复位，K0与89C51的P1.0连接。 按K1显示计时时间，K1与89C5