毕业设计（论文）-红外线数字转速表的设计

PAGEPAGE1红外线数字转速表的设计摘要为测量电机等旋转体的转速，本文用AT89C52单片机作微处理器，设计了一种基于红外线的转速测量装置。系统采用一对红外发射和接收二极管形成光路，通过齿盘轮齿对光路的间歇遮挡形成电脉冲。单片机采用同步M／T法对脉冲计时从而计算出转速，并通过液晶显示器显示出结果。实验结果显示测量装置能保证检测的实时性，测量精度高，可适应低转速和高转速的测量。关键词：转速；红外辐射；AT89C52单片机；测量仪AbstractThisthesisdesignedaninfrared-basedspeedmeasuringdevicesthatAT89C52microcontrollerasmicroprocessorstomeasurethespeedofmotorsandotherrotatingbody.Systemusesapairofinfraredtransmitterandreceiverdiodesformalightpaththroughtheopticalpath-geartoothformation,intermittentelectricalpulsesblock.MicrocontrollerusingsynchronousM/Tmethodtocalculatethespeedofpulsetiming，andthroughtheLCDdisplaytheresult.Experimentalresultsshowthatmeasuringdevicecanguaranteedetectionofreal-time,highaccuracy,canbeadaptedtolowspeedandhigh-speedmeasurements.Keywords：speed;theinfraredradiation;AT89C52SCM(SingleChipMicrocomputer);measuringequipment前言单片机具有体积小，速度快，性能可靠和价格低廉等优点，通常在其外部配置外围电路就可构成一完整的控制系统。红外线测速装置具有抗干扰能力强，响应速度快，低功耗等众多优点。目前，基于单片机控制的红外测速装置已经广泛地应用于电机、电扇、造纸、塑料、化纤、洗衣机、汽车、飞机、轮船等制造业。本文设计的以AT89C52单片机为核心的红外线数字转速表是具有硬件电路简单，成本低廉，软件编写较容易等优点的测速系统。该红外线数字转速系统主要包括信号检测、信号处理电路、单片机以及数字显示部分。其工作过程为当齿盘旋转时，由于轮齿的遮挡，红外发射管与接收管之间的红外线光路时断时续，信号处理电路将此变化的光信号转换为电脉冲信号，一个脉冲信号即表示齿盘转过一个齿。单片机对脉冲进行计数，同时通过其内部的计时器对接收一定数目的脉冲计时，根据脉冲数目及所用时间就可计算出齿盘的转速，最后通过数字显示部分将转速显示出来。为了对这一设计过程进行详细的叙述，本文共分为四大章节。第一章为绪论部分，概括的介绍了所设计的红外线数字转速表的发展历程，在实际生活生产中的作用以及本次设计的任务和要求。第二章为硬件设计部分，主要说明了设计所需的硬件电路。例如，红外线传感器，主芯片AT89C52，单片机的管脚及内部振荡电路，LCD显示器等等。第三章为软件设计部分，重点讲述了所选用的计时方案M/T法，软件的结构模块中主要的计时模块和转速计数模块。最后一章是对本设计—红外线数字转速表的性能分析。通过以上论述可以更好的说明了用单片机构成的红外线数字转速表在其性能上，体积上，价格上的优越性，从而突出了设计的必要性和实用性。第1章绪论第1.1节转速测量概述测速装置的发展大致经历了四个阶段：机械式、电磁式、光电式和激光式。机械式主要利用离心力原理，通过一个随轴转动的固定质量重锤带动自由轴套上下运动，根据不同转速对应不同轴套位置获得测量结果原理简单直接，不需额外电器设备，适用于精度要求不高、接触式的转速测量场合。电磁式系统由电磁传感器和安装在轴上的齿盘组成，主轴转动带动齿盘旋转，齿牙通过传感器时引起电路磁阻变化，经过放大整形后形成脉冲，通过脉冲得到转速值。由于受齿盘加工精度、齿牙最小分辨间隔、电路最大计数频率等限制，测量精度不能保证。光电式结构类似于电磁式结构，把旋转齿盘换作光电编码盘或黑白相间的反射条纹，把电磁传感器换作光电接收器，通过对反射回来的光脉冲信号计数得到测量结果。由于受条纹最小分辨间隔、电路最大计数频率等限制，测量精度不能保证，所测转速值和电磁式一样为两个计数脉冲间距的平均值。激光测速技术(LDV)是一种正在发展中的测速技术，通过激光多普勒效应获得转动体的瞬时角速度，理论上具有很高的瞬时转速测量精度，但目前实际产品精度不够高，并且价格昂贵，在实际使用上受到限制。本次设计的红外线数字转速表采用的是光电式测速装置，是使用红外线技术的新型转速测量仪。光电式测速装置与机械式和电磁式测速装置相比安装更加方便，对周围环境要求更低，可以很容易地完成转速的测量；同时较激光式测速装置而言具有较宽的动态测量范围，测量精度较高，应用场合更加广泛。第1.2节设计任务及要求（1）设计一个红外线数字转速表（2）测量范围10转/分-100000转/分（3）采用DC－5V电源（4）用单片机实现，要求结构简单，实时性强，精度高第1.3节设计方案本次设计的红外线转速表主要由信号检测、信号处理电路、单片机以及数字显示四大部分组成部分，其总体结构如图1.1所示。图1.1红外线数字转速表结构图工作原理如下：当齿盘旋转时，由于轮齿的遮挡，红外发射管与接收管之间的红外线光路时断时续，信号处理电路将此变化的光信号转换为电脉冲信号，一个脉冲信号即表示齿盘转过一个齿。单片机对脉冲进行计数，同时通过其内部的计时器对接收一定数目的脉冲计时，根据脉冲数目及所用时间就可计算出齿盘的转速，最后通过数字显示部分将转速显示出来。第2章硬件设计第2.1节红外线传感器2.1.1红外线传感器的分类红外线传感器是利用红外线的物理性质来进行测量的传感器。红外线又称红外光，它具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性质。任何物质，只要它本身具有一定的温度（高于绝对零度），都能辐射红外线。红外线传感器测量时不与被测物体直接接触，因而不存在摩擦，并且有灵敏度高，响应快等优点。红外线传感器包括光学系统、检测元件和转换电路。光学系统按结构不同可分为透射式和反射式两类。检测元件按工作原理可分为热敏检测元件和光电检测元件。热敏元件应用最多的是热敏电阻。热敏电阻受到红外线辐射时温度升高，电阻发生变化，通过转换电路变成电信号输出。光电检测元件常用的是光敏元件，通常由硫化铅、硒化铅、砷化铟、砷化锑、碲镉汞三元合金、锗及硅掺杂等材料制成。红外线传感器常用于无接触温度测量，气体成分分析和无损探伤，在医学、军事、空间技术和环境工程等领域得到广泛应用。例如采用红外线传感器远距离测量人体表面温度的热像图，可以发现温度异常的部位，及时对疾病进行诊断治疗（见热像仪）；利用人造卫星上的红外线传感器对地球云层进行监视，可实现大范围的天气预报；采用红外线传感器可检测飞机上正在运行的发动机的过热情况等。红外传感器根据探测机理可分成为：光子探测器（基于光电效应）和热探测器（基于热效应）。根据功能可分成五类：（1）辐射计，用于辐射和光谱测量；（2）搜索和跟踪系统，用于搜索和跟踪红外目标，确定其空间位置并对它的运动进行跟踪；（3）热成像系统，可产生整个目标红外辐射的分布图像；（4）红外测距和通信系统；（5）混合系统，是指以上各类系统中的两个或者多个的组合。2.1.2红外线传感器的设计本设计中选用红外测速传感器，它由红外发射与接收电路和齿盘组成。电路如图2.1所示。电路中选用红外光敏二极管作为受光器件，它与红外发光二极管一起组成一对红外发射接收管，红外光敏二极管在电路中处于反向工作状态。没有光照射时，光敏二极管处于截止状态，反向电阻很大，反向电流（暗电流）很小。随着光照的增强，光敏二极管处于导通状态，其反向电阻减小，反向电流（光电流）增大，其光电流与照度之间呈线性关系。图2.1红外发射与接收电路第2.2节AT89C52芯片本系统采用由美国ATMEL公司生产的，低电压，高性能CMOS8位单片机。本单片机片内含8KB的可反复擦写的Flash程序存储器和256B的随机数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准MS-51指令系统及8052产品引脚兼容，片内置有8位中央处理器（CPU）。功能强大的AT89C52单片机适用于许多较为复杂的控制应用场合。

此外，AT89S52设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。由于AT89C52单片机如此突出的性能特点，在本设计中选用其构建测速系统。2.2.1管脚分布AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，2个读写口线。采用工业标准的C51内核，在内部功能及管脚排布上与通用的8xc52相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。功能包括对会聚主IC内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。其引脚图如图2.2所示，主要管脚有：XTAL1（19脚）和XTAL2（18脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz晶振。RST（9脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。VCC（40脚）和VSS（20脚）为供电端口，分别接+5V电源的正负端。P0-P3为可编程通用I/O脚，其功能用途由软件定义,13脚定义为IR输入端。图2.2AT89C52管脚图2.2.2性能参数主要性能参数：（1）与MCS-51系列产品引脚和指令完全兼容（2）8k字节可重擦写Flash闪速存储器（3）1000次擦写周期（4）全静态操作：0Hz—24MHz（5）三级加密程序存储器（6）256×8字节内部RAM（7）32个可编程I/O口线（8）3个16位定时/计数器（9）8个中断源（10）可编程串行UART通道（11）低功耗空闲和掉电模式功能特性概述：AT89C52提供以下标准功能：8k字节Flash闪速存储器，256字节内部RAM，32个I/O口线，3个16位定时/计数器，一个6向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C52可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。第2.3节振荡器振荡器简单地说就是一个频率源，一般用在锁相环中。详细说就是一个不需要外信号激励、自身就可以将直流电能转化为交流电能的装置。一般分为正反馈和负阻型两种。所谓“振荡”，其涵义就暗指交流，振荡器包含了一个从不振荡到振荡的过程和功能。能够完成从直流电能到交流电能的转化，这样的装置就可以称为“振荡器”。AT89C52中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器，振荡电路参见图2.3。图2.3振荡电路外接石英晶体（或陶瓷谐振器）及电容C1、C2接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。对外接电容C1、C2虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性，如果使用石英晶体，电容应选择30pF±10pF，而如使用陶瓷谐振器最好选择40pF±10F。第2.4节显示器目前，显示器的类型有很多,但是与单片机相连的通常是LCD显示器或LED显示器。LCD是液晶显示屏，主要是用来做面显示的，它本身不发光，然后通过电流使屏幕产生各种颜色的浑浊现象，后置一个光源来透过前面的LCD面板使人看到图案。LED是发光二极管，它本身是点光源，就是说发出来的光不是一个面，而是一个点。也有用LED做显示屏的，相对于液晶显示屏来说，LED适合于室外以及室内大屏幕观看距离稍微远一点的情况，因为LED显示屏的分辨率肯定远远小过LCD。LCD更适合做电脑液晶电视器、手机显示屏之类的应用。同时由于LCD是一种被动式显示器，有着功耗极低、抗干扰能力强等特性，因而在低功耗的单片机系统中大量使用。由此，转速显示选用LCD显示器，具体来说选用的是字符型液晶显示模块（LCM）JHD12864，可显示16×8或16×16点阵字符，模块外形如图2.4，驱动接口电路如图2.5，模块结构如图2.6所示。图2.4LCD外形图2.512864模块驱动接口电路图2.612864模块结构电路其主控制驱动电路为HD44780，具有标准的接口特性，适配M6800系列和MCS-51系列MCU的操作时序；模块内部具有64个字节的自定义字符RAM，可自定义显示字符。驱动电路HD44780的读、写操作如下（1）写操作（MPU至HD44780）项目符号最小值最大值单位使能周期tcycE1000-ns使能脉冲宽度Pweh450-ns使能升、降时间Ter,Tef-25ns地址建立时间Tas140-ns地址保持时间Tah10-ns数据建立时间Tdsw195-ns数据保持时间Th10-ns（2）读操作（MPU至HD44780）项目符号最小值最大值单位使能周期tcycE1000-ns使能脉冲宽度Pweh450-ns使能升、降时间Ter,Tef-25ns地址建立时间Tas140-ns地址保持时间Tah10-ns数据延迟时间Tddr-320ns数据保持时间Tdhr10-ns（3）信号真值表RSR/WE功能00下降沿写指令代码01高电平读忙标志和AC码10下降沿写数据11高电平读数据该模块采用+5V电源供电，共有20个引脚，其中可变电阻RW2用来调节显示器的对比度。显示器与单片机AT89C52的连接如图2.7。图2.7AT89C52与LCM的连接第2.5节整体设计电路该红外线数字转速系统主要包括信号检测、信号处理电路、单片机以及数字显示部分。总体结构如图2.8所示。图中D1为红外发射二极管，其作用是发出红外光。常用的红外发射二极管有SE303,PH303等，其外形与发光二极管LED形似。管压降约为1.4V，工作电流一般小于20mA。为了适应不同的工作电压，回路中常串有限流电阻。图中R1即为限流电阻。D2为红外接收管，本电路中选用红外光敏二极管作为受光器件，用于接收红外发射管发射的红外光。光敏二极管又称光电二极管，与半导体二极管在结构上类似。其管芯是一个具有光敏特征的PN结，具有单向导电性，因此工作时需加上反向电压。当无光照时，有很小的饱和反向漏电流，即暗电流，此时光敏二极管截止；当受到光照时,饱和反向漏电流大大增加，形成光电流,它随入射光强度的变化而变化。因此可以利用光照强弱来改变电路中的电流。常见的有2CU、2DU等系列。电容C1、C2及外接石英晶体（或陶瓷谐振器）接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。Rp为8个上拉电阻，通俗的说，若MCU的某个引脚通过一个电阻接到电源（Vcc）上，则这个电阻即为上拉电阻，通过这种做法就将不确定的信号通过一个电阻嵌位在高电平上，同时该电阻也起着限流的作用。上拉电阻可以取值在1欧姆-5兆欧之间，本设计中选用的是10千欧的电阻。可变电阻Rw1是用来调节显示器的对比度的。当P1.0口有输出时，PNP导通，则D1发出红外光。而D2处于反向截止状态，当红外线发射管发射的红外线未被轮齿挡住时，接收管受红外线照射呈导通状态，经反相器输入到单片机中断端口的电压为高电平，不产生中断；而当红外线发射管发射的红外线被轮齿挡住时，接收管不受红外线照射则呈截止状态，经反相器输入到单片机中断端口的电压跳变为低电平。按照这样的特性继续继而激活中断程序对脉冲进行计数。P0口和P2口在本设计中均作为输出口使用，最后将转速通过LCD显示出来。图2.8硬件结构图第三章软件设计第3.1节计时方案的选择根据计时方案的不同，目前数字式转速测量装置的计时方法主要有M法、T法和同步M／T法。M法测速是在相等的时间间隔△t内读取脉冲数M，由M／△t计算出转速，速度越高在△t时间内计得的M就越多，由±1个计数脉冲误差所引起的转速测量误差就越小，故该法适用于高速。T法测速是根据相邻两个脉冲时间间隔对应的时钟脉冲计数值m来计算转速的，转速越慢或每转脉冲数越多，其计数值m就越多，计数器±l个计数脉冲所引起的误差就越小，故该法适用于低速。上述两种方法测量的绝对误差反比于速度采样时间T(Hp：时间间隔△t或计数值m)，因此在稳态测量和实时性要求不高的场合，可取较大的T以保证足够的测量精度。但在动态测量和实时控制系统中，往往对转速测量的实时性有较高的要求。因此，采样时间T不能随意取大，为了解决既要周期小，又要测速精度高的矛盾，可采用同步M/T法。这种方法的特点是不固定定时时间△t′，以记录到完整的盘脉冲为准，主要是设法使M与△t′同步，从整数个盘脉冲开始计时，同样在整数个盘脉冲结束计时，记录到的是整数个盘脉冲，且与计时是“同步”的。其原理如图3.1所示，在采样时间△t时间内实际计时时间△t′开始于第一盘脉冲的下降沿，终止于最后一个脉冲的下降沿，因而得到整数个盘脉冲，消除了M法和T法中±1个脉冲引入的误差。鉴于几种方法的比较，在设计中采用同步M/T法设计本测速系统。图3.1同步M/T法测速原理图第3.2节软件结构分析采用结构化软件设计的方法，使得设计简单，易于调试和移植，提高编程效率。采用结构化设计软件的方法将本系统软件划分为图3.2所示的4个模块：齿数计数模块、计时模块、转速计算模块和转速显示模块。其中最主要的是计时模块和转速计算模块。图3.2软件模块划分3.2.1计时模块由图1.1可知当红外线发射管发射的红外线未被轮齿挡住时，接收管受红外线照射呈导通状态，经反相器输入到单片机中断端口的电压为高电平，不产生中断；而当红外线发射管发射的红外线被轮齿挡住时，接收管不受红外线照射则呈截止状态，经反相器输入到单片机中断端口的电压跳变为低电平。从而激活中断程序对脉冲进行计数。计数流程图如图3.3所示。由于计数需要与计时同步，所以需要在产生第一次红外光被挡住时(红外光被挡住时Pass=0，反之Pass=1)，也即中断口电位由高变低时打开定时器。若实验中的齿盘共有108个齿，为了提高测量的实时性，把108个齿分成9等份，当计数值（Num）为12时，关闭定时器并读取定时器的计时值。图3.3计数与计时程序流程图3.2.2转速计算模块由于系统采用同步M/T法测量转速，所以计算转速时，需要的参数有盘脉冲数和计时值。本系统中AT89C52单片机采用频率为12MHz的外接晶振，则每个机器周期为1us。单片机定时器的