1、智能仪表综合课程设计0目录1 绪 论 .21.1 题目背景及目的 21.2 题目研究方法 22 系统设计基础知识 .32.1 直流电机的基本知识 32.2 51 单片机的基础知识 .72.3 LED 显示管 .102.4 传感器 103 系统总体方案设计 .143.1 系统分析 143.2 设计思路和方案 163.3 系统构成 174 硬件电路设计 .194.1 电源电路 194.2 转速测量电路 194.3 LED 显示模块 .214.4 系统硬件设计 215 系统软件设计 .235.1 计时方案的选择 235.2 软件结构划分 246 设计心得与体会 267 参考文献 26智能仪表综合课程
2、设计0摘 要单片机又称单片微控制器（MCU） ，它把一个计算机系统集成到一个芯片上。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。随着电子技术的迅猛发展，单片机技术也有了长足的发展，目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹，导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能 IC 卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录象机、摄象机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。各种电机在工业得到广泛应用，为了能方便的对电机进行控制、监视、调速，有必要对电机的
3、转速进行测量，从而提高自动化程度。转速是工程上一个常用参数。转速测量的方法很多，采用光电开关管测量转速是较为常用的测量方法。在本系统设计中，我们以 51 单片机为核心控制单元，以红外对管（或称光/电，电/光二极管 ）为传感器，通过光电传感器实时采集电机转速并进行处理与显示， 设计出一个电动机转速测量系统,并研究其测量精度、测量范围及响应速度.程序设计部分分为初始化模块、脉冲计数模块、计时模块、参数调整模块和显示模块.最后通过试验测试,得到了相应的技术参数,并对转速测量系统的误差进行了分析.要求设计的系统稳定可靠、抗干扰能力强、成本低，使用方便。智能仪表综合课程设计11 绪 论1.1 题目背景及
4、目的目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹，导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能 IC 卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录象机、摄象机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。各种电机在工业得到广泛应用，为了能方便的对电机进行控制、监视、调速，有必要对电机的转速进行测量，从而提高自动化程度。1.2 题目研究方法测量转子速度的方法很多，但多数比较复杂。目前，测量转速的方法主要有四种：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
5、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
6、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。通过改进已有的电磁式传感器，设计一种适于瞬时转速测量的新型传感器，在旋转机械瞬时状态分析中具有一定的实际意义。智能仪表综合课程设计22 系统设计基础知识2.1 直流电机的基本知识直流电机的工作原理永磁式直流电机是应用很广泛的一种。只要在它上面加适当电压。电机就转动。图 2.1 是这种电机的符号和简化等效电路 1。工作原理图：图 2.1 直流电机的符号和等效电路这种电机
7、由定子、转子、换向器(又称整流子)、电刷等组成，定子用作产生磁场。转于是在定子磁场作用下，得到转矩而旋转起来。换向器及时改变了电流方向，使转子能连续旋转下去。也就是说，直流电压加在电刷上，经换向器加到转子线圈，流过电流而产生磁场，这磁场与定子的固定磁场作用，转子被强迫转动起来。当它转动时，由于磁场的相互作用，也将产生反电动势，它的大小正比于转子的速度，方向和所加的直流电压相反。图 2.1(b)给出了等效电路。Rw 代表转子绕组的总电阻，E 代表与速度相关的反电动势。永磁式换流器电机的特点：当电机负载固定时，电机转速正比于所加的电源电压。当电机直流电源固定时，电机的工作电流正比于转予负载的大小。
8、加于电机的有效电压，等于外加直流电压减去反电动势。因此当用固定电压驱动电机时，电机的速度趋向于自稳定。因为负载增加时，转子有慢下来的倾向，于是反电动势减少，而使有效电压增加，反过来又将使转子有快起来的倾向，所以总的效果使速度稳定。智能仪表综合课程设计3当转子静止时，反电动势为零，电机电流最大。其最大值等于 VRw(这儿 V 是电源电压)。最大电流出现在刚起动的条件。转子转动的方向，可由电机上所加电压的极性来控制。体积小、重量轻、起动转矩大。由于具备上述的那些特点，所以在医疗器械、小型机床、电子仪器、计算机、气象探空仪、探矿测井、电动工具、家用电器及电子玩具等各个方面，都得到广泛的应用。对这种永
9、磁式电机的控制，主要有电机的起停控制、方向控制、可变速度控制和速度的稳定控制。电机的起停控制电机的起停控制，最简单最原始的方法是在电机与电源之间，加一机械开关。或者用继电器的触点控制。现在比较流行的方法，是用开关晶体管来代替机械开关，无触点、无火花干扰，速度快。电路如图 2.2(a)所示。当输入端为低电平时，开关晶体管 Q1 截止，电机无电流而处于停止状态。如果输入端为高电平时，Q1 饱和导通，电机中有电流，因此电机起动运转。图中二极管 D1 和 D2 是保护二极管，防止反电动势损坏晶体管。电容 C1 是消除射频干扰而外加的。R1 基极限流电阻，限制 Q1 的基极电流。在 6V 电源时，基极电
10、流不超过 52mA。在这种情况下，Q1 提供电机的最大电流为 1A 左右。图 2.2 用晶体管控制电机启停,(b)增强灵敏度图 2.2(a)的电路，因基极电流需外部驱动电路。如果再增加一级缓冲放大，如图2.2(b)的电路，驱动电流减少到 2mA。R3 限制 Q1 的基极电流到安全值。其他元件作用与(a)图中相同。智能仪表综合课程设计4电机的方向控制水磁式换流器电机的转动方向，可以用改变电源极性的方法，使电机反转。如果用正、负双极性电源，可用一个单刀进行转换，如图 2.3(a)所示。因为电机的电流直接通过开关，容易烧坏开关接点。所以可以改用功率开关晶体管来代替机械开关，就可以克服上述缺点。电路如
11、图 2.3(b)所示。图 2.3 电机方向控制电路工作原理：当开关 SW1 置于“正转”位时，Q1 和 Q3 的基极加上偏流；Q2 和Q4 的偏置电路被断开。所以 Q1 和 Q3 导通，Q2 和 Q4 截止。电流从 VQ3 发射极Q3 集电极电机正端电机负端地形成回路，此时电机正转。同理，如果 SW1 置于“反转位置时，Q2 和 Q4 得到偏流而导通；01 和 Q3 截止。电流从电源地端电机负端电机正端Q4 集电极Q4 发射极电源负端形成回路，故电机电源与上述情况相反，因此电机反转。而 SW1 置于断时，电机停止转动。图 2.3(b)电路中 SW1 要转接正、负电源。在接口电路的应用中，用电子
12、开关来代替 SW1 就比较困难。为了克服这个缺点，可用图 2.3(c)的电路加以改进。图 2.3(c)中的 SW1 就很容易用电子开关来代替。在这个电路中，SW1 置于“正转”位置时，Q1 和Q3 导通，Q2 和 Q4 截止。SW1 置于“反转”位置时，Q2 和 Q4 导通，Q1 和 Q3 截止。电机的速度控制直流电机的转速与所加的电压有效值成正比。图 2.4 是 12V 直流电机的可变电压速度控制。图中 Q1 和 Q2 是复合管射极跟随器，电机的直流电压可从 0V 变到 12v。这种电路的特点是：在中速和高速时，速度的控制和自动调节的性能很好。但是低速和智能仪表综合课程设计5慢启动特性比较差
13、。用开关方式或脉宽调制，可以获得非常好的速度控制性能。电路图如 2.5 所示：图 2.4 12V DC 电机速度控制图 2.5 12V 直流电机开关方式速度控制图中 IC1 作为 50Hz 的无稳多谐振荡器，它产生一个矩形波输出，占空比可变从 20比 1 到 1 比 20，由 RV1 进行调节。这个波形经过 Q1 和 Q2 送到电机，电机上的电压有效值是随 RV1 的调节而变化的(总的周期是 50HZ)。不过电机上所加上的电压，是具有峰值电压为 12V 的功率脉冲。因此在整个调速范围内；性能都非常好。即使在很低的速度，转矩也很大。速度控制的程度，正比于所加电压的有效值。智能仪表综合课程设计62
14、.2 51 单片机的基础知识随着大规模集成电路的出现和发展，芯片生产厂家把中央处理器 CPU（Central Processing Unit） ，随机存取内存 RAM（Random Access Memory） ，只读存储器ROM（Read Only Memory） ，定时器/计数器以及 I/O（Input/Output）接口电路等主要计算机部件，集成在一块集成电路芯片（硅片）上，形成芯片级计算机，称为单片微型计算机（single chip microcomputer） ，直译为单片机。虽然单片机只是一个芯片，但从组成和功能上看，它已具有了微机系统的含义，又 称 微 型 处 理 部 件 MCU
15、（ Micro Controller Unit） ,单片机商品名称为微控制器单元。单片机具有优异的性能价格比、体积小、可靠性高、控制功能强，广泛应用在智能仪表、机电一体化、实时过程控制、机器人、家用电器、模糊控制、通信系统等领域。根据单片机能够一次处理的数据的宽度（二进制位数） ，单片机分为 1 位机、4 位机、8 位机、16 位机、32 位机。目前，应用最广的产品是 8 位单片机，其中又属Intel 公司出品的 MCS-51 系列单片机应用最广。MCS-51 系列单片机已经成为事实上的工业标准，其内部包 含 如 下 功 能 部 件 ：1、 一个 8 位的中 央 处 理 器 CPU，完 成 运
16、 算 和 控 制 功 能 ；2、 一 个 片 内 振 荡 器 及 时 钟 电 路 ， 外 接 石 英 晶 体 和 微 调 电 容 需 外 接 ， 为 单 片机 产 生 时 钟 脉 冲 序 列 ， 系 统 允 许 的 晶 振 频 率 0 33MHz；3、 256B RAM 数 据 存 储 器 ， 前 128 单 元 作 内 部 数 据 存 储 器 ， 可 擦 写 的 数 据 ，后 128 单 元 为 专 用 寄 存 器 。4、 两 个 16 位 定 时 器 /计 数 器 ， 以 实 现 定 时 或 计 数 功 能 ， 并 以 其 定 时 或 计 数结 果 对 计 算 机 进 行 控 制 。5、
17、可 寻 址 的 64KB 外 部 数 据 存 储 器 以 及 控 制 电 路 。6、 可 寻 址 的 64KB 外 部 程 序 存 储 器 以 及 控 制 电 路 。7、 21 个 特 殊 功 能 寄 存 器8、 32 条 可 编 程 的 I/O 线 (四 个 8 位 I/O 并 行 端 口 )9、 一 个 可 编 程 全 双 工 串 行 口 ， 可 作 全 双 工 异 步 通 信 收 发 器 使 用 ,实 现 单 片机 和 其 它 设 备 之 的 串 行 资 料 传 送 ； 也 可 作 为 同 步 移 位 器 使 用10、 五 个 中 断 源 ,外 中 断 2 个 ,定 时 /计 数 中 断
18、 2 个 ,串 行 中 断 1 个 ； 两 个 优智能仪表综合课程设计7先 级 ， 全 部 中 断 分 为 高 级 和 低 级 共 两 个 优 先 级 。11、 根 据 内 部 程 序 存 储 器 ROM 多 少 ， MCS-51 系列主要芯片与差异8031 片内无 ROM；8051 片 内 4K 掩 膜 ROM；8751 片 内 4K 紫 外 线 可 擦 除 可 编 程 程 序 存 储 器 ， EPROM；89C51 片 内 4K 电 可 擦 除 可 编 程 程 序 存 储 器 ， FLASH EEPROM；89S51 片 内 4K 电 可 擦 除 可 编 程 程 序 存 储 器 ， FLA
19、SH EEPROM， 支 持ISP；89S52 片 内 8K 电 可 擦 除 可 编 程 程 序 存 储 器 ， FLASH EEPROM， 支 持ISP。 如 图 2.6 所 示 ：图 2.6 51 系 列 单 片 机AT89 系列单片机的型号编码由：前缀、型号和后缀三个部分组成。例如：AT 89SXXXX XXXX 其中，AT 是前缀，89SXXXX 是型号，XXXX 是后缀。（1）前缀 由字母“AT”组成，表示该器件是 ATMEL 公司的产品。（2）型号 由“89CXXXX”或“89LVXXXX”或“89SXXXX”等表示。 9 表示内部含 Flash 存储器，“89CXXXX”中，C
20、表示 CMOS 产品。“89LVXXXX”中，LV 表示低压产品。智能仪表综合课程设计8图 2.7 单片机引脚图EA/VP31X119 X218RESET9RD17 WR16INT012 INT113T014 T115P101 P112P123 P134P145 P156P167 P178P00 39P01 38P02 37P03 36P04 35P05 34P06 33P07 32P20 21P21 22P22 23P23 24P24 25P25 26P26 27P27 28PSEN 29ALE/P30TXD 11RXD 10U589S51“89SXXXX”中，S 表示含有串行下载 Flas
21、h 存储器。（3）后缀 由“XXXX”四个参数组成后缀中的第一个参数 X 用于表示速度X12，表示速度为 12 MHz。 X24，表示速度为 24 MHz。后缀中的第二个参数 X 用于表示封装XJ，表示 PLCC 封装，Plastic Leaded Chip Carrier； XP，表示塑料双列直插 DIP 封装，Dual Inline Package；后缀中第三个参数 X 用于表示温度范围，它的意义如下：XC，表示商业用产品，温度范围为 0十 70。XI， 表示工业用产品，温度范围为40十 85。XA， 表示汽车用产品，温度范围为40十 125。XM， 表示军用产品，温度范围为55十 150
22、。后缀中第四个参数 X 用于说明产品的处理情况，它的意义如下：X 为空，表示处理工艺是标准工艺。X883，表示处理工艺采用 MILSTD883 标准。例如：有一个单片机型号为“AT89S5124PC0246” ，则表示意义为该单片机是 ATMEL 公司的 Flash 单片机，内部含有串行下载 Flash 存储器，速度为 24 MHz，封装为塑料双列直插封装 DIP，是商业用产品，按 MILSTD0246 标准处理工艺生产。本系统采用的是 AT89S52（如图 2.7）它包括下列几个部件：1） 一个 位的 CPU2） 一个片内振荡器和时序电路3） 4KB 程序存储器 ROM4） 128 字节数据
23、存储器 RAM5） 两个 16 位可编程的定时器/计数器6） 1 个可编程的全双工串行口7） 4 个 8 位可编程并行 I/O 端口，智能仪表综合课程设计9即 P0,P1,P2,P3 口8） 64KB 片外程序存储器 ROM 和 64KB片外数据存储器 RAM 的扩展控制电路9） 两个优先级嵌套中断结构，5 个中断源2.3 LED 显示管数码管中有 8 个发光二极管，其中 7 个发光二极管长条段状，可组成数字字形，1个发光二极管为点状，形成小数点，所以有时称为七段码。七段数码管引脚编码从左下脚开始，分别为第 1 引脚、第 2 引脚 。七段数码管的 8 个发光二极管分别命名为 a、b、c、d、e
24、、f、g、dp；“com”为8 个 LED 的公共引脚。按照公共引脚的接法，七段数码管分共阳极和共阴极两种。共阳极的七段数码管将所有 LED 的正极连接在公共引脚，接到电源线。当某一个LED 负极为低电平时，发亮；为高电平时，变暗。共阴极的七段数码管将所有 LED 的负极连接在公共引脚，接到地线。当某一个 LED正极为高电平时，发亮；为低电平时，变暗。如图 2.8 所示：abcdefgd pa bco mfgc d pde co m1 2 3 4 510 9 8 7 6VCC、 、abcdefgdpabcdefgdp(a)实物图 (b)引脚外形图 (c)共阴极法 (d)共阳极法图 2.8 LE
25、D 显示数码管原理图2.4 传感器最广义地来说，传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器智能仪表综合课程设计10件。国际电工委员会(IEC:International Electrotechnical Committee)的定义为：“传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号”。按照 Gopel 等的说法是：“传感器是包括承载体和电路连接的敏感元件”，而“传感器系统则是组合有某种信息处理(模拟或数字)能力的传感器”。传感器是传感器系统的一个组成部分，它是被测量信号输入的第一道关口。 2 传感器系统的原则进入传感器的信号幅度是很小的，而且混杂有干扰信号和噪
26、声。为了方便随后的处理过程，首先要将信号整形成具有最佳特性的波形，有时还需要将信号线性化，该工作是由放大器、滤波器以及其他一些模拟电路完成的。在某些情况下，这些电路的一部分是和传感器部件直接相邻的。成形后的信号随后转换成数字信号，并输入到微处理器。德国和俄罗斯学者认为传感器应是由二部分组成的，即直接感知被测量信号的敏感元件部分和初始处理信号的电路部分。按这种理解，传感器还包含了信号成形器的电路部分。 传感器系统的性能主要取决于传感器，传感器把某种形式的能量转换成另一种形式的能量。有两类传感器：有源的和无源的。有源传感器能将一种能量形式直接转变成另一种，不需要外接的能源或激励源有源(a)和无源(
27、b)传感器的信号流程如下：无源传感器不能直接转换能量形式，但它能控制从另一输入端输入的能量，激励能传感器承担将某个对象或过程的特定特性转换成数量的工作。其“对象”可以是固体、液体或气体，而它们的状态可以是静态的，也可以是动态(即过程)的。对象特性被转换量化后可以通过多种方式检测。对象的特性可以是物理性质的，也可以是化学性质的。按照其工作原理，传感器将对象特性或状态参数转换成可测定的电学量，然后将此电信号分离出来，送入传感器系统加以评测或标示。 各种物理效应和工作机理被用于制作不同功能的传感器。传感器可以直接接触被测量对象，也可以不接触。用于传感器的工作机制和效应类型不断增加，其包含的处理过程日
28、益完善。常将传感器的功能与人类 5 大感觉器官相比拟： 智能仪表综合课程设计11光敏传感器视觉 声敏传感器听觉气敏传感器嗅觉 化学传感器味觉 压敏、温敏、流体传感器触觉与当代的传感器相比，人类的感觉能力好得多，但也有一些传感器比人的感觉功能优越，例如人类没有能力感知紫外或红外线辐射，感觉不到电磁场、无色无味的气体等。对传感器设定了许多技术要求，有一些是对所有类型传感器都适用的，也有只对特定类型传感器适用的特殊要求。针对传感器的工作原理和结构在不同场合均需要的基本要求是：高灵敏度、抗干扰的稳定性(对噪声不敏感) 、线性、容易调节(校准简易) 、高精度、高可靠性、无迟滞性、工作寿命长(耐用性) 、
29、可重复性、抗老化、高响应速率、抗环境影响(热、振动、酸、碱、空气、水、尘埃)的能力、选择性、安全性(传感器应是无污染的) 、互换性、低成本、宽测量范围、小尺寸、重量轻和高强度、宽工作温度范围、传感器的分类。可以用不同的观点对传感器进行分类：它们的转换原理(传感器工作的基本物理或化学效应)；它们的用途；它们的输出信号类型以及制作它们的材料和工艺等。根据传感器工作原理，可分为物理传感器和化学传感器二大类传感器工作原理的分类物理传感器应用的是物理效应，诸如压电效应，磁致伸缩现象，离化、极化、热电、光电、磁电等效应。被测信号量的微小变化都将转换成电信号。化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为
30、因果关系的传感器，被测信号量的微小变化也将转换成电信号。有些传感器既不能划分到物理类，也不能划分为化学类。大多数传感器是以物理原理为基础运作的。化学传感器技术问题较多，例如可靠性问题，规模生产的可能性，价格问题等，解决了这类难题，化学传感器的应用将会有巨大增长。 按照其用途，传感器可分类为： 压力敏和力敏传感器、位置传感器、液面传感器、能耗传感器、速度传感器、热敏传感器、加速度传感器、射线辐射传感器、振动传感器、湿敏传感器、磁敏传感器、气敏传感器、真空度传感器、生物传感器等。 以其输出信号为标准可将传感器分为： 模拟传感器将被测量的非电学量转换成模拟电信号。 智能仪表综合课程设计12数字传感器
31、将被测量的非电学量转换成数字输出信号(包括直接和间接转换)。 膺数字传感器将被测量的信号量转换成频率信号或短周期信号的输出(包括直接或间接转换)。 开关传感器当一个被测量的信号达到某个特定的阈值时，传感器相应地输出一个设定的低电平或高电平信号。在外界因素的作用下，所有材料都会作出相应的、具有特征性的反应。它们中的那些对外界作用最敏感的材料，即那些具有功能特性的材料，被用来制作传感器的敏感元件。从所应用的材料观点出发可将传感器分成下列几类： 1、按照其所用材料的类别分：金属、聚合物、陶瓷、混合物。 2、按材料的物理性质分：导体、绝缘体、半导体、磁性材料。3、按材料的晶体结构分：单晶、多晶、非晶材
32、料。 与采用新材料紧密相关的传感器开发工作，可以归纳为下述三个方向： (1)在已知的材料中探索新的现象、效应和反应，然后使它们能在传感器技术中得到实际使用。 (2)探索新的材料，应用那些已知的现象、效应和反应来改进传感器技术。(3)在研究新型材料的基础上探索新现象、新效应和反应，并在传感器技术中加以具体实施。现代传感器制造业的进展取决于用于传感器技术的新材料和敏感元件的开发强度。传感器开发的基本趋势是和半导体以及介质材料的应用密切关联的。表 1.2 中给出了一些可用于传感器技术的、能够转换能量形式的材料。 按照其制造工艺，可以将传感器区分为： 集成传感器 薄膜传感器 厚膜传感器 陶瓷传感器 集
33、成传感器是用标准的生产硅基半导体集成电路的工艺技术制造的。通常还将用于初步处理被测信号的部分电路也集成在同一芯片上。 薄膜传感器则是通过沉积在介质衬底(基板)上的，相应敏感材料的薄膜形成的。使用混合工艺时，同样可将部分电路制造在此基板上。 厚膜传感器是利用相应材料的浆料，涂覆在陶瓷基片上制成的，基片通常是 Al2O3制成的，然后进行热处理，使厚膜成形。 陶瓷传感器采用标准的陶瓷工艺或其某种变种工艺(溶胶-凝胶等)生产。 智能仪表综合课程设计13完成适当的预备性操作之后，已成形的元件在高温中进行烧结。厚膜和陶瓷传感器这二种工艺之间有许多共同特性，在某些方面，可以认为厚膜工艺是陶瓷工艺的一种变型。
34、每种工艺技术都有自已的优点和不足。由于研究、开发和生产所需的资本投入较低，以及传感器参数的高稳定性等原因，采用陶瓷和厚膜传感器比较合理。3 系统总体方案设计3.1 系统分析给直流电机加载直流电，电机就会转动。改变电压的正负可以改变电机的转动方向，电压为正时电机正转，电压为负时电机反转；改变电压的高低可以改变电机的转速，电压高则转动速度快，电压低则转动速度慢。转速是工程上的一个常用参数。转速通常以每秒种或每分钟的转数来表示，因此单位为 r/s 或 r/min。有时也用角速度表示，这时的单位相应为 rad/s。电机转速的测量单片机能够处理二进制数字信号，而电机的转速是物理量，非电量信号，需要中间电
35、路把转速转换成单片机可以处理的信号 3。传感器是把外界信号转换成电信号的器件，是检测和控制系统中最关键的部分，在当代科学技术中，传感器占据了及其重要的地位。目前，集成技术在传感器技术中的成功应用，使传感器小型化、长寿命和低成本，是现代传感器的发展方向之一。脉冲信号的获得1、霍尔传感器霍尔传感器是对磁敏感的传感元件，常用于开关信号采集的有 CS3020、CS3040 等，这种传感器是一个 3 端器件，外形与三极管相似，只要接上电源、地，即可工作，输出通常是集电极开路（OC）门输出，工作电压范围宽，使用非常方便。如图 3.1 所示是 CS3020 的外形图，将有字面对准自己，三根引脚从左向右分别是
36、 Vcc，地，输出。智能仪表综合课程设计14图 3.1 CS3020 外形图使用霍尔传感器获得脉冲信号，其机械结构也可以做得较为简单，只要在转轴的圆周上粘上一粒磁钢，让霍尔开关靠近磁钢，就有信号输出，转轴旋转时，就会不断地产生脉冲信号输出。如果在圆周上粘上多粒磁钢，可以实现旋转一周，获得多个脉冲输出。在粘磁钢时要注意，霍尔传感器对磁场方向敏感，粘之前可以先手动接近一下传感器，如果没有信号输出，可以换一个方向再试。这种传感器不怕灰尘、油污，在工业现场应用广泛。2、光电传感器光电传感器是应用非常广泛的一种器件，有各种各样的形式，如透射式、反射式等，基本的原理就是当发射管光照射到接收管时，接收管导通
37、，反之关断。以透射式为例，如图 2 所示，当不透光的物体挡住发射与接收之间的间隙时，开关管关断，否则打开。为此，可以制作一个遮光叶片如图 3 所示，安装在转轴上，当扇叶经过时，产生脉冲信号。当叶片数较多时，旋转一周可以获得多个脉冲信号。图 3.2 光电传感器的原理图图 3.3 遮光叶片3、光电编码器光电编码器的工作原理与光电传感器一样，不过它已将光电传感器、电子电路、智能仪表综合课程设计15码盘等做成一个整体，只要用连轴器将光电传感器的轴与转轴相连，就能获得多种输出信号。它广泛应用于数控机床、回转台、伺服传动、机器人、雷达、军事目标测定等需要检测角度的装置和设备中。如图 3.4 所示，是某光电
38、编码器的外形。图 3.4 成品光电编码器电机转速的处理数据处理部分采用 Intel 公司 MCS-51 系列单片机单片机 4。电机转速的显示显示部分采用 4 位七段数码管，可以显示 09999 范围内的数字。3.2 设计思路和方案1、光电传感器是应用非常广泛的一种器件，有各种各样的形式，如透射式、反射式等，基本的原理就是当发射管光照射到接收管时，接收管导通，反之关断。以透射式为例，如图 3.5 所示，当不透光的物体挡住发射与接收之间的间隙时，开关管关断，否则打开。为此，可以制作一个遮光叶片如图 3 所示，安装在转轴上，当扇叶经过时，产生脉冲信号。当叶片数较多时，旋转一周可以获得多个脉冲信号。图
39、 3.5 光电传感器的原理图 图 3.6 遮光叶片智能仪表综合课程设计162、计数脉冲通过计数电路进行有效的计数，按照设计要求每一秒种都必须对计数器清零一次，因为电路实行秒更新，所以计数器到译码电路之间有锁存电路，在计数器进行计数的过程中对上一次的数据进行锁存显示，这样做不仅解决了数码显示的逻辑混乱，而且避免了数码显示的闪烁问题。3、对于脉冲记数，有测周和测频的方式。测周电路的测量精度主要受电路系统的脉冲产生电路的影响，对于低频率信号，其精度较高。测频电路其对于正负一的信号差比较敏感，对于低频率信号的测量误差较大，但是本电路仍然采用测频方式，原因是本电路对于马达电机转速精度要求较低，本电路还有
40、升级为频率计使用，而测频方式对高频的精度还是很高的。4、显示电路采用静态显示方法5，由于静态显示易于制作和调试，原理也较简单，所需元易于购买。5、电路时钟是整个电路的关键，他是整个电路有效工作的核心，负责电路的锁存和清零。其基本思路是：产生频率一秒是时钟，当秒时钟到来时，既上升沿到来时，对锁存电路进行锁存，锁存以后才能对计数器进行清零，锁存和清零间隔要充分小，否则就影响电路的计数准确度。鉴于此，对锁存集成必须采用边沿触发形式的集成，并且计数器应该与锁存同步工作，既都在秒时钟的上升沿触发工作。另外大多的译码器都带有锁存功能 6，但是他的锁存方式基本上都是电平触发，若设计成电平触发的话，势必会增加
41、电路的复杂度，还不如直接采用边沿琐存的单集成，所以不使用译码器中的锁存电路。时钟实现方法很多，本电路采用晶振电路，已求得高精度的时钟需求。3.3 系统构成测速系统总体结构如图 3.7 所示，主要包括红外测速传感器（由红外发射与接收电路和齿盘组成）、信号处理电路、单片机以及数字显示部分。其工作过程如下：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
42、出来 7。智能仪表综合课程设计17图 3.7 测速系统总体结构原理框图 图 3.8 测速系统原理框图整形电路计数器锁存器译码器显示电路时钟电路单稳态智能仪表综合课程设计184 硬件电路设计系统电路的功能主要包括：电机及其相关处理，实时显示电机信息。硬件设计主要包括以下几个模块：电源，电机转速测试电路及显示电路。下面对电路模块进行说明。4.1 电源电路因为单片机工作电源为+5V，且底层电路功耗很小。采用 7805 三端稳压片即可满足要求 6。具体电路图如下：图 4.1 电源电路图4.2 转速测量电路红外发光二极管或称电/光二级管 SE303（白色） ，出红外光（近红外线约 0.93m ） 。管压
43、降约 1.4V ，工作电流一般小于 20mA，外形尺寸 :5mm。红外接收二极管或称光/电二级管（黑色）品牌:金威 型号:PD5308B-B 工作电压:1.4-1.6 波长:940 工作电流:20 接收距离:10-12 外形尺寸 :5mm。红外接收二极管工作在反向状态，当没有接收到红外发光二极管的光信号时，二极管截至，负级输出低电平。当接受到红外发光二极管的光信号时，二极管导通，负极输出高电平。能正常接受到红外发光二极管的光信号的距离大概为 34 米，这取决于发射管的发射功率。实物图片及原理图如下：智能仪表综合课程设计19图 4.2 红外发光二极管实物图图 4.3 工作原理图实际焊接电路如下：
44、图 4.4 红外发光二极管焊接电路电路核心由一个光电开关管组成，平时电机转轮静止，发光二极管所发出的光被轮子挡住，所以接收管处于截止状态，1 端为高电平。当电机转动一圈，会使接收管导通一次，1 端输出一个低电平，1 端波形为：图 4.5 1 端的输出波形图在实际电机工作状态中，会受到各方面的干扰，波形会存在许多杂波成分，需要对波形进行处理，处理成符合记计数器所需要的矩型波。波形处理电路有一个三极管组成，如上图。当输入电压逐步升高时，红外接收管收到红外发光二极管发出的光时导通，三极管就不导通，输出高电平；当红外接收管没有红外发光二极管 红外接收二极管发射红外线 接收红外线智能仪表综合课程设计20
45、R9R11R10R8 VCCP20P21P22P23P00P01P02P03P04P05P06P07412a11f103928b7e1 d2h3c4g516LED1R16R18R19R17R12R14R15R13Q4 Q5Q3Q2、接到红外发光二极管发出的光时截止，三极管导通。这样就有效的防止了杂波的干扰，并使输出得到矩形脉冲，符合了下级计数的需求。工作波形如下：图 4.6 经处理电路后的输出波形图4.3 LED 显示模块电路原理图如下：图 4.7 LED 显示接口电路四位数码管可以显示的范围为 00009999，用单片机的 P0 口控制每根数码管的闪动，用 P2.0-P2.4 口片选，属于动
46、态显示电路，逐位轮流点亮各个 LED，每位点亮1ms，这样利用人眼的视觉暂留，就好像 6 个 LED 是同时点亮的。 8 4.4 系统硬件设计根据红外测速的原理，系统的电路设计如图 4.8 所示。 9智能仪表综合课程设计21图 4.8 红外测速系统总设计图本系统采用 AT89C52 单片机，它是美国 ATMEL 公司生产的低电压，高性能 CMOS8位单片机，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（
47、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。 10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。转速显示选用字符型液晶显示模块（LCM）JHD12864，可显示 168 或 1616 点阵字符。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
48、 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。该模块采用+5V 电源供电，共有 20 个引脚，其与单片机的接口路如图 2 所示,其中可变电阻 RW2 用来调节显示器的对比度。智能仪表综合课程设计225 系统软件设计5.1 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 MT 法。M 法测速是在相等的时间间隔t 内读取脉冲数 M，由 Mt 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
49、 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 5.1 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
