1、数字式红外测速系统设计数字式红外测速系统设计摘 要本文提出了基于单片机的红外测速系统的硬件电路和软件实现。本文设计的系统实现转速的非接触测量，运用红外测速技术，采用主动测速方式，红外发射管连续向被测物体发射红外光，当被测物转过一圈后，红外接收管收到通过过孔的红外光，通过电路形成负脉冲，触发单片机的外部中断，利用单片机得以实现计数和速度显示的功能。在文章的最后给出了系统流程图和程序，并对程序进行了仿真，通过仿真证明本次设计方案切实可行。该系统具有成本低，体积小，运行稳定，硬件电路简单，功能强，可靠性高等特点。关键词： 51 单片机； 速度测量； 定时器； 红外技术； Viper22AIIABST
2、RACTThis paper puts forward speed system based on single chip infrared hardware circuit and software realization. The paper presents the design of the system realizes speed, using infrared non-contact measurement speed technology, using active speed way, infrared tubes to object to be tested for inf
3、rared radiation, when was launched after a lap around analyte, infrared receiving tube had received through the infrared, through the circuit holes formed the negative pulse, triggering the single-chip microcomputer and external interruption, using single chip computer implemented count and speed sh
4、ows function. At the end of the article presented system, and flow chart and procedures for program is simulated, and simulation results proved that the design scheme is feasible.The system has low cost, small volume, stable operation, hardware circuit is simple, high reliability, the function is st
5、rong characteristic. Keywords: 51SCM; Speed measures； timer； Infrared Technique； Viper22A数字式红外测速系统设计目 录摘 要 .IABSTRACT .II第一章 引言 .11.1 课题背景 .21.2 数字红外测速系统发展趋势 .21.3 数字红外测速系统系统基本原理 .4第二章 数字式红外 测速系统总体方案论证 .52.1 系统设计原则 .52.2 控制系统方案论证 .52.3 显示部分方案论证 .62.4 红外检测部分方案论证 .72.5 电源部分方案论证 .7第三章 数字红外测速系统硬件设计 .83.
6、1 系统工作原理 .83.1.1 AT89S52 单片机简 介 .93.1.2 MCU 部分接口电路 .133.2 红外调制发射电路 .143.2.1 集成电路 NE555 简介 .143.2.2 红外调制发射电路设计 .163.3 红外接收电路 .163.4 LED 数码显示电路 .173.4.1 LED 数码管简介 .173.4.2 LED 数码管接口电路 .183.5 复位及时钟 .193.6 电源电路设计 .203.6.1 开关电源的分类 .20. .3.6.2 开关电源原理 .213.6.3 VIPerX2A 芯片简介 .223.6.4 分流基准源 TL431 简介 .253.6.5
7、 开关电源电路设计 .26第四章 系统软件设计 .284.1 主程序流程图 .284.2 延时函数 .294.3 数码显示函数 .304.4 51 单片机的定时器 .314.4.1 定时器寄存器配置 .314.4.2 定时器相关控制函数设计 .34第五章 软件调试与系统仿真 .36结束语 .38致谢 .39参考文献 .40附录 .41附录-1 AT89S52 头文件 .41附录-2 数字红外测速系统原理图 .50附录-3 数字红外测速系 统程序 .51数字式红外测速系统设计1第一章 引言现代科学技术的不断发展极大地推动了不同学科间的交叉与渗透 ，导致了工程领域的技术革命与改造。在机械工程领域，
8、由于微电子技术和计算机技术的迅速发展及向机械工业的渗透所形成的机电一体化，使机械工业的产品机构、功能与构成、技术结构、生产方式及管理体系都发生了巨大变化，使工业生产由“机械电气化”迈入了“机电一体化”为特征的发展阶段。现代科学技术及复杂的自动控制系统和信息处理理论和技术的提高，光电信号变换与检测技术的不断涌现，综合性自动化，智能化光电系统得到进一步发展，形成了包括光学，精密机械，电子学和计算机的高度知识集中的新科学光学精密机械电子学。这种跨学科的边缘科学就是光电技术。如今光电技术已广泛应用农业、工业、文教、卫生、国防、科研和家庭生活等领域。因此，光电检测技术是光电技术的核心及重要组成部分。光电
9、检测技术是一种非接触测量的高新技术，它通过光电检测器件接收光信号，并转换成电信号，再由检测电路提取出有用的信号，经过一定的变换接口输入微型计算机运算处理，最后显示出所需要的数据。因此光电检测技术是现代检测技术的最重要手段和方法。是计量检测技术的一个重要发展方向。随着科学技术的“信息时代”和不断发展的到来，传感器技术得到了广泛的应用，需求越来越迫切，对其性能要求越来越高。了解并掌握各类传感器的基本结构、工作原理及特性是非常重要。传感器主要应用于各种控制和测量系统，它性能好坏直接影响到系统的性能。所以必须掌握各类传感器的结构、原理及其性能指标，懂得传感器经过适当的接口电路调整才能满足信号的处理、显
10、示和控制的要求，只有通过对传感器应用实例的原理和智能传感器实例进行分析了解，才能将传感器和信息通信与信息处理结合起来，适应传感器的生产、研制、开发和应用。在另一方面，传感器的被测信号非常广泛，它来自于各个应用领域，每个领域都为了改革生产力和提高工效，各自都在开发研制适合自己应用的传感器，于是种类繁多的新型传感器及传感器系统也就不断涌现出来。2测量转子速度的方法很多，但多数比较复杂 1。目前，测量转速的方法主要有四种 2：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
11、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
12、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。1.1 课题背景测速技术在日常生活中的应用非常广泛，如汽车行驶速度的测量、电机转速的测量。按照不同的分类方法，测速方法可以分为周向测量和径向测量、主动式测量和被动式测量、接触式测量和非接触式测量。过去常用测速机、脉冲发生器、模拟变换器等测速方法，由于易受外界凶素的影响，所以常受到测量精度和测量场合的限制。现在常用的测速技术有超声波测速、霍尔元件测速、红外测速和激光测速。相比之下红外测速可以实现非接触、主动式的测量，这种测量方式不从被测物体吸取能量，不破坏现场环境，另外使用
13、红外光可以避免可见光的影响，从而增加了系统的抗干扰能力。本文介绍了一种用于周向速度测量的简易系统，被测轴每转动一圈，红外光电传感器的接收端便产生一个负脉冲，利用这个脉冲来触发单片机的外部中断，单片机在中断信号到来时计数器自动加 1，每过 lS，单片机取出计数器数值，这个值就是被测轴在 1S 内转过的圈数，也就是被测物的转速，通过单片机处理，然后用数码管显示。数字式红外测速系统设计31.2 数字红外测速系统发展趋势随着科学技术的不断提高，单片机技术日益成熟，其强大的功能已被人们深刻认识。人们已经越来越习惯于用单片机来开发测速系统。进入 21 世纪后，数字测速系统正朝着高精度、高可靠性及安全性的方
14、向迅速发展。目前按现有产品的主要构成元件分类，可分为晶体管式、集成电路路式和单片机式。晶体管式所采用的元件主要是晶体管，有的晶体管式转速测量仪设有记忆电路，其数码管无闪烁现象，显示效果较好，而且测量速度较高。顾名思义集成电路式转速测量仪，所采用的元件是集成电路元件。由于集成电路具有重量轻、体积小、功耗小等优点，而且集成电路元件内设有显示电路，这使得转速测量仪实现小型化。而单片机的出现使得这种仪表的设计变得更加灵活。单片机是一种集 CPU（Central Process Unit） 、RAM、ROM、定时器计数器、以及输入输出（IO）接口电路等主要计算机部件于一块芯片上。这使得这种转速测量仪的硬
15、件设计变得更加简单，功能的实现变得更加灵活。它共有 111 条指令，能寻址 ROM64KB、片内具有数据存储区 RAM128byte，可扩展RAM 至 64KB。工作频率 633MHz 指令执行速度快，使得其应用于各种精密仪表，设计非常灵活。这使得在扩大测量范围、提高测量精度、扩展功能、缩小体积、降低成本等方面都可使转速测量仪达到一个新的水平。现有的相当一部分数字式转速测量仪的微处理器是单片机。在用单片机设计转速测量仪而言，单片机机式，又称微电脑式或智能式转速测量仪。这种转速测量仪在八十年代中期得到较快的发展。其主要元件采用单片机。如国产 IZSH 一 2 型、SZSB 型和日本真空公司的 D
16、T 一 105 型，DT 一 205 型，EE 一 1 型，EE 一 2 型转速表就是这种类型。微机，尤其是单片微机的应用，在扩大测量范围、提高测量精度、扩展功能以及缩小体积，降低成本等方面均可使转速表提高到一个新的水平。手持式转速测量仪的传感器和显示仪是装置在同一壳体内的。这种转速表体积很小，可以用手拿着进行临时性的测量。如国产 SZG 一 20 型，XSZ-140 型，DSZ84-11 型，FC 一 53l 型、Zl1 型、IZSH 一 1，2 型和日本小野测器公司的TM-2000 型，HT 系列转速测量仪就属于这种类型。为了缩小体积，手持式转速测量仪的主要元件采用单片机，其显示器件常用
17、LCD 数字显示屏，其电源采用4五号普通电池或钮扣电池，其传感器多用光电计数式传感器。其中红外数字转速仪是一种以单片机为核心元件的非接触式，光电传感的转速计量仪器。它由光源、光电盘、光敏二极管、检波放大电路与数显装置等组成。光电盘随转轴一同转动,光敏二极管将光电盘透射来的光信号转换为电信号,然后通过计数脉冲的频率,即可在数显装置上读出旋转轴的转速。目前我国的转速计量技术与发达国家相比，在精度上与发达国家还有一定的差距。国家质量监督局的文件显示，目前在我国工业领域应用的高精度转速计量仪器中，90%的转速测量仪的测量准确度只能达到 0.1%左右，而在发达国家的测量精度能达到 0.05%。可想而知，
18、两者测量精度的不一样，会在产品的质量上产生什么样的结果。同样由于机械式转速测量仪的精度上和测量方式上远远比不上光电式转速测量仪，所以采用红外数字转速测量仪是转速测量仪器发展的一种不可避免的趋势。1.3 数字红外测速系统系统基本原理在被测物的叶轮上开有小孔。红外光电传感器的发射电路发出信号驱动红外发光二极管发射红外光，通过叶轮转盘小孔，红外接收管接收到发射信号后，将红外光电传感器测得的脉冲信号送入脉冲检测电路。检测电路由定时器/计数器和相应的逻辑电路组成，它实现了高精度的数字测速。此脉冲信号送到计数器/定时器计算个数，如果轮轴上开有一个小孔一个脉冲信号既说明一个轮轴旋转一周。在系统中，由定时器产
19、生高频脉冲，用来作为计时的标准脉冲。在对被测脉冲个数计数的同时，对标准脉冲也同时进行计数，标准脉冲个数反映了测量时间。通过计算，被测脉冲个数除以标准脉冲个数（时间）所得结果，既为测量物品时的速度值。便通过单片机处理，然后用数码管显示。该方法不受转速高低的限制，在高速和低速时都能获得较高的测量精度。本文将传感器理论与单片机实际应用有机结合，详细地讲述了利用红外对管在测速系统中的应用及红外测速的原理过程。本设计系统主要包括电源电路，红外发射信号调制电路，频率捕捉模块，数据处理，温度显示模块等部分。文中对每个部分功能、实现过程作了详细介数字式红外测速系统设计5绍。整个系统的核心是实现转速测量，完成了
20、课题所有要求。第二章 数字式红外测速系统总体方案论证2.1 系统设计原则数字是红外测速系统的设计一般应遵循以下几个原则：（1）可靠性和稳定性：考虑技术先进的同时，应确保系统可靠稳定的运行。（2） 实用性和先进性：所设计的数字是红外测速系统应该在体现实用的原则下，尽可能的采用先进的技术和方法，力求物尽其用，不虚设浪费。（3）可扩展性和易维护性：为了适应用户要求，必须充分考虑系统的升级能力和扩展能力。同时系统应便于维护，尽可能的降低系统的运行和维护费用。（4）具有高性能价格比，能够做到物有所值，追求物超所值。2.2 控制系统方案论证本设计系统主要包括电源电路，红外发射信号调制电路，频率捕捉模块，数
21、据处理，速度显示模块等部分。其系统总体框图如图 2-1 所示：主控制器速度显示红外发射红外接收系统电源图 2-1 红外测速系统框图6方案一：可采用 ALTERA 公司的 FLEX10K 系列 PLD 器件。设计起来结构清晰，各个模块，从硬件上设计起来相对简单，控制与显示的模块间的连接也会比较方便。但是考虑到本设计的特点，EDA 在功能扩展上比较受局限，而且 EDA 占用的资源也相对多一些。从成本上来讲，用可编程逻辑器件来设计也没有什么优势。方案二：采用 MSP430 系列单片机是一个 16 位的超低功耗单片机。它具有独特的时钟系统设计，其各系列都集成了看门狗（WDT）、模拟比较器 A、定时器
22、A0（Timer_A0）、定时器 A1（Timer_A1）、定时器 B0（Timer_B0）、UART、SPI、I2C、硬件乘法器、液晶驱动器、10 位/12 位 ADC、16 位 - ADC、DMA、I/O 端口、基本定时器（Basic Timer）、实时时钟（ RTC）和 USB控制器等若干外围模块。采用了精简指令集（RISC）结构，具有丰富的寻址方式、简洁的 27 条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理指令。这些特点保证了可编制出高效率的源程序。它能在 25MHz 晶体的驱动下，实现 40ns 的指令周期。16位的数据宽度、40n
23、s 的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能实现乘加运算）相配合，能实现数字信号处理的某些算法（如 FFT 等）。方案三：采用 ATMEL 公司的 51 系列单片机。AT89S52 是一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器。使用 Atmel 公司高密度非 易失性存储器技术制造，与工业 80C51 产品指令和引脚完 全兼容。片上 Flash 允许程序存储器在系统可编程，亦适于 常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统 可编程 Flash，使得 AT89S52 为众多嵌入式控制应用系统提 供高灵活、超有效的解决方案。经过比较和筛选和综合考虑，数字红外测速系统这个设计不太复杂,只用到了定时器资源。不必用 MSP43016 位单片机或 PLD 逻辑器件来完成，采用 51 单片机既能够实现既定功能，而且性价比高。2.3 显示部分方案论证方案一：如果显示数据较多，采用 8 段数码管虽操作比液晶显示来说略显
