安全监测第二组设计袁道畅.docx
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安全监测第二组设计袁道畅
《安全检测技术》课程设计
班级0234101
专业安全工程
指导教师姚月华蔡宝森杨豪
学号023410143
姓名袁道畅
市政与环境工程学院
2013年6月
目录
目录1
1、引言2
2、设计要求2
3、设计原理3
3.1、转速概念与测量原理3
3.2、AT89C51单片机机构与功能3
4、方案设计4
5、单元电路设计与元器件的选择4
5.1、硬件系统设计4
5.1.1、测速信号采集和处理4
5.1.2、单片机处理电路8
5.1.3、显示部分9
5.2、软件设计10
5.2.1、编程语言的选用10
5.2.2、程序设计流程图（见附录）10
5.3、系统器件的选择12
5.3.1、AT89C51单片机12
5.3.2、光电传感器16
5.3.3、字符型显示芯片LCD160218
6、设计总结19
1、引言
转速是能源设备与动力机械性能测试中的一个重要的特性参量，因为动力机械的许多特性参数是根据它们与转速的函数关系来确定的，例如压缩机的排气量、轴功率、内燃机的输出功率等等，而且动力机械的振动、管道气流脉动、各种工作零件的磨损状态等都与转速密切相关。
光电传感器是以光电器件作为转换元件的传感器。
它可用于检测直接引起光量变化的非电量，也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量。
光电式传感器具有非接触、响应快、性能可等特点，因此在工业自动化装置和机器人中获得广泛应用。
转速是各类电机运行过程中的一个重要监测量，测速装置在机车控制系统中占有非常重要的地位。
本文介绍了一种基于AT89C51单片机的光电传感器转速测量系统的设计。
系统采用对射式光电传感器产生与齿轮相对应的脉冲信号，使用AT89C51单片机采样脉冲信号并计算每分钟内脉冲信号的数目，即电机对应的转速值，最终系统通过LCD实时显示电机的转速值。
经过软硬件系统的搭建，本系统满足设计要求，且结构简单、实用。
系统在降低测速器成本，提高测速稳定性及可靠性等方面有一定价值，具有广泛的应用前景。
本文给出的智能转速与转角测试系统，采用了9位绝对式循环码光电编码器做传感器，具有无接触、高转速、高分辨率、高可靠性等优点。
2、设计要求
1.以电子技术基础的基本理论为指导，将设计实验分为基础型和系统型两个层次，基础型指基本单元电路设计与调试，系统型指若干个模拟、数字基本单元电路组成并完成特定功能的电子电路的设计、调试；
2.熟悉常用电子仪器操作使用和测试方法；
3.学习计算机软件辅助电路设计方法，能熟练应用电子线路CAD进行电路设计和印刷电路板的设计制作；
4.学习电子系统电路的安装调试技术；
5.拓展电子电路的应用领域，能设计、制作出满足一定性能指标或特定功能的电子电路设计任务。
3、设计原理
3.1、转速概念与测量原理
转速是旋转物体的转数与时间之比的物理量,是描述各种旋转机械运转技术性能的一个重要参量。
转速和频率有共同的量纲,都是单位时间内某一量值（脉冲个数、转数）出现的次数,从理论上讲,转速值可以直接和频率值进行比对。
测时计数是转速计量的基本方法。
测定一定单位时间内旋转物体转过的圈数即频率，可等价为所测旋转物体此时的转速。
转速闭环控制系统中，电机转速作为反馈量构成闭环控制，转速测量的精度对控制系统性能的影响是不言而喻的。
光电码盘是目前广泛采用的测速手段。
它具有精度高、线性度好的优点。
采用光电码盘测速时，常用的测速方法有M法、T法和M/T法。
其中M/T法兼顾高低转速，是综合性能最佳的一种。
在此采用M/T测量法，其测量原理为，在固定的测量时间内，计取转速传感器发生的脉冲个数（即频率），从而算出实际转速。
设固定的测量时间T（min），计数器计取的脉冲个数m1，假定脉冲发生器每转输出p个脉冲，对应被测转速为N（r/min），就可算出实际转速值N=60m1/pT。
本检测装置中发动机的转速传感器信号盘安装在曲轴上，工作时传感器输出信号经整形后可得到相应的方波脉冲信号。
3.2、AT89C51单片机机构与功能
AT89C51提供以下标准功能：
4K字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/记数器，一个5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，AT89C51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/记数器，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，但振荡器停止工作直到下一个硬件复位。
AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大AT89C51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。
4、方案设计
本文针对电机的转速进行测量，以单片机为核心对光电开关产生的数字信号进行运算，从而测得电机的转速，然后用LCD把电机的转速显示出来。
即通过光电开关将电机的转数转换成0，1的数字量，只要转轴每旋转一周，产生一个或固定的多个脉冲，并将脉冲送入单片机中进行计数和计算，就可获得转速的信息。
系统主要由AT89C51单片机处理系统、直流电机、光电转换、放大电路和单稳整形电路、显示系统等几个部分组成，如图1所示：
图1系统组成框图
5、单元电路设计与元器件的选择
5.1、硬件系统设计
硬件系统的设计包括测速信号采集和处理，单片机处理电路设计和显示部分。
5.1.1、测速信号采集和处理
①检测装置安装：
检测装置按照发动机上传感器的实际安装位置进行安装。
如图2，将信号盘固定在电动机转轴上，光电转速传感器正对着信号盘。
光电转速传感器接有4根导线，用于连接发光二极管和光敏三极管。
测量头由光电转速传感器组成，而且测量头两端的距离与信号盘的距离相等。
测量用器件封装后，固定装在贴近信号盘的位置，当信号盘转动时，光电元件即可输出正负交替的周期性脉冲信号。
信号盘旋转一周产生的脉冲数，等于其上的齿数。
因此，脉冲信号的频率大小就反映了信号盘转速的高低。
该装置的优点是输出信号的幅值与转速无关，而且可测转速范围大，一般为1r/s～104r/s以上，精确度高。
图2转速测量装置
②信号处理电路：
由于电机每次转动的时候，光线每次透过光电码盘的小孔照射光传感器都使光传感器产生一个电信号，但是因为光电信号较弱，而且产生的脉冲波形不整，所以会影响单片机对信号的处理。
如图3，Q1为光感三极管，当无光源照射时，Q1工作在截止区（Q1截止），Q2工作在饱和区（Q2导通），555定时器TR引脚为低电平；当有光源照射时，Q1工作在饱和区（Q1导通），Q2工作在截止区（Q2截止），555定时器的TR引脚为5V电平。
两个三极管导通和截止过程产生的信号通过555定时器构成的单稳态整形电路，整形为标准的方波脉冲并由Q端输出。
信号处理效果如图4。
该电路特点是只要输入电压达到三极管的工作电压，通过三极管的导通和截止，保证了向555定时器输入的波形在0-5V之间跳变，免去了对三极管放大电压的计算。
图3信号处理电路
图4信号处理效果
③同步控制电路：
在计数时会出现如图5所示的脉冲丢失情况。
第一个丢失的情况是由于开始检测时的脉冲宽度已经小于机器周期T；第二个丢失的脉冲是由于脉冲的负跳变在定时之外。
定时时间内出现脉冲丢失，将会引起测量精度的降低。
为解决图5的脉冲丢失现象，可以采用双D触发器与门控位GATE的配合使用实现计数开始和脉冲上升沿同步控制。
如图6。
定时
定时时间
输入脉冲
丢失丢失
图5脉冲丢失现象
图6同步控制电路与单片机的连接
单片机的GATE=1：
由外部引脚信号P3.2（INT0）或P3.3（INT1）的高电平和TR0或TR1的状态的组合分别启动定时器/计数器T0或T1。
本设计采用引脚P3.2（INT0）/P3.3（INT1）分别和TR0/TR1的组合状态启动定时器0/计数器1（TR0和TR1在程序中被置1，等待外部中断引脚的高电平信号到来）。
图6中，由双D触发器构成边沿触发器。
初始状态，P1.6输出高电平，保证触发器的Q端可以时刻输出高电平，P1.7输出低电平，使双D触发器处于复位状态（复位为低电平触发），双D触发器向P3.2和P3.3引脚输出低电平，关闭定时器0和计数器1；开始计数时，P1.7输出高电平，D触发器取消复位状态，信号XH经过触发器保证上升沿到来时，同时启动定时器0和计数器1。
5.1.2、单片机处理电路
单片机各功能部件的运行都是以时钟控制信号为基准，有条不紊地一拍一拍地工作。
因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。
本设计中此采用内部时钟方式，如图3.7所示，以石英晶体振荡器和两个片电容组成外部振荡源。
片内的高增益反相放大器通过XTAL1、XTAL2外接，作为反馈元件的片外晶体振荡器与电容组成的并联谐振回路构成一个自激振荡器，向内部时钟电路提供振荡时钟。
振荡器的频率取决于晶振的振荡频率，振荡频率范围为1.2—12MHz。
工程应用时通常采用6MHz或12MHz。
图中X1为12MHz，电容C2、C4为33pF，它们一起构成此单片机的自激振荡器。
①复位电路的设计：
单片机的RST引脚为复位（Reset）端。
当单片机振荡器工作时，该引脚上出现持续两个机器周期的低电平，就可以实现系统复位，使单片机回到初始状态。
如图3.8所示，本设计采用手动复位，用一个电容与一个10K电阻串联组成，电阻接VCC，电容接地，RESET脚接在它们中间，RC选择10uF，按键与200R电阻串联，在电容两端并联，就成了按键复位电路，未上电时，RST端为高电平，只要按下这个按键，RST端转换为低电平，经过两个机器周期后，单片机就能复位。
图7晶振图8复位电路
②定时器与计数器的设置：
根据设计选用定时方式1比较合适。
方式1是16位计数结构的工作方式，计数器由TH0的全部8位和TL0的全部8位构成，器逻辑电路和工作情况与方式0完全相同，所不同的只是组成计数器的位数。
方式1的计数范围和定时范围：
①当定时器/计数器在方式1下做计数器用时，其计数范围是1-65536（216）。
②当定时器/计数器在方式1下做定时器用时，其定时时间计算公式为：
Td=（216-X）*Tosc*12
式中，Td为定时时间，X为计数初值，Tosc为晶振周期。
5.1.3、显示部分
1602字符型LCM与单片机的连接主要由两种：
直接访问方式连接和间接控制方式连接。
直接访问方式连接由于构成三总线的结构，所以在软件控制上比较简单，用通过访问外部地址的方式就能访问LCM，但是，在使用这种连接方式时需要注意单片机的控制总线时序和地址总线时序必须要与LCM所需要的时序相匹配否则无法访问。
间接控制方式连接是利用HD44780所具的4位数据总线功能简化电路接口的一种连接方式。
但是由于LCM本身为速度较慢的器件，每一次数据传输大概需要几十微秒至几毫秒的时间，如采用间接控制方式访问，每传输一个字节的数据需要访问2次LCM，这将占用大量的时间，使CPU变得繁忙，甚至影响CPU处理其他数据的传输速度。
在实际中常采用如图3.9所示电路。
采用这种连接方式不能构成三总线的结构，所以不能通过地址形式直接访问，而是需要通过LCM的方式进行数据的传输，同时由于数据总线使用了8条，所以在数据传输的时间上与直接访问的时间相同，速度较间接控制方式提高了一倍，缩短了CPU对LCM的访问时间。
又因为单片机的输出电流较低，所以需外接上拉电阻。
5.2、软件设计
软件设计包括编程语言的选用和程序设计流程图。
5.2.1、编程语言的选用
本设计中采用的处理器是AT89C51单片机，由此可采用面向MCS-51的程序设计语言，包括ASM51汇编语言和C51高级语言，这两种语言各有特点。
汇编语言更接近机器语言，常用来编制与系统硬件相关的程序，如访问I/O端口、中断处理程序、实时控制程序、实时通信程序等；而数学运算程序则适合用C51高级语言编写，因为用高级语言编写运算程序可提高编程效率和应用程序的可靠性。
C语言是一种通用的计算机程序设计语言，在国际上十分流行，它即可用来编写计算机系统程序，也可以用来编写一般的应用程序。
以前计算机的系统软件主要是用汇编语言编写的，对于单片机应用系统来说更是如此。
由于汇编语言程序的可读性和可移植性都较差，采用汇编语言编写单片机应用程序的周期长，而且调试和排错也比较困难。
C语言具有很好的可移植性和硬件控制能力，表达和运算能力也较强。
它具有以下特点：
（1）语言简洁，使用方便灵活。
（2）可移植性好。
（3）表达能力强。
（4）表达方式灵活。
（5）可进行架构化程序设计。
（6）可以直接操作计算机硬件。
（7）生成的目标代码质量高。
为了提高编制计算机系统和应用程序的效率，改善程序的可读性和可移植性，在此采用高级语言编程。
5.2.2、程序设计流程图（见附录）
本设计采用计数程序采集脉冲，定时程序产生中断，通过LCD显示器显示转速值。
（1）总体流程图：
程序说明：
GATA＝1时，设置TR0或TR1为1，同时相对应的外部中断引脚也为高电平时，才能启动定时/计数器工作。
通过对定时器/计数器门控位GATE和TR的设置，使外部中断引脚的高电平控制定时器/计数器的开启。
P1.6引脚接D触发器的D端，它的高电平使双D触发器在上升沿到达时始终保持高电平的输出。
P1.7引脚接双D触发器的复位端（低电平有效），它为低电平时复位双D触发器，双D触发器输出低电平，关闭定时器/计数器0和1。
（2）定时器流程图：
程序说明：
通过对定时器0的门控位GATE的置1，使定时器0的启动可以由INT0（P3.2）引脚的高电平状态开启。
定时器0的定时时间为50ms，运行20次可以得到1s的定时时间。
定时1s时间到时向P1.7引脚输出低电平信号，P1.7引脚接双D触发器的复位端（低电平复位），复位后触发器向P3.2和P3.3引脚输出低电平，关闭定时器0/计数器1。
将定时1s时间到的信号（timeflag=1）送给主程序。
（3）计数器流程图：
程序说明：
通过对计数器1的门控位GATE的置1，使计数器1的启动可以由INT1（P3.3）引脚的高电平状态开启。
定时1s时间到，定时器复位双D触发器，使双D触发器的输出端向P3.3引脚输出低电平，关闭计数器1。
将计数到的脉冲个数，送入主程序处理。
（4）液晶显示器流程图：
程序说明：
向LCD输入数据，逐步经过判忙程序分别输入命令函数和写入数据函数，并显示。
5.3、系统器件的选择
5.3.1、AT89C51单片机
引脚功能
图9AT89C51引脚图
VCC:
电源
GND:
地
P0口：
P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。
作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。
对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。
当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。
在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。
在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。
程序校验时，需要外部上拉电阻。
P1口：
P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。
此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），具体如下表所示。
在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。
P2口：
P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。
在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR）时，P2口送出高八位地址。
在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。
在使用8位地址（如MOVX@RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。
在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。
P3口：
P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。
P3口亦作为AT89C51特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。
在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。
引脚号第二功能如表1。
表1
P3.0
RXD（串行输入）
P3.1
TXD（串行输出）
P3.2
INT0（外部中断0）
P3.3
INT1（外部中断1）
P3.4
T0（定时器0外部输入）
P3.5
T1（定时器1外部输入）
P3.6
WR（外部数据存储器写选通）
P3.7
RD（外部数据存储器写选通）
RST:
复位输入。
晶振工作时，RST脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。
PSEN:
外部程序存储器选通信号（PSEN）是外部程序存储器选通信号。
EA/VPP:
访问外部程序存储器控制信号。
为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令，EA必须接GND。
为了执行内部程序指令，EA应该接VCC。
在flash编程期间，EA也接收12伏VPP电压。
XTAL1:
振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。
XTAL2:
振荡器反相放大器的输出端。
（1）定时器/计数器的结构
定时/计数器的实质是加1计数器（16位），由高8位和低8位两个寄存器组成。
TMOD是定时/计数器的工作方式寄存器，确定工作方式和功能；TCON是控制寄存器，控制T0、T1的启动和停止及设置溢出标志。
定时/计数器结构如图10所示：
图10定时/计数器结构
（2）定时/计数器的控制
AT89C51单片机定时/计数器的工作由两个特殊功能寄存器控制。
TMOD用于设置其工作方式；TCON用于控制其启动和中断申请[9]。
<1>工作方式寄存器TMOD
工作方式寄存器TMOD用于设置定时/计数器的工作方式，低四位用于T0，高四位用于T1。
其格式如下：
表2TOMD的格式
位号
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
符号
GATE
C/T
M1
M0
GATE
C/T
M1
M0
定时器T1
定时器T0
GATE：
门控位。
GATE＝0时，以运行控制位TRX（X=0，1）来启动定时/计数器运行；
GATA＝1时，设置TR0或TR1为1，同时相对应的外部中断引脚也为高电平时，才能启动定时/计数器工作；
C/T计数器模式和定时器模式选择位
C/T=1时，选择计数器模式，计数器对外部输入引脚T0（P3.4）或T1（P3.5）的外部脉冲计数；
C/T=0时，选择定时器模式。
M1M0：
工作方式设置位。
定时/计数器有四种工作方式，由M1M0进行设置。
表3M1M0的格式
M1M0
工作方式
功能
00
工作方式0
13位计数器
01
工作方式1
16位计数器
10
工作方式2
自动再装入8位计数器
11
工作方式3
定时器0：
分成两个8位计数器
定时器1：
停止计数
<2>控制寄存器TCON
TCON的低4位用于控制外部中断,已在前面介绍。
TCON的高4位用于控制定时/计数器的启动和中断申请。
其格式如下：
表4TCON的格式
TCON
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
TF1
TR1
TF0
TR0
IE1
IT1
IE0
IT0
TF1（TCON.7）：
T1溢出中断请求标志位。
T1计数溢出时由硬件自动置TF1为1。
CPU响应中断后TF1由硬件自动清0。
T1工作时，CPU可随时查询TF1的状态。
所以，TF1可用作查询测试的标志。
TF1也可以用软件置1或清0，同硬件置1或清0的效果一样。
TR1（TCON.6）：
T1运行控制位。
TR1置1时，T1开始工作；TR1置0时，T1停止工作。
TR1由软件置1或清0。
所以，用软件可控制定时/计数器的启动与停止。
TF0（TCON.5）：
T0溢出中断请求标志位，其功能与TF1类同。
TR0（TCON.4）：
T0运行控制位，其功能与TR1类同。
（3）中断控制
CPU对中断系统所有中断以及某个中断源的开放和屏蔽是由中断允许寄存器IE控制的。
表5IE的格式
IE
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
0
EA
ES
ET1
EX1
ET0
EX0
EX0（IE.0），外部中断0允许位；
ET0（IE.1），定时/计数器T0中断允许位；
EX1（IE.2），外部中断0允许位；
ET1（IE.3），定时/计数器T1中断允许位；
ES（IE.4），串行口中断允许位；
EA（IE.7），CPU中断允许（总允许）位。
5.3.2、光电传感器
目前，光电开关已被用作物位检测、液位控制、产品计数、宽度判别、速度检测、定长剪切、孔洞识别、信号延时、自动门传感、色标检出、冲床和剪切机以及安全防护等诸多领域。
此外，利用红外线的隐蔽性，还可在银行、仓库、商店、办公室以及其它需要的场合作为防盗警戒之用。
光电开关把发射端和接收端之间光的强弱变化转化为电流的变化以达到探测的目的。
由于光电开关输出回路和输入回路是电隔离的（即电缘绝），所以它可以在许多场合得到应用。
光电传感器具有线性度好、分辨率高、噪音小和精度高、无触点、无机械碰撞、响应快、控制精度高，而且能识别色标等优点，在此我们选择光电转速传感器来进行转速的检测。
（1）光电开关的工作原理
本课题中使用的光电开关是根据光敏二极管工作原理制造的一种感应接收光强度变化的器件，当它发出的光被目标反射或阻断时，则接收器感应出相应的电信号。
它包含调制光源，由光敏元件等组成的光学系统、放大器、开关或模拟量输出装置，其工作原理如图11所示。
光电式传感器由独立且相对放置的光发射器和收光器组成。
当目标通过光发射器和收光器之间并阻断光线时，传感器输出信号。
它是效率最高、最可靠的检测装置。
槽形（U形）光电开关是对射式的变形，其优点是无须调整光轴。
图11光电传感器原理图
（2）光电开关的分类
<1>漫反射式光电开关：
它是一种集发射器和接收器于一体的传感器，当有被检测物体经过时，物体将光电开关发射器发射的足够量的光线反射到接收器，于是光电开关就产生了开关信号。
当被检测物体的表面光亮或其反光率极高时，漫反射式的光电开关是首选的检测模式
<2>镜反射式光电开关：
它亦集发射器与接收器于一体，光电开关发射器发出的光线经过反射镜反射回
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