本科毕业论文-手持式激光转速测量仪的设计.doc

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摘要

本文在对了解转速测量理论与掌握单片机原理的基础上，根据硬件设计，提出系统程序设计方案，构建软件系统，以实现智能转速测量与显示的功能。

本设计根据基于STC89C52单片机的转速测量电路，设计出一种以半导体激光二极管作为传感器的激光测速仪，可同时实现数据的实时采集、处理和显示;并详细叙述了测速原理、单片机系统和测速误差。

对所设计的软件系统通过编译软件keilC51μVision4对其进行程序调试。

最后，对构建的系统利用设计的电路进行调试，对测量指标进行了分析、比较并提出改进方案。

在设计中测量方法采用M法进行测量，单片机采用C语言编程。

关键词：

激光；转速测量；手持；非接触式；单片机

Abstract

Inthispaper,theunderstandingofthetheoryandmasterofrotationalspeedmeasurementbasedontheprincipleofMCU,thesystemprogramdesign,tobuildsoftwaresystems,compiler,inordertoachieveintelligentRotationalspeedmeasurementanddisplayfunctions.

Inthispaper,accordingtothetachometricsurveysystembasedontheMCUofSTC89C52,Idesignedthelaservelocitymeterwhichusinglaserdiodeassensor.Thevelocityfeaturesreal-timedataacquisition,dataprocessinganddisplayfunctions.Theprincipleofvelocitymeasurementandthemmeasurementerrorofthesinglechipcomputeraredescribed.IsetupthemusingthesoftwareofTheKeilμVision4.Atlast,thebuildedsystemissettedupthroughcircuit.Themeasuredindexwereanalysedandcomparedandtheimprovedprogrammeswereproposed.MmethodwasadoptinthemeasuringandthelanguageofCwasadopttocomputer.

Keywords:

Laser,Rotationalspeedmeasurement,Hand-held,Non-contact,MCU

目录

摘要 I

Abstract I

1绪论 1

1.1课题研究的目的及意义 1

1.2转速测量在国内的研究情况 1

1.3主要内容与问题 2

1.3.1研究的主要内容 2

1.3.2阐明的问题 3

2系统设计的方案 4

2.1电源方案的选择与论证 4

2.2显示方案的选择与论证 5

2.3传感器方案的选择和论证 6

3基于单片机的转速测量方法及原理 7

3.1半导体激光二极管的工作原理和特点 7

3.1.1半导体激光二极管的工作原理 7

3.1.2半导体激光二极管的常用参数 8

3.1.3半导体激光二极管的特点 9

3.2单片机测量转速的方法 10

3.3转速测量原理 11

3.3.1测周期法“T法” 11

3.3.2测频率法“M法” 12

3.3.3测频测周期法“M/T法” 13

4智能转速测量系统的硬件结构 16

4.1系统的硬件结构 16

4.1.1转速信号发射与拾取的结构 16

4.1.2.显示部分的结构 18

4.1.3复位功能的实现 19

4.2硬件电路中主要部件的介绍 20

4.2.1STC89C52介绍 20

4.2.21602液晶显示屏介绍 21

5智能转速测量系统的软件设计 23

5.1程序设计 23

5.1.1工作方式及控制字设置 23

5.1.2变量分配及程序的初始化 25

5.1.3显示功能的实现 25

5.1.2液晶的显示 27

5.3主程序流程 28

5.4开发平台介绍 29

5.4.1keilC51软件集成开发环境 29

5.4.2单片机下载 29

6结论 31

6.1主要研究结论 31

6.2研究展望 31

致谢 32

参考文献 33

附录1：

原理图 34

附录2：

仿真图附录3：

源程序 35

附录3：

源程序 36

III

1绪论

1.1课题研究的目的及意义

转速是工程中应用非常广泛的一个参数，其测量方法较多，而模拟量的采集和模拟信号处理一直是转速测量的主要方法，这种测量方技术已不能适应现代科技发展的要求，在测量范围和测量精度上，已不能满足大多数系统的使用。

随着大规模及超大规模集成电路技术的发展，数字系统测量得到普遍应用，特别是单片机对脉冲数字信号的强大处理能力，使得全数字量系统越来越普及，其转速测量系统也可以用全数字化处理。

在测量范围和测量精度方面都有极大的提高。

常用的检测方式有机械式、光电式、霍尔式、频闪法、高压油管应变法等，本课题主要是针对智能转速测量系统的激光信号采集和软件系统的设计。

运用51系列单片机设计一种全数字化测速系统，从提高测量精度的角度出发，分析讨论其产生误差的可能原因。

同时从实际硬件电路出发，分析电路的工作原理，提出了修改方案和解决办法。

本课题以单片机为核心，设计的以半导体激光二极管作为光源的全数字化测量转速系统，在工业控制和民用电器中都有较高使用价值。

一方面它可以应用于工业控制中的某一部分，如数控车床的电机转速检测和控制、水泵流量控制以及需要利用转速检测来进行控制的许多场合，如车辆的里程表、车速表等。

另一方面由于该转速测量系统采用全数字结构，因而可以很方便的和工业控制机进行连接，实行远程管理和控制，进一步提高现代化水平。

并且，几乎不需做太多改变就能直接作为工业产品投入使用。

总之，转速测量系统的研究是一件非常有意义的课题。

1.2转速测量在国内的研究情况

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。

转速测量的方法很多，测量仪表的型式也多种多样，其使用条件和测量精度也各不相同。

根据转速测量的工作方式可分为两大类：

接触式转速测量仪表与非接触式转速测量仪表。

前者在使用时必须与被测转轴直接接触，如离心式转速表、磁性转速表与测速发电机等；后者在使用时不需要与被测转轴接触,如光电式转速表、电子数字式转速表、闪光测速仪等。

测量发动机转速的传统方法是使用光电式转速表测量。

用这种方法测量时,既要在发动机转动轴上粘贴光标纸，又要求测量人员把转速表与光标纸的距离控制在很近的范围,测量十分不方便。

随着科学技术的迅速发展,转速测量仪表已步入现代化、电子化的行列。

过去曾经使用过的接触式测量仪表,如离心式转速表、磁性转速表、微型发电机转速表属定时转速表，均已先后受到冷落；而利用已知频率的闪光与被测轴转速同步的方法来测速的闪光测速仪，虽属非接触式仪表，目前仍有应用,但也退居次要地位。

代之而起的是非接触式的电子与数字化的测速仪表。

这类转速仪表大多具有体积小、重量轻、读数准确、使用方便等优点，容易实现电脑荧屏显示和打印输出，能够连续的反映转速变化，既能测定转动设备稳定情况下的平均转速,也能够用来在足够小的时间间隔这一特定条件下测定转动设备的瞬时转速。

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，但转速测量系统作为普遍的应用在国民经济发展中，有重要的意义。

1.3主要内容与问题

1.3.1研究的主要内容

1.详细分析半导体激光二极管的工作原理，并对半导体激光二极管的特点进行较深入的研究。

2.详细分析转速的测量理论，对转速的周期测量法“T”法、频率测量法“M”法以及周期频率“M/T”测量法，三种具体测量方法的转速计算、各自的测量精度和误差进行阐述。

定性的比较三种方法所针对的转速特征，分析高、中、低转速情况下各自的适用状况，从而在保持一定的测量精度情况下，应用“M”法，说明转速测量原理。

3.根据单片机硬件系统的设计，构建软件系统，分别对硬件系统的配置予以估计，使其能够对转速进行测量。

同时分析接口电路，显示转速。

4.对单片机定时/计数器进行设置，设计和说明定时/计数器在“M”法测量中的作用和使用方法，讨论测量精度的问题。

5.根据系统要求设置各控制字，用C语言编制程序，包括主程序流程，显示中断程序流程。

并用软件的方法对计数和定时进行同步，力求在不增加硬件的条件下，使同步达到满意的效果。

6.利用KeilC51软件的μVision4集成环境对系统对软件进行编译、调试,Protues7.8进行仿真。

1.3.2阐明的问题

1、针对现行转速测量相关产品及关键技术进行调研，重点放在非接触式转速测量仪、光学反射式转速测量方法的研究上。

综合论述光学反射式转速测量仪的原理、结构及功能，比较国内外相关测速产品的应用方案及优缺点。

重点内容包括：

采用激光反射式测速模式，以单片机为核心构成测速及实时显示装置；研究激光发射，特别是反射信号的采集处理；研究转速测量中的相关算法，选择适合本设计的测速算法。

2、从以上的方案调研论证中，分析比较各类转速测量相关产品之间的优劣，从而深入了解光学反射式转速测量方法、电路组成及相关测速算法的特点，最终选择采用激光反射式转速测量方法，得出实用的、可行的总体设计方案。

3、根据总体设计方案，对基于激光反射原理的手持式转速测量仪进行硬件设计、软件设计，并制作硬件实物。

4、对毕业论文及设计的工作进行总结，分析存在的问题及不足之处，并对该方案的应用前景进行展望。

2系统设计的方案

转速测量的方案选择,充分考虑传感器的结构、安装以及测速范围与环境条件等方面的适用性。

本文设计中给出了传感器、显示以及电源的选择方案，经过查资料、构思和自己的设计，总体电路给出了几种设计方案，部分重要模块也考虑了其它设计方法，经过分析，从实现难度、熟悉程度、器件用量以及价格等方面综合考虑，我们才最终选择了一个方案。

2.1电源方案的选择与论证

（1）方案一：

干电池

干电池又叫一次性电池，是电源家族中最原始的成员。

它体积小，携带方便，价格低廉，供电稳定，适用于各种对电压电流要求不高的场合。

但干电池的还原性能极差，虽然国内外也曾有许多人尝试用恒压充电器，恒流充电器，脉动充电器，正负脉冲充电器等等来延长干电池的使用寿命，但其电能—化学能的可逆性仍未得到改变。

（2）方案二：

开关稳压源

开关稳压源是利用现代电力电子技术，控制开关管通和断开的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。

与线性电源相比，PWM开关电源更为有效的工作过程是通过“斩波”，即把输入的直流电压斩成幅值等于输入电压幅值的脉冲电压来实现的。

脉冲电源的占空比由开关电源的控制器来调节。

一旦输出电压被沾成交流方波，其幅值就可以通过变压器来升高或降低。

通过增加变压器的二次绕组数就可以增加输出的电压值。

最后这些交流波形经过整流