附表6基于单片机的数字测速仪设计Word下载.docx
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（1）离心式转速表测速法
离心式转速表是利用离心原理制成的测速仪表，可以直接读出转速。
测转速时，转速表的端头要插入电机转轴的中心孔内，插入前，应注意清除中心孔中的油污，并使转速表的轴与电机的轴保持同心，不可上下左右偏斜，否则易将表轴扭坏，并影响准确读数，而且转速表要间歇使用，以减少磨损和发热。
如果要改变量程，还要将转速表取出停转后再改变量程。
（2）测速发电机测速法
测速发电机测转速时，测速发电机连接到被测电机的轴端，将被测电机的机械转速变换为电压信号输出E=CeFn，在输出端接一个刻度以转速为单位的电压表，即可读出转速。
（3）闪光测速法
闪光测速法是利用可调脉冲频率的专用电源施加于闪光灯上，将闪光灯的灯光照到电机转动部分（可在电机端轴上粘贴一张标记纸片），当调整脉冲频率使黑色扇形片静止不动时，此时脉冲的频率是与电机转动的转速是同步的。
若脉冲频率为f，则电机的转速为n=60f（r／min）。
（4）光电码盘测速法
光电码盘测速法是通过测出转速信号的频率或周期来测量电机转速的一种无接触测速法。
光电码盘安装在转子端轴上，随着电机的转动，光电码盘也跟着一起转动，如果有一个固定光源照射在码盘上，则可利用光敏元件来接收到的光的次数就是码盘的编码数。
若编码数为60，测量时间为t，测量到的脉冲数为N，则n=N/t。
（5）霍尔元件测速法
霍尔元件测速法是利用霍尔开关元件测转速的。
霍尔开关元件内含稳压电路、霍尔电势发生器、放大器、施密特触发器和输出电路。
输出电平与TTL电平兼容，在电机转轴上装一个圆盘，圆盘上装若干对小磁钢，小磁钢越多，分辨率越高，霍尔开关固定在小磁钢附近，当电机转动时，每当一个小磁钢转过霍尔开关，霍尔开关便输出一个脉冲，计算出单位时间的脉冲数，即可确定旋转体的转速。
在这五种测速方法中，离心式转速表测速法和测速发电机测速法所用的都是现成的测速仪表，容易得到。
但转速表或测速机都要与电机同轴连接，一方面增加了电机机组安装难度，另一方面有些微电机功率很小，转速表或测速机消耗的功率占了微电机大部分，更有甚者微电机甚至拖不动这些仪表，所以对微特电机的测速，这二种方法不适用。
霍尔元件测速法和光电码盘测速法的测速方法基本类似，都是在转轴上装一个很轻巧的传感器，将电机的转动信号通过磁（霍尔元件）或光（光电码盘）转换为电脉冲，从而通过计算电脉冲的个数来测速。
闪光测速法目前实际应用不广泛，主要是光源的问题。
本课题设计采用光电码盘测速法。
1.3设计任务及方案
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1.1:
图1.1系统组成框图
第2章系统器件介绍
2.1AT89C51单片机
引脚功能
图2.1AT89C51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。
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。
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2-1。
表2-1
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。
2.1.1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2.2所示：
图2.2定时/计数器结构
2.1.2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2-2TOMD的格式
位号
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
符号
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2-3M1M0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。
表2-4TCON的格式
TCON
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。
2.1.3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2-5IE的格式
IE
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。
2.2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。
2.2.1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2.3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2.3光电传感器原理图
2.2.2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接收器，当被检测物体经过且完全阻断光线时，光电开关就产生了检测开关信号。
（3）对射式光电开关：
它包含了在结构上相互分离且光轴相对放置的发射器和接收器，发射器发出的光线直接进入接收器，当被检测物体经过发射器和接收器之间且阻断光线时，光电开关就产生了开关信号。
当检测物体为不透明时，对射式光电开关是最合适的检测装置
（4）槽式光电开关：
它通常采用标准的U字型结构，其发射器和接收器分别位于U型槽的两边，并形成一光轴，当被检测物体经过U型槽且阻断光轴时，光电开关就产生了开关量信号。
槽式光电开关比较适合检测高速运动的物体，并且它能分辨透明与半透明物体,使用安全可靠
（5）光纤式光电开关：
它采用塑料或玻璃光纤传感器来引导光线，可以对距离远的被检测物体进行检测。
通常光纤传感器分为对射式和漫反射式。
本文课题设计采用对射式光电开关。
2.2.3光电开关的特点
MGK系列光电开关是现代微电子技术发展的产物，是HGK系列红外光电开关的升级换代产品。
与以往的光电开关相比具有自己显著的特点：
（1）具有自诊断稳定工作区指示功能，可及时告知工作状态是否可靠；
（2）对射式、反射式、镜面反射式光电开关都有防止相互干扰功能，安装方便；
（3）对ES外同步（外诊断）控制端的进行设置可在运行前预检光电开关是否正常工作。
并可随时接受计算机或可编程控制器的中断或检测指令，外诊断与自诊断的适当组合可使光电开关智能化；
（4）响应速度快，高速光电开关的响应速度可达到0.1ms，每分钟可进行30万次检测操作，能检出高速移动的微小物体；
（5）采用专用集成电路和先进的SMT表面安装工艺，具有很高的可靠性；
（6）体积小（最小仅20×
31×
12mm）、重量轻，安装调试简单，并具有短路保护功能。
2.3字符型显示芯片LCD1602
2.3.1LCD1602主要特性
LCD1602为液晶显示器。
由于LCD的控制必须使用专用的驱动电路，且LCD面板的接线需要采用特殊技巧，再加上LCD面板十分脆弱，因此一般不会单独使用，而是将LCD面板、驱动与控制电路组合成LCM模块一起使用。
LCM是一种很省电的电子设备，常被应用于数字或单片机控制系统中，在全国大学生设计竞赛中使用频率也很高。
字符型1602LCM通常采用日立公司生产的控制器HD44780作为LCM的控制芯片。
字符型LCM的特点：
（1）具有字符型发生器ROM。
可显示192个5*7点阵字符，LCM显示的数字和字母部分的码值，刚好与ASCLL码中的数字和字母相同，所以在需要的显示数字和字母时，只需要向LCM送入ASCLL码即可。
（2）具有64B的自定义字符RAM，可自行定义8个5*7点阵字符。
（3）具有80B的数据显示存储器。
2.3.2LCD1602引脚定义
字符型1602LCM通常有16个引脚，也有少数有14个引脚，当选用14个引脚的LCM时，该LCM没有背光，1602型LCM的16个引脚定义如下：
表2-6LCD1602引脚定义
引脚号
符号
状态
1
Vss
电源地
2
Vdd
+5V逻辑电源
3
V0
液晶驱动电源（用于调节对比度）
4
RS
输入
寄存器选择（=1：
数据；
=0：
指令）
5
R/W
读、写操作选择（=1：
读；
写）
6
E
使能信号
7
DB0
三态
数据总线（最低位LSB）
8
DB1
数据总线
9
DB2
DB3
DB4
12
DB5
13
DB6
14
DB7
数据总线（最高位MSB）
15
E1
背光电源线
16
E2
背光电源地线
第3章硬件系统设计
3.1测速信号采集及其处理
本设计中采用对射式光电传感器测量电机转速。
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，反之打开。
可以制作一个遮光叶片，安装在电机转轴上，当叶片转动时，光电开关产生脉冲信号。
当叶片数较多时，旋转一周可以获得多个脉冲信号。
假设系统采用10个叶片，在一分钟的内产生了10000脉冲，则电机的转速就为1000r/min。
图3.1信号采集示意图
3.1.1转速测量原理
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。
3.1.2检测装置安装
此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3.2，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3.2转速测量装置
3.1.3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。
图3.3信号处理电路
光传感器信号
放大后的信号
单稳整形信号
图3.4信号处理效果
如图3.3，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3.4。
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。
3.1.4同步控制电路
在计数时会出现如图3.5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3.5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3.6。
定时
定时时间
输入脉冲
丢失丢失
图3.5脉冲丢失现象
图3.6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3.6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
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