基于AT89C51车轮转速测量系统的设计毕业设计Word格式文档下载.docx
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所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
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指导教师评阅书
指导教师评价：
一、撰写（设计）过程
1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神
□优□良□中□及格□不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
4、研究方法的科学性；
技术线路的可行性；
设计方案的合理性
5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
建议成绩：
（在所选等级前的□内画“√”）
指导教师：
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（盖章）
年月日
评阅教师评阅书
评阅教师评价：
一、论文（设计）质量
二、论文（设计）水平
评阅教师：
教研室（或答辩小组）及教学系意见
教研室（或答辩小组）评价：
一、答辩过程
1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
3、学生答辩过程中的精神状态
评定成绩：
教研室主任（或答辩小组组长）：
（签名）
教学系意见：
系主任：
第1章概述
1.1数字式转速测量系统的发展背景
目前国内外测量电机[3]转速的方法很多，按照不同的理论方法，先后产生过模拟测速法（如离心式转速表、用电机转矩或者电机电枢电动势计算所得）、同步测速法（如机械式或闪光式频闪测速仪）以及计数测速法。
计数测速法又可分为机械式定时计数法和电子式定时计数法。
传统的电机转速检测多采用测速发电机或光电数字脉冲编码器，也有采用电磁式（利用电磁感应原理或可变磁阻的霍尔元件等）、电容式（对高频振荡进行幅值调制或频率调制）等，还有一些特殊的测速器是利用置于旋转体内的放射性材料来发生脉冲信号。
其中应用最广的是光电式，光电式测系统具有低惯性、低噪声、高分辨率和高精度的优点。
加之激光光源、光栅、光学码盘、CCD器件、光导纤维等的相继出现和成功应用，使得光电传感器在检测和控制领域得到了广泛的应用。
而采用光电传感器的电机转速测量系统测量准确度高、采样速度快、测量范围宽和测量精度与被测转速无关等优点，具有广阔的应用前景。
1.2本设计课题的目的和意义
工程实践中，经常会遇到各种需要测量转速的场合，例如在发动机、电动机、卷扬机、机床主轴等旋转设备的试验、运转和控制中，常需要分时或连续测量和显示其转速及瞬时转速。
要测速，首先要解决是采样问题。
在使用模拟技术[4]制作测速表时，常用测速发电机的方法，即将测速发电机的转轴与待测轴相连，测速发电机的电压高低反映了转速的高低。
为了能精确地测量转速外，还要保证测量的实时性，要求能测得瞬时转速方法。
因此转速的测试具有重要的意义。
这次设计内容包含知识全面，对传感器测量发电机转速的不同的方法及原理设计有较多介绍，在测量系统中能学到关于测量转速的传感器采样问题，单片机部分的内容，显示部分等各个模块的通信和联调。
全面了解单片机和信号放大的具体内容。
进一步锻炼我们在信号采集、处理、显示发面的实际工作能力。
第2章车轮转速测量系统的原理
2.1车轮转速测量方法
转速是指作圆周运动的物体在单位时间内所转过的圈数，其大小及变化往往意味着机器设备运转的正常与否，因此，转速测量一直是工业领域的一个重要问题。
按照不同的理论方法，先后产生过模拟测速法（如离心式转速表）、同步测速法（如机械式或闪光式频闪测速仪）以及计数测速法。
本设计介绍的采用单片机和红外传感器组成的高精度转速测量系统，其转速测量方法采用的就是电子式定时计数法。
对车轮转速的测量实际上是对转子旋转引起的周期脉冲信号的频率进行测量。
在频率的工程测量中，电子式定时计数测量频率的方法一般有三种：
1.频率法：
在一定时间间隔t内，计数被测信号的重复变化次数N，则被测信号的频率fx可表示为
fx=Nt（2-1）
2.测周期法：
在被测信号的一个周期内，计数时钟脉冲数m0，则被测信号频率
fx=fc/m0（2-2）
其中，fc为时钟脉冲信号频率。
3.多周期测频法：
在被测信号m1个周期内，计数时钟脉冲数m2，从而得到被测信号频率fx，则fx可以表示为
fx=m1fc/m2（2-3）
m1由测量准确度确定。
电子式定时计数法测量频率时，其测量准确度主要由两项误差来决定：
一项是时基误差；
另一项是量化±
1误差。
当时基误差小于量化±
1误差一个或两个数量级时，这时测量准确度主要由量化±
1误差来确定。
对于测频率法，测量相对误差为：
Er1=测量误差值/实际测量值×
100%=1/N×
100%（2-4）
由此可见，被测信号频率越高，N越大，Er1就越小，所以测频率法适用于高频信号（高转速信号）的测量。
对于测周期法，测量相对误差为：
Er2=测量误差值/实际测量值×
100%=1/m0×
100%（2-5）
对于给定的时钟脉冲fc，当被测信号频率越低时，m0越大，Er2就越小，所以测周期法适用于低频信号（低转速信号）的测量。
对于多周期测频法，测量相对误差为：
Er3=测量误差值/实际测量值100%=1/m2×
100%（2-6）
从上式可知，被测脉冲信号周期数m1越大，m2就越大，则测量精度就越高。
它适用于高、低频信号（高、低转速信号）的测量。
但随着精度和频率的提高，采样周期将大大延长，并且判断m1也要延长采样周期，不适合实时测量。
根据以上的讨论，考虑到实际应用中需要测量的转速范围很宽，上述的转速测量方法难以满足要求，因此，研究高精度的转速测量方法，以同时适用于高、低转速信号的测量，不仅具有重要的理论意义，也是实际生产中的需要。
2.2车轮转速测量原理
本设计中主要有三个模块，分别为车轮速度测量模块、单片机最小系统模块、显示模块。
本设计的测车轮转速长期测量系统是在已知车轮的周长，在程序中预设周长。
设计中传感器是由红外接发射管和接收管构成。
测速的过程为：
在电机的转轴上安装一个圆形遮光片，并从圆形遮光片的中心向圆盘的周边开一个长方形的小缝隙。
红外发射管和光敏三极管安装在遮光片的两端，当电机转动时就可以通过遮光片来改变红外接收管接收的光线，从而产生电位信号的变化，这样就构成了一个收发检测系统，可以检测电机的转速。
运用的原理和光电耦合器是相同的。
在信号输入部分中主要有红外传感器和LM339比较器组成，红外发射和接收对准时为正常工作，那么当车轮转动的时候，一圈只能有一个时刻红外正常工作的，也就是说只有一个时刻红外的发射和接收是对准的。
信号的处理部分就是单片[5]机根据程序的运行部分。
显示部分采用的是四位一体的共阳数码管显示。
在单片机程序的编写中预设内部时钟中断T0为250us，T0_num是记内部时钟中断T0的个数。
则有测速度公式：
V=C/（T0_num*250us）（2-7）
◆C———预设的车轮周长（本设计中为150mm）;
◆T0_num———采样内部时钟中断脉冲个数;
◆250us———预设的内部时钟中断T0时间;
◆V———车轮的速度；
如果S=150mm，那么：
V=150mm/（T0_num*250us）（2-8）
转换单位可以得到：
V=（150mm*106）/（T0_num*250s）（2-9）
把预设的车轮的周长用K表示
则有公式：
V=（K*3600Km）/（T0_num*250h）单位为Km/h（2-10）
在对转速波动较快系统或要求动态特性好而精度高的转速测控系统中，调节周期一般很短，相应的采样周期需取得很小，使得脉冲当量增高，从而导致整个系统测量精度降低，难以满足测控要求。
所以在定时时间的选择上不能太小也不能太大程序中我们把定时时间定为250us。
在设计中，预设了内部定时器T0的最大中断次数，防止了车轮不转动时，数据的溢出。
由公式（4）可以得到，当T0_num定时器T0的最大中断次数时（65000），那么V=0.033。
近似为0。
各部分模块的功能：
传感器：
用来对信号的采样。
②信号转换电路：
对传感器送过来的信号进行放大和整形，在送入单片机进行数据的处理转换。
③单片机：
对处理过的信号进行转换成转速的实际值，送入LED。
④LED显示：
用来对所测量到的转速进行显示。
第3章系统方案提出和论证
转速测量的方案选择：
一般要考虑传感器的结构、安装以及测速范围与环境条件等方面的适用性；
再就是二次仪表的要求，除了显示以外还有控制、通讯和远传方面的要求。
本设计书中给出两种转速测量方案，经过查资料、构思和结合本设计，总体电路有两套设计方案，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、器件用量等方面综合考虑，最终选择了一个方案。
下面就看一下我们对两套设计方案的简要说明。
方案一：
霍尔传感器测量方案
霍尔传感器是利用霍尔效应进行工作的。
其核心元件是根据霍尔效应原理制成的霍尔元件。
本设计介绍一种泵驱动轴的转速采用霍尔转速传感器测量。
霍尔转速传感器的结构原理图如图3-1，霍尔转速传感器的接线图如图3-2。
传感器的定子上有2个互相垂直的绕组A和B，在绕组的中心线上粘有霍尔片HA和HB，转子为永久磁钢，霍尔元件HA和HB的激励电机分别与绕组A和B相连，它们的霍尔电极串联后作为传感器的输出。
图3-1霍尔转速传感器的结构原理图
图3-2霍尔转速传感器的接线图
缺点：
采用霍尔传感器在信号采样的时候，会出现采样不精确，因为它是靠磁性感应才采集脉冲的，使用时间长了会出现磁性变小，影响脉冲的采样精度。
方案二：
光电传感器
方案二主要包括传感器、处理器和显示3个部分。
其原理方框图如图3-3所示。
在该方案中传感器是由红外发光二极管，和红外接收管。
在电机的转轴上安装一个圆形遮光片，并在圆形遮光片上凿开一条从圆心到园变的小细缝，这样可以让红外发射管发出的红外光刚好可以通过。
在遮光片的两端分别安装好发光二极管和接收管，当电机转动时就可以通过遮光片来改变光敏三极管接收的光线，从而产生电位信号的变化，这样就构成了一个收发检测系统，可以检测电机的转速。
图3-3测量系统的组成框图
优点：
这种方案使用光电转速传感器具有采样精确，采样速度快，范围广的特点。
综上所述，方案二使用光电传感器来作为本设计的最佳选择方案。
第4章系统硬件设计
随着超大规模集成电路技术提高，尤其是单片机应用技术以及功能强大，价格低廉的显著特点，是全数字化测量转度系统得一广泛应用。
出于单片机在测量转速方面具有体积小、性能强、成本低的特点，越来越受到企业用户的青睐。
对测量转速系统的硬件和编程进行研究，设计出一种以单片机为主的转速测量系统，保证了测量精度。
4.1电源电路
本次设计电路为输出电压+5V、输出电流1.5A的稳压电源，如图4-1所示。
它由电源变压器，桥式整流电路D1～D4，滤波电容C1、C2、C3和一只固定式三端稳压器（7805）构成的。
图4-1电源电路原理图
原理：
220V交流市电通过电源变压器变换成6交流低压，再经过桥式整流电路D1～D4和滤波电容C1、C2的整流和滤波，在固定式三端稳压器7805的Vin和GND两端形成一个并不十分稳定的直流电压（该电压常常会因为市电电压的波动或负载的变化等原因而发生变化）。
此直流电压再经过C3的滤波便在稳压电源的输出端产生了精度高、稳定度好的直流输出电压。
4.2转速信号采集
在设计中采用红外传感器采集信号，这种红外传感器是把车轮的转速变为相应频率的脉冲，然后由单片机内部定时器T0来测得定时脉冲个数，由公式（4）得到速度。
这种测量方法具有传感器结构简单、可靠、测量精度高的特点。
是目前常用的一种测量转速的方法。
从红外发射管发出的光通过遮光片上的小缝隙照射到红外接收管，使红外发射管和接收管都处于导通状态，反之红外接收管处于截止状态。
红外传感器的工作和不工作两种状态产生的脉冲信号经过LM339比较器，对信号进行处理，然后输入给单片机。
由于本设计只停留于实验阶段，设计中使用的车轮自制，使用的电机为6V的直流电机。
车轮（遮光片）的两侧分别装有发射光源（红外线发光二极管）与接收光源的装置（红外线接收管）之间，红外线发光二极管负责发出光信号，红外线接收管负责接收发出的光信号，产生电信号。
每转过一圈，光的明暗变化经历了一个正弦周期，即产生了方波信号。
图4-2所示为转速传感器电路。
红外接收管在正向工作电流为20mA时，其导通电压为1.2—1.5V，所选用的发光二极管的正向压降一般为1.5—2.0V，电流为10—20mA。
R的计算公式为：
R=U/I。
由实验得：
R3=680Ω；
R4=1kΩ。
图4-2转速传感器电路图
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4-3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，实际操作中可以制作一个遮光叶片如图4-4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。
由于材料有限，本设计中没有设计图4-4的遮光片，只在车轮的叶子上槽开一条小口。
图4-3光电传感器的原理图图4-4遮光叶片
4.3转速信号处理电路设计
怎样把红外传感器的信号转换成单片机所需要的有用信号呢？
本设计采用通过使用比较器LM339来实现。
如图4-5所示，当红外发射接收管都正常工作时，LM339的负输入端4为低电平，输出端2为高电平；
当红外接收管被外物挡住时，红外接收管不工作，LM339的负输入端4为高电平，输出端2为低电平，单片机程序设置为外部中断下降沿触发有效，实现了中断触发功能。
图4-5信号处理电路图
4.4单片机AT89C51介绍[6]
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
图4-6是常用的一种单片机，型号为AT89C51，它将计算机的功能都集成到这个芯片内部去了，就这么一个小小的芯片就能构成一台小型的电脑，因此叫做单片机。
图4-6AT89C51芯片
它有40个管脚，分成两排，每一排各有20个脚，其中左下角标有箭头的为第1脚，然后按逆时针方向依次为第2脚、第3脚……第40脚。
在40个管脚中，其中有32个脚可用于各种控制，比如控制小灯的亮与灭、控制电机的正转与反转、控制电梯的升与降等，这32个脚叫做单片机的“端口”，在单片机技术中，每个端口都有一个特定的名字，比如第一脚的那个端口叫做“P1.0”。
AT89C51单片机的功能[7]：
1．主要特性：
◆与MCS-51兼容
◆4K字节可编程闪烁存储器
◆寿命：
1000写/擦循环
◆数据保留时间：
10年
◆全静态工作：
0Hz-24Hz
◆三级程序存储器锁定
◆128*8位内部RAM
◆32可编程I/O线
◆两个16位定时器/计数器
◆5个中断源
◆可编程串行通道
◆低功耗的闲置和掉电模式
◆片内振荡器和时钟电路
2．管脚说明：
管脚说明见图4-7。
图4-7AT89C51管脚分布
●VCC：
供电电压。
●GND：
接地。
●P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
●P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
●P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
●P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口。
P3口管脚备选功能：
●P3.0RXD（串行输入口）
●P3.1TXD（串行输出口）
●P3.2/INT0（外部中断0）
●P3.3/INT1（外部中断1）
●P3.4T0（记时器0外部输入）
●P3.5T1（记时器1外部输入）
●P3.6/WR（外部数据存储器写选通）
●P3.7/RD（外部数据存储器读选通）
●P3口同时为闪烁编程和编
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