对射式光电转速测量仪的设计.docx

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对射式光电转速测量仪的设计

本科生毕业设计（论文）

论文题目

：

对射式光电转速测量仪的设计

姓名

：

陈春根

学号

：

09022136

班级

：

090221

年级

：

2009级

专业

：

测控技术与仪器

学院

：

核工程与地球物理学院

指导教师

：

肖慧（讲师）

完成时间

：

2013年6月4日

作者声明

本人以信誉郑重声明：

所呈交的学位毕业设计（论文），是本人在指导教师指导下由本人独立撰写完成的，没有剽窃、抄袭、造假等违反道德、学术规范和其他侵权行为。

文中引用他人的文献、数据、图件、资料均已明确标注出，不包含他人成果及为获得东华理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。

对本设计（论文）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。

本毕业设计（论文）引起的法律结果完全由本人承担。

本毕业设计（论文）成果归东华理工大学所有。

特此声明。

毕业设计（论文）作者（签字）：

签字日期：

年月日

本人声明：

该学位论文是本人指导学生完成的研究成果，已经审阅过论文的全部内容，并能够保证题目、关键词、摘要部分中英文内容的一致性和准确性。

学位论文指导教师签名：

年月日

对射式光电转速测量仪的设计

陈春根

DesignaPhotoelectricSpeedMeasuringInstrumentBasedonCorrelationofType

Chen,Chungen

2013年6月4日

摘要

转速测量是电子测量领域中经常遇到的问题。

传统的转速测量装置多数采用机械式传感器测量，由于机械传动的磨损等各方面原因，难以保证其精度。

在对各种测速方法进行分析后提出了基于光电传感器的转速测量系统。

该测量装置测量范围宽、成本低、适应面广，具有一般测速装置不可比拟的快速性、精确性和优越性。

本文设计的转速测量系统装置是以STC89C52RC为核心的对射式光电转速测量仪。

包括光电转速传感器模块、信号处理电路、定时和计数部分、数码管显示这四个部分。

采用LM393N对信号进行放大整流滤波，该信号处理的上限电压为36V，下限电压为2V；定时，计数部分则是以STC89C52单片机为核心，因为单片机P3.5口有能够直接读取脉冲的特点，所以可以通过脉冲数和所用时间计算出转速；选择C语言来编写转速测量系统的程序，将编写好的程序烧入到单片机中，则数码管显示的数值即为所测转速。

测试结果表明：

在实验室测量的条件下，所设计的光电转速测量仪测光电转速传感器在0~10V的驱动电源下，误差小于10%；在10~20v的驱动电源下，误差小于2%，能够达到预期设计的目标，可以用于测量。

关键词：

对射式光电转速传感器；转速测量；STC89C52RC

Abstract

Speedmeasurementisoftenmetinthefieldofelectronicmeasurement.Traditionalrotationalspeedmeasuringdevicemostadoptmechanicalsensor.Thatisdifficulttoguaranteeitsaccuracyforthewearandtearofmechanicaltransmissionandsoon.Aftertheanalysisofvariousspeedmeasuringmethod，thespeedofthephotoelectricsensormeasuringsystemisproposed.Thatmeasuredevicehavewiderangelowcostandadaptation.Thathaveincomparablerapidity,accuracyandsuperiority.

Speedmeasuringsystemisnamedcorrelationphotoelectricspeedmeasuringinstrument.ThatisbasedonSTC89C52RCasthecore.Thatincludethephotoelectricrotatingspeedsensormodule,thesignalprocessingcircuit,timingandcounting,digitaltubedisplaying.TheLM393Nisusedtofilterthesignalandenlarge.thesignalprocessingoftheupperlimitvoltageis36V,thresholdvoltageis2V.TheSTC89C52isthecoreofthepartoftiming,becausethesinglechipmicrocomputerP3.5mouthhasthecharacteristicofcandirectlyreadthepulse,sothatcanbeusedtocalculatetherotationalspeedbypulsenumberandthetime.ThatchooseClanguagetowriteprogramstorotationalspeedmeasurementsystem.Thentakingtheprogramsburntothesingle-chipcomputer,thedigitaltubedisplayisthemeasuredspeed.

Throughthisdesignthetestresultsshowthatthemeasurementinthelaboratoryconditions.thedesignedphotoelectricspeedmetermeteringelectricityspeedsensorin0~10Vdriverpowersupply.theerrorislessthan10%,In10to20Vdriverpowersupply,theerrorislessthan2%,Thatcanmeettheexpecteddesigntarget,canbeusedtomeasure.

Keywords:

correlationphotoelectricrotatingspeedsensor;Speedmeasurement;STC89C52RC

绪论

1.1转速测量系统的背景

随着电子技术发展，特别是随着大规模的集成电路的产生，给人们的是生活带来了根本性质变化。

转速是工程中应用非常广泛的一个参数。

在工业生产、科学实验以及物件的应用中，转速测量都是不可缺少的部分。

目前国内外测量电机转速的方法很多，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。

传统的转速测量装置多采用机械式传感器测量转速，由于机械传动的磨损等各方面原因，难以保证其精度。

而且采用的接触式转速计，这种转速测量仪必须顶在转轴中心才能进行测量，使用起来不方便，局限性很大，安全性也不是很好。

1.2转速测量系统的现状

转速是能源设备与动力机械性能测试中的一个重要特性参量，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，例如压缩机的排油量、轴功率、内燃机的输出功率等等，而且动力机械的震动、管道气流、各种工作零件的磨损状态等都与转速有着密切关系[1]。

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：

接触式转速测量仪和非接触式转速测量仪。

前者在使用时必须与被测转轴直接接触，如磁式转速表、离心式转速表与测速发动机。

后者在使用时不需要与被测轴接触，如光电式转速表、电子数字式转速表、闪光测速仪等。

1986年，美国NI公司提出了虚拟仪器的概念，提出了“软件即仪器（Thesoftwareistheinstrument）”的口号，彻底打破了传统仪器只能由生产厂家定义，用户无法改变的模式，从而引发一场仪器和自动化工业的革命。

随着现代软件和硬件技术的飞速发展，转速测量仪成为电子系统中一个最基本的也是最常见的组成部分之一。

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。

过去使用的接触式测量仪表，如磁式转速表、离心式转速表与测速发动机均已先后受到冷落；而利用已知的频率闪光和被测转轴同步的方法来测速的闪光测速仪，虽属于非接触式仪表，目前仍有应用，但也退居其次要地位。

取而代之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、读数精确、使用方便的优点，能够连续反映转速变化。

转速测量系统广泛应用于各个领域。

人们常用的鼠标，中间的鼠标滚轮，正是利用光电式转速测速的原理，当滑轮滑动时，光电感应部件感应转动的角度，将其转化成电信号经处理后最后反应在屏幕上光标的移动距离。

在汽车领域中，仪表转速的使用也是转速测量仪广泛应用的产物之一。

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通的应用在国民经济发展中，有着重要的意义。

1.3转速测量系统研究的意义

本文转速测量系统采用的是STC89C52单片机，大大减小了机械传动引起摩擦等，降低了使用的消耗，无损的测转速。

同时，转速测量系统测量精度高，能够反应微小变动的位移。

它也具有良好的频率特性，使得能测出高转速的物体。

本设计采用以STC89C52为核心的光电传感器的转速测量系统，有着体积小、重量轻、使用方便、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等特点。

由光电式非接触的特性，可实现无损的转速测量。

而且，本设计的计数频率比较高，能够测量转速较快的物体。

测出转速的精度也较高除此之外还有其成本非常低特别是高性价比的单片机的出现、线性度非常好。

1.4对射式光电转速测量仪的研究内容

对射式光电转速测量仪的设计是用来测量转速。

根据本设计要求，本文研究内容：

（1）调研并设计本设计的相关硬件电路和相关软件编程设计。

（2）用Protues仿真调研的硬件电路和软件部分。

（3）用多功能板焊接本设计的相关的硬件电路。

（4）最后测试原理样机。

2转速测量系统的理论基础

2.1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。

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。

本文介绍的采用单片机和光电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测频率法：

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

可表示为：

（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

，

为时钟脉冲信号频率。

则被测信号的频率

可表示为：

（2-2）

③多周期测频法：

在被测信号

个周期内，计数时钟脉冲数

，从而得到被测信号频率

，则被测信号频率可以表示为：

（2-3）

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：

（2-4）

由此可见，被测信号频率越高，N越大，

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：

（2-5）

对于给定的时钟脉冲

，当被测信号频率越低时，

越大，

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：

（2-6）

从上式可知，被测脉冲信号周期数

越大，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

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]。

2.2转速测量原理

在此采用频率测量法，其测量原理为，在固定的测量时间内，计取转速传感器产生的脉冲个数，从而算出实际转速。

设固定的测量时间为

（min），计数器计取的脉冲个数m，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），则

的表达式为：

（2-7）

另在测量时间

内，计取转速传感器输出的脉冲个数m应为：

（2-8）

所以，当测得m值时，就可算出实际转速值：

（2-9）

一般的转速长期测量系统是预先在轴上安装一个有60齿的测速齿盘，用变磁阻式或电涡流式传感器获得一转60倍转速脉冲，再用测频的办法实现转速测量。

而临时性转速测量系统，多采用光电传感器，从转轴上预先粘贴的一个标志上获得一转一个转速脉冲，随后利用电子倍频器和测频方法实现转速测量。

不论长期或临时转速测量，都可以在微处理器的参与下，通过测量转轴上预留的一转一齿的鉴相信号或光电信号的周期，换算出转轴的频率或转速。

即通过速度传感器，将转速信号变为电脉冲，利用微机在单位时间内对脉冲进行计数，再经过软件计算获得转速数据。

即：

（2-10）

（1）n—转速、单位：

转/分钟；N—采样时间内所计脉冲个数；T—采样时间、单位：

分钟；m—每旋转一周所产生的脉冲个数（通常指测速码盘的齿数）。

如果m=60，那么1秒钟内脉冲个数N就是转速n，即：

（2-11）

（2）通常m为60。

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。

提高采样速率通常就要减小采样时间T，而T的减小会使采到的脉冲数值N下降，导致脉冲当量（每个脉冲所代表的转速）增高，从而使得测量精度变得粗糙。

通过增加测速码盘的齿数可以提高精度，但是码盘齿数的增加会受到加工工艺的限制，同时会使转速测量脉冲的频率增高，频率的提升又会受到传感器中光电器或磁敏器或磁电器件最高工作频率的限制。

凡此种种因素限制了常规智能转速测量方法的使用范围。

而采用本文所提出的定时分时双频率采样法，可在保证采样精度的同时，提高采样速率，充分发挥微机智能测速方法的优越性及灵活性要[15]。

2.3转速测量系统方案的提出和论证

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。

本说明书中给出两种转速测量方案，经过我和伙伴查资料、构思和自己的设计，总体电路我们有两套设计方案，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，我们才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。

本文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2-1所示，霍尔转速传感器的接线图如图2-2所示。

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2-1霍尔转速传感器的结构原理图

图2-2方案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

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

整个测量系统的组成框图如图2-3所示。

从图中可见，转子由一直流调速电机

动，可实现大转速范围内的无级调速。

转速信号由光电传感器拾取，使用时应先在转子上做好光电标记，具体办法可以是：

将转子表面擦干净后用黑漆（或黑色胶布）全部涂黑，再将一块反光材料贴在其上作为光电标记，然后将光电传感器（光电头）固定在正对光电标记的某一适当距离处。

光电头采用低功耗高亮度LED，光源为高可靠性可见红光，无论黑夜还是白天，或是背景光强有大范围改变都不影响接收效果。

光电头包含有前置电路，输出0—5V的脉冲信号。

接到单片机STC89C52的相应管脚上，通过STC89C52内部定时/计时器T0、T1及相应的程序设计，组成一个数字式转速测量系统[4]。

图2-3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。

本设计采用了红外光电传感器，进行非接触式检测。

当有物体挡在红外光电发光二极管和高灵敏度的光电晶体管之间时，传感器将会输出一个低电平，而当没有物体挡在中间时则输出为高电平，从而形成一个脉冲。

本设计采用H42B6槽型光电传感器（还可以采用H2010、ITR9606等传感器）如图2-4所示：

图2-4H42B6槽型光电传感器

系统在光电传感器收发端间加入电动机，并在电动机的转轴上安装一转盘。

在这个转盘的边沿处挖出若干个圆形过孔，把传感器的检测部分放在圆孔的圆心位置。

每当转盘随着后轮旋转的时候，传感器将向外输出若干个脉冲。

把这些脉冲通过一系列的波形整形成单片机可以识别的TTL电平，即可算出轮子即时的转速[5]。

转盘的圆孔的个数决定了测量的精度，个数越多，精度越高。

这样就可以在单位时间内尽可能多地得到脉冲数，从而避免了因为两个过孔之间的距离过大，而正好在过孔之间或者是在下个过孔之前停止了，造成较大的误差。

设计中转盘的圆孔的实际个数受到技术的限制。

为了达到预定的效果设计在转盘过孔的设计上采用11个过孔，从而留下了10个同等的间距。

这样在以后的软件设计中能够较为方便的计算出脉冲频率。

脉冲发生源的硬件结构图如图2-5所示：

图2-5脉冲发生源硬件结构图（左为正视图，右为侧视图）

2.4STC89C52RC单片机的理论介绍

STC89C52RC单片机是宏晶科技推出的新一代高速/低功耗/超强抗干扰的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可以任意选择，其引脚图如图2-6所示：

图2-6STC89C52引脚图

STC89C52引脚功能说明：

VCC（40引脚）：

电源电压

VSS（20引脚）：

接地

P0端口（P0.0～P0.7，39～32引脚）：

P0口是一个漏极开路的8位双向I/O口。

作为输出端口，每个引脚能驱动8个TTL负载，对端口P0写入“1”时，可以作为高阻抗输入。

在访问外部程序和数据存储器时，P0口也可以提供低8位地址和8位数据的复用总线。

此时，P0口内部上拉电阻有效。

在FlashROM编程时，P0端口接收指令字节；而在校验程序时，则输出指令字节。

验证时，要求外接上拉电阻。

P1端口（P1.0～P1.7，1～8引脚）：

P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口。

P1的输出缓冲器可驱动（吸收或者输出电流方式）4个TTL输入。

对端口写入1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这是可用作输入口。

P1口作输入口使用时，因为有内部上拉电阻，那些被外部拉低的引脚会输出一个电流。

此外，P1.0和P1.1还可以作为定时器/计数器2的外部技术输入（P1.0/T2）和定时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX）。

在对FlashROM编程和程序校验时，P1接收低8位地址。

对端口写入1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，这时可用作输入口。

P2作为输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。

在访问外部程序存储器和16位地址的外部数据存储器（如执行“MOVX@DPTR”指令）时，P2送出高8位地址。

在访问8位地址的外部数据存储器（如执行“MOVX@R1”指令）时，P2口引脚上的内容（就是专用寄存器（SFR）区中的P2寄存器的内容），在整个访问期间不会改变。

在对FlashROM编程和程序校验期间，P2也接收高位地址和一些控制信号。

P3端口（P3.0～P3.7，10～17引脚）：

P3是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。

P3的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。

对端口写入1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输入口。

P3做输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输入一个电流。

在对FlashROM编程或程序校验时，P3还接收一些控制信号[6]。

并非所有的地址都被定义，从80H～FFH共128个字节只有一部分被定义。

还有相当一部分没有定义。

对没有定义的单元读写将是无效的，读出的数值将不确定，而写入的数据也将丢失。

不应将“1”写入未定义的单元，由于这些单元在将来的产品中可能赋予新的功能，在这种情况下，复位后这些单元数值总是“0”。

STC89C52RC除了有定时器/计数器0和定时器/计数器1之外，还增加了一个一个定时器/计数器2.定时器/计数器2的控制和状态位位于T2CON（见表2）和T2MOD。

定时器2是一个16位定时/计数器。

通过设置特殊功能寄存器T2CON中的C/T2位，可将其作为定时器或计数器。

定时器2有3种操作模式：

捕获、自动重新装载（递增或递减计数）和波特率发生器。

STC单片机有两种时钟模式，一种是单倍速，也就是12时钟模式，在该模式下，STC单片机与其他公司51系列单片机具有相同的机器周期，即12个振荡周期为一个机器周期；另一种是双倍速，又称6时钟模式，在该模式下，STC单片机比其他公司的51单片机运行速度快一倍[7]。

STC89C52有两个定时器/计数器T0和T1，每个定时器/计数器均可设置成为16位，也可以设置成为13位进行定时或计数。

计数器的功能是对T0或T1外来脉