测控技术与仪器 毕业论文范文——基于AT89C51单片机的电动机测速表设计

中文摘要基于AT89C51单片机的电动机测速表设计摘 要在工业测控系统中，经常需要对电动机的转速进行检测和控制。目前国内外常用的转速测量方法有离心式转速表测速法、测速发电机测速法、激光测速法、光电码盘测速法和霍尔元件测速法等。本测速表采用光电传感器用于转速测量系统。用AT89C51单片机和光电码盘配合M/T测速法，检测电动机转速可获得大范围内测速精度。论文详细分析了系统的组成及工作原理，设计测速表的硬件电路和软件编程，并给出软件编程的程序流程图和用C语言编写的程序代码，并在最后对本设计的测速表进行了仿真。该测速系统安装维护方便，工作稳定，运行可靠，具有较大的推广应用价值。关键词 电动机，AT89C51，光电传感器，转速测量英文摘要The Design of Motors Speedometer Based on AT89C51 Single-chip Microcomputer AbstractIn the industry measurement and controlling system, we often need to test and control the speed of the motor. Currently, there are a lot of measuring methods about speed in the domestic,such as the centrifugal speed-table, the tachogenerator, the laser anemometry, the optical encoder and the Hall element to modify, etc. This speedometer uses the photoelectric sensor for the speed measuring system. It obtain a larger range of the speed measusing precision that the rotational speed detecting motor with AT89C51 and photoelectric coded disc with M/T disk. This paper analyse the system structure and the working principle, designing the hardware circuit and software programming about the speedometer. The software programmings written by C language are given and in the end of this design speedometer is simulated. The speed system easy installation and maintenance, working stability and reliable operation, with the popularization and valued application.Keywords electric motor, AT89C51, photoelectric sensor, rotational speed目 录1 绪论11.1 引言11.2 课题设计依据和背景情况11.3 国内外的研究现状21.4 本课题研究的内容及论文结构安排22 单片机概述32.1 单片机的发展32.2 单片机的应用52.3 AT89C51单片机的构造和原理73 基于AT89C51单片机的电动机测速表的测速原理分析113.1 测速传感器系统方案的提出和论证113.1.1 方案一 霍尔传感器测量方案113.1.2 方案二 光电传感器测量方案113.2 电动机转速测量系统的原理123.2.1 转速测量方法133.2.2 转速测量原理143.3 电动机测速表采用的测速传感器系统结构和原理153.3.1 光电传感器结构153.3.2 码盘的工作原理163.3.3 测速表的测速传感器系统原理174 基于AT89C51单片机的电动机测速表的硬件设计194.1 电动机测速表的总体设计硬件电路图结构及原理194.2 电动机测速表的转速信号处理电路设计214.3 最小系统的设计214.3.1 复位电路214.3.2 时钟电路234.4 测速表的速度显示设计244.4.1 1602型LCD介绍244.4.2 1602型LCD显示的电路设计265 基于AT89C51单片机的电动机测速表的软件设计275.1 程序的初始化275.1.1 定时器的初始化275.1.2 中断允许控制285.2 程序的流程图295.3 测速表的显示更新频率为一秒钟的实现296 基于AT89C51单片机的电动机测速表的仿真306.1 电动机测速表转速测量传感器系统的模拟及仿真306.1.1 电动机测速表转速测量传感器系统的模拟306.1.2 电动机测速表转速测量传感器系统的仿真306.2 电动机测速表总体测速的仿真307.1 全文总结327.2 本文的创新点和不足327.3 电动机测速表的发展趋势及未来前景32附录34参考文献43致谢45II1 绪论1.1 引言电动机转速的及时准确检测，与闭环调速系统的控制精度紧密相关。不论是直流调速系统还是交流调速系统，只有转速的高精度检测，才能得到高精度的控制系统。进行转速测量的检测控制，可以使用多种传感器1。在电动机转速的数字检测方法中，测速精度首先应满足指标要求。由于技术保密，厂家不会提供详细电路图和源代码，用户很难自行进行二次开发和改进。针对这种现状，本设计使用光电传感器结合ATMEL公司的AT89C51型单片机设计了一款转速测量与控制系统。本测速表具有精度高、量程宽和抗干扰能力强等特点2。1.2 课题设计依据和背景情况在工程实践中，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，程序要测量和显示其转速3。由于直流电动机具有良好的启动、制动性能，适宜在大范围内平滑调速，因此在许多需要调速或快速正反向的电路拖动系统中得到了广泛的应用4。但其硬件组成复杂，在进行调整，测速时，缺乏控制的灵活性5。从控制的角度来看，直流调速还是交流拖动系统的基础，由运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成，控制系统的硬件部分非常复杂，功能单一，而且系统非常不灵活、调试困难。阻碍了直流电动机控制、测试技术的发展和应用范围的推广6。转速是电动机极为重要的一个状态参数7，它的测量精确与否对辨识结果的精度影响较大8，将直接影响电动机其它有关参数和特性的测试及故障检测与诊断的准确性9。在工业过程实施控制中，转速的监测与控制一般占有很大的比重10，它对系统的稳态误差及动态响应性能都有着至关重要的影响，特别在自动控制中，常常是反映机器的运转情况并将其反馈给控制装置11。所以，对于此类应用来讲，一个在较大速度范围内具有高分辨率的快捷而准确的测试系统是必不可少的。传统的模拟测速仪受非线性、温度变化和元件老化等因素的影响，在转速检测过程中很难满足快速性和准确性的要求。测速环境和精度要求不同，相应的测量方法也不同12。对某一些问题，转速测量要求的准确度不是很高；而对另一些问题，除了要求能精确的测得转速外，还要保证测量的实时性，要求能测得瞬时转速13。基于单片机89C51进行转速测量，可使得测速表具有硬件结构简单, 测量速度快, 精度高, 运行可靠等优点14。因此，转速的测量具有重要的意义15。1.3 国内外的研究现状为了满足电动机控制系统发展需要，90年代末，美国德州仪器（TI）公司推出了TMS320X24X系列数字信号处理器（DSP），该系列DSP芯片转为实现高精度、高性能、功能多样化的单片电动机控制系统而设计16。近年来，由于世界范围内对转速测量合理利用的日益重视及对于转速测试技术的研究，促使转速测量技术迅速发展，各种新型的测量仪表相继问世并越来越多地得到应用17。目前，智能化转速数字显示仪表，有通用的SQY01T系列转速数字显示仪，SZC系列电站用转速数字显示仪，SKY系列透平膨胀机智能数字显示仪，以及各种多功能转速仪表，如ZS-1双路转速表、以及显示差速、速比的ZS-2转速表，带方向显示的SQYC转速表，可远传的CS-1转速表等。2009年中国测速表市场发展迅速，产品产出持续扩张，国家产业政策鼓励测速表产业向高技术产品方向发展，国内企业新增投资项目投资逐渐增多。投资者和企业经营者对测速表市场的关注越来越密切，这使得自行车测速表市场的发展研究需求增大。在全球金融危机风暴大环境及国内严峻经济形势下，一系列新的政策将会陆续出台，对测速表市场的发展必将产生重大影响；一批国家重大工程项目陆续开工建设，对测速表市场需求市场必将产生极大的拉动作用18。1.4 本课题研究的内容及论文结构安排测速表采用M/T法测量电动机速度，通过光电传感器将模拟信号经过放大、整形电路之后输入AT89C51单片机的T1口，再对AT89C51单片机进行程序的编写和写入，最后将速度显示在1602型LCD液晶显示器上，并实现了速度显示的刷新频率为一秒。通过Proteus软件进行仿真，测试结果。 2 单片机概述单片微型计算机（单片机）作为微型计算机的一个很重要的分支，自问世以来，以其极高的性价比，受到人们的重视和关注，因此应用广泛，发展迅速。相对而言，单片机体积小、重量轻、抗干扰能力强，对环境要求不高，并且价格低廉、可靠性高、灵活性好，开发较为容易。目前，在我国，单片机已经广泛地用于智能仪表、机电设备过程控制、自动检测、家用电器和数据处理等各个方面19。2.1 单片机的发展单片机诞生于20世纪70年代。最初的单片机是利用大规模集成电路技术把中央处理单元（Center Process Unit，也即简称CPU）、数据存储器（RAM）、程序存储器(ROM)及其他I/O通信口集成在一块芯片上，构成一个最小的计算机系统。现代的单片机则增加了更多的片内外设（比如定时器、计数器、串行口、中断、并行I/O口，甚至包括A/D转换器、脉宽调制器PWM等），使得单片机的功能越来越强大，应用领域越来越广泛。因为这样一块芯片就具有一台计算机的功能，因而被称为单片微型计算机，简称单片机20。由于单片机的硬件结构和指令系统都是按照工业控制要求来设计的，常用在工业的检查、控制装置中，因而也被称为微控制器（Micro-Controller）。单片机按照其用途可以划分为通用型和专用型两大类。通常所说的单片机是指通用型单片机。通用型单片机是把可开发资源（如ROM，RAM，I/O口）全部提供给使用者。专用型单片机的硬件结构和指令是按照某个特定用途而设计的，如：频率合成调谐器（DDS）、USB控制器、收音机机芯控制器、打印机控制器等。1单片机发展特点单片机技术从出现至今已走过近30年的发展路程。纵观30年来单片机的发展历程，单片机技术以微处理器技术及超大规模集成电路技术的发展为先导，以广泛的应用领域为动力，表现出极具个性的发展特点21。（1）寿命长这里所说的寿命长，一方面指用单片机开发的产品可以稳定可靠地工作10年、20年，另一方面是指与微处理器相比的寿命长。这一方面是由于其对应用领域的适应性，另一方面是由于以该类CPU为核心，集成以更多I/O功能模块的新单片机系列层出不穷。（2）8位、16位、32位共同发展8位、16位、32位单片机共同发展，是单片机技术发展的另一个动向。长期以来，单片机技术的发展是以8位机为主的。随着移动通信、网络技术、多媒体技术等高科技产品进入家庭，32位单片机应用取得了长足的发展。但实际上16位单片机的发展无论从品种和产量方面，近年来都有较大幅度的增长。（3）运行速度越来越快一些8051单片机兼容厂商改善了单片机内部时序，在不提高时钟频率的条件下，使运算速度提高了很多。（4）低电压与低功耗自80年代中期以来，NMOS工艺单片机逐渐被CMOS工艺所代替，功耗得以大幅度下降。一般单片机都能在3-6V范围内工作，电池供电的单片机不再需要对电源采取稳压措施。（5）低噪声与高可靠性技术为提高单片机系统的抗电磁干扰能力，使产品能适应恶劣的工作环境，满足电磁兼容性方面更高标准的要求，各单片机商家在单片机内部电路中采取了一些新的技术措施。如美国国家半导体NS的COP8单片机内部增加了抗EMI(电磁干扰)电路，增强了“看门狗”的性能。MOTOROLA也推出了低噪声的LN系列单片机。（6）OTP与掩膜OTP是一次性写入的。由于掩膜需要一定的生产周期，而OTP型单片机价格不断下降，使得近年来直接使用OTP完成最终产品制造更为流行。它较之掩膜具有生产周期短、风险小的特点。2单片机发展趋势回顾历史，在Intel公司推出了MCS-51不久便实施了最彻底的技术开放政策。在众多电器商、半导体商的积极参与下，将MCS-51发展成了众多型号系列的80C51 MCU(Micro Controller Unit，微控制器)家族。MCS-51经典的体系结构、极好的兼容性和Intel公司的开放政策不仅使众多厂家参与发展，也诱使半导体厂家对MCS-51实行为所欲为的改造。从各种新型单片机的性能可以看出，单片机是向大容量、高性能化、外围电路内集成化几方面发展。（1）CPU功能的加强CPU的能力主要体现在数据处理的速度和精度的提高，一般通过CPU字长的增加、硬部件的扩充、总线速度的提高、指令系统的扩充和效率的提高来实现。甚至还有采用双CPU结构或者多CPU结构，以及流水线结构来加强CPU的功能。（2）存储器的发展容量不断增大，新型单片机片内ROM空间一般可以达到4K至8K字节，RAM空间可以达到256字节，有些型号的ROM和RAM空间更多。片内的EPROM开始E2PROM和Flash ROM化，Flash ROM的使用加速了单片机技术的发展。（3）片内I/O的改进增加并行口的驱动能力，增加I/O端口的逻辑控制能力，最突出的改进是I/O从固定方式到交叉开关配置。在这种通过交叉开关配置的I/O端口系统中，单片机外部为通用I/O口，如P0口、P1口和P2口。内有输入/输出的电路单元通过相应的配置寄存器控制的交叉开关配置到所选择的端口上。（4）片内资源的增加除了存储器和I/O端口增加外，有的还配置了A/D转换器、脉宽调制PWM、正弦波发生器、CRT控制器、LED和LCD驱动器等。（5）调试方式的改进在上位机软件支持下，通过串行的JTAG接口直接对8位单片机产品系统进行仿真调试。通过边界寄存器的编程控制，可对所有器件引脚、SFR总线和I/O口弱电上拉功能实现观察和控制。2.2 单片机的应用单片机以其卓越的性能、小巧的体积、极高的性价比，在国民经济的各个领域中得到了广泛的应用。但是由于单片机自身的一些特点，在实际应用中又有着自己的应用特性和应用范围。1应用特点基于单片机的应用系统和其他一般的微型机相比，具有以下一些特点。（1）小巧灵活由于单片机内部包含了计算机的基本功能部件，能满足很多应用领域对硬件功能的基本要求，因此能方便地组装成各种智能式测控设备及各种智能仪器仪表。（2）可靠性高单片机内CPU访问存储器和各种外设的接口的总线大多数在芯片内部，因此不易受到外界环境的干扰；同时由于体积小，在很多恶劣的环境下，容易采取对系统进行电磁屏蔽等措施。（3）使用方便，容易扩展系统扩展方便，简化了硬件设计，同时市场上提供了各种成熟的开发工具，具有很强的软硬件调试功能和辅助设计手段。（4）性价比高，容易产品化单片机市场需求量大，厂商一次可以进行大量的生产，同时很多厂商竞争，单片机的价格一直很具有优势。很多特性缩短了单片机应用系统从样机到正式产品的过渡过程，缩短了研制周期，可使成果迅速转换成生产力。2应用领域智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个方面。（1）在智能仪器仪表上的应用单片机广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素和压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化和微型化，且功能比起采用分立器件或数字电路更加强大。例如精密的测量设备(功率计、示波器和各种分析仪)。（2）在工业控制中的应用用单片机可以构成形式多样的控制系统和数据采集系统。例如工厂流水线的智能化管理、电梯智能化控制和各种报警系统、与计算机联网构成二级控制系统等。（3）在家用电器中的应用现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭煲、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电和其他音响视频器材，再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。家用电器涉及到千家万户，需求非常大，配上单片机后的家用电器在功能上更加智能化，深得用户的欢迎。廉价的单片微机在家用电器上的应用前途十分广阔。（4）在计算机网络和通信领域中的应用现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机、电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统和列车无线通信，再到日常工作中随处可见的移动电话、集群移动通信和无线电对讲机等。（5）在医用设备领域中的应用单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机、各种分析仪、监护仪、超声诊断设备及病床呼叫系统等。此外，单片机在工商、金融、科研、教育和国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。2.3 AT89C51单片机的构造和原理AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。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，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C51单片机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。外形及引脚排列如下图所示：AT89C51 AT89C2051图2.1 AT89C51单片机和AT89C2051引脚示意图1主要特性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-24MHz三级程序存储器锁定1288位内部RAM32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8 TTL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，如表2.1所示。表2.1 AT89C51的特殊功能口接口管脚备选功能P3.0RXD串行输入口P3.1TXD串行输出口P3.2/INT0外部中断0P3.3/INT1外部中断1P3.4T0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程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOV X，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。3振荡器特性XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。4芯片擦除整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。3 基于AT89C51单片机的电动机测速表的测速原理分析3.1 测速传感器系统方案的提出和论证3.1.1 方案一 霍尔传感器测量方案霍尔传感器是一种磁传感器22。用它可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。霍尔传感器以霍尔效应为其工作基础，是由霍尔元件和它的附属电路组成的集成传感器。霍尔传感器在工业生产、交通运输和日常生活中有着非常广泛的应用。本文介绍一种泵驱动轴的转速采用霍尔传感器测量技术，其结构原理图如图3.1，霍尔转速传感器的接线图如图3.2所示。 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传感器的定子上有两个相互垂直的绕组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。霍尔传感器具有价格低廉、体积小、可靠性高、响应速度快、磁特性灵敏等特点。但对于本设计其缺点也很明显，由于霍尔传感器的传感原理是靠磁场及其变化来测量的，而本设计测量的是电动机的转速，电动机本身通电就会产生磁场，或者所处环境磁场发生变化等不利因素严重的影响到本设计的对电动机转速的测量。3.1.2 方案二 光电传感器测量方案光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器23。它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此，光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。光电传感器的基本组成原理框图如图3.3所示。电信号光信号光信号光源光通路光电元件信号调理电路图3.3 光电传感器原理框图光电传感器中的光电元件是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，它是把光信号（红外、可见及紫外光辐射）转变成为电信号的器件。 光电式传感器是以光电元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，如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等；也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的识别等。光电式传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点，因此在工业自动化装置和机器人中获得广泛应用。近年来，新的光电器件不断涌现，特别是CCD图像传感器的诞生，为光电传感器的进一步应用开创了新的一页。由于光源和光通量对光电元件的作用原理不同所制成的光学测控系统是多种多样的，按光电元件(光学测控系统)输出量性质可分二类，即模拟式光电传感器和脉冲(开关)式光电传感器。模拟式光电传感器是将被测量转换成连续变化的光电流，它与被测量间呈单值关系。模拟式光电传感器按被测量(检测目标物体)方法可分为透射(吸收)式，漫反射式，遮光式(光束阻档)三大类。所谓透射式是指被测物体放在光路中，恒光源发出的光能量穿过被测物，部份被吸收后，透射光投射到光电元件上；所谓漫反射式是指恒光源发出的光投射到被测物上，再从被测物体表面经过漫反射后投射到光电元件上；所谓遮光式是指当恒光源发出的光通量经被测物后遮住了其中一部份光，使投射到光电元件上的光通量改变，改变的程度与被测物体在光路位置有关。由于光电传感器的传感原理是基于光的传感器，因此其抗干扰能力强、响应速度快、测量精度高等优点，在本设计中需要注意的是，选择的光源需采用比较强的光源使其能够在户外的太阳光下也能正常的测量。3.2 电动机转速测量系统的原理速度的数字检测基本方法是利用与电动机同轴连接的光电脉冲发生器的输出脉冲频率与转速成正比的原理，根据脉冲发生器发出的脉冲速率和序列，测量转速和判别其旋转方向。电动机转速的数字检测方法很多，以下是常用的几种方法。3.2.1 转速测量方法转速测量方法有三种测速方法24，即M法、T法及M/T法。其中M法为频率法、T法为周期法，这两种测速方法都是对脉冲进行测量，但测速范围都受到一定的限制，M/T法为频率/周期法。（1） M法（频率法）：在规定的检测时间内，测量计数脉冲个数。虽然检测时间一定，但检测的起止时间具有随机性，当被测转速较高或电动机转动一圈发出的转速脉冲信号个数较多时，才有较高的测量精度，并且测量准确度随转速的减小而降低。在规定的检测时间内，检测光电脉冲发生器所产生的脉冲信号的个数来确定转速。频率计算公式为： 式3.1其中t为规定的检测时间，n为规定的检测时间内测得的脉冲信号的个数。虽然检测时间一定，但检测的起止时间具有随机性，因此M法测量转速在极端情况下会产生 1个转速脉冲的误差。m法精度为： 式3.2其中是由待测信号的首末脉冲读数的不确定性造成的测量结果的不确定性，fx是待测信号的频率，tx是待测信号的周期，t0为基准时钟的周期，n是t时间内基准时钟的脉冲个数。可见待测信号的频率越高，频率测量的精度也越高；信号的频率越低，测量的精度也越低。当被测转速较高或电机转动一圈发出的转速脉冲信号的个数较大时，才有较高的测量精度，因此M法适合于高速测量。（2） T法(周期法)：即测量信号发出脉冲个数所需的时间。该方法在被测转速较低(相邻两个转速脉冲信号间隔时间较大)时，才有较高的测量精度，其测量准确度随着转速的增大而降低，适于低速测量。它是测量光电脉冲发生器所产生的相邻两个转速脉冲信号的时间间隔来确定转速。相邻两个转速脉冲信号时间的测量是采用对已知高频脉冲信号进行计数来实现的。在极端情况下，时间的测量会产生1个高频脉冲周期的误差。频率计算公式为： 式3.3其中T0为高频脉冲信号的周期，n是高频脉冲的个数。T法精度为： 式3.4其中是由基准时钟信号的首末脉冲读数的不确定性造成的测量结果的不确定性Tx是待测信号的周期，fx是待测信号的频率，f0是基准时钟的频率，可见待测信号的频率越低，测量的精度越高；待测信号的频率越高，测量的精度越低。因此T法在被测转速较低（相邻两个转速脉冲信号时间间隔较大）时，才有较高的测量精度，所以T法适合于低速测量。（3）M/T法（频率/周期法)它是同时测量检测时间和在此检测时间内光电脉冲发生器所产生的转速脉冲信号的个数来确定转速。由于同时对两种脉冲信号进行计数，因此只要“同时性”处理得当，M/T法实现测速具有较高的测速精度。M/T法测速综合了M法和T法的优点，适用于高、低频信号（高、低转速信号）的测量。是在稍大于规定时间TC的某一时间Td内，分别对测速脉冲个数m1和时钟脉冲个数m2进行计数，从而可求出电动机转速，即转速n： 式3.5式中：为时钟脉冲的频率；p为电动机旋转一周测速脉冲发生器发出的脉冲个数。3.2.2 转速测量原理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： 式3.6n转速（转/分钟）；N采样时间内所计脉冲个数；T采样时间（分钟）；m每旋转一周所产生的脉冲次数（通常指测速码盘的齿数）。如果m=60次，那么1秒内脉冲次数N就是转速n，即： 式3.7通常m为60次。在对转速波动较快的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M/T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及灵活性。3.3 电动机测速表采用的测速传感器系统结构和原理3.3.1 光电传感器结构本测速表的光电传感器系统采用循环码盘（格雷码码盘）作为系统的反射器件。光电码盘是由光学玻璃制成，在上面刻有许多同心码道，每个码道上都有按一定规律排列的透光和不透光部分。如图3.4所示。图3.4 格雷码码盘工作时，光投射在码盘上，码盘随运动物体一起旋转，透过亮区的光经过狭缝后由光敏元件接受，光敏元件的排列与码道一一对应，对于亮区和暗区的光敏元件输出的信号，前者为“1”，后者为“0”，当码盘旋转在不同位置时，光敏元件输出信号的组合反映出一定规律的数字量，代表了码盘轴的角位移25。用光电码盘检测电机转速的常用方法有M法、T法、M/T法等。由于铸轧速度需要无级调速，故使用M/T法。所谓M/T法，实际上是M法与T法的结合。实现该方法是指在测速的过程中，不仅测取光电转速脉冲的个数mn，而且同时测取高频时钟脉冲的个数mc。这样，可以得到轴的转速为： 式3.9式中：为高频脉冲的频率；P为光电码盘转一周的脉冲数(个/周)；，分别为采样过程中对光电脉冲和时钟脉冲的实际计数时间。3.3.2 码盘的工作原理光学码盘26是光学轴角编码器的角度基准光学元件，是将转角的模拟量转换为数字量（A/D）的有效工具。按照代码形成，编码器可分为增量式和绝对式两种。前述计量光栅是一种增量式的编码器，没有固定的零位。当编码器有绝对零位时，称其为绝对式编码器。光学码盘是一种绝对式编码器，按输出代码形势可以有二进制、二十进制和六十进制等。以二进制代码为基础进行编码的码版，用透光和不透光两种状态表示“1”和“0”。并以每个码道代表二进制的一位数，对应在光学码盘上是黑白相间的一个圆环。若干这样的码道就构成按二进制规律的码盘图案。图3.5所示为一个六码道组成的二进制码盘。图3.5 光学码盘二进制码盘的码道数n和码道编码容量M之间的关系为： 式3.10其角度分辨率与盗马数n之间的关系为： 式3.11六位码盘的编码容量为，对应。也就是说有六码道的码盘能将一个圆周分为64分。对21个码道的码盘，角分辨率可达。二进制码盘中内圈为高位码，外圈为低位码。普通二进制码盘在进位时，常需多个位数的代码同时发生转换，如从“0111”进位到“1000”时，四个码道都发生代码转换。由于码盘制作和安装总有一些误差，可能造成四个码道转换不完全同步，于是产生错码。如果这是高位转换滞后，得到了“0000”，本应为8却成了0，产生了8个数的误差。对于六码道码盘，最大误差可达32之多。这是它的致命缺点，实际很少用这种码盘。常采用循环码盘。光电码盘角位移测量系统结构图，如图3.6所示。图3.6 光电码盘角位移测量系统光电码盘按其编码方式分为二进制、十进制和循环码三种方式。循环码的形式很多，有格雷码、周期码及反射码等。图3.6所示是一种典型的格雷码图案。它有五个码道，图中以黑线代表“0”，而白线代表“1”。循环码的重要特点是：（1）代码从任何数转变到相邻数时，各码位中仅有一位发生变化；（2）循环码每一个码道的周期比普通二进制码盘增加了一倍。由于循环码道的上述特点，当它发生进位或退位时，代码只有一位二进制数字发生变化，因此产生误差不会超过读数最低位的单位量。如十进制数7变为8时，循环码从“0100”转变为“1100”，只有最高位发生转换，因此不论什么原因造成延迟或提前进位，其误差只可能是十进制的“1”。可见比普通二进制码优越得多。3.3.3 测速表的测速传感器系统原理测速表传感器系统采用光电传感器系统，其具体原理示意图如图3.7所示。图3.7 光电编码器原理示意图图中的码盘采用循环码盘，循环码的主要缺点是每一位设有固定的权，而不像普通二进制码那样从右至左各位的权分别是十进制数的1、2、4、8 等。因此在获得格雷码的数字信号后很难阅读和计算，为此常将循环码转换为普通的二进制码，然后再进行运算或阅读，而在测速表系统中我们只是需要循环码盘旋转时产生的脉冲信号，最后是由AT89C51单片机进行读取数据进行处理，因此我们只需考虑编写的程序。4 基于AT89C51单片机的电动机测速表的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，是全数字化测量转速系统得到广泛应用。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 电动机测速表的总体设计硬件电路图结构及原理系统由光电传感器、信号预处理电路、AT89C51单片机、1602型LCD显示模块等组成。其中信号预处理电路包含信号放大、波形变换和波形整形。波形变换和波形整形电路则用来将放大的信号转换成可与单片机相连的TTL信号。通过单片机的设置可使内部定时器T1对脉冲输入引脚，T0进行控制，这样能精确地算出加到T0引脚的单位时间内检测到的脉冲数；设计中速度显示采用1602型LCD模块。系统的原理框图如图4.1所示。信号模拟速度光电传感器信号调理电路AT89C51单片机1602型LCD显示计数脉冲图4.1 系统原理框图测速表主要由四个部分组成：（1）传感部分测速表的传感部分为光电传感器，其结构采用光电编码器作为检测元件，其测量原理为在一个圆形玻璃盘的边缘开有相等角距的缝隙，成为透明和不透明的码盘，在此码盘开缝的两边，分别安装光源及光电元件。当码盘随被测物体的工作轴转动时，每转过一个缝隙，光电元件所获得的光强就发生一次明暗的转换，光电转换电路就产生一定幅值和功率的电脉冲输出信号。将这一脉冲信号经过整形电路之后再输入单片机的T1端口进行计算。测速表采用光电编码器作为检测元件，通过光电转换将角位移转换成为相应的电脉冲信号，单片机对这些信号进行处理，达到电动机进行转速的检测，精度非常高。（2）信号调理电路部分信号调理电路将光电传感器输出的信号通过放大器和整形电路将模拟信号转换成AT89C51单片机能够识别的高低电平信号。（3）单片机计算控制部分测速表采用AT89C51单片机作为控制部分。采用了最小系统包括复位电路和大约为12MHz的晶振电路，信号调理电路输出端口接单片机的定时器/计数器T1端口，而设定T1端口为计数器模式，用于对外部输入引脚T1的外部脉冲（负跳变）计数，T0为定时器模式，用于对于设定LCD的显示刷新频率的设定。（4）LCD显示部分测速表采用1602型LCD作为显示部分。LCD1602液晶显示器是目前广泛使用的一种字符型液晶显示模块。它是由字符型液晶显示屏（LCD）、控制驱动主电路HD44780及其扩展驱动电路HD44100，以及少量电阻、电容元件和结构件等装配在PCB板上而组成。在硬件设计时，选用Protel 99 SE软件进行电路原理图的绘制。电动机测速表的总原理图如图4.2所示。图4.2 测速表电路原理图Protel 99 SE是运行在Windows环境下的电子设计自动化(Eleetronic Design Automation，EDA)软件27，其强大的功能使电子电路的设计质量和效率大为提高。4.2 电动机测速表的转速信号处理电路设计在光电检测系统中，信号处理电路的关键在于前置放大器的设计。光电器件偏置电路输出信号较强时，前置放大器及后续放大器的设计主要是从增益、带宽、阻抗匹配和稳定性上着手的，在此基础上考核噪声的影响。如果供给前置放大器的信号很小，那么设计适用于弱信号的低噪声前置放大器将十分重要。应尽力抑制噪声作为考虑问题的出发点。为了减小杂散的电干扰和传输线对信号的损失，通常把探测器与前置放大器放置在一起，而后续的放大器则可通过屏蔽线连接而相距一段距离。在本设计的测速表中，单片机需要光电传感器输出的信号为开关信号，因此不需要考虑频带宽度、稳定性、阻抗匹配、线性度、动态范围等要求，只需考虑噪声系数和电压放大倍数。对于噪声的抑制我们可以采用加强光源的光照强度，比如采用激光等光源，电压的放大测速表采用8050三极管进行放大。如图4.3所示。图4.3 信号调理电路光电传感器的信号输出端连接INPUT端口，经过限流电阻R1，输入8050三极管将光电传感器信号放大，而8050三极管的输出端接一个带施密特整形电路的方向器74LS14，作用是提高抗干扰能力。施密特触发电路的输入特性有一个回差。输入电压大于2V才认为是高电平输入，小于0.8V才认为是低电平输入。电平在0.82V之间变化时，则不改变输出状态。因此信号经过74LS14之后便更接近理想波形。最后将理想的高低电平信号输入AT89C51单片机进行后续处理。4.3 最小系统的设计4.3.1 复位电路MCS-51单片机复位电路是指单片机的初始化操作。单片机启动运行时，都需要先复位，其作用是使CPU和系统中其它部件处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。因而，复位是一个很重要的操作方式。但单片机本身是不能自动进行复位的，必须配合相应的外部电路才能实现。如图4.4所示。图4.4 复位电路（1）复位功能复位电路的基本功能是：系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，咦防电源开关或电源插头分合过程中引起的抖动而影响复位。单片机的复位是由外部的复位电路来实现的。片内复位电路是复位引脚RST通过一个施密特触发器与复位电路相连，施密特触发器用来抑制噪声，它的输出在每个机器周期的S5P2，由复位电路采样一次。复位电路通常采用上电自动复位（如图4.5）和按钮复位（如图4.6）两种方式。 图4.5上电复位电路 图4.6 按键复位电路（2）单片机复位后的状态单片机的复位操作使单片机进入初始化状态，其中包括使程序计数器PC=0000H，这表明程序从0000H地址单元开始执行。单片机冷启动后，片内RAM为随机值，运行中的复位操作不改变片内RAM区中的内容，21个特殊功能寄存器复位后的状态为确定值，如表4.1所示。表4.1寄存器复位后状态表特殊功能寄存器初始状态特殊功能寄存器初始状态A00HTMOD00HB00HTCON00HPSW00HTH000HSP07HTL000HDPL00HTH100HDPH00HTL100HP0P3FFHSBUF不定IP*00000BSCON00HIE0*00000BPCON0*B注：表4.1中符号*为随即状态。值得指出的是，记住一些特殊功能寄存器复位后的主要状态，对于了解单片机的初态，减少应用程序中的初始化部分是十分必要的。PSW=00H，表明选寄存器0组为工作寄存器组：SP=07H，表明堆栈指针向片内RAM07H字节单元，根据堆栈操作的先加后压法则，第一个被压入的内容写入到08H单元中；P0-P3=FFH，表明已向各端口线写入1，此时，歌端口既可用于输入又可用于输出。IP=*00000B，表明已向各个中断源处于低优先级；IE=0*00000B，表明各个中断均被关断；系统复位是任何微机系统执行的第一步，使整个控制芯片回到默认的硬件状态下。51单片机的复位是由RESET引脚来控制的，此引脚与高电平相接超过24个震荡周期后，51单片机即进入芯片内部复位状态，而且一直在此状态下等待，知道RESET引脚转为低电平后，才检查EA引脚是高电平或低电平，若为高电平则执行芯片内部的程序代码，若为低电平便会执行外部程序。51单片机在系统复位时，将其内部的一些重要寄存器设置为特定的值，至于内部RAM内部的数据则不变。4.3.2 时钟电路晶振是晶体振荡器的简称，在电气上它可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络，电工学上这个网络有两个谐振点，以频率的高低分其中较低的频率是串联谐振，较高的是并联谐振。AT89C51单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器。引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外晶体谐振器一起构成一个自激振荡器。外接晶体谐振器以及电容C1和C2构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响振荡器频率的高低、振荡器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性。因此，此系统电路的晶体振荡器的值约为12MHz，电容应尽可能的选择陶瓷电容，电容值约为30pF。在焊接印刷电路板时，晶体振荡器和电容应尽可能安装得与点偏激芯片靠近，以减少寄生电容，更好的保证振荡器稳定和可靠地工作。晶体振荡器连接电路如图4.7所示。图4.7 晶振电路晶振有一个重要的参数，那就是负载电容值，选择与负载电容值相等的并联电容，就可以得到晶振标称的谐振频率。4.4 测速表的速度显示设计4.4.1 1602型LCD介绍LCD1602液晶显示器是目前广泛使用的一种字符型液晶显示模块28，实物照片如图4.8所示。它是由字符型液晶显示屏（LCD）、控制驱动主电路HD44780及其扩展驱动电路HD44100，以及少量电阻、电容元件和结构件等装配在PCB板上而组成。不同厂家生产的LCD1602芯片可能有所不同，但使用方法都是一样的。为了降低成本，现在绝大多数制造商都直接将裸片做到板子上。 图4.8 LCD1602的正面和背面效果图目前国际上已经对字符型液晶显示模块进行了规范，使得无论显示屏规格如何变化，其电特性和接口形式都是统一的。因此，只要设计出一种型号的接口电路，并在指令设置上稍加改动即可使用各种规格的字符型液晶显示模块。该液晶显示器的主要技术参数是： 液晶