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电子装置设计报告红外线数字转速表 专业： 姓名： 学号： 时间： 一、设计任务 红外线转速表采用的红外线探头有直接式和反射式两种。直接式探头,发光管和受光管在被测物体的两边，发光管射出的光线直接照射到受光管上，被测物体运动时阻挡光线，产生计数信号，这种探头经常用做光电计数。反射式探头，发光管和受光管在被测物体的同侧，当探头接近物体时，接收到脉冲的红外线信号，用于测量转速比较方便。二、设计条件 测速装置的发展大致经历了四个阶段：机械式、电磁式、光电式和激光式。机械式主要利用离心力原理，通过一个随轴转动的固定质量重锤带动自由轴套上下运动，根据不同转速对应不同轴套位置获得测量结果原理简单直接，不需额外电器设备，适用于精度要求不高、接触式的转速测量场合。电磁式系统由电磁传感器和安装在轴上的齿盘组成，主轴转动带动齿盘旋转，齿牙通过传感器时引起电路磁阻变化，经过放大整形后形成脉冲，通过脉冲得到转速值。由于受齿盘加工精度、齿牙最小分辨间隔、电路最大计数频率等限制，测量精度不能保证。光电式结构类似于电磁式结构，把旋转齿盘换作光电编码盘或黑白相间的反射条纹，把电磁传感器换作光电接收器，通过对反射回来的光脉冲信号计数得到测量结果。由于受条纹最小分辨间隔、电路最大计数频率等限制，测量精度不能保证，所测转速值和电磁式一样为两个计数脉冲间距的平均值。激光测速技术(LDV)是一种正在发展中的测速技术，通过激光多普勒效应获得转动体的瞬时角速度，理论上具有很高的瞬时转速测量精度，但目前实际产品精度不够高，并且价格昂贵，在实际使用上受到限制。本次设计的红外线数字转速表采用的是光电式测速装置，是使用红外线技术的新型转速测量仪。光电式测速装置与机械式和电磁式测速装置相比安装更加方便，对周围环境要求更低，可以很容易地完成转速的测量；同时较激光式测速装置而言具有较宽的动态测量范围，测量精度较高，应用场合更加广泛。三、设计要求 1，设计总体思路，基本原理，给出整体设计框图 2，单元电路设计（各单元电路图），元器件的选择及参数计算 3，总电路设计以及Multisim软件仿真，验证所设计的电路 4，画出完整的电路图，并用Protel画出印制版图 5，组装，调试电路，故障分析与电路改进 6，写出设计，调试报告四、设计内容1，设计方案本次设计的红外线转速表主要由信号检测、信号处理电路、单片机以及数字显示四大部分组成部分，其总体结构如图1.1所示。图1.1 红外线数字转速表结构图工作原理如下：当齿盘旋转时，由于轮齿的遮挡，红外发射管与接收管之间的红外线光路时断时续，信号处理电路将此变化的光信号转换为电脉冲信号，一个脉冲信号即表示齿盘转过一个齿。单片机对脉冲进行计数，同时通过其内部的计时器对接收一定数目的脉冲计时，根据脉冲数目及所用时间就可计算出齿盘的转速，最后通过数字显示部分将转速显示出来。2，红外线传感器的设计本设计中选用红外测速传感器，它由红外发射与接收电路和齿盘组成。电路如图2.1所示。电路中选用红外光敏二极管作为受光器件，它与红外发光二极管一起组成一对红外发射接收管，红外光敏二极管在电路中处于反向工作状态。没有光照射时，光敏二极管处于截止状态，反向电阻很大，反向电流（暗电流）很小。随着光照的增强，光敏二极管处于导通状态，其反向电阻减小，反向电流（光电流）增大，其光电流与照度之间呈线性关系。图2.1 红外发射与接收电路3，AT89C52芯片 本系统采用由美国ATMEL公司生产的，低电压，高性能CMOS8位单片机。本单片机片内含8KB的可反复擦写的Flash程序存储器和256B的随机数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准MS-51指令系统及8052产品引脚兼容，片内置有8位中央处理器（CPU）。功能强大的AT89C52单片机适用于许多较为复杂的控制应用场合。此外，AT89S52设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断 系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三 种封装形式，以适应不同产品的需求。由于AT89C52单片机如此突出的性能特点，在本设计中选用其构建测速系统。4，管脚分布AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，2个读写口线。采用工业标准的C51内核，在内部功能及管脚排布上与通用的8xc52 相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。功能包括对会聚主IC 内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。其引脚图如图2.2所示，主要管脚有：XTAL1（19 脚）和XTAL2（18 脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz 晶振。RST（9 脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。VCC（40 脚）和VSS（20 脚）为供电端口，分别接+5V电源的正负端。P0-P3 为可编程通用I/O 脚，其功能用途由软件定义,13脚定义为IR输入端。图2.2 AT89C52管脚图5，性能参数主要性能参数：（1）与MCS-51系列产品引脚和指令完全兼容（2）8k 字节可重擦写Flash 闪速存储器（3）1000 次擦写周期（4）全静态操作：0Hz24MHz（5）三级加密程序存储器（6）2568 字节内部RAM （7）32 个可编程I/O 口线（8）3 个16 位定时/计数器（9）8 个中断源（10）可编程串行UART 通道（11）低功耗空闲和掉电模式功能特性概述：AT89C52 提供以下标准功能：8k字节Flash 闪速存储器，256字节内部RAM，32 个I/O 口线，3 个16 位定时/计数器，一个6 向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C52 可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU 的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM 中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。6，振荡器振荡器简单地说就是一个频率源，一般用在锁相环中。详细说就是一个不需要外信号激励、自身就可以将直流电能转化为交流电能的装置。一般分为正反馈和负阻型两种。所谓“振荡”，其涵义就暗指交流，振荡器包含了一个从不振荡到振荡的过程和功能。能够完成从直流电能到交流电能的转化，这样的装置就可以称为“振荡器”。AT89C52 中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1 和XTAL2 分别是该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石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器，振荡电路参见图2.3。图2.3 振荡电路外接石英晶体（或陶瓷谐振器）及电容C1、C2 接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。对外接电容C1、C2 虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性，如果使用石英晶体，电容应选择30pF10pF，而如使用陶瓷谐振器最好选择40pF10F。7，显示器 目前，显示器的类型有很多,但是与单片机相连的通常是LCD显示器或LED显示器。LCD是液晶显示屏，主要是用来做面显示的，它本身不发光，然后通过电流使屏幕产生各种颜色的浑浊现象，后置一个光源来透过前面的LCD面板使人看到图案。LED是发光二极管，它本身是点光源，就是说发出来的光不是一个面，而是一个点。也有用LED做显示屏的，相对于液晶显示屏来说，LED适合于室外以及室内大屏幕观看距离稍微远一点的情况，因为LED显示屏的分辨率肯定远远小过LCD。LCD更适合做电脑液晶电视器、手机显示屏之类的应用。同时由于LCD是一种被动式显示器，有着功耗极低、抗干扰能力强等特性，因而在低功耗的单片机系统中大量使用。 由此，转速显示选用LCD显示器，具体来说选用的是字符型液晶显示模块（LCM）JHD12864，可显示168或1616点阵字符，模块外形如图2.4，驱动接口电路如图2.5，模块结构如图2.6所示。图2.4 LCD外形图2.5 12864模块驱动接口电路图2.6 12864模块结构电路其主控制驱动电路为HD44780，具有标准的接口特性，适配M6800系列和MCS-51系列MCU的操作时序；模块内部具有64个字节的自定义字符RAM，可自定义显示字符。 驱动电路HD44780的读、写操作如下（1） 写操作（MPU至HD44780）项 目符号最小值最大值单位使能周期tcycE1000-ns使能脉冲宽度Pweh450 -ns使能升、降时间Ter,Tef-25ns地址建立时间Tas140-ns地址保持时间Tah10-ns数据建立时间Tdsw195-ns数据保持时间Th10-ns（2）读操作（MPU至HD44780）项 目符号最小值最大值单位使能周期tcycE1000-ns使能脉冲宽度Pweh450 -ns使能升、降时间Ter,Tef-25ns地址建立时间Tas140-ns地址保持时间Tah10-ns数据延迟时间Tddr-320ns数据保持时间Tdhr10-ns（3）信号真值表RSR/WE功能00下降沿写指令代码01高电平读忙标志和AC码10下降沿写数据11高电平读数据该模块采用+5V电源供电，共有20个引脚，其中可变电阻RW2用来调节显示器的对比度。显示器与单片机AT89C52的连接如图2.7。图2.7 AT89C52与LCM的连接8，整体设计电路该红外线数字转速系统主要包括信号检测、信号处理电路、单片机以及数字显示部分。总体结构如图2.8所示。 图中D1为红外发射二极管，其作用是发出红外光。常用的红外发射二极管有SE303,PH303等，其外形与发光二极管LED形似。管压降约为1.4V，工作电流一般小于20mA。为了适应不同的工作电压，回路中常串有限流电阻。图中R1即为限流电阻。D2为红外接收管，本电路中选用红外光敏二极管作为受光器件，用于接收红外发射管发射的红外光。光敏二极管又称光电二极管，与半导体二极管在结构上类似。其管芯是一个具有光敏特征的PN结，具有单向导电性，因此工作时需加上反向电压。当无光照时，有很小的饱和反向漏电流，即暗电流，此时光敏二极管截止；当受到光照时,饱和反向漏电流大大增加，形成光电流,它随入射光强度的变化而变化。因此可以利用光照强弱来改变电路中的电流。常见的有2CU、2DU等系列。电容C1、C2及外接石英晶体（或陶瓷谐振器）接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。引脚XTAL1 和XTAL2 分别是该放大器的输入端和输出端。Rp为8个上拉电阻，通俗的说，若MCU的某个引脚通过一个电阻接到电源（Vcc）上，则这个电阻即为上拉电阻，通过这种做法就将不确定的信号通过一个电阻嵌位在高电平上，同时该电阻也起着限流的作用。上拉电阻可以取值在1欧姆-5兆欧之间，本设计中选用的是10千欧的电阻。可变电阻Rw1是用来调节显示器的对比度的。当P1.0口有输出时，PNP导通，则D1发出红外光。而D2处于反向截止状态，当红外线发射管发射的红外线未被轮齿挡住时，接收管受红外线照射呈导通状态，经反相器输入到单片机中断端口的电压为高电平，不产生中断；而当红外线发射管发射的红外线被轮齿挡住时，接收管不受红外线照射则呈截止状态，经反相器输入到单片机中断端口的电压跳变为低电平。按照这样的特性继续继而激活中断程序对脉冲进行计数。P0口和P2口在本设计中均作为输出口使用，最后将转速通过LCD显示出来。图2.8硬件结构图9，计时方案的选择根据计时方案的不同，目前数字式转速测量装置的计时方法主要有M 法、T法和同步MT法。M 法测速是在相等的时间间隔t内读取脉冲数M，由Mt计算出转速，速度越高在t时间内计得的M 就越多，由1个计数脉冲误差所引起的转速测量误差就越小，故该法适用于高速。T法测速是根据相邻两个脉冲时间间隔对应的时钟脉冲计数值m 来计算转速的，转速越慢或每转脉冲数越多，其计数值m就越多，计数器l个计数脉冲所引起的误差就越小，故该法适用于低速。上述两种方法测量的绝对误差反比于速度采样时间T(Hp：时间间隔t或计数值m)，因此在稳态测量和实时性要求不高的场合，可取较大的T 以保证足够的测量精度。但在动态测量和实时控制系统中，往往对转速测量的实时性有较高的要求。因此，采样时间T不能随意取大，为了解决既要周期小，又要测速精度高的矛盾，可采用同步M/T法。这种方法的特点是不固定定时时间t，以记录到完整的盘脉冲为准，主要是设法使M 与t同步，从整数个盘脉冲开始计时，同样在整数个盘脉冲结束计时，记录到的是整数个盘脉冲，且与计时是“同步” 的。其原理如图3.1所示，在采样时间t时间内实际计时时间t开始于第一盘脉冲的下降沿，终止于最后一个脉冲的下降沿，因而得到整数个盘脉冲，消除了M 法和T法中1个脉冲引入的误差。鉴于几种方法的比较，在设计中采用同步M/T法设计本测速系统。 图3.1 同步M/T法测速原理图10，软件结构分析采用结构化软件设计的方法，使得设计简单，易于调试和移植，提高编程效率。采用结构化设计软件的方法将本系统软件划分为图3.2所示的4个模块：齿数计数模块、计时模块、转速计算模块和转速显示模块。其中最主要的是计时模块和转速计算模块。图3.2 软件模块划分11，计时模块由图1.1可知当红外线发射管发射的红外线未被轮齿挡住时，接收管受红外线照射呈导通状态，经反相器输入到单片机中断端口的电压为高电平，不产生中断；而当红外线发射管发射的红外线被轮齿挡住时，接收管不受红外线照射则呈截止状态，经反相器输入到单片机中断端口的电压跳变为低电平。从而激活中断程序对脉冲进行计数。计数流程图如图3.3所示。由于计数需要与计时同步，所以需要在产生第一次红外光被挡住时(红外光被挡住时Pass=0，反之Pass=1)，也即中断口电位由高变低时打开定时器。若实验中的齿盘共有108个齿，为了提高测量的实时性，把108个齿分成9等份，当计数值（Num）为12时，关闭定时器并读取定时器的计时值。图3.3 计数与计时程序流程图12，转速计算模块由于系统采用同步M/T法测量转速，所以计算转速时，需要的参数有盘脉冲数和计时值。本系统中AT89C52单片机采用频率为12MHz的外接晶振，则每个机器周期为1us。单片机定时器的计数脉冲周期为一个机器周期，若定时器从零开时计数，关闭定时器时其计数值为m，则计时时间就是m微秒。计算转速部分程序如下：m=TH0256 / 读出计数器的计数变量TH0，并将其左移8位m=TH0+TL0 / 获得时钟脉冲数time=m / 计算出计时时间n=60*106/(9*time) / 计算转速r/min 13，红外数字转速表性能分析本设计给出了单片机控制的红外数字转速表的设计方法、原理、构成元件、软件编程及计时方案等问题。创新点是以红外传感器代替了传统的电磁式传感器，系统的硬件电路简单，测量转速范围较宽，且具有较高的测量精度，对于低转速的测量也有相当高的精度，并充分利用了单片机的内部资源，有很高的性价比。该系统可应用在自行车、摩托车汽车以及电机上等需要转速测量的场合，并可通过功能扩展广泛应用到其他领域。用户在使用该测速装置时需要注意使用的是红外发光二极管，测量范围是10转/分到100000转/分，使用的电源为交流电5V。本文设计的红外线数字转速表对外界环境要求不高，实时性高，使用方便，结果即时可见，因而更能满足人们的日常生产与生活的需求，为大众接受。当然，由于本人的知识欠缺，该设计还有许多的不足之处，如测量精度，测量范围的有限，这些都需要进一步的改进。五、设计总结通过此次设计使我真正有机会对大学期间所学的专业知识进行了系统的总结，从课题的分析设计到最后的硬件电路设计和软件编程设计的实现，都是在老师的指导下逐渐完成的。在通过了本次的红外线数字转速表电路的设计后，锻炼了我以后不管做什么事都要耐心、认真地去做，就像红外线数字转速表一样一圈一圈的脚踏实地。也使我对红外线数字转速表电路设计更深一步地熟悉与掌握了，还有电路的结构及电路的工作原理和具体的使用方法,使我们能独立地去创新和发展。使我能将所学的知识运用到实际当中去，即加深了我对知识的理解同时也巩固了我所学的东西。此次毕业论文启发了我们的个人设计能力，挖掘了我们的个人潜力，也让我们能更好的利用所学的知识创造出更多新的产品，为社会带来更多福利。六、设计参考资料1欧阳星，数字逻辑，2005，第二版，华中理工大学出版社2康华光，电子技术基础数字部分，2000，第四版，北京高等教育出版社3何希才，通用电子电路应用400例，2005，北京电子工业出版社4王港元，电工电子实践指导，2003，江西科学技术出版社5朱力恒，电子技术仿真实验教程，2003，北京电子工业出版社6李庆祥，实用光电技术，1996，中国计量出版社7田裕鹏，红外检测与诊断技术，2006，化学工业出版社17