单片机红外线测速表.docx

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1、单片机红外线测速表课题： 单片机红外线数字转速表 班级： 姓名： 学号： 设计内容及要求 ：转速测量的原理，红外线发射和接受管测量转速的方法，给出详细电路设计过程和原理图 1、转速测量的原理 测量的方法不同，会造成测量的原理有所不同，我在网上查找得到结果是，转速测量方法大致可以分为两类: 一类是直接法，即直接观测机械或者电机的机械运动，测量特定时间内机械旋转的圈数，从而测出机械运动的转速； 另一类是间接法，即测量由于机械转动导致其他物理量的变化，从这些物理量的变化与转速的关系来得到转速。同时从测速仪是否与转轴接触又可分为接触式，非接触式。目前国内外常用的测速方法有光电码盘测速法、霍尔元件测速法

2、、离心式转速表测速法、测速发电机测速法、漏磁测速法、闪光测速法和振动测速法。 a光电码盘测速法(这是本文采用的方法) 这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受光，接收到光的次数就是码盘的编码数。若编码数为l，测量时间为t，测量到的脉冲数为N，则转速n=(N/t*l)*60。 b霍尔元件测速法 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

3、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。 c离心式测速法 离心式转速表是利用物体旋转时产生的离心力来测量转速的。当离心式转速表的转轴随被测物体转动时，离心器上的重物在惯性离心力作用下离开轴心，并通过传动系统带动指针回转。当指针上的弹簧反作用力矩和惯性离心力矩相平衡时，指针停止在偏转后所指示的刻度值处，即为被测转速值。这就是离心式转速表的原理。测转速时，转速表的端头要插入电机转轴的中心孔内，转速表的轴要与电机的轴保持同心，否则易响准确读数。 d测速发电机测转速 利

4、用直流发电机的电枢电动势E与发电机的转速成正比的这一关系测量转速。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，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。 e闪光测速法 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，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，则电机的转速为(r/min) 但是无路是怎么样方法，它们的大致原理图大致如下： 各部分模块的功能分别为：传感器：用来对信号的采样。放大、整形电路：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。

5、单片机：对处理过的信号进行转换成转速的实际值，送入LEDLED 显示：用来对所测量到的转速进行显示。 在上述中已经说到本文是采用a方法，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: n=N/ (mT) (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: n=N/ (mT) =N/60 1/60=N (2) 通常 m 为 60。 在对转速波动较快系统或要求动态特性

6、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

7、分发挥微机智能测速方法的优越性及灵活性 2、红外线发射和接受管测量转速的方法原理 看下图1.形成脉冲是由红外线的发射与接受产生的，下面将讲述这种形成脉冲方法的原理 测速仪总体结构主要包括红外测速传感器、信号处理电路、单片机以及数字显示部分。其工作过程如下：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。 转速是指作圆周运动的物体在单位时间内所

8、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： 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

9、fx =Nt(1) 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 ,其中, fc 为时钟脉冲信号频率。 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 =m1 fcm2, 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 % =1N100 % (2

10、) 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 % =1m0100 % (3) 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%=1m2100 % (4) 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,

11、 采样周期将大 3 系统组成及工作原理 红外光电转速传感器测得的脉冲信号经过整形电路整形后送入转速检测电路 。转速检测电路由定时计数器 8253 和相应的转速检测逻辑电路组成 , 它用硬件实现了 M/ T 法的高精度数字测速 。8031 单片机用来实现测速逻辑控制 、转速计算 、键盘处理 、报警和停车信号输出及显示输出等工作 。8031 通过 P1. 0 口启动转速检测电路 ,测速结束后 8253 通过 IN T1 向 8031 申请中断 。8031 读取 M 和 T 的值 , 计算出转速 n ,并将结果送出显示 。当转速超过预置最大转速值时 , 8031 通过 P1. 6 、P1. 7 口发

12、出报警和停车信号 , 通过相应的后级电路来完成报警和停车功能。8031 的 P0 口与 74L S373 八位 D 锁存器作为地址/ 数据复用口 , P2 口为高八位地址。系统配有一片 2764 EPROM 作为外部程序存储器 。由一片键盘显示器专用控制芯片 8279 完成显示和键盘输入功能 。 4 硬件设计 4. 1 前向通道与接口电路 (1) 红外光电转速传感器 发射电路发出的脉冲信号驱动 GaAs 红外发光二极管发射红外脉冲光 , 该脉冲光经被测物体上的反射纸条反射后由 Si 光敏三极管接收转换为电脉冲信号作为接收电路的输入信号 ,接收电路输出具有高低两种电平的脉冲信号。如果在旋转体上贴

13、 P 条反射纸条 , 即可实现 P倍频 , 即光电转速传感器每转将发出 P 个脉冲。 (2) 整形电路 红外光电转速传感器的输出脉冲信号 (高电平 8V ,低电平 0. 3V) ,经过信号整形电路完成信号波形的整形和信号电压的变换 (高电平5V ,低电平 0. 3V) 。 4.2 转速检测电路 转速检测电路由定时计数器 8253 和相应的转速检测逻辑电路组成 ,如图 3 所示图中 , IN 为由整形电路输出的被测脉冲信后置 位 P1. 0 ( t1 时刻 ) , D触 发 器 的 D 端 、GA TE0 均号接入点 , 8253 的 2M Hz 的时钟信号由 C 入 ,它由 8031 单片机的

14、 12M Hz 的系统时钟经 6 分频而得到 。测速时序如图 4 所示 。 8253 的通道 0 作为计量被测脉冲数的计数器 ,通道 1 和通道 2(作为高 16 位) 串联作为计量高频脉冲 (2M Hz)个数的定时器 。测速开始之前 ,首先软件清零P1. 0 口 ,8253 各通道均处于停运状态 ,各通道输出均为高电平 ,单片机初始化输出为零 。 8253 各通道均设置为方式 0 ,二进制计数 。将 8253 通道控制字和计数初值送出后 (t0时刻) ,OU T0 、OU T1 、OU T2 均变为低电平 0 。此后置们 P1. 0 ( t1时刻) , D 触发器的 D 端 、BA TE0

15、均变为高电平“1”,通道 0 开始计数 。 当此后的第一个被测脉冲上升沿来到时 (t2时刻) , D 触发器翻转 , GA TE1 、GA TE2 均变为高电平 “1”, 通道 1 和通道 2 开始计时 。此脉冲经反相器后加到 8253 的 CL K0 端 , 成为通道0 的第一个有效计数脉冲 。当通道 2 和通道 1从初值减法计数到 0 即定时到达预定的测速时间 Tc 时 (t3 时刻) , OU T2 从 “0”变为 “1”,该信号使 GA TE0 和 D 触发器的 D 端清零 , 从而关闭通道 0 。在此后下一个被测脉冲上升沿到来 时 ( t4 时 刻 ) , D 触 发 器 又 翻 转

16、 , Q、 GATE1 、GA TE2 均变为低电平 0 , 从而关闭通道 2 和通道 1 。同时 Q 和 OU T2 共同去申请8031 的 IN T1 中断 。在 IN T1 中断服务程序中 , 8031 读取 8253 各通道的计数值 , 计算出转速并送出显示 , 然后启动下一次测速过程 。如果转速超过预置最大转速值 , 8031 将通过 P1.6 、P1. 7 口发出报警和停车信号 。 4. 3 8279 显示和键盘输入接口 键盘显示器专用控制芯片 8279 完成显示和键盘输入功能 。键盘工作方式为外部译码键扫描方式 , 双键互锁 。键盘扫描线由 SL0SL2 通过外部 3 -8 译

17、码 器 提 供 , 查 询 线 由 反 馈 输 入 线 RL0 RL3 提供 (无键按下为高电平 , 有键按下为低电平) 。键盘设置 10 个数字键 、一个小数点键 、一个回车键和四个功能键 , 可用来完成预定测速时间 Tc 的选择 、运行方式的选择 、预置和锁存等功能 。8279 以中断方式控制键盘 , 中断请求信号 IRQ 经过非门后送入 8031 的 IN T0端 。由于 IN T0 具有最高优先级 , 所以 , 无论何时 , 系统都能及时地响应键盘 , 可按用户的要求及时地调整系统的工作方式和状态 。显示器的工作方式为左边输入 , 8 位字符显示 。位选线由扫描线 SL0SL2 经外部译码后提供 , 段选线由 OU TB (B0B3) 和 OU TA (A0A3) 提供 。显示器由 8 位 L ED 组成 , 其中可显示三位小数 。 5、软件设计 系统上电后 , 首先对定时计数器 8253 、各I/ O 口 、8279 等 进 行 初 始 化 。然 后 执 行 主 程序 , 根据键盘的输入和不同的中断 , 程序散转执行不同的功能 。测速各程序流程图如图 5 所示 。 6.结束语 该方法应用在智能转速测量仪表中，借助单片机的方便接口功能和丰富的指令系统，完全可实现对转速进行分段测量处理，达到高精度，高稳定度的测量要求。