【正文】 ........................................................................................................... 33 附錄 2：仿真圖 附錄 3：源程序 .............................................................................. 34 附錄 3：源程序 ........................................................................................................... 35 1 1 緒論 課題研究的目的及意義 轉(zhuǎn)速是工程中應(yīng)用非常廣泛的一個(gè)參數(shù)，其測(cè)量方法較多，而模擬量的采集和模擬 信號(hào) 處理一直是轉(zhuǎn)速測(cè)量的主要方法，這種測(cè)量方技術(shù)已不能適應(yīng)現(xiàn)代科技發(fā)展的要求，在測(cè)量范圍和測(cè)量精度上，已不能滿足大多數(shù)系統(tǒng)的使用。隨著大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字系統(tǒng)測(cè)量得到普遍應(yīng)用，特別是單片機(jī)對(duì)脈沖數(shù)字信號(hào)的強(qiáng)大處理能力，使得全數(shù)字量系統(tǒng)越來(lái)越普及，其 轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)也可以用全數(shù)字化處理。在測(cè)量范圍和測(cè)量精度方面都有極大的提高。 常用的檢測(cè)方式有機(jī)械式 、 光電式 、 霍爾式 、 頻閃法 、 高壓油管應(yīng)變法等，本課題主要是針對(duì)智能轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)的 激光信號(hào)采集和 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。運(yùn)用51 系列單片機(jī)設(shè)計(jì)一種全數(shù)字化測(cè)速系統(tǒng)，從提高測(cè)量精度的角度出發(fā)，分析討論其產(chǎn)生誤差的可能原因。同時(shí)從實(shí)際硬件電路出發(fā)，分析電路的工作原理，提出了修改方案和解決辦法。 本課題以單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)的 以 半導(dǎo)體 激光 二極管作 為光源的 全數(shù)字化測(cè)量轉(zhuǎn)速系統(tǒng)，在工業(yè)控制和民用電器中都有較高使用價(jià)值。一方面它可以應(yīng)用 于工業(yè)控制中的某一部分，如數(shù)控車(chē)床的電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)和控制 、 水泵流量控制以及需要利用轉(zhuǎn)速檢測(cè)來(lái)進(jìn)行控制的許多場(chǎng)合，如車(chē)輛的里程表 、 車(chē)速表等。另一方面由于該轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)采用全數(shù)字結(jié)構(gòu)，因而可以很方便的和工業(yè)控制機(jī)進(jìn)行連接，實(shí)行遠(yuǎn)程管理和控制，進(jìn)一步提高現(xiàn)代化水平。并且，幾乎不需做 太多 改變就能直接作為 工業(yè) 產(chǎn)品 投入 使用?？傊?，轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)的研究是一件非常有意義的課題。 轉(zhuǎn)速測(cè)量在國(guó)內(nèi)的研究情況 轉(zhuǎn)速是能源設(shè)備與動(dòng)力機(jī)械性能測(cè)試中的一個(gè)重要的特性參量，因?yàn)閯?dòng)力機(jī)械的許多特性參數(shù)是根據(jù)它們與轉(zhuǎn)速的函數(shù)關(guān)系來(lái)確定的， 例如壓縮機(jī)的排氣量 、 軸功率 、內(nèi)燃機(jī)的輸出功率 等等，而且動(dòng)力機(jī)械的振動(dòng) 、 管道氣流脈動(dòng) 、 各 2 種工作零件的磨損狀態(tài)等都與轉(zhuǎn)速密切相關(guān)。 轉(zhuǎn)速測(cè)量的方法很多，測(cè)量?jī)x表的型式也多種多樣，其使用條件和測(cè)量精度也各不相同。根據(jù)轉(zhuǎn)速測(cè)量的工作方式可分為兩大類：接觸式轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x表與非接觸式轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x表。前者在使用時(shí)必須與被測(cè)轉(zhuǎn)軸直接接觸，如離心式轉(zhuǎn)速表 、磁性轉(zhuǎn)速表與測(cè)速發(fā)電機(jī)等；后者在使用時(shí)不需要與被測(cè)轉(zhuǎn)軸接觸 ,如光電式轉(zhuǎn)速表 、 電子數(shù)字式轉(zhuǎn)速表 、 閃光測(cè)速儀等。測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的傳統(tǒng)方法是使用 光電式轉(zhuǎn)速表測(cè)量。用這種方法測(cè)量時(shí) ,既 要在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)軸上粘貼光標(biāo)紙，又要求測(cè)量人員把轉(zhuǎn)速表與光標(biāo)紙的距離控制在很近的范圍 ,測(cè)量十分不方便。隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展 ,轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x表已步入現(xiàn)代化 、 電子化的行列。過(guò)去曾經(jīng)使用過(guò)的接觸式測(cè)量?jī)x表 , 如離心式轉(zhuǎn)速表 、 磁性轉(zhuǎn)速表 、 微型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速表 屬 定時(shí)轉(zhuǎn)速表，均已先后受到冷落；而利用已知頻率的閃光與被測(cè)軸轉(zhuǎn)速同步的方法來(lái)測(cè)速的閃光測(cè)速儀，雖屬非接觸式儀表，目前仍有應(yīng)用 ,但也退居次要地位。代之而起的是非接觸式的電子與數(shù)字化的測(cè)速儀表。這類轉(zhuǎn)速儀表大多具有體積小 、 重量輕 、讀數(shù)準(zhǔn)確、 使用方便等優(yōu)點(diǎn)，容易實(shí)現(xiàn)電腦熒屏顯 示和打印輸出，能夠連續(xù)的反映轉(zhuǎn)速變化，既能測(cè)定 轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備 穩(wěn)定情況下的平均轉(zhuǎn)速 ,也能夠用來(lái)在足夠小的時(shí)間間隔這一特定條件下測(cè)定 轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備 的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速。 轉(zhuǎn)速測(cè)量的應(yīng)用系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)、科技教育、民用電器等各領(lǐng)域的應(yīng)用極為廣泛，往往成為某一產(chǎn)品或控制系統(tǒng)的核心部分，其各種參數(shù)在不同的應(yīng)用中有其側(cè)重，但轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)作為普遍的應(yīng)用在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中，有重要的意義。 主要內(nèi)容與問(wèn)題 研究的主要內(nèi)容 半導(dǎo)體激光二極管的工作原理 ，并 對(duì)半導(dǎo)體激光二極管的 特點(diǎn) 進(jìn)行較 深入 的 研究 。 ， 對(duì)轉(zhuǎn)速的周期測(cè)量法“ T”法、頻率測(cè)量法“ M”法以及周期頻率“ M/T”測(cè)量法，三種具體測(cè)量方法的轉(zhuǎn)速計(jì)算、各自的測(cè)量精度和誤差進(jìn)行闡述。定性 的 比較三種方法所針對(duì)的轉(zhuǎn)速特征，分析高、中、低轉(zhuǎn)速情況下各自的適用狀況，從而在保持一定的測(cè)量精度情況下，應(yīng)用“ M”法， 3 說(shuō)明轉(zhuǎn)速測(cè)量原理。 ，構(gòu)建軟件系統(tǒng)，分別對(duì)硬件系統(tǒng)的配置予以估計(jì)，使其能夠?qū)D(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量。同時(shí)分析接口電路，顯示轉(zhuǎn)速。 /計(jì)數(shù)器進(jìn)行設(shè)置，設(shè)計(jì)和說(shuō)明定時(shí) /計(jì)數(shù)器在“ M”法測(cè)量中的作用和使用方法，討論測(cè)量精度的問(wèn)題 。 ，用 C語(yǔ)言編制程序，包括主程序流程，顯示中斷程序流程。并用軟件的方法對(duì)計(jì)數(shù)和定時(shí)進(jìn)行同步，力求在不增加硬件的條件下，使同步達(dá)到滿意的效果。 Keil C51 軟件的 μ Vision4 集成環(huán)境對(duì)系統(tǒng)對(duì)軟件進(jìn)行編譯、調(diào)試 , 進(jìn)行仿真。 闡明的問(wèn)題 針對(duì)現(xiàn)行轉(zhuǎn)速測(cè)量 相關(guān)產(chǎn)品及關(guān)鍵技術(shù) 進(jìn)行調(diào)研，重點(diǎn)放在非接觸式轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x、光學(xué)反射式轉(zhuǎn)速測(cè)量方法的研究上。綜合論述光學(xué)反射式轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x的原理、結(jié)構(gòu)及功能，比較國(guó)內(nèi)外 相關(guān) 測(cè)速 產(chǎn)品 的 應(yīng)用方案及優(yōu)缺點(diǎn)。 重點(diǎn) 內(nèi)容包括：采用激光反射式測(cè)速模式，以單片機(jī)為核心構(gòu)成測(cè)速及實(shí)時(shí)顯示裝置；研究激光發(fā)射，特別是反射信號(hào)的采集處理；研究轉(zhuǎn)速測(cè)量中的相關(guān)算法，選擇適合本設(shè)計(jì)的測(cè)速算法。 從以上的方案調(diào)研論證中，分析比較各類轉(zhuǎn)速測(cè)量 相關(guān)產(chǎn)品 之間的優(yōu)劣，從而深入了解光學(xué)反射式轉(zhuǎn)速測(cè)量方法、電路組成及相關(guān)測(cè)速算法的特點(diǎn)，最終選擇采用激光反射式轉(zhuǎn)速測(cè)量方法，得出實(shí)用的、可行的總體設(shè)計(jì)方案。 根據(jù)總體設(shè)計(jì)方案，對(duì)基于激光反射原理的手持式轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)，并制作硬件實(shí)物。 對(duì)畢業(yè)論文及設(shè)計(jì)的工作進(jìn)行總結(jié) ，分析存在的問(wèn)題及不足之處，并對(duì)該方案的應(yīng)用前景進(jìn)行展望。 4 2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方案 轉(zhuǎn)速測(cè)量的方案選擇 ,充分 考慮傳感器的結(jié)構(gòu)、安裝以及測(cè)速范圍與環(huán)境條件等方面的適用性 。 本 文設(shè)計(jì) 中給出 了 傳感器 、顯示以及 電源 的選擇方案，經(jīng)過(guò)查資料、構(gòu)思和自己的設(shè)計(jì)，總體電路 給出了幾種 設(shè)計(jì)方案，部分重要模塊也考慮了其它設(shè)計(jì)方法，經(jīng)過(guò)分析，從實(shí)現(xiàn)難度、熟悉程度、器件用量 以及價(jià)格 等方面綜合考慮，我們才最終選擇了一個(gè)方案。 電源方案的選擇與論證 （ 1） 方案一 ：干電池 干電池又叫一次性電池，是電源家族中最原始的成員。它體積小，攜帶 方便，價(jià)格低廉，供電穩(wěn)定，適用于各種對(duì)電壓電流要求不高的場(chǎng)合。但干電池的還原性能極差，雖然國(guó)內(nèi)外也曾 有許多人嘗試用恒壓充電器，恒流充電器，脈動(dòng)充電器，正負(fù)脈沖充電器等等來(lái)延長(zhǎng)干電池的使用壽命，但其電能 — 化學(xué)能的可逆性仍未得到改變。 （ 2）方案二：開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓源 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開(kāi)關(guān)管通和斷開(kāi)的時(shí)間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，開(kāi)關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制（ PWM）控制 IC 和MOSFET 構(gòu)成。與線性電源相比， PWM 開(kāi)關(guān)電源更為有效的工作過(guò)程是通過(guò)“斬波”，即把輸入的直流電壓斬成幅值等于輸入 電壓幅值的脈沖電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)的。脈沖電源的占空比由開(kāi)關(guān)電源的控制器來(lái)調(diào)節(jié)。一旦輸出電壓被沾成交流方波，其幅值就可以通過(guò)變壓器來(lái)升高或降低 。通過(guò)增加變壓器的二次繞組數(shù)就可以增加輸出的電壓值。最后這些交流波形經(jīng)過(guò)整流濾波后就得到直流輸出電壓。 （ 3）方案選擇 綜合考慮 ， 本設(shè)計(jì)手持式的要求，所以必須選用干電池作為電源，即方案 一 。 5 顯示方案的選擇與論證 （ 1）方案一：數(shù)碼管顯示 數(shù)碼管一種半導(dǎo)體的發(fā)光 器件 ，它 的基本組成單元是 發(fā)光二極管 。數(shù)碼管按段數(shù)可以分為七段數(shù)碼管和八段數(shù)碼管，多個(gè)數(shù)碼管相互組合就可以作為 顯示屏 ，通過(guò)對(duì)數(shù)碼管不同的管腳輸入相對(duì)的電流，使得數(shù)碼管對(duì)應(yīng)的段的二極管發(fā)亮，從而顯示出數(shù)字能夠顯示時(shí)間、日期、 轉(zhuǎn)速 等所有可以用數(shù)字表示的參數(shù)。 （ 2）方案二： 12864 液晶屏顯示 12864 液晶顯示屏是 128*64 點(diǎn)陣 液晶模塊，帶中文字庫(kù)的 12864 液晶顯示屏是一種具有 4 位或 8位并行、 2線或 3線串行的多種接口方式，它內(nèi)部包含有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的一級(jí)、二級(jí)簡(jiǎn)體中文字庫(kù)的點(diǎn)陣圖形；其顯示的分辨率是 128 64, 它內(nèi)部有 8192 個(gè) 16*16 點(diǎn)漢字和 128 個(gè) 16 8點(diǎn) ASCII 字符集，可以顯示 8 4 行16 16 點(diǎn)陣的漢字。利用該液晶屏的靈活接口方式和簡(jiǎn)單的操作指令，就可構(gòu)成全中文人機(jī)交互的圖形界面。它的另一個(gè)顯著特 點(diǎn)是工作時(shí)它的功耗很低。 （ 3）方案三： 1602 液晶屏顯示 1602 液晶顯示屏是一種字符型的液晶模塊。它具有字符發(fā)生器 ROM： 192 種5 8 點(diǎn)字體字符， 64 種 5 10 點(diǎn)字體字符；具有字符發(fā)生器 RAM： 8種 5 8 點(diǎn)字體字符， 4 種 5 10 點(diǎn)字體字符；它可以顯示 2行 16個(gè)字符，每個(gè)字符都是由 5 8 點(diǎn)陣組成的字符塊集。 1602 液晶屏是采用 8位并行的數(shù)據(jù)接口，同時(shí)還可以選用 4位并行數(shù)據(jù)方式。 1602 液晶屏模塊結(jié)構(gòu) 不僅 穩(wěn)定，工作時(shí)功耗很低，而且它的使用壽命長(zhǎng)、可靠性高。 （ 4）方案選擇 : 本文設(shè)計(jì)的 手持式激光轉(zhuǎn)速測(cè)量 儀要求顯示轉(zhuǎn)速這一數(shù)字量 。 數(shù)碼管 的 顯示方案焊接電路復(fù)雜，占用單片機(jī)管腳較多，顯示效果沒(méi)有液晶屏的顯示效果好 ，而且耗電量大，干電池的電量長(zhǎng)時(shí)間無(wú)法滿足其供電要求 ； 1602 液晶顯示電路連接簡(jiǎn)單，可顯示字符和數(shù)字， 功耗低，價(jià)格便宜 ； 12864 液晶顯示電路連接簡(jiǎn)單，可顯示漢字、字符和數(shù)字， 功耗低，但價(jià)格高出 1602 一倍左右 。 綜合 考慮 ，本文設(shè)計(jì)的 手持式激光轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x采用方案三 。 6 傳感器方案的選擇和論證 （ 1）方案一： 霍爾傳感器測(cè)量方案 霍爾傳感器是利用霍爾效應(yīng)進(jìn)行工作的，其核心元件是根據(jù)霍爾效應(yīng)原理制成的霍 爾元件。采用霍爾傳感器在信號(hào)采樣的時(shí)候， 由于其有滯回效應(yīng)， 會(huì) 導(dǎo)致采樣不精確，因?yàn)樗强看判愿袘?yīng)才采集脈沖的，使用時(shí)間長(zhǎng)了會(huì)出現(xiàn)磁性變小，影響脈沖的采樣精度。 （ 2）方案二：光電傳感器 轉(zhuǎn)速信號(hào)由光電傳感器拾取 ,使用時(shí)應(yīng)先在轉(zhuǎn)子上做好光電標(biāo)記 ,具體辦法可以是 :將轉(zhuǎn)子表面擦干凈后用黑漆 (或黑色膠布 )全部涂黑 ,再將一塊反光材料貼在其上作為光電標(biāo)記 ,然后將光電傳感器 (光電頭 )固定在正對(duì)光電標(biāo)記的某一適當(dāng)距離處。光電頭采用低功耗高亮度 LED,無(wú)論黑夜還是白天 ,或是背景光強(qiáng)有大范圍改變都不影響接收效果。光電頭包含有前置 電路，輸出 0～ 5V 的脈沖信號(hào)。接到單片機(jī) STC89C52 的相應(yīng)管腳上，通過(guò) STC89C52 內(nèi)部定時(shí) /計(jì)時(shí)器 T0、 T1 及相應(yīng)的程序設(shè)計(jì)，組成一個(gè)數(shù)字式轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)。 （ 3）方案選擇 綜合考慮 ， 光電轉(zhuǎn)速傳感器具有采樣精確，采樣速度快，范圍廣的特點(diǎn) ，關(guān)鍵是無(wú)需固定 ， 所以選用方案二。 7 3 基于單片機(jī)的轉(zhuǎn)速測(cè)量方法及原理 半導(dǎo)體激光二極管的工作原理 和特點(diǎn) 半導(dǎo)體激光二極管的工作原理 半導(dǎo)體激光二極管的基本結(jié)構(gòu)如圖 所示，垂直于 PN 結(jié)面的一對(duì)平行平面構(gòu)成法布里 — 珀羅諧振腔，它們可以是半導(dǎo)體晶體的 解理面，也可以是經(jīng)過(guò)拋光的平面。其余兩側(cè)面則相對(duì)粗糙，用以消除主方向外其它方向的激光作用。 圖 半導(dǎo)體二極管的基本結(jié)構(gòu) 半導(dǎo)體中的光發(fā)射通常起因于載流子的復(fù)合。當(dāng)半導(dǎo)體的 PN 結(jié)加有正向電壓時(shí)，會(huì)削弱 PN結(jié)勢(shì)壘，迫使電子從 N區(qū)經(jīng) PN 結(jié)注入 P 區(qū)，空穴從 P區(qū)經(jīng)過(guò)PN 結(jié)注入 N 區(qū)，這些注入 PN 結(jié)附近的非平衡電子和空穴將會(huì)發(fā)生復(fù)合，從而發(fā)射出波長(zhǎng)為 λ 的光子，其公式如下： λ = h C/Eg 8 () 式中： h — 普朗克常數(shù)； C — 光速； Eg — 半導(dǎo)體的禁帶寬度。 上述由 于電子與空穴的自發(fā)復(fù)合而發(fā)光的現(xiàn)象稱為自發(fā)輻射。當(dāng)自發(fā)輻射所產(chǎn)生的光子通過(guò)半導(dǎo)體時(shí)，一旦經(jīng)過(guò)已發(fā)射的電子 — 空穴對(duì)附近，就能激勵(lì)二者復(fù)合，產(chǎn)生新光子，這種光子誘使已激發(fā)的載流子復(fù)合而發(fā)出新光子現(xiàn)象稱為受激輻射。如果注入電流足夠大，則會(huì)形成和熱平衡狀態(tài)相反的載流子分布，即粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。當(dāng)有源層內(nèi)的載流子在大量反轉(zhuǎn)情況下，少量自發(fā)輻射產(chǎn)生的光子由于諧振腔兩端面往復(fù)反射而產(chǎn)生感應(yīng)輻射，造成選頻諧振正反饋，或者說(shuō)對(duì)某一頻率具有增益。當(dāng)增益大于吸收損耗時(shí)，就可從 PN 結(jié)發(fā)出具有良好譜線的相干光 — 激光。 由于半導(dǎo)體激光是方向 性很強(qiáng)的相干光源，經(jīng)光學(xué)透鏡準(zhǔn)直或聚焦后，光束很細(xì)，因此可用小光闌獲取直徑為 ～ 的激光光束，用這種細(xì)的準(zhǔn)直光束可以實(shí)現(xiàn)高精度的定位控制、位置檢測(cè)、線徑測(cè)量，并可以檢測(cè)直徑小到像繡花針頭般大小的目標(biāo)。特別是將半導(dǎo)體激光束通過(guò)芯徑 5mm～ 9mm 單模光纖耦合并準(zhǔn)直后，可以將檢測(cè)精度提高到