【正文】 圖 信號處理電路圖 整形電路的主要作用是將正弦波信號轉(zhuǎn)化為方波脈沖信號，正弦波信號電壓的最大幅值約為 ，最小幅值為 0V。信號放大裝置選用運(yùn)算放大器 CF0741CW 作為放大電壓放大元件，采用兩級放大電路，每一級都采用反響比例運(yùn)算電路如圖 所示 .設(shè)計(jì)的電壓放大倍數(shù)為 3000 倍。 基于單片機(jī)的轉(zhuǎn)速檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 9 頁 共 36 頁 圖 測量系統(tǒng)的 組成框圖 測速齒盤裝在發(fā)射光源 (紅外線發(fā)光二極管 )與接收光源的裝置 (紅外線接收三極管 )之間，紅外線發(fā)光二極管負(fù)責(zé)發(fā)出光信號，紅外線接收三極管負(fù)責(zé)接收發(fā)出的光信號，產(chǎn)生電信號，每轉(zhuǎn)過一個(gè)齒，光的明暗變化經(jīng)歷了一個(gè)正弦周期，即產(chǎn)生了正弦脈沖電信號。 圖 硬件電路設(shè)計(jì)流程圖 轉(zhuǎn)速信號 產(chǎn)生 在設(shè)計(jì)中采用光電傳感器采集信號，這種傳感器是把旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速變?yōu)橄鄳?yīng)頻率的脈沖，然后用測量電路測出頻率，由頻率值就可知道所側(cè)轉(zhuǎn)速值。 ◆ m ——— 每旋轉(zhuǎn)一周所產(chǎn)生的脈沖個(gè)數(shù) (通常指測速碼盤的齒數(shù) ) 。即通過速度傳感器 ， 將轉(zhuǎn)速信號變?yōu)殡娒}沖 ， 利用微機(jī)在單位時(shí)間內(nèi)對脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù) ，再經(jīng)過軟件計(jì)算獲得轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)。 將轉(zhuǎn)速信號變?yōu)殡娒}沖 ，利用微機(jī)在單位時(shí)間內(nèi)對脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù) ， 再經(jīng)過軟件計(jì)算獲得轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)。在這個(gè)轉(zhuǎn)盤的邊沿處挖出若干基于單片機(jī)的轉(zhuǎn)速檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 7 頁 共 36 頁 個(gè)圓形過孔，把傳感器的檢測部分放在圓孔的圓心位置。 光電傳感器是應(yīng)用非常廣泛的一種器件，有各種各樣的形式，如透射式、反射式等，基本的原理就是當(dāng)發(fā)射管光照射到接收管時(shí)，接收管導(dǎo)通，反之關(guān)斷。 方案二： 光電傳感器 方案 光電傳感器是采用光 電元件作為檢測元件的傳感器。其核心元件是根據(jù)霍爾效應(yīng)原理制成的霍爾元件 。 基于單片機(jī)的轉(zhuǎn)速檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 5 頁 共 36 頁 第三章 系統(tǒng) 方案 的選擇 轉(zhuǎn)速測量的方案選擇 ， 一般要考慮傳感器的結(jié)構(gòu)、安裝以及測速 范圍與環(huán)境條件等方面的適用性 ； 再就是二次儀表的要求 ， 除了顯示以外還有控制、通訊和遠(yuǎn)傳方面的要求。 放大、整形電路：對傳感器送過來的信號進(jìn)行放大和整形，在送入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理轉(zhuǎn)換。它適用于高、低頻信號 (高、低轉(zhuǎn)速信號 ) 的測量。 1 誤差來確定。 電子式定時(shí)計(jì)數(shù)法測量頻率時(shí) ， 其測量準(zhǔn)確度主要由兩項(xiàng)誤差來決定 :一項(xiàng)是時(shí)基誤差 ； 另一項(xiàng)是量化177。本文介紹的采用單片機(jī)和光電傳感器組成的高精度轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng) ， 其轉(zhuǎn)速測量方法采用的就是電子式定時(shí)計(jì)數(shù)法。 基于單片機(jī)的轉(zhuǎn)速檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 3 頁 共 36 頁 第二 章 系統(tǒng)工作原理及方案 通過對該題目的設(shè)計(jì)， 使學(xué)生初步掌握電 子產(chǎn)品的 設(shè)計(jì)方法和步驟，使學(xué)生進(jìn)一步掌握 單片機(jī) 的工作原理，接口技術(shù)，軟件編制方法及熟練地使用 單片機(jī) 的開發(fā)裝置 ，為畢業(yè)后從事 電 子產(chǎn)品的 設(shè)計(jì) 、維護(hù)、維修打下一定的基礎(chǔ)。而電機(jī)的工作環(huán)境一般比較復(fù)雜， 光電 傳感器本身的特性又恰好適合比較復(fù) 雜的環(huán)境，所以本次設(shè)計(jì)傳感器采用 光電 傳感器。測量電機(jī)轉(zhuǎn)速的方法有很多，常用的測量方法有機(jī)械轉(zhuǎn)速測量、光電轉(zhuǎn)速測量、頻閃轉(zhuǎn)速測量和磁性傳感器測量（包括磁敏、磁電和霍爾）。為了能精確地測量轉(zhuǎn)速外 ，還要保證測量的實(shí)時(shí)性 ， 要求能測得瞬時(shí)轉(zhuǎn)速方法。并且，幾乎不需做很大改變就能直接作為單獨(dú)的產(chǎn)品使用。同時(shí)從實(shí)際硬件電路出發(fā)，分析電路的工作原理，根據(jù)設(shè)計(jì)具體情況提出修改方案和解決辦法。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) 測量得到普遍應(yīng)用，特別是單片機(jī)對脈沖數(shù)字信號的強(qiáng)大處理能力，使得全數(shù)字量系統(tǒng)越來越普及，其轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)也可以用全數(shù)字化處理。基于單片機(jī)的轉(zhuǎn)速檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 1 頁 共 36 頁 第一章 概述 轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的發(fā)展背景 隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)提高，尤其是單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)以其功能強(qiáng)大，價(jià)格低廉的顯著特點(diǎn)，使全數(shù)字化測量轉(zhuǎn)速系統(tǒng)得以廣泛應(yīng)用。在測量范圍和測量精度方面都有極大的提高。 本課題以單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)的全數(shù)字化測量轉(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。 本設(shè)計(jì)課題的目的和意義 在工程實(shí)踐中 ， 經(jīng)常會(huì)遇到各種需要測量轉(zhuǎn)速的場合 ， 例如在發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)、卷揚(yáng)機(jī)、機(jī)床主軸等旋轉(zhuǎn)設(shè)備 的試驗(yàn)、運(yùn)轉(zhuǎn)和控制中 ， 常需要分時(shí)或連續(xù)測量和顯示其轉(zhuǎn)速及瞬時(shí)轉(zhuǎn)速。因此轉(zhuǎn)速的測試具有重要的意義。單片機(jī)雖然問世不久，然而體積小、價(jià)廉、功能強(qiáng)的特點(diǎn)決定了其高增長的銷售額，其性能也不 斷的提高，適用范圍也越來越廣。另外，在實(shí)際應(yīng)用中，很多場合要求測量系統(tǒng)具有報(bào)警功能，所以該系統(tǒng)有報(bào)警功能。 轉(zhuǎn)速測量方法 轉(zhuǎn)速是指作圓周運(yùn)動(dòng)的物體在單位時(shí)間內(nèi)所轉(zhuǎn)過的圈數(shù) ， 其大小及變化往往意味著機(jī)器設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的正常 與否 ， 因此 ， 轉(zhuǎn)速測量一直是工業(yè)領(lǐng)域的一個(gè)重要問題。 對轉(zhuǎn)速的測量實(shí)際上是對轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)引起的周期脈沖信號的頻率進(jìn)行測量。 1 誤差。對于測頻率法 ， 測量相對誤差為： 1Er =測量誤差值 /實(shí)際測量值 100 % =1/N 100 % 由此可見 ， 被測信號頻率越高 ， N 越大 ，1Er就越小 ， 所以測頻率法適用于高頻信號 (高轉(zhuǎn)速信號 ) 的測量。但隨著精度和頻率的提高 ， 采樣周期將大大延長 ， 并且判 斷 1m 也要延長采樣周期 ， 不適合實(shí)時(shí)測量。 單片機(jī)：對處理過的信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)速的實(shí)際值，送入 LED。本 文中 給出兩種轉(zhuǎn)速測量方案 ， 經(jīng)過 查資料、構(gòu)思和自己的設(shè)計(jì)，總體電路我們有兩套設(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)過分析，從實(shí)現(xiàn)難度、熟悉程度、器件用量等方面綜合考慮，我 才最終選擇了一 個(gè)方案。 霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的 測速 原理圖如圖 所示 在非磁性材料的圓盤 邊上粘一塊磁鋼，霍爾傳感器放在靠近圓盤邊緣處，圓盤旋轉(zhuǎn)一周，霍爾傳感器就輸出一個(gè)脈沖，從而可測出轉(zhuǎn)數(shù)（計(jì)數(shù)器），若接入頻率計(jì)，便可測出轉(zhuǎn)速。它首先把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化，然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。 脈沖發(fā)生源的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖 。當(dāng)有物體擋在紅外光電發(fā)光二極管和高靈敏度的光電晶體管之間時(shí)，傳感器將會(huì)輸出一個(gè)低電平，而當(dāng)沒有物體擋在中間時(shí)則輸出為高電平，從而形成一個(gè)脈沖。 圖 光電傳感器的原理圖 圖 遮光葉片 一般的轉(zhuǎn)速長期測量系統(tǒng)是預(yù)先在軸上安裝一個(gè)有 60 齒的 測速齒盤 ， 當(dāng)測速齒槽旋轉(zhuǎn)一周，光敏元件就能感受與開孔數(shù)相等次數(shù)的光次數(shù)，即每轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生60 個(gè)電脈沖信號。 即 : n=N/ (mT) (1) ◆ n ——— 轉(zhuǎn)速、單位 :轉(zhuǎn) / 分鐘 。 通常 m=60， 那么 1 秒鐘內(nèi)脈沖個(gè)數(shù) N 就是轉(zhuǎn)速 n， 即 : n=N/ (mT) =N/60 1/60=N 綜上所述，方案二使用光電傳感器來作為本設(shè)計(jì)的最佳選擇方案。這種測量方法具有傳感器結(jié)構(gòu)簡單、可靠、測量精度高的特點(diǎn)。 圖 所示為轉(zhuǎn)速傳感器電路，由于紅外光不可見，無法用肉眼識(shí)別發(fā)光信號是否在工作，故將紅外線的輸出回路串接了一個(gè)普通光電二極管作為判別光源發(fā)生回路是否為通路。其中第一級放大倍數(shù)為 30，第二級放 大倍數(shù)為 0～ 。整形電路設(shè)計(jì)的是一種滯回電壓比較器，它具有慣性，起到抗干擾的作用。 5V 的電平的脈沖信號，在脈沖計(jì)數(shù)時(shí)，常用的是 +5V 的脈沖信號。當(dāng)?shù)谝淮握屋敵鰹?+5V 的信號時(shí)，三極管 VT2基 射極處于正向偏置狀態(tài)，有電流 I 通過，故此時(shí)三極管的集 射極處于通路狀態(tài)。 基于單片機(jī)的轉(zhuǎn)速檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 12 頁 共 36 頁 選用的傳感器型號為 SZGB3（單向） SZGB3 型 傳感器 特點(diǎn) 介紹如下 ： 1)供單向計(jì)數(shù)器使用，測量轉(zhuǎn)速和線速度 . 2)采用密封結(jié)構(gòu)性能穩(wěn)定 . 3)光源用紅外發(fā)光管，功耗小，壽命長 . 介紹 單片機(jī)我們采用 AT89C51(其引腳圖如圖 )，相較于 INTEL 公司的 8051 它本身帶有一定的優(yōu)點(diǎn) 。 另外，AT89C51是以靜態(tài)邏輯運(yùn)行到零頻率的方式設(shè)計(jì)的，并且支持兩種可利用軟件選擇的掉電保護(hù)模式。 基于單片機(jī)的轉(zhuǎn)速檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 13 頁 共 36 頁 圖 AT89C51 引腳圖 主要特性： 全靜態(tài)工作： 0Hz24Hz 兩個(gè) 16位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路 管腳說明： ：供電電壓 ； 基于單片機(jī)的轉(zhuǎn)速檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 14 頁 共 36 頁 ：接地 ； ： P0口為一個(gè) 8位漏 極 開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL門電流。 ： P1 口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的 8位雙向 I/O口， P1 口緩沖器能接收輸出 4TTL門電流。 并因此作為輸入時(shí)， P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。 P2口在 FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號和控制信號。 P3 口也可作為 AT89C51的一些特殊功能口，如下表 4－ 1 所示： ：復(fù)位輸入。在平時(shí)， ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。 引 腳 第二功能 信 號 名 稱 RXD TXD INT0 串行數(shù)據(jù)接收 串行數(shù)據(jù)發(fā)送 外部中斷 0 請求 基于單片機(jī)的轉(zhuǎn)速檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 15 頁 共 36 頁 INT1