【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 等，因此產(chǎn)生相同數(shù)目的脈沖信號(hào)。這些脈沖信號(hào)通過(guò)單片機(jī)定時(shí)／計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，定時(shí) 器 Tn 定時(shí)。定時(shí)器 Tn 完成 100 次溢出中斷的哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 時(shí)間 t 除以測(cè)得的脈沖數(shù) m，經(jīng)過(guò)單位換算，就可以算得直流電機(jī)旋轉(zhuǎn)的速度。 遮斷式光電測(cè)量方案如圖 24 所示 。 圖 24 遮斷式光電測(cè)量 原理 采用光電轉(zhuǎn)速傳感器得到的電脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò) 4069 放大整形后，獲得相同頻率的方波信號(hào)， 送入單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算處理，通 過(guò)測(cè)量方波的頻率或周期，測(cè)得 轉(zhuǎn) 速的大小 ，并由兩組四 位數(shù)碼管顯示。 系統(tǒng)原理框圖 系統(tǒng)時(shí)鐘 系統(tǒng)復(fù)位 鍵盤(pán)控制 圖 25 轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x原理框圖 被測(cè)信號(hào) AT89S51 8 位 LED顯示 光電轉(zhuǎn)換 信號(hào)放大 電源 +5V 哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 本章小結(jié) 本章介紹了轉(zhuǎn)速測(cè)量的幾種方案：測(cè)頻原理、測(cè)周原理、計(jì)數(shù)器原理。并對(duì)幾種方案進(jìn)行比較。確定轉(zhuǎn)速測(cè)量設(shè)計(jì)方案，本設(shè)計(jì)介入單片機(jī)技術(shù)， 采用光電轉(zhuǎn)速傳感器得到的電脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò) 4069放大整形后，獲得相同頻率的方波信號(hào)， 送入單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算處理，通 過(guò)測(cè)量方波的頻率或周期，測(cè)得 轉(zhuǎn) 速的大小 ，并由兩組四位數(shù)碼管顯示。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 第 3 章 硬件設(shè)計(jì)思路及方案 硬件部分主要 由傳感器、 運(yùn)放、 單片機(jī)、鍵盤(pán)、四位數(shù)碼管幾部分組成。 傳感器方案選擇及設(shè)計(jì) 轉(zhuǎn)速屬于常規(guī)電測(cè)參數(shù)。 轉(zhuǎn)速傳感器從原理（或器件）上來(lái)分，有磁電感應(yīng)式、光電效應(yīng)式、霍爾效應(yīng)式、 磁阻效應(yīng)式、介質(zhì)電磁感應(yīng)式等。另外還有間接測(cè)量轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速傳感器， 如加速度傳感器（通過(guò)積分運(yùn)算，間接導(dǎo)出轉(zhuǎn)速），位移傳感器 （ 通過(guò)微分運(yùn)算，間接導(dǎo)出轉(zhuǎn)速）等等。 測(cè)量轉(zhuǎn)速時(shí)經(jīng)常采用磁阻式傳感器或光電式傳感器進(jìn)行非接觸性測(cè)量， 測(cè)速發(fā)電機(jī)和某些磁電傳感器在線性區(qū)域，可以直接通過(guò)交流有效值轉(zhuǎn)換，來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)速 。 大多數(shù)都輸出脈沖信號(hào)（近似正弦波或矩形 波）。針對(duì)脈沖信號(hào)測(cè)轉(zhuǎn)速的方法有：頻率積分法（也就是 F/V 轉(zhuǎn)換法，其直接結(jié)果是電壓或電流），和頻率運(yùn)算法（其直接結(jié)果是數(shù)字） 。 傳統(tǒng)的磁阻式傳感器 傳統(tǒng)的磁阻式傳感器是由磁鋼、線圈等分立元件構(gòu)成的，亦可用耳塞機(jī)改裝而成。但這種傳感器存在一些缺點(diǎn)：第一，靈敏度低，傳感器與轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪的最大間隙（亦稱磁感應(yīng)距離）只有零點(diǎn)幾毫米；第二，在測(cè)量高速旋轉(zhuǎn)物體的轉(zhuǎn)速時(shí)，因安裝不牢固或受機(jī)械振動(dòng)，容易與齒輪發(fā)生碰撞，安全性較差；第三，這種傳感器所產(chǎn)生的是幅度很低且變化緩慢的模擬電壓信號(hào)，因此，需要經(jīng)過(guò)放大、整形后變 成沿口陡直的數(shù)字頻率信號(hào)，才能送給數(shù)字轉(zhuǎn)速儀或數(shù)字頻率計(jì)測(cè)量轉(zhuǎn)速，而且外圍電路比較復(fù)雜；第四，它無(wú)法測(cè)量非常低（接近于零）的轉(zhuǎn)速，因?yàn)檫@時(shí)磁阻式傳感器可能檢測(cè)不到轉(zhuǎn)速信號(hào)。 霍爾電磁感應(yīng)式傳感器 霍 爾器件是一種基于霍爾效應(yīng)的磁傳感器，目 前 使用霍爾效應(yīng)的磁傳感器產(chǎn)品已得到廣泛的應(yīng)用。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 圖 31 為霍爾效應(yīng)原理圖。在一塊通電的半導(dǎo)體薄片上，加上和 薄片 表面垂直的磁場(chǎng) H，在薄片的橫向兩側(cè)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)電壓（圖中的 Vh 稱為霍爾電壓）。 圖 31 霍爾效應(yīng)原理 圖 霍爾元件的工作原理：所謂霍爾效應(yīng)，是指磁場(chǎng)作用于載流金屬導(dǎo)體、半 導(dǎo) 體中的載流子時(shí)，產(chǎn)生橫向電位差的物理現(xiàn)象。 金屬的霍爾效應(yīng)是 1879 年被美國(guó)物理學(xué)家霍爾發(fā)現(xiàn)的。當(dāng)電流通過(guò)金屬箔片時(shí)，若在垂直于電流的方向施加磁場(chǎng)，則金屬箔片兩側(cè)面會(huì)出現(xiàn)橫向電位差。半導(dǎo)體中的霍爾效應(yīng)比金屬箔片中更為明顯，而鐵磁金屬在居里溫度以下將呈現(xiàn)極強(qiáng)的霍爾效應(yīng)。利用霍爾效應(yīng)可以設(shè)計(jì)制成多種傳感器 。 光電傳感器 采用光電傳感器，具體做法是：在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子上設(shè)置一個(gè)遮光板，這樣電機(jī)每轉(zhuǎn)過(guò)一圈，遮光板就會(huì)將發(fā)光二極管照射到光敏管上的光線阻斷一次，光敏管的集電極上電壓改變一次，這樣便可得到反映電機(jī)轉(zhuǎn)速的脈沖信號(hào) ， 光電傳感器的工作原理 如圖 32 所示。采用光電轉(zhuǎn)速傳感器得到的電脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大整形后，獲得相同頻率的方波信號(hào)，通過(guò)測(cè)量方波的頻率或周期，測(cè)得轉(zhuǎn)速的大小 。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 圖 32 光電傳感器的工作原理 目前，轉(zhuǎn)速傳感器正朝著高靈敏度、高可靠性和全集成化的方向發(fā)展 ，采用 傳統(tǒng)的磁阻式傳感器 是不可行的。 從上面的介紹可以看出， 利用霍爾傳感器和光電傳感器所得到的測(cè)速信號(hào)是有區(qū)別的。利用光電傳感器測(cè)速，速度信號(hào)的頻率與電機(jī)轉(zhuǎn)速相同，而利用霍爾器件輸出的換向信號(hào)作為測(cè)速信號(hào)時(shí)，兩者相差若干倍：如果是兩相電機(jī)，換向信號(hào)的頻率為轉(zhuǎn)速的 2 倍，三相電機(jī)中換向信號(hào)的頻率則是轉(zhuǎn)速的 3 倍 。 霍爾 傳感器和光電傳感器是直接測(cè)量轉(zhuǎn)速的方法，光電傳感器 外圍 電路簡(jiǎn)單 、 原理清晰、簡(jiǎn)單易懂，所以本設(shè)計(jì) 選用光電傳感器。 信號(hào)整形系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 信號(hào)整形系統(tǒng)概述 光電傳感器將 通過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上擋板 采集到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，在送入單片機(jī)之前需要 對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行放大整形 處理 ， 獲得相同頻率的方波信號(hào)，通過(guò)測(cè)量方波的頻率或周期， 就可以得到被測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 反相器 CD4069 對(duì)信號(hào)的整形 CD4069 是 六反相器”電路，就是六個(gè)反相器，每一個(gè)反相器單元都由最基本的單級(jí)反相器構(gòu)成，所謂反相器，顧名思義，輸入端高電平，輸出端就是低電平，輸入端低電平輸出端就是高電平，通哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 常用于定時(shí)電路，高阻抗輸入交流電壓放大電路，邏輯系統(tǒng)的反 相操作， TTL 驅(qū)動(dòng)，脈沖整型，振蕩器等。 CD4069 芯片的引腳圖如圖34： 圖 34 CD4069 引腳圖 CD4069 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，原理清楚，外圍電路簡(jiǎn)單，主要用于脈沖整型。 單片機(jī)系統(tǒng) AT89S51 單片機(jī)是 ATMEL 公司推出的低功耗，高性能 CMOS8 位單片機(jī)，片內(nèi)含 4KB 字節(jié) 的可編 程的 Flash 只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)產(chǎn)生，兼容標(biāo)準(zhǔn) 8051 指令系統(tǒng)及引腳，并且既可采用在線編程（ ISP），也可用傳統(tǒng)方法進(jìn)行編程及通用 8位微處理器于單片機(jī)芯片中， ATMEL 公司的功能強(qiáng)大，低價(jià)位的 AT89S51 單片機(jī)提供許多高性價(jià)比的應(yīng)用場(chǎng)合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域，調(diào)試非常方便。 AT89S51 的 基本特性 ? 與 MCS51 單片機(jī)兼容 ,含 80C51 內(nèi)核。 ? 片內(nèi)有 4KB 在系列中可重新編程的 FLASH 程序存儲(chǔ)器，可擦／寫(xiě)字 1000 次以上。 ? 全靜態(tài) 邏輯，工作頻率范圍： 0～ 24MHZ。 ? 三級(jí)程序存儲(chǔ)器加密。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 ? 128 字節(jié)片內(nèi) RAM。 ? 32 個(gè)可編程 I／ O 端子。 ? 提供待機(jī)和掉電兩種省電工作方式。 ? 兩個(gè) 16 位定時(shí)／計(jì)數(shù)器。 ? 有 5 個(gè)中斷矢量，允許 6 個(gè)中斷源。 ? 一個(gè)全雙工串行口。 ? 具有與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 80C51 一致的指令集和引腳布置 . AT89S51 的引腳 及 其 功能 AT89S51 的引腳圖如圖 35。 圖 35 AT89S51 引腳圖 引腳 功能 ： 哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 I/O 口引腳 P0 口：雙向 8 位三態(tài) I/O 口，此口為地址總線（低 8 位） 及數(shù)據(jù)總線分時(shí)復(fù)用口， 每位驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) LSTTL 負(fù)載。在訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器或進(jìn)行 I/O 口擴(kuò)展時(shí)，它分時(shí)作為低 8 位地址總線和雙向數(shù)據(jù)總線。 P1 口： 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 口，可帶 4 個(gè) LSTTL 負(fù)載。 P2 口： 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 口，與地址總線（高 8 位）復(fù)用，可帶 4個(gè) LSTTL 負(fù)載。 P3 口： 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 口，雙功能復(fù)用口。 P1 口、 P2 口、 P3 口、各 I/O 口線片內(nèi)均有固定的上拉電阻，故稱為準(zhǔn)雙向 I/O 口。 P0 口線內(nèi)無(wú)固定上拉電阻，有兩個(gè) MOS 管串接，即可開(kāi)漏輸出，又可處于高阻的“浮空”狀態(tài)，故稱為雙向三態(tài) I/O口。 控制引腳 ： 此類引腳提供控制信號(hào)，有的還具有復(fù)用功能。 RST/VPD（ 9 腳）：當(dāng)振蕩器運(yùn)行時(shí)，在此引腳外加上兩個(gè)機(jī)器周期的高電平將使單片機(jī)復(fù)位（ RST）。引腳與 Vss 引腳之間連接一個(gè)約 的下拉電阻，與引腳之間連接一個(gè)約 10μF 的電容，以保證可靠的復(fù)位。在單片機(jī)正常工作時(shí)，此腳應(yīng)為 ≤ 低電平。掉電期間，此引腳可接上備用電源（ VPD），以保持內(nèi)部 RAM 的數(shù)據(jù)，當(dāng) Vcc 下降到低于規(guī)定的值，而 VPD 在其規(guī)定的電壓范圍內(nèi)（ 5+）時(shí)， VPD 就向內(nèi)部 RAM 提供備用電源。 ALE/PROG（ 30 腳）：當(dāng)訪問(wèn)單 片機(jī)外部存儲(chǔ)器時(shí)， ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖的負(fù)跳沿用于 16 位地址的低 8 位的鎖存信號(hào)。即使不訪問(wèn)外部鎖存器， ALE 端仍有正脈沖信號(hào)輸出，此頻率約為時(shí)鐘振蕩器頻率的 1/6 PSEN（ 29 腳）： 程序存儲(chǔ)器使能 .此腳的輸出是單片機(jī)訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)。 其他特殊引腳功能： EA/VPP（ 31 腳）： 外部尋址使能 /可編程電壓 。 MOSI， MISO， SCK（ ， ， ）用于 ISP 編程 RXD（ ） 串行輸入口 TXD() 串行輸出口 哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 WR (） 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)信號(hào) RD (） 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀信號(hào) T0 () 定時(shí)器 0 外部輸入 T1 () 定時(shí)器 1 外部輸入 INT0 () 外部中斷 0 INT1 () 外部中斷 1 XTAL1 振蕩器反相放大器及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端 XTAL2 振蕩器反相放大器輸出端 按鍵與顯示部分方案選擇與設(shè)計(jì) 按鍵設(shè)計(jì) 按鍵控制， 按下按鍵，單片機(jī)開(kāi)始工作，系統(tǒng)開(kāi)始測(cè)量，并在第一組四位數(shù)碼管顯示一組轉(zhuǎn)速，再按按鍵，在另一組四位數(shù)碼管顯示下一組轉(zhuǎn)速。 將按鍵一腳接在 AT89S51 的 1 腳（ 口），另一腳接地，通過(guò)單片機(jī)編程可以實(shí)現(xiàn)上述功能。 顯示部分方案選擇與設(shè)計(jì) 顯示方案 ： 使用 8279 芯片 8279 芯片是由 INTEL 于 80 年代首先推出的 優(yōu)點(diǎn)： 通用 缺點(diǎn)：元器件多，面積大，電路復(fù)雜，綜合成本較高。 使用輔助單片機(jī) 在儀器的主控制單片機(jī)外，另使用一個(gè)輔助單片機(jī)專門(mén)做顯示驅(qū)動(dòng)和鍵盤(pán)掃描。 優(yōu)點(diǎn)：靈活 缺點(diǎn)：元器件多， 速度慢，易受干擾，綜合成本高。 使用 74LS138 與 74LS04 共同驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管，將 74LS138 的輸入腳連接到單片機(jī)，輸出端連接兩片 74LS04 的八個(gè)非門(mén)，通過(guò)非門(mén)連接到八位數(shù)碼管 優(yōu)點(diǎn)：電路簡(jiǎn)單易懂，外圍電路簡(jiǎn)潔，接口速度快，程序效率高，綜合成本相對(duì)較低。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 綜合以上，選擇第 3 個(gè)方案， 74LS138 與 74LS04 共同驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示。 顯示部分由單片機(jī)連接譯碼器 74LS138 輸入端，輸出端通過(guò) 8 個(gè)非門(mén)連接到兩組四位數(shù)碼管，通過(guò)數(shù)碼管顯示所測(cè)得的轉(zhuǎn)速。 用與非門(mén)組成的 3 線 8 線譯碼器 74LS138 圖 36 用與非門(mén)組成的 3 線 8 線譯碼器 74LS138 3 線 8 線譯碼器 74LS138 的功能表 哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 表 31 無(wú)論從邏輯 圖還是功能表我們都可以看到 74LS138 的八個(gè)輸出引腳，任何時(shí)刻要么全為高電平 1， 芯片處于不工作狀態(tài)，要么只有一個(gè)為低電平 0，其余 7 個(gè)輸出引腳全為高電平 1。如果出現(xiàn)兩個(gè)輸出引腳同時(shí)為 0 的情況，說(shuō)明該芯片已經(jīng)損壞。 圖 37 是 74LS138 的引腳圖 ， S S2 和 S3 是三個(gè)輸入選通控制端。 圖 37 74LS138 的引腳圖 只有當(dāng)使能端 S1 為高電平，