【正文】 .............................................................................................................. 29 致 謝 ......................................................................................................................................... 32 白城職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 1 第一章 緒論 目前國(guó)內(nèi)外測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速的方法很多，按照不同的理論方法，先后產(chǎn)生過(guò)模擬測(cè)速法(如離心式轉(zhuǎn)速表、用電機(jī)轉(zhuǎn)矩或者電機(jī)電樞電動(dòng)勢(shì)計(jì)算所得 )、同步測(cè)速法 (如機(jī)械式或閃光式頻閃測(cè)速儀 )以及計(jì)數(shù)測(cè)速法。傳統(tǒng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)多采用測(cè)速發(fā)電機(jī)或光電數(shù)字脈沖編碼器，也有采用電磁式 (利用電磁感應(yīng)原理或可變磁阻的霍爾元件等 )、電容式 (對(duì)高頻振蕩進(jìn)行幅值調(diào)制或頻率調(diào)制 )等，還有一些特殊的測(cè)速器是利用置于旋轉(zhuǎn)體內(nèi)的放射性材料來(lái)發(fā)生脈沖信號(hào)．其中應(yīng)用最廣的是光電式，光電 式測(cè)系統(tǒng)具有低慣性、低噪聲、高分辨率和高精度的優(yōu)點(diǎn)．加之激光光源、光柵、光學(xué)碼盤(pán)、 CCD 器件、光導(dǎo)纖維等的相繼出現(xiàn)和成功應(yīng)用，使得光電傳感器在檢測(cè)和控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 光電轉(zhuǎn)速儀設(shè)計(jì) 2 第二章 轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)的原理 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(guò)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(cè)量一直是工業(yè)領(lǐng)域 的一個(gè)重要問(wèn)題。計(jì)數(shù)測(cè)速法又可分為機(jī)械式定時(shí)計(jì)數(shù)法和電子式定時(shí)計(jì)數(shù)法。 對(duì)轉(zhuǎn)速的測(cè)量實(shí)際上是對(duì)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)引起的周期脈沖信號(hào)的頻率進(jìn)行測(cè)量。 ③多周期測(cè)頻法 :在被測(cè)信號(hào) m1 個(gè)周期內(nèi) , 計(jì)數(shù)時(shí)鐘脈沖數(shù) m2 ,從而得到被測(cè)信號(hào)頻率 fx ,則 fx 可以表示為 fx =m1 fcm2, m1 由測(cè)量準(zhǔn)確度確定。另一項(xiàng)是量化177。當(dāng)時(shí)基誤差小于量化177。 1 誤差來(lái)確定 。對(duì)于測(cè)周期法 ,測(cè)量相對(duì)誤差為： Er2 =測(cè)量誤差值實(shí)際測(cè)量值 100 % =1m0 100 % (3) 對(duì)于給定的時(shí)鐘脈沖 fc , 當(dāng)被測(cè)信號(hào)頻率越低時(shí) ,m0 越大 , Er2 就越小 ,所以測(cè)周期法適用于低頻信號(hào) (低轉(zhuǎn)速信號(hào) ) 的測(cè)量。它適用于高、低頻信號(hào) (高、低轉(zhuǎn)速信號(hào) ) 的測(cè)量。 白城職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 3 根據(jù)以上的討論 ,考慮到實(shí)際應(yīng)用中需要測(cè)量的轉(zhuǎn)速范圍很寬 ,上述的轉(zhuǎn)速測(cè)量方法難以滿足要求 ,因此 ,研究高精度的轉(zhuǎn)速測(cè)量方法 ,以同時(shí)適用于高、低轉(zhuǎn)速信號(hào)的測(cè)量 ,不僅具有重要的理論意義 ,也是實(shí)際生產(chǎn)中的需要。而臨時(shí)性轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng) ,多采用光電傳感器 ,從轉(zhuǎn)軸上預(yù)先粘貼的一個(gè)標(biāo)志上獲得一轉(zhuǎn)一個(gè)轉(zhuǎn)速脈沖 ,隨后利用電子倍頻器和測(cè)頻方法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速測(cè)量。即通過(guò)速度傳感器 ,將轉(zhuǎn)速信號(hào)變?yōu)殡娒}沖 ,利用微機(jī)在單位時(shí)間內(nèi)對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù) ,再經(jīng)過(guò)軟件計(jì)算獲得轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)。 ◆ N ——— 采樣時(shí)間內(nèi)所計(jì)脈沖個(gè)數(shù) 。 ◆ m ——— 每旋轉(zhuǎn)一周所產(chǎn)生的脈沖個(gè)數(shù) (通常指測(cè)速碼盤(pán)的齒數(shù) ) 。 在對(duì)轉(zhuǎn)速波動(dòng)較快系統(tǒng)或要求動(dòng)態(tài)特性好而精度高的轉(zhuǎn)速測(cè)控系統(tǒng)中 ,調(diào)節(jié)周期一般很短 ,相應(yīng)的采樣周期需取得很小 ,使得脈沖當(dāng)量增高 ,從而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng) 測(cè)量精度降低 ,難以滿足測(cè)控要求。通過(guò)增加測(cè)速碼盤(pán)的齒數(shù)可以提高精度 ,但是碼盤(pán)齒數(shù)的增加會(huì)受到加工工藝的限制 ,同時(shí)會(huì)使轉(zhuǎn)速測(cè)量脈沖的頻率增高 ,頻率的提升又會(huì)受到傳感器中光電器或磁敏器或磁電器件最高工作頻率的限制。而采用本文所提出的定時(shí)分時(shí)雙頻率采樣法 ,可在保證采樣精度的同時(shí) ,提高采樣速率 ,充分發(fā)揮微機(jī)智能測(cè)速方法的 優(yōu)越性及靈活性。 ②放大、整形電路：對(duì)傳感器送過(guò)來(lái)的信號(hào)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。 白城職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 5 第三章 利用光電傳感器測(cè)轉(zhuǎn)速方案 整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的組成框圖如圖 所示。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。光電頭包含有前置電路，輸出 0— 5V 的脈沖信號(hào)。 圖 測(cè)量系統(tǒng)的組成框圖 這種方案使用光電轉(zhuǎn)速傳感器具有采樣精確，采樣速度快，范圍廣的特點(diǎn)。出于單片機(jī)在測(cè)量轉(zhuǎn)速方面具有體積小、性能強(qiáng)、成本低的特點(diǎn)，越來(lái)越受到企業(yè)用戶的青睞。 轉(zhuǎn)速信號(hào)采集 在設(shè)計(jì)中采用光電傳 感器采集信號(hào)，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(cè)量電路測(cè)出頻率，由頻率值就可知道所側(cè)轉(zhuǎn)素值。是目前常用的一種測(cè)量轉(zhuǎn)速的方法。測(cè)速齒盤(pán)上有 30個(gè)齒槽，當(dāng)測(cè)速齒槽旋轉(zhuǎn)一周，光敏元件就能感受與開(kāi)孔數(shù)相等次數(shù)的光次數(shù)。 圖 所示為轉(zhuǎn)速傳感器電路，由于紅外光不可見(jiàn)，無(wú)法用肉眼識(shí)別發(fā)光信號(hào)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。 R的計(jì)算公式為： 121CCU U UI?? 計(jì)算得： Rmin=425Ω； Rmin=465Ω。 轉(zhuǎn)速傳感器輸出電壓幅度在 0— 呈正弦波變化 ,由此可見(jiàn) ,紅外線接收三極管的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的電壓 Uo很微弱 (一般為 mV量級(jí) ),需要進(jìn)行信號(hào)處理 . 白城職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 7 圖 轉(zhuǎn)速傳感器電路 圖 （ 1） 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。為此，可以制作一個(gè)遮光葉片如圖 所示，安裝在轉(zhuǎn)軸上，當(dāng)扇葉經(jīng)過(guò)時(shí)，產(chǎn)生脈沖信號(hào)。 圖 圖 遮光葉片 （ 2） 選用的傳感器型號(hào)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(cè)量轉(zhuǎn)速和線速度 . 2)采用密封結(jié)構(gòu)性能穩(wěn)定 . 光電轉(zhuǎn)速儀設(shè)計(jì) 8 3）光源用紅外發(fā)光管，功耗小，壽命長(zhǎng) . 4) SZGB3, 20電源電壓為 12V DC SZGB3型 傳感器主要性能介紹如下 ： ，使用時(shí)通過(guò)連軸節(jié)與被測(cè)轉(zhuǎn)軸連接，當(dāng)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，將轉(zhuǎn)角位移轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào)，供二次儀表計(jì)數(shù)使用。由于產(chǎn)生的電壓信號(hào)很小，所以要進(jìn)行放大處理，一般要放大至少 1000倍（≥ 60dB） ，然后在進(jìn)行信號(hào)處理工作。其中第一級(jí)放大倍數(shù)為 30，第二級(jí)放大倍數(shù)為 0～ 。為起到消除干擾，實(shí)現(xiàn)濾波作用，故供電電源兩端需接 10UF的電容接地，電容選擇金屬化聚丙已烯膜電容。 圖 白城職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 9 整形電路的主要作用是將正弦波信號(hào)轉(zhuǎn)化為方波脈沖信號(hào)，正弦波信號(hào)電壓的最大幅值約為 ，最小幅值為 0V。從而向輸入端輸入的滯回比較器。 R11和 R17是防止電路短路，起到保護(hù)電路的作用。 5V 的電平的脈沖信號(hào)，在脈沖計(jì)數(shù)時(shí)，常用的是 +5V的脈沖信號(hào)。 第二次用三極管整形電路，當(dāng)輸出為 5V 的信號(hào)時(shí)，三極管 VT2（ 8050）的基 射極和電阻 R18 組成并聯(lián)電路電流經(jīng)過(guò) ,三極管 VT2 處于反向偏置狀態(tài)，所以， VT2的集 射極未接通，故處于截止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)?shù)谝淮握屋敵鰹?+5V的信號(hào)時(shí)，三極管 VT2基 射極處于正向偏置狀態(tài)，有電流 I通過(guò)，故此時(shí)三極管的集 射極處于通路狀態(tài)。電源電壓主要在 R19上，其輸出電壓約為0V。 AT89C51 介紹 AT89C51是一種帶 4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（ FPEROM— Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能 CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。由于將多功能 8位 CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中， ATMEL的 AT89C51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。 圖 AT89C51芯片 光電轉(zhuǎn)速儀設(shè)計(jì) 10 它有 40個(gè)管腳，分成兩排，每一排各有 20個(gè)腳，其中左下角標(biāo)有箭頭的為第1腳，然后按逆時(shí)針?lè)较蛞来螢榈?2腳、第 3腳??第 40腳。 AT89C51單片機(jī)的功能： 1．主要特性： ◆ 與 MCS51 兼容 ◆ 4K字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器 ◆ 壽命： 1000寫(xiě) /擦循環(huán) ◆ 數(shù)據(jù)保留時(shí)間： 10年 ◆ 全靜態(tài)工作： 0Hz24Hz ◆ 三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定 ◆ 128*8位內(nèi)部 RAM ◆ 32可編程 I/O線 ◆ 兩個(gè) 16位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 ◆ 5個(gè)中斷源 ◆ 可編程串行通道 ◆ 低功耗的閑置和掉電模式 ◆ 片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路 2．管腳說(shuō)明 （ 圖 ） ： 白城職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 11 圖 AT89C51管腳分布 ● VCC：供電電壓 ， ● GND：接地 。當(dāng) P1口的管腳第一次寫(xiě) 1時(shí)，被定義為高阻輸入。在 FIASH編程時(shí)， P0 口作為原碼輸入口，當(dāng) FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí) P0外部必須 被拉高 。 P1口管腳寫(xiě)入 1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入， P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。 ● P2 口： P2 口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 口緩沖器可接收，輸出 4 個(gè)TTL 門(mén)電流，當(dāng) P2 口被寫(xiě) “1” 時(shí)，其管腳 被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在給出地址 “1” 時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫(xiě)時(shí)，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。 光電轉(zhuǎn)速儀設(shè)計(jì) 12 ● P3口： P3口管腳是 8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O口，可接收輸出 4個(gè) TTL門(mén)電流。作為輸入，