【正文】 M 法進(jìn)行測(cè)量， 單片機(jī)采用 C語言編程 。 參考文獻(xiàn) ...................................................................................................................... 32 附錄 1：原理圖 ........................................................................................................... 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。在測(cè)量范圍和測(cè)量精度方面都有極大的提高。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。 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。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。總之，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。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。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。過去曾經(jīng)使用過的接觸式測(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。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。 主要內(nèi)容與問題 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 。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 說明轉(zhuǎn)速測(cè)量原理。同時(shí)分析接口電路，顯示轉(zhuǎn)速。 ，用 C語言編制程序，包括主程序流程，顯示中斷程序流程。 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。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)。 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。 對(duì)畢業(yè)論文及設(shè)計(jì)的工作進(jìn)行總結(jié) ，分析存在的問題及不足之處，并對(duì)該方案的應(yīng)用前景進(jìn)行展望。 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。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。 （ 2）方案二：開關(guān)穩(wěn)壓源 開關(guān)穩(wěn)壓源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)管通和斷開的時(shí)間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制（ PWM）控制 IC 和MOSFET 構(gòu)成。脈沖電源的占空比由開關(guān)電源的控制器來調(diào)節(jié)。通過增加變壓器的二次繞組數(shù)就可以增加輸出的電壓值。 （ 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 。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)。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。 （ 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。 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。 （ 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 。 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 。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。光電頭采用低功耗高亮度 LED,無論黑夜還是白天 ,或是背景光強(qiáng)有大范圍改變都不影響接收效果。接到單片機(jī) STC89C52 的相應(yīng)管腳上，通過 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)。 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)過拋光的平面。 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。 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。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)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。特別是將半導(dǎo)體激光束通過芯徑 5mm～ 9mm 單模光纖耦合并準(zhǔn)直后，可以將檢測(cè)精度提高到微米級(jí)，像頭發(fā)絲直徑這樣大小的目標(biāo)均可輕而易舉地檢測(cè)出來。采用這種線光源，可以實(shí)現(xiàn)流水作業(yè) 中材料定位切割、醫(yī)學(xué)上 CT 檢測(cè)中目標(biāo)定位、物體的直線度、不平度檢測(cè)等，應(yīng)用十分廣泛。 圖 線狀激光光源 9 半導(dǎo)體激光二極管的常用參數(shù) （ 1）波長(zhǎng)：即激光管工作波長(zhǎng)，目前可作光電開關(guān)用的激光管波長(zhǎng)有 635nm、650nm、 670nm、 690nm、 780nm、 810nm、 860nm、 980nm 等。 （ 3） 工作電流 Iop ：即激光管達(dá)到額定輸出功率時(shí)的驅(qū)動(dòng)電流，此值對(duì)于設(shè)計(jì)調(diào)試激光驅(qū)動(dòng)電路較重要。 （ 5）水平發(fā)散角 θ ∥ ：激光二極管的發(fā)光帶在與 PN結(jié)平行方向所張開的角度，一般在 6?～ 10?左右。 半導(dǎo)體激光二極管的特點(diǎn) （ 1）照射 距離長(zhǎng) 半導(dǎo)體激光光源是一種相干性強(qiáng)的光源，因而方向性很強(qiáng)，用光學(xué)系統(tǒng)準(zhǔn)直后，可很容易的把發(fā)散角限制在 mrad 以內(nèi)，如示意圖 8。 若一束激光投射到 500m 遠(yuǎn)處，可近似得光斑直徑為 100mm，可見光斑并不大，在此范圍內(nèi)仍有較大的能量分布，足以驅(qū)動(dòng)接收器工作。 （ 2）可實(shí)現(xiàn)高精度的定位控制和微小目標(biāo)的檢測(cè) 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 10 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)。 值得一提的是，將準(zhǔn)直后的激光束通過柱面光學(xué)透鏡后，可以射出一條直線光，其線寬可做到 ，此外，將準(zhǔn)直的激光光束通過某種光柵片后可射出十字形激光，在 檢測(cè)和定位方面亦有獨(dú)到的應(yīng)用之處。根據(jù)使用要求，可靈活選擇其中任何一種作為光電開關(guān)的激光電源。當(dāng)使用波長(zhǎng)短于 860nm的型號(hào)時(shí)，雖然看不見激光光束，但激光管窗口還能清楚看到有紅色光，即所謂有 “ 紅暴現(xiàn)象 ” 。有時(shí)還要考慮傳輸介質(zhì)中的損耗問題，例如，綠色激光在水中很少被吸收，其他波段則很容易被水吸收引起激光能量嚴(yán)重衰減。 總之，今天的半導(dǎo)體激光波長(zhǎng)范圍之寬，品種之豐富，均為使用者提供了充分選擇的余地。而隨著大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字測(cè)量系統(tǒng)得到普遍應(yīng)用，利用單片機(jī)對(duì)脈沖數(shù)字信號(hào)的強(qiáng)大處理能力，應(yīng)用全數(shù)字化的結(jié)構(gòu)，使數(shù)字測(cè)量系統(tǒng)的越來越普及。下面對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行探討。 圖 轉(zhuǎn) 速測(cè)量框圖 1． 轉(zhuǎn)速 信號(hào)拾取 轉(zhuǎn)速 信號(hào)拾取是整個(gè)系統(tǒng)的前端通道，目的是將外界的非電參量，通過一定方式轉(zhuǎn)換成電量，這一環(huán)節(jié)可以通過敏感元件、傳感器或測(cè)量?jī)x表等來實(shí)現(xiàn)。 3．單片機(jī) 單片機(jī)是整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的主要部分，擔(dān)負(fù)對(duì)前端脈沖信號(hào)的處理、計(jì)算、以及信號(hào)的同步，計(jì)時(shí)等任務(wù)，其次，將測(cè)量的數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算后，將得到的轉(zhuǎn)速值傳送到顯示接口中，用液晶顯示器顯示數(shù)值。 4．驅(qū)動(dòng)和顯示 液晶顯示器以其微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄超輕等諸多優(yōu)點(diǎn)，在袖珍式儀表和低功耗應(yīng)用 系統(tǒng)中得到越來越廣泛應(yīng)用。 轉(zhuǎn)速測(cè)量原理 測(cè)周期法“ T 法” 轉(zhuǎn)速可以用兩脈沖產(chǎn)生的間隔寬度 TP來決定。對(duì)于多孔碼盤，其測(cè)量的時(shí)間只是每轉(zhuǎn)的 1/N， N 為碼盤孔數(shù)。 TP通過定時(shí) 器測(cè)得。 輸入脈沖 時(shí)基脈沖 圖 “ T”法脈寬測(cè)量 由 “ T”法脈寬測(cè)量可知“ T”法測(cè)量精度的誤差主要有兩個(gè)方面，一是兩脈沖的上升沿觸發(fā)時(shí)間不一致而產(chǎn)生的；二是計(jì)數(shù)和定時(shí)起始和關(guān)閉不一致而產(chǎn)生的。測(cè)周法在低轉(zhuǎn)速時(shí)精度較高，但隨著轉(zhuǎn)速的增加，精度變差， 會(huì) 有小于一個(gè)脈沖的誤差存在。 在該方法中， 由于定時(shí)時(shí)間 T和脈沖不能保證嚴(yán)格同步，以及在 定時(shí)時(shí)間 T內(nèi)能否 準(zhǔn)確測(cè)量外部脈沖的完整 周期 等問題的影響 ， 所以 可能產(chǎn)生 1個(gè)脈沖的量化誤差。定時(shí)時(shí)間 T可根據(jù)測(cè)量對(duì)象情況預(yù)先設(shè)置。而設(shè)置的時(shí)間過短，測(cè)量精度 又 會(huì)受到一定的影響。 “ M/T”法采用三個(gè)定時(shí) /計(jì)數(shù)器，同時(shí)對(duì)輸入脈沖、高頻脈沖（由振蕩器產(chǎn) 14 生）、及預(yù)設(shè)的定時(shí)時(shí)間進(jìn)行定時(shí)和計(jì)數(shù)， m1反映轉(zhuǎn)角， m2反映測(cè)速的準(zhǔn)確時(shí)間，通過計(jì)算可得轉(zhuǎn)速值 n。測(cè)速時(shí)間Td 由脈沖發(fā)生器脈沖來同步，即 Td 等于 m1個(gè)脈沖周期。 “ M/T”法綜合了“ T”和“ M”兩種方法，轉(zhuǎn)速計(jì)算如下： 設(shè)高頻脈沖的頻率為 fC，脈沖發(fā)生器每轉(zhuǎn)發(fā)出 P個(gè)脈沖，由式（ ）和（ ）可得 M/T 法轉(zhuǎn)速計(jì)算公式為： n=60fcm1/pm2 () n轉(zhuǎn)速值。 圖 “ M/T”法定時(shí) /計(jì)數(shù)測(cè)量 通過誤差和精度分析可知， M法適合于高速測(cè)量，當(dāng)轉(zhuǎn)速越低，產(chǎn)生的誤差會(huì)越大。 M/T 這種轉(zhuǎn)速測(cè)量方法的相對(duì)誤差與轉(zhuǎn)速 n無關(guān)，只與晶體振蕩產(chǎn)生的脈沖有關(guān)，故可適合各種轉(zhuǎn)速下的測(cè)量。 在實(shí)際操作時(shí)往往采用一種稱變 M/T 的測(cè)量方法。 基于 M法 來測(cè)量轉(zhuǎn)速 ，電路和程序均較為簡(jiǎn)單，且可以在一定的條件下滿足精度的要求，所以本設(shè)計(jì)中采用 M法進(jìn)行測(cè)量，誤差和精度的具體分析過程在此不做復(fù)述。 圖 轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)方框圖 本 設(shè)計(jì) 的硬件主要由光電傳感器、信號(hào)處理電路、單片機(jī) STC89C5鍵盤、LCD 顯示 等部分組成。硬件電路圖如圖附件 1 所示。測(cè)速轉(zhuǎn)盤位于 激光 二極管和 接收光電傳感器 正前方 ，采用 +5V 電壓供電，選用合適的電阻值來配合 其工作。如圖 轉(zhuǎn)速傳感器電路圖所示。如圖 所示。因此，為了控制的方便，本 設(shè)計(jì)中采用人工按鈕復(fù)位的方式。當(dāng)開關(guān)未按下時(shí)，由于電容的濾波作用，干擾信號(hào)不會(huì)進(jìn)入到單片機(jī)中，起到抗干擾的作用；當(dāng)按下開關(guān)一定時(shí)間就能使 RST 引腳端變?yōu)楦唠娖?，從而使單片機(jī)復(fù)位。它的主 要特性：指令代碼與傳統(tǒng) 8051 單片機(jī)完全兼容，另外 6 時(shí)鐘 /機(jī)器周期和 12 時(shí)鐘 /機(jī)器周期可以任意選擇；用戶應(yīng)用程序的空間范圍為 8K 字節(jié)；片上集成 RAM 為 512 字節(jié)；通用 32 個(gè) I/O 口， P0 需加上拉電阻；可直接通過 UART 串口下載用戶程序；具有 EEPROM 功能；具有看門狗復(fù)位功能；共 3 個(gè)16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器； 4 路外部中斷，可低電平或下降沿中斷觸發(fā)電路。 管腳號(hào) 管腳名稱 管腳功能 第 1～ 8管腳 ～ 8位準(zhǔn)雙向 I/O 口線 第