电机转速非接触式测量仪第十届双基电子设计大赛报 告项目名称： 电机转速非接触式测量仪 小组成员： XXXXXXXXXXXXXXXX 学 院： 机 电 学 院 专业班级： 10测控2班 指导老师： 曹 青 松 电机转速非接触式测量仪摘要：随着工业生产技术的发展，旋转机械转速的测量变得更为频繁和重要。转速是旋转物体在单位时间内的转数，是描述各种旋转机械的重要技术参数。因而社会生产对具有便携、快速、非接触、精确度高等特征的转速测量仪的需求性也越来越强。本设计主要用AT89C51单片机作为控制核心，由光电传感器、单片机、LCD动态显示屏构成。当电机转动时，光电传感器会接收到脉冲信号，AT89C51单片机接收光电传感器传来的脉冲信号，单片机根据外部中断，以及内部定时器进行记数并计算出电机的转速送到LCD显示。关键词： AT89C51 电机 转速 光电传感器 非接触测量 目录1 系统设计任务11.1 设计要求11.2 设计任务概述12 系统设计方案12.1方案论证与选择22.1.1 整体控制方式22.1.2 传感器模块22.1.3 显示模块32.2 方案描述33 系统理论分析与计算43.1 信号采集电路的分析43.2 电机转速的计算54 硬件电路设计54.1 单片机模块54.1.1 AT89C51单片机简介54.1.2 晶振电路64.1.3 复位电路74.2 电源电路74.5 显示电路85 软件设计95.1 系统总体设计95.2 中断子程序设计105.3 定时子程序设计115.4 显示子程序设计116 测试方案126.1 软件调试126.2 测试过程127 总结138 参考文献139 附录14附录一 电路仿真图14附录二 程序清单14附录三 元器件清单21I 1 系统设计任务1.1 设计要求一、任务 设计制作一个电机转速非接触式测量仪二、要求（一）基本要求（电机转速2000转/分钟左右） （1）精确测量转速，不能丢脉冲 （2）实时显示结果（二）提高部分 （1）测量装置安装方便，成本低 （2）其它创新自拟三、评分标准（一）设计报告： 40 （1）设计方案合理 15 （2）电路分析计算正确 10 （3）测试与分析 15（二）实物制作测评：60（三）提高部分：30 （1）测量装置安装方便，成本低 20 （2）其它创新 101.2 设计任务概述 智能化转速测量可以对电机的转速进行测量，电机在运行的过程中，需要对其平稳性进行监测，适时对转速的测量有效地可以反映电机的状况。本设计中采用光电传感器采集信号，方便了信号的采集，也提高了测量的精度，但容易受外界光线和环境的干扰，编码盘与电机转轴的固定连接，都是本设计的难点。用1602LCD的数码管以动态扫描清晰的显示了实时的转速，程序的编写成了本设计的重点。2 系统设计方案本系统主要由单片机模块、传感器模块、显示模块、及电源模块组成，下面分别论述这几个模块的选择。2.1方案论证与选择2.1.1 整体控制方式方案一：采用集成电路控制方式光电传感器感受到光信号并转换成电信号，此时的电信号为模拟信号，经信号处理电路滤除干扰，并转换成能被计数器接受的方波信号或脉冲信号，再经过计数、译码、显示电路，由数码管显示转速。可实现功能，但电路较复杂，系统调试也较繁杂。 方案二：采用单片机模块控制方式单片机模块接收脉冲信号，进行计数、处理，把数据传送给LCD显示模块，达到实时检测和反馈的功能。基于单片机的转速测量系统，具有硬件电路简单，程序简单和运算速度快，测速范围广，抗干扰性能好的特点。综合以上两种方案，选择方案二。2.1.2 传感器模块 方案一：采用红外传感器 红外传感器是利用红外线的物理性质来进行测量的传感器，为反射式。红外线传感器测量时不与被测物体直接接触，因而不存在摩擦，并且有灵敏度高，反应快等优点。但红外线的发射、接收不好控制，而且容易受到外界光线和环境的干扰。 方案二：采用霍尔传感器 霍尔传感器是根据霍尔效应原理制成的霍尔元件。传感器的定子上有2个互相垂直的绕组A和B,在绕组的中心线上粘有霍尔片HA和HB,转子为永久磁钢,霍尔元件HA和HB的激励电机分别与绕组A和B相连，它们的霍尔电极串联后作为传感器的输出。 图1 霍尔转速传感器结构图 采用霍尔传感器在信号采样的时候，会出现采样不精确，因为它是靠磁性感应才采集脉冲的，使用时间久了会出现磁性变小，影响脉冲的采样精度。 方案三：采用光电传感器 光电传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的。光电传感器在一般情况下，有三部分构成，它们分为：发送器、接收器和检测电路。发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，发光二极管(LED)、激光二极管及红外发射二极管。光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。接收器有光电二极管、光电三极管、光电池组成。在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。在其后面是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。此外，光电开关的结构元件中还有发射板和光导纤维。三角反射板是结构牢固的发射装置。它由很小的三角锥体反射材料组成，能够使光束准确地从反射板中返回，具有实用意义。 图2 光电传感器原理示意图 综合以上3种方案，选择方案三。2.1.3 显示模块 方案一：用数码管动态显示，可以显示数字，但显示的内容有限，接线繁多，且不能连续显示字符，有一定局限性。 方案二：采用LED点阵显示，能动态扫描，变换颜色，但体积比较大，需要很多点阵组合使用，显示较为繁琐，但需要的I/O资源较多，影响总体布局。 方案三：采用LCD液晶显示，显示内容最丰富，不仅编程灵活，显示可靠，而且电路简单，易与单片机连接，明亮对比度可调，显示非常清晰，是一种非常好的方案。综合以上，选择方案三。2.2 方案描述本设计主要用AT89C51单片机作为控制核心，由光电传感器、LCD动态显示屏构成。AT89C51单片机接收光电传感器传来的脉冲信号，单片机根据外部中断，以及内部定时器进行记数计算出电机转速送到LCD显示，使能实时读出电机的转速。 AT89C51 单片机显示电路信号处理 电源光电传感器 电机图3 系统总体方框图3 系统理论分析与计算3.1 信号采集电路的分析 采集光信号的电路原理图如图4所示：图4 采集光信号的电路原理图 在图4中TLP为光码盘（如图5），T1为光敏三极管，T2为普通三极管，74LS04为反相器，R1R4为电阻。当电机转动后，光电码盘安装在转子端轴上，随着电机的转动，光电码盘也跟着一起转动，当一个狭缝转过时光敏三极管就会受到光照而导通，此时T2管的基极为高电平，T2管也导通，在1处就为低电平，经过反相器后变为高电平输给单片机记数；相反，当光敏三极管没有接收到光照时就不导通，在2处就为低电平了。 图5 光码盘3.2 电机转速的计算 在编程时让单片机每隔一秒记录一次接收到的脉冲总数，然后根据如下计算电机的转速 n=60*N/(P*T) (1)n：电机转速T：采样周期N：采样周期T内光脉冲个数P：光码盘开孔的总数当采样周期为1秒时，转速 n=60*f/P （2）f：1秒内采集到的光脉冲个数4 硬件电路设计4.1 单片机模块4.1.1 AT89C51单片机简介 AT89C51提供以下标准功能：4k 字节Flash 闪速存储器，128字节内部RAM，32 个I/O 口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。 图6 单片机管脚图 VCC：供电电压 GND：接地。 P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。 P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。 P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口。 4.1.2 晶振电路 时钟是单片机的心脏，单片机各功能部件的运行都是以时钟频率为基准，有条不紊地一拍一拍地工作。因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统稳定性。常用的时钟电路有两种方式，一种是内部时钟方式，另一种是外部时钟方式。 图9 单片机晶振电路 单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器，该高增益反向放大器的输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2这两个引脚跨接在石英晶体振荡器和微调电路，就构成一个稳定的自激振荡器。 电路中的电容C1和C2典型值通常选择30pF左右，该电容大小会影响振荡器频率的高低，振荡器的稳定性和起振的快速性。晶振的振荡器频率的范围通常在1.212MHz之间，晶体的频率越高，则系统得时钟频率也就变高，单片机的运行速度也就越快。但反过来运行速度快