转速检测

一.概述

1.1 数字式转速测量系统的发展背景

目前国内外测量电机转速的方法很多，按照不同的理论方法，先后产生过模拟测速法(如离心式转速表、用电机转矩或者电机电枢电动势计算所得)、同步测速法(如机械式或闪光式频闪测速仪)以及计数测速法。计数测速法又可分为机械式定时计数法和电子式定时计数法。传统的电机转速检测多采用测速发电机或光电数字脉冲编码器，也有采用电磁式(利用电磁感应原理或可变磁阻的霍尔元件等)、电容式(对高频振荡进行幅值调制或频率调制)等，还有一些特殊的测速器是利用置于旋转体内的放射性材料来发生脉冲信号．其中应用最广的是光电式，光电式测系统具有低惯性、低噪声、高分辨率和高精度的优点．加之激光光源、光栅、光学码盘、CCD 器件、光导纤维等的相继出现和成功应用，使得光电传感器在检测和控制领域得到了广泛的应用。而采用光电传感器的电机转速测量系统测量准确度高、采样速度快、测量范围宽和测量精度与被测转速无关等优点，具有广阔的应用前景。

1.2 本设计课题的目的和意义

在工程实践中,经常会遇到各种需要测量转速的场合, 例如在发动机、电动机、卷扬机、机床主轴等旋转设备的试验、运转和控制中,常需要分时或连续测量和显示其转速及瞬时转速。要测速，首先要解决是采样问题。在使用模技术制作测速表时，常用测速发电机的方法，即将测速发电机的转轴与待测轴相连，测速发电机的电压高低反映了转速的高低。为了能精确地测量转速外,还要保证测量的实时性,要求能测得瞬时转速方法。因此转速的测试具有重要的意义。

这次设计内容包含知识全面，对传感器测量电机转速的方法及原理设计有较多介绍，在测量系统中能学到关于测量转速的传感器采样问题，单片机部分的内容，显示部分等各个模块的通信和联调。全面了解单片机和信号放大的具体内容，掌握利用光电传感器进行非接触式转速测量的方法，掌握测量和显示电路的设计方法，培养实践技能，提高分析和解决实际问题的能力。进一步锻炼我们在信号采集，处理，显示发面的实际工作能力。

二、设计要求及方案

2.1设计要求

1．能测量转盘的转速

2．计算误差小于0.1%

3．具有4位显示

4．实时测量

2.2设计方案 （1） 利用反射式光电传感器中光电晶体管做电机转速的信号拾取元件，在电机的转轴上安装一个圆盘，在圆盘两半分别贴上白纸和黑纸，在白纸时红外光反射，黑纸时红外光被吸收，圆盘转动一圈即光电晶体管导通1次，利用此信号做为脉冲计数所需。

（2） 对光电晶体管信号整流放大

（3） 脉冲经过单片机内部的计数器和定时器进行计数和定时

（4） 显示电路采用单片机动态显示：

图1 电路图

三 硬件的电路设计 3.1传感器的类型

光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此，光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。

这些信号调理电路负责将光电传感器输出的微弱的光电信号进行放大、整形，转换成所单片机定时计数所需要的脉冲信号。不同的光电元件，所要求的测量电路也不相同，为此设计时必须详加考虑。我们采用ST168单光束反射式光电传感器，它是利用被检测物对自己发射的红外光的反射，光电晶体管导通，基本的原理就是当红外光电二极管发射红外光到物体反射，光电晶体管接收时EC导通，反之EC断开。检测距离在5—10毫米。

3.2传感器接口电路设计

传感器接口电路如下图：

图2 传感器接口电路

电路核心由一个光电晶体管组成，电机转轮盘的黑色部分对准反射式光电传感器，二极管所发出的红外光被黑纸吸收了，所以光电晶体管处于截止状态，5端为高电平。当电机转动一圈，会使转轮盘的白色部分对准反射式光电传感器，5端输出一个低电平，5端波形如图下所示：

在实际电机工作状态中，会受到各方面的干扰，波形会存在许多杂波成分，需要对波形进行处理，处理成符合记计数器所需要的矩型波。

波形处理电路有一个LM393比较器组成，如上图2所示。当输入电压逐步升高时，致使V+>V—，比较器发生翻转。当V+逐步下降时， 致使V+V—电路就稳定在高电平，这样就有效的防止了杂波的干扰，并使输出得到矩形脉冲，符合了计数的需求。典型的比较器其工作波形如下图3所示：

图3

3.3单片机最小系统

单片机最小系统包括时钟电路和复位电路。单片机工作时，从取指令到译码再进行微操作，必须在时钟信号控制下才能有序地进行，时钟电路就是为单片机工作提供基本时钟的。单片机的时钟信号通常有两种产生方式：内部时钟方式和外部时钟方式。内部时钟方式的原理电路如下图所示。在单片机XTAL1和XTAL2引脚上跨接上一个晶振和两个稳频电容，可以与单片机片内的电路构成一个稳定的自激振荡器。外接电容的作用是对振荡器进行频率微调，使振荡信号频率与晶振频率一致，同时起到稳定频率的作用，一般选用20~30pF的瓷片电容。复位电路是利用电容充电来实现复位。在电源接通瞬间，RST引脚上的电位是高电平（Vcc），电源接通后对电容进行快速充电，随着充电的进行，RST引脚上的电位也会逐渐下降为低电平。最小系统如图4所示：

图4 最小系统

四 软件部分的设计

4.1程序设计方案

本系统采用STC89C52中T0定时器和T1计数器配合使用对转速脉冲定时计数。计数器T1工作于计数状态对外部脉冲进行计数；T0工作为定时器方式1每次定时50ms，采用20次中断，即在计数器T1在1秒钟内对外部脉冲进行计数，然后根据1秒钟内的计数值推算出转速。由于红外光一直发射，所以每隔一秒，显示就刷新一次，只要转速不变，则显示就不变。

程序流程图：

4.2定时/计数器的初始化

T1被用于计数，我们当然希望计数量越大越好，这样，可以获得较大的测量范围，因此，T1定为工作方式1（16位的计数方式），设计中，没有使用外部控制端，仅用指令置位/清零TR1来进行计数的启动/停止，这样，电路较为简单。本系统T1用自由计数方式，不用预置初值。定时/计数器的方式控制寄存器

TMOD，其有8位控制，根据前面的描述要求，确定TMOD的控制字应为0x51。

4.3定时器中断程序 中断部分要对单片机产生的中断次数计数，定时器每次触发中断需要的时间为50ms，我们需要单片机在1秒钟内对脉冲计数，所以要对中断计数20次。中断程序要给TH0，TL0赋初值，同时要开启定时器T0。

4.4单片机总体程序如下：

五、小结

困难和解决方案：

设计过程中遇到的困难一个接着一个，采用什么传感器，该电路该怎么验证接受到红外光，程序的编写遇到瓶颈的时候怎么解决，收到红外光后怎么样计数。

问题一：该电路使用什么传感器。

由于测量电机转速的方法很多，按照不同的理论方法，先后产生过模拟测速法(如离心式转速表、用电机转矩或者电机电枢电动势计算所得)、同步测速法(如机械式或闪光式频闪测速仪)以及计数测速法。计数测速法又可分为机械式定时计数法和电子式定时计数法。传统的电机转速检测多采用测速发电机或光电数字脉冲编码器，也有采用电磁式(利用电磁感应原理或可变磁阻的霍尔元件等)、电容式(对高频振荡进行幅值调制或频率调制)等，还有一些特殊的测速器是利用置于旋转体内的放射性材料来发生脉冲信号。其中应用最广的是光电式，所以我们选用光电式计数。通过查资料我们又知道了 ST168单光束反射式光电传感器，采用高发射功率红外光电二极管和高灵敏度光电晶体管组成，结构简单，安装方便，价格便宜，我们就选用了它。

问题二：不知道 所买的 ST168单光束反射式光电传感器是否正常。

开始我将电源接到二极管上，想看一下有没有发光。开始一直没有看到发光，我们以为是坏的，后来查资料发现它所发的红外光不在可见光范围内。于是我们只好将其整个接好，用万用表的电压档来检测反射式光电传感器在有无遮挡物时，输出的电压有没有变化，后来发现电压值在2V—4V变化，说明反射式光电传感器是好的，并且我们接的电路也没有问题。

问题三：电路和电机用同一个电源时，没有显示。

开始我们一直不知道是哪里出问题，怀疑数码管接线出问题，或者烧坏了。可是我检查了几遍，接线没问题，用万用表打数码管也可以亮。检查电机时，才发现电机的额定电流较大要20毫安以上，功率在1瓦以上，内阻在4—10欧姆以内，所以电源的电流都被电机占去了。于是我们使用两个5V电源，分别驱动了电路和电机。

问题四：数码管显示总是变化的，示值不稳定。

经过分析，我们认为是电机在运行时振动太大，位移在变，使得有一些红外光没有接收到，故数值在变。所以我们买了一个支架，电机固定在木板上，显示有所变好。

五 程序优化：我认为每次都显示定时一秒的值，误差较大，而且示值也一直在变。如果定时3秒，再求其平均值，用平均值来表示转速，结果将更准确。示值也变化不快。

体会：

通过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关电路设计方面的知识，在设计过程中虽然遇到了一些问题 ，但是在其中我有了很多专业知识以及专业技能上的提升，同时这又是一门讲道课，一门辩思课，给了我许多道，给了我很多思考，给了我莫大的空间。并且通过这次课程设计，我掌握了某些传感器的原理。

由于单片机应用的不甚了解，真的感觉自己走了不少的弯路。甚至课程设计过了很长时间。在模拟单片机模拟测量转速这一块设计程序时，让我更加明白了误差分析的重要性。了解误差是怎么样产生的，从根源上减小误差。仿真时，主要使用软件keil和Proteus 7 Professional，其中keil用来编写C语言程序，以及编译连接使之产生后缀名为hex的文件，将其烧录在软件Proteus 7 Professional中进行测试仿真调试。这次实习的重点就是如何编写程序以及仿真中芯片各个管脚的连接问题，主要的芯片有STC89C52、led显示、LM393。

当你用心的去做一件事的时候，这件事就不会轻易的用不知对错的结果去应付你，就像你不会去拿这样的态度去对待他一样；做一件事和想一件事也不会是一样，如果当时我只是停留在第一天的空想，我就不会在编程和仿真的过程中发现和改正那么多的错误。实践之所以高于理论，或许正是因为它为我们提供了更多犯错误和改正错误的机会吧。