1、 课程设计(论文)说明书题 目：电机转速测量电路 院 （系）：信息与通信学院 专 业：电子科学与技术 学生姓名 学 号： 指导教师：何宁 职 称：教授 2012 年 12 月 20 日桂林电子科技大学课程设计论文 第 1 页 共 20 页1摘 要本文设计了一种基于AT89S52单片机的红外线转速测量系统。该系统的红外发射与接收采用直射式，红外发光管射出的红外线通过圆盘的小孔照射到红外探头上，接收电路再经过简单的信号处理得到脉冲式的转速信号。使用AT89S52单片机采样脉冲信号并计算每分钟内脉冲信号的数目，即电机对应的转速值，最终系统通过四位七段数码管显示电机每分钟的转速值。本文详细分析了系统的
2、组成及工作原理，给出了系统中各硬件模块设计方法及系统软件设计方法，给出了部分程序流程图和程序清单。该测速系统安装维护方便，工作稳定，运行可靠，具有较大的推广应用价值。关键词：转速测量；红外发射与接收；单片机 AbstractA infrared speed measuring system which based on the MCU of AT89S52 was designed in this paper. The infrared transmitter and receiver of the system used the direct type. The infrared light
3、 emitted from the IR LED passed through the hole in the disc to the infrared sensor, and the receiver circuit output a pulsed infrared signal by a simple signal processing. The AT89S52 was used to sample the pulse signal and calculate the amount of the pulse signal per minute which was the value of
4、the motor speed. Finally the value of the motor would be displayed real-time by four-bit seven-segment digital tube. The composition and the principle of the system are presented, and the design method of hardware and the software are also presented. The measurement system will have a broad prospect
5、s because the convenient installation and maintenance, stable working, reliable operation.Key words: Speed measurement; Infrared transmitter and receiver; MCU桂林电子科技大学课程设计论文 第 2 页 共 20 页2目 录引言31 设计要求41.1 设计目的41.2 设计内容及要求42 转速测量系统的原理42.1 转速测量方法42.1.1 M 法(测频法)42.1.2 T 法(测周期法)52.1.3 M/T 法(频率/周期法)52.2 转速
6、测量原理53 系统概述63.1 转动系统63.2 信号采集及其处理63.3 单片机处理电路63.4 显示电路64 设计的具体实现74.1 系统硬件电路的设计74.1.1 脉冲产生模块设计74.1.2 转速信号处理模块设计74.1.3 单片机处理模块设计84.1.4 显示模块设计114.2 系统软件的设桂林电子科技大学课程设计论文 第 3 页 共 20 页3计124.2.1 控制程序说明124.2.2 程序设计流程图125 电路板测试结果14谢辞15参考文献16附录17桂林电子科技大学课程设计论文 第 4 页 共 20 页4引言电机，作为一种量大面广的产品，已广泛应用于国民经济的各个行业中。而电
7、机的生产王国正在由日本转移到中国，尤其是浙江温州和广东珠三角地区，许多家电厂家在家电中生产也要大量用到电机。不管是电机生产厂家，还是将电机作为它们的产品中的零部件的厂家，要将它们的产品打到国际市场上，迫切需要 IS09002 认证。而IS09002 要求生产产品所用的零部件以及最终的产品都要经过本单位的质量检测，也就是说，每年要检测上亿个电机，故对电机测试仪的需求非常迫切。电机测试的参数主要有：效率、功率因数、定子输入电流、转矩、转速等，本课题主要研究转速的测量。转速是各类电机运行中的一个重要物理量，如何准确、快速而又方便地测量电机转速，极为重要。红外线数字转速电路是一种非接触式，光电传感的转
8、速计量仪器。它由红外光源、遮光圆盘、红外探头、信号处理电路与数显装置等组成。遮光圆盘随电机转轴一同转动,红外探头将从圆盘上的小孔透射来的光信号转换为电信号,然后通过计数脉冲的频率,即可在数显装置上读出旋转轴的转速。目前我国的转速计量技术与发达国家相比，在精度上与发达国家还有一定的差距。国家质量监督局的文件显示，目前在我国工业领域应用的高精度转速计量仪器中，90%的转速测量仪的测量准确度只能达到 0.1%左右，而在发达国家的测量精度能达到 0.05%。可想而知，两者测量精度的不一样，会在产品的质量上产生什么样的结果。同样由于机械式转速测量仪的精度上和测量方式上远远比不上光电式转速测量仪，所以采用
9、红外数字转速测量仪是转速测量仪器发展的一种不可避免的趋势。桂林电子科技大学课程设计论文 第 5 页 共 20 页51 设计要求红外线数字转速电路是一种代替机械转速电路，并用来测量转动速率的计量仪表。1.1 设计目的 （1）掌握红外线光电转换器的工作原理； （2）掌握红外线转速电路的设计、组装、调试方法。1.2 设计内容及要求 （1）设计四位数数值的红外线转速表，转速表基于红外线采样，测速范围为 0000 - 9999 转/分，实现近距离测量； （2）红外发光管发射的红外线经由红外探头得到，在接收电路中进行一系列的信号处理，得出被测转速的脉冲信号； （3）画出完整的电路图，组装、调试红外线转速表
10、，写出设计、调试报告； （4）选作远距离的转速测量。2 转速测量系统的原理2.1 转速测量方法转速是指作圆周运动的物体在单位时间内所转过的圈数，其大小及变化往往意味着机器设备运转的正常与否。因此，转速测量一直是工业领域的一个重要问题。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) 、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。本文介绍的采用单片机和红外采样部分组成的高精度转速测量系统,其转速测量方法采用的就是电子式定时计数法。对转速的测量实际上是对转子旋转引起的周期脉冲信号的频率进行测量。在频率的工程测量中,电子式
11、定时计数测量频率的方法一般有三种：M 法(测频法) 、T 法(测周期法) 和 M/T 法(频率/周期法)。2.1.1 M 法( 测频法)在规定的检测时间内，检测光电脉冲发生器所产生的脉冲信号的个数来确定转速。桂林电子科技大学课程设计论文 第 6 页 共 20 页6虽然检测时间一定,但检测的起止时间具有随机性，因此 M 法测量转速在极端情况下会产生 1 个转速脉冲的误差。当被测转速较高或电机转动一圈发出的转速脉冲信号的个数较大时，才有较高的测量精度，因此 M 法适合于高速测量。2.1.2 T 法(测 周期法)它是测量光电脉冲发生器所产生的相邻两个转速脉冲信号的时间来确定转速。相邻两个转速脉冲信号
12、时间的测量是采用对已知高频脉冲信号进行计数来实现的。在极端情况下，时间的测量会产生 1 个高频脉冲周期，因此 T 法在被测转速较低(相邻两个转速脉冲信号时间较大)时，才有较高的测量精度，所以 T 法适合于低速测量。2.1.3 M/T 法(频率/周期法)它是同时测量检测时间和在此检测时间内光电脉冲发生器所产生的转速脉冲信号的个数来确定转速。由于同时对两种脉冲信号进行计数，因此只要“同时性”处理得当,M/T 法在高速和低速时都具有较高的测速精度。本设计要实现在转速范围 0000 - 9999 转/分之间测量转速，所以红外数字转速表既要测量低速转速又要测量高速转速，而 M/T 法在高速和低速时都有较
13、高的精度。由于 M/T 法可在整个速度范围内获得高分辨率，可在不损失精度和分辨率的前提下获得快速响应，所以本次设计采用 M/T 法。2.2 转速测量原理一般的转速长期测量系统是预先在轴上安装一个有 60 齿的测速齿盘，用变磁阻式或电涡流式传感器获得一转 60 倍转速脉冲，再用测频的办法实现转速测量。而临时性转速测量系统，可采用红外采样系统，从转轴上预先粘贴的一个标志上获得一转一个转速脉冲，随后利用电子倍频器和测频方法实现转速测量。不论长期或临时转速测量，都可以在微处理器的参与下，通过测量转轴上预留的一转一齿的鉴相信号或光电信号的周期，换算出转轴的频率或转速。即通过速度传感器，将转速信号变为电脉
14、冲，利用微机在单位时间内对脉冲进行计数，再经过软件计算获得转速数据。亦即：(1)/(TmNnn 转速，单位：转/ 分钟；N 采样时间内所计脉冲个数；T 采样时间，单位：分钟；m 每旋转一周所产生的脉冲个数(通常指测速码盘的齿数) 。如果 m=60，那么 1 秒钟内脉冲个数 N 就是转速 n， 即：桂林电子科技大学课程设计论文 第 7 页 共 20 页7(2)NTmNn)601/()/(通常 m 为 60。桂林电子科技大学课程设计论文 第 8 页 共 20 页83 系统概述系统主要由 AT89S52 单片机处理系统、电机、信号采集单元、信号处理单元和显示系统等几个部分组成，如图 1:图1 系统组
15、成框图3.1 转动系统红外线转速表采用的红外线探头有直接式和反射式两种。本设计中采用直射式测量电机转速。当不透光的物体挡住发射与接收之间的间隙时，接收电路产生电信号。3.2 信号采集及其处理被测物理量经过红外探头进行光电变换后，变为电阻、电流、电压、电感等某种电参数的变化值。为了进行信号的分析、处理、显示和记录，须对信号作放大、运算、分析等处理，这就引入了中间变化电路。3.3 单片机处理电路用于测量转速的脉冲信号通过 P3.5/T1 输入单片机，用 AT89S52 的定时计数器 T1对脉冲信号进行计数，用定时计数器 T0 进行定时，每 50ms 产生一个中断对数码管进行刷新，产生 120 个中
16、断后（即 6s） ，进行一次转速处理，再通过单片机对 T1 的脉冲数进行运算转换后，用数码管显示电机的转速。3.4 显示电路系统通过四位七段数码管实时显示电机的转速值。转动系统 信号采集及其处理单片机处理电路 显示电路桂林电子科技大学课程设计论文 第 9 页 共 20 页9过孔4 设计的具体实现4.1 系统硬件电路的设计4.1.1 脉冲产生模块设计设计采用了红外光电传感器，进行非接触式检测。当有物体挡在红外发光二极管和高灵敏度的红外探头之间时，接收电路将会输出一个高电平，而当没有物体挡在中间时则输出为低电平，从而形成一个脉冲。系统在红外对管间加入电动机，并在电动机的转轴上安装一转盘。在这个转盘
17、的边沿处挖出若干个圆形过孔，每当转盘随着后轮旋转的时候，接收电路将向外输出若干个脉冲。把这些脉冲通过一系列的波形整形成单片机可以识别的 TTL 电平，即可算出轮子即时的转速。因此，脉冲信号的频率大小就反映了电机转速的高低。该装置的优点是输出信号的幅值与转速无关，而且可测转速范围大，一般为 1104 r/s 以上，精确度高。脉冲发生源的硬件结构图如图 2 所示。 图2 脉冲发生源硬件结构图（左为正视图，右为侧视图）4.1.2 转速信号处理模块设计转速信号处理电路包括信号放大电路、整形电路。由于产生的电压信号很小，所以要采用共射电路进行放大处理，然后再使用 NE555 进行脉冲整形工作，使输出为矩形脉冲。
