畢業(yè)設(shè)計（論文）基于AT89S52單片機的光電開關(guān)測速系統(tǒng)設(shè)計

1、長沙學(xué)院changsha university畢業(yè)設(shè)計（論文）資料設(shè)計（論文）題目： 基于at89s52單片機的 光電開關(guān)測速系統(tǒng)設(shè)計 系部： 電子與通信工程系 專 業(yè)： 應(yīng)用物理學(xué) 學(xué) 生 姓 名： 班 級： 一 班 學(xué)號 2006041109 指導(dǎo)教師姓名： 職稱 教 授 職稱 助 教 最終評定成績 長沙學(xué)院教務(wù)處二七年十月制目 錄第一部分 設(shè)計說明書一、設(shè)計說明書第二部分 外文資料翻譯一、外文資料原文二、外文資料翻譯第三部分 過程管理資料一、 畢業(yè)設(shè)計（論文）課題任務(wù)書二、 本科畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告三、 本科畢業(yè)設(shè)計（論文）中期報告四、 畢業(yè)設(shè)計（論文）指導(dǎo)教師評閱表五、 畢業(yè)設(shè)計（

2、論文）評閱教師評閱表六、 畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯評審表2010屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）資料第一部分 設(shè)計說明書（2010屆）本科生畢業(yè)設(shè)計說明書基于at89s52單片機的光電開關(guān)測速系統(tǒng)設(shè)計系 部： 電子與通信工程系 專 業(yè)： 應(yīng)用物理學(xué) 學(xué) 生 姓 名： 班 級： 一班 學(xué)號 2006041109 指導(dǎo)教師姓名： 職稱 教授 職稱 助教 最終評定成績 2010年 5月 長沙學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計基于at89s52單片機的光電開關(guān)測速系統(tǒng)設(shè)計系 （部）： 電子與通信工程系專 業(yè)： 應(yīng) 用 物 理 學(xué) 號： 2006041109 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 教 授 助 教2010年5月 長沙學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（

3、論文）摘 要 轉(zhuǎn)速是各類電機運行過程中的一個重要監(jiān)測量，目前國內(nèi)外常用的轉(zhuǎn)速測量方法有離心式轉(zhuǎn)速表測速法、閃光測速法、光電碼盤測速法和霍爾元件測速法等。通過對現(xiàn)行電機測速方法的研究發(fā)現(xiàn)離心式轉(zhuǎn)速表由于要直接與電機轉(zhuǎn)軸連接，且測速儀為電機的負載，電機功耗較大，甚至有些電機根本帶不動轉(zhuǎn)速表，所以在電機的測速中使用受到限制。本文介紹了一種基于at89s52單片機的光電開關(guān)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的設(shè)計。系統(tǒng)采用對射式光電開關(guān)產(chǎn)生與齒輪相對應(yīng)的脈沖信號，使用at89s52單片機采樣脈沖信號并計算每分鐘內(nèi)脈沖信號的數(shù)目，即電機對應(yīng)的轉(zhuǎn)速值，最終系統(tǒng)通過數(shù)碼管實時顯示電機的轉(zhuǎn)速值。經(jīng)過仿真測試和軟硬件系統(tǒng)的搭建，本系

4、統(tǒng)滿足設(shè)計要求，且結(jié)構(gòu)簡單、實用。系統(tǒng)在降低測速器成本，提高測速穩(wěn)定性及可靠性等方面有一定價值，具有廣泛的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)速測量，單片機，光電開關(guān) v 長沙學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）abstract rotational speed is an important parameter for motor. nowadays, the centrifugal tachometer, flashlight，opticalelectrical encoder, hall sensor are used in rev-measuring. through the research into the ex

5、isting measuring methods, it is found that the micromotors consumpts too much power and even some of them can not run the tachometer by using the centrifugal tachometer which attached to the motor directly. so it is limited in the use of rev-measuring of motor.a photoelectric switch speed measuring

6、system which based on the mcu of at89s52 was designed in this paper. the opposite-type photoelectric switches were used to generate pulse signal corresponding to the gears. the at89s52 was used to sample the pulse signal and calculate the amount of the pulse signal per minute which is the value of t

7、he motor speed. the value of the motor will be displayed real-time by numerical code tubes. through the simulation test, the hardware and the software implementing, the system meets the design demands. its simple and practical. it will have a broad prospects because of reducing the cost of the speed

8、 detector and improving the stability and reliability of measurement .keywords: speed measurement ,scm,photoelectric switch 目錄摘 要iabstractii第1章 緒論11.1 課題背景11.2 國內(nèi)外發(fā)展情況11.3 系統(tǒng)研究的內(nèi)容及其組成2第2章 系統(tǒng)設(shè)計原理42.1 at89s52單片機介紹42.1.1 主要性能42.1.2 引腳功能52.1.3 定時/計數(shù)器的結(jié)構(gòu)72.1.4 定時/計數(shù)器的控制72.1.5中斷控制92.2 光電傳感器92.2.1光電開關(guān)的工作原理

9、92.2.2 光電開關(guān)的分類102.2.3 光電開關(guān)的特點102.3 led顯示接口技術(shù)112.3.1 led顯示器的結(jié)構(gòu)112.3.2數(shù)碼管的顯示方式及其特點12第3章 硬件系統(tǒng)設(shè)計143.1 測速信號采集及其處理143.1.1 轉(zhuǎn)速測量原理143.1.2 檢測裝置安裝153.1.3 信號處理電路153.2 單片機處理電路設(shè)計163.2.1 時鐘電路173.2.1 復(fù)位電路173.2.1 定時與計數(shù)設(shè)計183.3 顯示部分19第4章 軟件設(shè)計214.1 語言的選用214.2 程序設(shè)計流程圖214.3 原程序代碼24第5章 系統(tǒng)仿真與電路實現(xiàn)285.1 系統(tǒng)仿真285.1.1 程序編譯285.

10、1.2 電路仿真285.2 電路實現(xiàn)29結(jié) 論31參考文獻32致 謝33 長沙學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）第1章 緒論1.1 課題背景 電機作為一種量大面廣的產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟的各個行業(yè)中。而電機的生產(chǎn)王國正在由日本轉(zhuǎn)移到中國，尤其是浙江溫州和廣東珠三角地區(qū)。廣東省佛山市順德區(qū)就有大大小小的電機生產(chǎn)廠家上百家，每年生產(chǎn)上億臺電機，同時順德有許多家電生產(chǎn)廠家，家電中也要大量用到電機，不管是電機生產(chǎn)廠家，還是將電機作為它們的產(chǎn)品中的零部件的廠家，要將它們的產(chǎn)品打到國際市場上，迫切需要is09002認證，is09002要求生產(chǎn)產(chǎn)品所用的零部件以及最終的產(chǎn)品都要經(jīng)過本單位的質(zhì)量檢測，也就是說，在順德，每

11、年要檢測幾億個電機，對電機的測試儀的需求非常迫切。電機測試的參數(shù)主要有：效率、功率因數(shù)、定子輸入電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速等，本課題主要研究轉(zhuǎn)速的測量。1.2 國內(nèi)外發(fā)展情況轉(zhuǎn)速是各類電機運行中的一個重要物理量，如何準確、快速而又方便地測量電機轉(zhuǎn)速，極為重要。目前國內(nèi)外常用的轉(zhuǎn)速測量方法有離心式轉(zhuǎn)速表測速法、測速發(fā)電機測速法、閃光測速法、光電碼盤測速法和霍爾元件測速法1。(1)離心式轉(zhuǎn)速表測速法離心式轉(zhuǎn)速表是利用離心原理制成的測速儀表，可以直接讀出轉(zhuǎn)速。測轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)速表的端頭要插入電機轉(zhuǎn)軸的中心孔內(nèi)，插入前，應(yīng)注意清除中心孔中的油污，并使轉(zhuǎn)速表的軸與電機的軸保持同心，不可上下左右偏斜，否則易將表軸扭壞，

12、并影響準確讀數(shù)，而且轉(zhuǎn)速表要間歇使用，以減少磨損和發(fā)熱。如果要改變量程，還要將轉(zhuǎn)速表取出停轉(zhuǎn)后再改變量程2。(2) 測速發(fā)電機測速法測速發(fā)電機測轉(zhuǎn)速時，測速發(fā)電機連接到被測電機的軸端，將被測電機的機械轉(zhuǎn)速變換為電壓信號輸出e=cefn，在輸出端接一個刻度以轉(zhuǎn)速為單位的電壓表，即可讀出轉(zhuǎn)速3。(3) 閃光測速法閃光測速法是利用可調(diào)脈沖頻率的專用電源施加于閃光燈上，將閃光燈的燈光照到電機轉(zhuǎn)動部分(可在電機端軸上粘貼一張標(biāo)記紙片)，當(dāng)調(diào)整脈沖頻率使黑色扇形片靜止不動時，此時脈沖的頻率是與電機轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)速是同步的4。若脈沖頻率為f，則電機的轉(zhuǎn)速為n=60f(rmin) 5。(4) 光電碼盤測速法光電碼盤

13、測速法是通過測出轉(zhuǎn)速信號的頻率或周期來測量電機轉(zhuǎn)速的一種無接觸測速法。光電碼盤安裝在轉(zhuǎn)子端軸上，隨著電機的轉(zhuǎn)動，光電碼盤也跟著一起轉(zhuǎn)動，如果有一個固定光源照射在碼盤上，則可利用光敏元件來接收到的光的次數(shù)就是碼盤的編碼數(shù)6。若編碼數(shù)為60，測量時間為t，測量到的脈沖數(shù)為n，則n=n/t。(5) 霍爾元件測速法霍爾元件測速法是利用霍爾開關(guān)元件測轉(zhuǎn)速的?；魻栭_關(guān)元件內(nèi)含穩(wěn)壓電路、霍爾電勢發(fā)生器、放大器、施密特觸發(fā)器和輸出電路。輸出電平與ttl電平兼容，在電機轉(zhuǎn)軸上裝一個圓盤，圓盤上裝若干對小磁鋼，小磁鋼越多，分辨率越高，霍爾開關(guān)固定在小磁鋼附近，當(dāng)電機轉(zhuǎn)動時，每當(dāng)一個小磁鋼轉(zhuǎn)過霍爾開關(guān)，霍爾開關(guān)便輸

14、出一個脈沖，計算出單位時間的脈沖數(shù)，即可確定旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)速。在這五種測速方法中，離心式轉(zhuǎn)速表測速法和測速發(fā)電機測速法所用的都是現(xiàn)成的測速儀表，容易得到。但轉(zhuǎn)速表或測速機都要與電機同軸連接，一方面增加了電機機組安裝難度，另一方面有些微電機功率很小，轉(zhuǎn)速表或測速機消耗的功率占了微電機大部分，更有甚者微電機甚至拖不動這些儀表，所以對微特電機的測速，這二種方法不適用。霍爾元件測速法和光電碼盤測速法的測速方法基本類似，都是在轉(zhuǎn)軸上裝一個很輕巧的傳感器，將電機的轉(zhuǎn)動信號通過磁(霍爾元件)或光(光電碼盤)轉(zhuǎn)換為電脈沖，從而通過計算電脈沖的個數(shù)來測速。閃光測速法目前實際應(yīng)用不廣泛，主要是光源的問題。本課題研究的

15、是其中的光電碼盤測速法。1.3 系統(tǒng)研究的內(nèi)容及其組成本文針對電機的轉(zhuǎn)速進行測量，以單片機為核心對光電開關(guān)產(chǎn)生的數(shù)字信號進行運算，從而測得電機的轉(zhuǎn)速，然后用數(shù)碼管把電機的轉(zhuǎn)速顯示出來。即通過光電開關(guān)將電機的轉(zhuǎn)數(shù)轉(zhuǎn)換成0，1的數(shù)字量，只要轉(zhuǎn)軸每旋轉(zhuǎn)一周，產(chǎn)生一個或固定的多個脈沖，并將脈沖送入單片機中進行計數(shù)和計算，就可獲得轉(zhuǎn)速的信息。系統(tǒng)主要由at89s52單片機處理系統(tǒng)、電機、傳感器檢測單元、信號處理單元和顯示系統(tǒng)等幾個部分組成，如圖1.1:轉(zhuǎn)動系統(tǒng)信號采集及其處理顯示電路單片機處理電路圖1.1 系統(tǒng)組成框圖31 長沙學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）第2章 系統(tǒng)設(shè)計原理 2.1 at89s52單片機介紹

16、at89s52是一種低功耗、高性能cmos8位微控制器，具有 8k 在系統(tǒng)可編程flash 存儲器。使用atmel 公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80c51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位cpu 和在系統(tǒng)可編程flash，使得at89s52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提 供高靈活、超有效的解決方案7。 2.1.1 主要性能(1)與mcs-51單片機產(chǎn)品兼容(2)8k字節(jié)在系統(tǒng)可編程flash存儲器(3)1000次擦寫周期(4)全靜態(tài)操作：0hz33hz(5)三級加密程序存儲器(6)32個可編程i/o口線(7

17、)三個16位定時器/計數(shù)器(8)八個中斷源(9)全雙工uart串行通道(10)低功耗空閑和掉電模式(11)掉電后中斷可喚醒(12)看門狗定時器(13)雙數(shù)據(jù)指針(14)掉電標(biāo)識符 2.1.2 引腳功能圖2.1 at89s52引腳圖vcc : 電源gnd : 地p0 口：p0口是一個8位漏極開路的雙向i/o口。作為輸出口，每位能驅(qū)動8個ttl邏輯電平。對p0端口寫“1”時，引腳用作高阻抗輸入。當(dāng)訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時，p0口也被作為低8位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用。在這種模式下，p0具有內(nèi)部上拉電阻。在 flash編程時，p0口也用來接收指令字節(jié)；在程序校驗時，輸出指令字節(jié)。程序校驗時，需要外部上拉電阻

18、。p1 口：p1 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向i/o 口，p1 輸出緩沖器能驅(qū)動4 個ttl 邏輯電平。對p1 端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（iil）。此外，p1.0和p1.2分別作定時器/計數(shù)器2的外部計數(shù)輸入（p1.0/t2）和時器/計數(shù)器2的觸發(fā)輸入（p1.1/t2ex），具體如下表所示。在flash編程和校驗時，p1口接收低8位地址字節(jié)。引腳號 第二功能p1.0 ：t2（定時器/計數(shù)器t2的外部計數(shù)輸入），時鐘輸出p1.1 ：t2ex（定時器/計數(shù)器t2的捕捉/重載觸發(fā)信號和方向控

19、制）p1.5 ：mosi（在系統(tǒng)編程用）p1.6 ：miso（在系統(tǒng)編程用）p1.7 ：sck（在系統(tǒng)編程用）p2 口：p2 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向i/o 口，p2 輸出緩沖器能驅(qū)動4 個ttl 邏輯電平。對p2 端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（iil）。在訪問外部程序存儲器或用16位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行movx dptr）時，p2 口送出高八位地址。在這種應(yīng)用中，p2 口使用很強的內(nèi)部上拉發(fā)送1。在使用8位地址（如movx ri）訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，p2口輸出p2鎖存器

20、的內(nèi)容。在flash編程和校驗時，p2口也接收高8位地址字節(jié)和一些控制信號。p3 口：p3 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向i/o 口，p2 輸出緩沖器能驅(qū)動4 個ttl 邏輯電平。對p3 端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（iil）。p3口亦作為at89s52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。在flash編程和校驗時，p3口也接收一些控制信號。引腳號第二功能p3.0 rxd（串行輸入）p3.1 txd（串行輸出）p3.2 int0(外部中斷0)p3.3 int0(外部中斷0)p3.4 t0（定

21、時器0外部輸入）p3.5 t1（定時器1外部輸入）p3.6 wr(外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通)p3.7 rd(外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通)rst: 復(fù)位輸入。晶振工作時，rst腳持續(xù)2 個機器周期高電平將使單片機復(fù)位?？撮T狗計時完成后，rst 腳輸出96 個晶振周期的高電平。特殊寄存器auxr(地址8eh)上的disrto位可以使此功能無效。disrto默認狀態(tài)下，復(fù)位高電平有效。ale/prog：地址鎖存控制信號（ale）是訪問外部程序存儲器時，鎖存低8 位地址的輸出脈沖。在flash編程時，此引腳（prog）也用作編程輸入脈沖。在一般情況下，ale 以晶振六分之一的固定頻率輸出脈沖，可用來作為外部定時

22、器或時鐘使用。然而，特別強調(diào)，在每次訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，ale脈沖將會跳過。如果需要，通過將地址為8eh的sfr的第0位置“1”，ale操作將無效。這一位置“1”，ale 僅在執(zhí)行movx 或movc指令時有效。否則，ale 將被微弱拉高。這個ale 使能標(biāo)志位（地址為8eh的sfr的第0位）的設(shè)置對微控制器處于外部執(zhí)行模式下無效。psen:外部程序存儲器選通信號（psen）是外部程序存儲器選通信號。當(dāng) at89s52從外部程序存儲器執(zhí)行外部代碼時，psen在每個機器周期被激活兩次，而在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，psen將不被激活。ea/vpp:訪問外部程序存儲器控制信號。為使能從0000h 到

23、ffffh的外部程序存儲器讀取指令，ea必須接gnd。為了執(zhí)行內(nèi)部程序指令，ea應(yīng)該接vcc。在flash編程期間，ea也接收12伏vpp電壓。xtal1:振蕩器反相放大器和內(nèi)部時鐘發(fā)生電路的輸入端。xtal2:振蕩器反相放大器的輸出端。2.1.3 定時/計數(shù)器的結(jié)構(gòu)定時/計數(shù)器的實質(zhì)是加1計數(shù)器（16位），由高8位和低8位兩個寄存器組成。tmod是定時/計數(shù)器的工作方式寄存器，確定工作方式和功能；tcon是控制寄存器，控制t0、t1的啟動和停止及設(shè)置溢出標(biāo)志8。定時/計數(shù)器結(jié)構(gòu)如圖2.2所示： 圖2.2 定時/計數(shù)器結(jié)構(gòu)2.1.4 定時/計數(shù)器的控制at89s52單片機定時/計數(shù)器的工作由兩

24、個特殊功能寄存器控制。tmod用于設(shè)置其工作方式；tcon用于控制其啟動和中斷申請9。1.工作方式寄存器tmod 工作方式寄存器tmod用于設(shè)置定時/計數(shù)器的工作方式，低四位用于t0，高四位用于t1。其格式如下：gate：門控位。gate0時，以運行控制位trx(x=0，1)來啟動定時/計數(shù)器運行；gata1時，要用軟件使tr0或tr1為1，同時外部中斷引腳或也為高電平時，才能啟動定時/計數(shù)器工作；c/t計數(shù)器模式和定時器模式選擇位c/t=1時，選擇計數(shù)器模式，計數(shù)器對外部輸入引腳t0（p3.4）或t1（p3.5）的外部脈沖計數(shù)；c/t=0時，選擇定時器模式。m1m0：工作方式設(shè)置位。定時/計

25、數(shù)器有四種工作方式，由m1m0進行設(shè)置。2.控制寄存器tcon tcon的低4位用于控制外部中斷,已在前面介紹。tcon的高4位用于控制定時/計數(shù)器的啟動和中斷申請。其格式如下：位76543210字節(jié)地址：88htf1tr1tf0tr0tcontf1（tcon.7）：t1溢出中斷請求標(biāo)志位。t1計數(shù)溢出時由硬件自動置tf1為1。cpu響應(yīng)中斷后tf1由硬件自動清0。t1工作時，cpu可隨時查詢tf1的狀態(tài)。所以，tf1可用作查詢測試的標(biāo)志。tf1也可以用軟件置1或清0，同硬件置1或清0的效果一樣。tr1（tcon.6）：t1運行控制位。tr1置1時，t1開始工作；tr1置0時，t1停止工作。t

26、r1由軟件置1或清0。所以，用軟件可控制定時/計數(shù)器的啟動與停止。tf0（tcon.5）：t0溢出中斷請求標(biāo)志位，其功能與tf1類同。tr0（tcon.4）：t0運行控制位，其功能與tr1類同。2.1.5中斷控制cpu對中斷系統(tǒng)所有中斷以及某個中斷源的開放和屏蔽是由中斷允許寄存器ie控制的10。位76543210字節(jié)地址：88heaeset1ex1et0ex0ie ex0(ie.0)，外部中斷0允許位； et0(ie.1)，定時/計數(shù)器t0中斷允許位； ex1(ie.2)，外部中斷0允許位； et1(ie.3)，定時/計數(shù)器t1中斷允許位； es（ie.4)，串行口中斷允許位； ea (ie.

27、7)， cpu中斷允許（總允許）位。2.2 光電傳感器目前，光電開關(guān)已被用作物位檢測、液位控制、產(chǎn)品計數(shù)、寬度判別、速度檢測、定長剪切、孔洞識別、信號延時、自動門傳感、色標(biāo)檢出、沖床和剪切機以及安全防護等諸多領(lǐng)域。此外，利用紅外線的隱蔽性，還可在銀行、倉庫、商店、辦公室以及其它需要的場合作為防盜警戒之用。光電開關(guān)把發(fā)射端和接收端之間光的強弱變化轉(zhuǎn)化為電流的變化以達到探測的目的。由于光電開關(guān)輸出回路和輸入回路是電隔離的（即電緣絕），所以它可以在許多場合得到應(yīng)用。光電傳感器具有線性度好、分辨率高、噪音小和精度高、無觸點、無機械碰撞、響應(yīng)快、控制精度高，而且能識別色標(biāo)等優(yōu)點，在此我們選擇光電轉(zhuǎn)速傳感

28、器來進行轉(zhuǎn)速的檢測11。2.2.1光電開關(guān)的工作原理本課題中使用的光電開關(guān)是根據(jù)光敏二極管工作原理制造的一種感應(yīng)接收光強度變化的器件，當(dāng)它發(fā)出的光被目標(biāo)反射或阻斷時，則接收器感應(yīng)出相應(yīng)的電信號。它包含調(diào)制光源，由光敏元件等組成的光學(xué)系統(tǒng)、放大器、開關(guān)或模擬量輸出裝置，其工作原理如圖2.3 所示。光電式傳感器由獨立且相對放置的光發(fā)射器和收光器組成。當(dāng)目標(biāo)通過光發(fā)射器和收光器之間并阻斷光線時，傳感器輸出信號。它是效率最高、最可靠的檢測裝置。槽形（u形）光電開關(guān)是對射式的變形，其優(yōu)點是無須調(diào)整光軸12。 圖2.3 光電傳感器原理圖2.2.2 光電開關(guān)的分類（1）漫反射式光電開關(guān)：它是一種集發(fā)射器和接

29、收器于一體的傳感器，當(dāng)有被檢測物體經(jīng)過時，物體將光電開關(guān)發(fā)射器發(fā)射的足夠量的光線反射到接收器，于是光電開關(guān)就產(chǎn)生了開關(guān)信號。當(dāng)被檢測物體的表面光亮或其反光率極高時，漫反射式的光電開關(guān)是首選的檢測模式（2）鏡反射式光電開關(guān)：它亦集發(fā)射器與接收器于一體，光電開關(guān)發(fā)射器發(fā)出的光線經(jīng)過反射鏡反射回接收器，當(dāng)被檢測物體經(jīng)過且完全阻斷光線時，光電開關(guān)就產(chǎn)生了檢測開關(guān)信號。（3）對射式光電開關(guān)：它包含了在結(jié)構(gòu)上相互分離且光軸相對放置的發(fā)射器和接收器，發(fā)射器發(fā)出的光線直接進入接收器，當(dāng)被檢測物體經(jīng)過發(fā)射器和接收器之間且阻斷光線時，光電開關(guān)就產(chǎn)生了開關(guān)信號。當(dāng)檢測物體為不透明時，對射式光電開關(guān)是最合適的檢測裝置

30、（4）槽式光電開關(guān)：它通常采用標(biāo)準的u字型結(jié)構(gòu)，其發(fā)射器和接收器分別位于u型槽的兩邊，并形成一光軸，當(dāng)被檢測物體經(jīng)過u型槽且阻斷光軸時，光電開關(guān)就產(chǎn)生了開關(guān)量信號。槽式光電開關(guān)比較適合檢測高速運動的物體，并且它能分辨透明與半透明物體,使用安全可靠（5）光纖式光電開關(guān)：它采用塑料或玻璃光纖傳感器來引導(dǎo)光線，可以對距離遠的被檢測物體進行檢測。通常光纖傳感器分為對射式和漫反射式。 2.2.3 光電開關(guān)的特點mgk系列光電開關(guān)是現(xiàn)代微電子技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，是hgk系列紅外光電開關(guān)的升級換代產(chǎn)品。與以往的光電開關(guān)相比具有自己顯著的特點：（1）具有自診斷穩(wěn)定工作區(qū)指示功能，可及時告知工作狀態(tài)是否可靠；（2）

31、對射式、反射式、鏡面反射式光電開關(guān)都有防止相互干擾功能，安裝方便；（3）對es外同步（外診斷）控制端的進行設(shè)置可在運行前預(yù)檢光電開關(guān)是否正常工作。并可隨時接受計算機或可編程控制器的中斷或檢測指令，外診斷與自診斷的適當(dāng)組合可使光電開關(guān)智能化；（4）響應(yīng)速度快，高速光電開關(guān)的響應(yīng)速度可達到0.1ms，每分鐘可進行30萬次檢測操作，能檢出高速移動的微小物體；（5）采用專用集成電路和先進的smt表面安裝工藝，具有很高的可靠性；（6）體積?。ㄗ钚H203112mm）、重量輕，安裝調(diào)試簡單，并具有短路保護功能。2.3 led顯示接口技術(shù)led是近年來全球最具發(fā)展前景的高技術(shù)領(lǐng)域之一，led具有壽命長、耗能

32、少、體積小、響應(yīng)快、抗震抗低溫、污染小等突出的優(yōu)點，被稱為第四代照明光源或綠色光源，將成為人類照明史上繼白熾燈、熒光燈之后的又一次標(biāo)志性的飛躍，將孕育新的光源革命。隨著led高效節(jié)能技術(shù)的不斷創(chuàng)新與突破，其全面取代傳統(tǒng)光源已為時不遠。目前我國led產(chǎn)業(yè)已經(jīng)形成了四大片區(qū)(珠三角、長三角、福建江西地區(qū)、北方地區(qū))、七大基地(大連、上海、深圳、南昌、廈門、揚州、石家莊)的產(chǎn)業(yè)格局，形成了包括led外延片的生產(chǎn)、led芯片的制備、led芯片的封裝以及l(fā)ed產(chǎn)品應(yīng)用在內(nèi)的較為完整的產(chǎn)業(yè)鏈，產(chǎn)品技術(shù)研發(fā)、工程應(yīng)用等方面獲得飛速發(fā)展。2.3.1 led顯示器的結(jié)構(gòu)led數(shù)碼管（led segment di

33、splays）是由多個發(fā)光二極管封裝在一起組成“8”字型的器件，引線已在內(nèi)部連接完成，只需引出它們的各個筆劃，公共電極。led數(shù)碼管常用段數(shù)一般為7段，有的另加一個小數(shù)點，如圖2.4（a）所示。led數(shù)碼管根據(jù)led的接法不同分為共陰和共陽兩類，不同類型的數(shù)碼管，除了它們的硬件電路有差異外，編程方法也是不同的，前者是高電平點亮，后者是低電平點亮。圖2.4(b)是共陰和共陽極數(shù)碼管的內(nèi)部電路，它們的發(fā)光原理是一樣的，只是它們的電源極性不同而已。七段led數(shù)碼管顯示原理很簡單，只要控制其中各段led的亮與滅跡可顯示相應(yīng)的數(shù)字、字母或符號，控制七段led顯示器進行顯示信息稱為七段碼13。圖2.4 數(shù)

34、碼管的結(jié)構(gòu)及接法2.3.2數(shù)碼管的顯示方式及其特點led數(shù)碼管要正常顯示，就要用驅(qū)動電路來驅(qū)動數(shù)碼管的各個段碼，從而顯示出我們要的數(shù)位，因此根據(jù)led數(shù)碼管的驅(qū)動方式的不同，可分為靜態(tài)式和動態(tài)式兩類。靜態(tài)顯示（如圖2.5）的特點是每個數(shù)碼管的段選必須接一個8位數(shù)據(jù)線來保持顯示的字形碼。當(dāng)送入一次字形碼后，顯示字形可一直保持，直到送入新字形碼為止。靜態(tài)顯示的優(yōu)點是：數(shù)碼管顯示無閃爍，亮度高，軟件控制比較容易，占用cpu時間少，顯示便于監(jiān)測和控制；缺點是：需要的硬件電路比較復(fù)雜（每一個數(shù)碼管都需要一個鎖存器），成本較高，而且由于所有數(shù)碼管都處于被點亮狀態(tài)，所以需要的電流很大，當(dāng)數(shù)碼管的數(shù)量增多時，

35、對電源的要求也就隨之增高。所以，在大部分的硬件電路設(shè)計中，很少采用靜態(tài)顯示方式。圖2.5 靜態(tài)顯示連接方式動態(tài)顯示（如圖2.6）的特點是將所有位數(shù)碼管的段選線并聯(lián)在一起，由位選線控制是哪一位數(shù)碼管有效。選亮數(shù)碼管采用動態(tài)掃描顯示。所謂動態(tài)掃描顯示即輪流向各位數(shù)碼管送出字形碼和相應(yīng)的位選，利用發(fā)光管的余輝和人眼視覺暫留作用，使人的感覺好像各位數(shù)碼管同時都在顯示。動態(tài)顯示的亮度比靜態(tài)顯示要差一些，所以在選擇限流電阻時應(yīng)略小于靜態(tài)顯示電路中的。動態(tài)顯示的優(yōu)點是：硬件電路簡單（數(shù)碼管越多，這個優(yōu)勢越明顯），由于每個時刻只有一個數(shù)碼管被點亮，所以所有數(shù)碼管消耗的電流較??；缺點是：數(shù)碼管亮度不如靜態(tài)顯示時

36、的亮度高，例如有8個數(shù)碼管，以1秒為單位，每個數(shù)碼管點亮的時間只有1/8秒，所以亮度較低；如果刷新率較低，會出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象；如果數(shù)碼管直接與單片機連接，軟件控制上會比較麻煩等。圖2.6 動態(tài)顯示連接方式第3章 硬件系統(tǒng)設(shè)計 根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計要求本系統(tǒng)分為測速信號采集與處理模塊，單片機模塊以及顯示模塊三大部分?，F(xiàn)分別介紹如下。3.1 測速信號采集及其處理本設(shè)計中采用對射式光電傳感器測量電機轉(zhuǎn)速。當(dāng)不透光的物體擋住發(fā)射與接收之間的間隙時，開關(guān)管關(guān)斷，反之打開?？梢灾谱饕粋€遮光葉片如圖3.1(b)所示，安裝在電機轉(zhuǎn)軸上，當(dāng)葉片轉(zhuǎn)動時，光電開關(guān)產(chǎn)生脈沖信號。當(dāng)葉片數(shù)較多時，旋轉(zhuǎn)一周可以獲得多個脈沖信號。 假

37、設(shè)系統(tǒng)采用10個葉片，在一分鐘的內(nèi)產(chǎn)生了10000脈沖，則電機的轉(zhuǎn)速就為1000r/min。 （a）傳感器 （b）轉(zhuǎn)盤圖3.1 傳感器及轉(zhuǎn)盤3.1.1 轉(zhuǎn)速測量原理在此采用頻率測量法，其測量原理為，在固定的測量時間內(nèi)，計取轉(zhuǎn)速傳感器發(fā)生的脈沖個數(shù)（即頻率），從而算出實際轉(zhuǎn)速。設(shè)固定的測量時間t （min），計數(shù)器計取的脈沖個數(shù)m1，假定脈沖發(fā)生器每轉(zhuǎn)輸出p個脈沖，對應(yīng)被測轉(zhuǎn)速為n（r/min），就可算出實際轉(zhuǎn)速值n = 60m1/ pt。本檢測裝置中發(fā)動機的轉(zhuǎn)速傳感器信號盤安裝在曲軸上，工作時傳感器輸出信號經(jīng)整形后可得到相應(yīng)的方波脈沖信號。利用at89s52單片機的輸入捕捉功能，可得到相鄰的兩

38、個負跳變的時間差，即可算出當(dāng)前轉(zhuǎn)速n。公式為14： (3.1)式中，i轉(zhuǎn)速信號盤每轉(zhuǎn)輸出信號數(shù)；j信號盤轉(zhuǎn)1圈發(fā)動機轉(zhuǎn)的圈數(shù)（信號盤安裝在曲軸上時j=1，裝在凸輪軸上則j=2）； t單片機輸入捕捉所計算出的相鄰兩個負跳變的時間差值。3.1.2 檢測裝置安裝 此檢測裝置按照發(fā)動機上傳感器的實際安裝位置進行安裝。如圖3.2，將信號盤固定在電動機轉(zhuǎn)軸上，光電轉(zhuǎn)速傳感器正對著信號盤。光電轉(zhuǎn)速傳感器接有4根導(dǎo)線，用于連接發(fā)光二極管和光敏三極管，其中發(fā)光二極管的紅線連接其正極，綠線連接其負極，光敏三級管的紅線連接其集電極，綠線連接其發(fā)射極。測量頭由光電轉(zhuǎn)速傳感器組成，而且測量頭兩端的距離與信號盤的距離相等

39、。測量用器件封裝后，固定裝在貼近信號盤的位置，當(dāng)信號盤轉(zhuǎn)動時，光電元件即可輸出正負交替的周期性脈沖信號。信號盤旋轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生的脈沖數(shù)，等于其上的齒數(shù)。因此，脈沖信號的頻率大小就反映了信號盤轉(zhuǎn)速的高低。該裝置的優(yōu)點是輸出信號的幅值與轉(zhuǎn)速無關(guān)，而且可測轉(zhuǎn)速范圍大，一般為1r/s104 r/s以上，精確度高。圖3.2 轉(zhuǎn)速檢測裝置3.1.3 信號處理電路 被測物理量經(jīng)過傳感器變換后，變?yōu)殡娮?、電流、電壓、電感等某種電參數(shù)的變化值。為了進行信號的分析、處理、顯示和記錄，須對信號作放大、運算、分析等處理，這就引入了中間變化電路。根據(jù)系統(tǒng)需要設(shè)計了如圖3.3 所示的中間變換電路。其中，r1、r4 起限流作用

40、，r2 起分流作用，r3 為輸出電阻。當(dāng)轉(zhuǎn)盤上的梯形孔旋轉(zhuǎn)至與光電開關(guān)的透光位置重合時，輸出低電平；當(dāng)通光孔被遮住時，輸出高電平。圖3.3 信號處理電路3.2 單片機處理電路設(shè)計如下圖所示，x1為12mhz的晶振，9口為復(fù)位接口，通過開關(guān)控制。用于測量轉(zhuǎn)速的脈沖通過p3.5/t1輸入單片機，用at89s52的定時計數(shù)器t1對脈沖信號進行計數(shù)，用定時計數(shù)器t0進行定時，每10ms產(chǎn)生一個中斷對數(shù)碼管進行刷新，產(chǎn)生500個中斷后（即5s），進行一次轉(zhuǎn)速處理，再通過單片機對t1的脈沖數(shù)進行運算轉(zhuǎn)換后，用四連數(shù)碼管顯示電機的轉(zhuǎn)速。如圖3.4所示：圖3.4 at89s52單片機處理電路3.2.1 時鐘電

41、路 單片機各功能部件的運行都是以時鐘控制信號為基準，有條不紊地一拍一拍地工作。因此，時鐘頻率直接影響單片機的速度，時鐘電路的質(zhì)量也直接影響單片機系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本設(shè)計中此采用內(nèi)部時鐘方式，如圖3.5所示，以石英晶體振蕩器和兩個片電容組成外部振蕩源。片內(nèi)的高增益反相放大器通過xtal1、xtal2外接，作為反饋元件的片外晶體振蕩器與電容組成的并聯(lián)諧振回路構(gòu)成一個自激振蕩器，向內(nèi)部時鐘電路提供振蕩時鐘。振蕩器的頻率取決于晶振的振蕩頻率，振蕩頻率范圍為1.212mhz。工程應(yīng)用時通常采用6mhz或12mhz。圖中x1為12mhz，電容c2、c4為33pf，它們一起構(gòu)成此單片機的自激振蕩器。 圖3.5

42、時鐘電路連接圖3.2.1 復(fù)位電路單片機的rst引腳為復(fù)位（reset）端。當(dāng)單片機振蕩器工作時，該引腳上出現(xiàn)持續(xù)兩個機器周期的低電平，就可以實現(xiàn)系統(tǒng)復(fù)位，使單片機回到初始狀態(tài)。如圖3.6所示，本設(shè)計采用手動復(fù)位，用一個電容與一個10k電阻串聯(lián)組成，電阻接vcc，電容接地，reset腳接在它們中間，rc選擇10uf，按鍵與200r電阻串聯(lián)，在電容兩端并聯(lián)，就成了按鍵復(fù)位電路，未上電時，rst端為高電平，只要按下這個按鍵，rst端轉(zhuǎn)換為低電平，經(jīng)過兩個機器周期后，單片機就能復(fù)位。圖3.6 at89s52單片機處理電路3.2.1 定時與計數(shù)設(shè)計 根據(jù)設(shè)計需要選擇方式1比較合適，當(dāng)m1、m0為01時

43、，定時器/計數(shù)器工作于方式1，這時定時器/計數(shù)器的等效電路如圖3.7所示：圖3.7 定時/計數(shù)器方式1邏輯結(jié)構(gòu)框圖 此時，定時/計數(shù)器為16位的計數(shù)器，由tlx（x=0，1）的低5位和thx的高8位組成。tlx低5位溢出則向thx進位，thx計數(shù)溢出則置位tcon中的溢出標(biāo)志位tfx。系統(tǒng)選擇定時/計數(shù)方式1，以t1作為計數(shù)器對光電開關(guān)產(chǎn)生的脈沖進行計數(shù)，用t0作為定時器，每10ms產(chǎn)生一定時中斷對數(shù)碼管進行刷新，產(chǎn)生500次中斷后，對t1接受到的脈沖數(shù)進行計算處理，得出轉(zhuǎn)速。（1）用于定時工作方式，其定時時間為： t=（216-t1的初值）振蕩周期12此設(shè)計采用的是12mhz的晶振，定時器t

44、0定時為10ms，將參數(shù)帶入公式 ：有，t1=65536-10000=55536；換成十六進制，則t1=0xd8f0 ； 所以對于定時器t0有，tmod = 0x01；th0 = 0xd8；tl0 = 0xf0；（2）用于計數(shù)工作方式，計數(shù)長度為： 216=65536(個外部脈沖)由此可知規(guī)定時間（5s）內(nèi)外部脈沖個數(shù)不超過65536即可。3.3 顯示部分led靜態(tài)顯示的亮度高，占用cpu的時間短，但它的成本高。為了簡化硬件電路，降低成本，在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中常采用動態(tài)掃描的方法，解決多位led顯示的問題。動態(tài)掃描顯示的硬件接口簡單，只需一個公共的七段碼輸出口（字形口），即所有顯示位的段選線并聯(lián)

45、在一起，由一個8位i/o口控制。一個選擇顯示為的數(shù)位選擇口（字位口），由其它的i/o口控制。顯示時，從左到右輪流點亮每位顯示器，由于視覺的暫留，只要保證掃描周期不超過一定的限度（一般在20ms以下），即每一時刻位選只選通一個顯示位，同時段選控制口輸出顯示字符對應(yīng)的段選碼，使該位顯示的字符，一定時間后，再選其他顯示位，如此循環(huán)，使每個顯示器件顯示該位相應(yīng)的字符。則可達到“同時”顯示各位不同的數(shù)字或字符的目的。如下圖所示為四連數(shù)碼管，其中a、b、c、d、e、f、g、dp分別對應(yīng)數(shù)碼管的8段，連接單片機的i/o口（p1口）。1、2、3、4從左至右分別是4位數(shù)碼管的位選，通過單片機p2.4p2.7口控

46、制。圖3.8 數(shù)碼管連接電路第4章 軟件設(shè)計4.1 語言的選用 本設(shè)計中采用的處理器是at89s52單片機，由此可采用面向mcs-51的程序設(shè)計語言，包括asm51匯編語言和c51高級語言，這兩種語言各有特點。匯編語言更接近機器語言，常用來編制與系統(tǒng)硬件相關(guān)的程序，如訪問i/o端口、中斷處理程序、實時控制程序、實時通信程序等；而數(shù)學(xué)運算程序則適合用c51高級語言編寫，因為用高級語言編寫運算程序可提高編程效率和應(yīng)用程序的可靠性15。 c語言是一種通用的計算機程序設(shè)計語言，在國際上十分流行，它即可用來編寫計算機系統(tǒng)程序，也可以用來編寫一般的應(yīng)用程序。以前計算機的系統(tǒng)軟件主要是用匯編語言編寫的，對于

47、單片機應(yīng)用系統(tǒng)來說更是如此。由于匯編語言程序的可讀性和可移植性都較差，采用匯編語言編寫單片機應(yīng)用程序的周期長，而且調(diào)試和排錯也比較困難。c語言具有很好的可移植性和硬件控制能力，表達和運算能力也較強。它具有以下特點：1 語言簡潔，使用方便靈活。2 可移植性好。3 表達能力強。4 表達方式靈活。5 可進行架構(gòu)化程序設(shè)計。6 可以直接操作計算機硬件。7 生成的目標(biāo)代碼質(zhì)量高。為了提高編制計算機系統(tǒng)和應(yīng)用程序的效率，改善程序的可讀性和可移植性，在此采用高級語言編程16。4.2 程序設(shè)計流程圖本系統(tǒng)用計數(shù)程序采集信號脈沖，用定時器產(chǎn)生中斷，對數(shù)碼管刷新和緩沖區(qū)數(shù)據(jù)進行更新，輔以數(shù)碼管進行顯示。計數(shù)程序流

48、程如圖4.1；定時顯示程序流程如圖4.2。開始初始化計數(shù)器t1計數(shù)脈沖按公式：轉(zhuǎn)速=60*脈沖數(shù)/(齒輪數(shù)*t)計算數(shù)據(jù)flag_clac=1？數(shù)據(jù)緩沖區(qū) n y 更新數(shù)據(jù)圖4.1 脈沖計數(shù)程序流程圖程序說明：將定時器設(shè)置為方式1，對外部脈沖進行計數(shù)，并判斷flag_clac的值。當(dāng)flag_calc=1時，將脈沖的數(shù)值由十六進制轉(zhuǎn)換成十進制，按轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換公式轉(zhuǎn)換后，載入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。初始化定時10ms？t=500？flag_clac=1數(shù)據(jù)緩沖區(qū)顯示時間計數(shù)清零t=0產(chǎn)生定時中斷開始時間計數(shù)t+ 更新數(shù)據(jù) n y n y 圖4.2 定時顯示程序流程圖程序說明：定時器設(shè)置為方式1，定時10ms。當(dāng)

49、定時達到10ms時，產(chǎn)生中斷，對數(shù)碼管進行刷新，顯示轉(zhuǎn)速，并使時間計數(shù)標(biāo)志t加1。當(dāng)時間計數(shù)標(biāo)志t=500時，使flag_calc置1，取出計數(shù)器在此時間內(nèi)計算的脈沖數(shù)，通過轉(zhuǎn)速計算程序計算得出轉(zhuǎn)速值后，存入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，供數(shù)碼管顯示使用。4.3 原程序代碼 采用mcs52c語言編寫源程序:#include #define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define ulong unsigned long#define led_dat p1sbit pin_speedsenser = p35; /光電傳感器信號接在t1上#define

50、time_cylc 500/12m晶振，定時器10ms 中斷一次 我們5秒計算一次轉(zhuǎn)速 / #define plus_per 10 /碼盤的齒數(shù) ，這里假定碼盤上有10個齒，即傳感器檢測到10個脈沖，認為1圈unsigned char code table=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f;uchar data disbuf4;/ 顯示緩沖區(qū)uint tcounter = 0; /時間計數(shù)器bit flag_fresh = 0; / 刷新標(biāo)志bit flag_clac = 0; /計算轉(zhuǎn)速標(biāo)志/在數(shù)碼管上顯示一個四位數(shù)void displayfresh();/計算轉(zhuǎn)速，并把結(jié)果放入數(shù)碼管緩沖區(qū)void clacspeed();/初始化定時器t0void init_timer0();/初始化定時器t1void init_ti