课程设计报告题目：光电传感器的转速测量系统设计姓名：学号：专业班级：指导老师：目录1引言 (1)2系统组成及工作原理 (1)2.1转速测量原理 (1)2.2转速测量的一般方法 (3)2.3转速测量系统组成框图 (3)3系统硬件电路的设计 (3)3.1脉冲产生电路设计 (3)3.2光电转换及信号调理电路设计 (4)3.2.1光电传感器简介 (4)3.2.2光电转换及信号调理电路设计 (5)3.3测量系统主机部分设计 (7)3.3.1单片机 (7)3.3.2键盘显示模块设计 (9)3.3.3串行通信模块设计 (11)3.3.4电源模块设计 (12)4系统软件设计 (13)4.1程序模块设计 (13)4.2数据处理过程 (15)4.3浮点数学运算程序 (16)5制作调试 (16)6结果分析 (18)7参考文献 (18)1、引言随着社会经济的快速发展，转速测量成为了社会生产和日常生活中重要的测量和控制对象。

测速是工农业生产中经常遇到的问题，人们经常需要精确测量每秒钟转轴的转速，学会对电机转速的测量和显示具有重要的意义。

近年来，由于世界范围内对转速测量合理利用的日益重视，促使转速测量技术的迅速发展，各种新型的测量仪表相继问世并越来越多地得到应用。

由于技术保密，厂家不会提供详细电路图和源代码，用户很难自行进行二次开发和改进。

针对这种现状，使用光电传感器结合STC公司的STC 89C51型单片机设计的一种转速测量与控制系统。

STC 89C51单片机采用了CMOS工艺和高密度非易失性存储器技术，而且其输入/输出引脚和指令系统都与MCS-51兼容，是开发该系统的适合芯片。

2 、系统组成及工作原理2.1 转速测量原理在此采用频率测量法，其测量原理为，在固定的测量时间内，计取转速传感器产生的脉冲个数，从而算出实际转速。

设固定的测量时间为Tc（min），计数器计取的脉冲个数m，假定脉冲发生器每转输出p个脉冲，对应被测转速为N（r/min），则f=pN/60Hz；另在测量时间Tc内，计取转速传感器输出的脉冲个数m应为 m=Tcf ，所以，当测得m值时，就可算出实际转速值[1]：N=60m/pTc (r/min) （1）2.2 转速测量的一般方法一般转速测量系统有以下几个部分构成，转速测量框图如图2-1所示。

图2-1 转速测量框图1．转速信号拾取转速信号拾取是整个系统的前端通道，目的是将外界的非电参量，通过一定方式转换成电量，这一环节可以通过敏感元件、传感器或测量仪表等来实现。

方法如下：(1) 通过敏感元件拾取被测信号敏感元件体积小，可以根据用户及环境要求做成各矛头形状的探头，它能将被测的物理量变换成电流、电压，只要选择合适的元件参数。

如R、L、C设计相应的电路，便能完成这种对应关系。

这种方法设计难度大，信号稳定度差，在模拟处理系统中不宜采用。

(2) 通过传感器拾取信号由专业人员将敏感元件和相应的测量电路、传递机构以适当的形式制成不同类型、不同用处的传感器，根据原理输出电量。

该电量可以是模拟量或数字量，现代传感器还可以输出开关量，用于数字逻辑电路。

(3) 通过测量仪表拾取被测信号目前有许多测量仪表用于各种测量中，有大信号输出、有BCD码输出等，但价格昂贵，专业性强，一般不适合通用系统。

通用的转速测量系统大都采用一种俗称“码盘”的传感装置，将圆形的码盘固定在转轴上，码盘上有若干规则排列的小孔，用光电偶来输出电信号，以反映转速对应关系，即是将转轴的速度以脉冲形式反映出来，通常有两种形式：(1) 模拟量量化后经A/D转换，由数字量反映角度，供单片机计算处理，得出转速。

(2) 直接由脉冲来反应转轴的角度，用每转产生的脉冲经单片机处理得出转速。

2．整形和倍频前向通道中，从传感器输出的信号必须转换成单片机输入要求的信号，由于信号调节电路与传感器的选择，现场干扰程度等，都会影响信号的质量。

而脉冲信号的上升沿和下降沿对数字电路的触发尤为重要，若要将转速脉冲信号直接加到计数器或外部中断的输入端，并利用其上升沿来触发进行计数，则必须要求输入的信号有陡峭的上升沿或下降沿。

处理方法上可以用触发器电路来整形；而倍频电路主要用于解决低转速时测量精度问题及码盘的刻度误差而造成的精度下降问题。

方法是在每转中增加脉冲的个数(码盘的线程数)来提高精度。

但在高转速时，由于脉冲个数的增加，限制了最高转速测量量程，这个问题可用单片机控制来动态处理解决，兼顾高低转速的测量精度。

3．单片机单片机是整个测量系统的主要部分，担负对前端脉冲信号的处理、计算、以及信号的同步，计时等任务，其次，将测量的数据经计算后，将得到的转速值传送到显示接口中，用数码管显示数值。

在本系统中考虑到计数的范围、使用的定时，计数器的个数及I/O口线，预选用89C51单片机。

具体工作情况在后讨论。

4．驱动和显示由于LED数码管具有亮度高、可靠性好等特点，工业测控系统中常用LED数码管作为显示输出。

本系统也采用数码管作显示。

LED显示器是用发光二极管显示字段的，通常使用七段构成“日”字型和一只发光二极管作为小数点，称八段数码显示器。

其有两种驱动方式，共阴驱动和共阳驱动，共阴驱动是各段发光二极管的阴极连在一起，并将公共端接地，在共阳结构中，将各段发光二极管阳极连在一起，并将公共端接上+5V电源，显示字符对应字型代码发光。

2.3 转速测量系统组成框图系统由信号预处理电路、单片机STC 89C51、系统化LED显示模块、串口数据存储电路和系统软件组成。

其中信号预处理电路包含信号放大、波形变换和波形整形。

对待测信号进行放大的目的是降低对待测信号的幅度要求；波形变换和波形整形电路则用来将放大的信号转换成可与单片机匹配的TTL信号；通过对单片机的编程设置可使内部定时器T0对输入脉冲进行计数，这样就能精确地算出加到T0引脚的单位时间内检测到的脉冲数；设计中转速显示部分采用价格低廉且使用方便的LED模块，通过相关计算方法计算得到的转速通过I2C总线放到E2PROM存储，既节省了所需单片机的口线和外围器件，同时也简化了显示部分的软件编程。

系统的原理框图如图2.1所示。

图2.1 系统的原理框图3 、系统硬件电路的设计3.1 脉冲产生电路设计设计采用了红外光电传感器，进行非接触式检测。

当有物体挡在红外光电发光二极管和高灵敏度的光电晶体管之间时，传感器将会输出一个低电平，而当没有物体挡在中间时则输出为高电平，从而形成一个脉冲。

系统在光电传感器收发端间加入电动机，并在电动机的转轴上安装一转盘。

在这个转盘的边沿处挖出若干个圆形过孔，把传感器的检测部分放在圆孔的圆心位置。

每当转盘随着后轮旋转的时候，传感器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。

转盘的圆孔的个数决定了测量的精度，个数越多，精度越高。

这样就可以在单位时间内尽可能多地得到脉冲数，从而避免了因为两个过孔之间的距离过大，而正好在过孔之间或者是在下个过孔之前停止了，造成较大的误差。

设计中转盘的圆孔的实际个数受到技术的限制。

为了达到预定的效果设计在转盘过孔的设计上采用11个过孔，从而留下了10个同等的间距。

这样在以后的软件设计中能够较为方便的计算出脉冲频率。

脉冲发生源的硬件结构图如图3.1所示。

图3.1脉冲发生源硬件结构图（左为正视图，右为侧视图）3.2 光电转换及信号调理电路设计由于系统需要将光信号转换为电信号，因而需要使用光电传感器并设计相应的信号调理电路，以得到符合要求的脉冲信号，送给单片机STC89C51进行计数，同时得到计数的时间，由单片机进行相关计算以得到电动机转速。

3.2.1 光电传感器简介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。

由光通量对光电元件的作用原理不同所制成的光学测控系统是多种多样的，按光电元件(光学测控系统)输出量性质可分二类，即模拟式光电传感器和脉冲(开关)式光电传感器。

模拟式光电传感器是将被测量转换成连续变化的光电流，它与被测量间呈单值关系。

模拟式光电传感器按被测量(检测目标物体)方法可分为透射(吸收)式、漫反射式、遮光式(光束阻档)三大类。

所谓透射式是指被测物体放在光路中，恒光源发出的光能量穿过被测物，部份被吸收后，透射光投射到光电元件上；所谓漫反射式是指恒光源发出的光投射到被测物上，再从被测物体表面反射后投射到光电元件上；所谓遮光式是指当光源发出的光通量经被测物光遮其中一部份，使投射刭光电元件上的光通量改变，改变的程度与被测物体在光路位置有关。

光源是许多光电传感器的重要组成部分，要使光电传感器很好地工作，除了合理选用光电元件外，还必须配备合适的光源。

发光二极管是一种把电能转变成光能的半导体器件。

它具有体积小、功耗低、寿命长、响应快、机械强度高等优点，并能和集成电路相匹配。

因此，广泛地用于计算机、仪器仪表和自动控制设备中。

钨丝灯泡是一种最常用的光源，它具有丰富的红外线。

如果选用的光电元件对红外光敏感，构成传感器时可加滤色片将钨丝灯泡的可见光滤除，而仅用它的红外线做光源，这样，可有效防止其他光线的干扰。

激光与普通光线相比具有能量高度集中，方向性好，频率单纯、相干性好等优点，是很理想的光源。

综上所述，各种光源各具优点，但从经济与使用便利方面考虑，并考虑到抗干扰性能，我们决定选用红外光二极管做系统测量的光源。

由光源、光学通路和光电器件组成的光电传感器在用于光电检测时，还必须配备适当的信号调理电路。

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。

3.2.2 光电转换及信号调理电路设计传感器将电机的转速信号转变成了电脉冲信号，该信号经过LM324集成运放整形驱动，送到单片机进行脉冲计数，从而测出电动机转速。

光电转换部分与单片机的连接框图如图3.2所示。

图3.2 光电转换部分与单片机的连接框图LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，外形如图所示。

它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器， 除电源共用外，四组运放相互独立。

每一组运算放大器可用图3.3所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo ”为输出端。

两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo 的信号与该输入端的位相反;Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo 的信号与该输入端的相位相同。