1、電子裝置設計報告紅外線數字轉速表 專業： 姓名： 學號： 時間： 一、設計任務 紅外線轉速表采用的紅外線探頭有直接式和反射式兩種。直接式探頭,發光管和受光管在被測物體的兩邊，發光管射出的光線直接照射到受光管上，被測物體運動時阻擋光線，產生計數信號，這種探頭經常用做光電計數。反射式探頭，發光管和受光管在被測物體的同側，當探頭接近物體時，接收到脈沖的紅外線信號，用于測量轉速比較方便。二、設計條件 測速裝置的發展大致經歷了四個階段：機械式、電磁式、光電式和激光式。機械式主要利用離心力原理，通過一個隨軸轉動的固定質量重錘帶動自由軸套上下運動，根據不同轉速對應不同軸套位置獲得測量結果原理簡單直接，不需額

2、外電器設備，適用于精度要求不高、接觸式的轉速測量場合。電磁式系統由電磁傳感器和安裝在軸上的齒盤組成，主軸轉動帶動齒盤旋轉，齒牙通過傳感器時引起電路磁阻變化，經過放大整形后形成脈沖，通過脈沖得到轉速值。由于受齒盤加工精度、齒牙最小分辨間隔、電路最大計數頻率等限制，測量精度不能保證。光電式結構類似于電磁式結構，把旋轉齒盤換作光電編碼盤或黑白相間的反射條紋，把電磁傳感器換作光電接收器，通過對反射回來的光脈沖信號計數得到測量結果。由于受條紋最小分辨間隔、電路最大計數頻率等限制，測量精度不能保證，所測轉速值和電磁式一樣為兩個計數脈沖間距的平均值。激光測速技術(LDV)是一種正在發展中的測速技術，通過激光

3、多普勒效應獲得轉動體的瞬時角速度，理論上具有很高的瞬時轉速測量精度，但目前實際產品精度不夠高，并且價格昂貴，在實際使用上受到限制。本次設計的紅外線數字轉速表采用的是光電式測速裝置，是使用紅外線技術的新型轉速測量儀。光電式測速裝置與機械式和電磁式測速裝置相比安裝更加方便，對周圍環境要求更低，可以很容易地完成轉速的測量；同時較激光式測速裝置而言具有較寬的動態測量范圍，測量精度較高，應用場合更加廣泛。三、設計要求 1，設計總體思路，基本原理，給出整體設計框圖 2，單元電路設計（各單元電路圖），元器件的選擇及參數計算 3，總電路設計以及Multisim軟件仿真，驗證所設計的電路 4，畫出完整的電路圖，

4、并用Protel畫出印制版圖 5，組裝，調試電路，故障分析與電路改進 6，寫出設計，調試報告四、設計內容1，設計方案本次設計的紅外線轉速表主要由信號檢測、信號處理電路、單片機以及數字顯示四大部分組成部分，其總體結構如圖1.1所示。圖1.1 紅外線數字轉速表結構圖工作原理如下：當齒盤旋轉時，由于輪齒的遮擋，紅外發射管與接收管之間的紅外線光路時斷時續，信號處理電路將此變化的光信號轉換為電脈沖信號，一個脈沖信號即表示齒盤轉過一個齒。單片機對脈沖進行計數，同時通過其內部的計時器對接收一定數目的脈沖計時，根據脈沖數目及所用時間就可計算出齒盤的轉速，最后通過數字顯示部分將轉速顯示出來。2，紅外線傳感器的設

5、計本設計中選用紅外測速傳感器，它由紅外發射與接收電路和齒盤組成。電路如圖2.1所示。電路中選用紅外光敏二極管作為受光器件，它與紅外發光二極管一起組成一對紅外發射接收管，紅外光敏二極管在電路中處于反向工作狀態。沒有光照射時，光敏二極管處于截止狀態，反向電阻很大，反向電流（暗電流）很小。隨著光照的增強，光敏二極管處于導通狀態，其反向電阻減小，反向電流（光電流）增大，其光電流與照度之間呈線性關系。圖2.1 紅外發射與接收電路3，AT89C52芯片 本系統采用由美國ATMEL公司生產的，低電壓，高性能CMOS8位單片機。本單片機片內含8KB的可反復擦寫的Flash程序存儲器和256B的隨機數據存儲器（

6、RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產，與標準MS-51指令系統及8052產品引腳兼容，片內置有8位中央處理器（CPU）。功能強大的AT89C52單片機適用于許多較為復雜的控制應用場合。 此外，AT89S52設計和配置了振蕩頻率可為0Hz并可通過軟件設置省電模式。空閑模式下，CPU暫停工作，而RAM定時計數器，串行口，外中斷 系統可繼續工作，掉電模式凍結振蕩器而保存RAM的數據，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復位。同時該芯片還具有PDIP、TQFP和PLCC等三 種封裝形式，以適應不同產品的需求。由于AT89C52單片機如此突出的性能特點，在本設計中選用

7、其構建測速系統。4，管腳分布AT89C52有40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時內含2個外中斷口，3個16位可編程定時計數器，2個全雙工串行通信口，2個讀寫口線。采用工業標準的C51內核，在內部功能及管腳排布上與通用的8xc52 相同，其主要用于會聚調整時的功能控制。功能包括對會聚主IC 內部寄存器、數據RAM及外部接口等功能部件的初始化，會聚調整控制，會聚測試圖控制，紅外遙控信號IR的接收解碼及與主板CPU通信等。其引腳圖如圖2.2所示，主要管腳有：XTAL1（19 腳）和XTAL2（18 腳）為振蕩器輸入輸出端口，外接12MHz 晶振。RST（9 腳）為復位輸入端口，外

8、接電阻電容組成的復位電路。VCC（40 腳）和VSS（20 腳）為供電端口，分別接+5V電源的正負端。P0-P3 為可編程通用I/O 腳，其功能用途由軟件定義,13腳定義為IR輸入端。圖2.2 AT89C52管腳圖5，性能參數主要性能參數：（1）與MCS-51系列產品引腳和指令完全兼容（2）8k 字節可重擦寫Flash 閃速存儲器（3）1000 次擦寫周期（4）全靜態操作：0Hz24MHz（5）三級加密程序存儲器（6）256×8 字節內部RAM （7）32 個可編程I/O 口線（8）3 個16 位定時/計數器（9）8 個中斷源（10）可編程串行UART 通道（11）低功耗空閑和掉電模

9、式功能特性概述：AT89C52 提供以下標準功能：8k字節Flash 閃速存儲器，256字節內部RAM，32 個I/O 口線，3 個16 位定時/計數器，一個6 向量兩級中斷結構，一個全雙工串行通信口，片內振蕩器及時鐘電路。同時，AT89C52 可降至0Hz的靜態邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節電工作模式。空閑方式停止CPU 的工作，但允許RAM，定時/計數器，串行通信口及中斷系統繼續工作。掉電方式保存RAM 中的內容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個硬件復位。6，振蕩器振蕩器簡單地說就是一個頻率源，一般用在鎖相環中。詳細說就是一個不需要外信號激勵、自身就可以將直流電能轉化為交

10、流電能的裝置。一般分為正反饋和負阻型兩種。所謂“振蕩”，其涵義就暗指交流，振蕩器包含了一個從不振蕩到振蕩的過程和功能。能夠完成從直流電能到交流電能的轉化，這樣的裝置就可以稱為“振蕩器”。AT89C52 中有一個用于構成內部振蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1 和XTAL2 分別是該放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或陶瓷諧振器一起構成自激振蕩器，振蕩電路參見圖2.3。圖2.3 振蕩電路外接石英晶體（或陶瓷諧振器）及電容C1、C2 接在放大器的反饋回路中構成并聯振蕩電路。對外接電容C1、C2 雖然沒有十分嚴格的要求，但電容容量的大小會輕微影響振蕩頻率的高低、振蕩器

11、工作的穩定性、起振的難易程序及溫度穩定性，如果使用石英晶體，電容應選擇30pF±10pF，而如使用陶瓷諧振器最好選擇40pF±10F。7，顯示器 目前，顯示器的類型有很多,但是與單片機相連的通常是LCD顯示器或LED顯示器。LCD是液晶顯示屏，主要是用來做面顯示的，它本身不發光，然后通過電流使屏幕產生各種顏色的渾濁現象，后置一個光源來透過前面的LCD面板使人看到圖案。LED是發光二極管，它本身是點光源，就是說發出來的光不是一個面，而是一個點。也有用LED做顯示屏的，相對于液晶顯示屏來說，LED適合于室外以及室內大屏幕觀看距離稍微遠一點的情況，因為LED顯示屏的分辨率肯定遠遠

12、小過LCD。LCD更適合做電腦液晶電視器、手機顯示屏之類的應用。同時由于LCD是一種被動式顯示器，有著功耗極低、抗干擾能力強等特性，因而在低功耗的單片機系統中大量使用。 由此，轉速顯示選用LCD顯示器，具體來說選用的是字符型液晶顯示模塊（LCM）JHD12864，可顯示16×8或16×16點陣字符，模塊外形如圖2.4，驅動接口電路如圖2.5，模塊結構如圖2.6所示。圖2.4 LCD外形圖2.5 12864模塊驅動接口電路圖2.6 12864模塊結構電路其主控制驅動電路為HD44780，具有標準的接口特性，適配M6800系列和MCS-51系列MCU的操作時序；模塊內部具有64

13、個字節的自定義字符RAM，可自定義顯示字符。 驅動電路HD44780的讀、寫操作如下（1） 寫操作（MPU至HD44780）項 目符號最小值最大值單位使能周期tcycE1000-ns使能脈沖寬度Pweh450 -ns使能升、降時間Ter,Tef-25ns地址建立時間Tas140-ns地址保持時間Tah10-ns數據建立時間Tdsw195-ns數據保持時間Th10-ns（2）讀操作（MPU至HD44780）項 目符號最小值最大值單位使能周期tcycE1000-ns使能脈沖寬度Pweh450 -ns使能升、降時間Ter,Tef-25ns地址建立時間Tas140-ns地址保持時間Tah10-ns數據

14、延遲時間Tddr-320ns數據保持時間Tdhr10-ns（3）信號真值表RSR/WE功能00下降沿寫指令代碼01高電平讀忙標志和AC碼10下降沿寫數據11高電平讀數據該模塊采用+5V電源供電，共有20個引腳，其中可變電阻RW2用來調節顯示器的對比度。顯示器與單片機AT89C52的連接如圖2.7。圖2.7 AT89C52與LCM的連接8，整體設計電路該紅外線數字轉速系統主要包括信號檢測、信號處理電路、單片機以及數字顯示部分。總體結構如圖2.8所示。 圖中D1為紅外發射二極管，其作用是發出紅外光。常用的紅外發射二極管有SE303,PH303等，其外形與發光二極管LED形似。管壓降約為1.4V，工

15、作電流一般小于20mA。為了適應不同的工作電壓，回路中常串有限流電阻。圖中R1即為限流電阻。D2為紅外接收管，本電路中選用紅外光敏二極管作為受光器件，用于接收紅外發射管發射的紅外光。光敏二極管又稱光電二極管，與半導體二極管在結構上類似。其管芯是一個具有光敏特征的PN結，具有單向導電性，因此工作時需加上反向電壓。當無光照時，有很小的飽和反向漏電流，即暗電流，此時光敏二極管截止；當受到光照時,飽和反向漏電流大大增加，形成光電流,它隨入射光強度的變化而變化。因此可以利用光照強弱來改變電路中的電流。常見的有2CU、2DU等系列。電容C1、C2及外接石英晶體（或陶瓷諧振器）接在放大器的反饋回路中構成并聯

16、振蕩電路。引腳XTAL1 和XTAL2 分別是該放大器的輸入端和輸出端。Rp為8個上拉電阻，通俗的說，若MCU的某個引腳通過一個電阻接到電源（Vcc）上，則這個電阻即為上拉電阻，通過這種做法就將不確定的信號通過一個電阻嵌位在高電平上，同時該電阻也起著限流的作用。上拉電阻可以取值在1歐姆-5兆歐之間，本設計中選用的是10千歐的電阻。可變電阻Rw1是用來調節顯示器的對比度的。當P1.0口有輸出時，PNP導通，則D1發出紅外光。而D2處于反向截止狀態，當紅外線發射管發射的紅外線未被輪齒擋住時，接收管受紅外線照射呈導通狀態，經反相器輸入到單片機中斷端口的電壓為高電平，不產生中斷；而當紅外線發射管發射的

17、紅外線被輪齒擋住時，接收管不受紅外線照射則呈截止狀態，經反相器輸入到單片機中斷端口的電壓跳變為低電平。按照這樣的特性繼續繼而激活中斷程序對脈沖進行計數。P0口和P2口在本設計中均作為輸出口使用，最后將轉速通過LCD顯示出來。圖2.8硬件結構圖9，計時方案的選擇根據計時方案的不同，目前數字式轉速測量裝置的計時方法主要有M 法、T法和同步MT法。M 法測速是在相等的時間間隔t內讀取脈沖數M，由Mt計算出轉速，速度越高在t時間內計得的M 就越多，由±1個計數脈沖誤差所引起的轉速測量誤差就越小，故該法適用于高速。T法測速是根據相鄰兩個脈沖時間間隔對應的時鐘脈沖計數值m 來計算轉速的，轉速越慢

18、或每轉脈沖數越多，其計數值m就越多，計數器±l個計數脈沖所引起的誤差就越小，故該法適用于低速。上述兩種方法測量的絕對誤差反比于速度采樣時間T(Hp：時間間隔t或計數值m)，因此在穩態測量和實時性要求不高的場合，可取較大的T 以保證足夠的測量精度。但在動態測量和實時控制系統中，往往對轉速測量的實時性有較高的要求。因此，采樣時間T不能隨意取大，為了解決既要周期小，又要測速精度高的矛盾，可采用同步M/T法。這種方法的特點是不固定定時時間t，以記錄到完整的盤脈沖為準，主要是設法使M 與t同步，從整數個盤脈沖開始計時，同樣在整數個盤脈沖結束計時，記錄到的是整數個盤脈沖，且與計時是“同步” 的。

19、其原理如圖3.1所示，在采樣時間t時間內實際計時時間t開始于第一盤脈沖的下降沿，終止于最后一個脈沖的下降沿，因而得到整數個盤脈沖，消除了M 法和T法中±1個脈沖引入的誤差。鑒于幾種方法的比較，在設計中采用同步M/T法設計本測速系統。 圖3.1 同步M/T法測速原理圖10，軟件結構分析采用結構化軟件設計的方法，使得設計簡單，易于調試和移植，提高編程效率。采用結構化設計軟件的方法將本系統軟件劃分為圖3.2所示的4個模塊：齒數計數模塊、計時模塊、轉速計算模塊和轉速顯示模塊。其中最主要的是計時模塊和轉速計算模塊。圖3.2 軟件模塊劃分11，計時模塊由圖1.1可知當紅外線發射管發射的紅外線未被

20、輪齒擋住時，接收管受紅外線照射呈導通狀態，經反相器輸入到單片機中斷端口的電壓為高電平，不產生中斷；而當紅外線發射管發射的紅外線被輪齒擋住時，接收管不受紅外線照射則呈截止狀態，經反相器輸入到單片機中斷端口的電壓跳變為低電平。從而激活中斷程序對脈沖進行計數。計數流程圖如圖3.3所示。由于計數需要與計時同步，所以需要在產生第一次紅外光被擋住時(紅外光被擋住時Pass=0，反之Pass=1)，也即中斷口電位由高變低時打開定時器。若實驗中的齒盤共有108個齒，為了提高測量的實時性，把108個齒分成9等份，當計數值（Num）為12時，關閉定時器并讀取定時器的計時值。圖3.3 計數與計時程序流程圖12，轉速

21、計算模塊由于系統采用同步M/T法測量轉速，所以計算轉速時，需要的參數有盤脈沖數和計時值。本系統中AT89C52單片機采用頻率為12MHz的外接晶振，則每個機器周期為1us。單片機定時器的計數脈沖周期為一個機器周期，若定時器從零開時計數，關閉定時器時其計數值為m，則計時時間就是m微秒。計算轉速部分程序如下：m=TH0×256        / 讀出計數器的計數變量TH0，并將其左移8位m=TH0+TL0         / 獲得時鐘脈沖數time=m

22、0;                / 計算出計時時間n=60*106/(9*time) / 計算轉速r/min 13，紅外數字轉速表性能分析本設計給出了單片機控制的紅外數字轉速表的設計方法、原理、構成元件、軟件編程及計時方案等問題。創新點是以紅外傳感器代替了傳統的電磁式傳感器，系統的硬件電路簡單，測量轉速范圍較寬，且具有較高的測量精度，對于低轉速的測量也有相當高的精度，并充分利用了單片機的內部資源，有很高的性價比。該系統可應用在自行車、摩托車汽車以及電機上等需要轉速測量的場合，并可通過