基于AT89C51单片机的应用光电传感器测量转速的电路设计

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应用光电传感器测量转速的电路设计

简述：本次设计应用了AT89C51单片机，采用光电传感器测量电机转速的方法，其中硬件系统包括脉冲信号的产生模块、脉冲信号的处理模块和转速的显示模块三个模块，采用C语言编程，结果表明该方法具有简单、精度高、稳定性好的优点。

关键词：转速测量 单片机 光电传感器 脉冲信号

一、 概述

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。目前国内外测量电机转速的方法有很多，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。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。这次设计的内容包含了多个方面，从脉冲信号的产生模块、脉冲信号的处理模块和转速的显示模块三个模块入手，全面锻炼了我们信号采集，处理和分析的工作能力。

二、 选用器材

AT89C51单片机，4位数码管，9013三极管4个，9014三极管一个，按钮一个，12M晶振1个，30pF电容3个，180、3.3K、4.7K、20K、10K欧电阻各1个，马达1个，光电门一个。

三、转速测量系统的原理

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光电传感器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，电子式定时计数测量频率的方法一般有三种： （1）测频率法

在一定时间间隔t内，计数被测信号的重复变化次数N，则被测信号的频率fx可表示为

f x =Nt

（2）测周期法

在被测信号的一个周期内，计数时钟脉冲数m0，则被测信号频率fx = fc/ m0 其中，fc为时钟脉冲信号频率。 （3）多周期测频法

在被测信号m1个周期内，计数时钟脉冲数m2，从而得到被测信号频率fx，则fx可以表示为fx =m1 fcm2，m1由测量准确度确定。

电子式定时计数法测量频率时，其测量准确度主要由两项误差来决定：一项是时基误差；另一项是量化±1误差。当时基误差小于量化±1 误差一个或两个数量级时，这时测量准确度主要由量化±1 误差来确定。对于测频率法，测量相对误差为：

Er1 =测量误差值实际测量值×100 % =1N×100 %

由此可见，被测信号频率越高，N越大，Er1就越小，所以测频率法适用于高频信号(高转速信号) 的测量。对于测周期法，测量相对误差为：

Er2 =测量误差值实际测量值×100 % =1m0×100 %

对于给定的时钟脉冲fc，当被测信号频率越低时，m0越大，Er2就越小，所以测周期法适用于低频信号(低转速信号)的测量。对于多周期测频法，测

量相对误差为：

Er3 =测量误差值实际测量值100%=1m2×100 %

从上式可知，被测脉冲信号周期数m1越大，m2就越大，则测量精度就越高。它适用于高、低频信号(高、低转速信号)的测量。但随着精度和频率的提高，采样周期将大大延长，并且判断m1也要延长采样周期，不适合实时测量。

根据以上的讨论，考虑到实际应用中需要测量的转速范围很宽，上述的转速测量方法难以满足要求，因此，研究高精度的转速测量方法，以同时适用于高、低转速信号的测量，不仅具有重要的理论意义，也是实际生产中的需要。

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，多采用光电传感器，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。即：

n=N/ (mT)

其中n为转速、单位：转/分钟；N为采样时间内所计脉冲个数；T为采样时间、单位：分钟；m为每旋转一周所产生的脉冲个数(通常指测速码盘的齿数)，通常m为60，如果m=60， 那么1秒钟内脉冲个数N就是转速n，即:

n=N/ (mT) =N/60×1/60=N

在对转速波动较快系统或要求动态特性好而精度高的转速测控系统中，调节周期一般很短，相应的采样周期需取得很小，使得脉冲当量增高，从而导致整个系统测量精度降低，难以满足测控要求。提高采样速率通常就要减小采样时间T， 而T的减小会使采到的脉冲数值N下降，导致脉冲当量(每个脉冲所代表的转速)增高，从而使得测量精度变得粗糙。通过增加测速码盘的齿数可以提高精度，但是码盘齿数的增加会受到加工工艺的限制，同时会

使转速测量脉冲的频率增高，频率的提升又会受到传感器中光电器或磁敏器或磁电器件最高工作频率的限制。凡此种种因素限制了常规智能转速测量方法的使用范围。而采用本文所提出的定时分时双频率采样法，可在保证采样精度的同时，提高采样速率，充分发挥微机智能测速方法的优越性及灵活性。

四、方案的设计与选择

转速测量的方案选择，除了要考虑能否实现还有测速范围外，还要考虑价格还有测量精度问题，通过对转速测量资料的查阅还有我们的构思和设计，总体电路我们有三套设计方案，部分重要模块也尝试了多种实现方法，从而经过分析和比较，我们从方案的实现难度、对器材的熟悉程度、器件用量、价格等方面进行综合考虑，然后最终选择了一个方案。下面我们便介绍我们考虑的三种不同的设计方案。 1、光电门测量方案

光电门是一个像门样的装置，一边安装发光装置，一边安装接收装置并与计时装置连接。当物体通过光电门时光被挡住，计时器开始计时，当物体离开时停止计时，这样就可以根据物体大小与运动时间计算物体运动的速度；若计时装置具备运算功能，使用随机配置的挡光片(宽度一定)，可以直接测量物体的瞬时速度。光电门是由一个小的聚光灯泡和一个光敏管组成的，聚光灯泡对准光敏管，光敏管前面有一个小孔可以接收光的照射。光敏门与计时仪是按以下方式联接的。即当两个光电门的任一个被挡住时，计时仪开始计时；当两个光电门中任一个被再次挡光时，计时终止。计时仪显示的是两次挡光之间的时间间隔。光电门主要应用于计数，计时，测速等方面。工作原理是光照度改变使光敏电阻阻值的改变，而引起光敏电阻两端电压的改变。电压变化信号通过传感器传到计数器上计数计时。光电门一端有个线性光源，另一端有个光敏电阻，门中无物体阻挡时光照射到光敏电阻上。有光照时光敏电阻阻值减小，光敏电阻两端为低电压。当门中有物体阻挡时，光敏电阻受到光照度减小，电阻增大，光敏电阻两端为高电压。当光电门计数时，传感器将高低变化的信号传到计数器上，计数器进行计数。一次电压变化计数器计数一次。当计数器计时时，计数器获得高电压时计时开始，获得低电压时计时停止。测得时间为物体完全通过光电门的时间。光电门测速也是根据计时的原理。