《光電傳感器測速》word版.doc
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光電開關(guān)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)設(shè)計 摘 要：本文設(shè)計了一種基于AT89S52單片機的光電開關(guān)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用對射式光電開關(guān)產(chǎn)生與齒輪相對應的脈沖信號，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，即電機對應的轉(zhuǎn)速值，最終系統(tǒng)通過1602LCD液晶顯示屏實時顯示電機的轉(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，具有廣泛的應用前景。 關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)速測量，單片機，光電開關(guān) 1 緒論 1.1 課題背景 一種量大面廣的產(chǎn)品，廣泛應用于國民經(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)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，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) 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記紙片)，當調(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。若脈沖頻率為f，則電機的轉(zhuǎn)速為n=60f(r／min) 。 (4) 光電碼盤測速法 光電碼盤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，當電機轉(zhuǎn)動時，每當一個小磁鋼轉(zhuǎn)過霍爾開關(guān)，霍爾開關(guān)便輸出一個脈沖，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?；魻栐y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用不廣泛，主要是光源的問題。本課題研究的是其中的光電碼盤測速法。 1.3 本論文的研究內(nèi)容 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1602LCD液晶顯示屏把電機的轉(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。 2 系統(tǒng)設(shè)計 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: 轉(zhuǎn)動系統(tǒng) 信號采集及其處理 單片機處理電路 顯示電路 圖1 系統(tǒng)組成框圖 (1) 轉(zhuǎn)動系統(tǒng) 本設(shè)計中采用對射式光電傳感器測量電機轉(zhuǎn)速。當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。 測裝置按照發(fā)動機上傳感器的實際安裝位置進行安裝。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。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。測量用器件封裝后，固定裝在貼近信號盤的位置，當信號盤轉(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/s～104 r/s以上，精確度高。 (2) 信號采集及其處理 被測物理量經(jīng)過傳感器變換后，變?yōu)殡娮琛㈦娏?、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。 (3) 單片機處理電路 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1602LCD液晶顯示屏進行刷新，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1602LCD液晶顯示屏顯示電機的轉(zhuǎn)速。 (4) 顯示電路 系統(tǒng)通過1602LCD液晶顯示屏實時顯示電機的轉(zhuǎn)速值。 3 硬件設(shè)計 硬件設(shè)計電路圖如附錄1所示。本系統(tǒng)分為信號采集與處理單元，主控單元以及顯示單元三大部分。 3.1 信號采集及其處理單元 本設(shè)計中采用對射式光電傳感器測量電機轉(zhuǎn)速。當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2(b)所示，安裝在電機轉(zhuǎn)軸上，當葉片轉(zhuǎn)動時，光電開關(guān)產(chǎn)生脈沖信號。當葉片數(shù)較多時，旋轉(zhuǎn)一周可以獲得多個脈沖信號。 假設(shè)系統(tǒng)采用10個葉片，在一秒鐘的內(nèi)產(chǎn)生了100脈沖，則電機的轉(zhuǎn)速就為10r/s。 （a）傳感器 （b）轉(zhuǎn)盤 圖2 傳感器及轉(zhuǎn)盤 3.1.1 轉(zhuǎn)速測量原理 本設(shè)計采用頻率測量法，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，對應被測轉(zhuǎn)速為N（r/min），就可算出實際轉(zhuǎn)速值N = 60m1/ pT。 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，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。測量用器件封裝后，固定裝在貼近信號盤的位置，當信號盤轉(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/s～104 r/s以上，精確度高。 圖3 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4所示的中間變換電路。其中，R1、R4 起限流作用，R2 起分流作用，R3 為輸出電阻。當轉(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；當通光孔被遮住時，輸出高電平。 圖4 電路圖 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、響應快、控制精度高，而且能識別色標等優(yōu)點，在此我們選擇光電轉(zhuǎn)速傳感器來進行轉(zhuǎn)速的檢測。 3.1.3.1 光電開關(guān)有以下幾種類型 （1）漫反射式光電開關(guān)：它是一種集發(fā)射器和接收器于一體的傳感器，當有被檢測物體經(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。 （4）槽式光電開關(guān)：它通常采用標準的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。 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接收光強度變化的器件，當它發(fā)出的光被目標反射或阻斷時，則接收器感應出相應的電信號。它包含調(diào)制光源，由光敏元件等組成的光學系統(tǒng)、放大器、開關(guān)或模擬量輸出裝置，其工作原理如圖5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。當目標通過光發(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。 圖5 光電傳感器原理圖 3.2主控單元 如下圖所示，X1為12MHz的晶振，9口為復位接口，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1602LCD液晶顯示屏進行刷新，產(chǎn)生100個中斷后（即1s），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1602LCD液晶顯示屏顯示電機的轉(zhuǎn)速。如圖8所示： 圖8 AT89S52單片機處理電路 3.2.1 時鐘電路 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9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1.2—12MHz。工程應用時通常采用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9 時鐘電路連接圖 3.2.2 復位電路 單片機的RST引腳為復位（Reset）端。當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)復位，使單片機回到初始狀態(tài)。如圖10所示，本設(shè)計采用手動復位，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，單片機就能復位。 圖10 AT89S52單片機處理電路 3.2.3 AT89S52單片機介紹 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用系統(tǒng)提 供高靈活、超有效的解決方案。 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：0Hz～33Hz (5)三級加密程序存儲器 (6)32個可編程I/O口線 (7)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)掉電標識符 引腳功能 圖11 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。 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。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 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。 3.2.4 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M1、M0為01時，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6所示： 圖6 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1602LCD液晶顯示屏進行刷新，產(chǎn)生100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T0定時為10ms，將參數(shù)帶入公式 ： 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（1s）內(nèi)外部脈沖個數(shù)不超過65536即可。 3.2.4.1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)置溢出標志。定時/計數(shù)器結(jié)構(gòu)如圖7所示： 圖7 定時/計數(shù)器結(jié)構(gòu) 3.2.4.2定時/計數(shù)器的控制 AT89S52單片機定時/計數(shù)器的工作由兩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。 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： 表1 工作方式寄存器TMOD格式 GATE：門控位。 GATE＝0時，以運行控制位TRX(X=0，1)來啟動定時/計數(shù)器運行； GATA＝1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/計數(shù)器有四種工作方式，由M1M0進行設(shè)置。 表 2 M1M0工作方式 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： 表 3 控制寄存器TCON格式 位 7 6 5 4 3 2 1 0 字節(jié)地址：88H TF1 TR1 TF0 TR0 TCON TF1（TCON.7）： T1溢出中斷請求標志位。T1計數(shù)溢出時由硬件自動置TF1為1。CPU響應中斷后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。TR1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。 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。 表4 位 7 6 5 4 3 2 1 0 字節(jié)地址：88H EA ES ET1 EX1 ET0 EX0 IE 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.7)， CPU中斷允許（總允許）位。 3.3 顯示單元 3.3.1 LCD原理 各種圖形的顯示原理 線段的顯示：點陣圖形式液晶由MN個顯示單元組成，假設(shè)LCD顯示屏有64行，每行有128列，每8列對應1字節(jié)的8位，即每行由16字節(jié)，共168=128個點組成，屏上6416個顯示單元與顯示RAM區(qū)1024字節(jié)相對應，每一字節(jié)的內(nèi)容和顯示屏上相應位置的亮暗對應。例如屏的第一行的亮暗由RAM區(qū)的000H——00FH的16字節(jié)的內(nèi)容決定，當（000H）=FFH時，則屏幕的左上角顯示一條短亮線，長度為8個點；當（3FFH）=FFH時，則屏幕的右下角顯示一條短亮線；當（000H）=FFH，（001H）=00H，（002H）=00H，……（00EH）=00H，（00FH）=00H時，則在屏幕的頂部顯示一條由8段亮線和8條暗線組成的虛線。這就是LCD顯示的基本原理。 字符的顯示：LCD顯示一個字符時比較復雜，因為一個字符由68或88點陣組成，既要找到和顯示屏幕上某幾個位置對應的顯示RAM區(qū)的8字節(jié)，還要使每字節(jié)的不同位為“1”，其它的為“0”，為“1”的點亮，為“0”的不亮。這樣一來就組成某個字符。但由于內(nèi)帶字符發(fā)生器的控制器來說，顯示字符就比較簡單了，可以讓控制器工作在文本方式，根據(jù)在LCD上開始顯示的行列號及每行的列數(shù)找出顯示RAM對應的地址，設(shè)立光標，在此送上該字符對應的代碼即可。 漢字的顯示：字的顯示一般采用圖形的方式，事先從微機中提取要顯示的漢字的點陣碼（一般用字模提取軟件），每個漢字占32B，分左右兩半，各占16B，左邊為1、3、5……右邊為2、4、6……根據(jù)在LCD上開始顯示的行列號及每行的列數(shù)可找出顯示RAM對應的地址，設(shè)立光標，送上要顯示的漢字的第一字節(jié)，光標位置加1，送第二個字節(jié)，換行按列對齊，送第三個字節(jié)……直到32B顯示完就可以LCD上得到一個完整漢字 。 本設(shè)計選用了1602型LCD。字符型液晶顯示模塊是一種專門用于顯示字母、數(shù)字、符號等點陣式LCD，目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模塊。下面以1602字符型液晶顯示器為例，介紹其用法。一般1602字符型液晶顯示器實物如圖。 圖12 1602LCD的基本參數(shù)及引腳功能 1602LCD分為帶背光和不帶背光兩種，基控制器大部分為HD44780，帶背光的比不帶背光的厚，是否帶背光在應用中并無差別，兩者尺寸差別如下圖 圖13 1602LCD分為帶背光和不帶背光 （1）LCD1602主要技術(shù)參數(shù)： 顯示容量:162個字符 芯片工作電壓:4.5—5.5V 工作電流:2.0mA(5.0V) 模塊最佳工作電壓:5.0V 字符尺寸:2.954.35(WH)mm （2）引腳功能說明 1602LCD采用標準的14腳（無背光）或16腳（帶背光）接口，各引腳接口說明如表 表5 引腳接口說明表 編號 符號 引腳說明 編號 符號 引腳說明 1 VSS 電源地 9 D2 數(shù)據(jù) 2 VDD 電源正極 10 D3 數(shù)據(jù) 3 VL 液晶顯示偏壓 11 D4 數(shù)據(jù) 4 RS 數(shù)據(jù)/命令選擇 12 D5 數(shù)據(jù) 5 R/W 讀/寫選擇 13 D6 數(shù)據(jù) 6 E 使能信號 14 D7 數(shù)據(jù) 7 D0 數(shù)據(jù) 15 BLA 背光源正極 8 D1 數(shù)據(jù) 16 BLK 背光源負極 第1腳：VSS為地電源。 第2腳：VDD接5V正電源。 第3腳：VL為液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時對比度最弱，接地時對比度最高，對比度過高時會產(chǎn)生“鬼影”，使用時可以通過一個10K的電位器調(diào)整對比度。 第4腳：RS為寄存器選擇，高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時選擇指令寄存器。 第5腳：R/W為讀寫信號線，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。當RS和R/W共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址，當RS為低電平R/W為高電平時可以讀忙信號，當RS為高電平R/W為低電平時可以寫入數(shù)據(jù)。 第6腳：E端為使能端，當E端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執(zhí)行命令。 第7～14腳：D0～D7為8位雙向數(shù)據(jù)線。 第15腳：背光源正極。 第16腳：背光源負極。 3.3.2 液晶顯示模塊電路 圖14是液晶模塊LCD1602與單片機的接口電路。液晶模塊的1腳和2腳分別接入電源的地和電源。3~10腳分別接單片機的8個P2口。11、13腳接單片機P3.0、P3.2，12腳接地，表示LCD的使能，是讀取還是寫入信號，是傳輸數(shù)據(jù)還是將指令由單片機內(nèi)部程序作用實現(xiàn)。14腳通過一個10K可調(diào)電阻接地，使得LCD的顯示的對比度適中，防止由于對比度過高產(chǎn)生“鬼影”。 圖14 1602液晶顯示模塊電路原理圖 4 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用程序的可靠性。 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，對于單片機應用系統(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． 生成的目標代碼質(zhì)量高。 為了提高編制計算機系統(tǒng)和應用程序的效率，改善程序的可讀性和可移植性，在此采用高級語言編程。 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1602LCD液晶顯示屏刷新和緩沖區(qū)數(shù)據(jù)進行更新，輔以1602LCD液晶顯示屏進行顯示。計數(shù)程序流程如圖15；定時顯示程序流程如圖16。 開始 初始化計數(shù)器T1 計數(shù)脈沖 Flag_clac=1？ N 按公式： 轉(zhuǎn)速=60*脈沖數(shù)/(齒輪數(shù)*T) 計算數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)緩沖區(qū) 圖15 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++ N Y 圖16 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。當定時達到10ms時，產(chǎn)生中斷，對1602LCD液晶顯示屏進行刷新，顯示轉(zhuǎn)速，并使時間計數(shù)標志T加1。當時間計數(shù)標志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1602LCD液晶顯示屏顯示使用。 5 系統(tǒng)仿真與電路調(diào)試 5.1 系統(tǒng)仿真 系統(tǒng)結(jié)合Keil uVersion3.0和偉福進行編譯，通過Proteus來仿真。 5.1.1 程序編譯 與以往的80C51單片機不同，AT89S52具有在線調(diào)試和下載功能，它由支持AT89S52的開發(fā)工具包Keil uVersion2.0開發(fā)系統(tǒng)來提供。也就是說，在用戶系統(tǒng)保留AT89S52的情況下，通過開發(fā)系統(tǒng)與AT89S52的串行接口通信，直接對用戶系統(tǒng)進行調(diào)試，并在調(diào)試完成后將調(diào)試好的程序下載到AT89S52中。Keil uVersion3.0開發(fā)系統(tǒng)提供四項功能：編譯、下載、調(diào)試和模擬，分別由Keil uVersion2.0提供的編譯器、在線串行下載器、調(diào)試器和模擬器來實現(xiàn)。Keil uVersion2.0編譯器可在Windows操作系統(tǒng)下直接使用，編譯C語言源程序，并生成16進制文件和列表文件。調(diào)試器采用Windows系統(tǒng)，允許用戶使用AT89S52的UART串行接口在芯片上調(diào)試代碼執(zhí)行。在典型調(diào)試對話中，調(diào)試器提供對片內(nèi)所有外圍設(shè)備的訪問、單步和設(shè)置斷點的代碼執(zhí)行控制方式。模擬器采用Windows系統(tǒng)，能完全模擬AT89S52的所有功能。模擬器使用簡單，結(jié)合了許多標準調(diào)試特征，包括多斷點、單步以及代碼執(zhí)行跟蹤等能力。 同樣偉福仿真器是國內(nèi)較好的仿真器之一，它能夠仿真的CPU品種多、功能強。通過更換仿真頭POD，可以對不同的CPU進行仿真?？煞抡?1系列，196系列，PIC系列，飛利蒲公司的552、LPC764、DALLAS320，華邦438等51增強型CPU。由于偉福編譯過程沒有Keil uVersion2.0那么繁瑣，能對程序進行直接編譯，省去了建立和設(shè)置工程等步驟，使用方便、快捷。所以本設(shè)計以Keil uVersion2.0為基礎(chǔ)，運用偉福來編譯程序。 5.1.2 電路仿真 仿真部分運用Proteus仿真軟件來實現(xiàn)，Proteus 軟件是一款強大的單片機仿真軟件，它除了具有和其他工具一樣的原理編輯、印制電路板（PCB）自動或人工布線及電路仿真外，最大的特色是其電路仿真是交互的、可視化的。對于單片機學習和開發(fā)幫助極大。Proteus ISIS 是英國Lab center 公司開發(fā)的電路分析與實物仿真軟件。它運行于Windows操作系統(tǒng)上，可以仿真、分析(SPICE)各種模擬器件和數(shù)字集成電路，包括單片機。 通過Proteus可以繪制硬件原理圖，并設(shè)置元件參數(shù)；為單片機及其程序以及外部接口電路的仿真提供可能，驗證設(shè)計的可行性與合理性；還可以為連接實際的硬件電路做好準備；如有必要時，可以利用它來設(shè)計電路板。 5.2 電路調(diào)試 通過葉片在對射式傳感器間轉(zhuǎn)動，得到光電開關(guān)產(chǎn)生脈沖信號，再經(jīng)過脈沖信號處理電路，輸入單片機的T1外部脈沖計數(shù)口（即P3.5口），由單片機處理得出轉(zhuǎn)速后，連接4連1602LCD液晶顯示屏顯示轉(zhuǎn)速。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1602LCD液晶顯示屏把電機的轉(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，實物圖如下。 圖17 實物圖 圖17中1602LCD液晶顯示屏上有兩組數(shù)字，上排為轉(zhuǎn)速，如圖7n/s，下排為預設(shè)值，如圖是8/s,如轉(zhuǎn)速小于預設(shè)值，則蜂鳴器不會報警，反正成立，如圖18 圖18 實物圖 圖19實物圖 6 小結(jié) 本設(shè)計采用光電開關(guān)測速法，利用對射式光電開關(guān)采集轉(zhuǎn)速信號，通過信號處理電路得到適合的脈沖后，輸入單片機進行處理、計算，得出實際的轉(zhuǎn)速值，輔以1602LCD液晶顯示屏顯示。此系統(tǒng)實現(xiàn)了設(shè)計的要求： (1)光電開關(guān)與電機轉(zhuǎn)換平臺簡單適用 (2)采集電路能實時采集轉(zhuǎn)速信息 (3)單片機處理系統(tǒng)運算快速簡單，程序可讀性強，條理分明，能形成獨立模塊以便于其他類似系統(tǒng)的計算 (4)1602LCD液晶顯示屏為主體的人機界面能準確顯示速度值 本設(shè)計存在的問題： （1）系統(tǒng)選擇位數(shù)最多的定時/計數(shù)器工作方式1（為16位），但仍有其局限性。此計數(shù)器的最大計數(shù)脈沖數(shù)為63336（216），若每秒鐘計算一次，則當1秒內(nèi)外部脈沖的輸入數(shù)超過65536個時，計數(shù)器會溢出，從而產(chǎn)生中斷，使得測出的轉(zhuǎn)速值小于實際的轉(zhuǎn)速值。根據(jù)轉(zhuǎn)速計算方法（若轉(zhuǎn)盤齒數(shù)為10），Vmax=65536*60s/（10*1）=39321r/min，所以本系統(tǒng)不能測量范圍不能超過此值。 （2）通過T1計數(shù)時，單片機每讀取一個脈沖至少需要3個機器周期的時間來完成。本系統(tǒng)采用的晶振為12MHz，所以一個機器周期Tcy=12/f=1us。若要使單片機準確讀取外部脈沖，則脈沖的輸入周期不能超過3us。如此可計算(轉(zhuǎn)盤齒數(shù)為10)，系統(tǒng)能測量的轉(zhuǎn)速需低于：Vmax=60s/(3us*10)=6000000r/min。 （3）此外，光電開關(guān)的反應速度也會對轉(zhuǎn)速測量值的大小產(chǎn)生影響。若轉(zhuǎn)速過快，則光電開關(guān)來不及處理，這樣會造成測速不準，甚至測不出數(shù)值。 針對存在的問題，可以采取以下方法改進： （1）采用時鐘頻率更高、定時/計數(shù)器位數(shù)更多的單片機來處理脈沖，現(xiàn)某些高速單片機可達到40MHz的處理速度，可以大大提高測速范圍。 （2）應用反應速度更快的傳感器來做光電開關(guān)?，F(xiàn)在高速光電開關(guān)的響應速度可達到0.1ms，每分鐘可進行30萬次檢測操作，這樣就能檢出高速轉(zhuǎn)動的微小物體。 綜上所述，在測速過程中，雖然由于硬件的緣故，未能實現(xiàn)對高速的測量，但本裝置結(jié)構(gòu)簡單、實用，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，而且可以達到一般工業(yè)測速的測量標準，具有廣泛的前景。 附錄1 原理圖 附錄2 源程序 #include下載提示(請認真閱讀)
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