基于51单片机的红外光电测速仪研制

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 、机床主轴等旋转设备的实验 、运转和控制中 , 常需要分时或连续测量和显示其转速 。有些场合对转速转速测量要求的精度一般化 , 而有些场合却要求较高的测量精度 。但目前国内使用的转速仪表在测试精度 、测量范围 、实现监控 、性能价 格比等方面均存在明显的缺陷 。本文介绍一种以 8031 单片机为核心的红外光电测速仪 , 与国内的同类转速仪表相比 , 该仪表具有以下特点 :
①非接触式 , 使用方便 , 性能价格比高 。
②测量精度高 , 测试精度优于 0. 5 % 。
③测速范围较宽 (0～60000RPM) 。
④控制功能强 : 可预置转速最大值 , 当被测转速超过预置最大转速值时 , 系统能够自动 发出报警和停车信号 ; 可在任何时刻锁存当前所测转速值 。





2 　M/ T 法测速原理
M/ T 法 [ 3 ] [ 4 ] 测速的实质是 : 预设定一个测速时间Tc , 在满足T ≥Tc 的前提下 ,检测 M 个整转数脉冲所对应的最小时间T 。如图 1 所示 , 在对被测脉冲个数 M1 计数的同时 ,对定时器所产生的高频脉冲的个数 M2 也进行计数 。M1 反映转角 , M2 反映测速时间 ,通过计算可求得转速 n 。该方法在高速和低速时都具有较高的精度 。预设定的测速时间Tc由被测脉冲来同步 。从 A 点开始 , 计数器对M1 和 M2 同时进行计数 , 到达B点时,预设定的测速时间 Tc 到 , 系统发出停止 计数命令 。此时,由于Tc不一定恰好等于整数个被测脉冲的脉冲周期 , 所以计数器仍对高频脉冲继续计数 。到达 D 点时 , 被测脉冲的上升沿使计数器停止计数 , 这样 , M2 代表了 M1 个被测脉冲周期的时间 。设高频脉冲频率为 F ,设传感器每转发出 P 个脉冲 , 则电机转速为 :
n = (60M1/ P) / (M2/ F) 　 ( RPM)
由于 M/ T 法从整数个被测脉冲开始计时 , 于整数个被测脉冲结束 , 记录到的是整数个被测脉冲 ,消除了普通计数法中正负一个被测脉冲引入的误差 ,具有较高的测量精度 。




3 　系统组成及工作原理
红外光电测速仪的原理框图如图 2 所示 。红外光电转速传感器测得的脉冲信号经过整形电路整形后送入转速检测电路 。转速检测电路由定时计数器 8253 和相应的转速检测逻辑电路组成 , 它用硬件实现了 M/ T 法的高精度数字测速 。8031 单片机用来实现测速逻辑控制 、转速计算 、键盘处理 、报警和停车信号输出及显示输出等工作 。8031 通过 P1. 0 口启动转速检测电路 ,测速结束后 8253 通过 IN T1 向 8031 申请中断 。8031 读取 M 和 T 的值 , 计算出转速 n ,并将结果送出显示 。当转速超过预置最大转速值时 , 8031 通过 P1. 6 、P1. 7 口发出报警和停车信号 , 通过相应的后级电路来完成报警和停车功能。8031 的 P0 口与 74L S373 八位 D 锁存器作为地址/ 数据复用口 , P2 口为高八位地址。
系统配有一片 2764 EPROM 作为外部程序存储器 。由一片键盘显示器专用控制芯片 8279 完成显示和键盘输入功能 。

4 　硬件设计
4. 1 　前向通道与接口电路
(1) 红外光电转速传感器
发射电路发出的脉冲信号驱动 GaAs 红外发光二极管发射红外脉冲光 , 该脉冲光经被测物体上的反射纸条反射后由 Si 光敏三极管接收转换为电脉冲信号作为接收电路的输入信号 ,接收电路输出具有高低两种电平的脉冲信号。如果在旋转体上贴 P 条反射纸条 , 即可实现 P倍频 , 即光电转速传感器每转将发出 P 个脉冲。
(2) 整形电路
红外光电转速传感器的输出脉冲信号 (高电平 8V ,低电平 0. 3V) ,经过信号整形电路完成信号波形的整形和信号电压的变换 (高电平5V ,低电平 0. 3V) 。
4. 2 　转速检测电路
转速检测电路由定时计数器 8253 和相应的转速检测逻辑电路组成 ,如图 3 所示 。




图中 , IN 为由整形电路输出的被测脉冲信后置 位 P1. 0 ( t1 时 刻 ) , D 触 发 器 的 D 端 、GA TE0 均号接入点 , 8253 的 2M Hz 的时钟信号由 C 点接入 ,它由 8031 单片机的 12M Hz 的系统时钟经 6 分频而得到 。
测速时序如图 4 所示 。8253 的通道 0 作为计量被测脉冲数的计数器 ,通道 1 和通道 2(作为高 16 位) 串联作为计量高频脉冲 (2M Hz)个数的定时器 。测速开始之前 ,首先软件清零P1. 0 口 ,8253 各通道均处于停运状态 ,各通道输出均为高电平 ,单片机初始化输出为零 。





8253 各通道均设置为方式 0 ,二进制计数 。将 8253 通道控制字和计数初值送出后 (t0时刻) ,OU T0 、OU T1 、OU T2 均变为低电平 0 。此后置们 P1. 0 ( t1时刻) , D 触发器的 D 端 、BA TE0 均变为高电平“1”,通道 0 开始计数 。
当此后的第一个被测脉冲上升沿来到时 (t2时刻) , D 触发器翻转 , GA TE1 、GA TE2 均变为高电平 “1”, 通道 1 和通道 2 开始计时 。此脉冲经反相器后加到 8253 的 CL K0 端 , 成为通道0 的第一个有效计数脉冲 。当通道 2 和通道 1从初值减法计数到 0 即定时到达预定的测速时间 Tc 时 (t3 时刻) , OU T2 从 “0”变为 “1”,该信号使 GA TE0 和 D 触发器的 D 端清零 , 从而关闭通道 0 。在此后下一个被测脉冲上升沿到来 时 ( t4 时 刻 ) , D 触 发 器 又 翻 转 , Q、 GATE1 、GA TE2 均变为低电平 0 , 从而关闭通道 2 和通道 1 。同时 Q 和 OU T2 共同去申请8031 的 IN T1 中断 。在 IN T1 中断服务程序中 ,

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8031 读取 8253 各通道的计数值 , 计算出转速并送出显示 , 然后启动下一次测速过程 。如果转速超过预置最大转速值 , 8031 将通过 P1.6 、P1. 7 口发出报警和停车信号 。 字串4


4. 3 　8279 显示和键盘输入接口
键盘显示器专用控制芯片 8279 完成显示和键盘输入功能 。
键盘工作方式为外部译码键扫描方式 , 双键互锁 。键盘扫描线由 SL0～SL2 通过外部 3 -8 译 码 器 提 供 , 查 询 线 由 反 馈 输 入 线 RL0 ～RL3 提供 (无键按下为高电平 , 有键按下为低电平) 。键盘设置 10 个数字键 、一个小数点键 、一个回车键和四个功能键 , 可用来完成预定测速时间 Tc 的选择 、运行方式的选择 、预置和锁存等功能 。8279 以中断方式控制键盘 , 中断请求信号 IRQ 经过非门后送入 8031 的 IN T0端 。由于 IN T0 具有最高优先级 , 所以 , 无论何时 , 系统都能及时地响应键盘 , 可按用户的要求及时地调整系统的工作方式和状态 。显示器的工作方式为左边输入 , 8 位字符显示 。位选线由扫描线 SL0SL2 经外部译码后提供 , 段选线由 OU TB (B0B3) 和 OU TA (A0～A3) 提供 。显示器由 8 位 L ED 组成 , 其中可显示三位小数 。 字串3
5 　软件设计
系统上电后 , 首先对定时计数器 8253 、各I/ O 口 、8279 等 进 行 初 始 化 。然 后 执 行 主 程序 , 根据键盘的输入和不同的中断 , 程序散转执行不同的功能 。测速各程序流程图如图 5 所示 。