南工程(你懂的)基于光电传感器的转速测量系统设计24

光电传感器的介绍：
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。

转速测量示意图：
转速测量原理：
用频率测量法，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：
N=60m/pTc (r/min)
脉冲发生源硬件结构图：
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所示：
放大器图：
引脚图：
显示部分采用方便的LED数码管，下图为数码管的引脚接线图。

测量系统有8位共阳的LED数码管，表为驱动LED数码管的段代码表，1-代表对应的笔段亮，0-代表对应的笔段不亮。

若需要在最右边（S0）显示“5”，只要将从表中查得相应的段代码写入P0口，在将P2.0置高，P2.1-P2.7置低即可。

表3.1 驱动LED数码管的段代码表
显示电路如下图，其电路采用动态显示方式。

电机转速的测量结果经过译码，输出的8位并行数据通过STC89C51 的并行口(P0口)输出，送至7段LED ，同时由P2口输出位扫描信号以实现测量数据的动态显示。

P0口和 P2口都是准双向口，输出时需要接上拉电阻。

P0内部没有上拉电阻，P2口内部有弱上拉。

所以P0口外围电路设计为低电平有效，高电平无效。

要使数码管S0-S7的其中一个亮，其对应的P2端口要置高，P2的其余端口置低。

如：S0亮：P2.0置高，
P2.1-P2.7置低。

系统将定时把缓冲区的数据送出，在数码管上显示。

显示电路图：
数据处理过程：
在系统开始工作，或者完成一次频率测量，系统软件都进行测量初始化。

测量初始化模块设置堆栈指针(SP) 、工作寄存器、中断控制和定时/ 计数器的工作方式。

定时/ 计数器的工作首先被设置为计数器方式。

在对定时/ 计数器的计数寄存器清0 后，置运行控制位TR 为1 ，启动对待测信号的计数。

计数闸门由软件延时程序实现，从计数闸门的最小值开始，也就是从测量频率的高量程开始。

计数闸门结束时TR 清0 ，停止计数。

计数寄存器中的值通过16进制数到10进制数转换程序转换为10进制数。

对10进制数的最高位进行判别，若该位不为0 ，满足测量数据有效位数的要求，测量值和量程信息一起送到显示模块;若该位为0 ，将计数闸门的宽度扩大10倍，重新对待测信号的计数，直到满足测量数据有效位数的要求。

当上述测量判断过程直到计数闸门宽度达到1s ，这时对应的频率测量范围为100Hz - 999Hz ，如果测量结果仍不具有3 位有效数字，频率计则使用定时方法测量待测信号的周期。

定时/计数器的工作这时被设置为定时器方式，在对定时/ 计数器的计数寄存器清0 后，判断待测信号的上跳沿是否到来。

待测信号的上跳沿到来后，置运行控制位TR 为1 ，以单片机工作周期为单位，启动对待测信号的周期测量。

然后判断待测信号的下跳沿是否到来，待测信号的下跳沿到来后，运行控制位TR 清0 ，停止计数。

16 位定时/ 计数器的最高计数值为65535 ，这样在待测信号的频率较低时，定时/ 计数器将发生溢出。

当产生定时/ 计数器将溢出，程序进入定时器中断服务程序，中断服务程序对溢出次数进行计数。

待测信号的周期由3个字节组成:定时/ 计数器溢出次数、定时/ 计数器的高8 位和低8 位。

信号的频率f 与信号的周期T 之间的关系为:
f = 1/ T
完成信号的周期测量后，需要做一次倒数运算才能获得信号的频率。

为提高运算精度，这里采用浮点数算术运算。

浮点数用3个字节组成，第一字节最高位为数符，其余7 位为阶码;第二字节为尾数的高字节;第三字节为尾数的低字节。

待测信号周期的3个字节定点数首先通过截取高16 位、设置数符和计算阶码转换为上述格式的浮点数。

然后浮点数算术运算对其进行处理，获得用浮点数格式表达的信号频率值。

浮点数到BCD 码转换模块把用浮点数格式表达的信号频率值
变换成测转速的显示格式，送到显示模块显示待测信号的频率值示波器实测图：。