51单片机的光电计数器电路设计原理

51单片机的光电计数器电路设计原理

1.前言

21世纪是信息时代，获取信息，处理信息，运用信息。传感与检测技术的重要性在于它是获得信息并对信息进行必要处理的基础技术，是获取信息和处理加工信息的手段，无法获取信息则无法运用信息。

传感与检测技术是一门知识面广、综合程度高、实用性很强的专业课程。它从传感器的基本理论入手，着重讲叙传感器的结构与感测原理，传感器是一个二端口的装置，不同的传感器输入-输出特性不同，同一传感器适应不同的被测信号呈现的特性也有所不同。尤其当被测信号为静态信号时两种状态下，传感器的输入-输出特性完全不同。感测技术在许多新技术、新器件里都有应用，在课程安排上，以信息的传感、转换、处理为核心，从基本物理概念入手，阐述热工量、机械量、几何量等参数的测量原理及方法。

光电式传感器是将光信号转化为电信号的一种传感器。它的理论基础是光电效应。这类效应大致可分为三类。第一类是外光电效应，即在光照射下，能使电子逸出物体表面。利用这种效应所做成的器件有真空光电管、光电倍增管等。第二类是内光电效应，即在光线照射下，能使物质的电阻率改变。这类器件包括各类半导体光敏电阻。第三类是光生伏特效应，即在光线作用下，物体内产生电动势的现象，此电动势称为光生电动势。这类器件包括光电池、光电晶体管等。光电效应都是利用光电元件受光照后，电特性发生变化。敏感的光波长是在可见光附近，包括红外波长和紫外波长。

本课题利用AT89C51单片机，探讨一种简易光电计数器的设计思路。

2光电计数器的系统设计

2.1系统硬件设计

2.1.1方案选择

由于单片机所具有的特性，它特别适用于各种智能仪器仪表，家电等领域中，可以减少硬件以减轻仪表的重量，便于携带和使用，同时也可能低存本，提高性能价格之比。

图2.1光电计数器总结构流程图2.1.2仪器各部分组成

u稳压直流电源的实现

（1）稳压直流电源原理图

u传感器

传感器为红外光电式传感器。其中一个发光二极管发出红外波长的光，可不受室内自然光的影响，此光照到旋转物体上反射回后，被光敏三极管接收。光敏三极管接受到此信号后，经放大，整形转换为矩形脉冲信号送入MCS-51单片机的外部中断输入端INTO和INT1上。

u显示器

4个LED数码管作显示器，通过573驱动。

u数据存储器

数据存储器由AT89C51片内的低128字节和8155内部256字节的RAM组成.AT89C51的内部RAM主要用于堆栈，工作寄存器，显示缓冲器，各测量参数的计算缓冲器和标致位等。而8155内部的RAM除上部4个单元外，全部用于存放转速和线速度值，其存储空间划分如图2-2所示，共分为三组，每组84个单元，可存入42个16位二进制数据，即42个4位16进制数据。如下图2.1为外部RAM存储器空间划分图。

图2.1外部RAM存储器空间划分

u检测齿轮：

检测齿轮上有10个齿均匀分布在轮盘周围，并被直接固定在被测轴上，安装时光电耦合器的发光二极管和光敏三极管正对齿轮上的齿，当被测轴转动时带动检测齿轮转动，光电耦合器通过对检测齿轮上的齿进行耦合从而产生数字脉冲。脉冲经过放大送向单片机的计数端。

u系统工作简图

u整体硬件电路设计

图2.2监控主程序流程图

主程序的任务是对AT89C51单片机初始化，如设置堆栈，预置各定时器的控制字，初始化显示缓冲区，8155的初始化，设置标致位，清内存等；然后显示开机初始化状态，扫描键盘，根据按下键的功能各自的功能操作。

3设计原理

3.1转速计算及误差分析

根据转速,周期,频率之间的关系可知:

(3-1)

(3-2)

(3-3)

式中,n—被测转速,r/min;

T－转速信号周期,s;

f－转速信号频率,Hz;

－计算计数脉冲的周期，又称时基，.将式(3-3)代入式(6-1)，可得：

(3-4)

用十六进制数表示，为：

式中N已存入75H,74H,73H单元。利用除法子程序,即可求出转速。

下面计算系统得相对误差。

分别对式(3-1)和(3-3)求微分

(3-5)

(3-6)

将式(3-6代入(3-5)，可得：

(3-7)

式中，为量化误差，个计数脉冲，又已知时基，故

(3-8)

由式(3-8)可知，相对误差与频率成正比，即相对误差随转速得升高而升高。因此，为了提高测量精度，高转速时需要连续测量数个周期。

本系统中为4个周期，即测得的N为4个周期内的总和，所以

(3-9)

(3-10)

用十六进制数表示，为,对式(3-9)进行微分得：.

因此，可求出高速测量时的相对误差为。

同样，代入，个计数脉冲，则:

(3-11)

将式(3-11)与式(3-8)比较可知，采用多周期测量相对精度大大提高。

若设置系统的临界转速为3662r/min，其对应的每周期计数脉冲个数为

。开机时,首先按低转速测量,然后判断转速n是高于还是低于3662r/min。若低与此临界值，则仍然低转速测量，若高于它，便主动转入高转速测量，即连续测量4个周期.这样，就可以实现量程自动切换。

3.2转速测量

由式(3-4)和(3-10)可知，只要能够求出脉冲个数N，即可求出转速。为了得到计数脉冲，可以采用门控方式的硬件计数方法，也可以采用中断方式的软件计数方法。

3.2.1门控方式计数

由AT89C51定时器/计数器T0工作原理可知，当其工作在计数方式，只要T0引脚上有负

跳变,计数器就加1。CPU在每个机器周期的状态时，采样T0，所以需要2个机器周期才能识别一个T0的负跳变，即T0的周期至少应该等于2倍机器周期。若晶振频率为

6MHz，6分频后得到ALE信号，故ALE信号周期为，机器周期为。由此可知,