单片机红外线测速表

课题：单片机红外线数字转速表

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设计内容及要求：转速测量的原理，红外线发射和接受管测量转速的方法，给出详细电路设计过程和原理图

1、转速测量的原理

测量的方法不同，会造成测量的原理有所不同，我在网上查找得到结果是，转速测量方法大致可以分为两类:

一类是直接法，即直接观测机械或者电机的机械运动，测量特定时间内机

械旋转的圈数，从而测出机械运动的转速；

另一类是间接法，即测量由于机械转动导致其他物理量的变化，从这些物

理量的变化与转速的关系来得到转速。同时从测速仪是否与转轴接触又可分为

接触式，非接触式。目前国内外常用的测速方法有光电码盘测速法、霍尔元件

测速法、离心式转速表测速法、测速发电机测速法、漏磁测速法、闪光测速法

和振动测速法。

a光电码盘测速法(这是本文采用的方法) 这是通过测出转速信号的频率或周期来测量电机转速的一种无接触测速法。光电码盘安装在转

子端轴上，随着电机的转动，光电码盘也跟着一起转动，如果有一个固定光源

照射在码盘上，则可利用光敏元件来接受光，接收到光的次数就是码盘的编码数。若编码数为l，测量时间为t，测量到的脉冲数为N，则转速n=(N/t*l)*60。

b霍尔元件测速法利用霍尔开关元件测转速的。霍尔开关元件内含稳压

电路、霍尔电势发生器、放大器、施密特触发器和输出电路。输出电平与TTL

电平兼容，在电机转轴上装一个圆盘，圆盘上装若干对小磁钢，小磁钢越多，

分辨率越高，霍尔开关固定在小磁钢附近，当电机转动时，每当一个小磁钢转

过霍尔开关，霍尔开关便输出一个脉冲，计算出单位时间的脉冲数，即可确定

旋转体的转速。

c离心式测速法离心式转速表是利用物体旋转时产生的离心力来测量转

速的。当离心式转速表的转轴随被测物体转动时，离心器上的重物在惯性离心

力作用下离开轴心，并通过传动系统带动指针回转。当指针上的弹簧反作用力

矩和惯性离心力矩相平衡时，指针停止在偏转后所指示的刻度值处，即为被测

转速值。这就是离心式转速表的原理。测转速时，转速表的端头要插入电机转

轴的中心孔内，转速表的轴要与电机的轴保持同心，否则易响准确读数。

d测速发电机测转速利用直流发电机的电枢电动势E与发电机的转速成

正比的这一关系测量转速。测转速时，测速发电机连接到被测电机的轴端，将

被测电机的机械转速变换为电压信号输出，在输出端接一个刻度以转速为单位

的电压表，即可读出转速。

e闪光测速法利用可调脉冲频率的专用电源施加于闪光灯上，将闪光灯

的灯光照到电机转动部分，当调整脉冲频率使黑色扇形片静止不动时，此时脉

冲的频率是与电机转动的转速是同步的。若脉冲频率为，则电机的转速为

(r/min)

但是无路是怎么样方法，它们的大致原理图大致如下：

各部分模块的功能分别为：①传感器：用来对信号的采样。②放大、整形

电路：对传感器送过来的信号进行放大和整形，在送入单片机进行数据的处理

转换。③单片机：对处理过的信号进行转换成转速的实际值，送入LED④LED

显示：用来对所测量到的转速进行显示。

在上述中已经说到本文是采用a方法，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) (1)

n ———转速、单位:转/ 分钟;

N ———采样时间内所计脉冲个数;

T———采样时间、单位:分钟;

m ———每旋转一周所产生的脉冲个数(通常指测速码盘的齿数) 。

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 (2)

通常m 为 60。

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

2、红外线发射和接受管测量转速的方法原理

看下图1.形成脉冲是由红外线的发射与接受产生的，下面将讲述这种形成脉冲

方法的原理

测速仪总体结构主要包括红外测速传感器（由红外发射与接收电路和齿盘组成）、信号处理电路、单片机以及数字显示部分。其工作过程如下：当齿盘旋转时，由于轮齿的遮挡，红外发射管与接收管之间的红外线光路时断时续，信号处理电路将此变化的光信号转换为电脉冲信号，一个脉冲信号即表示齿盘转过一个齿。单片机对脉冲进行计数，同时通过其内部的计时器对接收一定数目的脉冲计时，根据脉冲数目及所用时间就可计算出齿盘的转速，最后通过数字显示部分将转速显示出来。

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

fx =Nt(1)

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 % (2)

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 % (3)

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