基于光电传感器的直流电机转速测量系统设计-课设报告

北京信息科技大学

测控综合实践

课程设计报告

题目：基于光电传感器的直流电机转速测量系统设计学院：仪器科学与光电工程学院

专业：测控技术与仪器

学生姓名：

摘要

摘要

基于单片机的转速测量方法较多，本次设计主要针对于光电传感器测量直流电机转速的原理进行简单介绍，并说明它是如何对电机转速进行测量的。通过实验得到结果并进行了数据分析。

本次设计应用了STC89C52RC单片机，采用光电传感器测量电机转速的方法，其中硬件系统包括脉冲信号的产生模块、脉冲信号的处理模块和转速的显示模块三个模块，采用C语言编程，结果表明该方法具有简单、精度高、稳定性好的优点。

关键词：直流电机；单片机；PWM调节；光电传感器

Abstract

目录

摘要................................................................................................I 第一章概述 (1)

1.1 课设目标 (1)

1.2 内容 (1)

第二章系统设计原理 (2)

2.1 STC89C52单片机介绍 (2)

2.2 STC89C52定时计数器 (4)

2.3 STC89C52中断控制 (6)

2.4 光电传感器 (6)

2.5 数码管介绍 (7)

第三章硬件系统设计 (10)

3.1测速信号采集及其处理 (10)

3.2 单片机处理电路设计 (11)

3.3 显示电路 (12)

3.4 PWM驱动电路 (13)

第四章软件设计 (14)

4.1语言选用 (14)

4.2程序设计流程图 (14)

4.3原程序代码 (15)

第五章数据分析 (19)

总结 (20)

附件 (21)

参考文献 (23)

第一章概述

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、卷扬机、机床主轴等旋转设备的试验、运转和控制中，常需要分时或连续测量和显示其转速及瞬时转速。目前国内外测量电机转速的方法有很多，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、用电机转矩或者电机电枢电动势计算所得)、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。其中应用最广的是光电式，光电式测系统具有低惯性、低噪声、高分辨率和高精度的优点。加之激光光源、光栅、光学码盘、CCD 器件、光导纤维等的相继出现和成功应用，使得光电传感器在检测和控制领域得到了广泛的应用。而采用光电传感器的电机转速测量系统测量准确度高、采样速度快、测量范围宽和测量精度与被测转速无关等优点，具有广阔的应用前景。这次设计的内容包含了多个方面，从脉冲信号的产生模块、脉冲信号的处理模块和转速的显示模块三个模块入手，全面锻炼了我们信号采集，处理和分析的工作能力。

1.1 课设目标

通过51单片机进行PWM驱动直流电机转动，然后使用对射式红外光电传感器通过检测直流电机上的光电码盘进行脉冲测量，单片机处理脉冲最后数码管显示实际转速。

1.2 内容

1.2.1 总体方案

本文针对电机的转速进行测量，以单片机为核心对光电开关产生的数字信号进行运算，从而测得电机的转速，然后用数码管把电机的转速显示出来。即通过光电开关将电机的转数转换成0，1的数字量，只要转轴每旋转一周，产生一个或固定的多个脉冲，并将脉冲送入单片机中进行计数和计算，就可获得转速的信息。

系统主要由STC89C52单片机处理系统、电机、传感器检测单元、信号处理单元和显示系统等几个部分组成，如图1.1:

图1.1

第二章系统设计原理

2.1 STC89C52单片机介绍

2.1.1 STC89C52主要功能及PDIP封装

STC89C52是由深圳宏晶科技公司生产的与工业标准MCS-51指令集和输出管脚相兼容的单片机。STC89C52主要功能如表2.1所示，其PDIP封装如图2.1所示

2.1.2 STC89C52引脚介绍

①主电源引脚（2根）

VCC(Pin40)：电源输入，接＋5V电源

GND(Pin20)：接地线

②外接晶振引脚（2根）

XTAL1(Pin19)：片内振荡电路的输入端

XTAL2(Pin20)：片内振荡电路的输出端

③控制引脚（4根）

RST/VPP(Pin9)：复位引脚，引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位。

ALE/PROG(Pin30)：地址锁存允许信号

PSEN(Pin29)：外部存储器读选通信号

EA/VPP(Pin31)：程序存储器的内外部选通，接低电平从外部程序存储器读指令，如果接高电平则从内部程序存储器读指令。

④可编程输入/输出引脚（32根）

STC89C52单片机有4组8位的可编程I/O口，分别位P0、P1、P2、P3口，每个口有8位（8根引脚），共32根。

P0口（Pin39～Pin32）：8位双向I/O口线，名称为P0.0～P0.7

P1口（Pin1～Pin8）：8位准双向I/O口线，名称为P1.0～P1.7

P2口（Pin21～Pin28）：8位准双向I/O口线，名称为P2.0～P2.7

P3口（Pin10～Pin17）：8位准双向I/O口线，名称为P3.0～P3.7

2

3

P1.0T0/P3.4SCK/P1.7

MISO/P1.6MOSI/P1.5P1.4P1.3P1.2P1.1INTI/P3.3T1/P3.5WR/P3.6RD/P3.7XTAL2XTAL1GND

图2.1 STC89C52 PDIP 封装图

2.1.3 STC89C52最小系统

最小系统是指能进行正常工作的最简单电路。STC89C52最小应用系统电路如图2.2所示。它包含五个电路部分：电源电路、时钟电路、复位电路、片内外程序存储器选择电路、输入/输出接口电路。其中电源电路、时钟电路、复位电路是 保证单片机系统能够正常工作的最基本的三部分电路，缺一不可。

①电源电路 芯片引脚VCC 一般接上直流稳压电源+5V ，引脚GND 接电源+5V 的负极，电源电压范围在4~5.5之间，可保证单片机系统能正常工作。为提高电路的抗干扰性能，通常在引角Vcc 与GND 之间接上一个10uF 的电解电容和一个0.1uF 陶片电容，这样可抑制杂波串扰，从而有效确保电路稳定性。

②时钟电路 单片机引脚18和引脚19外接晶振及电容， STC89C52芯片的工作频率可在2~33MHz 范围之间选，单片机工作频率取决于晶振XT 的频率，通常选用11.0592MHz 晶振。两个小电容通常取值3pF ，以保证振荡器电路的稳定性及快速性。

③复位电路 一般若在引脚RST 上保持24个工作主频周期的高电平，单片机就可以完成复位，但为了保证系统可靠地复位，复位电路应使引脚RST 保持10ms 以上的高电平。如图复位电路带有上电自动复位功能，当电路上电时，由于C1电容两端电压值不能突变，电源+5V 会通过电容向RST 提供充电电流，因此在RST 引脚上产生一高电平，使单片机进入复位状态。随着电容C1充电，它两端电压上升使得RST 电位下降，最终使单片机退出复位状态。正常运行时，可按复位按钮对单片机复位