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马婕;1991年09月13日出生， 女，2014年本科毕业于南京财经大学，籍贯：江苏省淮安市金湖县，现居无锡。在职研究生专业是行政管理，工作单位：无锡照明股份有限公司;

摘要：在社会生产以及我们的生活中，光电传感器转速控制是举足轻重的测绘以及统制对象。最近几年以来，因为全球对于转速丈量使用的愈加看重，使得转速测量技术蓬勃开展，于是逐渐出现了各种各样的测量仪表并广泛地予以应用。从而能够使用各式传感器对转速测量进行测绘以及丈量。出于保守秘密的目的，很多公司不可能去出示具体的电动路线图以及开源代码，这对于接下来的开发和改造是非常难的。为了解决这种现状，于是使用光电传感器，再配合使用了CMOS工艺以及密度高、不易失性存储技术的STC 89C51型单片机开发的转速测量与控制系统，从而让输入/输出引脚和指令系统和MCS-51相容，使其成为开拓该系统的最佳芯片。

关键词  STC89C51芯片;转速; PWM控制

2.系统工作的原理及方法

2.1 转速测量原理

频率测量法的工作原理是在单位时间内对脉冲个数进行准确的计算来得出电机的转速数值，在本次研究中就采用此种测量方法。我们设定单位时间为Tc（分钟）、脉冲个数为m、脉冲发生器在正常运转情况下的脉冲输出量为p、转速表示为N（转/分钟），那么我们可以得出 m=Tcf、f=pN/60Hz，进而当我们得到m的数值后就能得到电机的转速值：N=60m/pTc （r/min）。

2.1.1 转速测量系统组成框图

LED显示模块、单片机STC 89C51、串口数据存储电路、软件、预处理电路构建了测量系统。信号放大、波形转换组成了预处理系统。这当中信号放大是为了减少对待测信号的限制条件;与单片机相适应的TTL信号则需要借助波形转换电路来实现;编程单片机能够让单片机的计时器T0统计输入脉冲，如此加到T0引脚的固定时间之内检查出的脉冲数就可以被计算出;在设计中展示转速的模块使用了较便宜和便捷的LED模块，经过统计得到的转速经由I2C总线放到E2PROM中进行储存，如此便让展示模块的软件编程得到简化。框架原理如图2.1。

2.2 系统硬件电路的设计

2.2.1脉冲产生电路设计

红外光电传感器在该设计中得到使用，从而实行分离式检测。如果红外光电发光的二极管以及光电晶体管中间被物体挡住时，低电平便会出现在传感器，反之就会出现高电平，脉冲由此形成。在光电传感器收取端口和发送端口中间插入电动机，并在电动机转轴装上转盘。于转盘的外沿打出一些圆孔，并在圆心处放置检测系统。随后当转盘发生转动后，脉冲会经由传感器立即向外输送，然后波形转换电路会将其转换为与单片机相适应的TTL信号，就能够计算出轮子的实际转速。

测试的精确度由圆孔的多少来决定，精确度越低，说明圆孔个数越少。增加圆孔个数就能够在一定时间内更多的得到脉冲数量，由此就能防止由于过孔间相隔较大，导致刚好于圆孔中间停止，从而导致大的偏差。由于技术限制，圆孔的真实数量也受到限制。而想要得到预想的结果，所以设计11个圆孔在转盘上，于是产生10个相同的距离。如此于后来的计划中就可以便捷的得到脉冲频率。如图2.2所示。

2.3 光电转换及信号调理电路设计

出于光信号和电信号相互转换的需要，所以要用光电传感器而且再制作相关的信号电路，从而得到想要的脉冲信号，再交由单片机STC89C51统计，还能够获得相应的时间，再让单片机统计从而获得电动机的旋转速度。

2.3.1 光电传感器简介

光电传感器是现阶段应用于转速测量中的一种常见的设备，其具有准确性强、结构简单、适应性强等优势，能够满足不同条件的转速测量工作。其工作原理是借助光电元件为传感器来实现电信号与光信号之间的相互转化，并且其主要由光电元件、光学通路和光源三者构成，在实际工作中能够对电机转速实现无接触式的测量。

根据不同的光通量可以将光电元件分成两大种类：开关式和模拟光式传感器，并且这两种传感器在作用原理上具有很大的差异。其中模拟光式传感器与被测量转机数值间表现为单值，其工作原理上将检测目标物体转换为光电流。并且依照测量方式同分成以下三种：一、透射式。通常意义上是受检测物置于光路中，持续的光源射出的光穿过受检测物，有的光经接收之后，未被接收的光照在光电元件之上;二、漫反射式。通常意义上的漫反射式是由持续光源射出的光照在受检测物体上，再由受检测物体折射在光电元件之上;三、遮光式。通常意义上的遮光式为持续光源射出的光路过受测量物体后，挡住部分光，从而让照在光电元件上的光通量发生变化，变化的大小和受测量物处于光路的部位相关。

光电传感器中重要的一个模块就是光源，如果想让光电传感器发挥更大的作用，还要搭配相匹配的光源。

发光二极管可以将电能变为光能的半导体物件。小体积、长寿命、低功耗、快速响应、强度高是它的优点，而且可以和组合电路对应。所以经常在计算机以及自动控制设备中使用。

钨丝灯是日常中普遍使用的光源，可以释放较多的红外光，倘若使用对红外光敏锐的光电元件，组建传感器的时候为了阻止其他光线的扰乱，必须加上滤色片把钨丝灯的可见光去掉。

激光是非常好的光源，其和寻常光源比较有更加集中且方向性好的能量，以及频率单一、相干性好的优点。

由此得出，每一种光源都有自己的长处，不过从便宜和便捷等考虑，再结合抗干扰等能力，最终使用红外光二极管为本次测量的光源。

2.3.2 光电转换及信号调理电路设计

转速在经过传感器后会被变化为用于测量的电脉冲信号，随后 LM324 会对其进行一系列的处理，随后将其传送至单片机展开数值统计，最终得出电机转速。如图2.3所示。

LM324的外形结构由下图（图2-5）可见，通常情况下其借助十四只脚两列直插塑料封装，是一种四运放集成电路。并在其有4组形式一样的运算放大器，且这4组互不干涉，但是共用同一套电源。运算放大器能够以图2.4的样式来展示，并且其包含“V+”、“V-”两个负电源端、“+”、“-”输入端和输出端“Vo”。

因为LM324四运放电路的源压上下限较宽，能耗较小，而且能够单独应用，又存在便宜等长处，所以经常被使用于各式各样的电路中。

所以说笔者在本次研究中选取了数值较为精准的LM324系统来开展本实验，且采用正负极增大电路对脉冲信号来增强，避免信号脉冲不足导致改变不了实验的变量。

为追求预期，于是使用MULTISIM 8来模仿系统，而且依靠模仿的成果来设置元器的相关数据，从而使电路符合请求，如图2.6。

2.4 测量系统主机部分设计

2.4.1 单片机

单片微型计算机的略称为单片机，说的是于芯片上集中放置了中央处理器、定时器或者计数器、程序存储器、随机存储器等部件，从而组建成微型计算机。现在，部分单片机内还有高速输入/出、A/D和D/A转换器等模块。因为其功能以及结构均为使用工业控制标准而制作的，所以尤其善于数据处理和工业控制，所以贴切的名称为微控制器.

在此系统内使用以MCS-51为核心的STC 89C51单片机，因为其输出端与输入端的管脚和指挥系统同MCS-51单片机为同步的。由于非常高的性能价格比，所以收到非常大的追捧。如图2.7。

STC 89C51单片机属性：

（1）其内部含一个八位的中央处理器，且有4KB的EEPROM。

（2）较大字节的RAM，以及多个SFR。

（3）2个十六位定时器/计数器。

（4）能够找到64KB RAM和64KB ROM的四个八位并列的端口，其中地址和数据线分别为P0和P2。

（5）包含五个中断源并且可进行程序改写的全双工串行口。

图2.8为STC 89C5的引脚分布图。我们可以清楚地观察到：单片机的管脚除了具备时钟接入、电源等结构，还包含了为拓展系统而设置的管脚。同时，MCS-51单片机片外的三总线结构也由他们组成，具体如下：

①地址总线（AB）：P2口能够直接寻找八位地址，寻址为64K字节的外部存储器、P0口将十六位地址总线转换为八位地址传送给地址锁存器。

②数据总线（DB）：由P0输入宽度为八位。

③控制总线（CB）：由P3口的第二功能状态和4根独立控制线RESET、EA、ALE、PSEN组成。

2.4.2 键盘显示模块设计

点击K0为复位、清零;

点击K1展示时间;

点击K2展示脉冲数;

这个按键电路是低电平才有效，如果没有按动按钮时，单片机输入引脚P1.0、P1.1、P1.2、P1.3端口都会是高电平。而如果按动任何按钮，那么它所相应的P1端口就会改为低电平。设计上还安装了更安全的按钮误触装置，设计上安装并设定150毫秒便停止一次的计时器，每停止一次就会扫视按钮，倘若扫视出按钮被按动，就会推迟10毫秒然后再扫视一次按钮，如果此时按钮还是被按动了，那么按钮就是真的，此时就会由P1口来输入相应数据，低电平就会转换为有效按键。

更加便宜的LED数码管作为展示器，如图2.10就是数码管的引脚接线图。测绘系统含八位都是阳极的LED数码管，表2.1就是驱动LED数码管的段代码表，相应位置的笔段亮表示为1-，不亮则表示为0-。当将系统内P2.0置高、降低P2.1- P2.7并在P0口填入对应的代码，则可以在S0中呈现出“5”。

如图2.11，这个电路使用动态展示。转速数字化经由译码，以八位的形式输出并借助STC89C5的P0段出送至7段的LED中，在P2口中达到对所得数据进行同步的动态性显示。在P0口的设计中高电平无效，而低电平有效，这是因为P0内缺少上拉电阻。所以说要想S0-S7中的一个发亮，就要降低P2的其余端口并提高其其中的对应端口。

2.4.3 串行通信模块设计

STC89 C51单片机之串行通讯接口的输入和输出是范围0-0.3V（TTL低电平），范围3.8V-5V（TTL高电平），仅仅适用于短距通信，长距通信时，会由于TTL电平较低，抗干扰能力较弱导致通信不可靠。于是目的是增加串行接口的可靠性以及抗干扰能力，所以涌现了诸多通讯标准以及规定。现在普遍使用的一个标准就是RS-232标准，如此一来，既可以增加设备的兼容性，又使数据传送时更加可以信赖。

使用MAX232芯片将TTL电平变为RS-232格式，从而实现在测绘系统中设置两个DB9接口，并将微机与单片机相联系，，第一个当作ISP下载器模块的程序下载接口，第二个当作单片机和别的有RS232接口的通信端口。如图2.12所示。

2.4.5 电源模块设计

电源模块提供+5伏特和±15伏特电源供别的模块使用。电源的设计分为多种，比如分立元件、集成稳压器等，现在普遍使用的是用集成稳压器来规制稳压电源。在现阶段使用最为广泛的是固定式和可调式两种三端稳压器，其中可调式集成稳压器能够实现对输出电压的精准控制。并且最为简单的电路外接元件仅仅由1个电位器和固定电阻构成。并且其内部包含系统保护机制，其输出电流最大为1.5安培。

系统需求同时拥有2个电源，其中+5伏特的电源用7805，如图3.13所示。原理：九伏特的交流电压输入后经过桥堆调整电流，经过一千μF的电解电容以达到过滤效果，又经由集成稳压器7805稳住电压，再加上C19、C17电容对它进行过滤之后，才能输出+5伏特的电压，才能够使用。

±15伏特的电源使用LM317和LM337模型，如图3.14。220伏特的交流电压经过变压器转变成为±15伏特交流电压，然后经过桥堆整流器变成上下变动的直流电压。C1～C4是滤波电容，过滤掉电压当中频率较高的部分，让电压变为安稳的直流电压。LM317以及LM337构建为±15伏特的直流稳压电源稳住电压的部分，保证在输出端的电压停留在1.25伏特上下。D1～D4对于LM317以及LM337有保护功能。经由对电位器R3、R4的调整以获取需要的±15伏特的电压。

3系统软件设计

3.1程序模块设计

软件部分是由中止服务子程序、LED显示程序、按键设计程序等组成。

数据处理做到处理各式各样的测量数据，比如各类数据的运算、数据格式的转变等等。

按键程序包括按键防抖动、判键和修改项目等等。如图3.1所示。

定时器1服务子程序设计，如图3.2所示。定时器1做到定时的功能，定时二十毫秒，而且间隔二十毫秒展示一次，并且隔一秒读取一次计数结果。单片机对在一秒内记录数据的资料实行处置，转变为隔一分钟的速率送显存以便展示。

详细的运算法则是：主程序对于计数器、堆栈、定时器等实行格式化之后就会分析标号是不是 1，倘若是 1，就要对数据实行运算处置，先把标号归零，让下次可以照常分析，再到达数据处置步骤，因为此处的关卡时间是一秒，但是要展示为转/分，所以应把得到的数值对其转变，转变的方式为把得到的数值与六十相乘，不过因为转轴上装了十一个圆孔，每当转1圈就能够收到十一个脉冲，所以要把测量到的数值与十一相除，因此转换之后，把测量得到的数值与5.4545相乘就能够获得一分钟的旋转速度。运算获得的是一个二进制的数值，若将数值送到展示缓冲区就要把这个数值转变为BCD码。计算获得的为压缩BCD码，再把该数值转变成非压缩BCD码，自标志CBCD初始的部分就完成了这个处置。值得一说的是，此处二进制乘法以及二进制至BCD码的转变都使用了现有的程序，所以先把二进制数转变为压结合实际BCD码，之后转变为不是压缩的BCD码，看上去多此一举，但是事实上可以确保程序的品质。定时器T1当作定时发生器，于定时中断程序当中行驶数码管扫视，发生一秒的闸门信号。一秒的闸门信号的发生是经由计数器Count，中止一次的时限是二十毫秒，统计五十次就是一秒钟，到达一秒之后，就会抹除计数器Count，再关上当作计数器使用的T0，摘出TH0、TL0中的数据，再送到SpCount以及SpCoun+1单元中，把T0中的数据重置，设标号是1，让主程序行使速度值的运算。

3.2 数据处理过程

工作开始后，抑或做完一次频率测绘，系统软件就会重置测绘，重置设计堆栈指针、测绘模块工作寄存器和计数器/定时器的工作方式。

将定时器/计数器的计数寄存器重置之后，设TR（运行控制位）为一 ，随后记录待测信号的数值。由记录数值闸门的底值初始，即起始于测绘频率的高量程。记录数值闸门完成后TR重置，暂停记录数值。计数寄存器当中的数据经由十六进制数至十进制数转变程序转变成十进制数。十进制数的最高位实行分析，如果这个数位不是零，并且符合数值位数的请求，测绘数值与数据同时送到显展示模块;如果这个数位是零，记录数字的闸门变大十倍宽度，再次对待测信号记录的数值，至符合测绘数值的需求。

直到之前测绘分析过程使记录数值的闸门的宽达到一秒之后，此时相应的频率测试维度是100Hz-999Hz，倘若测试所得还是没有得到三位的有效数值，那么频率计就用规定时间的方式测绘等待测试信号的一循环。定时器/计数器的操作此时让设定成定时器，将定时器/计数器的计数寄存器重置之后，分析等待测量的信号上沿有没有来到。等待测量的信号上沿来到之后，设置运行控制位TR是一 ，以单片机操作一循环为单位，开始对等待测量信号的一循环进行测绘。之后分析等待测量的信号的下跳沿有没有到来，等待测量的信号的下跳沿到来之后，行使控制位TR重置，中止记录数值。十六位定时器/计数器的计数值峰值是65535 ，如此于等待测量信号的频率不高的时候，定时器/计数器就会产生溢出。定时器/计数器刚要溢出时候，程序开始定时器中止服务操作，中止服务操作对溢出实行记录次数。三个字节构成等待测量信号的一个循环：定时器/计数器溢出次数、信号的频率f 与信号的周期T的关系是：

测量完信号的一个循环之后，还要完成一次倒数运算方可以得到信号频率。出于增加计算精度的目的，本次使用浮点数算术计算。浮点数用三个字节构成，第一个字节峰值是数符，另外7位是阶码;第二个字节是最后一位数的高字节;第三个字节是最后一个数的低字节。等待测量信号的一个循环的三个字节定点数先经由取高十六位、放置数符以及运算阶码转变成之前格式的浮点数。之后浮点数算术计算对它行使分析处置，得到使用浮点数格式表示的信号频率数。

3.3中断调用程序

这部分是外部终止0定时器T0以及T1的定时终止三个部分。外部中断是针对霍尔传感器测量到的脉冲输入进行技术，定时器T0为间隔1min针对采收集度实行运算、回路PWM把控运算和针对按键扫描标志位置1，定时器T1为PWM占空比调整。它的工作原理为终止发出请示之时，行使主程序的单片机中央处理器对于终止产生反应而且办事子程序，办事完成之后再次回到主程序当中。

程序流程如下所示：

3. 3 LCD程序

该部分为显示刷新程序，其中包括模式之间的自动转变、重置的时间以及点位的闪动三个部分。待步入时间重置的子程序时候，当count计数到一秒之时再加一，展示的重置时间，等秒加到六十时分加一，分时间刷新，当分加到六十时时加一，时时间刷新，最后返回主程序中。当无时间更新的时候，程序返回主程序继续执行中断前的服务。

3. 4 按键修改功能程序

该部分为按键执行功能部分，首先是对矩阵按键的线反转法识键和译键，如果有键按下，当为13按键时，按键控制采集速度控制方法的选择;当为14按键时并有0—9按动按钮时候，按键修改设定速度，否则返回;当为15按键并有0—9按动按钮时候，改动PID数值，不然就返回;为16按钮时候按钮操作电机的开启和停止。

3.5 PID控制程序

该部分为PID控制转速的占空比，通过完全微分PID增量控制PWM占空比，即当到达一定时间后，对采集进来的实时速度按照完全微分PID计算公式计算出转速的增量，再按一定比例转换成PWM占空比。其具体流程如下所示：

3.6 回路自动控制PWM程序

回路自动控制程序是系统软件中使用的其他类型的PWM控制方式，它的设计思路是经由收集速率和预定速率之差分成不一样的的档位，针对于占用和空置之比的调整宽度亦不一样，相差愈大，那么增长的占用和空置之比也就越大，其具体流程如下所示：

4调试与测试

由设置的硬件电路图，将电路连接好。软件调整时候使用keil3软件的翻译之下，第一，建设一个工程，翻译程序至文本当中;第二，将文本加至工程里;第三，开始翻译，倘若程序没出错，就开开电源，将程序下载至实验箱行使仿真以及调整，不然就依据错误提示更改程序，直至无错误为止。

4.1LCD显示和按键程序的调试与测试

根据实验要求设计好系统的硬件和软件部分后，首先对LCD显示部分和按键扫  描的程序编写，在该部分调试时用LED灯做按键指示，如果有按键按下，则LED灯亮，并在LCD上显示相应的按键。在该部分调试

4.2作息时间控制打铃程序的调试

当程序无错误时，在数码管上会显示北京时间，所设定的某一打铃时间和显示时间相等时，蜂鸣器就响三下，但后来蜂鸣器却一直响，程序有错误，在对程序进行改进时，采用了几种方法，最后采用了一种最简单的方法，将控制报时的蜂鸣器间断响三次，最后使蜂鸣器处于高电平，最后也能达到最终结果。这部分调试也成功完成了其功能。

4.3调整时间更改程序

调整时间更改程序包含展示时间的更改以及按时打铃作息时间的更改，这部分相比于前两部分的调整以及测绘更加复杂一些，最主要是一些按钮的功能，只要分工合作好就写程序时思路清晰，各个模块之间衔接好就不会出现很大的问题，该部分应注意的是在扫描是否有按键按下时，要进行按键消抖，目的是消除单片机在扫描是否有按键按下时得到错误的信息。还有就是在在修改时间时，由于在写这部分程序时还不是很完善，所以要按照说明书来操作，以免得到错误的信息。

4.4系统整体调整和测试

前三个模块在正确工作时，将全部程序都组合起来行使，看看到数码管上显示出设设定的时间，并能正常运行。在作息时间和显示时间相等时可以听到蜂鸣器响三下，在按键修改时间也可以同时进行，达到所设计的预期结果，说明该程序和硬件能实现所设计的基本功能，整个系统功能基本完成，设计实验调试和测试完成。

参 考 文 献

[1]余永权.汪明慧，黄英.单片机在控制系统中的应用[M].电子工业出版社，2003

[2]王福瑞.单片微机测控系统设计大全[M].北京航空航天大学出版社，1999

[3]张勇.电机拖动与控制[M].机械工业出版社，2001

[4]赵继文.何玉彬.传感器与应用电路设计[M].科学出版社，2002

[5]胡汉才.单片机原理及其接口技术（第2版） [M].清华大学出版社，2004