1、转速测量仪.摘 要 转速表是机械行业必备的仪器之一，用来测定电机的转速。常用于电机、电扇、造纸、塑料、化纤、洗衣机、汽车、飞机、轮船等制造业。本次设计研究的题目是在传统的转速表基础上，采用了电感式接近开关与单片机技术相结合的一种非接触式的转速测量装置。转速表可以很直接地测出车轮的转速，明确发动机的工作状态，帮助驾乘者适时地调档位，有效的保证车辆的发动机能在正确的工作状态中运行，做到减小磨损，节约燃油，最终获得良好的行驶性能。此课题设计分为硬件和软件两个部分。硬件电路主要由电感式接近开关、AT89S52单片机和七段数码管等组成。软件主要是对数据处理和显示方面的编程。整个系统运行的过程是通过电感式
2、传感器接收脉冲信号，通过滤波电路限幅整形把脉冲信号变为电信号,然后把信号传送给单片机，单片机通过测量信号周期的方法得到信号频率，从而测出发动机的转速，最后由七段数码管显示出来，按键设置发动机的回转半径。根据现代转速表的研究和发展现状，本文设计的电感式转速表适应于较高场合的精度测量和非接触型测量。实践证明，此设计具有较高的实用价值和推广价值。关键字:电感式传感器;显示仪;单片机;数据采集、处理与显示Abstracttachometer is the necessary instruments of MachineryIndustry，its used to measure the speed o
3、f the motor。its also used widely in the industry of electrical machine、electric fan、papermaking、plastics、chemical fiber、washing machine、automobile、aircraft、steamship and so on。The study is based on the traditional tachometer, its also use the detector and the Inductive Proximity Switches which with
4、single-chip technology that combines a non-contact speed measurement device of the instrument. Tachometer can show the speed of the wheel directly, reflects the state of the engines working. It also can help driver to adjust the driving gear timely and effective to ensure that the engine can work in
5、 the right state of running in order to reduce the attrition and save fuel. The finally purpose is to access to a good driving performance.This study can generally be divided into two partshardware and software. The hardware consists of the Inductive Proximity Switches, AT89S52 MCU and LED display.
6、The software processes data and displays the programming. The process of the entire system is run by the inductive sensor signal which is changed from the pulse by the shaping filter circuit limiter, the single-chip pulse cycle is get by measuring the pulse frequency, And get the speed of the engine
7、, at last, the data is sent to the LED display.The rotation radius is set by button.In accordance with tachometer status of research and development, this design of the inductive tachometer adapts to a high precision measurement and control of occasions, it also has a high practical value and should
8、 be spread widely.Key word:Inductive sensors; Display instruments; single-chip；Date collection 、processing and collection附录B 中文翻译 44附录C 源程序代码 531 引言1.1 课题背景随着现代技术的进步，发动机转速表能准确地反映发动机的工作状况。转速表的单位是1 /min1000，即显示发动机每分钟转多少千转。转速表能够直观地显示发动机在各个工作状况下的转速，使驾驶员能够随时了解发动机的运转情况，调整变速器档位和油门大小，使之保持最佳的工作状态，不但能减少油耗，并且有
9、效的延长发动机寿命。目前，转速表一般都是电子式转速表，包括指针式和液晶数字显示式，表内有数字集成电路，它将点火线圈输送过来的电压脉冲经过计算后驱动指针移动或数字显示；另外还有一种转速表是直接从发电机取出脉冲信号，然后送到转速表电路解释后显示转速值，不过因受发电机皮带打滑等因素影响，数值不太精确。目前，手持式转速表应用范围很广，有光电式转速表、感应式转速表，还有用 RF401等集成电路芯片来实现对汽车发动机转速的测量。有些产品虽然能达到很高的精度，但是在快速性和稳定性上还存在一定的欠缺，而且有些高端产品价格昂贵。针对上述问题，我设计了一种非接触式发动机转速表，由电感式接近开关接收脉冲信号，单片机
10、通过测量脉冲周期的方法得到脉冲频率，测得发动机转速。并通过按键设置发动机回转半径，发动机转速，通过LED数码管显示数据。1.2 转速表的发展与应用1.2.1 国外发展状况1986年，美国NI(NafionInstrument)公司提出了虚拟仪器的概念，提出了”软件即仪器 (The software is the instrument)”的口号，彻底打破了传统仪器只能由生产厂家定义，用户无法改变的模式，从而引发一场仪器和自动化工业的革命。随着现代软件和硬件技术的飞速发展，仪器的智能化和虚拟化已经成为未来各级实验室以及研究机构发展的方向。与此同时，汽车电子也已成为一个热门的研究领域。汽车转速与速度
11、表是汽车电子系统中一个最基本的也是最常见的组成部分之一。利用非接触测量仪器的思想构建基于电感式接近开关与软件相结合的转速测量与显示装置，将在汽车仪表行业引发重要变革，并有效提高汽车仪表的整体水平。1.2.2 国内发展状况我国发动机转速表是随着国内摩托车工业的起步与腾飞而不断更新的，最初采用的磁感应式转速表，它通过一组齿轮获得曲轴的转速信号，利用软轴传递到转速表上，带动一块铜质或铝质的导电盘，在磁钢产生的涡流作用下发生偏转，驱动指针在表盘上显示。其特点是仪表结构简单，转速信号取出较复杂，可动部件较多，磨损较快，特别是软轴易产生失速，影响测量精度。另外整套系统成本较高，不具有价格优势，因而其垄断地
12、位被逐步打破，逐渐由电子式转速表代替。到80年代末，电子化在摩托车行业开始推进，以大阳90型为代表的第一代电子式转速表应运而生，其信号取自在前大灯处的交流电信号，经过分离元件组成的f-V转换器，变成电压输出，驱动一个电流表，显示发动机转速。这种仪表最大特点是去除了复杂的齿轮传动系统，省掉了软轴，减少了可动部件，整体上降低了成本。但其自身固有的不成熟性，分离元件组成的线路板，分辨精度、抗干扰性和可靠性等缺点，限制了其进一步的发展，经过短暂的辉煌后，迅速地被第二代电子转速表代替。目前第二代电子式转速表的电路主要采用的是时基电路555以及车用集成电路BCS225（215），具有价格便宜，工作稳定，可
13、靠性较高等优点，代表车型为嘉陵集团生产的JH125型摩托车。随着进一步的发展，其表现出来的线性误差大，存在迟滞效应，抗振性能一般，工序较多等缺点不能满足某些要求。于是产生了第三代电子转速表，又叫动磁式电子转速表。这种电子转速表，线性可以控制在1%以内，消除了迟滞效应，表头简单易于生产，抗振性能及可靠性大幅度提高，随着集成块国产化的成熟，必将全面发展。1.2.3 课题意义综合转速测量仪的特点可以看出，转速测量仪的研究需要传感器、微处理器、电子电路等多种理论的支持，更需要多学科的交叉与渗透。利用电感式接近开关与单片机技术相结合的方式设计出的转速测量仪，在转速表领域有更广阔的前景。2 课题内容及研究
14、方案2.1 课题主要内容本课题设计主要采用具有ISP功能的51系列单片机AT89S52，采用C51编程语言进行转速测量的数据采集，处理及显示的软件程序设计，并以电感式接近开关作为转速传感器，检测脉冲信号，最终通过4位LED数码管显示出转速。完成设计内容。2.2 课题总体设计方案本次设计分为硬件和软件两部分，主要完成对软件程序的编写。2.2.1 硬件部分硬件设计部分主要是由电感式接近开关传感器，RC滤波电路，按键电路和显示电路组成。系统硬件设计的总体框图如图2.1所示：脉冲信号滤波电路电感式接近开关传感器按键控制LED显示屏EA/VppVCC VSSX1 P0P2X2 RESETINT0AT89
15、S52P1.0P1.1P1.2P1.3图2.1 转速测量仪硬件设计总体框图2.2.2 软件部分本文的程序设计主要分为三大部分：对电感式接近开关信号的采集，数据显示及功能键的设置。采用C51进行编程。系统程序流程图如图2.2所示：系统初始化按键处理数据采集数据处理结束开始系统初始化数据显示图2.2 系统程序流程图3 转速测量仪的硬件电路3.1 电源模块设计3.1.1 电路分析电路如图3.1所示：图3.1 电源模块电路由于电路接入电压为12V要求电路输出为5V所以在电源中加了7805稳压电路来进行电压调整。电容C4串接在7805稳压器3脚与地之间，可使输出电压Uo得到一定的提高，输出电压Uo为78
16、05稳压器输出电压与VC1电压值之和。VC2是输出保护电容的，一旦输出电压低于VC1电压值时VC2充电，将减小输出电压，保护7805稳压管输出端不被损坏。3.1.2 7805稳压器优点7805是三端固定式集成稳压器，它是固定输出电压式稳压器，片内具有过流保护和过热保护功能，外接两只电容就可简单构成稳压电路，如图3.2所示。当输人电压v1、输出电流Io或温度变化时，输出电压vo可保持不变；另外当输出短路，可使输出电流Io限制为一定值；若集成稳压器过热，则稳压器停止工作，以免稳压器遭到损坏。图3.2 三端固定式集成稳压器的工作电路3.1.3 7805稳压器使用注意事项1. 分清三个引出脚。三端集成
17、稳压电路的输入、输出和接地端安装时很容易损坏，需特别注意。同时，在安装时三端集成稳压电路的接地端一定要焊接良好，否则在使用过程中，由于接地端的松动，会导致输出端电压的波动，易损坏输出端上的其它电路，也可能损坏集成稳压电路。另外，在拆装集成稳压电路时要先断开电源；输出电压大于6V的三端集成稳压电路的输入、输出端需接一保护二极管，可防止输入电压突然降低时，输出电容对输出端放电引起三端集成稳压器的损坏。2. 正确选择输入电压范围。三端集成稳压电路是一种半导体器件，内部管子有一定的耐压值。为此，变压器的绕组电压不能过高，整流器的输出电压的最大值不能大于集成稳压电路的最大输入电压。3. 保证散热良好。对
18、于用三端集成稳压电路组成的大功率稳压电源。应在三端集成稳压电路上安装足够大的散热器。当散热器的面积不够大，而内部调整管的结温达到保护动作点附近时，集成稳压电路的稳压性能将变差。3.2 单片机按键设置按键电路如图3.3所示：本设计中采用上拉式按键，当按键断开时，由于单片机端口的输入内阻很大，在10K上拉电阻的作用下，单片机输入端口的电平为5V高电平；当按键闭合时单片机端口与电源地相连，电流从5V电源经10K上拉电阻流向电源地，此时单片机输入端口电平为0V。当出现低电平时，单片机判断有按键按下。四个按键分别对应控制键，高位键，中位键，低位键。（1）当系统供电马上进入“直径参数设置”状态，在显示屏显
19、示“P0.00”，其中后三位用于输入“0-9.99米”的直径参数值，光标先定位在后三位的最左位；（2）按高位键，则改变个位上的数，09变化；（3）按中位键，则改变十分位上的数，09变化；（4）按低位键，则改变百分位上的数，09变化；（5）按控制键，系统进入转速测量状态。图3.3 按键电路3.3 传感器与单片机接口电路设计传感器会受到外界干扰而产生干扰信号，对测量结果产生影响。为保证单片机采集到的信号稳定可靠，在本次设计中，传感器与单片机接口之间接入RC滤波电路，用来提取有用信号。此外，本次设计采用的传感器是电感式接近开关传感器。3.3.1 电感式接近开关简介电感式接近开关传感器，是代替限位开关
20、等接触式检测方式，以无需接触检测对象进行检测为目的的传感器的总称。能检测对象的移动信息和存在信息转换为电气信号。在换为电气信号的检测方式中，包括利用电磁感应引起的检测对象的金属体中产生的涡电流的方式、捕测体的接近引起的电气信号的容量变化的方式、利石和引导开关的方式。 在JIS规格中，根据IEC60947-5-2的非接触式位置检测用开关，制定了JIS规格（JIS C 8201-5-2低压开关装置及控制装置、第5节控制电路机器及开关元件、第2节接近开关）。在JIS的定义中，在传感器中也能以非接触方式检测到物体的接近和附近检测对象有无的产品总称为“接近开关”，由感应型、静电容量型、超声波型、光电型、
21、磁力型等构成。在本技术指南中，将检测金属存在的感应型接近传感器、检测金属及非金属物体存在的静电容量型接近传感器、利用磁力产生的直流磁场的开关定义为“接近传感器”。3.3.2 电感式接近开关原理电感式接近开关属于一种有开关量输出的位置传感器，它由LC高频振荡器和放大处理电路组成，利用金属物体在接近这个能产生电磁场的振荡感应头时，使物体内部产生涡流。这个涡流反作用于接近开关，使接近开关振荡能力衰减，内部电路的参数发生变化（如电阻增大），由此识别出有无金属物体接近，进而控制开关的通或断。这种接近开关能检测到的物体必须是金属物体。当金属目标接近这一磁场，并达到感应距离时，在金属目标内产生涡流，从而导致
22、振荡衰减，以至停振。振荡器振荡及停振的变化被后级放大电路处理并转换成开关信号，触发驱动控制器件，从而达到非接触式检测的目的。图3.4 电感式接近开关原理图3.3.3 电感式接近开关优势和特点接近传感器可以在不与实际物体接触的情况下检测靠近传感器的金属目标物。根据操作原理，接近传感器大致可以分为以下三类：利用电磁感应的高频振荡型，利用磁铁的磁力型和利用电容变化的电容型。其特点如下：1）无活动触点、可靠度高、寿命长；2）分辨率高；3）灵敏度高；4）线性度高、重复性好；5）测量范围宽（测量范围大时分辨率低）；6）无输入时有零位输出电压，引起测量误差；7）对激励电源的频率和幅值稳定性要求较高；8）不适
23、用于高频动态测量。3.3.4 RC滤波电路分析滤波电路如图3.5所示：电容C9并联于负载 R3的两端，UR3UC9。在没有并入电容C9之前，整流二极管在U2的正半周导通，在U2的负半周截止。并入电容之后，设在 t=0时接通电源，则当u2由零逐渐增大时，二极管DW1导通，除有一电流IR3流向负载以外还有一电流Ic9向电容C9充电，充电电压UC9的极性为上正下负。如忽略二极管的内阻，则在二极管导通时UC9可充到接近U2的峰值U2m。在U2 达到最大值以后开始下降，此时电容器上的电压UC9也将由于放电而逐渐下降。当U2UC9时，二极管DW1因反偏而截止，于是C9以一定的时间常数按指数规律放电，UC9
24、下降。直到下一个正半周，当U2 UC9时，DW1又导通。本次设计中的时间常数R3 C9.图3.5 滤波电路由以上分析可知：1. 加了电容滤波之后，输出电压的直流成分提高了，而脉动成分降低了。这都是由于电容的储能作用造成的。电容在二极管导通时充电（储能），截止时放电（将能量释放给负载），不但使输出电压的平均值增大，而且使其变得比较平滑了。2电容的放电时间常数（RC）愈大，放电愈慢，输出电压愈高，脉动成分也愈少，即滤波效果愈好。3.3.5 滤波作用滤波器是将有用的信号与噪声分离，提高信号的抗干扰性及信噪比；滤掉不感兴趣的频率成分，提高分析精度；从复杂频率成分中分离出单一的频率分量。是一种能使有用频
25、率的信号并且同时能对无用频率的信号进行抑制或衰减的电子装置。在工程上，滤波器常被用在信号的处理、数据的传送和干扰的抑制等方面。3.4 LED显示电路3.4.1 LED工作原理LED数码管的基本工作原理是动态扫描。动态扫描又分为行扫描和列扫描两种方式，常用的方式是行扫描。行扫描方式又分为8行扫描和16行扫描两种。在行扫描工作方式下，每一片七段数码管点阵片都有一组列驱动电路，列驱动电路中一定有一片锁存器或移位寄存器，用来锁存待显示内容的字模数据。在行扫描工作方式下，同一排七段数码管点阵片的同名行控制引脚是并接在一条线上的，共8条线，最后连接在一个行驱动电路上；行驱动电路中也一定有一片锁存器或移位寄
26、存器，用来锁存行扫描信号。七段数码管的列驱动电路和行驱动电路一般都采用单片机进行控制，常用的单片机是MCS51系列。七段数码管显示的内容一般按字模的形式存放在单片机的外部数据存储器中，字模是8位二进制数。单片机对七段数码管的控制过程是先读后写。按LED点阵片在屏幕上的排列顺序，单片机先对第1排的第1片七段数码管点阵片的列驱动锁存器，写入从外部数据存储器读得的字模数据，接着对第2片、第3片直到这一排的最后一片都写完字模数据后，单片机再对这一排的行驱动锁存器写行扫描信号，于是第1排第1行与字模数据相关的发光二极管点亮。接着第2排第1行、第3排第1行直到最后一排第1行的点亮。各排第1行都点亮后，延时
27、一段时间，然后黑屏，这样就算完成了单片机对七段数码管的一行扫描控制。单片机对七段数码管第2行的扫描控制、第3行的扫描控制直到第8行的扫描控制，其过程与第1行的扫描控制过程相同。对全部8行的控制过程都完成后，LED显示屏也就完成了1帧图像的完整显示。虽然按这种工作方式，七段数码管是一行一行点亮的，每次都只有一行亮，但只要保证每行每秒钟能点亮50次以上，即刷新频率高于50 Hz，那么由于人的视觉惰性，所看到的LED显示屏显示的图像还是全屏稳定的图像。3.4.2 LED结构与分类通过发光二极管芯片的适当连接（包括串联和并联）和适当的光学结构,可构成发光显示器的发光段或发光点。由这些发光段或发光点可以
28、组成数码管、符号管、米字管、矩阵管、电平显示器管等等。本系统采用了数码管显示所测电机转速。基本的半导体数码管是由七个条状发光二极管芯片按下图排列而成的。可实现09的显示。七段数码管结构如图3.6所示:图3.6 七段数码管结构图从各发光段电极连接方式上分有共阳极和共阴极两种,本系统采用的是共阳极的连接方式。所谓共阴的连接方式是笔画显示器各段发光管的阴极（即N区）是公共的，而阳极是互相隔离的。如图3.7所示:图3.7 共阳极连接方式LED分类：按显示颜色分为：单红色、单绿色、红绿双基色按使用功能分为：图文显示屏、多媒体视频显示屏、行情显示屏、条形显示屏按使用环境分为：室内显示屏、室外显示屏、半户外
29、显示屏按发光点直径分为：3.0、3.7、4.8、5.0、8.0、ph8、ph10、ph16、ph20等。基本发光点非行情类LED显示屏中，室内LED显示屏按采用的LED单点直径可分为3mm、3.75mm、5mm、8mm、和10mm等显示屏；室外LED显示屏按采用的象素直径可分为16mm、19mm、22mm和26mm等LED显示屏。行情类LED显示屏中按采用的数码管尺寸可分2.0cm(0.8inch)、2.5cm(1.0inch)、3.0cm(1.2inch)、4.6cmm(1.8inch)、5.8cm (2.3inch)、7.6cm(3inch)等LED显示屏。显示颜色：LED按显示颜色分为单
30、基色七段数码管，双基色七段数码管和全彩色（三基色）LED。按灰度级又可分为16、32、64、128、256级灰度LED等。3.4.3 LED与单片机接口电路LED显示器接口电路有静态显示和动态显示两种方式。本次设计用到的是动态显示方式。动态驱动显示接口的硬件特点：将多位LED的段选择线并联接在一起，即8位中的所有同名段a接在一起，所有h段接在一起，只用一个8位的锁存器控制段码a，b，c，d，e，f，g就够了。另外用一个锁存器来控制位选择码。这样只需要2个8位的IO端口。 扫描的显示方式：即在每一瞬间只能使某一位显示相应的字符，保持延时一段时间，然后再选中下一位，利用发光显示器的余辉及人眼的视觉
31、暂留特点，给人一种显示器同时被点亮的效果。 3.5 复位电路设计为确保系统中电路稳定可靠工作，复位电路是必不可少的一部分。复位操作有上电自动复位和按键手动复位两种方式。本次设计采用的是上电自动复位。上电自动复位是在加电瞬间电容通过充电来实现的。一般单片机电路正常工作需要供电电源为5V5%，即4.755.25V。由于单片机电路需要稳定的时钟信号，因此在电源上电时，只有当VCC超过4.75V低于5.25V以及晶体振荡器稳定工作时，复位信号才被撤除，单片机电路开始正常工作。当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，此时需要复位操作，使系统恢复正常工作。4 软件开发工具介绍Keil C51是美
32、国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。用过汇编语言后再使用C来开发，体会更加深刻。Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到Keil C51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。C51已被完全集成到uVision3的集成开发环境中，这个集成开发环境包含：编译器，汇编器，实时操作系统，项目管理器，调试器。uVision3
