光电传感器——基于红外反射式的测速机
引言
在工程实践中,经常会遇到各种需要测量转速的场合。转速是电动机极为重要的一个状态参数,在很多运动系统的测控中,都需要对电机的转速进行测量,不论是直流调速系统还是交流调速系统,只有转速的高精度检测才能得到高精度的控制系统。迄今为止,测速可分为两类:模拟电路测速和数字电路测速。随着微电子技术的发展,计算机技术的广泛应用,出现了以计算机为核心的数字测速装置。这样的速度测量装置测量范围宽、工作方式灵活多变、适应面广,具有普通数字测速装置不可比拟的快速性、精确性和优越性。
一：设计思路
用一个红外发光二极管和一个接受红外光的二极管组成一套光电管。当检测到物表面为黑色时，反射光很弱，接收端检测到的光线可以忽略，使接收端呈现一种状态，例如开关管截止；当被检测物表面为白色时，反射光强烈，发射端发射的红外线被接收端全部接收，使接收端呈现另一种相反的状态，例如开关管开通。这两种相反的状态表现在电路中，就是高低电平组成的脉冲信号。由此，我想到用一个比较器来比较两种接受到的信号，从而输出“0”“1”两种高低电平，并把两种信号传给单片机进行统计，然后利用设定算法进行计算，最后通过数码显示管显示计算结果。
二：所需模块
本测速系统共有两个模块构成，一个为光电传感器部分，用于接收光信号并转换为电信号，即高低电平信号；另一个为单片机部分，用于接收高低电平信号并通过内部计算，然后再通过数码显示管显示测出的结果。
（一）光电传感器部分
（1）LM339工作原理及管脚图：
LM339类似于增益不可调的运算放大器。每个比较器有两个输入端和一个输出端。
两个输入端中的一个称为同相输入端，用“+”表示，另一个称为反相输入
端，用“-”表示。当用作比较两个电压时，任意一个输入端加一个固定电压做参考电压（也称为门限电平，它可选择LM339输入共模范围的任何一点），另一端加一个待比较的信号电压，当“+”端电压高于“-”端时，输出管截止，相当于输出端开路。当“-”端电压高于“+”端时，输出管饱和，相当于输出端接高电位。两个输入端电压差别大于10mV就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态，因此，把LM339用在弱信号检测等场合是比较理想的。
LM339的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体三极管，在使用时输出端到正电源一般须接一只电阻（称为上拉电阻，选3-15K）。选不同阻值的上拉电阻会影响输出端高电位的值。因为当输出晶体三极管截止时，它的集电极电压基本上取决于上拉电阻与负载的值。
下图（1a）给出了一个LM399的基本单限比较器。输入信号Uin为待比较电压，把它加到同相输入端，在反相输入端接一个参考电压（门限电平）Ur。当输
。图（1b）为其传输特性。图（1c）为LM339入电压Uin>Ur时，输出为高电平U
OH
的管脚图。
（c）
图（1）LM339工作原理图及管脚图
（2）整体连线图：如下图（2）所示：
图（2） 比较型光电传感器整体电路图
在上图中， LED 灯相当于一个红外线发射管，JP1是红外线接收管，接收光强在上面转换成电流，在R 上成为电压信号。当光线照射到白色面上时，光线反射强烈，光线照射到黑色面上时，光线反射较弱。因此当光照在不同颜色面上时，阻值会发生明显的变化。将阻值的变化值与RA1的标准值进行比较，就可以从LM339输出逻辑电平给单片机。
（二） 单片机部分
（1）单片机外部连线图：如下图（3）所示
AL E W R RD RXD T XD INT 0E A/VP 31X119X218RE SE T 9RD 17W R
16
INT 012INT 113T 014T 115P101P112P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSE N
29
AL E /P 30T XD 11RXD 10VCC 40GND 20U1
89C52
PSE N
P10P11P12P13P14P15P16P17T 0
T 1INT 1P00P01P02P03P04P05P06P07P 00P 01P 02P 03P 04P 05P 06P 07P20P21P22P23P24P25P26P27
P 20
P 21
P 22
P 23
a b f c
g d
e
DPY
11
742110
5a b c d e f
g 3
d p d p
a b f c g d e
d p
a
b f
c g
d e
d p
a
b f
c g d
e
d p C 0
6
C 2
8
C 3
9
C 412
LED DPY 4-L E D
12345678
16
151413121110
9
R 1K
P 00P 01P 02P 03P 04P 05P 06P 07
5V
图（3）单片机连线图
在上接线图中，可在数码管与单片机之间接上一个分压电阻，起到保护作用。单片机型号选89C51或89C52都行。在试验板上把图（1）中的2管脚（逻辑电平输出管脚）和图（2）中的12管脚（中断输入管脚）连接，即可构成整个测速系统。
（2）单片机内部主程序流程图
主程序是控制单片机系统按照预定的操作方式运转,它完成人机对话和各种控制功能,是单片机系统程序的框架。主程序的主要任务是完成系统自检、初始化、处理键盘命令等功能。在本实验中，未涉及到键盘命令。
本系统的主程序流程如下图（4）所示。
图（4）主程序流程图图（5）外部中断0 中断程序流程图
在该测速系统的程序中,主程序执行的过程中共执行了3 个中断程序,即外部中断0 中断、外部脉冲计数0 中断和定时器1 中断。图（5）所示为外部中断0 中断程序流程图。外部中断0 中断程序主要用于测速起始。当测速开始时,执行外部中断0 中断,外部脉冲计数加1，并判断T0、T1 是否开启，若没有开启则开启，再判断1S 定时到了没有，若1S 定时到计算转速，并关INT0、T0、T1 软件清零。
图（6）为T0 中断程序流程图。T0 对内部时钟脉冲计数， T0 为8 位定时
