基于8051单片机的非接触式数字转速表
转速表是一种用于测量旋转物体（如电动机或车辆发动机的曲轴）速度的设备。电动机的速度由每分钟的转数决定，即以每分钟转数（RPM）为单位进行测量。在本项目中，我们设计了一种简单的非接触式数字转速表，使用8051单片机，能够以1转/秒的精度测量速度。
1. 电路原理
非接触式数字转速表的基本原理涉及一个简单的嵌入式系统，包括传感器、控制器和执行器。这里使用的传感器是红外（IR）发射器 - 接收器对，控制器是 加载了编译代码的8051单片机，执行器是用于显示电机速度的显示设备。
传感器通过光的传输和反射原理，在不接触旋转物体的情况下感应其速度，并产生信号。该信号被转换为电信号并送入单片机，单片机被编程为计算每分钟的电机转数。该速度通过7段显示器显示。
2. 非接触式数字转速表电路
转速表主要用于测量电机的角速度。它可以是带有蜗轮和主轴装置的机械装置，也可以是将角速度转换为电信号的电子装置。电子转速表可以是交流转速表或直流转速表。
传统的转速表是接触式的，由于接触参数的变化可能导致测量结果不准确，因此更倾向于使用非接触式数字转速表，这种转速表不需要与被测设备接触。
它基于反射扫描原理工作，其中光源设备（如LED）向反射目标设备发送光信号，目标设备反射光，光检测器接收反射光。
2.1 非接触式数字转速表电路图
2.2 所需元件
- 8051单片机
- 8051开发板
- 8051单片机编程器
- 红外传感器模块（反射型）
- 4位7段显示器
- 4 × 2N2222 NPN晶体管
- 4 × 470Ω电阻（1/4瓦）
- 8 × 100Ω电阻（1/4瓦）
- 如果不使用开发板，则需要
- 11.0592 MHz石英晶体
- 2 × 33pF陶瓷电容
- 2 × 10KΩ电阻（1/4瓦）
- 10µF电容（有极性）
- 按钮
- 1KΩ × 8电阻包
3. 如何设计非接触式数字转速表？
3.1 传感器电路设计
传感器电路由红外发射器和红外接收器组成。使用红外LED作为发射器，光电二极管作为接收器。本项目中使用的是反射型红外传感器。在这种类型中，红外发射器和接收器并排放置。
红外发射器电路非常简单。红外发射器的阳极连接到5V电源，阴极通过一个150Ω的限流电阻连接到地。因此，红外发射器开始发射红外光线。
本项目中使用的红外接收器是光电二极管，必须反向偏置。负极或阴极连接到5V电源，正极或阳极通过一个10KΩ的限流电阻连接到地。
最后，红外接收器的输出被送入比较器。比较器将红外接收器的输入与参考值（通过一个10KΩ电位器给出）进行比较。如果红外接收器的输入大于参考值，则比较器的输出为高电平，否则输 出为低电平。
下图展示了本项目中所使用的反射型红外传感器的电路图。
3.2 控制器电路设计
控制器电路由单片机及其接口组成。这里，我们选择了AT89C52单片机。单片机复位电路由一个按钮、一个电阻和一个电容组成，其值使得复位引脚的电压不会低于1.2V，且时间常数不小于100ms。这里，我们选择了一个10KΩ的电阻和一个10µF的电容。
由于单片机的振荡频率为11.0592MHz，我们选择了33pF的陶瓷电容。EA’引脚必须通过一个10KΩ的电阻拉高，因为我们没有使用外部存储器。
单片机与红外传感器之间的接口通过将红外传感器的输出引脚连接到PORT3引脚P3.4来实现。接下来是4位7段显示器。以下图显示了该显示器的引脚排列图。
4位7段显示器的段输入（即A、B、C、D、E、F、G和DP）通过单独的100Ω电阻连接到PORT0。4位7段显示器的位选引脚（Dig1、Dig2、Dig3和Dig4）连接到4个2N2222 NPN晶体管的发射极。这些晶体管的基极通过470Ω电阻连接到PORT2引脚P2.0、P2.1、P2.2和P2.3。
3.3 单片机代码
一旦电路设计完成并绘制在纸上，下一步就是编写和编译代码。这里，我们使用Keil µVision软件用C语言编写程序。
在编写代码之前，需要遵循一些一般步骤，如创建新项目并选择目标设备或所需的单片机。代码编写完成后，我们将其保存为.c扩展名，然后将其添加到目标文件夹下的源文件组中。然后通过按F7键编译代码。
代码编译完成后，会生成一个.hex文件。在下一步中，我们使用Proteus软件绘制电路。使用8051单片机编程器和相关软件将代码烧录到单片机中。
4. 如何操作非接触式数字转速表电路？
当红外传感器通电时，红外发射器开始发射红外光线。在红外传感器前方放置一个电机，其轴上标记有一个白点。
当电机轴旋转使得白点接触到传感器时，红外光线被白点反射并照射到红外接收器上。作为红外接收器的光电二极管在红外光线反射时开始导通。
此时，红外传感器的输出被送入比较器，比较器的输出在红外光线反射时为高电平，无反射时为低电平。因此，比较器的输出是一个开-关脉冲。
这个脉冲被送入单片机作为定时器输入，单片机被编程为计算电机每秒的转数。
电机的速度通过将最终计数值乘以60来计算，以得到每分钟的转数。这个值然后通过4位7段显示器显示。
5. 应用
- 非接触式数字转速表电路可用于计算旋转轮子、圆盘和电机轴的速度。
- 该电路可用于在无法直接接触电机轴或轮子的地方，如车辆和工业机器中。
- 该电路可用于家庭中检查小型电池驱动风扇和其他基于电机的设备的速度。
6. 电路的局限性
- 该电路中使用的IC是CMOS器件，非常容易受到静电的影响，因此不能直接用手触摸。
- 由于使用电池供电，电路的使用寿命有限。
- 速度计算可能会受到定时器占空比变化的影响。