多功能数字转速表设计及实现
Computer Knowledge and Technology 电脑知识与技术第 5 卷第 32 期 (2009 年 11 月)
计算机工程应用技术本栏目责任编辑：贾薇薇
多功能数字转速表设计及实现
王红军
（山东英才学院计算机学院，山东 济南 250104 ）
摘要：该系统采用凌阳十六位单片机 SPCE061A 实现转速测量，转速信号由 LTH1650 红外反射光电传感器和放大电路、滤波电路、
整形电路提供。 通过 M/T 算法实现对电机转速的实时测量，具有转速最大值，最小值，平均值的数字语音播报和显示，加速度显示；
另外还有转速超限报警功能，通过键盘手工输入转速上限值，当所测量的转速超过这个值，发出报警声音；为了便于与其它数字仪、
计算机通讯或构成闭环系统， 同时还留有异步串行通讯口与上位机连接。
关键词： 转速表；凌阳单片机；语音播报；显示；通讯；报警
中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044(2009)32-9071-02
Multi-function Digital Tachometer Design and Implementation
WANG Hong-jun
(School of Computer Science, Shandong Yingcai University, Ji'nan 250104, China)
Abstract: This system adopts and 16 one-chip computers SPCE061A of male genital and realizes rotational speed measurement, the rota-
tional speed signal is reflect the photoelectric sensor and amplifies the circuit infraredly, strain the wave circuit, has a facelift in the circuit to
offer by LTH1650. Realize the real-time measurement to the rotational speed of the electrical machinery through M/T algorithm, have
rotational speed maximums , the minimum, the digital speech of the average reports and shows , the acceleration shows; There is ultra
warning function of limit of rotational speed in addition , input the limit on the rotational speed by hand through the keyboard, as the ro-
tational speed measured exceeds this value, emit the warning sound; In order to make it convenient for with other digital appearances ,
computer news reports or form and close the ring system, leave asynchronous serial communication mouth and go to location plane join al-
so at the same time.
Key words: Speedometer; 16 one-chip computers SPCE061A; pronunciation reporting; show; communication; reporting to the police
1 概述
转速表作为一种通用测量工具,已有多种形式面市，如：机械式、机电式、电磁式、光电式等。 尽管它们大都测量精确、使用安全、
操作简便、但普遍存在的问题是功能单一。 在工厂、矿山、科研单位及大中专院校实验室,经常需要转速测量，但目前测量转速的仪
器、仪表,无论机械式还是电子数字式,若精度高、功能多，则价格较贵，学校、厂矿及科研单位较难承受;若价格低,则其功能较少，精
度较低,故障率也随之增高，给使用者带来许多不便。 能否有一种即保证实验室条件下有足够的测量精度、又能保证价格及故障率较
低的转速测量仪器或仪表?本文针对上述问题，在考查了国内大量的数字式或智能式测速表的基础上，采用凌阳 16 单片机设计成
功了低成本、简易型、多功能,又保证一定测量精度的手持式简易型智能转速表。
2 系统方案设计
2.1 系统总体设计
转速信号由 LTH1650 红外反射光电传感器和放大电路、滤波电路、整形电路提供的转速信号输入到凌阳单片机，单片机通过
M/T 算法实现对电机转速的实时测量与计算。 具有转速最大值，最小值，平均值的数字语音播报和显示，加速度显示，为了便于与其
它数字仪、计算机通讯或构成闭环系统， 同时还留有异步串行通讯口 RS232 与上位机连接。 另外还有转速超限报警功能，通过键盘
手工输入转速上限值，当所测量的转速超过这个值，发出报警声音。
用 16 位 的 凌 阳 单 片 机 SPCE061A 可以方便的实现转速测量， 凌 阳 单 片 机 SPCE061A 具 有 16 位 的 数 据 总 线 ，CPU 时 钟 ：
32768Hz~49.152MHz，SPCE061A 内部带有 8 路 ADC 和 2 路的 DAC,32 个
IO 口，内置 32K 字闪存和 2K 字的静态存储器，可编程音频处理。 另外还有
内置在线仿真电路接口 ICE（In- Circuit Emulator）开发调试非常方便。
用凌阳单片机构成的转速表系统功能框图（图 1）。
2.2 测量方案设计
转速测量的方法有很多种：机械软轴接触测量、非接触的磁电数字测
量、非接触的光电数字测量。 虽然每种方法都有自己的特殊功用场合，但是
在工厂、矿山、及大中专院校实验室非特殊场合的转速测量中前两种方法
有许多去缺点：增加旋转机械负荷，测量方式不灵活，不安全等。
随着科学技术的发展与进步，转速测量由机械软轴接触测量发展到非
接触的磁电数字测量，进而又发展到非接触的光电数字测量，这种光电数
收稿日期：2009-08-18
作者简介：王红军（1982-），男，山东济南人，助工，主要从事计算机、电子技术应用及教学工作。
图 1 凌阳单片机构成的转速表系统功能框图
ISSN 1009-3044
Computer Knowledge and Technology 电脑知识与技术
Vol.5,No.32, November 2009, pp.9071-9072
E-mail: kfyj@cccc.net.cn
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Tel:+86-551-5690963 5690964
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字测量是以时间频率为基准，它具有测量无噪声！ 精度高！ 体积小！ 重量轻！ 功耗小！ 不增加旋转机械负荷，既方便又安全等特点，
便于手持式操作。
本设计就是采用数字光电测量方法。一般来说,从光电传感器传过来的电信号难免混入一些干扰脉冲。因此，系统的硬件电路需
对转速信号进行滤波、限幅、整形、放大，然后计数并输入到微处理器进行处理和运算。
凌阳单片机处理数据时采用 M/T 法。 常用的转速测量方法有 M 法、T
法和 MT 法。 M 法(即测频法)———是指在固定的时间内测出转速传感器输出
的脉冲个数。 经分析得知,M 法在测高速时相对误差较小。 T 法(即测周期法)
———是指在转速传感器输出脉冲周期内对时钟信号进行计数， 测出转速脉
冲周期，进而计算出转速。 经分析得知，T 法在测低速时相对误差较小。
MT 法———是在 M 法基础上吸取了 T 法之优点而形成的。 MT 法测速时
序如图（图 2）所示，其测速过程是：在转速传感器输出脉冲上升沿到来时启
动定时(定时时间为 TC)，同时计传感器输出脉冲个数和时钟脉冲个数，定时
时间到，先停止对传感器输出脉冲的计数，待下一个传感器输出脉冲上升沿
到来时再停止对时钟脉冲的计数， 由记录的两脉冲数 m1 和 m2 求出转速。
假定旋转体每转一周，转速传感器输出 P 个脉冲，又设转速为 N，时钟频率
为 f0，则： Td=TC+△T=m1*T=m1*(60/PN) （1）
又因 Td=m2*(1/f0) 所以 N=(60*f0/P)*(m1/m2) （2）
通过式（2）可方便地计算出转速，因为 m1 不存在误差，m2 的最大误差为一个时钟脉冲，所以，MT 法测速时的相对误差为：
△N/N=1/(m2-1) （3）
在式（3）中，由于 m2 通常较大，故相对误差较小，即该测量方法精度较高。
3 系统软件设计
在本应用系统的设计过程中,我们遵循“以软代硬”的原则,尽可能地减少硬件，以降低产品的成本,提高可靠性。 软件包括以下程
序模块:主程序、测速子程序、显示子程序、键盘设置子程序、通讯子程序、中断服务子程序和语音播报子程序等。
在主程序中实现各个子程序的调用，并实现它们的协调工作，还完成一些有关的算法运算和逻辑运算，用 C 语音实现。 各个子
程序和中断程序由汇编完成。 具体流程图（图 3）如下：
4 仪表指标分析
测速仪表一般有几个主要的测速指标：测速精度、测速时间、测速范围。
测速精度：
本设计在转轴上贴一个反光纸，经实际测量发现误差在±2r/min 左右，若贴上 4 个或者更多反光纸，理论上测量误差更小，但是
实际操作起来考虑多种干扰因素影响误差不一定减小，对于一般要求不是很高的测转速场合，±2r/min 的测量误差已经够用，对一些
要求比较高的侧速场合比如需要闭环控制的，此种方法不妥，应该使
用光电码盘等一些设备。
测速时间：
连续两次采样转速的间隔时间以 T0 表示。 T0 愈短愈有利于快
速响应，考虑到本设计只贴了一个反光纸，取测量时间为 1S。
测速范围：
本设计采用 LTH1650 红外反射光电传感器，接受部分的光电流
大于 50μA,响应时间小于 250μs，感光频率达 4KHZ，考虑到只贴了
一个反光纸，也就是转一圈产生一个脉冲，所以理论上最大可测量的
转速为：4000*60=240000(r/min),考虑到实际需要，以及测量条件的限
制，可限定最高转速为 9999r/min。 由于贴了一个反光纸，分辨率较
低，其可以测量的最低转速较低为 60r/min，但是在软件上采用了 M/T
法，最低转速还能在小一些。
指标如下：
转速测量范围 60-9999rmin
测速采样周期 1s
测量精度(分辨率) ±2r/min
输出方式 语音播报与数码管显示
超速报警方式 语音报警
数据传送方式 RS-232
工作电压 1.5V×4(5# 电池)
5 结束语
此数字转速表的使用方法如图（图 4）所示：在被测旋转机械的转
轴上贴一个反射纸，使轻速表的光电测头发出的光对准反射纸，即可
测量，使用方便。 若想把测量数据传到上位机，用一个串口线连接转
速表到上位机，便可把测量的数据实时传上去，用于数据管理。 （下转第 9074 页）
图 2 M/T 法时序图
图 3 主程序流程图
图 4 测量示意图
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（上接第 9072 页）
参考文献：
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[5] 谭浩强.C 程序设计[M].清华大学出版社,2001.
器装入到频率/相位数据寄存器，同时把地址指针复位到第一个输
入寄存器。 接着在 W-CLK 的上升沿装入 8 位数据，并把指针指向
下一个输入寄存器， 连续 5 个 W-CLK 上升沿后，W-CLK 的边沿
就不再起作用， 直到复位信号或 FQ-UD 上升沿把地址指针复位
到第一个寄存器。
I/O 方式的并行接口电路比较简单， 但占用单片机资源相对
较多。 AD9850 的数据线 D0～D7 与 P1 口相连，FQ_UD 和 W_CLK
分别与 P3.0 和 P3.1 相连。单片机与 AD9850 的接口电路如图 5 所
示。
3.3 幅度调节电路
AD9850 输出的正弦信号幅度固定，为了方便、大幅调节输出
信号的幅度，系统设计了幅度调节电路，如图 6 所示。
单片机根据按键的操作，输出数字幅度控制字 D 送入串行模
转换器 MAX539，MAX539 将幅度控制字 D 转换为相应的模拟电
压。 MAX538 输出模拟幅度控制信号加到乘法器 AD538AD 的 UY
脚 。 在 图 6 中 ，AD538AD 系统的传输函数 U0=UZ*UY/（10V），
AD9850 输出信号的幅度 V-OUT 为 1V， 因此正弦信号的输出幅
度值由 MXA539 幅度控制字 D 来决定，即实现了输出信号的幅度
调节。
3.4 LPF 电路
AD9850 输出的阶梯模拟电压波, 最后由低通滤波器 LPF 将
其平滑为连续的正弦信号 f0。
图 7 是 LPF 电路。
4 结论
本系统采用专用 DDS 芯片 AD9850 加通用单片机 AT89S52 实现了正弦信号发生器。实验证明：该正弦信号发生器具有精度高、
频率范围宽、频率输出稳定、幅度误差小、体积小和性价比高的特点，可广泛应用于日常教学和科研工作。
参考文献：
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[4] 司朝良.精确控制 DDS 输出信号幅度的一种新方法[J].今日电子,2008(9):98-99.
图 5 系统的原理图
图 6 幅度调节电路
图 7 LPF 电路
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