光电传感器的转速测量设计

18 / 19一 课程设计任务书题目：转速检测显示装置设计1.1课程设计任务测速是工农业生产中经常遇到的问题，人们经常需要精确测量每秒钟转轴的转速，学会对电机转速的测量和显示具有重要的意义。本设计采用光电传感器感受输入光信号，产生的脉冲电信号，该脉冲信号送入计数器，累计所产生的脉冲数，并使计数器每秒钟做一次清零，就可以记下每秒钟的转速。在每次周期性的清零前一时刻，将计数器记下的数值传入寄存器存储，并进行显示，这就是测量到的上一秒钟的转速。 1.2课程设计目的1）掌握利用光电传感器进行非接触式转速测量的方法；2）掌握测量和显示电路的设计方法；3）培养实践技能，提高分析和解决实际问题的能力。1.3课程设计要求1）转速测量显示范围为09999转/秒。2）转速测量误差每秒不超过一圈，内部时钟稳定度每天不超一秒。3）电路原理要求简单，便于制作调试，元件成本低廉易购。1.4课程设计内容1、整形电路、计数电路、锁存电路、时钟电路和译码显示电路的设计；2、电路的连接和各部分调试；3、硬件电路原理图及清单。1.5课程设计报告要求报告中提供如下内容： 1、目录2、正文2.1课程设计任务书；2.2总体设计方案2.2.1原理框图（手画）2.2.2各部分电路原理说明 2.3调试、运行结果（包含各部分电路的波形图）3、设计小结（心得体会）4、参考文献1.6课程设计进度安排进度表如表1-1所示表1-1工作日工作内容第1天布置课程设计任务，查找相关资料，熟悉相关芯片第2天设计总体方案和绘制原理图第3天调试各部分电路第4天调试各部分电路，系统联调第5天完成课程设计报告，答辩1.7课程设计考核办法本课程设计满分为100分，从课程设计平时表现、课程设计报告及课程设计答辩三个方面进行评分，其所占比例分别为20%、40%、40%。二 概述2.1相关背景和简介目前国内外测量电机转速的方法很多，按照不同的理论方法，先后产生过模拟测速法(如离心式转速表、用电机转矩或者电机电枢电动势计算所得)、同步测速法(如机械式或闪光式频闪测速仪)以及计数测速法。计数测速法又可分为机械式定时计数法和电子式定时计数法。传统的电机转速检测多采用测速发电机或光电数字脉冲编码器，也有采用电磁式(利用电磁感应原理或可变磁阻的霍尔元件等)、电容式(对高频振荡进行幅值调制或频率调制)等，还有一些特殊的测速器是利用置于旋转体内的放射性材料来发生脉冲信号其中应用最广的是光电式，光电式测系统具有低惯性、低噪声、高分辨率和高精度的优点加之激光光源、光栅、光学码盘、CCD 器件、光导纤维等的相继出现和成功应用，使得光电传感器在检测和控制领域得到了广泛的应用。而采用光电传感器的电机转速测量系统测量准确度高、采样速度快、测量范围宽和测量精度与被测转速无关等优点，具有广阔的应用前景。2.2总体设计方案设计思路：（1） 利用光电开关管做电机转速的信号拾取元件，在电机的转轴上安装一个圆盘，在圆盘上挖1小洞，小洞上下分别对应着光发射和光接受开关，圆盘转动一圈即光电管导通1次，利用此信号做为脉冲计数所需。（2） 对光电开关信号整流放大（3） 脉冲经过单片机内部的计数器和定时器进行计数和定时（4） 显示电路采用单片机动态显示： 三 硬件的电路设计3.1传感器的类型光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此，光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。这些信号调理电路负责将光电传感器输出的微弱的光电信号进行放大、整形，转换成所单片机定时计数所需要的脉冲信号。不同的光电元件，所要求的测量电路也不相同，为此设计时必须详加考虑。我们采用光电开关管，它是利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，基本的原理就是当发射管光照射到接收管时，接收管导通，反之关断。以透射式为例，如图1所示，当不透光的物体挡住发射与接收之间的间隙时，开关管关断，否则打开。为此，可以制作一个带有均匀小孔的铝盘如图2所示，安装在转轴上，当小孔经过时，产生脉冲信号。当小孔数较多时，旋转一周可以获得多个脉冲信号。图1光电传感器的原理图图2脉冲发生源硬件结构图（左为正视图，右为侧视图）3.2传感器接口电路设计传感器借口电路如下图：电路核心由一个光电开关管组成，平时电机转轮静止，发光二极管所发出的光被轮子挡住，所以接收管处于截止状态，1端为高电平。当电机转动一圈，会使接收管导通一次，1端输出一个低电平，1端波形为图3所示：图3在实际电机工作状态中，会受到各方面的干扰，波形会存在许多杂波成分，需要对波形进行处理，处理成符合记计数器所需要的矩型波。波形处理电路有一个施密特触发器组成，如上图3-6所示。当输入电压逐步升高时，致使VI施密特上VT+，内部触发器发生翻转。当VI逐步下降时，致使VIVT-。所以只要VIVT+电路就稳定在高电平，这样就有效的防止了杂波的干扰，并使输出得到矩形脉冲，符合了下级计数的需求。典型的施密特其工作波形如下图4所示：图43.3单片机最小系统单片机最小系统包括时钟电路和复位电路。单片机工作时，从取指令到译码再进行微操作，必须在时钟信号控制下才能有序地进行，时钟电路就是为单片机工作提供基本时钟的。单片机的时钟信号通常有两种产生方式：内部时钟方式和外部时钟方式。内部时钟方式的原理电路如下图所示。在单片机XTAL1和XTAL2引脚上跨接上一个晶振和两个稳频电容，可以与单片机片内的电路构成一个稳定的自激振荡器。外接电容的作用是对振荡器进行频率微调，使振荡信号频率与晶振频率一致，同时起到稳定频率的作用，一般选用2030pF的瓷片电容。复位电路是利用电容充电来实现复位。在电源接通瞬间，RST引脚上的电位是高电平（Vcc），电源接通后对电容进行快速充电，随着充电的进行，RST引脚上的电位也会逐渐下降为低电平。最小系统如图5所示图5最小系统3.4显示电路设计led数码管（LED Segment Displays）是由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件，引线已在内部连接完成，只需引出它们的各个笔划，公共电极。led数码管常用段数一般为7段有的另加一个小数点，还有一种是类似于3位“+1”型。位数有半位，1，2，3，4，5，6，8，10位等等.，led数码管根据LED的接法不同分为共阴和共阳两类，了解LED的这些特性，对编程是很重要的，因为不同类型的数码管，除了它们的硬件电路有差异外，编程方法也是不同的。共阴和共阳极数码管，它们的发光原理是一样的，只是它们的电源极性不同而已。内部电路如下：点亮LED显示器有两种方式：一是静态显示，二是动态显示。动态显示，就一位一位地轮流点亮各位显示器（扫描），对于每一位显示器来说，每隔一段时间点亮一次。显示器的亮度既与导通电流有关，也与点亮时间和间隔时间的比例有关。调整电流和时间参数，可实现亮度较高较稳定的显示。本文采用4位LED动态显示电路如图6图6 4位动态LED显示电路3.5电源模块设计 变压器后面由4个二极管组成一个桥式整流电路，整流后就得到一个电压波动很大的直流电源，所以在这里接一个330uF/25V的电解电容。变压器输出端的9V电压经桥式整流并电容滤波，在电容C1两端大约会有11V多一点的电压，假如从电容两端直接接一个负载，当负载变化或交流电源有少许波动都会使C1两端的电压发生较大幅度的变化，因此要得到一个比较稳定的电压，在这里接一个三端稳压器的元件。三端稳压器是一种集成电路元件，内部由一些三极管和电阻等构成，在分析电路时可简单的认为这是一个能自动调节电阻的元件，当负载电流大时三端稳压器内的电阻自动变小，这样就能保持稳压器的输出电压保持基本不变。 因为我们要输出5V的电压，所以选用7805。四 软件部分的设计4.1程序设计方案本系统采用89C51中T0定时器和T1计数器配合使用对转速脉冲定时计数。计数器T1工作于计数状态对外部脉冲进行计数；TO工作为定时器方式每次定时50ms，采用60次中断，即在计数器T1在3秒钟内对外部脉冲进行计数，然后根据3秒钟内的计数值推算出。4.2定时/计数器的初始化T1被用于计数，我们当然希望计数量大为好，这样，可以获得较大的测量范围，因此，T1定为工作方式1（16位的计数方式），设计中，没有使用外部控制端，仅用指令置位/清零TR1来进行计数的启动/停止，这样，电路较为简单。本系统T1用自由计数方式，不用预置初值。定时/计数器的方式控制字TMOD，其8位控制内容如下表：根据前面的描述要求，确定TMOD的控制字应为0x51。对定时器T0与计数器T1的初始化程序如下timer_init() EA=1;ET0=1;ET1=1;TMOD=0X51;TH0=(65535-50000)/256;TL0=(65535-50000)%256;TH1=0;TL1=0;TR0=1;TR1=1;4.3定时器中断程序中断部分要对单片机产生的中断次数计数，定时器每次触发中断需要的时间为50ms，我们需要单片机在3秒钟内对脉冲计数，所以要对中断计数60次。中断程序要给TH0，TL0赋初值，同时要开启定时器T0。定时器中断程序void timer0() interrupt 1 n+;TR0=0;TR1=0;TH0=(65535-50000)/256;TL0=(65535-50000)%256;if(n=60)mm=0;mm|=TH1;mm=(mm8)|TL1;TH1=0;TL1=0; n=0;TR0=1;TR1=1;4.4显示部分程序本系统采用动态数码管显示，所以程序如下：xian_shi() uchar qian,bei,shi,ge;uint jj;jj=mm;jj=jj/3;qian=jj/1000;bei=jj%1000/100;shi=jj%100/10;ge=jj%10;P2=0x10;P0=tableqian;delay(1);P2=0x20;P0=tablebei;delay(1);P2=0x40;P0=tableshi;delay(1);P2=0x80;P0=tablege;delay(1);4.5单片机总体程序如下：#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned intuint mm=0;uchar n;uchar code table=0xc0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90;delay(uint m) uint i,j;for(i=m;i0;i-)for(j=60;j0;j-);xian_shi() uchar qian,bei,shi,ge;uint jj;jj=mm;jj=jj/3;qian=jj/1000;bei=jj%1000/100;shi=jj%100/10;ge=jj%10;P2=0x10;P0=tableqian;delay(1);P2=0x20;P0=tablebei;delay(1);P2=0x40;P0=tableshi;delay(1);P2=0x80;P0=tablege;delay(1);timer_init() EA=1;ET0=1;ET1=1;TMOD=0X51;TH0=(65535-50000)/256;TL0=(65535-50000)%256;TH1=0;TL1=0;TR0=1;TR1=1;main()timer_init();P0=0; while(1)xian_shi();delay(2);void timer0() interrupt 1 n+;TR0=0;TR1=0;TH0=(65535-50000)/256;TL0=(65535-50000)%256;if(n=60)mm=0;mm|=TH1;mm=(mm8)|TL1;TH1=0;TL1=0; n=0;TR0=1;TR1=1;void timer1() interrupt 3 TR1=0;TR0=0;mm=0;五 仿真及结果Proteus软件不仅具有其它EAD工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前较好的仿真单片机及外围器件的工具。该测速系统的Proteus仿真原理图如图8、图9所示。图8我们这里给单片机P3.5外接一个脉冲信号，来模拟关电开关给单片机的信号。仿真时，设置脉冲频率为1234，如上图所示，显示电路的数码管上显示1234。输入与模拟结果表格输入频率模拟结果输入频率模拟结果00480048014004005200520180080056005601120012006000600116001600640064012000200068006801240024007200720128002800760076013200320080008001360036008400840140004000880088014400440192009201六 小结通过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关电路设计方面的知识，在设计过程中虽然遇到了一些问题 多专业知识以及专业技能上的提升，同时又是一门讲道课，一门辩思课，给了我许多道，给了我很多思，给了我莫大的空间。同时，设计让我感触很深。使我对抽象的理论有了具体的认识。通过这次课程设计，我掌握了某些传感器的原理。由于单片机应用的不甚了解，真的感觉自己走了不少的弯路。甚至课程设计过了很长时间。在模拟单片机模拟测量转速这一块设计程序时，让我更加明白了误差分析的重要性。了解误差是怎么样产生的，从根源上减小误差。仿真时，主要使用软件keil和Proteus 7 Professional，其中keil用来编写C语言程序，以及编译连接使之产生后缀名为hex的文件，将其烧录在软件Proteus 7 Professional中进行测试仿真调试。这次实习的重点就是如何编写程序以及仿真中的行骗各个管脚的连接问题，主要的芯片有51、led显示。当你用心的去做一件事的时候，这件事就不会轻易的用不知对错的结果去应付你，就像你不会去拿这样的态度去对待他，做一件事和想一件事也不会是一样，如果当时我只是停留在第一天的空想，我就不会在编程和仿真的过程中发现和改正那么多的错误。实践之所以高于理论，或许正是因为它为我们提供了更多犯错误和改正错误的机会吧。本次设计把理论应用到了实践中，同时通过设计，也加深了自己对理论知识的理解和掌握，在解决困难的过程中，获得了许多专业方面的知识,拓展了视野。提高了理论水平和实际的动手能力，学会了解决问题的方法，激发了我们的探索精神。这样的课程设计是很好的锻炼机会,通过实验设计使我深入了解到课程设计在大学学习的重要性，课程设计增强了我们的实践动手能力，也为大四后学期的毕业设计提供了宝贵的经验。参考文献1彭介华.电子技术课程设计指导M 湖南大学：高等教育出版社，19992王锍银.脉冲与数字电路.北京：高等教育出版社，20003蒋换文.电子测量.北京：中国计量出版社，20034张克农.数字电子技术基础.北京：高等教育出版社，20035康华光.电子技术基础.数字部分（第四版）.北京：高等教育出版社，20006何金茂.数字电子技术导论.北京：高等教育出版社，19987郭振芹.非电量电测量.北京：中国计量出版社，19848常建生.检测与转换技术.北京：机械工业出版社，19819张锡富.传感器.北京：机械工业出版社，2001