光電傳感器的轉(zhuǎn)速測(cè)量設(shè)計(jì).doc

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一 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書 題目：轉(zhuǎn)速檢測(cè)顯示裝置設(shè)計(jì) 1.1課程設(shè)計(jì)任務(wù) 測(cè)速是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常遇到的問題，人們經(jīng)常需要精確測(cè)量每秒鐘轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速，學(xué)會(huì)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)量和顯示具有重要的意義。本設(shè)計(jì)采用光電傳感器感受輸入光信號(hào)，產(chǎn)生的脈沖電信號(hào)，該脈沖信號(hào)送入計(jì)數(shù)器，累計(jì)所產(chǎn)生的脈沖數(shù)，并使計(jì)數(shù)器每秒鐘做一次清零，就可以記下每秒鐘的轉(zhuǎn)速。在每次周期性的清零前一時(shí)刻，將計(jì)數(shù)器記下的數(shù)值傳入寄存器存儲(chǔ)，并進(jìn)行顯示，這就是測(cè)量到的上一秒鐘的轉(zhuǎn)速。 1.2課程設(shè)計(jì)目的 1）掌握利用光電傳感器進(jìn)行非接觸式轉(zhuǎn)速測(cè)量的方法； 2）掌握測(cè)量和顯示電路的設(shè)計(jì)方法； 3）培養(yǎng)實(shí)踐技能，提高分析和解決實(shí)際問題的能力。 1.3課程設(shè)計(jì)要求 1）轉(zhuǎn)速測(cè)量顯示范圍為0~9999轉(zhuǎn)/秒。 2）轉(zhuǎn)速測(cè)量誤差每秒不超過一圈，內(nèi)部時(shí)鐘穩(wěn)定度每天不超一秒。 3）電路原理要求簡(jiǎn)單，便于制作調(diào)試，元件成本低廉易購(gòu)。 1.4課程設(shè)計(jì)內(nèi)容 1、整形電路、計(jì)數(shù)電路、鎖存電路、時(shí)鐘電路和譯碼顯示電路的設(shè)計(jì)； 2、電路的連接和各部分調(diào)試； 3、硬件電路原理圖及清單。 1.5課程設(shè)計(jì)報(bào)告要求 報(bào)告中提供如下內(nèi)容： 　 1、目錄 2、正文 2.1課程設(shè)計(jì)任務(wù)書； 2.2總體設(shè)計(jì)方案 2.2.1原理框圖（手畫） 2.2.2各部分電路原理說明 2.3調(diào)試、運(yùn)行結(jié)果（包含各部分電路的波形圖） 3、設(shè)計(jì)小結(jié)（心得體會(huì)） 4、參考文獻(xiàn) 1.6課程設(shè)計(jì)進(jìn)度安排 進(jìn)度表如表1-1所示 表1-1 工作日 工作內(nèi)容 第1天 布置課程設(shè)計(jì)任務(wù)，查找相關(guān)資料，熟悉相關(guān)芯片 第2天 設(shè)計(jì)總體方案和繪制原理圖 第3天 調(diào)試各部分電路 第4天 調(diào)試各部分電路，系統(tǒng)聯(lián)調(diào) 第5天 完成課程設(shè)計(jì)報(bào)告，答辯 1.7課程設(shè)計(jì)考核辦法 本課程設(shè)計(jì)滿分為100分，從課程設(shè)計(jì)平時(shí)表現(xiàn)、課程設(shè)計(jì)報(bào)告及課程設(shè)計(jì)答辯三個(gè)方面進(jìn)行評(píng)分，其所占比例分別為20%、40%、40%。 二 概述 2.1相關(guān)背景和簡(jiǎn)介 目前國(guó)內(nèi)外測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速的方法很多，按照不同的理論方法，先后產(chǎn)生過模擬測(cè)速法(如離心式轉(zhuǎn)速表、用電機(jī)轉(zhuǎn)矩或者電機(jī)電樞電動(dòng)勢(shì)計(jì)算所得)、同步測(cè)速法(如機(jī)械式或閃光式頻閃測(cè)速儀)以及計(jì)數(shù)測(cè)速法。計(jì)數(shù)測(cè)速法又可分為機(jī)械式定時(shí)計(jì)數(shù)法和電子式定時(shí)計(jì)數(shù)法。傳統(tǒng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)多采用測(cè)速發(fā)電機(jī)或光電數(shù)字脈沖編碼器，也有采用電磁式(利用電磁感應(yīng)原理或可變磁阻的霍爾元件等)、電容式(對(duì)高頻振蕩進(jìn)行幅值調(diào)制或頻率調(diào)制)等，還有一些特殊的測(cè)速器是利用置于旋轉(zhuǎn)體內(nèi)的放射性材料來發(fā)生脈沖信號(hào)．其中應(yīng)用最廣的是光電式，光電式測(cè)系統(tǒng)具有低慣性、低噪聲、高分辨率和高精度的優(yōu)點(diǎn)．加之激光光源、光柵、光學(xué)碼盤、CCD 器件、光導(dǎo)纖維等的相繼出現(xiàn)和成功應(yīng)用，使得光電傳感器在檢測(cè)和控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。而采用光電傳感器的電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量準(zhǔn)確度高、采樣速度快、測(cè)量范圍寬和測(cè)量精度與被測(cè)轉(zhuǎn)速無關(guān)等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。 2.2總體設(shè)計(jì)方案 設(shè)計(jì)思路： （1） 利用光電開關(guān)管做電機(jī)轉(zhuǎn)速的信號(hào)拾取元件，在電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上安裝一個(gè)圓盤，在圓盤上挖1小洞，小洞上下分別對(duì)應(yīng)著光發(fā)射和光接受開關(guān)，圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)一圈即光電管導(dǎo)通1次，利用此信號(hào)做為脈沖計(jì)數(shù)所需。 （2） 對(duì)光電開關(guān)信號(hào)整流放大 （3） 脈沖經(jīng)過單片機(jī)內(nèi)部的計(jì)數(shù)器和定時(shí)器進(jìn)行計(jì)數(shù)和定時(shí) （4） 顯示電路采用單片機(jī)動(dòng)態(tài)顯示： 三 硬件的電路設(shè)計(jì) 3.1傳感器的類型 光電傳感器是采用光電元件作為檢測(cè)元件的傳感器。它首先把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。光電傳感器一般由光源、光學(xué)通路和光電元件三部分組成。光電檢測(cè)方法具有精度高、反應(yīng)快、非接觸等優(yōu)點(diǎn)，而且可測(cè)參數(shù)多，傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，形式靈活多樣，因此，光電式傳感器在檢測(cè)和控制中應(yīng)用非常廣泛。 這些信號(hào)調(diào)理電路負(fù)責(zé)將光電傳感器輸出的微弱的光電信號(hào)進(jìn)行放大、整形，轉(zhuǎn)換成所單片機(jī)定時(shí)計(jì)數(shù)所需要的脈沖信號(hào)。不同的光電元件，所要求的測(cè)量電路也不相同，為此設(shè)計(jì)時(shí)必須詳加考慮。我們采用光電開關(guān)管，它是利用被檢測(cè)物對(duì)光束的遮擋或反射，由同步回路選通電路，基本的原理就是當(dāng)發(fā)射管光照射到接收管時(shí)，接收管導(dǎo)通，反之關(guān)斷。以透射式為例，如圖1所示，當(dāng)不透光的物體擋住發(fā)射與接收之間的間隙時(shí)，開關(guān)管關(guān)斷，否則打開。為此，可以制作一個(gè)帶有均勻小孔的鋁盤如圖2所示，安裝在轉(zhuǎn)軸上，當(dāng)小孔經(jīng)過時(shí)，產(chǎn)生脈沖信號(hào)。當(dāng)小孔數(shù)較多時(shí)，旋轉(zhuǎn)一周可以獲得多個(gè)脈沖信號(hào)。 圖1光電傳感器的原理圖 圖2脈沖發(fā)生源硬件結(jié)構(gòu)圖（左為正視圖，右為側(cè)視圖） 3.2傳感器接口電路設(shè)計(jì) 傳感器借口電路如下圖： 電路核心由一個(gè)光電開關(guān)管組成，平時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)輪靜止，發(fā)光二極管所發(fā)出的光被輪子擋住，所以接收管處于截止?fàn)顟B(tài)，1端為高電平。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，會(huì)使接收管導(dǎo)通一次，1端輸出一個(gè)低電平，1端波形為圖3所示： 圖3 在實(shí)際電機(jī)工作狀態(tài)中，會(huì)受到各方面的干擾，波形會(huì)存在許多雜波成分，需要對(duì)波形進(jìn)行處理，處理成符合記計(jì)數(shù)器所需要的矩型波。 波形處理電路有一個(gè)施密特觸發(fā)器組成，如上圖3-6所示。當(dāng)輸入電壓逐步升高時(shí)，致使VI>施密特上VT+，內(nèi)部觸發(fā)器發(fā)生翻轉(zhuǎn)。當(dāng)VI逐步下降時(shí)，致使VIVT-。所以只要VIVT+電路就穩(wěn)定在高電平，這樣就有效的防止了雜波的干擾，并使輸出得到矩形脈沖，符合了下級(jí)計(jì)數(shù)的需求。典型的施密特其工作波形如下圖4所示： 圖4 3.3單片機(jī)最小系統(tǒng) 單片機(jī)最小系統(tǒng)包括時(shí)鐘電路和復(fù)位電路。單片機(jī)工作時(shí)，從取指令到譯碼再進(jìn)行微操作，必須在時(shí)鐘信號(hào)控制下才能有序地進(jìn)行，時(shí)鐘電路就是為單片機(jī)工作提供基本時(shí)鐘的。單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)通常有兩種產(chǎn)生方式：內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式。內(nèi)部時(shí)鐘方式的原理電路如下圖所示。在單片機(jī)XTAL1和XTAL2引腳上跨接上一個(gè)晶振和兩個(gè)穩(wěn)頻電容，可以與單片機(jī)片內(nèi)的電路構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器。外接電容的作用是對(duì)振蕩器進(jìn)行頻率微調(diào)，使振蕩信號(hào)頻率與晶振頻率一致，同時(shí)起到穩(wěn)定頻率的作用，一般選用20~30pF的瓷片電容。復(fù)位電路是利用電容充電來實(shí)現(xiàn)復(fù)位。在電源接通瞬間，RST引腳上的電位是高電平（Vcc），電源接通后對(duì)電容進(jìn)行快速充電，隨著充電的進(jìn)行，RST引腳上的電位也會(huì)逐漸下降為低電平。最小系統(tǒng)如圖5所示 圖5最小系統(tǒng) 3.4顯示電路設(shè)計(jì) led數(shù)碼管（LED Segment Displays）是由多個(gè)發(fā)光二極管封裝在一起組成“8”字型的器件，引線已在內(nèi)部連接完成，只需引出它們的各個(gè)筆劃，公共電極。led數(shù)碼管常用段數(shù)一般為7段有的另加一個(gè)小數(shù)點(diǎn)，還有一種是類似于3位“+1”型。位數(shù)有半位，1，2，3，4，5，6，8，10位等等....，led數(shù)碼管根據(jù)LED的接法不同分為共陰和共陽兩類，了解LED的這些特性，對(duì)編程是很重要的，因?yàn)椴煌愋偷臄?shù)碼管，除了它們的硬件電路有差異外，編程方法也是不同的。共陰和共陽極數(shù)碼管，它們的發(fā)光原理是一樣的，只是它們的電源極性不同而已。內(nèi)部電路如下： 點(diǎn)亮LED顯示器有兩種方式：一是靜態(tài)顯示，二是動(dòng)態(tài)顯示。動(dòng)態(tài)顯示，就一位一位地輪流點(diǎn)亮各位顯示器（掃描），對(duì)于每一位顯示器來說，每隔一段時(shí)間點(diǎn)亮一次。顯示器的亮度既與導(dǎo)通電流有關(guān)，也與點(diǎn)亮?xí)r間和間隔時(shí)間的比例有關(guān)。調(diào)整電流和時(shí)間參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)亮度較高較穩(wěn)定的顯示。本文采用4位LED動(dòng)態(tài)顯示電路如圖6 圖6 4位動(dòng)態(tài)LED顯示電路 3.5電源模塊設(shè)計(jì) 變壓器后面由4個(gè)二極管組成一個(gè)橋式整流電路，整流后就得到一個(gè)電壓波動(dòng)很大的直流電源，所以在這里接一個(gè)330uF/25V的電解電容。變壓器輸出端的9V電壓經(jīng)橋式整流并電容濾波，在電容C1兩端大約會(huì)有11V多一點(diǎn)的電壓，假如從電容兩端直接接一個(gè)負(fù)載，當(dāng)負(fù)載變化或交流電源有少許波動(dòng)都會(huì)使C1兩端的電壓發(fā)生較大幅度的變化，因此要得到一個(gè)比較穩(wěn)定的電壓，在這里接一個(gè)三端穩(wěn)壓器的元件。三端穩(wěn)壓器是一種集成電路元件，內(nèi)部由一些三極管和電阻等構(gòu)成，在分析電路時(shí)可簡(jiǎn)單的認(rèn)為這是一個(gè)能自動(dòng)調(diào)節(jié)電阻的元件，當(dāng)負(fù)載電流大時(shí)三端穩(wěn)壓器內(nèi)的電阻自動(dòng)變小，這樣就能保持穩(wěn)壓器的輸出電壓保持基本不變。 因?yàn)槲覀円敵?V的電壓，所以選用7805。 四 軟件部分的設(shè)計(jì) 4.1程序設(shè)計(jì)方案 本系統(tǒng)采用89C51中T0定時(shí)器和T1計(jì)數(shù)器配合使用對(duì)轉(zhuǎn)速脈沖定時(shí)計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)器T1工作于計(jì)數(shù)狀態(tài)對(duì)外部脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)；TO工作為定時(shí)器方式每次定時(shí)50ms，采用60次中斷，即在計(jì)數(shù)器T1在3秒鐘內(nèi)對(duì)外部脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，然后根據(jù)3秒鐘內(nèi)的計(jì)數(shù)值推算出。 4.2定時(shí)/計(jì)數(shù)器的初始化 T1被用于計(jì)數(shù)，我們當(dāng)然希望計(jì)數(shù)量大為好，這樣，可以獲得較大的測(cè)量范圍，因此，T1定為工作方式1（16位的計(jì)數(shù)方式），設(shè)計(jì)中，沒有使用外部控制端，僅用指令置位/清零TR1來進(jìn)行計(jì)數(shù)的啟動(dòng)/停止，這樣，電路較為簡(jiǎn)單。本系統(tǒng)T1用自由計(jì)數(shù)方式，不用預(yù)置初值。定時(shí)/計(jì)數(shù)器的方式控制字TMOD，其8位控制 內(nèi)容如下表： 根據(jù)前面的描述要求，確定TMOD的控制字應(yīng)為0x51。 對(duì)定時(shí)器T0與計(jì)數(shù)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定時(shí)器中斷程序 中斷部分要對(duì)單片機(jī)產(chǎn)生的中斷次數(shù)計(jì)數(shù)，定時(shí)器每次觸發(fā)中斷需要的時(shí)間為50ms，我們需要單片機(jī)在3秒鐘內(nèi)對(duì)脈沖計(jì)數(shù)，所以要對(duì)中斷計(jì)數(shù)60次。中斷程序要給TH0，TL0賦初值，同時(shí)要開啟定時(shí)器T0。 定時(shí)器中斷程序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=(mm<<8)|TL1; TH1=0; TL1=0; n=0; } TR0=1; TR1=1; } 4.4顯示部分程序 本系統(tǒng)采用動(dòng)態(tài)數(shù)碼管顯示，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=table[qian]; delay(1); P2=0x20; P0=table[bei]; delay(1); P2=0x40; P0=table[shi]; delay(1); P2=0x80; P0=table[ge]; delay(1); } 4.5單片機(jī)總體程序如下： #include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int uint 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;i>0;i--) for(j=60;j>0;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=table[qian]; delay(1); P2=0x20; P0=table[bei]; delay(1); P2=0x40; P0=table[shi]; delay(1); P2=0x80; P0=table[ge]; 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=(mm<<8)|TL1; TH1=0; TL1=0; n=0; } TR0=1; TR1=1; } void timer1() interrupt 3 { TR1=0; TR0=0; mm=0; } 五 仿真及結(jié)果 Proteus軟件不僅具有其它EAD工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機(jī)及外圍器件。它是目前較好的仿真單片機(jī)及外圍器件的工具。該測(cè)速系統(tǒng)的Proteus仿真原理圖如圖8、圖9所示。 圖8 我們這里給單片機(jī)P3.5外接一個(gè)脈沖信號(hào)，來模擬關(guān)電開關(guān)給單片機(jī)的信號(hào)。仿真時(shí)，設(shè)置脈沖頻率為1234Ｈｚ，如上圖所示，顯示電路的ＬＥＤ數(shù)碼管上顯示1234。 輸入與模擬結(jié)果表格 輸入頻率 模擬結(jié)果 輸入頻率 模擬結(jié)果 0 0 4800 4801 400 400 5200 5201 800 800 5600 5601 1200 1200 6000 6001 1600 1600 6400 6401 2000 2000 6800 6801 2400 2400 7200 7201 2800 2800 7600 7601 3200 3200 8000 8001 3600 3600 8400 8401 4000 4000 8800 8801 4400 4401 9200 9201 六 小結(jié) 通過此次課程設(shè)計(jì)，使我更加扎實(shí)的掌握了有關(guān)電路設(shè)計(jì)方面的知識(shí)，在設(shè)計(jì)過程中雖然遇到了一些問題 多專業(yè)知識(shí)以及專業(yè)技能上的提升，同時(shí)又是一門講道課，一門辯思課，給了我許多道，給了我很多思，給了我莫大的空間。同時(shí)，設(shè)計(jì)讓我感觸很深。使我對(duì)抽象的理論有了具體的認(rèn)識(shí)。通過這次課程設(shè)計(jì)，我掌握了某些傳感器的原理。 由于單片機(jī)應(yīng)用的不甚了解，真的感覺自己走了不少的彎路。甚至課程設(shè)計(jì)過了很長(zhǎng)時(shí)間。在模擬單片機(jī)模擬測(cè)量轉(zhuǎn)速這一塊設(shè)計(jì)程序時(shí)，讓我更加明白了誤差分析的重要性。了解誤差是怎么樣產(chǎn)生的，從根源上減小誤差。仿真時(shí)，主要使用軟件keil和Proteus 7 Professional，其中keil用來編寫C語言程序，以及編譯連接使之產(chǎn)生后綴名為hex的文件，將其燒錄在軟件Proteus 7 Professional中進(jìn)行測(cè)試仿真調(diào)試。這次實(shí)習(xí)的重點(diǎn)就是如何編寫程序以及仿真中的行騙各個(gè)管腳的連接問題，主要的芯片有51、led顯示。 當(dāng)你用心的去做一件事的時(shí)候，這件事就不會(huì)輕易的用不知對(duì)錯(cuò)的結(jié)果去應(yīng)付你，就像你不會(huì)去拿這樣的態(tài)度去對(duì)待他，做一件事和想一件事也不會(huì)是一樣，如果當(dāng)時(shí)我只是停留在第一天的空想，我就不會(huì)在編程和仿真的過程中發(fā)現(xiàn)和改正那么多的錯(cuò)誤。實(shí)踐之所以高于理論，或許正是因?yàn)樗鼮槲覀兲峁┝烁喾稿e(cuò)誤和改正錯(cuò)誤的機(jī)會(huì)吧。 本次設(shè)計(jì)把理論應(yīng)用到了實(shí)踐中，同時(shí)通過設(shè)計(jì)，也加深了自己對(duì)理論知識(shí)的理解和掌握，在解決困難的過程中，獲得了許多專業(yè)方面的知識(shí),拓展了視野。提高了理論水平和實(shí)際的動(dòng)手能力，學(xué)會(huì)了解決問題的方法，激發(fā)了我們的探索精神。這樣的課程設(shè)計(jì)是很好的鍛煉機(jī)會(huì),通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)使我深入了解到課程設(shè)計(jì)在大學(xué)學(xué)習(xí)的重要性，課程設(shè)計(jì)增強(qiáng)了我們的實(shí)踐動(dòng)手能力，也為大四后學(xué)期的畢業(yè)設(shè)計(jì)提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。 參考文獻(xiàn) [1]彭介華.電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)[M] 湖南大學(xué)：高等教育出版社，1999 [2]王锍銀.脈沖與數(shù)字電路.北京：高等教育出版社，2000 [3]蔣換文.電子測(cè)量.北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2003 [4]張克農(nóng).數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ).北京：高等教育出版社，2003 [5]康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ).數(shù)字部分（第四版）.北京：高等教育出版社，2000 [6]何金茂.數(shù)字電子技術(shù)導(dǎo)論.北京：高等教育出版社，1998 [7]郭振芹.非電量電測(cè)量.北京：中國(guó)計(jì)量出版社，1984 [8]常建生.檢測(cè)與轉(zhuǎn)換技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1981 [9]張錫富.傳感器.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001