基于接近傳感器的轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)設計

1、課程設計說明書成績題目基于接近傳感器的轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)設計課程名 稱檢測技術(shù)與系統(tǒng)課程設計院系名稱專業(yè)電氣工程及其自動化班級1學生姓名學號 240102225同組學生設計時 間2013632013614設計地點工程實踐中心8 315指導教師課程設計任務書課程 名稱檢測技術(shù)與系統(tǒng)課程設計院（系、部、中心）專業(yè)電氣工程及其自動化班級起止日期136313.6.14指導教師1 課程設計應達到的目的通過對本課程的設計，使學生掌握常見被測量的檢測原理、方法和技術(shù)，了解國內(nèi) 外對這些工程量進行測控的系統(tǒng)組建原理，通過對檢測系統(tǒng)的設計與分析，增強學生理 解和運用所學知識來解決實際問題的能力，逐步掌握根據(jù)具體測控要

2、求、性能指標設計出 先進測控系統(tǒng)的方法和技術(shù)。2 課程設計題目及要求題目：基于接近傳感器的轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)設計要求：(1) 性能指標：測速范圍：03000RPM，測量精度：土 0.5RPM ;(2) 根據(jù)題意，明確測速系統(tǒng)性能指標及系統(tǒng)能完成的功能；(3) 根據(jù)系統(tǒng)要求，選擇合適的傳感器(盡量選擇實驗室中已有的傳感器)；(4) 設計傳感器測量電路；(5) 選擇單片機的品種、型號，設計單片機的外圍測量電路；(6) 計算有關(guān)的電路參數(shù)，有條件的情況下，根據(jù)實驗室現(xiàn)有設備進行實驗數(shù)據(jù)的測取, 明確測量電路輸出與被測非電量的關(guān)系；(7) 畫出系統(tǒng)原理框圖(此部分放在說明書的開始)；(8) 畫出系統(tǒng)電路圖，

3、最好用 PROTE畫；(9) 在說明書中詳細說明本系統(tǒng)工作原理。3 課程設計任務及工作量的要求包括課程設計計算說明書、圖紙、實物樣品等要求(1) 給出設計說明書一份；(2) 有條件的情況下盡量給出必要的實驗數(shù)據(jù)； 在說明書中附上完整的系統(tǒng)電路原理圖(手畫或用PROTE畫)4. 主要參考文獻1、 李現(xiàn)明，吳皓編著自動檢測技術(shù)北京：機械工業(yè)出版社，20092、 徐仁貴.單片微型計算機應用技術(shù).北京：機械工業(yè)出版社.20013、 陳愛弟.Protel99實用培訓教程.北京：人民郵電出版社.20005. 課程設計進度安排起止日期工作內(nèi)容13年6月3日布置設計任務，熟悉課題，查找資料；13年6月4日結(jié)合

4、測控對象，選擇合適的傳感器，理解傳感器性能；13年6月5日設計傳感器測量電路，選擇合適的單片機，設計其外圍電路；設計電路參數(shù)，有條件情況下，在實驗室進行實驗， 進一步理解測13年6月6日量電路輸入輸出關(guān)系；13年6月7日繼續(xù)設計論證電路參數(shù)，元善系統(tǒng)設計方案；13年6月10日查找資料，理解系統(tǒng)各部分工作原理；13年6月11日理清系統(tǒng)說明要點，著手設計說明書的書寫；13年6月12日書寫設計說明書，充分理解系統(tǒng)每一部分作用；13年6月13日完善設計說明書，準備設計答辯。13年6月14日設計答辯。6 成績考核辦法平時表現(xiàn)30%設計成果40%答辯表現(xiàn)30%.教研室審查意見：教研室主任簽字：年 月日院（

5、系、部、中心）意見：主管領(lǐng)導簽字：年 月日目錄1. 轉(zhuǎn)速測量的原理及方案分析1.1轉(zhuǎn)速測量原理 11.2方案分析 42. 系統(tǒng)硬件電路的設計2.1脈沖電路的設計42.2接近傳感器簡介及信號調(diào)理電路設計 4221接近傳感器的簡介42.2.2信號調(diào)理電路的設計53. 系統(tǒng)主電路的設計3.1單片機AT89C52的介紹 63.2顯示電路的設計 74. 心得體會75. 參考文獻 86. 附錄6.1電路圖 86.2程序 101. 轉(zhuǎn)速測量原理及方案分析1.1轉(zhuǎn)速測量原理1.1.1測頻法“ M法”在一定測量時間T內(nèi)，測量脈沖發(fā)生器（替代輸入脈沖）產(chǎn)生的脈沖數(shù) m 來測量轉(zhuǎn)速，如圖3-1 “ M法測量轉(zhuǎn)速脈沖

6、所示，設在時間 T內(nèi)，轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過的 弧度數(shù)為Xt，則轉(zhuǎn)速n可由下式表示：(1-1)60Xt n=2rT轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過的弧度數(shù) 人可用下式所示m(1-2)ml圖1-1“ M ”法測量轉(zhuǎn)速脈沖將（1-2）式代入（1-1 ）式得轉(zhuǎn)速n的表達式為：(1-3)n=60m1TPP-為轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)一周脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖數(shù)；n-轉(zhuǎn)速單位：（轉(zhuǎn)/分）；T-定時時間單位：（秒）。在該方法中，測量精度是由于定時時間T和脈沖不能保證嚴格同步，以及在 T內(nèi)能否正好測量外部脈沖的完整的周期，可能產(chǎn)生的1個脈沖的量化誤差。因此，為了提高測量精度，T要有足夠長的時間。定時時間可根據(jù)測量對象情況預 先設置。設置的時間過長，可以提高精度，但

7、在轉(zhuǎn)速較快的情況下，所計的脈沖 數(shù)增大（碼盤孔數(shù)已定情況下），限制了轉(zhuǎn)速測量的量程。而設置的時間過短， 測量精度會受到一定的影響。1.1.2測周期法“T法”轉(zhuǎn)速可以用兩脈沖產(chǎn)生的間隔寬度 Tp來決定。用以采集數(shù)據(jù)的碼盤，可以是單孔或多孔，對于單孔碼盤測量兩次脈沖間的時間，就可測出轉(zhuǎn)述數(shù)據(jù)，Tp也可以用時鐘脈沖數(shù)來表示。對于多孔碼盤，其測量的時間只是每轉(zhuǎn)的1/N，N為碼盤孔數(shù)。如圖3-2 “T”法脈寬測量所示。Tp通過定時器測得。定時器對時 基脈沖（頻率為fc）進行計數(shù)定時，在Tp內(nèi)計數(shù)值若為m，則計算公式為：60(1-4)n=PTp即：(1-5)60fcn 二Pm2fc-為硬件產(chǎn)生的基準時鐘脈

8、沖頻率：單位（Hz）;n-轉(zhuǎn)速單位：（轉(zhuǎn)/分）；m2-時基脈沖。m2圖1-2“ T”法脈寬測量由“T”法脈寬測量可知“ T”法測量精度的誤差主要有兩個方面，一是兩 脈沖的上升沿觸發(fā)時間不一致而產(chǎn)生的； 二是計數(shù)和定時起始和關(guān)閉不一致而產(chǎn) 生的。因此要求脈沖的上升沿（或下降沿）陡峭和計數(shù)和定時嚴格同步。測周法 在低轉(zhuǎn)速時精度較高，但隨著轉(zhuǎn)速的增加，精度變差，有小于一個脈沖的誤差存 在。1.1.3測頻測周法“ M/T法”所謂測頻測周法，即綜合了“ T”法和“ M法分別對高、低轉(zhuǎn)速具有的不同 精度，利用各自的優(yōu)點而產(chǎn)生的方法，精度位于兩者之間，如圖1-3 “M/T”法定時/計數(shù)測量所示。“ M/T”

9、法采用三個定時/計數(shù)器，同時對輸入脈沖、高頻脈沖（由振蕩器產(chǎn) 生）、及預設的定時時間進行定時和計數(shù)， m反映轉(zhuǎn)角，m反映測速的準確時間， 通過計算可得轉(zhuǎn)速值n。該法在高速及低速時都具有相對較高的精度。測速時間 Td由脈沖發(fā)生器脈沖來同步，即 Td等于m個脈沖周期。由圖可見，從a點開始， 計數(shù)器對m和m2計數(shù)，到達b點，預定的測速時間時，單片機發(fā)出停止計數(shù)的 指令，因為Tc不一定正好等于整數(shù)個脈沖發(fā)生器脈沖周期，所以，計數(shù)器仍對 高頻脈沖繼續(xù)計數(shù)，到達c點時，脈沖發(fā)生器脈沖的上升沿使計數(shù)器停止， 這樣, m就代表了 m個脈沖周期的時間。“ M/T”法綜合了“ T”和“ M兩種方法，轉(zhuǎn)速計算如下：

10、設高頻脈沖的頻率為fc,脈沖發(fā)生器每轉(zhuǎn)發(fā)出P個脈沖，由式（1-2）和（1-5） 可得M/T法轉(zhuǎn)速計算公式為：(1-6)60仁葉 n =Pm2n-轉(zhuǎn)速值。單位：（轉(zhuǎn)/分）；fc-晶體震蕩頻率：單位（Hz）;m-輸入脈沖數(shù)，反映轉(zhuǎn)角；m2-時基脈沖數(shù)。圖1-3“ M/T ”法定時/計數(shù)測量通過上面的分析可知，M法適合于高速測量，當轉(zhuǎn)速越低，產(chǎn)生的誤差會越 大。T法適合于低速測量，轉(zhuǎn)速增高，誤差增大。M/T這種轉(zhuǎn)速測量方法的相對誤差與轉(zhuǎn)速n無關(guān)，只與晶體振蕩產(chǎn)生的脈沖有關(guān)，故可適合各種轉(zhuǎn)速下的測量。 保證其測量精度的途徑是增大定時時間 T,或提高時基脈沖的頻率fc。因此，在 實際操作時往往采用一種稱

11、變 M/T的測量方法，即所謂變M/T法，在M/T法的基 礎上，讓測量時間Tc始終等于轉(zhuǎn)速輸入脈沖信號的周期之和。并根據(jù)第一次的 所測轉(zhuǎn)速及時調(diào)整預測時間Tc,兼顧高低轉(zhuǎn)速時的測量精度?；贛法測量速度， 電路和程序均較為簡單，且可以在一定的條件下滿足精度的要求，所以本設計中 采用M法進行測量。1.2方案分析電機的轉(zhuǎn)速通過接近傳感器采集脈沖信號，經(jīng)過放大處理后輸送給單片機， 電機的轉(zhuǎn)速通過LED顯示出來。這個電路設計可以分為三部分：第一個部分為 測速電路，第二部分為單片機處理部分，第三部分為LED顯示部分。圖1-4大概框圖2. 系統(tǒng)硬件電路的設計2.1脈沖產(chǎn)生電路的設計可以將一塊鋼鐵固定在電動機

12、轉(zhuǎn)軸上轉(zhuǎn)盤的邊沿， 轉(zhuǎn)盤隨被測軸旋轉(zhuǎn)，鋼也 跟著同步旋轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)盤附近安裝一個接近傳感器， 轉(zhuǎn)盤隨轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時，接近傳感 器受到鋼產(chǎn)生感應，會產(chǎn)生脈沖信號，其頻率和轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系，測出脈沖的周 期或頻率即可計算出轉(zhuǎn)速。6%P *T )脈沖信號的周期與電機轉(zhuǎn)速的關(guān)系為其中：n為電機轉(zhuǎn)速；P為電機轉(zhuǎn)一圈的脈沖數(shù);T為輸出方波信號的周期。n =2.2接近傳感器及信號調(diào)理電路設計221接近傳感器的簡介接近傳感器，是代替限位開關(guān)等接觸式檢測方式，以無需接觸檢測對象進行 檢測為目的的傳感器的總稱。能檢測對象的移動信息和存在信息轉(zhuǎn)換為電氣信 號。在換為電氣信號的檢測方式中，包括利用電磁感應引起的檢測對象的金屬體

13、 中產(chǎn)生的渦電流的方式、捕測體的接近引起的電氣信號的容量變化的方式、 利石 和引導開關(guān)的方式。傳感器中也能以非接觸方式檢測到物體的接近和附近檢測對 象有無的產(chǎn)品總稱為“接近開關(guān)”， 由感應型、靜電容量型、超聲波型、光電型、 磁力型等構(gòu)成。其特長為 由于能以非接觸方式進行檢測，所以不會磨損和損傷檢測對象物。 由于采用無接點輸出方式，因此壽命延長（磁力式除外）采用半導體輸出， 對接點的壽命無影響。 與光檢測方式不同，適合在水和油等環(huán)境下使用檢測時幾乎不受檢測對象的 污漬和油、水等的影響。此外，還包括特氟龍外殼型及耐藥品良好的產(chǎn)品。 與接觸式開關(guān)相比，可實現(xiàn)高速響應。 能對應廣泛的溫度范圍。 不受檢

14、測物體顏色的影響對檢測對象的物理性質(zhì)變化進行檢測，所以幾乎不受表面顏色等的影響。 與接觸式不同，會受周圍溫度的影響、周圍物體、同類傳感器的影響包括感 應型、靜電容量型在內(nèi)，傳感器之間相互影響。因此，對于傳感器的設置，需要 考慮相互干擾。此外，在感應型中，需要考慮周圍金屬的影響，而在靜電容量型 中則需考慮周圍物體的影響。下面我們以電容式接近傳感器為例進行轉(zhuǎn)速測量設計。2.2.2信號調(diào)理電路的設計將一塊金屬塊連接在電動機轉(zhuǎn)軸上， 每當轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)一圈，金屬塊就在接近傳感 器前過一下，接近傳感器就會接受到一個脈沖，經(jīng)過處理后，這個脈沖就被記下， 每轉(zhuǎn)一次，經(jīng)過放大整形后，記一個脈沖，這樣就能測速了。圖2-

15、1信號調(diào)理電路3. 主電路的設計3.1單片機AT89C52介紹AT89C52是51系列單片機的一個型號，它是ATMEL公司生產(chǎn)的。AT89C52是一個低電壓，高性能CMOS8位單片機，片內(nèi)含 8k bytes的可反復擦寫的Flash只讀程序存儲器和 256 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM，器件采用 ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和 Flash存儲單元，功能強大的AT89C52單片機可為您提供許多較復雜系統(tǒng)控制應用場合。AT89C52有40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出（I/O ）端口，同時內(nèi)含2個外中斷口， 3個1

16、6位可編程定時計數(shù)器,2個全雙工串行通信口，2個讀寫口線，AT89C52可以按照常規(guī)方法進行編程，但不可以在線編程（S系列的才支持在線編程）。其將通用的微處理器和Flash存儲器結(jié)合在一起，特別是可反復擦寫的 Flash存儲器可有效地降低開發(fā)成本。主要性能參數(shù)? 8K字節(jié)可重擦寫Flash閃速存儲器? 1000次可擦寫周期?全靜態(tài)操作：0Hz-24MHz?三級加密程序存儲器? 256 X 8字節(jié)內(nèi)部RAM? 32個可編程I/O 口線? 3個16位定時/計數(shù)器?8個中斷源?可編程串行UART!道?低功耗空閑和掉電模式AT89C52P為40腳雙列直插封裝的 8位通用微處理器，采用工業(yè)標準 的C51

17、內(nèi)核，在內(nèi)部功能及管腳排布上與通用的8xc52相同，其主要用于會聚調(diào)整時的功能控制。功能包括對會聚主IC內(nèi)部寄存器、數(shù)據(jù) RAM及外部接口等功能部件的初始化，會聚調(diào)整控制，會聚測試圖控制，紅外遙控信號IR的接收解碼及與主板 CPU通信等。主要管腳有：XTAL1 （19腳）和XTAL2（ 18腳）為振蕩器輸入輸出端口，外接12MHz 晶振。RST/Vpd （9 腳）為復位輸入端口，外接電阻電容組成的復位電路VCC（40 腳）和 VSS（20腳）為供電端口，分別接 +5V電源的正負端。 其功能用途由軟件定義，P0P3為可編程通用I/O腳,在本設計中，P0端口（ 3239腳）被定義為N1功能控制端口

18、，分別與N1的相應功能管腳相連接，13腳定義為IR輸入端,10腳和11腳定義為I2C總線控制端口，分別連接N1的SDAS（ 18腳）和12腳、27腳及28腳定義為握手信號功能端口，連SCLS（ 19 腳）端口，接主板CPU的相應功能端，用于當前制式的檢測及會聚調(diào)整狀態(tài)進入的控制功能。（T2）P1. 0 匸 （T2EX）Fl 1 匸FI 2匸FI. 3 LF1.4 匸P1 5 rPl. & I：Fl 7匚 RESET E RJIXJ/P3. 0 _n（p/F3r i 匸 IHT0/F3. 2 匸 IHT1/F3. 3 匸 T0/F3. 4 匸 T1/F&. 5 L TO/P3. 6 I： M/F

19、3. 7 匚 JLTAL2 匚 WTAL1 r FDTP Vss J PO. O/ADO J FO. 1/AD1J FO. 2/AD? 1 FO. 8/kD31 FO. 4/AD43 FO. 5/AD51 FO. G/ADG1 PO. 7/AD 7:Ea/vpp3 ALE/FEOGJ FSEWJ F2 T/AD15 J P2. 6/AD 14J F2. S/AD18J F2. 4/AD1 23 F2. 3/AD111 F2. 2/AD 1 01 F2. 1/AD9H 0/ad$圖3-1 AT89C52外部引腳圖3.2顯示電路的設計模擬接近開關(guān)給予調(diào)理電路一個時鐘脈沖信號，頻率為3K Hz顯示電

20、路圖見附錄。4. 心得體會兩周的課程設計結(jié)束了，在這次的課程設計中不僅檢驗了我所學習的知識， 也培 養(yǎng)了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在設計 過程中，與同學分工設計，和同學們相互探討，相互學習，相互監(jiān)督。學會了合 作，學會了運籌帷幄，學會了寬容，學會了理解，也學會了做人與處世。通過這次的課程設計，綜合的運用了所學的理論和知識， 實際訓練，從而提高了 工作能力，在這次設計過程中，體現(xiàn)出自己單獨設計的能力以及綜合運用知識的 能力，體會了學以致用、突出自己勞動成果的喜悅心情， 從中發(fā)現(xiàn)自己平時學習 的不足和薄弱環(huán)節(jié)，從而加以彌補。更給以后進入工作崗位后的工作能力打下了

21、堅實的基礎。5. 參考文獻1. 李現(xiàn)明，吳皓編著自動檢測技術(shù)北京：機械工業(yè)出版社，20092. 徐仁貴.單片微型計算機應用技術(shù).北京：機械工業(yè)出版社.20013. 陳愛弟.Protel99實用培訓教程.北京：人民郵電出版社.20006. 附錄6.1電路圖圖6-1連接脈沖的信號調(diào)理電路Digital Oscilloscope卜naLe*/eAjuIdOoB-ShotiUJlUf圖6-2脈沖調(diào)理電路波形圖CursorsSourceP-DSiti 口仃210 2工L50.Channel CClmnnel BChannel DrosiCiflriiACDC GND OFF Invert-51P-Q X

22、1crystmJ10NLTAL.1XT砒RP1叮EX：l r： T c - K GU BlUIUASCDEFCDPUF=-SE1丄”丄丄丄S-h7-ASTF7D/AKVA01 n: 2-.=:-z PO3TA03 PtiQAl調(diào) Pfl收応的 raorAM PO.伽丁121ST35J34戲RJOVASP2.1M P2ZW.1O PSEHP2.M11ALEP2.4A1ZEAP泅咖F2.WAHPJlJBitSPl臨P1.1H2EXP12P13P1.-I P忖P1J&pm如砂 F3.in.XD F32flNTO P3WiTiP34OD 閏訕P3JWM F57ffiDAT89C522X222Jzzn n17 JJUI_U1(P3ifT1)圖6-3顯示電路圖6.2 單片機程序#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned intuint mm=1234;codeuchartable=0x3F,0x06,0x5B,0x4F,0x66,0x6D,0x7D,0x