基于光電傳感器的轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)設(shè)計

1、成績題 目基于光電傳感器的轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)設(shè)計 課 程 名 稱電力電子技術(shù)課程設(shè)計 院（系、部、中心）專 業(yè) 電氣工程及其自動化班 級 學(xué) 生 姓 名 學(xué) 號 240102224設(shè) 計 時 間 2013. 6.3 6.14 設(shè) 計 地 點 工程實踐中心8315指 導(dǎo) 教 師 課程設(shè)計任務(wù)書課 程 名 稱檢測技術(shù)與系統(tǒng)課程設(shè)計院（系、部、中心）電力工程學(xué)院專 業(yè)電氣工程及其自動化班 級 電氣101 起 止 日 期13.6.36.14 指 導(dǎo) 教 師許大宇1課程設(shè)計應(yīng)達(dá)到的目的通過對本課程的設(shè)計，使學(xué)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

2、設(shè)計與分析，增強學(xué)生理解和運用所學(xué)知識來解決實際問題的能力,逐步掌握根據(jù)具體測控要求、性能指標(biāo)設(shè)計出先進測控系統(tǒng)的方法和技術(shù)。2課程設(shè)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(shè)計要求：（1）性能指標(biāo)：測速范圍：03000RPM，測量精度：；（2）根據(jù)題意，明確測速系統(tǒng)性能指標(biāo)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(shè)計傳感器測量電路；（5）選擇單片機的品種、型號，設(shè)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(shè)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

3、放在說明書的開始）；（8）畫出系統(tǒng)電路圖，最好用PROTEL畫；（9）在說明書中詳細(xì)說明本系統(tǒng)工作原理。3課程設(shè)計任務(wù)及工作量的要求包括課程設(shè)計計算說明書、圖紙、實物樣品等要求(1) 給出設(shè)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)；(3) 在說明書中附上完整的系統(tǒng)電路原理圖（手畫或用PROTEL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、3、5課程設(shè)計進度安排起 止 日 期工 作 內(nèi) 容13年6月4日布置設(shè)計任務(wù)，熟悉課題，查找資料；13年6月5日結(jié)合測控對象，選擇合適的傳感器，理解傳感器性能；13年6月6日設(shè)計傳感器測量電路，

4、選擇合適的單片機，設(shè)計其外圍電路；13年6月7日設(shè)計電路參數(shù)，有條件情況下，在實驗室進行實驗，進一步理解測量電路輸入輸出關(guān)系；13年6月8日繼續(xù)設(shè)計論證電路參數(shù)，完善系統(tǒng)設(shè)計方案；13年6月9日查找資料，理解系統(tǒng)各部分工作原理；13年6月10日理清系統(tǒng)說明要點，著手設(shè)計說明書的書寫；13年6月11日書寫設(shè)計說明書，充分理解系統(tǒng)每一部分作用；13年6月12日完善設(shè)計說明書，準(zhǔn)備設(shè)計答辯。13年 6月14日設(shè)計答辯。6成績考核辦法平時表現(xiàn)30%，設(shè)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（系、部、中心）意見：主管領(lǐng)導(dǎo)簽字：年月日目 錄二、課程設(shè)計正文1、光電傳感器的應(yīng)

5、用概述2、系統(tǒng)工作原理及方案 （1）系統(tǒng)框圖 （2）光電傳感器原理(3)轉(zhuǎn)速測量原理3、系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 （1）光電轉(zhuǎn)換及信號調(diào)理電路 （2）脈沖產(chǎn)生電路設(shè)計4、系統(tǒng)軟件電路設(shè)計 （1）AT89C52基本性能及最小系統(tǒng) （2）系統(tǒng)軟件程序設(shè)計（3）系統(tǒng)仿真結(jié)果5、課程設(shè)計總結(jié)6、主要參考文獻7、附錄轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的發(fā)展背景隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)提高，尤其是單片機應(yīng)用技術(shù)以其功能強大，價格低廉的顯著特點，使全數(shù)字化測量轉(zhuǎn)速系統(tǒng)得以廣泛應(yīng)用。由于單片機在測量轉(zhuǎn)速方面具有體積小、性能強、成本低的特點，越來越受到企業(yè)用戶的青睞。本設(shè)計課題的目的和意義在工程實踐中，經(jīng)常會遇到各種需要測量轉(zhuǎn)速的場合， 例

6、如在發(fā)動機、電動機等旋轉(zhuǎn)設(shè)備的試驗、運轉(zhuǎn)和控制中，常需要分時或連續(xù)測量和顯示其轉(zhuǎn)速及瞬時轉(zhuǎn)速。要測速，首先要解決是采樣問題。本課程設(shè)計使用單片機AT89C52采樣信號。因此轉(zhuǎn)速的測試具有重要的意義。2.系統(tǒng)工作原理及方案系統(tǒng)由傳感器檢測單元、信號調(diào)理放大電路，單片機AT89C52、LED顯示模塊、系統(tǒng)軟件組成。其中信號調(diào)理電路包含信號放大、波形變換和波形整形。對待測信號進行放大的目的是降低對待測信號的幅度要求；波形變換和波形整形電路則用來將放大的信號轉(zhuǎn)換成可與單片機匹配的TTL信號；通過對單片機的編程設(shè)置可使內(nèi)部定時器T0對輸入脈沖進行計數(shù)，這樣就能精確地算出加到T0引腳的單位時間內(nèi)檢測到的脈

7、沖數(shù)；系統(tǒng)的原理框圖如下所示。檢測原理光電傳感器是利用光電轉(zhuǎn)換原理，來檢測機械量轉(zhuǎn)速的傳感元件，將光源發(fā)出的光調(diào)制成與轉(zhuǎn)速相關(guān)的光信號，再轉(zhuǎn)換成電信號，通過檢測信號頻率或狀態(tài)圖形來測量轉(zhuǎn)速。光電光轉(zhuǎn)速傳感器主要由光源，調(diào)制盤，光電轉(zhuǎn)換元件三個部分組成。電檢測方法具有精度高、反應(yīng)快、非接觸等優(yōu)點，而且可測參數(shù)多，傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，形式靈活多樣。光電傳感器一般可以分為兩大類：直射式、反射式?；镜脑砭褪钱?dāng)發(fā)射管光照射到接收管時，接收管導(dǎo)通，反之關(guān)斷。脈沖發(fā)生源的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖所示。圖1脈沖發(fā)生源硬件結(jié)構(gòu)圖（左為正視圖，右為側(cè)視圖）直射式光電轉(zhuǎn)速計的工作原理如圖1和圖2，被測轉(zhuǎn)軸上裝有調(diào)制盤，調(diào)制

8、盤是帶孔或者帶齒的圓盤，帶孔的如圖1，帶齒的如圖3，調(diào)制盤的一邊放置光源，另一邊放置光電元件。調(diào)制盤隨軸轉(zhuǎn)動，當(dāng)光線通過小孔或齒縫時，光電元件就發(fā)生一個電脈沖。轉(zhuǎn)軸連續(xù)轉(zhuǎn)動，光電元件就輸出一列與轉(zhuǎn)速及調(diào)制盤上的孔（或齒）數(shù)成正比。電脈沖輸入測量電路后經(jīng)放大整形，再送入頻率計技術(shù)現(xiàn)實。 圖2光電傳感器的原理圖 圖3遮光葉片轉(zhuǎn)速測量原理一般的轉(zhuǎn)速長期測量系統(tǒng)是預(yù)先在軸上安裝一個有60 齒的測速齒盤，當(dāng)測速齒槽旋轉(zhuǎn)一周，光敏元件就能感受與開孔數(shù)相等次數(shù)的光次數(shù)，即每轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生60個電脈沖信號。臨時性轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)，多采用光電傳感器，從轉(zhuǎn)軸上預(yù)先粘貼的一個標(biāo)志上獲得一轉(zhuǎn)一個轉(zhuǎn)速脈沖，隨后利用電子倍頻器和

9、測頻方法實現(xiàn)轉(zhuǎn)速測量。不論長期或臨時轉(zhuǎn)速測量，都可以在微處理器的參與下，通過測量轉(zhuǎn)軸上預(yù)留的一轉(zhuǎn)一齒的鑒相信號或光電信號的周期，換算出轉(zhuǎn)軸的頻率或轉(zhuǎn)速。即通過速度傳感器，將轉(zhuǎn)速信號變?yōu)殡娒}沖，利用微機在單位時間內(nèi)對脈沖進行計數(shù)，再經(jīng)過軟件計算獲得轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)。即:n=N/ (mT) n 轉(zhuǎn)速、單位:轉(zhuǎn)/ 分鐘;N 采樣時間內(nèi)所計脈沖個數(shù);T采樣時間、單位:分鐘;m 每旋轉(zhuǎn)一周所產(chǎn)生的脈沖個數(shù)(通常指測速碼盤的齒數(shù)) 。通常m=60， 那么1 秒鐘內(nèi)脈沖個數(shù)N就是轉(zhuǎn)速n， 即: n=N/ (mT) =N/601/60=N系統(tǒng)硬件部分包含輸入模塊、顯示模塊、控制模塊、測速模塊等。在硬件搭建前，先通過P

10、roteus Pro 7.5進行硬件仿真實現(xiàn)。光電轉(zhuǎn)換及信號調(diào)理設(shè)計由于系統(tǒng)需要將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，因而需要使用光電傳感器并設(shè)計相應(yīng)的信號調(diào)理電路，以得到符合要求的脈沖信號，送給單片機AT89C52進行計數(shù)，同時得到計數(shù)的時間，由單片機進行相關(guān)計算以得到電動機轉(zhuǎn)速。傳感器將電機的轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)變成了電脈沖信號，該信號經(jīng)過LM358集成運放整形驅(qū)動，送到單片機進行脈沖計數(shù)，從而測出電動機轉(zhuǎn)速。介紹一下LM358,：LM358里面包括有兩個高增益、獨立的、內(nèi)部頻率補償?shù)碾p運放，適用于電壓范圍很寬的單電源，而且也適用于雙電源工作方式，它的應(yīng)用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使

11、用運放的地方使用。光電轉(zhuǎn)換部分與單片機的連接框圖如圖所示脈沖產(chǎn)生電路設(shè)計由于proteus不能仿真光電傳感器，則用一個方波代替光電傳感器的將光信號轉(zhuǎn)換成電信號的輸出。如圖發(fā)現(xiàn)，方波電壓的幅值已經(jīng)被放大，將這個信號輸入單片機中作脈沖計數(shù)。AT89C52基本性能單片機我們選用AT89C52（引腳圖如下）AT89C52是一個低電壓，高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含8k bytes的可反復(fù)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(biāo)準(zhǔn)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，

12、功能強大的AT89C52單片機可為您提供許多較復(fù)雜系統(tǒng)控制應(yīng)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16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，也可以在線編程。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(fù)擦寫的 Flash存儲器可有效地降低開發(fā)成本。AT89C52引腳圖單片機最小系統(tǒng)單片機最小系統(tǒng)包括時鐘電路和復(fù)位電路。單片機工作時，從取指令到譯碼再進行微操作，必須在時鐘信號控制下才能有序地進行，時鐘電路就是為單片機工作提供基本時鐘的。單片機的時鐘信號通常有兩

13、種產(chǎn)生方式：內(nèi)部時鐘方式和外部時鐘方式。內(nèi)部時鐘方式的原理電路如下圖所示。在單片機XTAL1和XTAL2引腳上跨接上一個晶振和兩個穩(wěn)頻電容，可以與單片機片內(nèi)的電路構(gòu)成一個穩(wěn)定的自激振蕩器。外接電容的作用是對振蕩器進行頻率微調(diào)，使振蕩信號頻率與晶振頻率一致，同時起到穩(wěn)定頻率的作用，一般選用2030pF的瓷片電容。復(fù)位電路是利用電容充電來實現(xiàn)復(fù)位。在電源接通瞬間，RST引腳上的電位是高電平（Vcc），電源接通后對電容進行快速充電，隨著充電的進行，RST引腳上的電位也會逐漸下降為低電平。最小系統(tǒng)如圖所示顯示電路設(shè)計led數(shù)碼管（LED Segment Displays）是由多個發(fā)光二極管封裝在一起組

14、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段有的另加一個小數(shù)點，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，對編程是很重要的，因為不同類型的數(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：點亮LED顯示器有兩種方式：一是靜態(tài)顯示，二是動態(tài)顯示。動態(tài)顯示，就一位一位地輪流點亮各位顯示器（掃描），對于每一位顯示器來說，每隔一段時間點亮一次。顯示器的亮度既與導(dǎo)通電流有關(guān)，也與點亮?xí)r間和間隔時間的比例有關(guān)。調(diào)整電流和時

15、間參數(shù)，可實現(xiàn)亮度較高較穩(wěn)定的顯示。本文采用4位LED動態(tài)顯示電路如圖圖6 4位動態(tài)LED顯示電路根據(jù)設(shè)計的復(fù)位、晶振、顯示電路電路，我們做了一張總電路圖。程序設(shè)計方案本系統(tǒng)采用89C52中T0定時器和T1計數(shù)器配合使用對轉(zhuǎn)速脈沖定時計數(shù)。計數(shù)器T1工作于計數(shù)狀態(tài)對外部脈沖進行計數(shù)；TO工作為定時器方式每次定時50ms，采用60次中斷，即在計數(shù)器T1在3秒鐘內(nèi)對外部脈沖進行計數(shù)，然后根據(jù)3秒鐘內(nèi)的計數(shù)值推算出。（1）定時/計數(shù)器的初始化定時/計數(shù)器的方式控制字TMOD，TMOD是一個不可按位尋址的特殊功能寄存器，其高四位專供T1作計數(shù)用，低四位供T0作定時用。（1） 定時/計數(shù)器的啟動方式為G

16、ATE=0，用軟件設(shè)置使TOCN中的運行控制位TR0和TR1為1，就可以啟動T0和T1，稱為軟啟動。（2） C/T: 定時/計數(shù)器方式選擇位，C/T =0時作定時器用。C/T=1作計數(shù)器用。（3） M1M0工作方式選擇位，這里 我們選M1M0=01，方式一，作16位定時/計數(shù)器用。綜上所述，我們給TMOD應(yīng)賦給二進制的01010001B，是十六進制的0x51。TMOD=0x51.TMOD寄存器如下表：對定時器T0與計數(shù)器T1的初始化程序如下timer_init() /初始化子程序EA=1; /開中斷總允許ET0=1; /開定時器T0中斷允許ET1=1; /開計數(shù)器T1中斷允許TMOD=0X51

17、; /TMOD=01010001BTH0=(65535-50000)/256; /初值的高位。定時器一個機器周期加1，一次中斷為50ms對應(yīng)50000個機器周期（振蕩頻率為12MHZ）TL0=(65535-50000)%256; /初值的低位TH1=0; /T1作計數(shù)器用，初值定為0x00TL1=0;TR0=1; /軟啟動方式TR1=1;（2）定時器中斷程序中斷部分要對單片機產(chǎn)生的中斷次數(shù)計數(shù)，定時器每次觸發(fā)中斷需要的時間為50ms，我們需要單片機在3秒鐘內(nèi)對脈沖計數(shù)，所以要對中斷計數(shù)60次。中斷程序要給TH0，TL0賦初值，同時要開啟定時器T0。定時器中斷程序void timer0() in

18、terrupt 1n+;TR0=0; /T0停止工作TR1=0;TH0=(65535-50000)/256; /賦初值TL0=(65535-50000)%256;if(n=60) /若n自加到60則停止計數(shù)，一次中斷50ms則60次中斷就為3smm=0;mm|=TH1;mm=(mm8)|TL1;TH1=0; /賦初值0TL1=0;n=0; /n從頭開始自加TR0=1; /T0開始工作TR1=1;顯示部分程序本系統(tǒng)采用動態(tài)數(shù)碼管顯示，所以程序如下：xian_shi()uchar qian,bei,shi,ge; /定義個十百千四個無符號整形參數(shù)uint jj;jj=mm;jj=jj/3;qian

19、=jj/1000; /將個十百千位對應(yīng)的數(shù)分別找出來bei=jj%1000/100;shi=jj%100/10;ge=jj%10;P2=0x10; /數(shù)碼管的段選，如接線圖P2.4=1，則左起第一個數(shù)碼管顯示P0=tableqian; /將千位的值所對應(yīng)的十六進制碼點來亮該數(shù)碼管的中的八個小二極管delay(1); /作延時P2=0x20; /段選，則左起第二個數(shù)碼管顯示P0=tablebei; /將百位的值所對應(yīng)的十六進制碼來點亮該數(shù)碼管的中的八個小二極管delay(1); /延時P2=0x40;P0=tableshi; /十位delay(1);P2=0x80;P0=tablege; /個位

20、delay(1);我們這里給單片機P3.5外接一個脈沖信號，來模擬關(guān)電開關(guān)給單片機的信號。仿真時，設(shè)置脈沖頻率為700，如圖所示，顯示電路的數(shù)碼管上顯示700。設(shè)置脈沖頻率為3000，如上圖所示，顯示電路的數(shù)碼管上顯示3000。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，2009總的電路圖設(shè)計總系統(tǒng)程序單片機總體程序如下：#include#define uchar unsignedchar/宏定義#define uint unsignedintuint mm=0; /定義參變量uchar n;uchar code table=0xc0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x9

21、2,0x82,0xF8,0x80,0x90;/定義編碼表，給數(shù)碼管復(fù)制delay(uint m) /子程序調(diào)用，作延時用uint i,j;for(i=m;i0;i-)/i每加1，j經(jīng)過60次自加for(j=60;j0;j-);xian_shi()uchar qian,bei,shi,ge; /定義個十百千四個無符號整形參數(shù)uint jj;jj=mm;jj=jj/3;qian=jj/1000; /將個十百千位對應(yīng)的數(shù)分別找出來bei=jj%1000/100;shi=jj%100/10;ge=jj%10;P2=0x10; /數(shù)碼管的段選，如接線圖中，P2.4=1，則左起第一個數(shù)碼管顯示P0=tab

22、leqian; /將千位的值所對應(yīng)的十六進制碼點來亮該數(shù)碼管的中的八個小二極管delay(1); /作延時P2=0x20; /段選，P2.5=1則左起第二個數(shù)碼管顯示P0=tablebei; /將百位的值所對應(yīng)的十六進制碼來點亮該數(shù)碼管的中的八個小二極管delay(1); /作延時P2=0x40;P0=tableshi; /顯示十位的數(shù)delay(1);P2=0x80;P0=tablege; /顯示個位的數(shù)delay(1);timer_init() /中斷初始化子程序EA=1; /開中斷總允許ET0=1; /開定時器T0中斷允許ET1=1; /開計數(shù)器T1中斷允許TMOD=0X51; /TMOD=01010001BTH0=(65535