智能化傳感器實驗報告

1、目錄一、實驗目的1二、傳感器介紹1三、系統(tǒng)整體設(shè)計方案2四、驅(qū)動步進電機模塊2（1）脈沖生成模塊2（2）電機驅(qū)動模塊3五、光電編碼器將物理量轉(zhuǎn)化為電量模塊4六、脈沖信號處理與數(shù)碼管顯示模塊6（1）設(shè)計原理6（2）FPGA數(shù)字頻率計系統(tǒng)框圖6七、測量與分析數(shù)據(jù)7（1）測量步進電機的頻率7（2）傳感器各個指標分析8八、總結(jié)與展望9一、實驗目的本實驗內(nèi)容為基于FPGA的測軸轉(zhuǎn)物體轉(zhuǎn)速實驗，通過傳感器將步進電機的轉(zhuǎn)速這個物理量轉(zhuǎn)化為電量，再通過現(xiàn)場可編輯門陣列（FPGA）的實現(xiàn)的硬件電路，測出該物理量的大小并顯示在數(shù)碼管中。最終將實際轉(zhuǎn)速與測得結(jié)果對比，分析傳感器各個性能指標與誤差。 實驗設(shè)備：光電編

2、碼器、步進電機、FPGA實驗板、單片機實驗板、示波器、電源、穩(wěn)壓模塊模塊等。二、傳感器介紹本實驗的傳感器采用的是光電編碼器。光電編碼器常用來軸角的編碼，實時反映軸角的位置，它的結(jié)構(gòu)主要有兩部分組成，一部分是光柵或叫做碼盤，另一部分是光電開關(guān)，如下圖所示。目前在市面上可以見到光電編碼器的碼盤均為采用精密光刻技術(shù)制作的玻璃光柵，它們都具有分辨率高和輸出精度高的特點；再加上使用激光光電開關(guān)，它們的造價也偏高；在低造價的機電設(shè)備中使用這種光電編碼器就比較困難。本實驗采用的是一種采用機械透射式光柵、紅外光電開關(guān)設(shè)計的光電編碼器；這種光電編碼器每轉(zhuǎn) 100個脈沖，分辨率可達到 360°/100，

3、在 3.6°左右，可以滿足一般的使用。它的主要特點是：結(jié)構(gòu)簡單、制作容易、成本低、可靠耐用、單片機控制、輸出靈活，可使用在低成本的機電設(shè)備中。圖1 光電編碼器照片碼盤參數(shù)：線數(shù)：100線；外直徑：22mm 內(nèi)孔直徑：3.5mm 厚度：0.3mm 材料：合金鋼 ；供電電壓：5v；輸出脈沖高電平：5v三、系統(tǒng)整體設(shè)計方案FPGA數(shù)據(jù)處理與數(shù)碼管顯示光電編碼器將物理量轉(zhuǎn)化為電量模塊驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動模塊四、驅(qū)動步進電機模塊單片機LCD顯示 脈沖生成模塊按鍵電機 驅(qū)動 步進電機轉(zhuǎn)動模塊 電機驅(qū)動電源光電編碼器 （1）脈沖生成模塊1、頻率生成電機需要的頻率是通過單片機定時器對IO口電平置高置低生

4、成的，通過對定時器的延時，每次定時時間到了IO口就會改變電平，從而生成所要的是脈沖頻率。電機在01200HZ時電機可以直接啟動，超過1200HZ時電機需要逐步加速，逐步啟動，本設(shè)計是用直接啟動的方法，頻率控制在01200HZ。每次增加1000HZ。本設(shè)計是利用按鍵觸發(fā)單片機的外部脈沖，每次當按鍵按下的時候外部脈沖檢測到信號，然后頻率依次相加。2、液晶顯示在單片機的人機交流界面中，一般的輸出方式有以下幾種：發(fā)光管、LED數(shù)碼管、液晶顯示器。發(fā)光管和LED數(shù)碼管比較常用，軟硬件都比較簡單，本設(shè)計采用1602液晶屏把單片機生成的頻率和電機所轉(zhuǎn)的圈數(shù)，顯示在上面。3、按鍵處理在鍵盤中按鍵數(shù)量較多時，為

5、了減少I/O口的占用，通常將按鍵排列成矩陣形式。在矩陣式鍵盤中，每條水平線和垂直線在交叉處不直接連通，而是通過一個按鍵加以連接。這樣，一個端口（如P1口）就可以構(gòu)成4*4=16個按鍵，比之直接將端口線用于鍵盤多出了一倍，而且線數(shù)越多，區(qū)別越明顯，比如再多加一條線就可以構(gòu)成20鍵的鍵盤，而直接用端口線則只能多出一鍵（9鍵）。由此可見，在需要的鍵數(shù)比較多時，采用矩陣法來做鍵盤是合理的。本設(shè)計是在單片機學習班上完成的，學習板上是矩陣按鍵，只需要用到兩個鍵所以說本設(shè)計的按鍵采用矩陣按鍵。（2）電機驅(qū)動模塊1、電機電機是42系列兩相步進電機，步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。通俗一點講：當步

6、進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（及步進角）。可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。2、電源電機電源外接直流穩(wěn)壓電源，穩(wěn)壓電源，又稱直流穩(wěn)壓器。它的供電電壓大都是交流電壓，當交流供電電壓的電壓或輸出負載電阻變化時，穩(wěn)壓器的直接輸出電壓都能保持穩(wěn)定。穩(wěn)壓器的參數(shù)有電壓穩(wěn)定度、紋波系數(shù)和響應速度等。前者表示輸入電壓的變化對輸出電壓的影響。紋波系數(shù)表示在額定工作情況下，輸出電壓中交流分量的大?。缓笳弑硎据斎腚妷夯蜇撦d急劇變化時，電壓回到正常值所需時間。直流穩(wěn)壓電源

7、分連續(xù)導電式與開關(guān)式兩類。前者由工頻變壓器把單相或三相交流電壓變到適當值，然后經(jīng)整流、濾波，獲得不穩(wěn)定的直流電源，再經(jīng)穩(wěn)壓電路得到穩(wěn)定電壓(或電流)。3、驅(qū)動電路驅(qū)動是集成的。SM-202A細分驅(qū)動器采用美國高性能專用微步距電腦控制芯片,細分數(shù)可根據(jù)用戶需求專門設(shè)計,開放式微電腦可根據(jù)用戶要求把控制功能設(shè)計到驅(qū)動器中,組成最小控制系統(tǒng)。該控制器適合驅(qū)動中小型的任何兩相或四相混合式步進電機。由于采用新型的雙極性恒流斬波技術(shù)，使電機運行精度高, 振動小, 噪聲低,運行平穩(wěn)。五、光電編碼器將物理量轉(zhuǎn)化為電量模塊 將碼盤固定在步進電機上，光電編碼器發(fā)射端與接收端分別固定在碼盤上下兩側(cè)，如圖圖2 光電編

8、碼器與步進電機 用示波器測得輸出波形A、B為標準正玄波且正交，如圖所示圖3 光電編碼器輸出波形 如圖所示，光電編碼器輸出波形高電平為5v左右，但FPGA引腳的接入最高電壓為3.3v，因此需要將降壓以免芯片燒壞，降壓模塊采用AMS1117系列穩(wěn)壓芯片，如圖所示：圖4 5v轉(zhuǎn)3.3v電壓轉(zhuǎn)換模塊六、脈沖信號處理與數(shù)碼管顯示模塊本實驗采用現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）測量并顯示傳感器產(chǎn)生的脈沖頻率。（1）設(shè)計原理 測定信號的頻率必須有一個脈寬為1秒的對輸入信號脈沖計數(shù)允許的信號（以下均以“閘門”代替）；1秒計數(shù)結(jié)束后，計數(shù)值鎖入鎖存器的鎖存信號和為下一測頻計數(shù)周期作準備的計數(shù)器清0信號。這個清0信號可

9、以由一個測頻控制信號發(fā)生器(TESTCTL)產(chǎn)生，它的設(shè)計要求是，TESTCTL的計數(shù)使能信號CNT_EN能產(chǎn)生一個1秒脈寬的周期信號，并對頻率計的每一計數(shù)器CNT10的EN使能端進行同步控制。當CNT_EN高電平時，允許計數(shù)；低電平時停止計數(shù)，并保持其所計的脈沖數(shù)。在停止計數(shù)期間，首先需要一個鎖存信號LOAD的上跳沿將計數(shù)器在前1秒鐘的計數(shù)值鎖存進各鎖存器中。設(shè)置鎖存器的好處是，顯示的數(shù)據(jù)穩(wěn)定，不會由于周期性的清零信號而不斷閃爍。鎖存信號之后，必須有一清零信號RST_CNT對計數(shù)器進行清零，為下1秒鐘的計數(shù)操作作準備。最終將每位的鎖存信號輸入數(shù)碼顯示模塊，顯示最終頻率。（2）FPGA數(shù)字頻率

10、計系統(tǒng)框圖數(shù)碼管動態(tài)顯示計數(shù)器鎖存器閘門光電編碼器生成的輸入脈沖控制信號發(fā)生器（TESTCTL）FPGA系統(tǒng)時鐘（50Mhz）在quartusII軟件上設(shè)計的頂層文件原理圖如圖所示：圖5 FPGA頻率計原理圖頂層文件將頻率計輸入端接入示波器提供的1Khz標準頻率，數(shù)碼管顯示為998，誤差為0.2%七、測量與分析數(shù)據(jù)（1）測量步進電機的頻率驅(qū)動步進電機以一定頻率轉(zhuǎn)動，將光電編碼器產(chǎn)生的脈沖通過穩(wěn)壓電路接入FPGA實驗板，記錄測的頻率，并與預設(shè)數(shù)值頻率對比，如下：步進電機預設(shè)轉(zhuǎn)動頻率（hz）對應預設(shè)轉(zhuǎn)動角速度（°/s）FPGA顯示測得脈沖頻率（hz）對應測得電機轉(zhuǎn)動頻率（hz）對應測得角

11、速度（°/s）000000.50180600.60216.01.003601151.15414.01.505401861.86669.6.6.0021606746.742426.48.0028808938.933214.810.003600122012.204392表1 預設(shè)值與測量結(jié)果（2）傳感器各個指標分析1、精度：測量轉(zhuǎn)動頻率的精度為0.01hz.2、零點與量程：因為最終數(shù)碼管顯示為4位，而且后兩位為小數(shù)部分，所以最小值（零點）為0.00hz，最大值為99.99hz。但由于步進電機的驅(qū)動限制，只能讓電機最高轉(zhuǎn)速為10.00hz,因此本實驗的測量范圍為0.00hz至10.00hz

12、3、誤差分析： 由測得數(shù)據(jù)可知，測得步進電機轉(zhuǎn)速與預設(shè)值的誤差在5%到10%，誤差偏大，產(chǎn)生如此大的誤差原因有三方面：A、單片機驅(qū)動步進電機時產(chǎn)生一定的誤差。B、光電編碼器將物理量轉(zhuǎn)化為電量時產(chǎn)生一定的誤差，如步進電機轉(zhuǎn)動時不停的震動或光電編碼器位置稍有傾斜，影響光電編碼器產(chǎn)生脈沖。C、 FPGA測頻時產(chǎn)生的誤差，此誤差在報告第五部分已經(jīng)測得過，大概在0.5%，影響不大而且無法避免。4、 外部環(huán)境對傳感器的影響 傳感器的核心是內(nèi)部的光敏三極管，其溫度特性如下表所示： 光電流I（mA） 4 3 2 1 -40 -20 0 20 40 60 80溫度T(°C) 可見在光敏三極管產(chǎn)生的光電

13、流在-40°C80°C范圍內(nèi)變化范圍為1mA2.3mA，不會因溫度過低或過高影響傳感器的工作。因此傳感器不受溫度等外界因素影響，但最好不要再強光環(huán)境下工作，以免影響光敏三極管能夠準確接受到紅外線。八、總結(jié)與展望 本課程設(shè)計經(jīng)2012年10月份確定題目開始，經(jīng)過三個月時間，在李曙光老師的指導下，由李建華和張穎超共同協(xié)作，最終實現(xiàn)了將軸轉(zhuǎn)物體的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為電量并最終顯示在數(shù)碼管上。其中，李建華負責驅(qū)動步進電機并將其轉(zhuǎn)化為電量模塊，張穎超負責將生成的脈沖接入FPGA進行數(shù)據(jù)處理，并且通過數(shù)碼管顯示測得數(shù)據(jù)。最后的誤差處理、性能分析等由兩個人共同完成。 在這個過程中，遇到過很多的阻力

14、與問題。例如：李建華在驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動時，電機一直不轉(zhuǎn)，只發(fā)出嘟嘟的響聲，經(jīng)過李老師點撥和查閱書籍資料，發(fā)現(xiàn)單片機程序出了點問題，改正后終于讓電機轉(zhuǎn)動起來。張穎超在最初完成FPGA測頻電路后，測待測頻率時，數(shù)碼管一直顯示的是8888。在檢查了電路每個模塊verilog代碼本身沒有錯誤后，又把每個模塊都引出個引腳，然后用示波器測所有輸出波形，逐個排除問題，最終查出問題出現(xiàn)在兩個地方：1、數(shù)碼管顯示模塊的掃描頻率過大；2、數(shù)碼管位碼的代碼與FPGA學習板位碼電路不匹配。經(jīng)過改正，最終可以清晰準確顯示數(shù)字。 本課程設(shè)計的難點在于所測物理量不是溫度、濕度等現(xiàn)實生活中的數(shù)據(jù)，而是同樣需要自己生成的物理量（單片機控制步進電機轉(zhuǎn)動），最終比較的是測量值與預設(shè)值的差距，因此很大程度上增加了誤差的來源。本課程設(shè)計的亮點在于采用現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）這種硬件編程方案，并行處理數(shù)據(jù)，極大地提升了處