傳感器課設(shè)基于LabVIEW的光電傳感器測轉(zhuǎn)速分解

1、基于LabVIEW和光電式傳感器的轉(zhuǎn)速檢測與控制設(shè)計摘要：轉(zhuǎn)速是發(fā)動機(jī)重要的工作參數(shù)之一，也是其它參數(shù)計算的重要依據(jù)。目前常用的轉(zhuǎn)速測量方法有離心式轉(zhuǎn)速表測速法、測速發(fā)電機(jī)測速法、光電碼盤測速法和霍爾元件測速法等。在對各種測速方法進(jìn)行分析后提出了基于光電傳感器的轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)。詳細(xì)分析了系統(tǒng)的組成及工作原理，給出了系統(tǒng)中各硬件模塊設(shè)計方法，給出了部分程序流程圖。該測速系統(tǒng)安裝維護(hù)方便，工作穩(wěn)定，運(yùn)行可靠，具有較大的推廣應(yīng)用價值。關(guān)鍵詞：光電轉(zhuǎn)速傳感器，轉(zhuǎn)速測量，數(shù)據(jù)處理1相關(guān)背景和簡介3n(ta(is(laanmaBB»：:un3:)2系統(tǒng)組成及工作原理3amnnhhnannh,nil

2、i«««2.1 轉(zhuǎn)速測量原理42.2 轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)組成框圖42.3 設(shè)計思路5M'MM，13系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計5nnnnaHnBiHBamIbi3.1脈沖產(chǎn)生電路設(shè)計5nnnnaHnBiHBamIbi3.2 傳感器接口電路設(shè)計63.3 光電轉(zhuǎn)換及信號調(diào)理電路設(shè)計7tB!3.3.1 光電傳感器簡介7maai!aiia»!«MBiHiiaaHiaaammnan!3.3.2 光電轉(zhuǎn)換及信號調(diào)理電路設(shè)計9BIB(MBBimBBlMBBmBBnaBBBl4硬件構(gòu)造10n(n»bbotatata(«nu)5LabVIEW虛擬儀器

3、轉(zhuǎn)速測量的實現(xiàn)115.1前面板12HII|III|H|niln!|111|HI!IIII5.2程序框圖136結(jié)果13rnmwmrnuarnarnminrnwrm»6.1 硬件設(shè)備及連接136.2 設(shè)備運(yùn)行及測量顯示14«»«HIHII7小結(jié)15I，(!WBtBM!»(MBBIMBBMtB«BlmMBISHnaH161rBiBBman1«rmaarmimabbui1«1相關(guān)背景和簡介目前國內(nèi)外測量電機(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)電樞電動勢計算所得）、同步

4、測速法（如機(jī)械式或閃光式頻閃測速儀）以及計數(shù)測速法。計數(shù)測速法又可分為機(jī)械式定時計數(shù)法和電子式定時計數(shù)法。傳統(tǒng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測多采用測速發(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.其中應(yīng)用最廣的是光電式，光電式測系統(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)速測量系統(tǒng)測量準(zhǔn)確度高、采樣速度快、測量范

5、圍寬和測量精度與被測轉(zhuǎn)速無關(guān)等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。2系統(tǒng)組成及工作原理2.1 轉(zhuǎn)速測量原理在此采用頻率測量法，其測量原理為，在固定的測量時間內(nèi)，計取轉(zhuǎn)速傳感器產(chǎn)生的脈沖個數(shù)，從而算出實際轉(zhuǎn)速。設(shè)固定的測量時間為Tc(min),計數(shù)器計取的脈沖個數(shù)假定脈沖發(fā)生器每轉(zhuǎn)輸出p個脈沖，對應(yīng)被測轉(zhuǎn)速為N(r/min),則f=pN/60Hz;另在測量時間Tc內(nèi)，計取轉(zhuǎn)速傳感器輸出的脈沖個數(shù)n®為m=Tcf,所以，當(dāng)測得m值時，就可算出實際轉(zhuǎn)速值1：N=60m/pTc(r/min)(2-1)2.2 轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)組成框圖系統(tǒng)由信號預(yù)處理電路，示波器組成。其中信號預(yù)處理電路包含信號放大、波形變換

6、和波形整形。對待測信號進(jìn)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(jī)匹配的TTL信號；通過示波器來顯示轉(zhuǎn)速的快慢變化。系統(tǒng)的原理框圖如圖2.2所示。信號放大器一波形變換一波形整形示波器圖2.2系統(tǒng)的原理框圖2.3 設(shè)計思路(1) 利用光電傳感器做電機(jī)轉(zhuǎn)速的信號拾取元件，在電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上安裝一個圓盤，在圓盤上挖6小洞，小洞上下分別對應(yīng)著光發(fā)射和光接受開關(guān)，圓盤轉(zhuǎn)動一圈即光電管導(dǎo)通6次，利用此信號做為脈沖計數(shù)所需。(2) 對光電開關(guān)信號整流放大(3) 利用示波器檢測光電傳感器輸出，由矩形脈沖波形可直觀的顯示出轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速快慢3系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計3.1

7、脈沖產(chǎn)生電路設(shè)計設(shè)計采用了紅外光電傳感器，進(jìn)行非接觸式檢測。當(dāng)有物體擋在紅外光電發(fā)光二極管和高靈敏度的光電晶體管之間時，傳感器將會輸出一個低電平，而當(dāng)沒有物體擋在中間時則輸出為高電平，從而形成一個脈沖。系統(tǒng)在光電傳感器收發(fā)端間加入電動機(jī)，并在電動機(jī)的轉(zhuǎn)軸上安裝一轉(zhuǎn)盤。在這個轉(zhuǎn)盤的邊沿處挖出若干個圓形過孔，把傳感器的檢測部分放在圓孔的圓心位置。每當(dāng)轉(zhuǎn)盤隨著后輪旋轉(zhuǎn)的時候，傳感器將向外輸出若干個脈沖。轉(zhuǎn)盤的圓孔的個數(shù)決定了測量的精度，個數(shù)越多，精度越高。這樣就可以在單位時間內(nèi)盡可能多地得到脈沖數(shù)，從而避免了因為兩個過孔之間的距離過大，而正好在過孔之間或者是在下個過孔之前停止了，造成較大的誤差。設(shè)計

8、中轉(zhuǎn)盤的圓孔的實際個數(shù)受到技術(shù)的限制。為了達(dá)到預(yù)定的效果設(shè)計在轉(zhuǎn)盤過孔的設(shè)計上采用6個過孔，從而留下了5個同等的問距。如圖3,1所示。圖3,1脈沖發(fā)生源硬件結(jié)構(gòu)圖（左為正視圖，右為側(cè)視圖）3.2 傳感器接口電路設(shè)計傳感器接口電路如圖3.2.1:施密特A光電開關(guān)管40106R11KR24K7VCCC圖3.2.1傳感器接口電路圖電路核心由一個光電開關(guān)管組成，平時電機(jī)轉(zhuǎn)輪靜止，發(fā)光二極管所圖3.2.2波形圖發(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)動一圈，會使接收管導(dǎo)通一次，1端輸出一個低電平，1端波形為圖3.2.2所示:在實際電機(jī)工作狀態(tài)中，會受到各方面的干擾，波形會存在許

9、多雜波成分，需要對波形進(jìn)行處理，處理成符合記計數(shù)器所需要的矩型波。波形處理電路有一個施密特觸發(fā)器組成。當(dāng)輸入電壓逐步升高時，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，致使VI<VT-,電路再次發(fā)生翻轉(zhuǎn)，通常VT+>VT-所以只要VI<VT-電路就能穩(wěn)定在低電平，VI>VT+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，符合了下級計數(shù)的需求。典型的施密特其工作波形如圖3.2.3所示：圖3.2.3典型的施密特其工作波形3.3 光電轉(zhuǎn)換及信號調(diào)理電路設(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

10、號調(diào)理電路，以得到符合要求的脈沖信號，由示波器進(jìn)行檢測。3.3.1 光電傳感器簡介光電傳感器是采用光電元件作為檢測元件的傳感器。它首先把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化，然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。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。光電檢測方法具有精度高、反應(yīng)快、非接觸等優(yōu)點(diǎn)，而且可測參數(shù)多，傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，形式靈活多樣，因此，光電式傳感器在檢測和控制中應(yīng)用非常廣泛。由光通量對光電元件的作用原理不同所制成的光學(xué)測控系統(tǒng)是多種多樣的，按光電元件（光學(xué)測控系統(tǒng)）輸出量性質(zhì)可分二類，即模擬式光電傳感器和脈沖（開關(guān)）式光電傳感器。模擬式光電傳感器是將被測量轉(zhuǎn)換成連續(xù)變

11、化的光電流，它與被測量間呈單值關(guān)系。模擬式光電傳感器按被測量（檢測目標(biāo)物體）方法可分為透射（吸收）式、漫反射式、遮光式（光束阻檔）三大類。所謂透射式是指被測物體放在光路中，恒光源發(fā)出的光能量穿過被測物，部份被吸收后，透射光投射到光電元件上；所謂漫反射式是指恒光源發(fā)出的光投射到被測物上，再從被測物體表面反射后投射到光電元件上；所謂遮光式是指當(dāng)光源發(fā)出的光通量經(jīng)被測物光遮其中一部份，使投射到光電元件上的光通量改變，改變的程度與被測物體在光路位置有關(guān)。光源是許多光電傳感器的重要組成部分，要使光電傳感器很好地工作，除了合理選用光電元件外，還必須配備合適的光源。發(fā)光二極管是一種把電能轉(zhuǎn)變成光能的半導(dǎo)體器

12、件。它具有體積小、功耗低、壽命長、響應(yīng)快、機(jī)械強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，并能和集成電路相匹配。因此，廣泛地用于計算機(jī)、儀器儀表和自動控制設(shè)備中。鴇絲燈泡是一種最常用的光源，它具有豐富的紅外線。如果選用的光電元件對紅外光敏感，構(gòu)成傳感器時可加濾色片將鴇絲燈泡的可見光濾除，而僅用它的紅外線做光源，這樣，可有效防止其他光線的干擾。激光與普通光線相比具有能量高度集中，方向性好，頻率單純、相干性好等優(yōu)點(diǎn)，是很理想的光源。綜上所述，各種光源各具優(yōu)點(diǎn)，但從經(jīng)濟(jì)與使用便利方面考慮，并考慮到抗干擾性能，我們決定選用紅外光二極管做系統(tǒng)測量的光源。由光源、光學(xué)通路和光電器件組成的光電傳感器在用于光電檢測時，還必須配備適當(dāng)?shù)男盘?/p>

13、調(diào)理電路。這些信號調(diào)理電路負(fù)責(zé)將光電傳感器輸出的微弱的光電信號進(jìn)行放大、整形，轉(zhuǎn)換成所單片機(jī)定時計數(shù)所需要的脈沖信號。不同的光電元件，所要求的測量電路也不相同，為此設(shè)計時必須詳加考慮。3.3.2 光電轉(zhuǎn)換及信號調(diào)理電路設(shè)計傳感器將電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)變成了電脈沖信號，該信號經(jīng)過LM3241成運(yùn)放整形驅(qū)動，送到單片機(jī)進(jìn)行脈沖計數(shù)，從而測出電動機(jī)轉(zhuǎn)速。LM324是四運(yùn)放集成電路，它采用14腳雙列直插塑料封裝，外形如圖所示。它的內(nèi)部包含四組形式完全相同的運(yùn)算放大器，除電源共用外，四組運(yùn)放相互獨(dú)立。每一組運(yùn)算放大器可用圖3.3.2.1所示的符號來表示，它有5個引出腳，其中“+”、“-”為兩個信號輸入端，“

14、V+”、“V-”為正、負(fù)電源端，“Vo”為輸出端。兩個信號輸入端中，Vi-(-)為反相輸入端，表示運(yùn)放輸出端Vo的信號與該輸入端的位相反；Vi+(+)為同相輸入端，表示運(yùn)放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位相同。LM324的引腳排列見圖3.3.2.1放大器圖圖3.3.2.2弓I腳由于LM324四運(yùn)放電路具有電源電壓范圍寬，靜態(tài)功耗小，可單電源使用，價格低廉等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用在各種電路中。本設(shè)計計劃采用高性能集成四運(yùn)放LM324來進(jìn)行光電信號調(diào)理電路設(shè)計。電路采用兩級放大電路對脈沖信號進(jìn)行放大，防止信號脈沖太小以至對實驗結(jié)果不產(chǎn)生影響。止匕外，還設(shè)計了有源帶通濾波器。為了達(dá)到預(yù)定效果，對系統(tǒng)運(yùn)

15、用MULTISIM8進(jìn)行模擬仿真，并利用模擬仿真結(jié)果對有關(guān)元器件進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，以使電路滿足要求。4硬件構(gòu)造光電式轉(zhuǎn)速傳感器安裝于電機(jī)轉(zhuǎn)盤的左方，光電式轉(zhuǎn)速傳感器有反射型和透射型兩種，本實驗裝置是透射型的，傳感器端部有發(fā)光管和光電管，發(fā)光管發(fā)出的光源通過轉(zhuǎn)盤上開的孔透射后由光電二極管接受轉(zhuǎn)換成電信號，由于轉(zhuǎn)盤上有相間的6個孔,轉(zhuǎn)動時將獲得與轉(zhuǎn)速及孔數(shù)有關(guān)的脈沖，將電脈沖計數(shù)處理即可得到轉(zhuǎn)速值。如圖4.1圖4.1轉(zhuǎn)速測速示意圖被測物理量經(jīng)過傳感器變換后，由光電傳感器輸出接口輸出脈沖電信號，由示波器進(jìn)行檢測，直觀的顯示出電機(jī)轉(zhuǎn)動快慢情況。-10-5LabVIEW虛擬儀器轉(zhuǎn)速測量的實現(xiàn)虛擬儀器的起源可

16、以追溯到20世紀(jì)70年代，那時計算機(jī)測控系統(tǒng)在國防、航天等領(lǐng)域已經(jīng)有了相當(dāng)?shù)陌l(fā)展。PC機(jī)出現(xiàn)以后，儀器級的計算機(jī)化成為可能，甚至在Microsoft公司的Windows誕生之前，NI公司已經(jīng)在Macintosh計算機(jī)上推出了LabVIEW2.0以前的版本。對虛擬儀器和LabVIEW長期、系統(tǒng)、有效的研究開發(fā)使得該公司成為業(yè)界公認(rèn)的權(quán)威。目前LabVIEW的最新版本為LabVIEW2011,LabVIEW2009為多線程功能添加了更多特性，這種特性在1998年的版本5中被初次引入。使用LabVIEW軟件，用戶可以借助于它提供的軟件環(huán)境，該環(huán)境由于其數(shù)據(jù)流編程特性、LabVIEWReal-Time

17、工具對嵌入式平臺開發(fā)的多核支持，以及自上而下的為多核而設(shè)計的軟件層次，是進(jìn)行并行編程的首選。LABVIEW1初就是為測試測量而設(shè)計的，因而測試測量也就是現(xiàn)在LABVIEW!廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。經(jīng)過多年的發(fā)展，LABVIEWt測試測量領(lǐng)域獲得了廣泛的承認(rèn)。至今，大多數(shù)主流的測試儀器、數(shù)據(jù)采集設(shè)備都擁有專門的LabVIEW!動程序，使用LabVIEWq-11-以非常便捷的控制這些硬件設(shè)備。同時，用戶也可以十分方便地找到各種適用于測試測量領(lǐng)域的LabVIEWT具包。這些工具包幾乎覆蓋了用戶所需的所有功能，用戶在這些工具包的基礎(chǔ)上再開發(fā)程序就容易多了。有時甚至于只需簡單地調(diào)用幾個工具包中的函數(shù)，就可以組成

18、一個完整的測試測量應(yīng)用程序。5.1 前面板前面板實現(xiàn)對轉(zhuǎn)速測量的直觀顯示克所目ni(DX看出TS日®京作工息口口出和姍出國.|川1取電麗百事博F|Io“|在轉(zhuǎn)速役測與控制實饕-12-5.2 程序框圖通過程序框圖實現(xiàn)程序功能6結(jié)果6.1硬件設(shè)備及連接硬件由光電傳感器、試驗箱、試驗臺、示波器構(gòu)成，如圖6.1、6.2-13-圖6.1硬件連接圖圖6.2硬件連接圖（示波器）6.2設(shè)備運(yùn)行及測量顯示如圖6.3光電傳感器工作，輸出測量電信號圖6.3光電傳感器工作，輸出測量電信號-14-示波器檢測測量系統(tǒng)輸出的信號，并以一定頻率的矩形波顯示,如圖6.4、6.56.4檢測到的波形6.5檢測到的波形7小結(jié)通過此次課程設(shè)計，使我更加扎實的掌握了有關(guān)傳感器設(shè)計方面的知識，在設(shè)計過程中雖然遇到了一些問題，但這是多專業(yè)知識以及專業(yè)技能上的提升，同時又是一門講道課，一門辯思課，給了我許多道，給了我很多思，給了我莫