光電傳感器轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)設(shè)計

1、專業(yè)課程設(shè)計題目光電傳感器的轉(zhuǎn)速測量設(shè)計18院系:專業(yè)班級:小組成員:自動化學院指導教師:日期:2012年10月8-一2012年10月19一課程設(shè)計描述采用單片機、uln2003為主要器件，設(shè)計步進電機調(diào)速系統(tǒng)，實現(xiàn)電機速度開環(huán)可調(diào)。二課程設(shè)計具體要求1、通過按鍵選擇速度；2、轉(zhuǎn)速測量顯示范圍為09999轉(zhuǎn)/秒3、檢測并顯示各檔速度。三主要元器件實驗板（中號）1個步進電機1個STC89C521個電容（30pF、10uF）各1個數(shù)碼管（共陽、四位一體）1個晶振（12MHz）1個小按鍵4個ULN20031個電阻若干發(fā)光二極管1個三極管（NPN）4個排阻1個四原理闡述4.1系統(tǒng)簡述按照題給要求，我們

2、最終設(shè)計了如下的解決方案：用戶通過鍵盤鍵入控制指令（開關(guān)），微控制器在收到指令后改變輸出的PWM波，最終在ULN2003的驅(qū)動下電機轉(zhuǎn)速發(fā)生改變。通過ST151傳感器測量電機扇葉的旋轉(zhuǎn)情況，將轉(zhuǎn)速顯示在數(shù)碼管上。在程序主循環(huán)中實現(xiàn)按鍵掃描與轉(zhuǎn)速顯示，將定時器0作為計數(shù)器，計數(shù)ST151產(chǎn)生的下降沿，可算出轉(zhuǎn)速，并送至數(shù)碼管顯示。設(shè)計思路：（1）利用光電開關(guān)管做電機轉(zhuǎn)速的信號拾取元件，在電機的轉(zhuǎn)軸上安裝一個圓盤，在圓盤上挖1小洞，小洞上下分別對應著光發(fā)射和光接受開關(guān)，圓盤轉(zhuǎn)動一圈即光電管導通1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）脈沖經(jīng)過單片機內(nèi)部的計數(shù)器和定時器進

3、行計數(shù)和定時。（4）顯示電路采用單片機動態(tài)顯示。4.2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)m，假定脈沖發(fā)生器每轉(zhuǎn)輸出p個脈沖，對應被測轉(zhuǎn)速為N(r/min)，貝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)m應為m=Tcf，所以，當測得m值時，就可算出實際轉(zhuǎn)速值：N=60m/pTc(r/min)(1)4.3轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)組成框圖系統(tǒng)由信號預處理電路、單片機STC89C51、系統(tǒng)化LED顯示模塊、串口數(shù)據(jù)存儲電路和系統(tǒng)軟件組成。其中信號預處理電路

4、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)檢測到的脈沖數(shù)；設(shè)計中轉(zhuǎn)速顯示部分采用價格低廉且使用方便的LED模塊，通過相關(guān)計算方法計算得到的轉(zhuǎn)速通過I2C總線放到E2PR0M存儲，既節(jié)省了所需單片機的口線和外圍器件，同時也簡化了顯示部分的軟件編程。系統(tǒng)的原理框圖如圖2.1所示。圖2.1系統(tǒng)的原理框圖五系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計系統(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

5、件搭建前，先通過ProteusPro7.5進行硬件仿真實現(xiàn)。5.1脈沖產(chǎn)生電路設(shè)計設(shè)計采用了紅外光電傳感器，進行非接觸式檢測。當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，并在電動機的轉(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。把這些脈沖通過一系列的波形整形成單片機可以識別的TTL電平，即可算出輪子即時的轉(zhuǎn)速。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

6、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)計中轉(zhuǎn)盤的圓孔的實際個數(shù)受到技術(shù)的限制。為了達到預定的效果設(shè)計在轉(zhuǎn)盤過孔的設(shè)計上采用11個過孔，從而留下了10個同等的間距。這樣在以后的軟件設(shè)計中能夠較為方便的計算出脈沖頻率。脈沖發(fā)生源的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖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）5.2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STC89C51進行計數(shù),同時得到

7、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LM324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。光電轉(zhuǎn)換部分與單片機的連接框圖如圖3.2所示。圖3.2光電轉(zhuǎn)換部分與單片機的連接框圖5.3時鐘電路系統(tǒng)采用12M晶振與兩個30pF電容組成震蕩電路，接STC89C52的XTAL1與XTAL2引腳，為微控制器提供時鐘源-30pF-"EXT-X11口Q-CRYSTAL-'叮匚“Ti_jF.-C1：:30pF-TEXT>-屮->XTAL1XTAL25.4按鍵電路四個按鍵分別控制電機的不同轉(zhuǎn)速，即控制

8、PWM波高電平的占空比，以實現(xiàn)電機的速度控制，采用開環(huán)控制方法，不是十分精確，但控制簡單，易實現(xiàn),代碼編寫簡單。O12345678P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7AT89C51<TEXT>'5.5顯示部分RP1RESPAEI4S¥曰護30豆JZ363633P2O/R>.DP31/TXDF32/INT0F3.3/1NTIP3.q/T0F3.5/T1P3.6/WRP3.7/RD-COM1CULN2003A4U2EM-<TEXT>日B7r-C5OB日5OccC224BBB224_kl._LfL.1516 T7R2ZEIR

9、3DIODE-：TEXT>PO.OW.DO尸O.1TAD1F02fAD2PO/SfADQPO.OTAMFOJfADOPOfifAC®POTfADT陀口南P2.1MP22/A10尸Z3A11P2.=q/A-12P2.6/13P26/A14尸Z.7/A15P3.0>R10P3.1JTXDP3.2/1HTOpg.g/ntiP2.4/TDP35/71系統(tǒng)采用4位共陰極數(shù)碼管實現(xiàn)轉(zhuǎn)速顯示。數(shù)碼管的位選端14分別接STC89C52的P2.0P2.3管腳，端選段AG與DP分別接STC89C52的P0.0P0.7管腳。需要說明的是：實際焊接電路時，數(shù)碼管的位選端需要焊接三極管，否則數(shù)碼管

10、顯示亮度將會非常暗。5.6電機控制與驅(qū)動部分電機的運行通過PWM波控制。PWM波通過STC89C52的P2.4口輸出。F2.3/A11F2.4XA12P2.6/A13P2.6/A14P2.7XA16說明：測速部分用的是Motro-encode電機，實際用ST151實現(xiàn)測速，焊接電路如下圖：VecOUTGND其中Rl=510Q,R2=4.7KQST內(nèi)部電路：2-03.5(0囲置018.6底視圖內(nèi)部電路5.7其他電路復位電路如下所示:.30pF-<-TEXD19:U1XT:C3L1CuF-；T>CRYSTAL-J訂匚燈PSALEA完整仿真電路圖: RFM F.EE：?>jO

11、71;-亠C1.Tpj.-uTTEKP.U1百：-DCRTBIXL-*tf&A-Ia-uNAoF3=T'ISW7iXTALIranra.iXTAErajjzrajRD刖聃pcmifiR府町方RTpqjmei?P2HJA3P2.IMBpzaH.-aPZfi.11ALEFZ.4A-E瓦FE5iM3PZHVkFZJiH.-FiP1HP1.1PB'MP3.ITO)Pi2P1JPajKTTP1.+PJ.IDP15P3AT1P1.5fisulB：P1JFITiTC?.T=E*：$1=T&jp-ZlFEDzzFZI23FZ!21-FZ33六、軟件部分設(shè)計Q203'&#

12、39;帆1二Q斗''''-廂'DI-'BE=_，E：T-'T1重裝初值保護現(xiàn)場定時單元+1讀取TH0恢復現(xiàn)場系統(tǒng)軟件采用Keil集成開發(fā)環(huán)境開發(fā)程序代碼如下(帶注釋)：#include<reg51.h>sbitP2_0=P2"0;/數(shù)碼管選定位sbitP2_1=P2；sbitP2_2=P22;sbitP2_3二P2"3;sbitP2_4=P2"4;/電機控制位sbitsbitsbitsbitkeyspO二P0;keysp30二Pl;keysp60二P2;/電機轉(zhuǎn)速為0的控制鍵/電機轉(zhuǎn)速為30的控制

13、鍵/電機轉(zhuǎn)速為60的控制鍵keysplOO二P3;/電機轉(zhuǎn)速為100的控制鍵unsignedcharcodetable=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0x88,0x83,0xc6,0xa1,0x86,0x8e;unsignedintmotorspeed;/電機轉(zhuǎn)速unsignedcharGE,SHI,BAI,QIAN;/電機轉(zhuǎn)速motorspeed的各個位unsignedintcounter=0;/光電傳感器脈沖數(shù)unsignedintpwm;/pwm占空比unsignedintmid;/占空比設(shè)置值unsignedintc

14、alsp;/設(shè)定多長時間計算一次速度voiddisplay();/數(shù)碼管顯示電機速度voiddelay();/延遲函數(shù)voidcontrolpwm();/控制電機占空比voidcalspeed();/計算電機速度，放于motorspeed變量中voidkeyscan();/按鍵掃描voidmain()P2=P2&0x0f;mid=0;EA=1;/開啟總中斷EX0=1;/開啟外部中斷0IT0=1;/設(shè)置成下降沿觸發(fā)方式TMOD=0x01;/設(shè)置定時器0為模式1，即16位計數(shù)模式TH0=(65536-10000)/256;/計數(shù)時間為10msTL0=(65536-10000)%256;ET

15、0=1;/開啟定時器0中斷TR0=1;/啟動定時器0while(1)keyscan();display();controlpwm();calspeed();voidkeyscan()/鍵盤掃描if(keysp0=0)delay();/延遲防止抖動if(keysp0=0)mid=0;if(keysp30=0)delay();if(keysp30=0)mid=1;if(keysp60=0)delay();if(keysp60=0)mid=3;if(keysp100=0)delay();if(keysp100=0)mid=5;voidcalspeed()if(calsp>=100)/100*1

16、0ms=ls計算一次電機轉(zhuǎn)速motorspeed=counter/3;/轉(zhuǎn)的圈數(shù)除以時間counter=0;/清零脈沖數(shù)calsp=0;/清零標志voidcontrolpwm()if(pwm>=0&&pwm<mid)P2_4=1;/電機加速elseif(pwm>=mid&&pwm<10)P2_4=0;/電機不加速elsepwm=0;void_TIMER0()interrupt1TH0=(65536-10000)/256;/重新裝入初值，計數(shù)時間為10msTL0=(65536-10000)%256;pwm+;calsp+;void_INT0

17、()interrupt0counter+;/接受脈沖數(shù)voiddisplay()/數(shù)碼管顯示函數(shù)GE=motorspeed%10;SHI=motorspeed/10%10;BAI=motorspeed/100%10;QIAN=motorspeed/1000%10;P2_0=0;P0=tableQIAN;delay();P0=0xff;P2_0=1;P2_1=0;P0=tableBAI;delay();P0=0xff;P2_1=1;P2_2=0;P0=tableSHI;delay();P0=0xff;P2_2=1;P2_3=0;P0=tableGE;delay();P0=0xff;P2_3=1;

18、voiddelay()/延遲函數(shù)unsignedchari=10;while(i-)7七系統(tǒng)測試測試方案：測試包含仿真測試和硬件測試兩個部分。仿真測試指使用ProteusPro7.5對系統(tǒng)進行仿真測試。主要測試系統(tǒng)電路的設(shè)計和驗證程序邏輯的正確性。硬件測試指系統(tǒng)搭建后對硬件電氣性能的測試。主要測試各功能的完整性可靠性，以及系統(tǒng)電氣性能的穩(wěn)定性。測試工具為示波器萬用表等。仿真測試結(jié)果：真測試中，系統(tǒng)運行正常，程序邏輯正確。按鍵輸入正常、數(shù)碼管顯示正確。P2.4管腳間輸出PWM波正常。硬件測試結(jié)果：系統(tǒng)硬件搭建完畢后，進行硬件測試。系統(tǒng)加電后，振蕩電路正常起振，STC89C52在時鐘源電路的驅(qū)動下

19、運行正常。系統(tǒng)可在復位電路的作用下正常復位。系統(tǒng)按鍵輸入正常，并能夠正確消除抖動。系統(tǒng)PWM波輸出正常。將示波器接STC89C52的P2.4管腳，可觀察到峰峰值5V左右的方波，頻率與調(diào)速要求一致。ST151傳感器測量正常。數(shù)碼管轉(zhuǎn)速顯示正常，數(shù)碼管可正確顯示并正確顯示電機轉(zhuǎn)速。八設(shè)計中的問題分析1、在最初的設(shè)計電路時中沒有使用采用硬件消抖的方式來避免三個按鍵按下時帶來的不穩(wěn)定信號，錄入數(shù)據(jù)往往出錯，后來使用軟件消抖來解決這個問題，但是由于按鍵復用程度比較高，因此軟件消抖浪費了不少一部分系統(tǒng)資源，后來采用RC電路硬件消抖比較完美的解決了這個問題。2、在硬件調(diào)試過程中出現(xiàn)過某些零件不靈的情況，根據(jù)已經(jīng)畫好的電路圖使用