光電轉(zhuǎn)速計(jì)課程設(shè)計(jì)報(bào)告

1、光信息科學(xué)與技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告設(shè)計(jì)題目： 光電轉(zhuǎn)速計(jì)設(shè)計(jì) 專 業(yè)：光信息科學(xué)與技術(shù)班 級(jí)： 學(xué) 號(hào)： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)老師： 設(shè)計(jì)時(shí)間： 2012年下學(xué)期 2012年7月1日目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc329012916 一、系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc329012916 h 3 HYPERLINK l _Toc329012917 1.1 概述 PAGEREF _Toc329012917 h 3 HYPERLINK l _Toc329012918 1.2 系統(tǒng)方案圖 PAGEREF _Toc329012918 h 3 HYPERLINK l _

2、Toc329012919 二、工作原理 PAGEREF _Toc329012919 h 4 HYPERLINK l _Toc329012920 2.1 電動(dòng)機(jī)控制模塊設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc329012920 h 4 HYPERLINK l _Toc329012921 2.1.1 電機(jī)控制系統(tǒng)電路原理 PAGEREF _Toc329012921 h 4 HYPERLINK l _Toc329012922 2.1.2 控制單元主要元器件的選擇 PAGEREF _Toc329012922 h 5 HYPERLINK l _Toc329012923 光電檢測(cè)模塊設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc3

3、29012923 h 5 HYPERLINK l _Toc329012924 2.2.1 光電耦合器 PAGEREF _Toc329012924 h 5 HYPERLINK l _Toc329012925 2.2.2 光電耦合開關(guān) PAGEREF _Toc329012925 h 7 HYPERLINK l _Toc329012926 2.3 數(shù)據(jù)處理及顯示模塊 PAGEREF _Toc329012926 h 8 HYPERLINK l _Toc329012927 2.3.1 數(shù)據(jù)處理及顯示模塊原理 PAGEREF _Toc329012927 h 8 HYPERLINK l _Toc329012

4、928 2.3.2 主要元器件的介紹 PAGEREF _Toc329012928 h 9 HYPERLINK l _Toc329012929 三、實(shí)驗(yàn)測(cè)試過程及結(jié)果 PAGEREF _Toc329012929 h 11 HYPERLINK l _Toc329012930 3.1 實(shí)驗(yàn)過程 PAGEREF _Toc329012930 h 11 HYPERLINK l _Toc329012931 3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 PAGEREF _Toc329012931 h 12 HYPERLINK l _Toc329012932 四、課程設(shè)計(jì)心得體會(huì) PAGEREF _Toc329012932 h 12 HY

5、PERLINK l _Toc329012933 五、參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc329012933 h 13一、系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)1.1 概述在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，轉(zhuǎn)速的測(cè)量是一個(gè)很重要的問題。有關(guān)測(cè)量轉(zhuǎn)子速度的方法有很多，但大部分比較復(fù)雜。物體運(yùn)動(dòng)的速度可分為線速度和加速度。隨著生產(chǎn)過程自動(dòng)化程度的提高，開發(fā)出了各種各樣的檢測(cè)線速度和角速度的方法，如磁電式速度計(jì)、光電速度計(jì)、測(cè)速發(fā)動(dòng)機(jī)等。由于光電測(cè)量方法靈活多樣，可測(cè)參數(shù)眾多，一般情況下又具有非接觸、高精度、高分辨率、高可靠性和響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，加之激光光源、光柵、CCD器件、光導(dǎo)纖維等的相繼出現(xiàn)和成功應(yīng)用，以及電子技術(shù)、數(shù)字化的智能儀表的迅

6、速發(fā)展，使得光電傳感器在檢測(cè)和控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。1.2 系統(tǒng)方案圖片外存儲(chǔ)器電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)面板控制接口光電傳感器裝置顯示單元LED單片機(jī)處理單元放大、整形電路數(shù)據(jù)采集卡 A/D圖1 系統(tǒng)方案框圖圖2 系統(tǒng)方案實(shí)物圖二、工作原理 本轉(zhuǎn)速計(jì)系統(tǒng)主要包含電動(dòng)機(jī)控制模塊、光電檢測(cè)模塊、數(shù)據(jù)處理及顯示三大模塊，通過對(duì)信號(hào)的采集、A/D轉(zhuǎn)換、信號(hào)濾波、整流、穩(wěn)壓、放大等一系列的處理，使其轉(zhuǎn)換為可以被單片機(jī)識(shí)別處理的高低電平脈沖信號(hào)，利用AT89S51單片機(jī)以及ICL7109 A/D轉(zhuǎn)換芯片完成對(duì)信號(hào)的計(jì)數(shù)及顯示處理，使LED數(shù)碼顯示管能夠直接顯示出電機(jī)的轉(zhuǎn)速。2.1 電動(dòng)機(jī)控制模塊設(shè)計(jì) 電機(jī)控制系統(tǒng)

7、電路原理 下圖為電機(jī)控制系統(tǒng)電路原理圖：直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與加在電動(dòng)機(jī)兩端的電壓成正比，電壓越高，轉(zhuǎn)速越快。該電路采用電壓反饋方式控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，NE555為比較器工作方式，3腳輸出電壓的占空比受2腳電壓的控制，調(diào)節(jié)W1可以設(shè)定電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。當(dāng)電動(dòng)機(jī)兩端電壓增大時(shí)，其轉(zhuǎn)速超過設(shè)定的轉(zhuǎn)速，此時(shí)R1上電壓降增大，該壓降饋送到NE555的2腳，則3腳輸出脈沖電壓的占空比減小，即脈沖高電平時(shí)間變短，Q1導(dǎo)通時(shí)間縮短，加到電動(dòng)機(jī)兩端電壓降低，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降，從而保持電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為恒定值。圖3 電機(jī)控制系統(tǒng)原理圖 控制單元主要元器件的選擇 控制單元主要采取了NE555芯片，它屬于555系列的計(jì)時(shí)IC的其中的

8、一種型號(hào)，555系列IC的接腳功能及運(yùn)用都是相容的，只是型號(hào)不同的因其價(jià)格不同其穩(wěn)定度、省電、可產(chǎn)生 的振蕩頻率也不大相同；而555是一個(gè)用途很廣且相當(dāng)普遍的計(jì)時(shí)IC，只需少數(shù)的電阻和電容，便可產(chǎn)生數(shù)位電路所需的各種不同頻率之脈波訊號(hào)。 圖4 NE555芯片及其內(nèi)部功能框圖選取該芯片其是因?yàn)樗哂幸韵绿攸c(diǎn)：只需簡(jiǎn)單的電阻器、電容器，即可完成特定的振蕩延時(shí)作用。其延時(shí)范圍極廣，可由幾微秒至幾小時(shí)之久。 它的操作電源范圍極大，可與TTL，CMOS等邏輯電路配合，也就是它的輸出電平及輸入觸發(fā)電平，均能與這些系列邏輯電路的高、低電平匹配。其輸出端的供給電流大，可直接推動(dòng)多種自動(dòng)控制的負(fù)載。它的計(jì)時(shí)精確

9、度高、溫度穩(wěn)定度佳，且價(jià)格便宜。2.2.1 光電耦合器1) 光電耦合器件的含義 在工業(yè)檢測(cè)、電信號(hào)的傳送處理和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，常用繼電器、脈沖變壓器和復(fù)雜的電路來實(shí)現(xiàn)輸入、輸出端裝置與主機(jī)之間的隔離、開關(guān)、匹配和抗干擾等功能。而繼電器動(dòng)作慢、有觸點(diǎn)工作不可靠；變壓器體積大，頻帶窄，所以它們都不是理想的部件。隨著光電技術(shù)的發(fā)展，70年代以后出現(xiàn)了一種新的功能器件光電耦合器件。它是將發(fā)光器件(LED)和光敏器件(光敏二、三極管等)密封裝在一起形成的一個(gè)電光電器件，如下圖所示。圖5 把發(fā)光器件與光敏器件封裝在一起構(gòu)成光電耦臺(tái)器件這種器件在信息的傳輸過程中是用光作為媒介把輸入邊和輸出邊的電信號(hào)耦合在一起

10、的，在它的線性工作范圍內(nèi)，這種耦合具有線性變化關(guān)系。由于輸入邊和輸出邊僅用光來耦合，在電性能上完全是隔離的。因此，光電耦合器件的電隔離性能、線性傳輸性能等許多特性都是從“光耦合”這一基本特點(diǎn)中引伸出來的。故有人把光電耦合器件也稱為光電隔離器或光電耦合器。這些名稱的共同點(diǎn)都是為了突出“光耦合”這一基本特點(diǎn)，這也是它區(qū)別于其它器件的根本特征。由于這種器件是一個(gè)利用光耦合做成的電信號(hào)傳輸器件所以一般稱為光電耦合器件。2）光電耦合器件的特點(diǎn)：具有電隔離的功能。它的輸入、輸出信號(hào)間完全沒有電路的聯(lián)系，所以輸入和輸出回路的電平零位可以任意選擇。絕緣電阻高達(dá)10101012歐姆，擊穿電壓高到10025kv，

11、耦合電容小到零點(diǎn)幾個(gè)皮法。信號(hào)傳輸是單向性的，不論脈沖、直流都可以使用。適用于模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。具有抗干擾和噪聲的能力。它作為繼電器和變壓器使用時(shí)，可以使線路板上看不到磁性元件。它不受外界電磁干擾、電源干擾和雜光影響。響應(yīng)速度快。一般可達(dá)微秒數(shù)量級(jí)，甚至納秒數(shù)量級(jí)，它可傳輸?shù)男盘?hào)頻率在直流和10MHz之間。使用方便，具有一般固體器件的可靠性，體積小，重量輕，抗震，密封防水，性能穩(wěn)定，耗電省，成本低。工作溫度范圍在55+100之間。由于光電耦合器件性能上的優(yōu)點(diǎn)，使它的發(fā)展非常迅速；目前，光電耦合器件在品種上有8類500多種。它已在自動(dòng)控制、遙控遙測(cè)、航空技術(shù)，電子計(jì)算機(jī)和其它光電、電子技術(shù)中得

12、到廣泛的應(yīng)用。3）光電耦合器件之所以具有很高的抗干擾能力，主要有下面幾個(gè)原因：光電耦合器件的輸入阻抗很低，一般為101k歐姆；而干擾源的內(nèi)阻一般都根大，一般為1K1M歐姆。按一般分壓比的原理來計(jì)算，能夠饋送到光電耦合器件輸入端的干擾噪聲就變得很小了。由于一般干擾噪聲源的內(nèi)阻都很大，雖然也能供給較大的干擾電壓但可供出的能量卻很小，只能形成很微弱的電流。而光電耦合器件輸入端的發(fā)光二極管只有在通過一定的電流時(shí)才能發(fā)光。因此，即使是電壓幅值很高的干擾，由于沒有足夠的能量，不能使發(fā)光二極管發(fā)光，從而被它抑制掉了。光電耦合器件的輸入輸出邊是用光耦合的，且這種耦合又是在一個(gè)密封管殼內(nèi)進(jìn)行的，因而不會(huì)受到外界

13、光的干擾。光電耦合器件的輸2pF，絕緣電阻又非常大(一般為10111013歐姆)，因而輸出系統(tǒng)內(nèi)的各種干擾噪音很難通過光電耦合器件反饋到輸入系統(tǒng)中去。 光電耦合開關(guān) 光電耦合開關(guān)又稱為光電開關(guān)，它是利用被檢測(cè)物對(duì)光束的遮擋或反射，由同步回路選通電路，從而檢測(cè)物體有無的。物體不限于金屬，所有能反射光線的物體均可被檢測(cè)。光電開關(guān)將輸入電流在發(fā)射器上轉(zhuǎn)換為光信號(hào)射出，接收器再根據(jù)接收到的光線的強(qiáng)弱或有無對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行探測(cè)。 按檢測(cè)方式可分為反射式、對(duì)射式和鏡面反射式三種類型。對(duì)射式檢測(cè)距離遠(yuǎn)，可檢測(cè)半透明物體的密度（透光度）。反射式的工作距離被限定在光束的交點(diǎn)附近，以避免背景影響。鏡面反射式的反射距

14、離較遠(yuǎn)，適宜作遠(yuǎn)距離檢測(cè)，也可檢測(cè)透明或半透明物體。本文設(shè)計(jì)方案使用的是對(duì)射式光電開關(guān)。 圖6 對(duì)射式光電開關(guān) 圖7 光電探測(cè)裝置 R7為紅外發(fā)射管的限流電阻，調(diào)節(jié)W2可以調(diào)節(jié)發(fā)光強(qiáng)弱。R9和W3為光敏器件的負(fù)載電阻，調(diào)節(jié)W2可以調(diào)節(jié)探測(cè)靈敏度。LED用來指示開關(guān)狀態(tài)。光電探測(cè)裝置如圖5所示，沿著電機(jī)轉(zhuǎn)盤周圍均勻開出6個(gè)圓孔，按圖5方式放置光電開關(guān)調(diào)節(jié)W1使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，每一個(gè)圓孔經(jīng)過光電開關(guān)，光電開關(guān)就會(huì)探測(cè)到一個(gè)信號(hào)，經(jīng)過整流穩(wěn)壓放大電路的處理就可以得到一個(gè)穩(wěn)定的脈沖，通過對(duì)脈沖頻率的測(cè)量便可得到電機(jī)的轉(zhuǎn)速。圖8 光電開關(guān)電路圖2.3 數(shù)據(jù)處理及顯示模塊 數(shù)據(jù)處理及顯示模塊原理 數(shù)據(jù)采集，是指

15、從傳感器和其它待測(cè)設(shè)備等模擬和數(shù)字被測(cè)單元中自動(dòng)采集信息的過程。近年來，隨著數(shù)字化技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)據(jù)采集技術(shù)也呈現(xiàn)出速度更快、通道更多、數(shù)據(jù)量更大的發(fā)展趨勢(shì)，該領(lǐng)域正在發(fā)生著重要的變化。首先，分布式控制應(yīng)用場(chǎng)合中的智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)正在發(fā)展；其次，總線兼容型數(shù)據(jù)采集插件的數(shù)量正在增大，與個(gè)人計(jì)算機(jī)兼容的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)量也在增加，數(shù)據(jù)采集與控制數(shù)據(jù)采集已長(zhǎng)時(shí)間的被認(rèn)為與數(shù)據(jù)記錄與其它數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)相等同。本設(shè)計(jì)方案中的數(shù)據(jù)采集模塊，主要完成模擬電壓信號(hào)和脈沖數(shù)測(cè)量2種功能。對(duì)于模擬電壓信號(hào)，系統(tǒng)首先通過AD轉(zhuǎn)換將模擬信號(hào)變成數(shù)字信號(hào)送到單片機(jī)中，然后再通過數(shù)碼管顯示出數(shù)值，借此直接讀出電壓值；而

16、對(duì)于脈沖信號(hào)，則是通過定時(shí)測(cè)量脈沖個(gè)數(shù)來讀取頻率值，并用數(shù)碼管顯示出來。圖9 單片機(jī)89S51與AD轉(zhuǎn)換芯片ICL7109的接口電路 主要元器件的介紹1）AT89S51芯片介紹 AT89S51是一個(gè)低功耗，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲(chǔ)單元，AT89S51在眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。 圖10 89S51

17、引腳圖圖11 AT89S51芯片 2）89S51主要接口介紹 P3口：P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3口除了作為普通I/O口，還有第二功能： P3.0 RXD（串行輸入口） P3.1 TXD（串行輸出口） P3.2 /INT0（外部中斷0） P3.3 /INT1（外部中斷1） P3.4 T0（T0定時(shí)器的外部計(jì)數(shù)輸入） P3.5 T1（T1定時(shí)器的外部計(jì)數(shù)輸入） P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的寫選通） P3.7

18、 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的讀選通） P3口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。 I/O口作為輸入口時(shí)有兩種工作方式，即所謂的讀端口與讀引腳。讀端口時(shí)實(shí)際上并不從外部讀入數(shù)據(jù)，而是把端口鎖存器的內(nèi)容讀入到內(nèi)部總線，經(jīng)過某種運(yùn)算或變換后再寫回到端口鎖存器。只有讀端口時(shí)才真正地把外部的數(shù)據(jù)讀入到內(nèi)部總線。89C51的 P0、P1、P2、P3口作為輸入時(shí)都是準(zhǔn)雙向口。除了P1口外P0、P2、P3口都還有其他的功能。3）顯示單元介紹 顯示單元主要采用的是8段顯示LED顯示器圖12 8段LED顯示器引腳圖13 共陰極接法最常用的一種顯示器是由八段條形的LED組成，點(diǎn)亮適當(dāng)?shù)淖侄?，就可顯示出不同的數(shù)字

19、。此外，不少七段顯示器在下角帶有一個(gè)圓形的LED作小數(shù)點(diǎn)用，這樣一共八段，適用于8位的并行系統(tǒng)。圖11為共陰極接法，公共陰極接地，當(dāng)各段陽極的電平為“1”時(shí)，該段就點(diǎn)亮，電平為“0”時(shí)，該段就熄滅。圖13中R是限流電阻，圖12為八段LED引腳的排列。為了在七段LED上顯示不同的數(shù)字或字符，首先要把數(shù)字或字符轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的段碼（又稱字碼），由于電路的接法不同，七段LED顯示器形成的段碼也不同，如表1所示為七段LED段碼表。字符共陰極接法七段狀態(tài)共陰極接法段碼（十六進(jìn)制）字符共陰極接法段碼（十六進(jìn)制）01234567890 1 1 1 1 1 10 0 0 0 1 1 01 0 1 1 0 1 11

20、 0 0 1 1 1 11 1 0 0 1 1 01 1 0 1 1 0 11 1 1 1 1 0 10 0 0 0 1 1 11 1 1 1 1 1 11 1 0 0 1 1 13FH06H5BH4FH66H6DH7DH07H7FH6FHAbCdEFP-8（全亮）全滅77H7CH39H5EH79H71H73H40HFFH00H表1 七段LED段碼表三、實(shí)驗(yàn)測(cè)試過程及結(jié)果3.1 實(shí)驗(yàn)過程1）電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路輸出“M+”“M-”用連線對(duì)應(yīng)接到電動(dòng)機(jī)的“M+”“M-”，對(duì)射式光電開關(guān)的“L+”“L-”“P+”“P-” 用連線對(duì)應(yīng)接到電路上“L+” L-”“P+”“P-”。2）示波器探頭測(cè)量電路輸出“F

21、”“GND”。 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)旋鈕“W1”左旋到底，此時(shí)電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)。3）打開電源開關(guān)，調(diào)節(jié)紅外發(fā)射管限流電阻“W2”和光敏器件負(fù)載電阻“W3”，用手轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤，直至光電開關(guān)發(fā)射和接收透過轉(zhuǎn)盤時(shí)圓孔和被遮住時(shí)示波器上顯示高低電平跳變，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)旋鈕“W1”直至電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，觀察示波器輸出波形，記錄頻率。調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，示波器的產(chǎn)生波形頻率越高。如圖14所示。4）將示波器的輸出波形接入到數(shù)據(jù)采集單元中，其輸出端接入到AT89S51單片機(jī)的P1口，在顯示模塊會(huì)顯示出當(dāng)前光電開光探測(cè)到的信號(hào)的頻率，調(diào)節(jié)W1，不斷改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，顯示器會(huì)隨著改變，最終穩(wěn)定在570左右，此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到最大。整體實(shí)驗(yàn)效果圖如圖15

22、。3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖14 光電檢測(cè)模塊輸出波形圖15 整體實(shí)驗(yàn)效果圖計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)盤上有6個(gè)圓孔，轉(zhuǎn)盤每轉(zhuǎn)動(dòng)一周產(chǎn)生6個(gè)輸出脈沖。若顯示器示數(shù)為n，則：電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 (r/s)轉(zhuǎn)盤邊緣線速度 (m/s)四、課程設(shè)計(jì)心得體會(huì) 通過這次課程設(shè)計(jì)，加強(qiáng)了我們動(dòng)手、思考和解決問題的能力。在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，經(jīng)常會(huì)遇到這樣那樣的情況，就是心里老想著這樣的接法可以行得通，但實(shí)際接上電路，總是實(shí)現(xiàn)不了，因此耗費(fèi)在這上面的時(shí)間用去很多。本次課程設(shè)計(jì)也是對(duì)以前所學(xué)的課本知識(shí)的鞏固與加強(qiáng)，是對(duì)綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)能力的考察，自己真正動(dòng)手去設(shè)計(jì)電路，才發(fā)現(xiàn)自己還有很多東西搞不明白。本次課程設(shè)計(jì)主要碰到以下幾個(gè)問題：示波器使用問