基于光电传感器的奔跑速度检测系统设计毕业设计说明书.docx

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基于光电传感器的奔跑速度检测系统设计毕业设计说明书

毕业设计说明书

基于光电传感器奔跑速度检测系统电路设计

院（系）名称

信息工程学院

专业名称

测控技术与仪器

学生姓名

指导教师

2013年5月10日

奔跑速度检测系统电路设计

摘要

随着信息技术的不断发展，单片机在测量系统中得到了广泛的应用。

速度是一个系统经常需要测量、控制和保持的量，速度是否达到要求，决定着生产及工业过程是否产生相应的效果。

速度的测量方法有许多种，但在不同的应用环境下，相应的测量方法有它自己的特点和误差。

因此对单片机速度测量系统的研究有着重要的目的和意义。

本设计采用AT89C51单片机作为主要控制核心，应用光电传感器采集信号，经过单片机定时计数并运用一个算法测量出奔跑物体的行驶速度，最终用4位LED数码管显示其测量结果，硬件电路简单，软件功能完善，测量速度快、精度高，成本低等特点，充分发挥了单片机的控制功能，与所学知识紧密结合，学以致用，有很高的的使用价值。

关键词：

单片机，速度测量，光电传感器，LED

RunningSpeedMeasurementSystemDesign

Author:

Liqinhai

Tutor:

Yangquanjiu

Abstract

Withthecontinuousdevelopmentofinformationtechnology,single-chipmicrocomputerhasbeenwidelyusedinthemeasurementsystem.Speedisasystemsoftenneedtomeasure,controlandmaintain,Speedwhethermeettherequirements,determinetheproductionandindustrialprocessesproducecorrespondingresults.

Speedmeasurementmethodhasmanykinds,butindifferentapplicationenvironment,thecorrespondingmeasurementmethodhasitsowncharacteristicsanderror.Sothestudyofmicrocontrollervelocitymeasurementsystemhasimportantpurposeandmeaning.ThisdesignUSESAT89C51asthemaincontrolcore,usingphotoelectricsensorstocollectsignal,throughsinglechipmicrocomputertimercounteranduseanalgorithmtomeasurethecarspeed,eventuallywithfourLEDdigitaltubedisplaythemeasurementresults,hashighpracticalvalue.Thisarticleisgivefullplaytotheadvantagesoftheperformanceofthesinglechipmicrocomputer,introducesthebasicprincipleofthespeedmeasuringmethod,implementationstepsandthehardwareandsoftwaredesign,hardwarecircuitissimple,softwarefunctionisperfect,fastmeasurementspeed,highprecision,lowcostetc.

Keywords:

singlechipmicrocomputer;Velocitymeasurement;Photoelectricsensor;TheLED

1绪论

1.1奔跑速度检测系统的发展背景及现状

从人类开始研究物体运动，速度就成为人们测量的对象。

随着科学技术的不断发展，测量速度的科技手段也在日新月异，为人类的研究自然带来更大的自由。

速度是物理学中的一个重要的概念。

在运动学中速度是描述物体运动快慢的物理量，定义为位移随着时间的变化率。

通过对平均速度和瞬时速度的测定，可以了解物体的运动状态和运动规律。

在传统的测速方法中，多基于对奔跑物体电机的转速进行测量，并由一定的公式转换出奔跑物体的速度，这里面按照不同的理论方法，先后产生过模拟测速法（如离心式转速表、用电机转矩或者电机电枢电动势计算所得）、同步测速法（如机械式或闪光式频闪测速仪）以及计数测速法。

计数测速法又可分为机械式定时计数法和电子式定时计数法。

传统的电机转速检测多采用测速发电机或光电数字脉冲编码器[1]，也有采用电磁式（利用电磁感应原理或可变磁阻的霍尔元件等）、电容式（对高频振荡进行幅值调制或频率调制）等，还有一些特殊的测速器是利用置于旋转体内的放射性材料来发生脉冲信号。

其中应用最广的是光电式，光电式测系统具有低惯性、低噪声、高分辨率和高精度的优点．加之激光[2]光源、光栅、光学码盘、CCD器件、光导纤维等的相继出现和成功应用，使得光电传感器在检测和控制领域得到了广泛的应用。

本课题中采用技术成熟的光电传感器来直接测量奔跑物体的奔跑速度，采用光电传感器进行奔跑速度测量，准确度高、采样速度快、测量范围宽和测量精度与被测转速无关等优点，具有广阔的应用前景。

速度测量目前主要运用在汽车行业，如今的汽车工业正是朝着智能化，数字化发展，人们享受速度所带来的高效率同时，却要面对安全的巨大阴影，甚至有些人对汽车产生恐惧，在高速行驶的汽车上，什么事情都有可能发生。

超速，简言之，速度的控制成为汽车智能化控制的关键，真正的“主动型安全装置”应该是对速度的检测，据说英法两国已经研究出一种电子仪器，能够接收速度检测信号，从而使汽车保持在一定的安全速度之下，已经成功地运用在一些家庭轿车和出租车上。

在20世纪60年代，汽车上仅有机油压力传感器、油量传感器和水温传感器，它们与仪表或指示灯连接。

进入70年代后，为了治理排放，又增加了一些传感器来帮助控制汽车的动力系统，因为同期出现的催化转换器、电子点火和燃油喷射装置需要这些传感器来维持一定的空燃比以控制排放。

目前见到的许多关于汽车车速与控制类文献中，以研究无刷直流电机较多，采用光电式传感器电机的重要元件。

霍尔传感器的车速检测装置由CD板控制[3]，能够做出电机加速，减速的动作，还能够精确测速电机的转速，来控制电机的工作情况等多种功能。

在2004年上海大众智能设备有限公司也推出一种汽车智能速度检测系统，管理者可以用事先设定的方法强制约束汽车只能在规定的速度范围内行驶。

它由微电脑控制仪和智能机械手两部分组成。

可以通过微电脑控制仪来事先设定速度，比如在高架上，先设定最高速度为60公里。

当汽车不超过60公里/小时，控制仪不启动机械手，司机驾车如常，当汽车速度接近60公里时，控制仪的微电脑立即启动机械手对汽车的油门踩杆准确地强制地提升4－5厘米。

当你想继续加速时，由于油门位置被限制，你无法踩动，使汽车速度被控制汽车由于惯性速度保持在临界值。

当惯性过去，汽车速度小于60公里临界值时，控制仪即指令机械手放松汽车油门，这时驾驶员又可以踩下油门加速，汽车又驾驶如初。

设置控制仪的限制值，可以用程序设定也可以用IC卡设；可以只设定一个值，也可以根据不同的路况，有多个档位供设定；还可以接受信号切换设定（即接受道路速度无线信号切换或电子地图信号切换）。

该产品控制车速灵敏精确，速度误差小于5％控速时汽车行驶平稳，乘客不易察觉。

汽车智能速度控制器的安装十分巧妙，除了机械手的钢丝位置固定在油门踩板上以外，机械手和控制仪可以隐蔽安装而且做到不打洞安装。

该产品的开发成功，为建立自动化道路速度检测控制系统奠定了基础。

目前，速度检测系统已经在汽车行业得到广泛应用，预计今后的智能控制系统会朝着更可靠、性能更稳定、更高端的方向发展。

1.2本课题的目的和意义

在工业发展过程中，经常会遇到各种需要测量的速度的场合，例如在汽车、机床、传送机等设备运转和控制中，需要分时或连续的测量和显示其速度及瞬时速度情况。

随着社会机械工业发展的趋势，对速度检测要求的精度越来越高，很多方面，奔跑速度的精确检测，关系到一系列系统的工业设计，所以这就需要设计一套奔跑速度检测系统。

要测速，首先要解决信号采样的问题，采样效果的好坏关系到后续显示及控制，光电传感器由于其精度高、反应快、非接触性等优点，所以本课题设计中的中间环节就是光电式传感电路的设计；本课题主要采用嵌入式技术，由单片机和探测、信号采集、模数转换、数据存储、数据显示、与通信等环节组成的电路构成整个光电传感电路系统。

1.3本课题设计的主要内容

本设计主要内容由以下三大部分组成：

1、信号的采集。

这部分主要是用光电传感器采集奔跑物体的信号，并将采集的信号传给单片机。

2、单片机数据处理[4]。

这部分主要是使用51系列单片机采用适当的算法来编程快速准确地对采集的数据进行相关运算并得出结果。

此部分是本设计的重点和难点。

3、LED数字显示。

这部分主要是对测得的结果通过4位LED数码管显示给用户。

本奔跑速检测系统有以下几个部分构成，如图1.1奔跑速度测量系统方框图所示。

图1.1速度检测系统方框图

本系统的硬件主要由光电传感器、信号处理电路、单片机AT89C51、LED显示等组成。

如图1.1，当奔跑物体通过光电传感器的时候，将会产生脉冲电信号，然后把信号送入三极管放大电路及CC40106芯片整形电路进行处理，将处理过的信号传给单片机，通过对单片机进行编程、运算，最后通过数码管显示其数值。

2奔跑速度检测系统原理

本系统中，两对光电对射管布置在奔跑物体通过的路径上，当奔跑物体经过光电管Q1，Q2时，则挡住了光线，光电管Q1，Q2产生一个上升或下降沿，以光电管Q1的上升沿或下降沿作为单片机计数器的启动脉冲，启动计时器开始计时，光电管Q2的上升沿或下降沿作为单片机计数器的停止脉冲，计数器停止计时（本设计为高电平触发）。

此时，得到计数器的计时值n。

将值n传送处理中心，已知单片机的机器周期为T，可通过编程[5]计算出奔跑物体在定距离S内的平均速度V，为V=S/nT其中S为两个对射型光电管之间的距离。

如图2.1所示

图2.1奔跑速度测量系统原理图

3系统方案提出和论证

目前科研生产中采用的速度测量方法可以分为两类：

直接测量法和间接测量法两大类。

直接测量法是通过某种测量原理或效应直接获得速度量，如多普勒测速仪、空间滤波测速等。

这种方法最大的优点是反应快、可测量瞬时速度，但设备成本高，且易受外围环境的影响，比如大气物理环境限制。

间接测量法是测量目标的移动距离和时间，通过计算得到速度量，如光电测速、光栅测速、磁栅测速和图像测速等，用于测量奔跑物体的速度。

本课题设计中采用间接测量法，并提出两种方案：

方案一

以AT89C51[6]为核心的计数电路，使用AT89C51单片机，电路简单需要编写程序，可通过编程实现各种各样的算术算法和逻辑控制，而且体积小，硬件实现简单，安装方便，可实现数码显示和按键设定等多种功能。

采用对射型光电传感器，将红外发光管与光电接收管相对安放，每当物体通过一次，红外光就被遮挡一次，光电接收管的输出电压就发生一次变化，这个变化的信号通过放大处理后形成计数脉冲，通过光电隔离耦合并行输入AT89C51，通过软件控制计算并用LED加以显示，便可实现对奔跑物体速度的测量。

方案二

以CD4518为核心的计数电路，采用CD4518组成8421同步十进制计数器，其计数是由光检测和接收电路检测到信号在传送到脉冲发生器CD4518，由D4518转化成电信号然后在分别传送到各个二—十进制计数器BCD码，由BCD码—七段译码器转换至数码管LED，而电源部分是由220V交流电经变压器T降压、桥式整流、电容滤波、7809稳压后为整个电路提供+5V稳压工作电压。

方案选择：

选用方案一是因为方案二在控制方式上难以实现复杂的控制过程，而且在其计数显示部分就需要几个芯片，还需要采用CD4543驱动LED的配接电路，而方案一的基于AT89C51单片机电路简单，其软硬件实现起来较为容易，而且可实现多种功能。

4系统的硬件设计

4.1光电传感器介绍

4.1.1光电传感器工作原理

光电传感器的基本工作原理是光电效应，光电效应一般有外光电效应、光导效应、光生伏特效应。

光照在照在光电材料上，材料表面的电子吸收的能量，若电子吸收的能量足够大是，电子会克服束缚脱离材料表面而进入外界空间，从而改变光电子材料的导电性，这种现象成为外光电效应

根据爱因斯坦的光电子效应，光子是运动着的粒子流，每种光子的能量为hv，由此可见不同频率的光子具有不同的能量，光波频率越高，光子能量越大。

假设光子的全部能量交给光子，电子能量将会增加，增加的能量一部分用于克服正离子的束缚，另一部分转换成电子能量。

根据能量守恒定律：

（4.1）

式中，M为电子质量，v为电子逸出的初速度，A微电子所做的功。

由上式可知，要使光电子逸出阴极表面的必要条件是Hv>A。

由于不同材料具有不同的逸出功，因此对每一种阴极材料，入射光都有一个确定的频率限，当入射光的频率低于此频率限时，不论光强多大，都不会产生光电子发射，此频率限称为“红限”。

相应的波长为

式中，c为光速，A为逸出功。

当受到光照射时，吸收电子能量，其电阻率降低的导电现象称为光导效应。

它属于内光电效应。

当光照在半导体上是，若电子的能量大与半导体禁带的能级宽度，则电子从价带跃迁到导带，形成电子，同时，价带留下相应的空穴。

电子、空穴仍留在半导体内，并参与导电在外电场作用下形成的电流。

除金属外，多数绝缘体和半导体都有光电效应，半导体尤为显著。

4.1.2光电传感器

光电传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的，它的基本结构如下图，它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。

光电传感器一般由光源，光学通路和光电元件三部分组成。

光电检测方法具有精度高，反应快，非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此，光电式传感器在检测[7]和控制中应用非常广泛。

图4.1光电传感器结构图

光电传感器一般由三部分构成，它们分为：

发送器、接收器和检测电路[8]，发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，发光二极管（LED）、激光二极管及红外发射二极管。

光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。

接收器有光电二极管、光电三极管、光电池组成。

在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。

在其后面是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。

光电传感器是一种依靠被测物与光电元件和光源之间的关系，来达到测量目的的，因此光电传感器的光源扮演着很重要的角色，光电传感器的电源要是一个恒光源，电源稳定性的设计至关重要，电源的稳定性直接影响到测量的准确性，常用光源有以下几种：

1、发光二极管是一种把电能转变成光能的半导体器件。

广泛地用于计算机、仪器仪表和自动控制设备中。

2、丝灯泡这是一种最常用的光源，它具有丰富的红外线。

3、激光激光与普通光线相比具有能量高度集中，方向性好，频率单纯、相干性好等优点，是很理想的光源。

4.1.3光电传感器的类型及工作方式

1、槽型光电传感器

把一个光发射器和一个接收器面对面地装在一个槽的两侧的是槽形光电。

发光器能发出红外光或可见光，在无阻情况下光接收器能收到光。

但当被检测物体从槽中通过时，光被遮挡，光电开关便动作。

输出一个开关控制信号，切断或接通负载电流，从而完成一次控制动作。

槽形开关的检测距离因为受整体结构的限制一般只有几厘米。

2、对射型光电传感器

若把发光器和收光器分离开，就可使检测距离加大。

由一个发光器和一个收光器组成的光电开关就称为对射分离式光电开关，简称对射式光电开关。

它的检测距离可达几米乃至几十米。

使用时把发光器和收光器分别装在检测物通过路径的两侧，检测物通过时阻挡光路，收光器就动作输出一个开关控制信号。

3、反光板型光电开关

把发光器和收光器装入同一个装置内，在它的前方装一块反光板，利用反射原理完成光电控制作用的称为反光板反射式（或反射镜反射式）光电开关。

正常情况下，发光器发出的光被反光板反射回来被收光器收到；一旦光路被检测物挡住，收光器收不到光时，光电开关就动作，输出一个开关控制信号。

4、扩散反射型光电开关

它的检测头里也装有一个发光器和一个收光器，但前方没有反光板。

正常情况下发光器发出的光收光器是找不到的。

当检测物通过时挡住了光，并把光部分反射回来，收光器就收到光信号，输出一个开关信号。

根据本设计的要求，本设计选择使用对射型光电传感器PM12。

4.1.4PM12光电传感器

PM12光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。

光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。

图4.2中光电器件为光敏电阻，光敏电阻是一种均质半导体光电器件，也称光电管，其是用光电导效应制成的。

当没有光照时，光敏电阻的阻值很大；当它受到红外光照射时，其阻值急剧减小。

因此，将光敏电阻接入电路中，就可使电路中的电流在光照前后有很大变化，根据光照变化量进而引起光敏电阻阻值变化，最终使输出电压发生变化，促使单片机作出相应的动作。

图4.2PM12光电传感器

4.2信号处理电路的设计

光电对射管Q1、Q2分别接入AT89C51的外部中断0和1引脚相连，Q1和Q2均为对射式光电管（无遮断时导通，遮断时截止）。

INT0和INT1均设置下降沿触发。

在INT0中断处理程序中，启动AT89C51内计数器T0开始计数，在INT1中断处理程序中，计数器T0停止计数。

计数值暂存于单片机寄存器内，为后续处理提供相应的数据。

电路图如图4.3所示：

图4.3整形放大电路图

如图所示，当奔跑物体通过传感器Q1、Q2时，传感器将其产生的电压信号传给下级的三极管，然后通过三极管放大，经过施密特触发器CC40106芯片进行整形，产生一个矩形方波脉冲，传给单片机计数。

4.3单片机AT89C51介绍

AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

图4.4是常用的一种单片机[9]，型号为AT89C51，它将计算机的功能都集成到这个芯片内部去了，就这么一个小小的芯片就能构成一台小型的电脑，因此叫做单片机。

图4.4AT89C51芯片

它有40个管脚，分成两排，每一排各有20个脚，其中左下角标有箭头的为第1脚，然后按逆时针方向依次为第2脚、第3脚、、、、、、第40脚。

在40个管脚中，其中有32个脚可用于各种控制，比如控制小灯的亮与灭、控制电机的正转与反转、控制电梯的升与降等，这32个脚叫做单片机的“端口”，在单片机技术中，每个端口都有一个特定的名字，比如第一脚的那个端口叫做“P1.0”。

AT89C51单片机的功能：

1、主要特性：

（1）与MCS-51兼容

（2）4K字节可编程闪烁存储器

（3）寿命：

1000写/擦循环

（4）数据保留时间：

10年

（5）全静态工作：

0Hz-24Hz

（6）三级程序存储器锁定

（7）128*8位内部RAM

（8）32可编程I/O线

（9）两个16位定时器/计数器

（10）5个中断源

（11）可编程串行通道

（12）低功耗的闲置和掉电模式

（13）片内振荡器和时钟电路

2、管脚说明[10]（图4.5）：

图4.5AT89C51管脚分布

（1）VCC：

供电电压，

（2）GND：

接地。

（3）P0口：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。

在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

（4）P1口：

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

（5）P2口：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

（6）P3口：

P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

（7）P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口。

（8）P3口管脚备选功能：

（9）P3.0RXD（串行输入口）

（10）P3.1TXD（串行输出口）

（11）P3.2/INT0（外部中断0）

（12）P3.3/INT1（外部中断1）

（13）P3.4T0（记时器0外部输入）

（14）P3.5T1（记时器1外部输入）

（15）P3.6/WR（外部数据存储器写选通）

（16）P3.7/RD（外部数据存储器读选通）

（17）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

（18）RST：

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

（19）ALE/PROG：

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

（20）PSEN：

外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次