安全监测第二组设计结果Word文档格式.docx

安全监测第二组设计结果Word文档格式.docx

《安全监测第二组设计结果Word文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《安全监测第二组设计结果Word文档格式.docx（20页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

光电传感器是以光电器件作为转换元件的传感器。

它可用于检测直接引起光量变化的非电量，也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量。

光电式传感器具有非接触、响应快、性能可等特点，因此在工业自动化装置和机器人中获得广泛应用。

转速是各类电机运行过程中的一个重要监测量，测速装置在机车控制系统中占有非常重要的地位。

本文介绍了一种基于AT89C51单片机的光电传感器转速测量系统的设计。

系统采用对射式光电传感器产生与齿轮相对应的脉冲信号，使用AT89C51单片机采样脉冲信号并计算每分钟内脉冲信号的数目，即电机对应的转速值，最终系统通过LCD实时显示电机的转速值。

经过软硬件系统的搭建，本系统满足设计要求，且结构简单、实用。

系统在降低测速器成本，提高测速稳定性及可靠性等方面有一定价值，具有广泛的应用前景。

本文给出的智能转速与转角测试系统，采用了9位绝对式循环码光电编码器做传感器，具有无接触、高转速、高分辨率、高可靠性等优点。

2、设计要求

1.以电子技术基础的基本理论为指导，将设计实验分为基础型和系统型两个层次，基础型指基本单元电路设计与调试，系统型指若干个模拟、数字基本单元电路组成并完成特定功能的电子电路的设计、调试；

2.熟悉常用电子仪器操作使用和测试方法；

3.学习计算机软件辅助电路设计方法，能熟练应用电子线路CAD进行电路设计和印刷电路板的设计制作；

4.学习电子系统电路的安装调试技术；

5.拓展电子电路的应用领域，能设计、制作出满足一定性能指标或特定功能的电子电路设计任务。

3、设计原理

3.1、转速概念与测量原理

转速是旋转物体的转数与时间之比的物理量,是描述各种旋转机械运转技术性能的一个重要参量。

转速和频率有共同的量纲,都是单位时间内某一量值（脉冲个数、转数）出现的次数,从理论上讲,转速值可以直接和频率值进行比对。

测时计数是转速计量的基本方法。

测定一定单位时间内旋转物体转过的圈数即频率，可等价为所测旋转物体此时的转速。

转速闭环控制系统中，电机转速作为反馈量构成闭环控制，转速测量的精度对控制系统性能的影响是不言而喻的。

光电码盘是目前广泛采用的测速手段。

它具有精度高、线性度好的优点。

采用光电码盘测速时，常用的测速方法有M法、T法和M/T法。

其中M/T法兼顾高低转速，是综合性能最佳的一种。

在此采用M/T测量法，其测量原理为，在固定的测量时间内，计取转速传感器发生的脉冲个数（即频率），从而算出实际转速。

设固定的测量时间T（min），计数器计取的脉冲个数m1，假定脉冲发生器每转输出p个脉冲，对应被测转速为N（r/min），就可算出实际转速值N=60m1/pT。

本检测装置中发动机的转速传感器信号盘安装在曲轴上，工作时传感器输出信号经整形后可得到相应的方波脉冲信号。

3.2、AT89C51单片机机构与功能

AT89C51提供以下标准功能：

4K字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/记数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。

同时，AT89C51可降至0HZ的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。

空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/记数器，串行通信口及中断系统继续工作。

掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作直到下一个硬件复位。

AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大AT89C51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。

4、方案设计

本文针对电机的转速进行测量，以单片机为核心对光电开关产生的数字信号进行运算，从而测得电机的转速，然后用LCD把电机的转速显示出来。

即通过光电开关将电机的转数转换成0，1的数字量，只要转轴每旋转一周，产生一个或固定的多个脉冲，并将脉冲送入单片机中进行计数和计算，就可获得转速的信息。

系统主要由AT89C51单片机处理系统、直流电机、光电转换、放大电路和单稳整形电路、显示系统等几个部分组成，如图1所示：

图1系统组成框图

5、单元电路设计与元器件的选择

5.1、硬件系统设计

硬件系统的设计包括测速信号采集和处理，单片机处理电路设计和显示部分。

5.1.1、测速信号采集和处理

①检测装置安装：

检测装置按照发动机上传感器的实际安装位置进行安装。

如图2，将信号盘固定在电动机转轴上，光电转速传感器正对着信号盘。

光电转速传感器接有4根导线，用于连接发光二极管和光敏三极管。

测量头由光电转速传感器组成，而且测量头两端的距离与信号盘的距离相等。

测量用器件封装后，固定装在贴近信号盘的位置，当信号盘转动时，光电元件即可输出正负交替的周期性脉冲信号。

信号盘旋转一周产生的脉冲数，等于其上的齿数。

因此，脉冲信号的频率大小就反映了信号盘转速的高低。

该装置的优点是输出信号的幅值与转速无关，而且可测转速范围大，一般为1r/s～104r/s以上，精确度高。

图2转速测量装置

②信号处理电路：

由于电机每次转动的时候，光线每次透过光电码盘的小孔照射光传感器都使光传感器产生一个电信号，但是因为光电信号较弱，而且产生的脉冲波形不整，所以会影响单片机对信号的处理。

如图3，Q1为光感三极管，当无光源照射时，Q1工作在截止区（Q1截止），Q2工作在饱和区（Q2导通），555定时器TR引脚为低电平；

当有光源照射时，Q1工作在饱和区（Q1导通），Q2工作在截止区（Q2截止），555定时器的TR引脚为5V电平。

两个三极管导通和截止过程产生的信号通过555定时器构成的单稳态整形电路，整形为标准的方波脉冲并由Q端输出。

信号处理效果如图4。

该电路特点是只要输入电压达到三极管的工作电压，通过三极管的导通和截止，保证了向555定时器输入的波形在0-5V之间跳变，免去了对三极管放大电压的计算。

图3信号处理电路

图4信号处理效果

③同步控制电路：

在计数时会出现如图5所示的脉冲丢失情况。

第一个丢失的情况是由于开始检测时的脉冲宽度已经小于机器周期T；

第二个丢失的脉冲是由于脉冲的负跳变在定时之外。

定时时间内出现脉冲丢失，将会引起测量精度的降低。

为解决图5的脉冲丢失现象，可以采用双D触发器与门控位GATE的配合使用实现计数开始和脉冲上升沿同步控制。

如图6。

定时

定时时间

输入脉冲

丢失丢失

图5脉冲丢失现象

图6同步控制电路与单片机的连接

单片机的GATE=1：

由外部引脚信号P3.2（INT0）或P3.3（INT1）的高电平和TR0或TR1的状态的组合分别启动定时器/计数器T0或T1。

本设计采用引脚P3.2（INT0）/P3.3（INT1）分别和TR0/TR1的组合状态启动定时器0/计数器1（TR0和TR1在程序中被置1，等待外部中断引脚的高电平信号到来）。

图6中，由双D触发器构成边沿触发器。

初始状态，P1.6输出高电平，保证触发器的Q端可以时刻输出高电平，P1.7输出低电平，使双D触发器处于复位状态（复位为低电平触发），双D触发器向P3.2和P3.3引脚输出低电平，关闭定时器0和计数器1；

开始计数时，P1.7输出高电平，D触发器取消复位状态，信号XH经过触发器保证上升沿到来时，同时启动定时器0和计数器1。

5.1.2、单片机处理电路

单片机各功能部件的运行都是以时钟控制信号为基准，有条不紊地一拍一拍地工作。

因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。

本设计中此采用内部时钟方式，如图3.7所示，以石英晶体振荡器和两个片电容组成外部振荡源。

片内的高增益反相放大器通过XTAL1、XTAL2外接，作为反馈元件的片外晶体振荡器与电容组成的并联谐振回路构成一个自激振荡器，向内部时钟电路提供振荡时钟。

振荡器的频率取决于晶振的振荡频率，振荡频率范围为1.2—12MHz。

工程应用时通常采用6MHz或12MHz。

图中X1为12MHz，电容C2、C4为33pF，它们一起构成此单片机的自激振荡器。

①复位电路的设计：

单片机的RST引脚为复位（Reset）端。

当单片机振荡器工作时，该引脚上出现持续两个机器周期的低电平，就可以实现系统复位，使单片机回到初始状态。

如图3.8所示，本设计采用手动复位，用一个电容与一个10K电阻串联组成，电阻接VCC，电容接地，RESET脚接在它们中间，RC选择10uF，按键与200R电阻串联，在电容两端并联，就成了按键复位电路，未上电时，RST端为高电平，只要按下这个按键，RST端转换为低电平，经过两个机器周期后，单片机就能复位。

图7晶振图8复位电路

②定时器与计数器的设置：

根据设计选用定时方式1比较合适。

方式1是16位计数结构的工作方式，计数器由TH0的全部8位和TL0的全部8位构成，器逻辑电路和工作情况与方式0完全相同，所不同的只是组成计数器的位数。

方式1的计数范围和定时范围：

①当定时器/计数器在方式1下做计数器用时，其计数范围是1-65536（216）。

②当定时器/计数器在方式1下做定时器用时，其定时时间计算公式为：

Td=（216-X）*Tosc*12

式中，Td为定时时间，X为计数初值，Tosc为晶振周期。

5.1.3、显示部分

1602字符型LCM与单片机的连接主要由两种：

直接访问方式连接和间接控制方式连接。

直接访问方式连接由于构成三总线的结构，所以在软件控制上比较简单，用通过访问外部地址的方式就能访问LCM，但是，在使用这种连接方式时需要注意单片机的控制总线时序和地址总线时序必须要与LCM所需要的时序相匹配否则无法访问。

间接控制方式连接是利用HD44780所具的4位数据总线功能简化电路接口的一种连接方式。

但是由于LCM本身为速度较慢的器件，每一次数据传输大概需要几十微秒至几毫秒的时间，如采用间接控制方式访问，每传输一个字节的数据需要访问2次LCM，这将占用大量的时间，使CPU变得繁忙，甚至影响CPU处理其他数据的传输速度。

在实际中常采用如图3.9所示电路。

采用这种连接方式不能构成三总线的结构，所以不能通过地址形式直接访问，而是需要通过LCM的方式进行数据的传输，同时由于数据总线使用了8条，所以在数据传输的时间上与直接访问的时间相同，速度较间接控制方式提高了一倍，缩短了CPU对LCM的访问时间。

又因为单片机的输出电流较低，所以需外接上拉电阻。

5.2、软件设计

软件设计包括编程语言的选用和程序设计流程图。

5.2.1、编程语言的选用

本设计中采用的处理器是AT89C51单片机，由此可采用面向MCS-51的程序设计语言，包括ASM51汇编语言和C51高级语言，这两种语言各有特点。

汇编语言更接近机器语言，常用来编制与系统硬件相关的程序，如访问I/O端口、中断处理程序、实时控制程序、实时通信程序等；

而数学运算程序则适合用C51高级语言编写，因为用高级语言编写运算程序可提高编程效率和应用程序的可靠性。

C语言是一种通用的计算机程序