电机转速测量系统设计光电传感器课程设计报告.docx
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电机转速测量系统设计光电传感器课程设计报告
《传感器原理与应用》课程设计
1、题目：
电机转速测量系统设计（光电转速
传感器）
院校:
专业：
姓名:
学号:
班级:
指导老师:
二0一六年六月
第一章《传感器原理与应用》课程设计任务书4
1.1总要求4
1.2总任务4
1.3设计题目4
1.4设计容4
1.5设计进度或计划4
1.6设计说明书包括的主要容4
第二章系统介绍5
第三章系统设计方案5
3.1方案的设计与选择5
3.1.1转速测量的方法5
3.1.2整体控制方式6
3.1.3传感器模块6
3.2方案描述7
第四章系统理论分析与计算8
4.1信号采集电路的分析8
4.2电机转速的计算9
第五章硬件电路设计9
5.1单片机模块9
5.1.1STC89C52单片机简介9
5.1.2时钟电路11
5.1.3复位电路11
5.2显示电路12
第六章软件设计12
6.1系统总体设计12
6.2中断子程序设计13
6.3定时子程序设计13
6.4显示子程序设计14
第七章测试方案15
7.1电路调试15
7.2软件调试15
第八章心得体会17
参考文献17
附录19
附录一电路仿真图19
附录二程序清单19
附录三实物图25
第一章《传感器原理与应用》课程设计任务书
1.1总要求课设题目尽量侧重于传感器检测模块设计，主要是绘制系统原理图、制作传感部分前端电路、实验调试及分析、撰写实验报告等。
电路图：
传感检测/接口电路/控制电路、单片机检测系统电路（若题目要求，则应加上）。
程序：
主程序、部分子程序（若题目要求，则应加上）。
说明书：
按规撰写。
1.2总任务针对总要求进行原理及方案论证、模块设计、接口电路设计、焊接或插接与调试、精度分析以及撰写报告等工作。
1.3设计题目电机转速测量系统设计
1.4设计容实现全部要求的实物功能，性能稳定，外形美观。
1.5设计进度或计划
1、准备及查阅资料一天
2、方案设计及论证（总体方案）二天
3、硬件设计三天
4、程序设计三天
5、实验室调试及结果分析二天
6、整理报告及准备答辩三天
1.6设计说明书包括的主要容
1、封面
2、目录
3、设计任务书
4、正文（可按下列容撰写、仅供参考）
（1）摘要：
可包括系统工作原理的介绍等。
（2）方案设计及论证：
可按模块进行方案设计与论证，各模块设计中应包括适当的精度分析及选型等。
（3）实验或系统调试：
可包括实验调试工具仪器、实验结果及适当的分析等。
（4）心得体会。
（5）主要参考文献。
第二章系统介绍
转速的测量原理有两种：
对于较高的转速，记录单位时间的转速或角度，即频率测量法；对于较低的转速，记录每转所用的时间或没特定角度多用的时间，即周期测量法。
因为本系统测量对象为直流电动机，转速较高，所以选择频率测量法，即在固定的测量时间，对传感器产生的脉冲进行计数，从而算出实际转速。
假设测量时间为Tc（min），脉冲个数为P,光码盘的小
孔个数为m则可算出实际转速N（r/min）为：
N=60n/（PTc）
当采样周期为1s，光码盘开孔数为4个时，其实际转速N为：
N=60P/4本设计中采用光电传感器采集信号，方便了信号的采集，也提高了测量的精度，但容易受外界光线和环境的干扰，编码盘与电机转轴的固定连接，都是本设计的难点。
用1602LCD的数码管以动态扫描清晰的显示了实时的转速，程序
的编写成了本设计的重点。
第三章系统设计方案
本系统主要由单片机模块、传感器模块以及显示模块组成，下面分别论述这几个模块的选择。
3.1方案的设计与选择
3.1.1转速测量的方法
方案一：
测周期法（T法）它是测量光电脉冲发生器所产生的相邻两个转速脉冲信号的时间来确定转速。
相邻两个转速脉冲信号时间的测量是采用对已知高频脉冲信号进行计数来实现的。
在极端情况下，时间的测量会产生1个高频脉冲周期，因此T法在被测
转速较低（相邻两个转速脉冲信号时间较大）时，才有较高的测量精度，所以T法适合于低速测量。
方案二：
测频法（M法）
在规定的检测时间，检测光电脉冲发生器所产生的脉冲信号的个数来确定转速。
虽然检测时间一定，但检测的起止时间具有随机性，因此M法测量转速在极端情况下会产生1个转速脉冲的误差。
当被测转速较高或电机转动一圈发出的转速脉冲信号的个数较大时，才有较高的测量精度，因此M法适合于高速测量。
方案三：
频率/周期法（M/T法）
它是同时测量检测时间和在此检测时间光电脉冲发生器所产生的转速脉冲信号的个数来确定转速。
由于同时对两种脉冲信号进行计数，因此只要“同时性”处理得当,M/T法在高速和低速时都具有较高的测速精度。
由于M/T法可在整个速度围获得高分辨率，可在不损失精度和分辨率的前提下获得快速响应。
由于这次使用的是小马达，所以我选择使用方案二，测频法。
3.1.2整体控制方式
方案一：
采用集成电路控制方式
光电传感器感受到光信号并转换成电信号，此时的电信号为模拟信号，经信号处理电路滤除干扰，并转换成能被计数器接受的方波信号或脉冲信号，再经过
计数、译码、显示电路，由数码管显示转速。
可实现功能，但电路较复杂，系统调试也较繁杂。
方案二：
采用单片机模块控制方式
单片机模块接收脉冲信号，进行计数、处理，把数据传送给LCD显示模块，
达到实时检测和反馈的功能。
基于单片机的转速测量系统，具有硬件电路简单，程序简单和运算速度快，测速围广，抗干扰性能好的特点。
综合以上两种方案，选择方案二。
3.1.3传感器模块
方案一：
采用红外传感器
红外传感器是利用红外线的物理性质来进行测量的传感器，为反射式。
红外
而且谷易受到外界光线和环境的
图1霍尔转速/
线传感器测量时不与被测物体直接接触，因而不存在摩擦，并且有灵敏度高，反应快等优点。
但红外线的发射、接收不好控制，干扰。
方案二：
采用霍尔传感器
霍尔传感器是根据霍尔效应原理制成的霍尔元件。
传感器的定子上有2个互相垂直的绕组A和B,在绕组的中心线上粘有霍尔片HA和HB,转子为永久磁钢，霍尔元件HA和HB的激励电机分别与绕组A和B相连，它们的霍尔电极串联后作为传感器的输出。
采用霍尔传感器在信号采样的时候，会出现采样不精确，因为它是靠磁性感应才采集脉冲的，使用时间久了会出现磁性变小，影响脉冲的采样精度。
方案二：
米用光电传感器
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。
光电
传感器在一般情况下，有三部分构成，它们分为：
发送器、接收器和检测电路。
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。
此
外，光电开关的结构元件中还有发射板和光导纤维。
三角反射板是结构牢固的发射装置。
它由很小的三角锥体反射材料组成，能够使光束准确地从反射板中返回，具有实用意义。
图
2光电传感器原理示意图
综合以上3种方案，选择方案三。
3.1.4显示模块
方案一：
用数码管动态显示，可以显示数字，但显示的容有限，接线繁多，且不能连续显示字符，有一定局限性。
方案二：
采用LED点阵显示，能动态扫描，变换颜色，但体积比较大，需要很多点阵组合使用，显示较为繁琐，但需要的I/O资源较多，影响总体布局。
方案三：
采用LCD液晶显示，显示容最丰富，不仅编程灵活，显示可靠，而且电路简单，易与单片机连接，明亮对比度可调，显示非常清晰，是一种非常好的方案。
综合以上，选择方案三。
3.2方案描述
本设计主要用STC89C52单片机作为控制核心，由光电传感器、LCD动态显示屏构成。
STC89C52单片机接收光电传感器传来的脉冲信号，单片机根据外部中断，以及部定时器进行记数计算出电机转速送到LCD显示，使能实时读出电机
图3系统总体方框图
第四章系统理论分析与计算
4.1信号采集电路的分析
采集光信号的电路原理图如图4所示：
图4采集光信号的电路原理图
在图中，U3为槽型光耦，它的左端是发光二极管，因为发光二极管的驱动电流为5~20mA所以设置R2的值为500Q，同理设置，光电接收晶体管的下拉电阻即R3为10KQ。
光耦的输出端用三极管进行电压放大，为使T1输出的电平为TTL电平，将R5和R4的阻值设定为1KQ。
该部分设计采用了红外光电传感器，进行非接触式检测。
当有物体挡在红外光电发光二极管和高灵敏度的光电晶体管之间时，传感器将会输出一个低电平，而当没有物体挡在中间时，则输出高电平，从而形成一个脉冲。
系统在光电传感器收发端之间加上电动机，并在电动机转轴上安装一转盘。
在这个转盘的边沿处挖若干个圆形通光孔，把传感器的检测部分放在圆孔的圆心位置。
每当转盘旋转
时，传感器将输出若干个脉冲。
把这些脉冲通过放大整形成单片机可以识别的TTL电平，即可计算出轮子的转速。
转盘的圆孔的个数决定了测量的精度，个数越多，精度越高。
这样就可以再单位时间里尽可能多地得到脉冲数。
从而避免了因为两个过孔之间距离过大，而正好在过孔之前或者是在下一个过孔之前就停止了，造成较大的误差。
设计中转盘的圆孔的实际个数受到技术限制。
为了达到预定的效果
设计，在转盘过孔的设计上采用20个过孔，再通过软件对采集的数据进行计算。
4.2电机转速的计算
在编程时让单片机每隔一秒记录一次接收到的脉冲总数，然后根据如下计算
电机的转速
n=60N/（PT）⑴
n：
电机转速
T：
采样周期
N：
采样周期T光脉冲个数
P：
光码盘开孔的总数
当采样周期为1秒时，转速
n=60f/P
（2）
f:
1秒采集到的光脉冲个数
第五章硬件电路设计
5.1单片机模块
单片微型计算机简称单片机，它把组成微型计算机的各个功能部件：
中央处理器CPU随机存取存储器RAM只读存储器ROM可编程存储器EPROM并行及串行输入输出I/O接口电路、定时器/计数器、中断控制器等部件集成在一块半导体芯片上，构成一个完整的微型计算机。
5.1.1STC89C52单片机简介
STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
STC89C52使用经典的MCS-51核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。
在单芯片上，拥有灵巧的8位
CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
具有以下标准功能：
8k字节Flash，512字节RAM32位I/O口线，看门
狗定时器，置4KBEEPRO,MMAX81（复位电路，3个16位定时器/计数器，4个夕卜部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。
另外STC89C5訓降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU亭止工作，允许RAM定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
最高运作频率35MHz6T/12T可选。
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