直流电机光耦测速系统设计.docx

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直流电机光耦测速系统设计

一．实习的目的

1.进一步熟悉和掌握单片机系统设计和编程原理。

2.掌握单片机的接口技术及相关外围芯片的外特性、控制方法。

3.通过设计，掌握以单片机核心的电路设计的基本方法和技术。

4.通过实际程序设计和调试，掌握模块化程序设计方法和调试技术。

5.通过完成一个包括电路设计和程序开发的完整过程，了解开发单片机应用系统的全过程，为今后从事相应开发打下基础。

二．实习的基本要求

1.认真认识设计的意义，掌握设计工作程序，学会使用工具书和技术参考资料，并培养科学的设计思想和良好的设计作风。

2.提高模型建立和设计能力，学会应用相关设计资料进行设计计算的方法。

3.提高独立分析、解决问题的能力，逐步增强实际应用训练。

4.设计的说明书要求简洁、通顺，电路图内容完整、清楚、规范。

三．实习主要内容

a）设计实现功能

STC12C5A60S2（引脚排序及基本功能同AT89S51）作为主控芯片，设计利用光电传感器对5V直流电机测速，系统要求：

LCD1602显示当前电机速度，若转速超过限定，则发出声光报警。

b）原理图设计

1.原理图设计要符合项目的工作原理，连线要正确。

2.图中所使用的元器件要合理选用，电阻、电容等器件的参数要正确标明。

3.原理图要完整，CPU、外围器件、外扩接口、输入/输出装置要一应俱全。

c）程序调计

1.根据要求，将总体功能分解成若干个子功能模块，每个功能模块完成一个特定的功能。

2.根据总体要求及分解的功能模块，确定各功能模块之间的关系，设计出完整的程序流程图。

d）程序调试

1.编写相关程序，并进行仿真。

2.将程序下载到单片机，进行运行调试。

e）设计说明书

1.原理图设计说明

简要说明设计目的，原理图中所使用的元器件功能及在图中的作用，各器件的工作过程及顺序。

2.程序设计说明

对程序设计总体功能及结构进行说明，对各子模块的功能以及各子模块之间的关系作较详细的描述。

3.画出工作原理图，程序流程图并给出相应的程序清单。

第一部分:

无线门铃

第1章器件、电路介绍

1.1电路工作原理

遥控门铃电路由编码信号发射和接收两部分组成，其可靠性、抗干扰性优于传统门铃，正得到越来越多的广泛应用。

传统的门铃都为有线门铃，使用方便，极大地方便了大家的生活。

当发射器发射信号时接收器接到所发射的信号，并将该信号转变为电压值，输入到锁存器里锁存，再通过接收器外围的控制电路控制继电器动作，使部件工作。

当发射器发射信号时接收器接到所发射的信号，并将该信号转变为电压值，输入到锁

存器里锁存，再通过接收器外围的控制电路控制继电器动作，使部件工作。

1.1.1发射板的电路原理

1．调制级电路主要主要由32.768KHz晶振完成，本电路通过晶振的自激振荡，产生出一个振荡信号，信号频率由晶振固有频率决定。

自激振荡特点就是不需要外加任何输入信号就能根据要求而输出特定频率的信号。

从图中可以看，接通电源的瞬间，会友通电瞬间的电冲击、电干扰、晶体管的热噪声等，尽管这些噪声很微弱，也不是单一频率的波长，但却是由许多不同频率的正弦波叠加组合而成。

在不断放大-反馈-选频-放大-反馈-选频„„的过程中，振荡就可以自行建立起来。

Q3三极管为正反馈，起放大作用，由晶振使电路产生自激，从而产生持续的振荡，把直流电变为交流电，从而发射出一个振荡频率。

C7并联在直流电两端，起滤波作用，主要是减少电路电压的波动性保护电器 的作用，当电池电压下降，电容放电；电池电压上升，电容充电。

2.高频振荡级是由Q1、C1、C2、T1以及L1、R2、R5组成。

T1是一个可调线圈，和C2并联，作无功补偿作用，规格有一定要求，否则接收的频率和发射的相差太大不能够正常的接收信号。

一般做成矩形或者圆形，不能用漆包线，影响信号的选取发射。

C2并联在线圈两端，因为线圈是感性负载，在通电或断电的一瞬间产生很高的电动势，并联电容可以减少这种感应电动势对线圈或其他控制元件的影响。

基本原理：

按下SW开关，电源、LED1和电阻R1构成一个回路，LED1灯亮，说明电路正常接通。

C1与L2组成LC振荡电路，起谐振选频作用。

LC谐振回路是高频电路中最常用的无源网络，利用LC谐振回路的幅频特性和相频特性，不仅可以选频，即从输入信号中选择出有用的频率分量而抑制掉无用的频率分量或噪声，而且还可以进行信号的频幅转换和频相转换。

若要把电路中的频率通过天线发射出去。

图1.1.1发射机的电路图

1.1.2接收板的电路原理

当L2的振荡频率与发射端相同时，产生谐振，Q3的超再生信号就受发射端的调幅信号控制，L1为色环电感，阻止高频信号通过。

超再生振荡电路具有自检波功能，检波后的调制信号在R14上产生压降，经R3、C7送入TC4069进行放大，整形再放大，这由三个反相器13和12、11和10、1和2（三级高增益放大器）完成，C8滤波滤除检波后的高频杂波，使用检波后的有用信号信噪比最大。

经三极放大后的调制信号与发射端（低频32.768KHz）同频，X1在电路中起选频作用，同频率的信号能顺利通过，免除了许多不需要的各种外界信号的干扰，选频后的信号送入Q2放大整形，该信号的幅度还较低，经最后两级开路反相放大后输出等幅方波信号。

R21限流，C11滤波，对方波进行平滑滤波，并有数十毫秒的延时，也能消除外界尖脉冲对触发电路的干扰，音乐信号经Q3放大推动喇叭发出优美的门铃音乐声。

图1.1.2接收机的电路图

1.2无线门铃器件

1.2.1器件的清单

本次实模块遥控门铃所使用的器件清单主要包括两大部分：

发射部分器件清单共和接收部分器件清单。

发射部分器件清单如表1-1，接收器件清单如表1-2.

表1-1发射器件清单

名称

数量

位置

名称

数量

位置

名称

数量

位置

电阻:

100

1

R1

电容:

222P

1

C3

2.5*6

1

自攻丝

电阻:

10K

1

R7

微调

1

CL

2.5*8

2

自攻丝

电阻:

22K

3

R2\3\4

电感

1

L1

电路板

1

电阻:

180K

1

R5

开关

1

K1

电池扣

1

电阻:

220K

1

R6

F3红

1

LED1

按钮

1

电容:

5P

1

C2

9014

2

Q1\2

外壳

1

电容：

10P

1

C1

9018

1

Q3

图纸

1

表1-2接收器件清单

名称

数量

位置

名称

数量

位置

名称

数量

位置

名称

数量

电阻1M

3

R7\8\9

电容10U

1

C10平装

电感

1

L1

101连体

1

电阻470K

1

R5

电容1U

1

C5平装

晶振32768

1

Y平装

7mm细线

1

电阻120K

1

R1

电容104P

1

C11

1N4148

1

D1

2.5*6细线

3

电阻47K

1

R6

电容103P

1

C9

9018

1

Q1

电路板

1

电阻10K

1

R2

电容222P

1

C6

9014

1

Q2

喇叭

1

电阻5.6K

1

R3

电容152P

1

C3

音乐片

1

IC2

标签

1

电阻1K

1

R10

电容102P

1

C7

CD4069

1

IC1

机壳

1

电阻510

1

R4

电容39P

2

C4\8

弹簧

1

图纸

1

电容100U

1

C12平装

电容5P

2

C1\2

正极片

1

1.2.2CD4069芯片的介绍

CC4069由六个COS/MOS反相器电路组成。

此器件主要用作通用反相器、即用于不需要中功率TTL驱动和逻辑电平转换的电路中。

CD4069------六反相器  简要说明：

 CD4069 是由六个 COS/MOS反相器电路组成，此器件主要用作通用反相器， 即用于不需要中功率TTL驱动和逻辑电平转换的电路中。

推荐

第2章焊接过程

2.1装配工具

2.1.1电烙铁

电烙铁是焊接的主要工具，作用是把电能换成热能对焊接点部位进行加热，同时熔化焊锡，使熔融的焊锡润湿被焊金属形成合金，冷却后被焊元器件通过焊点牢固地连接。

一般来说，电烙铁的功率越大，热量越大，烙铁头的温度越高。

焊接集成电路、印制电路板等较小体积的元器件时，一般可选用20W内热式电烙铁。

使用烙铁功率过大，容易烫坏元器件（一般二极管，三极管结点温度超过200℃时就会烧坏）和使印制导线从基板上脱落；使用的烙铁功率太小，焊锡不能充分熔化，也会烧坏器件，一般每个焊点在1.5~4S内完成。

2.1.2其他常用工具

1．尖嘴钳头部较细，常用来夹小型金属零件、元件引脚成型。

2．剪丝钳的刀口较锋利，主要用来剪切导线，元件多余的引线。

3．镊子的作用是弯曲较小元器件的引脚、摄取微小器件用焊接。

4.螺丝刀有“一”字式和“十”字式两种，使用金属或非金属材料制造；它的作用是拧动螺钉及调整可调元器件的可调部分。

电路调试时，调整电容或中周时要选用非金属的螺丝刀。

5.小刀用来刮去导线和元件引线上的绝缘物和氧化物。

6.剥线钳用于剥离导线上的护套层。

2.2焊接材料

2.2.1焊料

焊料是一种易熔的金属及其合金，它能使元件引线与印刷电路板连接在一起，形成电气互联。

焊料的选择对焊接质量有很大的影响。

锡（Sn）是一种质地柔软、具有很大延展性的银白色金属，熔点为232℃，在常温下化学性能稳定，不易氧化，不失金属光泽，抗大气腐蚀能力强。

铅（Pb）是一种较软的浅青白色金属，熔点为327℃，高纯度的铅耐大气腐蚀能力强，化学稳定性好，但对人体有害。

锡中加入一定比例的铅和少量其他金属可制成熔点低、流动性好、对元件和导线的附着力强、机械强度高、导电性好、不易氧化、抗腐蚀性强、焊点光亮美观的焊料，一般称为焊锡。

常用焊锡按含锡量的多少可分为15种，并按含锡量和杂质的化学成分分为S、A、B三个等级，家用电器和通信设备使用的焊锡为60Sn~40Sn。

65Sn用于印刷电路板的自动焊接（浸焊、波峰焊等）；50Sn为手工焊接中使用较广的焊锡，但其液相温度高（约为215℃），所以为防止器件过热，最好选用60Sn或是63Sn。

2.3焊接操作过程

2.3.1焊接要点

焊接材料、焊接工具、焊接方式方法和操作者是焊接的四要素。

操作者在焊接实践过程中应用心体会，不断总结，保证每个焊点的质量。

1.焊接操作与卫生

电烙铁一般采用握笔式。

焊接加热挥发出的化学物质对吸入人体是有害。

一般烙铁与鼻子距离应至少不少于20cm，通常以30cm为宜。

焊锡丝一般有两种拿法，如图2.2.4所示。

图2.3.1焊锡丝的拿法

焊丝成分中铅占一定的比例，铅是对人体有害的重金属，因此，操作时应戴上手套或操作后洗手，避免食入。

电烙铁用后一定要稳妥放于烙铁架上，并注意导线等物不要碰到电烙铁头。

2.焊接操作的基本步骤

1）.准备施焊：

右手拿烙铁（烙铁头应保持干净，并吃上锡），处于随时可施焊状态；

2）.加热焊件：

应注意加热整个焊全体，例如元器件的引线和焊盘都要均匀受热；

3）.送入焊丝：

加热焊件达到一定温度后，焊丝从烙铁对面接触焊件，注意不是直接接触电烙铁头；

4）.移开焊丝：

当焊丝熔化一定量后，立即移开焊丝；

5）.移开电烙铁头：

焊锡浸润焊盘或焊件的施焊部位后，移开烙铁。

对于小热容量焊件而言，上述整个过程不过2s~4s时间，各步时间的控制，时序的准确掌握，动作的协调熟练，这些都是应该通过不断的实践、用心体会，才能解决的问题。

有人总结出了五步骤操作法，用数数的办法控制时间，即烙铁接触焊点后数一、二（约2s），送入焊丝后数三、四即移开烙铁。

焊丝熔化量要靠观察决定，这个办法可以参考。

但显然由于烙铁功率，焊点热容量的差别等因素，实际掌握焊接火候，决无定章可循，必须具体条件具体对待。

第3章调试过程

3.1整体调试过程

3.1.1发射器的调试

所有元件焊接好后，将电路板装入遥控器合子内，注意检查微动开关是否可听到清脆的开关声，如有频率计或频谱仪等仪器，可在装入发射器电池后按动遥控器检测是否有高频无线电波发射，如没有这些仪器，也可用收音机或接上电脑的音箱，当按动遥控器时，可听到"吱吱"声，这就表明发射部分工作正常，一般只要元件安装正确，元件焊接时线路板上无搭锡或虚焊，都能一次成功；

3.1.2接收器的调试

全部元件安装完成后，将线路板装入塑料外壳内，电源引线连接时一定要注意极性不要装反；装上二节5号电池，按动音乐选择按键，正常可以听到音乐声，每按一次，换一种音乐，一直循环，若发现不会响，应仔细检查喇叭线是否焊牢，音乐片的引脚是否有虚焊等；

3.1.3整体调试

以上几项都正常后，便可以进行发射与接收的联调，将发射器放在接收器边上，按动遥控器，若有声音了，再将两者的距离加大，再按，若没有声音了，用无感螺丝刀调节接收器上的可调电感，直到按下遥控器门铃会响，继续加大两者的距离，用上述方法反复调试，直到距离在20米以上都可以可靠进行遥控时，说明遥控门铃的调试工作完成。

在调试过程中会遇到很多问题，需要我们进行检查。

如当接通接收板电源后，音乐就响起，这时通常是Q2短路使输入信号为高电平，就要检查Q2三个引脚是否搭焊。

另外，在调试过程中出现问题，请仔细检查元器件（如三极管极性、集成块缺口方向、音乐芯片焊点等）是否接错，检查是否搭焊、错焊、虚焊等。

对调好的门铃发射接收器，你有可能认为距离还不能达到你的要求，只有8-15米远，你可以再进行升级。

找一段直径0.3-0.6mm的漆包线，一端在L2上绕上一圈，另一端弯成环形一圈，作为外接天线，增强信号接收能力。

只要能放入接收盒的外壳不需要很规则，接收板的接收距离就可以增至10-20米远，在家庭使用足足有余。

注意了：

增加了这个天线后，接收机的频率还要按前面介绍的方法再次进行微调，是微调，因为加了天线会使接收的频率改变一些。

3.2解决方法

电路元件的安装，尽量让元件靠近电路板，即把元件全部插到底后焊接，焊接时所选用的焊锡丝尽量选用含锡量较高的产品，若用到松香作为助焊剂，一定要保持电路板上的清洁，否则元器件引脚较长及电路板上留有较多的松香，会使得电路的分布电容增加，使得高频振荡部分电路不稳定，从而影响整机的性能。

2、发射器线路板安装时，特别要注意微动开关动片与塑料外壳的配合，正常时按下发射开关后，应听到清脆的开关声音，若装上电路板固定螺丝后，出现无法按动开关等现象，应仔细检查微动开关动片与塑料开关是否有卡死。

3、发射器电池安装簧片与线路板的焊接时，一定要先在电路板和电池簧片上上锡，由于电池簧片金属部分面积大，散热也快，因此上锡时注意不要烫手，将电池簧片与线路板焊接时，接触面积一定要大，否则装电池时这部分元件会承受较大的机械力，容易松动或脱落，同时也要注意线路板上焊接的时间不要太长，否则容易使线路板上的铜皮脱落。

4、音乐集成电路安装时注意时间不要太长，有条件的话，电烙铁最好外壳接地，焊音乐片时可先将音乐片的第一个脚进行上锡，注意不要太多，否则无法插入线路板上的小槽，音乐片与线路板焊接线，线路板上应全部上过锡，当插入音乐片后，先将第一只脚与线路板进行焊接，让其定位，然后再将最后一只脚焊上，等焊锡冷后，音乐片便牢牢地装在线路板上了，这时再去焊另外的引脚就会方便许多。

第4章总结

该电路接收由解调、放大、整形、声响电路组成，性能稳定，遥控距离远，功耗低等特点。

但随着微电子技术、无线技术和网络技术的飞速发展以及人们生活水平的大幅度提高，无线音乐门铃将满足不了人们的生活需要，无线可视门铃已逐渐走进人们的生活。

随着生活节奏的加快，有访客而主人不在家，则需要一种能够纪录来客的录象门铃，也可作为防盗设备。

我们可以设计集无线门铃和无线防盗报警器于一身的无线门铃报警器的制作，集思广益创新思想,扩展本课题的功能和应用范围。

可以将单片机技术应用于无线遥控门铃行业，使门铃的功能更加广泛。

随着数字智能化技术的发展，智能门铃、可视对讲门铃、红外线门铃等将快速发展，并将很快普及我们的生活。

可见，无线遥控门铃的发展前景非常乐观，市场前景非常广阔，由此，对于门铃系统的开发与研究将成为我们电子应用专业人员长期研究的课题。

基于该门铃的使用简便，除用作门铃外，也可作为传呼、看护病人、紧急通知等短距离的联络。

不足之处在于该门铃并不适用于有残疾人士如耳聋者，虽然该套门铃有工作指示灯，但只是一个小小的发光二极管，如果改为一3色跑马灯，当音乐响起时，3中颜色的跑马灯就紧随闪烁，这样就会让听觉不灵敏的人们更方便迅速地知道有客人来访。

第二部分单片机部分

第1章总体设计方案

1.1总体设计方案介绍

本次主要介绍通过给直流电机加上5V电压本装置采用复式模冲出的转子冲片作为测速码盘。

众所周知，复式模冲出的转子冲片，其各齿是十分均匀的，冲片将转子冲片固定在电机轴上，边沿插入一槽式光电耦合器，将光电耦合器固定在电机上。

由光电原理可知，当电机转动时，冲片齿会不断通光、断光．而产生一系列的高低电平，经整形后．便成为一系列的测速脉冲，将此脉冲接单片机的T0口．主要运用计数器0的计数模式，测量在1s的时间里所测到计数值，再换算出电机转速．将测出的转速值输出LCD1602的显示系统，起到转速显示的作用。

系统原理图如图1.1

图1.1直流电机光耦测速系统原理框图

第2章单元模块原理

2.1电机模块的设计原理

图2.1.1电机测速模块

模块采用全新L9110电机驱动芯片，电机驱动电压范围宽：

2.5V-12V，一般的智能小车的电机工作电压为5V左右，使用这款电机驱动完全足够了，价格也便宜，体积小发热也小，控制使用简单。

L9110特点：

低静态工作电流；宽电源电压范围：

2.5V-12V；每通道具有800mA连续电流输出能力；较低的饱和压降；TTL/CMOS输出电平兼容，可直接连CPU；输出内置钳位二极管，适用于感性负载；控制和驱动集成于单片IC之中；具备管脚高压保护功能；工作温度：

0℃-80℃。

图1.2L9110芯片电路

由输入输出逻辑电路可知，当对期IA,IB同时加上5V或接地时，电机不工作，只有IA,IB接vcc和GNBD时，电机分别进行着正转和反转。

TM口输出着采集到的高低电平。

输出给单片机的计数器0口，然后单片机进行处理和工作。

2.2LCD1602模块

字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模块。

1602LCD的一般初始化（复位）过程

延时15mS

写指令38H（不检测忙信号）

延时5mS

写指令38H（不检测忙信号）

延时5mS

写指令38H（不检测忙信号）

写指令38H：

显示模式设置

写指令08H：

显示关闭

写指令01H：

显示清屏

写指令06H：

显示光标移动设置

写指令0CH：

显示开及光标设置

读状态

输入

RS=L，R/W=H，E=H

输出

D0—D7=状态字

写指令

输入

RS=L，R/W=L，D0—D7=指令码，E=高脉冲

输出

无

读数据

输入

RS=H，R/W=H，E=H

输出

D0—D7=数据

写数据

输入

RS=H，R/W=L，D0—D7=数据，E=高脉

输出

无

图1.1.21602液晶时序图

2.3STC12C5A60S2模块

STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。

内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换（250K/S）,针对电机控制，强干扰场合。

图2.1.3STC12C5A60S2单片机管脚图

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，电位被内部上拉为高，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； 

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，其管脚电位被内部上拉电阻拉高，

且作为输入。

作为输入时，P2口的管脚电位被外部拉低，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，它利用内部上拉的优势，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； 

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。

第3章软件编写流程

本次软件编写主要思想便是：

计数器对电机测速模块所发来的脉冲信号进行采集计数，当定时器达到1s的时间的时候，对计数器中的值取出并进行在1602液晶屏上进行显示，定时器每达到1秒变采集一次。

程序主要包括定时器计数器初始化程序，液晶初始化程序，计数器计数程序，定时器中断，液晶显示程序。

下面是软件流程图

程序说明：

定时器设置为方式1，定时50ms。

当定时达到50ms时，产生中断，对1602LCD液晶显屏进行刷新，显示转速，并使时间计数标志T加1。

当时间计数标志num=20时，取出计数器显示转速。

第4章调试过程

4.1电路调试

通过叶片在对射式传感器间转动，得到光电开关产生脉冲信号，再经过脉冲信号处理电路，输入单片机的T1外部脉冲计数口（即P3.5口），由单片机处理得出转速后，连接4连1602LCD液晶显示屏显示转速。

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1602LCD液晶显示屏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，实物如图

图4.1电机图片

图4.2液晶模块图片

图4.3实物图片

第5章结果分析

本设计利用光电耦合传感器，通过信号处理电路得到适合的脉冲后，输入单片机进行处理、计算，得出实际的转速值，液晶显示。

结果分析得出

1.系统选择位数最多的定时/计数器工作方式1（为16位），但仍有其局限性。

此计数器的最大计数脉冲数为63336（216），若每秒钟计算一次，则当1秒内外部脉冲的输入数超过65536个时，计数器会溢出，从而产生中断，使得测出的转速值小于实际的转速值。

根据转速计算方法（若转盘齿数为4），Vmax=65536/4=16384r/s，所以本系统不能测量范围不能超过此值。

2.通过T0计数时，单片机每读取一个脉冲至少需要3个机器周期的时间来完成。

本系统采用的晶振为12MHz，所以一个机器周期Tcy=12/f=1us。

若要使单片机准确读取外部脉冲，则脉冲的输入周期不能超过3us。

如此可计算（转盘齿数为10），系统能测量的转速需低于：

Vmax=1s/（3us*4）=83333r/s。