非接触测长测速仪的设计.docx

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非接触测长测速仪的设计

非接触测长测速仪的设计

摘要;在实际工业生产中,传统的接触式的长度速度测量方法,会因为机械磨损,尘埃等原因影响系统的正常工作。

针对此不足本文以MCS-51系列单片机中的8051芯片为核心，采用光电传感器件，设计了一种新型的长度测量仪，具有长度测量，速度测量，数据显示，定时报警，等功能。

由于单片机价格低廉，可靠性高等特点，完全能满足新型非接触自动测长仪的要求。

因此，以它作为微控制器，提高了整机的性能价格比。

具有成本低，体积小，硬件电路简单，功能强，可靠性高等特点。

加之运用了码拨盘输入、LED数字显示器，使整个装置的记数，显示，控制一气呵成，形成了集成度高，运行可靠，操作安全的智能化测量系统。

关键词：

长度测量速度测量非接触8051单片机光电传感器

ABSTRACT

Inactualindustrialproduction,thetraditionalcontact-typelengthmeasuresthemethod,themeetingiswornandtorn.Becauseofmachinery,suchreasonsasthedust,etc,influencethenormalworkofthesystem.DirectagainstthisinsufficientthistextIsrael8051chipsintheMCS-51seriesone-chipcomputerarecores,designakindofnew-typelengthmeasuringapparatus.Lengthismeasured,thedatashow,reportingtothepolice,timing,waitforthefunction.

Havewithlowcosts,mall,hardwarecircuitsimple,thefunctionisstrong,thehighcharacteristicofdependability.Inadditionapplicationkeyboard,LEDdisplay,makewholenumerationofdevice,show,controlandaccomplishwithoutanyletup,itishightoformtheintegratedlevel,itisreliabletorun,operatetheintelligentcontrolsystemofthesecurity.

Keywords:

lengthmeasuresSpeedmeasuresDon’tkeepintouch8051one-chipcomputerPhotoelectricsensor

目录

摘要I

ABSTRACTII

第一章绪论-1-

1.1引言-1-

1.2非接触自动测长测速仪的发展概述-1-

1.2.1什么是非接触自动测量-1-

1.2.2非接触自动测长测速仪的应用前景-2-

1.3论文研究的目的和内容-2-

第二章非接触自动测长测速仪系统原理概述-3-

2.1非接触自动测长测速系统基本原理-3-

2.1.1非接触自动测长测速系统特点和技术指标-3-

2.1.2非接触自动测长测速系统基本组成-3-

2.2非接触自动测长系统基本原理-3-

第三章非接触自动测长测速系统硬件设计-6-

3.1构成应用系统的基本方法-6-

3.1.1确定指标-6-

3.1.2可行性研究-6-

3.2系统总体方案设计-6-

3.2.1应用系统硬件的设计方法-7-

3.2.2单片机应用系统软件的设计方法-7-

3.3单片机8051及相关电路设计-8-

3.3.1单片机简介-8-

3.3.2单片机8051基本组成原理-9-

3.3.3单片机应用系统的设计工作-10-

3.4计数功能的结构与原理-11-

3.5时钟电路-11-

3.6复位电路-12-

第四章单片机及其扩展接口芯片-14-

4.1可编程并行I/O接口芯片8255-14-

4.1.1地址锁存芯片74LS373-15-

4.1.2外部存储器的扩展-16-

4.2键盘/显示器接口-16-

第五章应用系统软件的设计方法-18-

5.1主程序-18-

5.2INT1中断服务程序-19-

5.3功能块程序-19-

5.4显示子程序-20-

第六章传感器的概述-21-

6.1传感器概述-21-

6.2选择传感器的总原则-21-

6.2.1根据测控对象与测控环境确定传感器的类型-21-

6.2.2传感器灵敏度的选择-22-

6.2.3传感器频率响应性-22-

6.2.4传感器线性范围-22-

6.2.5传感器稳定性-22-

6.2.6传感器精度的选择-23-

6.3红外光电传感器-23-

6.4红外线光电开关-23-

6.5对射式光电开关原理-24-

结论-25-

参考文献-26-

致谢-27-

附录-28-

第一章绪论

1.1引言

随着现代科学技术的不断发展，极大地推动了不同学科的交叉与渗透，导致了工程领域的技术革命与改造。

在机械工程领域，由于微电子技术和计算机技术的迅速发展及其向机械工业的渗透所形成的机电一体化，使机械工业的技术结构、产品机构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化，使工业生产由“机械电气化”迈入了“机电一体化”为特征的发展阶段。

现代科学技术以及复杂的自动控制系统和信息处理理论和技术的提高，光电信号变换与检测技术的不断涌现，综合性的自动化，智能化的光电系统得到进一步发展，形成了自己包括光学，精密机械，电子学和计算机的高度知识集中的新科学—光学精密机械电子学。

这种跨学科的边缘科学就是光电技术。

如今光电技术已广泛应用工业，农业，文教，卫生，国防，科研和家庭生活等领域。

因此，光电检测技术是光电技术的核心和重要组成部分。

光电检测技术是一种非接触测量的高新技术，它通过光电检测器件接收光信号，并转换成电信号，再由检测电路提取有用的信号，经过A/D变换接口输入微型计算机运算处理，最后显示除所需要的数据。

因此光电检测技术是现代检测技术的最重要手段和方法。

是计量检测技术的一个重要发展方向。

1.2非接触自动测长测速仪的发展概述

1.2.1什么是非接触自动测量

非接触自动测量是指在机构的主功能、动力功能、信息处理功能和控制功能上引进电子技术，将机械装置与电子化设计及软件结合起来所构成的系统的总称。

随着科学技术的发展，还将被赋予新的内容。

但其基本特征可概括为：

是从系统的观点出发，综合运用机械技术、微电子技术、自动控制技术、计算机技术、信息技术、传感测控技术、电力电子技术、接口技术、信息变换技术以及软件编程技术等群体技术，根据系统功能目标优化组织目标，合理配置与布局各功能单元，在多功能、高质量、高可靠性、高效率、低能耗的意义上实现特定功能价值，并使整个系统处于最优化的系统工程技术。

1.2.2非接触自动测长测速仪的应用前景

近十多年来我国光纤，钢丝线，电缆，纺织机械行业的自动化水平有了明显的提高，在新型机械设备上普遍采用了自动化技术。

这项技术的内容包含了先进的信息处理和控制技术，即以计算机为核心，单片机、人机界面、现场总线等组成的控制系统。

先进的驱动技术，有变频调速，交流伺服，步进电机等；检测传感技术和执行机构等。

例如新型光纤缠绕机，这类机器均采用了自动化技术，其特点是：

（1）采用先进光电元件和传感技术，实现非接触测量，避免了传统的机械接触式测量带来的误差。

（2）采用计算机软件来完成线型材料的长度计算，转速，数据显示。

（3）体积小巧，结构紧凑，系统稳定，能适合各种设备和工业环境的测量。

1.3论文研究的目的和内容

现代机械应用了自动化测量技术后机构简化，性能改善，质量提高，操作方便，提升了设备的档次和水平.采用单片机控制测量后的效果表现为：

（1）简化了复杂的传统机械式测量结构，取消了接触式测量装置。

（2）应用键盘输入人机界面，操作十分方便。

（3）可以测量长度，测量速度，记录长度，定时报警。

测量误差：

±0.1CM（100）米。

（4）数字显示测量结果数据。

（5）机器生产效率有较明显的提高。

由于单片机价格低廉，功能强大，稳定性好，此技术有很好的应用前景。

非接触自动化测量装置在国产机械设备上的广泛应用，推动了国产机器的机电一体化发展，缩小了与国外的差距。

第二章非接触自动测长测速仪系统原理概述

2.1非接触自动测长测速系统基本原理

2.1.1非接触自动测长测速系统特点和技术指标

本文研究的非接触自动测长测速仪，系统采用8051单片机做控制，传感器采用红外发光二极管，利用反射条，由光敏三极管接收。

此为非接触方式测量。

同时，在叶轮上贴反射条，使用方便，性能价格比高。

采用8051单片机进行实时控制，不仅可以测长，还可输入数据，数字显示，定时报警，测量速度。

比以往单一的接触式测长仪器功增强了。

具有以下主要功能：

（1）测量长度。

（2）测量速度。

（3）100米，200米，300米的设置停机.

（4）记录长度，定时报警。

（5）测量误差：

±0.1CM（100）米。

（6）数字显示测量结果。

2.1.2非接触自动测长测速系统基本组成

非接触自动测长测速仪由传感部分电路及信号处理电路组成。

原理框图如下：

图2.1硬件原理框图

2.2非接触自动测长测速系统基本原理

在被测物（如电缆）的叶轮上贴有反射条。

当红外光电传感器的发射电路发出的信号驱动红外发光二极管发射红外光时，被反射纸条反射回，由光敏三极管接受，并转换为电脉冲信号作为光电敏感的接收电路的输入信号。

红外光电传感器测得的脉冲信号送如脉冲检测电路。

检测电路由定时器/计数器和相应的逻辑电路组成，它实现了高精度的数字测量长度。

当红外光电传感器的发射电路发出的信号驱动红外发光二极管发射红外光时，照向轮轴。

被其上的反射纸条反射回，由光敏三极管接受，并转换为电脉冲信号作为光电敏感的接收电路的输入信号。

此脉冲信号送到计数器/定时器计算个数，一个脉冲信号既为一个轮轴旋转一周的周长。

通过计算，轮轴半径乘以2∏得到周长的长度，就是我们所测的物品的长度。

在将脉冲信号的个数求和，就得到了被测物品的实际长度。

速度的测量：

在系统中，由定时器产生高频脉冲M2，用来作为计时的标准脉冲。

在对被测脉冲个数M1计数的同时，对标准脉冲M2也同时进行计数，标准脉冲个数反映了测量时间。

通过计算，被测脉冲个数M1（长度）除以标准脉冲个数（时间）所得结果，既为测量物品时的速度值。

该方法不受转速高低的限制，在高速和低速时都能获得较高的测量精度。

预设定的测量时间TC由被测脉冲序列来同步。

整个测量过程如下。

A点时计数器对被测脉冲M1和高频基准脉冲M2同时计数。

到达B点时，预设定的测速时间TC已到。

系统发出停止计数命令。

而此时，由于预设定的时间TC不一定恰好等于整数个被测脉冲的脉冲周期。

所以计数器仍对高频基准脉冲继续进行计数。

在D点被测脉冲的上升沿使计数器停止计数。

这样，高频基准脉冲个数M2所对应的计时时间就代表了M1个被测脉冲周期的时间，那么该高频基准脉冲频率为F，传感器每转发过P个脉冲，则转速可精确求出：

N=（60M1/P）/（M2/F）。

由于测量过程中，从整数个被测脉冲开始计时，整数个被测脉冲结束。

记录的是整个脉冲，从而消除了其他计数法中，正负一个被测脉冲引入的误差,从而有了较高的精度。

图2.2计数脉冲时序图

M1为被测脉冲个数

M2为用于计数计时的高频脉冲个数

Tc为预设定的定时时间

T为实测到的M1个脉冲时间

第三章非接触自动测长测速系统硬件设计

3.1构成应用系统的基本方法

单片机应用系统的范围很广，在不同领域的应用，其要求各不相同，构成的方案也千差万别，没有完全固定的方法可循。

但处理问题的基本方法大体相似。

研究者接到某项任务后，在进行应用系统设计时，大都要经历以下步骤。

3.1.1确定指标

接到研制任务后，首先要进行系统的需求分析，以确定系统要实现的功能。

在对系统的工作过程进行深入分析之后，把系统最终要达到的性能指标明确下来。

3.1.2可行性研究

可行性研究的目的是分析完成这个项目的可能性。

根据可行性研究的结论来决定系统的开发研制工作是否值得进行下去。

在完成这项工作时，查阅了国内外的相关资料，看是否有人成功地做过类似的系统。

如果有，可以借鉴他们的优点，若有可能对其不足之处进行改进。

若查不到成功的实例，则作进一步的研究，此时的重点要放在能否实现这个环节上。

经理论分析和实际调研后，若可行，就制定出开发计划，同时进入总体方案设计阶段。

若不行，或放弃或该用其他的控制系统。

3.2系统总体方案设计

在明确了任务、确立了指标及可行性研究后，下一步工作就是系统总体方案的设计。

在对应用系统进行总体方案设计时，应根据应用系统要完成的各项功能，把工作重点放在技术难点上。

此时，可参考国内外类似系统的技术资料，取长补短以减少重复性劳动，提出合理可行的技术指标。

最后拟定出性能/价格比最高的一套方案。

总体方案确定以后，下一步的工作重点应放在硬件选型及软、硬件设计上。

对于单片机测控系统而言，传感器的选择至关重要，对不同传感器的选择原则及方法，以下章节均有介绍。

对系统中软、硬件的设计要明确分工，原则上要尽可能发挥单片机以软件代替硬件的长处，能够由软件来完成的任务，就尽可能用软件来实现，以便简化电路结构，降低成本，提高系统工作的可靠性。

但也应考虑到以软件代替硬件功能是以降低系统的实时性为代价的因此，软、硬件任务的划分要根据系统的要求及实际情况做合理安排，全盘考虑。

在确定了软件及硬件应完成的任务后，系统的大致规模及软、硬件的基本框架就确定了。

在一个大的测控系统研制过程中，课题组每个成员要尽其所长，避其所短，分工协作，这样就能加快研制工作进度，圆满地完成工作任务。

在明确了分工任务后，就各自进入具体的设计阶段。

3.2.1应用系统硬件的设计方法

硬件设计是指应用系统的电路设计，一般来讲这部分设计可分为两大部分内容：

一是数字电路部分，二是模拟电路部分。

数字电路设计即单片机系统的扩展，它包括与单片机直接接口的数字电路，如存储器和接口的扩展。

存储器的扩展指EPROM、E²PROM和RAM的扩展。

接口扩展是指串、并行接口（如8255、8155、8279、7219等）及其他功能器件的扩展。

这部分设计一般都能找到相关的参考资料，因此相对来讲较容易一些。

与模拟电路相关的电路设计包括信号放大、整形、变换、隔离、驱动和传感器的选择。

这部分电路的设计相对较难把握，一旦设计有误，对整个系统的性能将产生严重影响。

考虑好硬件电路要完成的任务后，脑子里应有一个大体的框架，画出硬件电路的框图，确定硬件电路的整体方案，并进行详细的技术分析。

下一步就要画出所有硬件的电器原理图。

在绘制原理图过程中，所设计到的具体电路可参考他人在这方面的工作。

因为他人用过的电路往往具有一定的合理性，在此基础上，结合自己的设计目的取长补短。

当然，有些电路还需要自己设计，完全照搬拼凑出一个硬件系统图是不可靠的。

3.2.2单片机应用系统软件的设计方法

根据系统设计的分工，硬件系统设计完成后，下一步工作就是应用系统的软件编制。

编制软件离不开硬件，对于软件编制人员来讲，在工作进行之前要和硬件设计充分沟通，只有充分了解硬件系统的工作过程，才能确定软件的任务，最终达到完美的统一。

因此软件设计要结合硬件进行，其任务也是应用系统研制过程中最艰巨的，其难度也比较大。

对于某些较复杂的应用系统，不仅要使用汇编语言来编程，有时还要使用高级语言，最常用的高级语言有：

PL/M-51和C51。

应用系统的软件设计主题包括两大部分：

用于管理应用系统的管理程序（监控程序）和用于执行具体任务的执行程序。

管理程序是应用系统的管理软件，它用来协调各执行程序模块和操作者的关系，在系统中充当组织、指挥的角色。

对于单片机应用系统来说，管理程序和执行程序是很难分清楚的，它们都是应用程序所以在软件设计时应考虑以下几个方面：

⑴根据应用系统功能要求及分配给软件的任务，采用自上向下逐层分解的方式，把复杂的系统进行合理的分解。

将软件划分为若干个相对独立的部分，在根据各部分的关系设计出软件的整体框架，画出软件需求的框图，要求软件结构清晰、简洁，流程合理。

⑵尽可能采用结构化模块设计，根据软件任务导出软件模块，得到软件模块结构及各模块之间的接口定义，要求各模块功能单一，尽可能把各模块之间的联系减少到最低限度。

模块化设计的优点是每个模块可以单独设计，也可以利用原有的成熟程序，这样既便于软件调试、链接，又便于移植、修改。

对于复杂的应用系统软件，这一点是至关重要的。

⑶在对各功能模块编制前，要仔细分析模块所要完成的功能，建立正确的数学模型，绘制出详细的程序流程图，这是软件设计人员必须养成的习惯。

⑷软件设计时要充分考虑应用系统的硬件环境，合理地分配系统资源，包括片内、片外程序存储器、数据存储器、定时器/计数器、中断源等。

根据51系列单片机寻址方式的特点，片内RAM的分配方式尤为重要。

一般来讲，片内RAM的00H~07H8个单元留作R0和R1用，20H~2FH这16个单元留作各种标志位、逻辑变量、状态变量等。

堆栈区设置要留有一定余量。

最后对各功能模块和子程序的入/出口条件、RAM的分配情况要列出一张分配表，以便编程时查询。

⑸无论用汇编语言还是用高级语言编程，为了使程序增加可读性，也为日后修改程序方便，在程序的相关位置必须加上功能注释。

⑹软件的抗干扰设计也是应用系统软件编程的重要组成部分。

虽然在硬件设计中采用了硬件抗干扰措施，但由于单片机测控系统往往都运行在环境恶劣、干扰严重的场合，因此完全依靠硬件来解决抗干扰问题往往达不到预期效果，这时还需要软件抗干扰措施相配合，只有双管齐下，才能使应用系统运行更加可

3.3单片机8051及相关电路设计

单片机以其与通用CPU完全不同的发展模式，为满足工业测控功能、恶劣环境下的可靠运行己任。

在单片机技术发展过程中，Intel公司８位单片机的发展最具典型性、完整性和兼容性，现以该系列为代表介绍其发展年代，其它系列可找到相类似情况。

3.3.1单片机简介

第一代单片机只是将CPU及其外围计算机功能单元，如I/O口、定时／计数器、程序存储器、数据存储器、中断系统等集成在单片芯片中，其典型系列为MCS-48单片机。

第一代单片机作为单片微控制器的技术探索，在取得到预计的结果后便迅速转向第二代产品研究，以寻求单片机最佳的内、外部结构。

第二代单片机以其SFS管理下的模块化结构、标准的外部并行总线（AB、DB、CB）结构和为构成多机与网络系的UART串行接口为其重要技术特征。

这一代单片机为不断完善，提高Microcontroller的控制功能提供了一个良好的SingleChipMicrocomputer,但内部功能模块的设置还没有超出Microcomputer。

第三代单片机则以大力发展控制功能，提高系统运行的可靠性，逐步将测、控系统要求的外部接口电路纳入片内，以朝着真正实现Microcontroller所应具备的功能为目标。

其中一些目标首先在MCS-96中得到了具体的实现，如高速I/O口、ADC、PWM、Watchdog等。

在随后第三代８位单片机中迅速地普及了这些技术。

特别是一些大电气商介入单片机的发展后，以其在单片机应用领域中的丰富经验，迅速而有效地推动了第三代单片机的形成和发展。

第三代单片机的主要特点是：

大力发展综合控制功能；不断推出指令、总线兼容下不同外围功能的系列单片机；提高系统运行的可靠性。

目前各大公司都已进入第三代单片机发展阶段，其中最为典型、对我国单片机技术发展和更新影响最大的当推80C51系列。

3.3.2单片机8051基本组成原理

单片机又称微控制器（microcontroller）是将中央处理器（CPU）存储器、定时器/计数器、IO接口电路等部件集成在一块芯片上的微型计算机。

目前，单片机技术飞速发展，在各种场合被广泛应用。

单片机做为控制核心，与传感器、执行机构等结合可以组成自动化的检测控制系统，本文结合单片机的定时/计数器的端口功能，开发一种实用的检测装置。

MCS51是由美国INTEL公司生产的系列单片机，其中以8051最为典型，由内部总线将逻辑运算器ALU、累加器A、程序计数器PC、指令寄存器IR、指令译码器ID、控制逻辑PLA、存储器、输入输出口联结成统一的整体，以实现其功能。

8051单片机是8位机32根I/O线即4个并口分别记做P0.P1.P2.P3，集成128K的片内RAM和4K片内ROM，其具有的两个16位定时计数可通过编程实现4种工作模式。

频率基准源计数器

中断控制并行I/O串行输入串行输出

图3.18051单片机框图

3.3.3单片机应用系统的设计工作

目前，MCS-51系列及具有51内核的单片机以其独特的优点，在智能仪表、家用电器、工业控制、数据采集、网络通信等领域得到广泛的应用。

各行各业的工程技术人员正在根据自己的任务进行单片机应用系统的开发设计工作，从而改变了传统控制系统的设计思想和设计方法。

以前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分控制功能，现在已能由单片机通过软件方法来实现了，因此使控制系统的性能大大提高，应用领域更加广泛。

本章介绍用单片机构成应用系统的基本方法，软、硬件设计方法以及应用系统的调试方法，使用户能快速完成单片机应用系统的设计工作。

系统中的单片机8051用来实现定时、记数，逻辑控制，长度计算，与微机通讯等工作。

8255为可编程的并行I/O接口芯片。

8051通过P1.0口启动脉冲检测电路。

测量结束后，8255通过8051的中断引脚INT1向8051单片机申请中断。

在相应得中断服务子程序中，8051读取脉冲数量值，通过计算求得周长，既我们所测得长度。

并将结果保存，显示，分析。

8051的P0口作为地址/数据复用口。

通过74LS373八位锁存器实现地址锁存。

P2口为高八位地址口，系统扩展后2764EPROM作为程序存储器。

根据设计要求，单片机应用系统主要包括：

（1）8051单片机

（2）时钟复位电路（3）显示器，键盘，定时报警接口电路；（4）外部存储器的扩展电路；主要电路介绍如下：

3.4计数功能的结构与原理

MCS-51的单片机内有两个16位可编程的定时/计数器T0和T1，它们具有四种工作方式，分别为模式0、1、2、3。

其控制字和状态均在相应的特殊功能寄存器中，通过对控制寄存器的编程，就可方便地选择适当的工作方式。

MCS-51单片机内部的定时/计数器的结构如下图所示，定时器T0特性功能寄存器TL0（低8位）和TH0（高8位）构成，定时器T1由特性功能寄存器TL1（低8位）和TH1（高8位）构成。

特殊功能寄存器TMOD控制定时寄存器的工作