光电测速装置的设计.docx
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光电测速装置的设计
第1章概述1
1.1研究意义1
1.2发展现状与应用领域1
第2章工作原理3
2.1设计思路3
2.2器件选择3
2.3主控单元6
第3章软件设计9
3.1语言的选用9
3.2程序设计流程图9
第4章仿真分析11
4.1仿真电路11
4.2程序编译11
4.3仿真结果12
结论16
参考文献17
第1章概述
1.1研究意义
一种量大面广的产品，广泛应用丁国民经济的各个行业中。
而电机的生产王国正在由日本转移到中国，尤其是和珠三角地区。
省市区就有大大小小的电机生产厂家上白家，每年生产上亿台电机，同时有许多家电生产厂家，家电中也要大量用到电机，不管是电机生产厂家，还是将电机作为它们的产品中的零部件的厂家，要将它们的产品打到国际市场上，迫切需要IS09002认证，IS09002要求生产产品所用的零部件以及最终的产品都要经过本单位的质量检测，也就是说，在，每年要检测几亿个电机，对电机的测试仪的需求非常迫切。
电机测试的参数主要有：
效率、功率因数、定子输入电流、转矩、转速等，本课题主要研究转速的测量。
转速是各类电机运行中的一个重要物理量，如何准确、快速而乂方便地测量电机转速，极为重要。
目前国外常用的转速测量方法有离心式转速表测速法、测速发电机测速法、闪光测速法、光电码盘测速法和霍尔元件测速法。
在这五种测速方法中，离心式转速表测速法和测速发电机测速法所用的都是现成的测速仪表，容易得到。
但转速表或测速机都要与电机同轴连接，一方面增加了电机机组安装难度，另一方面有些微电机功率很小，转速表或测速机消耗的功率占了微电机大部分，更有甚者微电机甚至拖不动这些仪表，所以对微电机的测速，这二种方法不适用。
霍尔元件测速法和光电码盘测速法的测速方法基本类似，都是在转轴上装一个很轻巧的传感器，将电机的转动信号通过磁（霍尔元件）
或光（光电码盘）转换为电脉冲，从而通过计算电脉冲的个数来测速。
闪光测速法目前实际应用不广泛，主要是光源的问题。
本课题研究的是其中的光电码盘测速法。
1.2发展现状与应用领域
转速是各类电机运行中的一个重要物理量，如何准确、快速而乂方便地测量电机转速，极为重要。
目前国外常用的转速测量方法有离心式转速表测速法、测速发电机测速法、闪光测速法、光电码盘测速法和霍尔元件测速法。
（1）离心式转速表测速法
离心式转速表是利用离心原理制成的测速仪表，可以直接读出转速。
测转速时，转速表的端头要插入电机转轴的中心孔，插入前，应注意活除中心孔中的油污，并使转速表的轴与电机的轴保持同心，不可上下左右偏斜，否则易将表轴扭坏，并影响准确读数，而且转速表要间歇使用，以减少磨损和发热。
如果要改变量程，还要将转速表取出停转后再改变量程。
（2）测速发电机测速法
测速发电机测转速时，测速发电机连接到被测电机的轴端，将被测电机的机械转速变换为电压信号输出E=CeFn,在输出端接一个刻度以转速为单位的电压
表，即可读出转速。
（3）闪光测速法
闪光测速法是利用可调脉冲频率的专用电源施加丁闪光灯上，将闪光灯的灯光照到电机转动部分（可在电机端轴上粘贴一标记纸片），当调整脉冲频率使黑色扇形片静止不动时，此时脉冲的频率是与电机转动的转速是同步的。
若脉冲频率为f,则电机的转速为n=60f（r/min）。
（4）光电码盘测速法
光电码盘测速法是通过测出转速信号的频率或周期来测量电机转速的一种无接触测速法。
光电码盘安装在转子端轴上，随着电机的转动，光电码盘也跟着一起转动，如果有一个固定光源照射在码盘上，则可利用光敏元件来接收到的光的次数就是码盘的编码数。
若编码数为60,测量时间为t,测量到的脉冲数为N,则n=N/to
（5）霍尔元件测速法
霍尔元件测速法是利用霍尔开关元件测转速的。
霍尔开关元件含稳压电路、
霍尔电势发生器、放大器、施密特触发器和输出电路。
输出电平与TTL电平■兼容，在电机转轴上装一个圆盘，圆盘上装若干对小磁钢，小磁钢越多，分辨率越高，霍尔开关固定在小磁钢附近，当电机转动时，每当一个小磁钢转过霍尔开关，霍尔开关便输出一个脉冲，计算出单位时间的脉冲数，即可确定旋转体的转速。
在这五种测速方法中，离心式转速表测速法和测速发电机测速法所用的都是现成的测速仪表，容易得到。
但转速表或测速机都要与电机同轴连接，一方面增加了电机机组安装难度，另一方面有些微电机功率很小，转速表或测速机消耗的功率占了微电机大部分，更有甚者微电机甚至拖不动这些仪表，所以对微电机的测速，这二种方法不适用。
霍尔元件测速法和光电码盘测速法的测速方法基本类似，都是在转轴上装一个很轻巧的传感器，将电机的转动信号通过磁（霍尔元件）
或光（光电码盘）转换为电脉冲，从而通过计算电脉冲的个数来测速。
闪光测速法目前实际应用不广泛，主要是光源的问题。
本课题研究的是其中的光电码盘测速法。
第2章工作原理
2.1设计思路
系统主要由AT89S52单片机处理系统、电机、传感器检测单元、信号处理单元和显示系统等几个部分组成如图2-1所示。
图2-1系统结构
2.2器件选择
2.2.1信号采集及其处理单元
本设计中采用对射式光电传感器测量电机转速。
当不透光的物体挡住发射与接收之间的间隙时，开关管关断，反之打开。
可以制作一个遮光叶片如图2-3所示，安装在电机转轴上，当叶片转动时，光电开关产生脉冲信号。
当叶片数较多时，旋转一周可以获得多个脉冲信号。
假设系统采用10个叶片，在一秒钟的产生了100脉冲，则电机的转速就为10r/s。
图2-2传感器
2.2.2转速测量原理
本设计采用频率测量法，其测量原理为，在固定的测量时间，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ml,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。
2.2.3检测装置安装
此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2-4,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，用丁连接发光二极管和光敏三极管，其中发光二极管的红线连接其正极，绿线连接其负极，光敏三级管的红线连接其集电极，绿线连接其发射极。
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，等丁其上的齿数。
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，而且可测转速围大,一般为1r/s〜104r/s以上，精确度高
传感器
信号盘
支架
图2-4转速检测装置
2.2.4信号处理电路
被测物理量经过传感器变换后，变为电阻、电流、电压、电感等某种电参数的变化值。
为了进行信号的分析、处理、显示和记录，须对信号作放大、运算、分析等处理，这就引入了中间变化电路。
根据系统需要设计了如图2-5所示的中间变换电路。
其中，R1、R4起限流作用，R2起分流作用，R3为输出电阻。
当转盘上的梯形孔旋转至与光电开关的透光位置重合时，输出低电平；当通光孔被遮住时，输出高电平。
图2-5电路图
目前，光电开关已被用作物位检测、液位控制、产品计数、宽度判别、速度检测、定长剪切、孔洞识别、信号延时、自动门传感、色标检出、冲床和剪切机
以及安全防护等诸多领域。
此外，利用红外线的隐蔽性，还可在银行、仓库、商店、办公室以及其它需要的场合作为防盗警戒之用。
光电开关把发射端和接收端之间光的强弱变化转化为电流的变化以达到探测的目的。
由丁光电开关输出回路和输入回路是电隔离的（即电缘绝），所以它可以在许多场合得到应用。
光电传感器具有线性度好、分辨率高、噪音小和精度高、无触点、无机械碰撞、响应快、控制精度高，而且能识别色标等优点，在此我们选择光电转速传感器来进行转速的检测。
2.3主控单元
2.3.1单片机处理电路
如下图所示，X1为12MHz的晶振，9口为复位接口，通过开关控制。
用丁测量转速的脉冲通过P3.5/T1输入单片机，用AT89S52的定时计数器T1对脉冲信号进行计数，用定时计数器T0进行定时，每10ms产生一个中断对1602LCD液晶显示屏进行刷新，产生100个中断后（即1s）,进行一次转速处理，再通过单片机对T1的脉冲数进行运算转换后，用1602LCD液晶显示屏显示电机的转速。
如图2-6所示：
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ATW：
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图2-6AT89S52单片机处理电路
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2.3.2时钟电路
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。
本设计中此采用部时钟方式，如图2-7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，向部时钟电路提供振荡时钟。
振荡器的频率取决丁晶振的振荡频率，振荡频率围为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。
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XTALZ
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图2-7时钟电路连接图
2.3.3复位电路
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10所示，本设计采用手动复位，用一个电容与一个10K电阻申联组成，电阻接VCC,电容接地,RESET脚接在它们中问，RC选择10uF,按键与200R电阻申联，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。
UT
图2-8AT89S52单片机处理电路
Ffl
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P1j*
F3LWTH
F1J
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P1fi
P3.arojH
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*里圣二HxMHzst-g工Hf-=S_1±.T-_1L一
2.3.4双耦合原理判断电机的正反转
根据两个光电传感器输出的相位（也就是两个光线出现的先后）就可以判断转向。
在增量编码器部输出就是使用这个理论来处理转向的信息。
2.3.5液晶显示模块电路
图2-9是液晶模块LCD1602与单片机的接口电路。
液晶模块的1脚和2脚分别接入电源的地和电源。
3~10脚分别接单片机的8个P2口。
11、13脚接单片机P3.0、P3.2,12脚接地，表示LCD的使能，是读取还是写入信号，是传输数据还是将指令由单片机部程序作用实现。
14脚通过一个10K可调电阻接地，使得LCD的显示的对比度适中，防止由丁对比度过高产生“鬼影”。
第3章软件设计
3.1语言的选用
本设计中采用的处理器是AT89S52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"，这两种语舌各有特点。
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设计语言，在国际上十分流行，它即可用来编写计算机系统程序，也可以用来编写一般的应用程序。
以前计算机的系统软件主要是用汇编语言编写的，对丁单片机应用系统来说更是如此。
由丁汇编语言程序的可读性和可移植性都较差，采用汇编语言编写单片机应用程序的周期长，而且调试和排错也比较困难。
C语言具有很好的可移植性和硬件控制能力，表达和运算能力也较强。
3.2程序设计流程图
本系统用计数程序采集信号脉冲，用定时器产生中断，对1602LCD液晶显示
屏刷新和缓冲区数据进行更新，辅以1602LCD液晶显示屏进行显示。
计数程序流程说明：
将定时器设置为方式1,对外部脉冲进行计数，并判断Flag_clac的值。
当Flag_calc=1时，将脉冲的数值由十六进制转换成十进制，按转速转换公式转换后，载入数据缓冲区。
定时器程序说明：
定时器设置为方式1,定时10ms。
当定时达到10ms时，产生中断，对1602LCD液晶显示屏进行刷新，显示转速，并使时间计数标志T加1。
当时间计数标志T=500时，使Flag_calc置1,取出计数器在此时间计算的脉冲数，通过转速计算程序计算得出转速值后，存入数据缓冲区，供1602LCD液晶显示屏显示使用。
图3-1定时显示程序流程图
第4章仿真分析
4.1仿真电路
■43
1415-
ALE
30pF
ICRYS'/
P2B0A8
C2
30pF
J1B0I2
P1B1T2EX
P1B2
P1B3P1B4P1B5MOSIP1B6MISOP1B7SCKRSTP3B0RXD
P3B1TXDP3B2INT0
P3B3INT1P3B4T0P3B5T1P3B6WRP3B7RD
21
T
GND
U4
R7
6kQ
VCC
P0B0AD0
P0B1AD1
P0B2AD2
P0B3AD3
P0B4AD4
P0B5AD5
P0B6AD6
P0B7AD7
P2B7A15
P2B6A14
P2B5A13
P2B4A12
P2B3A11
P2B2A10
P2B1A9
U3
VCC
5V
GND
TLP521-1
R1kQ
R9
2kQ
O
>AMP_3T_VIRTUAL
U
R10
1.8kQ
Wv-
18kQ
图4-1电机测转速电路图
4.2程序编译
与以往的80C51单片机不同，AT89S52具有在线调试和下载功能，它由支持AT89S52的开发工具包KeiluVersion4.0开发系统来提供。
也就是说，在用户系统保留AT89S52的情况下，通过开发系统与AT89S52的申行接口通信，直接对用户系统进行调试，并在调试完成后将调试好的程序下载到AT89S52中。
Keil
uVersion4.0开发系统提供四项功能：
编译、下载、调试和模拟，分别由Keil
uVersion4.0提供的编译器、在线申行下载器、调试器和模拟器来实现。
Keil
uVersion4.0编译器可在Windows操作系统下直接使用，编译C语言源程序，并生成16进制文件和列表文件。
调试器采用Windows系统，允许用户使用AT89S52的UART申行接口在芯片上调试代码执行。
在典型调试对话中，调试器提供对片所有外围设备的访问、单步和设置断点的代码执行控制方式。
模拟器采用Windows
系统，能完全模拟AT89S52的所有功能。
模拟器使用简单，结合了许多标准调试特征，包括多断点、单步以及代码执行跟踪等能力。
4.3仿真结果
4.3.1光电耦合电路仿真
用脉冲电压源实现发光二极管的有频率的亮暗，实现电机上转盘遮挡光线的效果。
仿真电路如下：
仿真结果为:
16.
丐smffiiil理<
913
431
139m
179m20Bm
时间曲
220m
24Dm
图4-3光电耦合电路仿真结果可见电路可以正常输出一个方波。
4.3.2放大电路仿真
此放大电路的Ri=2kQ、R2=1.8kQ、R3=18kQ。
由Uo=（I+R3/R1）Ui=10Ui可得次放大倍数应为10。
此仿真由函数信号发生器输出一个频率为100Hz、占空比为50%、振幅为10Vp的方波，最后由示波器输出结果。
仿真电路图如下：
图4-4放大电路
仿真后的结果为图4-5
图4-5仿真波形
从仿真结果图4-5可以看出，当输入的电压值为505.197mV时，输出结果为5.051V，可得放大倍数约等丁10与预设值相同。
将耦合电路和放大电路连在一起后，同样用脉冲电压源实现转盘遮光效果,然后用示波器显示结果。
电路图如下：
图4-6耦合和放大电路和在一起的电路图
仿真结果为:
电路5
142
142
9.B
:
54、
54
9783m-
AI•
也
A
■a|>
I，*—L-n-jL|mU|l-l
P-T杏Wh
T4
-34
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71m
133m195m
■
257m
319it
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1
E
图4-7耦合和放大电路和在一起的电路的仿真结果
从图可以看出耦合电路产生的方波被放大电路正常放大
通过叶片在对射式传感器问转动，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，实物图如下。
图4-9测速时
本设计利用对射式光电开关采集转速信号，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，辅以1602LCD液晶显示
屏显示。
本设计存在的问题：
（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
的转速值小丁实际的转速值。
根据转速计算方法（若转盘齿数为10）,Vmax=65536*60s/（10*1）=39321r/min,所以本系统不能测量围不能超过此值。
（2）通过T1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3u麟如此可计算（转盘齿数为10），系统能测量的转速需低丁：
Vmax=60s/（3us*10）=6000000r/min。
（3）此外，光电开关的反应速度也会对转速测量值的大小产生影响。
若转速过快，则光电开关来不及处理，这样会造成测速不准，甚至测不出数值。
针对存在的问题，可以采取以下方法改进：
（1）采用时钟频率更高、定时/计数器位数更多的单片机来处理脉冲，现某些高速单片机可达到40MHz的处理速度，可以大大提高测速围。
（2）应用反应速度更快的传感器来做光电开关。
现在高速光电开关的响应速度可达到0.1ms,每分钟可进行30万次检测操作，这样就能检出高速转动的微小物体。
综上所述，在测速过程中，虽然由丁硬件的缘故，未能实现对高速的测量，但本装置结构简单、实用，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，而且可以达到一般工业测速的测量标准，具有广泛的前景。
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