基于光电传感器的转速测量系统设计Word文档下载推荐.docx

1、要求：（1）性能指标：测速范围： 03000RPM ，测量精度： 0.5RPM ；（2）根据题意，明确测速系统性能指标及系统能完成的功能；（3）根据系统要求，选择合适的传感器（尽量选择实验室中已有的传感器） ；（4）设计传感器测量电路；（5）选择单片机的品种、型号，设计单片机的外围测量电路；（6）计算有关的电路参数， 有条件的情况下， 根据实验室现有设备进行实验数据的测取， 明确测量电路输出与被测非电量的关系；（7）画出系统原理框图（此部分放在说明书的开始） ；（8）画出系统电路图，最好用 PROTEL画；（9）在说明书中详细说明本系统工作原理。3课程设计任务及工作量的要求包括课程设计计算说明

2、书、图纸、实物样品等要求（1）给出设计说明书一份；（2）有条件的情况下尽量给出必要的实验数据；（3）在说明书中附上完整的系统电路原理图（手画或用 PROTEL画）4主要参考文献1、 李现明，吴皓编著 .自动检测技术 .北京：机械工业出版社， 20092、 徐仁贵 .单片微型计算机应用技术 .北京：机械工业出版社 .20013、 陈爱弟 .Protel99 实用培训教程 .北京：人民邮电出版社 .20005课程设计进度安排起止日期工作内容13 年 6 月 4 日布置设计任务，熟悉课题，查找资料；13 年 6 月 5 日结合测控对象，选择合适的传感器，理解传感器性能；13 年 6 月 6 日设计传

3、感器测量电路，选择合适的单片机，设计其外围电路；13 年 6 月 7 日设计电路参数， 有条件情况下， 在实验室进行实验， 进一步理解测 量电路输入输出关系；13 年 6 月 8 日继续设计论证电路参数，完善系统设计方案；13 年 6 月 9 日查找资料，理解系统各部分工作原理；13 年 6 月 10 日理清系统说明要点，着手设计说明书的书写；13 年 6 月 11 日书写设计说明书，充分理解系统每一部分作用；13 年 6 月 12 日完善设计说明书，准备设计答辩。13 年 6 月 14 日设计答辩。6成绩考核办法平时表现 30%，设计成果 40%，答辩表现 30%.教研室审查意见：教研室主任

4、签字：院（系、部、中心）意见：主管领导签字：、课程设计正文1、光电传感器的应用概述2、系统工作原理及方案（1）系统框图（2）光电传感器原理（3） 转速测量原理3、系统硬件电路设计（1）光电转换及信号调理电路（2）脉冲产生电路设计4、系统软件电路设计（1） AT89C52 基本性能及最小系统（2）系统软件程序设计（3）系统仿真结果5、课程设计总结6、主要参考文献7、附录1.概述转速测量系统的发展背景随着超大规模集成电路技术提高，尤其是单片机应用技术以其功能强大，价格低廉的 显著特点，使全数字化测量转速系统得以广泛应用。由于单片机在测量转速方面具有体积 小、性能强、成本低的特点，越来越受到企业用户

5、的青睐。本设计课题的目的和意义在工程实践中，经常会遇到各种需要测量转速的场合， 例如在发动机、电动机等旋 转设备的试验、 运转和控制中， 常需要分时或连续测量和显示其转速及瞬时转速。 要测速， 首先要解决是采样问题。本课程设计使用单片机 AT89C52 采样信号。因此转速的测试具 有重要的意义。2.系统工作原理及方案1.系统框图系统由传感器检测单元、信号调理放大电路，单片机 AT89C52 、LED 显示模块、系统 软件组成。其中信号调理电路包含信号放大、波形变换和波形整形。对待测信号进行放大 的目的是降低对待测信号的幅度要求；波形变换和波形整形电路则用来将放大的信号转换 成可与单片机匹配的

6、TTL信号；通过对单片机的编程设置可使内部定时器 T0 对输入脉冲进 行计数，这样就能精确地算出加到 T0 引脚的单位时间内检测到的脉冲数；系统的原理框图如下所示检测原理光电传感器是利用光电转换原理， 来检测机械量转速的传感元件， 将光源发出的光 调制成与转速相关的光信号， 再转换成电信号， 通过检测信号频率或状态图形来测量转 速。光电光转速传感器主要由光源，调制盘，光电转换元件三个部分组成。电检测方法 具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活 多样。光电传感器一般可以分为两大类：直射式、反射式。基本的原理就是当发射管光照 射到接收管时，接收管导通，反之关断

7、。脉冲发生源的硬件结构图如图所示。图 1 脉冲发生源硬件结构图（左为正视图，右为侧视图）直射式光电转速计的工作原理如图 1和图 2，被测转轴上装有调制盘， 调制盘是带孔 或者带齿的圆盘，带孔的如图 1，带齿的如图 3，调制盘的一边放置光源，另一边放置光 电元件。调制盘随轴转动，当光线通过小孔或齿缝时，光电元件就发生一个电脉冲。转 轴连续转动，光电元件就输出一列与转速及调制盘上的孔（或齿）数成正比。电脉冲输 入测量电路后经放大整形，再送入频率计技术现实。图 2 光电传感器的原理图图 3 遮光叶片转速测量原理般的转速长期测量系统是预先在轴上安装一个有 60 齿的测速齿盘， 当测速齿槽旋转 一周，光

8、敏元件就能感受与开孔数相等次数的光次数，即每转一周产生 60 个电脉冲信号临时性转速测量系统，多采用光电传感器，从转轴上预先粘贴的一个标志上获得一转一个 转速脉冲，随后利用电子倍频器和测频方法实现转速测量。不论长期或临时转速测量，都 可以在微处理器的参与下，通过测量转轴上预留的一转一齿的鉴相信号或光电信号的周 期，换算出转轴的频率或转速。即通过速度传感器，将转速信号变为电脉冲，利用微机在 单位时间内对脉冲进行计数，再经过软件计算获得转速数据。即:n=N/ （mT）n 转速、单位 :转/ 分钟 ;N 采样时间内所计脉冲个数 ;T采样时间、单位 :分钟 ;m 每旋转一周所产生的脉冲个数 （ 通常指

9、测速码盘的齿数 ） 。通常 m=60 ， 那么 1 秒钟内脉冲个数 N 就是转速 n ， 即:n=N/ （mT） =N/60 1/60=N3.系统硬件电路的设计系统硬件部分包含输入模块、显示模块、控制模块、测速模块等。在硬件搭建前，先 通过 Proteus Pro 7.5 进行硬件仿真实现。光电转换及信号调理设计 由于系统需要将光信号转换为电信号，因而需要使用光电传感器并设计相应的信号调 理电路，以得到符合要求的脉冲信号，送给单片机 AT89C52 进行计数，同时得到计数的 时间，由单片机进行相关计算以得到电动机转速。传感器将电机的转速信号转变成了电脉冲信号，该信号经过 LM358 集成运放整

10、形驱动，送到单片机进行脉冲计数，从而测出电 动机转速。介绍一下 LM358, ：LM358 里面包括有两个高增益、独立的、内部频率补偿的双运放，适用于电压范围很宽的单电源，而且也适用于双电源工作方式，它的应用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运放的地方使用。光电转换部分与单片机的连接框图如图所示脉冲产生电路设计由于 proteus 不能仿真光电传感器， 则用一个方波代替光电传感器的将光信号转换成电信 号的输出。如图发现，方波电压的幅值已经被放大，将这个信号输入单片机中作脉冲计数4.系统软件电路设计AT89C52 基本性能单片机我们选用 AT89C52 （引脚图如下）

11、 AT89C52 是一个低电压，高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 8k bytes 的可反复擦写的 Flash 只读程序存储器和 256 bytes 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 处理器和 Flash 存储单元，功能强大的 AT89C52 单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。AT89C52 有40个引脚， 32个外部双向输入 /输出（ I/O ）端口，同时内含 2个外中断口， 3个16 位可编程定时计数器 ,2 个全双工串行通信口， 2 个读写口线， AT

12、89C52 可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和 Flash 存储器结合在一起，特 别是可反复擦写的 Flash 存储器可有效地降低开发成本AT89C52 引脚图单片机最小系统单片机最小系统包括时钟电路和复位电路。单片机工作时，从取指令到译码再进行微 操作，必须在时钟信号控制下才能有序地进行，时钟电路就是为单片机工作提供基本时钟 的。单片机的时钟信号通常有两种产生方式：内部时钟方式和外部时钟方式。内部时钟方 式的原理电路如下图所示。在单片机 XTAL1和 XTAL2引脚上跨接上一个晶振和两个稳频电 容，可以与单片机片内的电路构成一个稳定的自激振荡器。外接电容的作用是对

13、振荡器进 行频率微调，使振荡信号频率与晶振频率一致，同时起到稳定频率的作用，一般选用 2030pF 的瓷片电容。复位电路是利用电容充电来实现复位。在电源接通瞬间， RST引脚 上的电位是高电平（ Vcc ），电源接通后对电容进行快速充电，随着充电的进行， RST引脚 上的电位也会逐渐下降为低电平。最小系统如图所示显示电路设计led 数码管（ LED Segment Displays ）是由多个发光二极管封装在一起组成“ 8”字型的器件，引线已在内部连接完成，只需引出它们的各个笔划，公共电极。 led 数 码管常用段数一般为 7 段有的另加一个小数点， led 数码管根据 LED 的接法不同分

14、为共阴和共阳两类，了解 LED 的这些特性，对编程是很重要的，因为不同类型的数 码管，除了它们的硬件电路有差异外，编程方法也是不同的。共阴和共阳极数码管， 它们的发光原理是一样的，只是它们的电源极性不同而已。内部电路如下：点 亮 LED 显 示 器 有 两 种 方 式 ： 一 是 静 态 显 示 ， 二 是 动 态 显 示 。 动态显示，就一位一位地轮流点亮各位显示器（扫描） ，对于每一位显示器来说，每隔一段时间点亮一次。显示器的亮度既与导通电流有关，也与点亮时间和间隔时间的比例有关。调整电流和时间参数，可实现亮度较高较稳定的显示。本 文采用 4 位 LED 动态显示电路如图根据设计的复位、晶

15、振、显示电路电路，我们做了一张总电路图程序设计方案本系统采用89C52 中T0定时器和T1计数器配合使用对转速脉 冲定时计数。计数器T1工作于计数状态对外部脉冲进行计数；TO工作为定时器 方式每次 定时 50ms ，采 用 60次中 断，即 在 计数 器T1在3秒 钟内 对外 部脉 冲进 行计 数 ，然后根据3秒钟内的计数值推算出。（1）定时 /计数器的初始化 定时/ 计数器的方式控制字TMOD ， TMOD 是一个不可按位寻址的特殊功 能 寄存 器， 其高 四位 专 供T1作计 数用 ，低 四位 供T0作定 时用 。（ 1 ） 定 时 / 计 数 器 的 启 动 方 式 为 GATE=0 ，

16、用 软 件设置使 TOCN 中的 运行 控制 位TR0和 TR1为1，就可以 启动T0和 T1， 称为软启动。（ 2 ） C/T: 定 时 / 计 数 器 方 式 选 择 位 ， C/T =0 时 作 定 时 器 用 。 C/T=1 作 计 数器用。（ 3 ） M1M0 工 作 方 式 选 择 位 ，这 里 我 们 选 M1M0=01 ，方 式 一 ，作16位定时/计数器用。综 上 所 述 ， 我 们 给 TMOD 应 赋 给 二 进 制 的 01010001B ， 是 十 六 进 制 的 0x51 。 TMOD=0x51.TMOD 寄存 器如下 表：GATEC/TM1M0T1 T0对 定时

17、器T0与计数器 T1的 初始 化程序 如下timer_init（） / 初始化子程序 EA=1; / 开中断总允许ET0=1; / 开定时器 T0中断允许ET1=1; / 开计数器 T1中断允许TMOD =0X51; /TMOD=01010001BTH0=（65535 -50000） / 256; / 初值的高位。定时器一个机器周期加 1，一次中断为 50ms对应 50000 个机器周期（振荡频率为 12MHZ ）TL0=（65535 -50000） %256; / 初值的低位TH1=0; /T1 作计数器用，初值定为 0x00TL1=0;TR0=1; / 软启动方式TR1=1;（2）定时器中

18、断程序中断部分要对单片机产生的中断次数计数，定时器每次触发中断需要的时间为 50ms ，我们需要单片机在 3秒钟内对脉冲计数，所以要对中断计数 60次。中断程序要给 TH0， TL0赋初值，同时要开启定时器 T0定时器中断程序void timer0（） interrupt 1 n+;TR0=0; /T0 停止工作TR1=0; / 赋初值if（n =60） / 若n自加到60则停止计数，一次中断 50ms则60次中断就为 3s mm =0;mm |= TH1;mm =（mm 8）| TL1; / 赋初值 0n=0; /n 从头开始自加 /T0 开始工作显示部分程序本系统采用动态数码管显示，所以程

19、序如下：xian_shi（） uchar qian,bei,shi,ge; / 定义个十百千四个无符号整形参数uint jj;jj=mm;jj=jj/3;qian =jj/ 1000; / 将个十百千位对应的数分别找出来bei =jj%1000/ 100;shi=jj%100 / 10;ge =jj%10;P2=0x10; / 数码管的段选，如接线图 P2.4=1 ， 则左起第一个数码管显示P0=tableqian; / 将千位的值所对应的十六进制码点来亮该数码管的中的八个小二极管 delay（1）; / 作延时P2=0x20; / 段选，则左起第二个数码管显示P0=tablebei; / 将

20、百位的值所对应的十六进制码来点亮该数码管的中的八个小二极管 delay（1）; / 延时P2=0x40;P0=tableshi; / 十位delay（1）;P2=0x80;P0=tablege; / 个位5.仿真及结果我们这里给单片机 P3.5设置脉冲频率为 700 外接一个脉冲信号，来模拟关电开关给单片机的信号。仿真时，如图所示，显示电路的数码管上显示 700 。设置脉冲频率为 3000 ，如上图所示，显示电路的数码管上显示 30006.参考文献1李现明，吴皓编著 .自动检测技术 .北京：2徐仁贵 .单片微型计算机应用技术 .北京：3. 陈爱弟.Protel99实用培训教程 .北京：人民邮电

21、出版社 .20017.附录总的电路图设计总系统程序单片机总体程序如下：#include #define uchar unsigned char / 宏定义#define uint unsigned int uint mm =0; / 定义参变量uchar n;uchar code table =0xc0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90 ;/ 定义 编码表，给数码管复制delay（uint m） / 子程序调用，作延时用 uint i,j;for（i=m;i0;i-）/i 每加 1， j经过 60次自加for（j=60;jj-）;jj=j

22、j/ 3;bei =jj%1000 / 100; / 数码管的段选，如接线图中， P2.4=1 ，则左起第一个数码管显示 P0=tableqian; / 将千位的值所对应的十六进制码点来亮该数码管的中的八个小二极管 / 段选， P2.5=1则左起第二个数码管显示 / 将百位的值所对应的十六进制码来点亮该数码管的中的八个小 二极管 / 显示十位的数 / 显示个位的数timer_init（） / 中断初始化子程序定时器一个机器周期加 1，一次中断为 50ms 对应 50000 个机器周期（振荡频率为 12MHZ ）main（） / 主函数timer_init（）; / 中断初始化P0=0;whil

23、e （1） / 永远循环显示和延时xian_shi（）;delay（2）;void timer0（） interrupt 1 / “ 1”表示定时器中断 0n+; /n 从头开始自加 void timer1（） interrupt 3 / “ 3”表示计数器中断 TR1=0; /T1 停止计数mm =0;体会这次自动检测技术课程设计我们做了光电传感器测速，其中涉及到了光电传感器的应 用、单片机的使用以及 LED数码管的应用， 首先我学会了 protues 的使用方法，依据查找 的相关资料画出了相应的电路仿真图；然后我学会看怎么使用 keil 软件编程，将输入好的 程序生成 hex 文件，调用到 protues 中的单片机中， 然而我发现脉冲信号经过放大器接到单片机上会出现误差，相比脉冲经过放大电路后的波形的幅值小很多倍，虽然没能将脉冲 放大电路与单片机连接仿真成功，但我还是收益很多