光电测速装置的设计.docx

1、光电测速装置的设计第1章概述 11.1研究意义 11.2发展现状与应用领域 1第2章工作原理 32.1设计思路 32.2器件选择 32.3主控单元 6第3章软件设计 93.1语言的选用 93.2程序设计流程图 9第4章仿真分析 114.1仿真电路 114.2程序编译 114.3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

2、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

3、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

4、 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

5、=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

6、码数为 60,测量时间为t,测量到的脉冲数为N,则 n=N/t o(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

7、，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

8、.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，

9、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。

10、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/s104 r/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

11、-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

12、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/T 1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：2B-J asU： AL,PH.WTJ F- 1.rT2EX二_ATW：#PD.IiADl PO 21702 PD3CADJ PD*AMP_3T_VIRTUALU

13、R101.8k Q 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Keil uVersion4.0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。KeiluVersion4.0开发系统提供四项功能：编译、下载、调试和模拟，分别由 KeiluVersion4.0提供的编译器、在线申行下载器、调试器和模拟器来实现。 KeiluVersion4.0编译

14、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:1 6.丐 smffiiil

15、理I，* L-n-j L| m U| l-lP-T 杏WhT4-3 4-7.S-7.812 3皿3S91却71m13 3m 195m25 7m31 9iti时间渺）.IS A1E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

16、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

17、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

18、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。参考文献1廖志农，郭新年.

19、PLC原理及应用M.大学,2010: 1-26.2弭洪涛.可编程序控制器 PLC原理及应用M.中国水利水电，1999: 1-29.3田淑珍.S7-200 PLC原理及应用M.机械工业，2009: 1-50.4活，海涛.变频器与电动机控制电路解读M.电子工业.2011: 210-226.5机电学院电机系.三相异步电动机原理、设计与试验M.科学,1977: 1-10.6龙吉，伟.电子中文语音报警系统J.电气时代，1993,13(11):8-9.7晓东.实用汽车倒车电子保安装置J.电子世界，2004,11(01):54-56.8董子和，永辉.超声波测距系统的建立及其在汽车防撞系统的应用 J.汽车电器,1997,26(01):4-6.