基于光电传感器的转速测量专业系统设计.doc

课程设计阐明书
成绩

题 目 基于光电传感器转速测量系统设计
课 程 名 称 电力电子技术课程设计
院（系、部、中心）
专 业 电气工程及其自动化
班 级
学 生 姓 名
学 号
设 计 时 间 . 6.3 ~ 6.14
设 计 地 点 工程实践中心8—315
指 导 教 师

课程设计任务书

课 程 名 称 检测技术与系统课程设计
院（系、部、中心） 电力工程学院
专 业 电气工程及其自动化
班 级 电气101
起 止 日 期 13.6.3~6.14
指 导 教 师 许大宇

1．课程设计应达到目
通过对本课程设计，使学生掌握常用被测量检测原理、办法和技术，理解国内外对这些工程量进行测控系统组建原理，通过对检测系统设计与分析，增强学生理解和运用所学知识来解决实际问题能力,逐渐掌握依照详细测控规定、性能指标设计出先进测控系统办法和技术。
2．课程设计题目及规定
题目：基于接近传感器转速测量系统设计
规定：
（1）性能指标：测速范畴：0~3000RPM，测量精度：±0.5RPM；
（2）依照题意，明确测速系统性能指标及系统能完毕功能；
（3）依照系统规定，选取适当传感器（尽量选取实验室中已有传感器）；
（4）设计传感器测量电路；
（5）选取单片机品种、型号，设计单片机外围测量电路；
（6）计算关于电路参数，有条件状况下，依照实验室既有设备进行实验数据测取，明确测量电路输出与被测非电量关系；
（7）画出系统原理框图（此某些放在阐明书开始）；
（8）画出系统电路图，最佳用PROTEL画；
（9）在阐明书中详细阐明本系统工作原理。

3．课程设计任务及工作量规定〔涉及课程设计计算阐明书、图纸、实物样品等规定〕
(1) 给出设计阐明书一份；
(2) 有条件状况下尽量给出必要实验数据；
(3) 在阐明书中附上完整系统电路原理图（手画或用PROTEL画）。

4．重要参照文献
1、 李现明，吴皓编著.自动检测技术.北京：机械工业出版社，
2、 徐仁贵.单片微型计算机应用技术.北京：机械工业出版社.
3、 陈爱弟.Protel99实用培训教程.北京：人民邮电出版社.

5．课程设计进度安排
起 止 日 期
工 作 内 容
6月4日
布置设计任务，熟悉课题，查找资料；
6月5日
结合测控对象，选取适当传感器，理解传感器性能；
6月6日
设计传感器测量电路，选取适当单片机，设计其外围电路；
6月7日
设计电路参数，有条件状况下，在实验室进行实验，进一步理解测量电路输入输出关系；
6月8日
继续设计论证电路参数，完善系统设计方案；
6月 9日
查找资料，理解系统各某些工作原理；
6月 10日
理清系统阐明要点，着手设计阐明书书写；
6月 11日
书写设计阐明书，充分理解系统每一某些作用；
6月 12日
完善设计阐明书，准备设计答辩。
6月 14日
设计答辩。
6．成绩考核办法
平时体现30%，设计成果40%，答辩体现30%.
教研室审查意见：

教研室主任签字：

年 月 日
院（系、部、中心）意见：

主管领导签字：

年 月 日

目 录
二、课程设计正文
1、光电传感器应用概述
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）系统仿真成果
5、课程设计总结
6、重要参照文献
7、附录

1.概述
转速测量系统发展背景
随着超大规模集成电路技术提高，特别是单片机应用技术以其功能强大，价格低廉明显特点，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备体积小、性能强、成本低特点，越来越受到公司顾客青睐。
本设计课题目和意义
在工程实践中，经常会遇到各种需要测量转速场合， 例如在发动机、电动机等旋转设备实验、运转和控制中，常需要分时或持续测量和显示其转速及瞬时转速。要测速，一方面要解决是采样问题。本课程设计使用单片机AT89C52采样信号。因而转速测试具备重要意义。
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、系统软件构成。其中信号调理电路包括信号放大、波形变换和波形整形。对待测信号进行放大目是减少对待测信号幅度规定；波形变换和波形整形电路则用来将放大信号转换成可与单片机匹配TTL信号；通过对单片机编程设立可使内部定期器T0对输入脉冲进行计数，这样就能精准地算出加到T0引脚单位时间内检测到脉冲数；系统原理框图如下所示。

2.光电传感器原理
检测原理
光电传感器是运用光电转换原理，来检测机械量转速传感元件，将光源发出光调制成与转速有关光信号，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。光电光转速传感器重要由光源，调制盘，光电转换元件三个某些构成。电检测办法具备精度高、反映快、非接触等长处，并且可测参数多，传感器构造简朴，形式灵活多样。
光电传感器普通可以分为两大类：直射式、反射式。基本原理就是当发射管光照射到接受管时，接受管导通，反之关断。
脉冲发生源硬件构造图如图所示。

图1脉冲发生源硬件构造图（左为正视图，右为侧视图）
直射式光电转速计工作原理如图1和图2，被测转轴上装有调制盘，调制盘是带孔或者带齿圆盘，带孔如图1，带齿如图3，调制盘一边放置光源，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，光电元件就发生一种电脉冲。转轴持续转动，光电元件就输出一列与转速及调制盘上孔（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光电传感器原理图 图3遮光叶片
转速测量原理
普通转速长期测量系统是预先在轴上安装一种有60 齿测速齿盘，当测速齿槽旋转一周，光敏元件就能感受与开孔数相等次数光次数，即每转一周产生60个电脉冲信号。暂时性转速测量系统，多采用光电传感器，从转轴上预先粘贴一种标志上获得一转一种转速脉冲，随后运用电子倍频器和测频办法实现转速测量。无论长期或暂时转速测量，都可以在微解决器参加下，通过测量转轴上预留一转一齿鉴相信号或光电信号周期，换算出转轴频率或转速。即通过速度传感器，将转速信号变为电脉冲，运用微机在单位时间内对脉冲进行计数，再通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 ———每旋转一周所产生脉冲个数(普通指测速码盘齿数) 。
普通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=N
3.系统硬件电路设计
系统硬件某些包括输入模块、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信号调理电路，以得到符合规定脉冲信号，送给单片机AT89C52进行计数，同步得到计数时间，由单片机进行有关计算以得到电动机转速。传感器将电机转速信号转变成了电脉冲信号，该信号通过LM358集成运放整形驱动，送到单片机进行脉冲计数，从而测出电动机转速。
简介一下LM358,：LM358里面涉及有两个高增益、独立、内部频率补偿双运放，合用于电压范畴很宽单电源，并且也合用于双电源工作方式，它应用范畴涉及传感放大器、直流增益模块和其她所有可用单电源供电使用运放地方使用。

光电转换某些与单片机连接框图如图所示

脉冲产生电路设计
由于proteus不能仿真光电传感器，则用一种方波代替光电传感器将光信号转换成电信号输出。

如图发现，方波电压幅值已经被放大，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
单片机咱们选用AT89C52（引脚图如下）AT89C52是一种低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes可重复擦写Flash只读程序存储器和256 bytes随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司高密度、非易失性存储技术生产，兼容原则MCS-51指令系统，片内置通用8位中央 解决器和Flash存储单元，功能强大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，同步内含2个外中断口，3个16位可编程定期计数器,2个全双工串行通信口，2 个读写口线，AT89C52可以按照常规办法进行编程，也可以在线编程。其将通用微解决器和Flash存储器结合在一起，特别是可重复擦写 Flash存储器可有效地减少开发成本。

AT89C52引脚图

单片机最小系统
单片机最小系统涉及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，必要在时钟信号控制下才干有序地进行，时钟电路就是为单片机工作提供基本时钟。单片机时钟信号普通有两种产生方式：内部时钟方式和外部时钟方式。内部时钟方式原理电路如下图所示。在单片机XTAL1和XTAL2引脚上跨接上一种晶振和两个稳频电容，可以与单片机片内电路构成一种稳定自激振荡器。外接电容作用是对振荡器进行频率微调，使振荡信号频率与晶振频率一致，同步起到稳定频率作用，普通选用20~30pF瓷片电容。复位电路是运用电容充电来实现复位。在电源接通瞬间，RST引脚上电位是高电平（Vcc），电源接通后对电容进行迅速充电，随着充电进行，RST引脚上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）是由各种发光二极管封装在一起构成“8”字型器件，引线已在内部连接完毕，只需引出它们各个笔划，公共电极。led数码管惯用段数普通为7段有另加一种小数点，led数码管依照LED接法不同分为共阴和共阳两类，理解LED这些特性，对编程是很重要，由于不同类型数码管，除了它们硬件电路有差别外，编程办法也是不同。共阴和共阳极数码管，它们发光原理是同样，只是它们电源极性不同而已。内部电路如下：

点亮LED显示屏有两种方式：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屏（扫描），对于每一位显示屏来说，每隔一段时间点亮一次。显示屏亮度既与导通电流关于，也与点亮时间和间隔时间比例关于。调节电流和时间参数，可实现亮度较高较稳定显示。本文采用4位LED动态显示电路如图

图6 4位动态LED显示电路
依照设计复位、晶振、显示电路电路，咱们做了一张总电路图。

程序设计方案
本系统采用89C52中T0定期器和T1计数器配合使用对转速脉冲定期计数。计数器T1工作于计数状态对外部脉冲进行计数；TO工作为定期器方式每次定期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
依照3秒钟内计数值推算出。

（1）定期/计数器初始化
定期/计数器方式控制字TMOD，TMOD是一种不可按位寻址特殊功能寄存器，其高四位专供T1作计数用，低四位供T0作定期用。
（1） 定期/计数器启动方式为GATE=0，用软件设立使TOCN中运营控制位TR0和TR1为1，就可以启动T0和T1，称为软启动。
（2） C/T：定期/计数器方式选取位，C/T =0时作定期器用。C/T=1作计数器用。
（3） M1M0工作方式选取位，这里 咱们选M1M0=01，方式一，作16位定期/计数器用。
综上所述，咱们给TMOD应赋给二进制01010001B，是十六进制0x51。
TMOD=0x51.

TMOD寄存器如下表：

对定期器T0与计数器T1初始化程序如下
timer_init() //初始化子程序
{ EA=1；//开中断总容许
ET0=1；//开定期器T0中断容许
ET1=1；//开计数器T1中断容许
TMOD=0X51；//TMOD=01010001B
TH0=(65535-50000)/256；//初值高位。定期器一种机器周期加1，一次中断为50ms相应50000个机器周期（振荡频率为12MHZ）
TL0=(65535-50000)%256；//初值低位
TH1=0；//T1作计数器用，初值定为0x00
TL1=0;
TR0=1；//软启动方式
TR1=1;
}
（2）定期器中断程序
中断某些要对单片机产生中断次数计数，定期器每次触发中断需要时间为50ms，咱们需要单片机在3秒钟内对脉冲计数，因此要对中断计数60次。中断程序要给TH0，TL0赋初值，同步要启动定期器T0。
定期器中断程序
void timer0() interrupt 1
{ n++;
TR0=0；//T0停止工作
TR1=0;
TH0=(65535-50000)/256；//赋初值
TL0=(65535-50000)%256;
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;
TH1=0；//赋初值0
TL1=0;
n=0；//n从头开始自加
}
TR0=1；//T0开始工作
TR1=1;

}

显示某些程序
本系统采用动态数码管显示，因此程序如下：
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；//将个十百千位相应数分别找出来
bei=jj%1000/100;
shi=jj%100/10;
ge=jj%10;
P2=0x10；//数码管段选，如接线图P2.4=1，则左起第一种数码管显示
P0=table[qian]；//将千位值所相应十六进制码点来亮该数码管中八个小二极管
delay(1)；//作延时
P2=0x20；//段选，则左起第二个数码管显示
P0=table[bei]；//将百位值所相应十六进制码来点亮该数码管中八个小二极管
delay(1)；//延时
P2=0x40;
P0=table[shi]；//十位
delay(1);
P2=0x80;
P0=table[ge]；//个位
delay(1);
}
5.仿真及成果
咱们这里给单片机P3.5外接一种脉冲信号，来模仿关电开关给单片机信号。仿真时，设立脉冲频率为700Ｈｚ，如图所示，显示电路ＬＥＤ数码管上显示700。

设立脉冲频率为3000Ｈｚ，如上图所示，显示电路ＬＥＤ数码管上显示3000。

6.参照文献
1．李现明，吴皓编著.自动检测技术.北京：机械工业出版社，
2．徐仁贵.单片微型计算机应用技术.北京：机械工业出版社.
3. 陈爱弟.Protel99实用培训教程.北京：人民邮电出版社.

7.附录
总电路图设计

总系统程序
单片机总体程序如下：
#include<reg51.h>
#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;i>0;i--)//i每加1，j通过60次自加
for(j=60;j>0;j--);
}
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；//将个十百千位相应数分别找出来
bei=jj%1000/100;
shi=jj%100/10;
ge=jj%10;
P2=0x10；//数码管段选，如接线图中，P2.4=1，则左起第一种数码管显示
P0=table[qian]；//将千位值所相应十六进制码点来亮该数码管中八个小二极管

delay(1)；//作延时
P2=0x20；//段选，P2.5=1则左起第二个数码管显示

P0=table[bei]；//将百位值所相应十六进制码来点亮该数码管中八个小二极管

delay(1)；//作延时
P2=0x40;
P0=table[shi]；//显示十位数
delay(1);
P2=0x80;
P0=table[ge]；//显示个位数
delay(1);
}
timer_init() //中断初始化子程序
{ EA=1；//开中断总容许
ET0=1；//开定期器T0中断容许
ET1=1；//开计数器T1中断容许
TMOD=0X51；//TMOD=01010001B
TH0=(65535-50000)/256；//初值高位。定期器一种机器周期加1，一次中断为50ms相应50000个机器周期（振荡频率为12MHZ）
TL0=(65535-50000)%256；//初值低位
TH1=0；//T1作计数器用，初值定为0x00
TL1=0;
TR0=1；//软启动方式
TR1=1;
}

main()//主函数
{
timer_init();//中断初始化
P0=0；
while(1) //永远循环显示和延时
{
xian_shi();
delay(2);
}
}
void timer0() interrupt 1//“1”表达定期器中断0
{
n++;
TR0=0;TR1=0；//T0停止工作
TH0=(65535-50000)/256；//赋初值
TL0=(65535-50000)%256;
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;
TH1=0；//赋初值0
TL1=0;
n=0；//n从头开始自加
}
TR0=1；//T0开始工作
TR1=1;
}
void timer1() interrupt 3 //“3”表达计数器中断
{ TR1=0；//T1停止计数
TR0=0;
mm=0；
}
体会
这次自动检测技术课程设计咱们做了光电传感器测速，其中涉及到了光电传感器应用、单片机使用以及LED数码管应用，一方面我学会了protues用法，根据查找有关资料画出了相应电路仿真图；然后我学会看怎么使用keil软件编程，将输入好程序生成hex文献，调用到protues中单片机中，然而我发现脉冲信号通过放大器接到单片机上会浮现误差，相比脉冲通过放大电路后波形幅值小诸多倍，虽然没能将脉冲放大电路与单片机连接仿真成功，但我还是收益诸多。