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8315 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 13.6.36.14 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：03000RPM，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/601/60=N3.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2030pF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=01010001BTH0=(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0x00TL1=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3smm=0;mm|=TH1;mm=(mm8)|TL1;TH1=0；/赋初值0TL1=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=tableqian；/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=tablebei；/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=tableshi；/十位delay(1);P2=0x80;P0=tablege；/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700，如图所示，显示电路数码管上显示700。 设立脉冲频率为3000，如上图所示，显示电路数码管上显示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#define uchar unsigned char/宏定义#define uint unsigned intuint 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通过60次自加for(j=60;j0;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=tableqian；/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=tablebei；/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=tableshi；/显示十位数delay(1);P2=0x80;P0=tablege；/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=01010001BTH0=(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0x00TL1=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3smm=0;mm|=TH1;mm=(mm8)|TL1;TH1=0；/赋初值0TL1=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。