光电转速计课程设计 李明威

河南工程学院 课程设计 光电转速计的设计与制作 学生姓名： 李明威 学 院： 电气信息工程学院 专业班级： 电子科学与技术 1141 专业课程： 光电子系统课程设计 指导教师： 张秋慧 2015 年 1 月 9 日 课程设计成绩评定标准及成绩 序号 评审项目 指 标 满分 评分 1 工作态度 遵守纪律，学习认真；作风严谨，踏实肯干。 5 分 2 工作量 按期圆满完成规定的任务，难易程度和工作量符合要求。 20 分 全勤： 得 10 分 有迟到、早退、请假现象： 得 8 分 旷课 1 天： 得 5 分 旷课 2 天： 得 2 分 3 出勤情况 旷课超过 2 天： 得 0 分 10 分 4 设计、实验 方案 能灵活运用相关专业知识，有较强的创新 意识，有独特见解，设计有一定应用价值。 30 分 5 实验技能 动手能力强，能独立完成安装、调试等实 际操作，能解决设计及实验过程中出现的 问题。 10 分 6 小组表现 注重团队合作，在小组中表现突出，对设 计方案的制定及选取起主要作用，在实验 操作过程中，承担主要执行者。 5 分 7 设计报告质 量 报告结构严谨合理；文理通顺，技术用语 准确，符合规范；图表完备、正确，绘图 准确、符合国家标准；。 20 分 合 计 评语： 等 级： （优秀、良好、中等、及格、不及格） 评阅人： 职称： 日 期： 年 月 日 目 录 1 引言 .1 1.1 课程设计的目的与意义 1 1.2 本设计的主要工作 1 2 设计方案 .2 2.1 方案结构图 2 2.2 单片机控制模块 2 2.3 信号采集模块 5 2.4 信号输出显示模块 6 2.5 报警模块 6 3 硬件电路 .7 4 软件设计 .7 4.1 Keil 软件编写程序 .7 4.2 Protues 进行硬件电路仿真 8 5 调试 8 5.1 LCD 显示初始化测试 8 5.2 系统测试 8 6 课程设计体会 9 参考文献 .10 附 录 .11 1 1 引言 在工业生产和科学实验中，转速的测量是一个很重要的问题。有关测量转 子速度的方法有很多，但大部分比较复杂。物体运动的速度可分为线速度和加 速度。随着生产过程自动化程度的提高，开发出了各种各样的检测线速度和角 速度的方法，如磁电式速度计、光电速度计、测速发动机等。 由于光电测量方法灵活多样，可测参数众多，一般情况下又具有非接触、 高精度、高分辨率、高可靠性和响应快等优点，加之激光光源、光栅、CCD 器 件、光导纤维等的相继出现和成功应用，以及电子技术、数字化的智能仪表的 迅速发展，使得光电传感器在检测和控制领域得到了广泛的应用。 常用的检测方法有机械式，光电式，霍尔式，频闪法，高压油管应变法等， 本课题主要是针对转速测量系统的硬件和软件系统的设计。运用 51 系列单片机 设计一种全数字化测速系统，从提高测量精度的角度出发，分析讨论其产生误 差的可能原因。同时从实际硬件电路出发，分析电路的工作原理，根据设计具 体情况提出修改方案和解决办法。 1.1 课程设计的目的与意义 本次课程设计的目的是完成以单片机为核心的光电式转速测量系统。 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、卷扬机、机床主轴等旋转设备的试验、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。在使用模 技术制作测速表时，常用测速发电机的方法，即将测速发电机的转轴与待测轴 相连，测速发电机的电压高低反映了转速的高低。为了能精确地测量转速外， 还要保证测量的实时性，要求能测得瞬时转速方法。因此转速的测试具有重要 的意义。 1.2 本设计的主要工作 首先在学校的电子图书馆搜集相关资料，通过比较，选出最合适的设计方 案。依照已选择的设计方案用 proteus 画图，通过 keil 软件编写程序，导入单片 机后调试程序，开始仿真，直至仿真结果正确，然后在焊接实验室进行焊接， 将元器件焊接完成后，最后调试电路，使其达到预期设计效果。 2 设计方案 2.1 方案结构图 图 1 课程设计方案结构图 2.2 单片机控制模块 单片机的最小系统包括晶振电路，复位电路，和单片机本身。 a.时钟电路 时钟电路是计算机的心脏，它控制着计算机的工作节奏。MCS-51单片机允 许的时钟频率是因型号而异的典型值为12MHZ。 MCS-51内部都有一个反相放大器，XTAL1、XTAL2分别为反相放大器输入和 输出端，外接定时反馈元件以后就组成振荡器，产生时钟送至单片机内部的各 个部件。AT89C51是属于CMOS8位微处理器，它的时钟电路在结构上有别于NMOS 型的单片机。 CMOS型单片机内部（如AT89C51）有一个可控的负反馈反相放大器，外接晶 振（或陶瓷谐振器）和电容组成振荡器，图42为CMOS型单片机时钟电路框图。 振荡器工作受/PD端控制，由软件置“1”PD（即特殊功能寄存器PCON.1）使 /PD0，振荡器停止工作，整个单片机也就停止工作，以达到节电目的。清 “0”PD，使振荡器工作产生时钟，单片机便正常运行。图中SYS为晶振或陶瓷 谐振器，振荡器产生的时钟频率主要由SYS参数确定（晶振上标明的频率）。电 容C1和C2的作用有两个：其一是使振荡器起振，其二是对振荡器的频率f起微调 作用（C1、C2大，f变小），其典型值为30pF。电路图如图2所示。 3 图 2 时钟电路 b.复位电路 计算机在启动运行时都需要复位，使中央处理器CPU和系统中的其它部件都 处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。 AT89C51单片机有一个复位引脚RST，它是史密特触发输入(对于CHMOS单片 机，RST引脚的内部有一个拉低电阻)，当振荡器起振后该引脚上出现2个机器周 期(即24个时钟周期)以上的高电平，使器件复位，只要RST保持高电平， AT89C51保持复位状态。此时ALE、PSEN、P0、P1、P2、P3口都输出高电平。RST 变为低电平后，退出复位，CPU从初始状态开始工作。 在加电瞬间，电容通过电阻充电，就在RST端出现一定时间的高电平，只要 高电平时间足够长，就可以使AT89C51有效的复位。RST端在加电时应保持的高 电平时间包括V CC的上升时间和振荡器起振的时间，V ss上升时间若为10ms，振荡 器起振的时间和频率有关。10MHZ时约为1ms，1MHZ时约为10ms，所以一般为了 可靠的复位，RST在上电应保持20ms以上的高电平。RC时间常数越大，上电RST 端保持高电平的时间越长。 若复位电路失效，加电后CPU从一个随机的状态开始工作，系统就不能正常 运转。复位电路如图3所示。 图 3 复位电路 c.51 单片机 单片机我们采用 AT89C51，AT89C51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只 读存贮器的低电压，高性能 8 位微处理器。该器件采用 ATMEL 高密度非易失存 储器制造技术制造，与工业标准的 MCS-51 指令集和输出管脚相兼容。由于将多 功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL 的 AT89C51 是一种高效 微控制器， AT89C 单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的 方案 1。AT89C51 的引脚图如图 4。 图 4 AT89C51 引脚图 5 2.3 信号采集模块 a 光电传感器部分 本设计使用分离式红外对管。如图 5。 图 5 红外对管 红外光电管有两种，一种是无色透明的 LED，此为发射管，它通电后能够 产生人眼不可见红外光，另一部分为黑色的接收部分，它内部的电阻会随着接 收到红外光的多少而变化。无论是一体式还是分离式，其检测原理都相同，由 于黑色吸光，当红外发射管照射在黑色物体上时反射回来的光就较少，接收管 接收到的红外光就较少，表现为电阻大，通过外接电路就可以读出检测的状态； 同理，当照射在白色表面时发射的红外线就比较多，表现为接收管的电阻较小， 此时通过外接电路就可以读出另外一种状态，如用电平的高低来描述上面两种 现象就会出现高低电平之分，也就是会出现所谓的 0 和 1 两种状态，此时再将 此送到单片机的 I/O 口，单片机就可以判断是黑白路面，进而完成相应的功能， 如循迹、避障等。 b 信号整形部分 本设计采用 555 定时芯片,使用 555 定时器构成一个施密特触发器，对信号 进行整形，得到一个较好的脉冲信号，以便于单片机识别信号。另外，加一个 电容进行滤波。 2.4 信号输出显示模块 显示模块是输出设备，是人机交互的重要环节。 显示电路采用 LCD 液晶显示,即 LCD1602，1602 液晶也叫 1602 字符型液晶， 它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。它由若干个 5X7 或者 5X11 等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位 之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用。 显示的内容为 16X2 字符,即可以显示两行，每行 16 个字符液晶模块（显示字符 和数字）。液晶如图 6 所示。 图 6 液晶 2.5 报警模块 该模块就是一个和单片机相连的蜂鸣器，当输出信号超过程序设置的上下 限时，就会发出声音来报警。蜂鸣器连接如图7。 图7 蜂鸣器连接示意图 7 3 硬件电路 根据所选方案，突出系统电路原理图，如图 8。 图 8 系统电路原理图 4 软件设计 软件设计包括在Keil中编写程序和Protues中进行硬件电路的仿真。 4.1 Keil 软件编写程序 a 新建工程：在“菜单栏”“Project”“New”“vision Project”输入要保存的工程名。根据单片机的型号选择 CPU,然后点击“确 定”。 b 新建文件并保存：文件名要带扩展名。用 C 语言编写的程序，扩展名为 “.c”,点击“保存”。 c 添加文件到工程：在工程管理器中，用鼠标右键点击“Source Group 1”,选择“Add File to Group Source Groutp 1“。 d 编写、编译程序。 e 生成 hex 文件。 4.2 Protues 进行硬件电路仿真 启动已安装软件Protues的ISIS，在弹出窗口的菜单栏中单击“文件” “新设计”选择“项目摸板”“确定”，绘制电路图。绘制电路图时， 单击元器件窗口上方的“P”按钮，在、窗口上方的“关键字”处键入所需器件 型号或名称，窗口中间的“结果”栏将显示元器件库中所有同系列的器件，选 择所需元件。如图9所示。 图9 Protuse元器件选择窗口 把所需的元器件放到编辑界面中，单片机、晶振、电阻、电容、开关、 LCD、蜂鸣器等，调整元件摆放位置和放置方向，进行电路连接，编辑修改元件 参数，完成电路设计。 借助Keil程序设计与汇编平台，结合课本实例，完成针对硬件电路的程序 设计、编译注意汇编后产生的“.HEX”文件的存储路径。 5 调试 5.1 LCD 显示初始化测试 搭建完成 LCD1602，下载程序，调试结果。在 LCD 上从左到右显示“ZHUAN SU JI”显示完毕后清屏，显示出示的转速。初始化完毕。 5.2 系统测试 连接电路，下载程序，单片机上电，进行系统测试。 初始化完成后，光电对管对检测盘进行检测，引入 INT1 引脚中，进行信号 采集及其处理，显示转速信息。 9 6 课程设计体会 整个课程设计过程是对自己大学三年所学知识归纳总结和应用，也就是把 理论知识用到实践之中去。让理论和实践相结合，以此产生实际的成果。而这 正是我们学习理论知识的目的之所在。除此之外，我们要在拥有扎实的专业知 识的前提条件下，在整个设计与调试过程中要有信心和耐心，对自己有信心， 相信自己能够很好的完成本次设计任务。在调试中不断发现问题进而解决问题， 这是一个再学习的过程，其本身就是对自己的一次锻炼，培养了自己独立思考， 动手解决问题的能力。从而从各个方面得到提高与完善了自己，使自己的各个 方面提高到一个新的台阶，同时为以后的工作打下基础。 通过这次课程设计，加强了我们动手、思考和解决问题的能力。在本次课 程设计中，特别要感谢老师以及同学给我们的热心帮助和鼓励，才使得我们的 课程设计能够很好的完成。 参考文献 1 曾一江.单片微机原理与接口技术M.科学出版社，2006 2 楼然苗.51 系列单片机设计实例（第二版）M.北京航空航天大学出版社 2006 3 周雪.模拟电子技术（第二版）M.西安电子科技大学出版社，2005 4 王秀杰.张畴先.模拟集成电路应用M.西北工业大学出版社，2003 5 高岳 王霞等.光电检测技术与系统(第 2 版)M.电子工业出版社,2009 6 沈癸和.光电传感器及其应用J. 桂林电子工业学院学报，1995,2:23-24 7 鲁刚强 .基于 PROTEUS 的单片机原理课程的教学应用J. 中国科教创新 导刊，2001,6:42-43 8 马忠梅.单片机的 C 语言应用程序设计（第四版）M.北京航空航天大学出 版社，2006 11 附 录 程序： #include #define uint unsigned int #define uchar unsigned char sbit rs = P2 0; sbit rw = P2 1; sbit en = P2 2; sbit jieshou = P2 6; uchar code Lcd1= “zhuan su ji“; uchar code Lcd2= “zhuan su:“; uint num; void delay(uint z) uint x,y; for(x=z;x0;x-) for(y=110;y0;y-); void WriteDat(uchar dat) P0=dat; rs=1;