课程设计（论文）-光电转速计的设计与制作.doc

光电转速计的设计与制作目 录1 引言11.1 课程设计的目的与意义11.2 本设计的主要工作12 设计方案22.1方案结构图22.2方案原理23硬件设计33.1光电采集模块33.2单片机最小系统44 软件设计74.1 keil软件设计程序74.2 proteus软件仿真75 硬件设计85.1 光电信号采集模块测试85.2 系统测试86 总结8参考文献10附件11图片111 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。物体的运动速度可分为线速度和加速度。随着生产过程自动化的提高，开发除了各种各样的检测速度的方法，按照不同的理论方法，先后产生过模拟测速法(如离心式转速表、用电机转矩或者电机电枢电动势计算所得)、同步测速法(如机械式或闪光式频闪测速仪)以及计数测速法。计数测速法又可分为机械式定时计数法和电子式定时计数法。其中应用最广的是光电式，光电式测系统具有低惯性、低噪声、高分辨率和高精度的优点。加之激光光源、光栅、光学码盘、CCD器件、光导纤维等的相继出现和成功应用，使得光电传感器在检测和控制领域得到了广泛的应用。而采用光电传感器的电机转速测量系统测量准确度高、采样速度快、测量范围宽和测量精度与被测转速无关等优点，具有广阔的应用前景。 光电检测技术是光学与电子学相结合而产生的一门新兴检测技术。它主要利用电子技术对光学信号进行检测并进一步传递、储存、控制、计算和显示。光电检测技术从原理上讲可以检测一切能够影响光量和光特性的非电量。它可通过光学系统把待检测的非电量信息变换成为便于接受的光学信息然后用光电探测器件将光学信息量变换成电量并进一步经过电路放大、处理以达到电信号输出的目的。然后采用电子学、信息论、计算机及物理学等方法分析噪声产生的原因和规律以便于进行相应的电路改进，更好地研究被噪声淹没的微弱有用信号的特点与相关性从而了解非电量的状态。微弱信号检测的目的是从强噪声中提取有用信号同时提高检测系统输出信号的信噪比。 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,我们经常会遇到各种需要测量转速的场合。转速是描述各种旋转机械技术性能的一个重要参量极为重要的一个状态参数(在很多运动系统的测控中,都需要对电机的转速进行测量,飞机、汽车、电机等动力设备的研究、制造和使用等方面(都与转速的测量有着密切的关系。精确地检测转速是提高控制精度的关键。如何准确、快速而又方便地测量电机转速极为重要。本文介绍了单片机式的数字式转速计1。1.2 本设计的主要工作 首先在学校的知网搜集相关资料，通过比较，选出最合适的设计方案。在选择设计方案时，除了要考虑能否实现测速性能，还要考虑价格以及测量精度问题，通过对转速测量资料的查阅还有我们的构思和设计，从而经过分析和比较，从实现难度、对器材的熟悉程度、器件用量、价格等方面进行综合考虑，然后最终确定方案。然后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方案结构图单 片 机光电采集液晶显示按键控制报警电源 图1 流程图2.2方案原理 利用红外对管将转速的光通量转化为电通量，由于红外对管输出波形不是严格意义上的脉冲，其上升沿不陡，因此需要进行整形，把其整成脉冲，芯片使用运放LM358或者op07，运放在开环状态下，可做比较器，然后送给单片机INT0口，在单片机内用外部中断来计脉冲的的个数，然后用定时器1设置定时时长，这样就可以算出频率，运放在开环状态下，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可做比较器，找出频率与光通量的对应关系就可以测出转速Error! Reference source not found.。3硬件设计3.1光电采集模块 本设计使用红外对管。信号检测电路如图2。红外对管有两种，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。图2红外信号检测模块 测量电路由红外对管及脉冲整形电路组成, 如图 2 所示, 其中红外对管加在电机转轴上, 随电机同步转动. 发光二极管发出的光通过电机的孔射到光敏三极管上后, 三极管导通输出一个低电平; 当二极管发出的光被电机遮住时, 三极管截止输出一个高电平. 因此, 当电机转动时, 三极管集电极输出一系列脉冲, 脉冲经 OP07 整形后输入 T1 脚, 故计数器 T1 中的数据除以电机的孔数再除以定时时间, 即得到了电机的转速. 红外对管的特点是输出精度高、抗干扰能力强、受温度变化影响小。3.2单片机最小系统单片机的最小系统包括晶振电路，复位电路，和单片机本身2。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。3.2.1晶振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3所示。图 3 晶振电路3.2.2 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VCC的上升时间和振荡器起振的时间，Vss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4所示。图 4 复位电路3.2.3 AT89C51简介芯片功能介绍及设计：AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh ProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。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，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。此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。图 5 AT89C51单片机3.2.4 单片机最小系统图 打开AltiumDesigner环境，从Libirary中选取该电路所需要的元器件，放置元器件、放置电源和地、连线得到的电路原理图，然后再生成pcb，电路原理图一定要参考相应的电路，单片机的最小系统的要让单片机里面的程序运行，需要的最小配置。主要包括三个方面：复位电路、电源、晶振。单片机复位电路就好比电脑的重启部分，当电脑在使用中出现死机，按下重启按钮电脑内部的程序从头开始执行。单片机也一样，当单片机系统在运行中，受到环境干扰出现程序跑飞的时候，按下复位按钮内部的程序自动从头开始执行。复位电路的原理是单片机RST引脚接收到2US以上的电平信号，只要保证电容的充放电时间大于2us，即可实现复位，所以电路中的电容值是可以改变的。按键按下系统复位，是电容处于一个短路电路中，释放了所有的电能，电阻两端的电压增加引起的。.51单片机最小系统复位电路的极性电容C1的大小直接影响单片机的复位时间，一般采用1030uF，51单片机最小系统容值越大需要的复位时间越短。51单片机最小系统晶振Y1也可以采用6MHz或者11.0592MHz，在正常工作的情况下可以采用更高频率的晶振，51单片机最小系统晶振的振荡频率直接影响单片机的处理速度。51单片机最小系统起振电容C2、C3一般采用1533pF，并且电容离晶振越近越好，晶振离单片机越近越好。P0口为开漏输出，作为输出口时需加上拉电阻。 图 6 单片机最小系统4 软件设计4.1 keil软件设计程序 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,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,检查错误。 e.生成hex文件。4.2 proteus软件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7所示:图 7 proteus仿真原理图5 硬件设计5.1 光电信号采集模块测试 把光电信号采集模块接在VCC，GND上，当光电模块正常工作时，在运放输出端将会输出矩形脉冲。5.2 系统测试先用keil软件，把程序加载进去，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，屏幕将会显示“zhuansu”字符以及“min/s”字符，光电对管对检测盘进行检测，把光电信息检测模块输出引入INT1引脚中，进行信号采集及其处理，显示转速信息。当转速大于一定值，蜂鸣器开始发出响声。当转速小于一定值，蜂鸣器也开始发出响声。如果转速恢复正常，蜂鸣器不响。6 总结经过这两周的实训，我学到了很多东西。首先，作为一位工科学生，应该学会怎样设计制作一件产品，在这两周里，我经历了一个完整的设计一件产品的流程。初期选题，确定要做的物品，要实现的功能要解决的问题，确定产品要达到的性能，确定各参数。接下来就要确定方案，搜集资料。搜集资料的地方是在中国知网，里面有各种专业的论文，各种各样的设计方案，结合自己的能力，产品要实现的功能，还有成本，综合考虑各种各样的情况，选出最优的方案。确定方案之后就要论证方案的可实施性，最好的工具就是各种各样的仿真软件，在本次实训中我们用的是Protues。通过软件仿真，可以在做出实物之前，发现潜在的问题，节约时间节约精力节省成本。通过软件仿真之后就进入到了制作的阶段，我们组使用altium designed画pcb，在画pcb的过程中，我们首先应该对aultium这个软件有个大体的了解，能够熟练地对其操作，又锻炼了我