光电转速计课程设计 李明威.doc

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3出勤情况全勤： 得10分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分旷课超过2天： 得0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 单片机控制模块22.3 信号采集模块52.4 信号输出显示模块62.5 报警模块63 硬件电路74 软件设计74.1 Keil软件编写程序74.2 Protues进行硬件电路仿真85 调试85.1 LCD显示初始化测试85.2 系统测试86 课程设计体会9参考文献10附 录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。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。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，20054 王秀杰.张畴先.模拟集成电路应用M.西北工业大学出版社，20035 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，1995,2:23-247 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，2001,6:42-438 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 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; rw=0; en=0; delay(3); en=1;void WriteCom(uchar com) P0=com; rs=0; rw=0; en=0; delay(3); en=1; void lcd_init() P0=0; WriteCom(0x38); delay(3); WriteCom(0x38); WriteCom(0x08); WriteCom(0x01); WriteCom(0x06); WriteCom(0x0c); void display()uint i,j;WriteCom(0x40);for(i=0;i11;i+)WriteDat(Lcd1i);WriteCom(0x80);for(j