传感调理与数采综合实践课程报告

南京理工大学机械工程学院研究生研究型课程考试答卷课程名称：传感、调理及数据采集综合实践考试形式：□专题研究报告□论文√大作业□综合考试学生姓名：学号： 序号分项类别得分1设计目标2系统总体方案3硬件设计4软件设计5调试验证6心得体会78总分评阅人：时间：2018年6月26日目 录1设计目标 32系统总体方案 42.1方案一 42.2方案二 42.3方案分析对比 52.4小结 53硬件设计 63.1传感器设计 63.2整形电路 63.3倍频电路 83.4晶体振荡电路 93.5分频电路 103.6时序控制电路 113.7计数、译码、驱动、显示电路 123.8传感器总体分析 134软件设计 144.1去噪处理 144.2模拟信号的处理 155调试验证 195.1仿真实验 195.2小结 22附录 23附录I：总电路图 23附录II：仿真图 24附录III：元器件清单 256心得体会 271设计目标转速是旋转机械的重要状态参数，在仪器仪表、精密制造和工业控制等领域，转速测量是一项重要的监测内容。转速测量的方法主要可以分为:机械转速测量法、频闪转速测量法、霍尔效应法、采用反射原理的电力转速测量法(光学转速测量法)等。机械转速测量虽然使用方便而且价格便宜，但这种方法在测量过程中依赖于接触压力，导致加载运动不连续，测量精度不高，测量范围小。频闪转速测量法具有体积小、重量轻和测量精度高等优点，主要用于微电机、纺织锭子和小型电动工具的测速。霍尔效应法具有对磁场敏感、频率响应宽、体积小、安装方便和寿命长等优点，但需要在转轴上安装霍尔元件，对于转动力矩小的转轴会影响转动甚至不能转动。目前使用最广泛的是光学转速测量方法，它具有非接触、测量精度高、测量范围大等优点。

2系统总体方案目前测量转速的方式主要有两种。一种是将转速转化为模拟信号，对模拟信号进行测量。如基于线性霍尔传感器的测速发电机是将转速直接转换为电压信号，然后测量其电压。另一种是将转速信号转化为脉冲信号，然后用数字系统内部的时钟来对脉冲信号的频率进行测量。2.1方案一控制器C8051F060主要完成转速脉冲的采集、16位定时计数器计数定时、运算比较，片内集成的12位DAC0控制转速，并且通过7279显示接口芯片实现数码显示等多项功能。系统采用外部晶振，系统时钟SYSCLK等于18432000，T0定时1ms，初始化时TH0=（-SYSCLK/1000）*8;TL0=-SYSCLK/1000。等待1s到，输出转速脉冲个数N，计算电机转速值。将1s内的转速值换算成1min内的电机转速值，并在LED上输出测量结果。原理方框图如图1所示：电机电机霍尔传感器脉冲信号放大C8051-F0607279LED图1方案一原理框图2.2方案二此方案中包括光电转换电路，整形电路，闸门电路，晶体振荡电路，分频电路，倍频电路，控制电路和计数、译码、驱动、显示电路。原理方框图如图2所示：光电转换电路光电转换电路整形电路闸门电路计数、译码、驱动、显示电路输入信号晶体振荡器电路分频电路控制电路图2方案二原理框图在电动机轴上直接安装一个圆盘，在圆盘上开5个均匀的小孔，当电动机旋转时光源通过小孔投射到光敏三极管上，就产生了一序列的脉冲信号，光敏三极管产生的脉冲信号频率正比于电机转速。经过整形电路将输入信号变成方波，再用四倍频电路使整形后的信号频率变为原来的四倍。晶体振荡电路输出的波形经过216分频电路，使之产生0.5Hz的基准信号，再经过3分频，产生一个1/6Hz的基准信号，把经过倍频的光电转换后的信号计数并显示出来。2.3方案分析对比比较：方案一的缺点是被测信号易受电磁干扰和温度变化的影响。方案二的优点在于抗干扰能力强、不受温度变化影响、稳定性好，而且精度高。所以综合考虑选择方案二。2.4小结本章试举例了两种方案由于方案一缺点较方案二多，这里采用方案二进行设计。具体设计见下章。

3硬件设计3.1传感器设计这里传感器采用光电传感器设计，电路为光电转换电路。光电转速传感器原理示意图如图3所示:图3光电转换电路原理图在被测电机轴上安装一测试盘，圆盘上有15个均匀圆孔。当光束通过小孔时，投射到光敏三极管上产生电信号，当光束被无空部分遮住时，光敏三极管无信号。光敏三极管产生的脉冲信号频率正比于电机转速n。R1和R2为两个为1KΩ的限流电阻，LED1持续发光，光线通过带有圆孔的挡板，变成间断的光信号。光敏三极将接收到的光信号化成电信号，作用于以后的系统。3.2整形电路整形电路用的是555定时器构成的施密特触发器，利用施密特触发器，将输入的信号进行整形，输出为方波。2和6管脚连在一起接输入信号，从3管脚输出，输入信号与输出信号反相，在5管脚接入0.01F的滤波电容，接法及波形如图4，图5所示：图4用555定时器接成的施密特触发器图5整形后输出波形图555定时器的电压输出特性如下，特性原理图如图6所示：a.输入电压vI=0V时，输出电压vo输出高电平。b.当vI上升到时，vo输出低电平。当vI由继续上升，vo保持不变。c.当vI下降到时，电路输出跳变为高电平。而且在vI继续下降到0V时，电路的这种状态不变。图6用555定时器接成的施密特触发器电压输出特性原理图3.3倍频电路四倍频电路原理相当于两个二倍频级联，当A点输入为高电平时，从U28输出为低电平，D点输出为高电平，C5充电，同时C4放电，随着C点电压的逐渐升高，当其电压大于2.8V时，D点输出为低电平；当A点输入为低电平时，从U28输出为高电平，C4充电，D点输出为高电平，同时C5放电，随着B点电压的逐渐升高，当其电压大于2.8V时，D点输出为低电平。整个过程实现了二倍频，同理实现四倍频。四倍频电路的接法及其中一个二倍频原理如图7、8所示：AECDBAECDB图7四倍频电路DCBADCBA图8四倍频中一个二倍频电路输入输出波形关系3.4晶体振荡电路晶体振荡电路广泛应用于产生基准时钟信号。此晶体振荡电路产生一个如图9所示的频率为32.768KHz的矩形脉冲，电路的接法如图10所示：图9晶体振荡电路输出波形图10晶体振荡电路图晶体振荡原理如图11所示，在晶体振子板极上施加交变电压，使晶片产生机械变形振动，此现象即所谓逆压电效应。当外加电压频率等于晶体谐振器的固有频率fo时，就会发生压电谐振，从而导致机械变形的振幅突然增大，输出频率为fo的振荡信号。图11晶体振荡原理图3.5分频电路该分频电路分为两个部分。第一部分是由四个74LS93组成，一个芯片将把输入频率变为原来的1/24，四个芯片将把输入频率变为原来的1/216，电路图如图12所示：图12216分频电路图第二个部分由74LS161组成一个3分频电路，先预置数为0000，当记到0011的时候，清零并把信号输出，此时频率变为原来的的1/3，电路图如图13所示：输出信号输入信号输出信号输入信号图13三分频电路图3.6时序控制电路由于电机转动很快，我们很难看清电机的转速，当测量其转速时,需要让计数器计的值保持一段时间不变，即锁存其数值，然后再清零。所以设计了一个锁存和清零的时序控制电路，从F点出来的低电平脉冲控制清零，从G点出来的低电平脉冲控制锁存，时序控制电路及其波形如图14、15所示：1/6Hz方波U21/3Hz1/6Hz方波U21/3Hz方波U1GF图14时序控制电路F点低电平清零G点低电平锁存1/3HzF点低电平清零G点低电平锁存1/3Hz方波U11/6Hz方波U2图15时序控制电路波形3.7计数、译码、驱动、显示电路计数用五片74LS160，使其EP和ET都恒为高电平，都工作在计数状态。电路图如图15所示。第一片的CP接到闸门电路的输出端，进行计数。由于计数器74lLS160是十进位的计数器，将第一片的CO输出经反向器后，接到第二片的CP端。这样，当第一片计到9（1001）时，CO端输出变为高电平。经反向器使第二片的CP端为低电平。下个计数输入脉冲到达后，第一片计成0（0000）状态，CO端跳回低电平，经反向后，使第二片的输入产生一个正跳变，于是，第二片计成1（0001）依次串行进位方式，连接五片。表174LS160的工作原理CP~CLR~LOADENTENP工作状态×0×××置零↑10××预置数×1110保持×110×保持（C=0）↑1111计数只有ENP和ENT同时为高电平时计数器才开始正常计数，而在两者之中，只有一个为高点平时，可以实现计数保持的功能。再通过74LS48译码并通过数码管显示。再74LS48接数码管时，由于74LS48的输出电压为5V左右，而数码管的工作电压在1V左右，并且数码管的工作电流在10mA，根据公式（5V-1.5V）/10mA=350Ω，所以应接上350Ω的上拉电阻。图16计数译码显示电路3.8传感器总体分析该传感器总体上符合设计要求，尤其是对信号计数、译码显示、锁存、清零等功能方面上具有绝对的技术支持，这些方面上该传感器做到了准确完成该功能，这在工业设计上至关重要。该传感器总体上满足对转速的精确测量，是一款不错的设计。

4软件设计4.1去噪处理用测速仪表测量实验台转速试验中,当传感器安装位置靠近实验台时,受到强烈的干扰,无法测量。在安装磁电传感器时,调节传感器的位置和方向,使干扰信号的影响最小。增压器磁电式转速传感器输出的信号较弱,信号电压在20mV到160mV范围之间。试验中使用的采集卡的最大噪声信号电压也有60mV大小,噪声信号和转速信号混杂在一起,无法用计算量小的简单方法进行周期识别和计数。将传感器输出信号放大后再采集,可以降低采集卡干扰的影响。信号放大电路采用AD620运算放大器的共模输入方式,其电源需要用正负电源。在试验中,当使用的直流电源的性能不高时,产生了强烈的干扰现象。采用2块9V电源为放大电路供电,试验结果发现消除了放大电路电源对信号的干扰。图2、图3是放大前、后采集的增压器转速信号。可以看到在图2中,有采集卡干扰造成采集信号变号的点。在图3中没有看到干扰造成的变号点,说明对信号放大之后采集卡干扰信号不影响准确测量转速。图4是放大电路图。图2未经放大的增压器转速信号示意图4.2模拟信号的处理采集到计算机中的转速信号是以离散形式存储的信号序列,这些信号序列记录着转速信号波形变化特征。信号处理就是通过对采集到的信号序列进行运算,从信号序列中识别转速信号的周期并计数。为了避免把采集卡的噪声信号识别为一个周期信号,需对信号序列进行除噪处理。若采集卡噪声信号的最大值为Vn,转速信号放大之后的极大值为Vh。取除噪信号Vc,使得Vn<Vc<Vh。将从缓冲区读出的信号序列NL(图3),图3经过放大的增压器转速信号示意图图4放大电路图除以Vc得到一个新的序列M(M=NL/Vc);将序列M取整得序列B(B=round(M))(图5);图5除以Vc并取整得到的信号序列序列B即消除了采集卡噪声的影响。对序列B取符号运算,得到一个只含有1、0、-1,3个值的新序列A(A=sign(B))(图6)。图6取符号得到的两个信号序列序列A有一个重要性质,即在每一个信号周期内,只有一个连续为1的子序列和一个连续为-1的子序列。取序列A的第1到第n-1元素,得到一个新的序列A1(A1=A(1∶n-1));取序列A的2到n元素得序列A2(A2=(2∶n));则得到的序列A1和序列A2的长度相等。将A1和A2相减得序列C(C=A1-A2)。C序列中,只有在对应序列A中由0变为1、由1变为0、由0变为-1、由-1变为0、由1变为-1、由-1变为1的位置不为零。不为零的数值表征着转速信号的周期特征(图7)。图7两个符号序列相减得到的信号序列(Ⅰ)序列C中的值与采集到的信号的性质和除以的除噪信号Vc有关。当取整时,在传感器信号由正变到负的地方或者由负变到正的地方没有零出现的时候,C序列在该位置就会出现一个2或者-2值(图7);当有零出现的时候,C序列中就会在这个地方出现两个1或者-1(图8)。图8两个符号序列相减得到的信号序列(Ⅱ)图9取绝对值得到的信号序列因此,信号的每个变换点附近绝对值的和为2。在其他的地方,C序列恒为零。对于C序列的每一个周期的绝对值求和,得到4。对C取绝对值得到序列D(图9)(D=abs(C)),将D求和并除以4就得到n个采样点对应的周期个数N(N=sum(D)/4)。

5调试验证5.1仿真实验这里仿真实验采用软件Multisim来仿真由于Multisim里无法实现光电转换，所以在测试时用信号发生器代替。各电路图的仿真如下：图17整形电路测试电路图图18输入与输出波形图19倍频电路测试电路图图20倍频电路测试输出波形图图21晶体振荡电路测试电路图22晶体振荡电路输出波形图图23分频电路图测试图图24分频电路图测试输出波形计数、译