光电式转速测量电路的设计与实现

目录TOC\o"1-3"\h\u1概述 摘要电机转速是用来评价电机运动状态的一项指标，在很多场合下，都需要对电机的转速进行准确的测量，并将其用作为自动化控制的一个重要因素，因此在很多应用场合中对需要加强对电机转速的精准控制。电机转速测量的重要性不仅仅只是针对直流电机而言，在交流电机的转速测量中也显得十分的重要，尤其是在工业控制、航空航天等精细化控制领域而言尤为重要。本论文通过对传统的电机转速测量系统的优缺点进行分析，并结合国内外在电机转速测量方面的研究，提出一种基于光电传感器的电机转速控制系统设计，它不仅改善了传统电机转速测量中存在的不足，使得在实际应用中对电机转速的测量更加的准确，同时光电传感器在实际的工作过程中受环境的影响因素相对较小，降低了测量的误差率。本文选用光电传感器对电机转速进行测量的另一个原因在于它的体积小、使用方便，采用非接触式测量的方式输出数字信号确保测量结果的准确性，被广泛的应用在电机转速的测量中。关键词：光电传感器；转速测量1概述1.1背景及研究意义在现代工业生产以及运动检测等众多领域，对于电机转速的检测和精准化控制已经显示尤为重要，通过对电机转速的检测，不仅可以控制电机转动的速度，同时还可以控制电机去实现很多常规方法无法完成的工作，比如像自动化控制、运动检测、移动机器人等。电机转速的测量主要是对电机转子速度的测量，根据物体的运动状态，可以讲电机转子的转动速度分为线速度和角速度，利用公式将两个变量带入到公式中进行求解就可以得到电机转子的真实速度。现实生活中测量电机转子的线速度和角速度的方法有很多，其中以光电式测量方法效果事最佳的。根据光沿直线传播的特性，光电传感器采用的是非接触式检测方式对电机速度进行检测，它的光通路的距离较短，光在空气中的损耗可以忽略不计，因此它的检测结果误差较小且响应速度快、准确率高，这也促进了光电传感器在仪器仪表中的使用范围。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，光电式非接触、全数字转速测量方法具有精度高、测量速度快、测量范围大、精度与转速无关等优势，是精密机械转速控制中的重要手段，具有广泛的应用前景。开展光电式转速测量电路的设计与实现课题工作，对于深刻理解和掌握半导体发光二极管、半导体光电探测器的工作原理等基础理论知识，对于光电式转速测量技术在实际应用中的电路设计等应用能力方面的培养具有十分重要的意义。1.2转速测量方法的分类转速是电机的一项基本性能，转速测量的准确度是电机调速速度检测的一个重要研究对象，在现实生活中应用针对电机转速的检测的常见方法有这几种：(1)离心式转速表测速法离心式转速表采用的是离心测速的工作原理，它将测量仪器上的表头与电机的转子成同轴插入到电子转子的中心孔中，电机转动时会带动表头随之一起转动，表头在转动的同时仪器内部的测速机构会自动测试电机的转动。它的优点在于方便使用、灵活性较好，但是在使用的过程中也存在一些的缺点，比如准确度不高、干扰较大、易损坏器件等缺点，并且在使用过程中不可以长时间的连续使用，否则表头的连接处会发热而导致表头磨损。(2)测速发电机测速法测速发电机测速法通过的是间接测量法来实现，它将机械能转化为电能来间接的测试电机的转速。首先将测速发电机的转子与被测电机的转子按照中心轴进行连接，被测电机在工作时会带动测速电机进行旋转，这时可根据E=CeFn将各项变量代入求解得到每个时刻的电压信号的变化，采用特殊的测量仪器根据测速点击输出的电压值间接的得到被测电机的转速。这种测量方法也存在测量结果误差大、使用不够灵活等缺点。(3)闪光测速法闪光测速法则是根据统计在单位时间内特殊标志上得到的光源的数量和发出光信号的数量之差，带入到专门的公式中可以间接的得到电机的转速。当电机停止不转时，这时光源与接受光信号的标识时禁止不动的，这时光信号的频率是与电机转速是同步的。假设令光信号的频率为f，则电机的转速为n=60f(r／min)。(4)光电码盘测速法光电码盘测速法是通过统计穿过码盘的被感光元器件接受到光信号的次数来间接的得到电机的转速，它是由码盘、光源、光接受器三部分组成，其中光电码盘被固定在电机的转轴上跟随着电机旋转，某一固定光源会透过码盘被另一端的感光器件接受到，统计单位时间内感光器件接收到的光信号的次数就等于码盘的编码数。(5)霍尔元件测速法霍尔元件测速法则是利用电磁效应来对电机的转速进行测量的，它的实现方法与光电传感器有些类似，不过它采用的是电磁脉冲信号来对电机转速进行检测。电机的转轴上固定一个带有若干微小磁钢对的圆盘，霍尔传感器与小磁钢钉=接触时会产生一个脉冲信号，将霍尔传感器在单位时间内检测到的脉冲信号数量带入到公式中就可以计算出电机的转速。上述五种测量方法中，各有各的优点，其中离心测速法和测速发动机法需要依托现成的测量仪器来进行检测，它们的共同有点在于使用简单，但是缺点在于误差较高、磨损较大；霍尔元件测速法和光电码盘测速法两者的工作原理十分相似，其主要差别在于选择的测量对象不同，一个是以光信号数量进行统计，一个是以脉冲信号数量进行统计，均可以得到比较准确的测量结果；闪光测速法由于技术上的原因，在小型低频的电机调速系统中应用并不常见，因此综合了几种检测方法的优缺点之后，本文中采用光电码盘测速法对电机的转速进行检测。1.3本文研究的主要内容1、光电式转速测量装置的结构组成及各部分功能设计，在掌握光电测速原理的基础上，确定主要技术指标要求如测量量程、精度；2、半导体发光二极管的驱动电路、光电探测器（PIN型光电二极管或APD雪崩光电二极管）的电路设计、微弱信号检测电路设计、数字接口电路设计（数据采集及显示部分可以直接利用现成器件）；分析光电式转速测量的工作原理、实现方法，主要指标如测量量程、精度等的影响因素；3、设计光电式转速装置的结构组成，给出系统框图，详细说明各部分的功能；4、设计半导体发光二级管驱动电路、半导体光电探测器信号检测电路；5、完成电路的制作、调试；完成光电式转速测量装置的组装、调试，基于单片机的数据处理及测量结果显示部分可以直接利用现有的成熟技术；转速测量范围0-3000r/m，精度±5%；

2设计方案的比较选择本远程温度检测系统主要由单片机控制系统、转速测量单元、数据显示单元、电源输入单元等几部分组成。2.1方案论证及确定2.1.1转速测量原理本文采用光码盘测速法来实现对电机转速的检测，将码盘固定在电机转子上，利用单位时间内通过码盘的光信号数量来对电机的转速进行检测。假如测量的时间为T（min），利用感光器件检测到的光信号数量为m1，光源在单位时间内发出p个光信号，则得到的电机转速为N=60m1/pT（r/min）。2.1.2转速显示单元方案1：LCD12864液晶显示屏。12864是支持中文、图像、自定义字符等多内容液晶显示模块，它最大可支持128*64个字符的显示，可以构成内容比较丰富的显示界面，被广泛的应用在游戏界面显示设计等对显示内容需要较多的电子产品中。方案2：LED7段数码显示管。数码管显示的内容有限，虽然容易通过编程对其进行控制，它会占用单片机较多的引脚资源，并且在焊接时由于管脚分类不明确会存在错焊等情况，影响到数码管的功能。方案3：LCD1602液晶显示屏。该液晶显示模块在实际应用中十分常见，它属于字符型的液晶显示模块，分为背光型和非背光型两种，显示内容清晰无闪烁等情况，容易进行控制且价格低廉，在电子产品设计中应用较多。考虑到成本、精度、美观等方面的因素，综合以上方案，本设计选择了经济实惠的字符液晶LCD1602来作为显示模块。2.2转速测量系统总体结构系统数字式光电传感器，STC89C52单片机，LCD1602液晶显示模块组成。如图4-1所示。单片机单片机电源模块LCD1602显示模块数字式光电传感器图2-1系统方框图3系统模块硬件设计3.1单片机控制单元1、主要功能特性：兼容MCS-51指令系统8k可反复擦写(>1000次）ISPFlashROM32个双向I/O口4.5-5.5V工作电压2个16位可编程定时/计数器时钟频率0-33MHz全双工UART串行中断口线256x8bit内部RAM2个外部中断源低功耗空闲和省电模式中断唤醒省电模式3级加密位看门狗（WDT）电路软件设置空闲和省电功能灵活的ISP字节和分页编程双数据寄存器指针3.2转速测量单元3.2.1光电传感器简介光电传感器通过对特殊的光信号进行采集，并将其转换为电信号输出的一种检测传感器，它的内部集成了一个光电转换元件，用来将某种频率的光信号转换为电信号，比如像红外线光、紫外线、激光等。光电传感器的特点在于采用非接触式检测方式进行检测，具有分辨率高、响应速度快、使用灵活等特点，被广泛的应用在信号采集和自动控制领域，具有较高的使用价值。根据传感器的输出信号可将光电传感器分为模拟光电传感器和数字光电传感器两种，其中模拟光电传感器输出的是连续的电信号，数字光电传感器则输出的是开关量的电信号。在实际的应用电路中，模拟式的光电传感器输出的变量需要通过AD转换调理电路转换成数字信号发送给微控制器进行处理，这样一来会增加电路额外的硬件开销，并且检测结果也不够准确。数字式的光电传感器可以直接转换得到数字信号，这可以提高传感器的响应时间，提高传感器检测的准确度，在实际环境中应用比较广泛。光电传感器的内部电路结构包括光源、光学通路和光电元件三部分，器件的光电元件能够将沿着光源光通路的发射过来的光信号进行处理，并将其转换为时间连续型或者时间离散型的电信号，输出给单片机或者微控制器使用。其中光源的来源范围很广泛，一般采用的是发光二极管作为传感器的光源，比如像红外线发光二极管，它具有较强的发光效果，并且光源纯净、功耗低、机械强度高；光学通路则是用来提供给光源向外发射的一个光通路，它的设计取决于传感器的需要和所采用光源的特性；光电元器件则是由一种特殊的感光元件组成，它能够用来对特定光源进行检测，并且过滤掉其他颜色的光信号。3.2.2脉冲产生电路设计本文选择红外光电传感器来进行电机转速的非接触式检测，通过统计单位时间内光信号的脉冲数来间接的计算出电机的转动速度。根据红外线光电传感器的特性，传感器在工作时，由于光源与光电元件之间的通路被遮挡了，这时传感器会输出一个低电平信号，统计单位时间内传感器输出的低电平信号数可以得到发光二极管与光电元件之间被遮挡的次数。在电机的转轴上固定一个由若干个圆孔的圆盘，用来允许光电信号可以从圆孔进行通过而形成一个低电平信号，称其为脉冲信号，利用定时器统计单位时间内的脉冲数可以间接的得到电机的转速。理论上来讲，圆盘上的小园孔数量越多，圆孔之间的间隙就越小，检测的精度就越高，为了避免传感器在检测时发声光源正好被卡在两个圆孔之间或者因为圆孔的孔径过大造成少计脉冲数，增加系统的检测误差，因此在进行孔洞的设计时需要尽可能的做到合理，以提高检测的精度。3.2.3光电转换及信号调理电路设计由于本设计采用的是数字式的红外光电传感器来进行脉冲数的统计，它可以直接的输出数字开关量的信号发送给单片机，由单片机启动定时器对某个时间段内的脉冲信号（或者电平信号）进行统计，不需要再借助外围电路工作来进行处理，因此数字式的光电传感器光电转换和信号调理电路可以被省略，直接改由传感器来进行处理。3.4数据显示单元本设计采用LCD1602液晶显示屏作物电机转速的显示模块，它是一款应用比较广泛的液晶字符型显示模块，最大可以显示16*2共和字符，显示的内容包括字母、数字、符号、ASCII码以及用户自定义的字符信息，它通常由若干个5X7或者5X11字符型点阵组成，额定工作电压为+5V。1、1602LCD的特性：a.采用+5V的工作电压进行供电，采用电位器来调节显示对比度；b.使用简单，控制指令只有11种；c.数据存储器DDRAM的大小位80it，可以存储较多的显示数据；d.显示屏由160个5X7点阵组成。2、引脚功能说明：1602采用标准的16脚接口，其中：包括8根数据线，3根控制线（rs,rw,e），电源地，电源以及液晶驱动电压引脚。各引脚接口说明如表3-1所示：表3-1引脚说明表编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2数据2VDD电源正极10D3数据3VL液晶显示偏压11D4数据4RS数据/命令选择12D5数据5R/W读/写选择13D6数据6E使能信号14D7数据7D0数据15BLA背光源正极8D1数据16BLK背光源负极第1脚：VSS为地电源。第2脚：VDD接5V正电源。第3脚：VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生"鬼影"，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。第5脚：R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。第6脚：E端为时能信号端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。第7～14脚：D0～D7为8位双向数据线。第15脚：背光源正极。第16脚：背光源负极。BF——忙碌标志信号(判忙)，当BF=1时，表示LCM内部正在处理数据，不能接受MCU送来的指令或数据。3、1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令，如表3-2所示：表3-2控制指令表序号指令RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D01清显示00000000012光标返回000000001*3置输入模式00000001I/DS4显示开/关控制0000001DCB5光标或字符移位000001S/CR/L**6置功能00001DLNF**7置字符发生存贮器地址0001字符发生存贮器地址8置数据存贮器地址001显示数据存贮器地址9读忙标志或地址01BF计数器地址10写数到CGRAM或DDRAM）10要写的数据内容11从CGRAM或DDRAM读数11读出的数据内容4、1602LCD的RAM地址映射及标准字库表：液晶显示模块的数据显示并不是实时同步的，单片机会将数据发送给到LCD1602液晶显示模块的数据存储器中，等待控制器通过8位的地址先来进行读取并进行显示，它在执行上面的控制指令前，都需要对模块中的忙标识进行判断，如果忙标识为高电平时，表示模块当前正在执行某条控制指令，其他控制指令要先等待当前的控制指令结束后再进行操作，此时忙标识的引脚为高电平；假如忙标志为低电平，表示不忙，这是就可以执行某条控制指令，控制器会从存储器中读取要显示字符的地址，并通过8位的地址线去读取数据的地址，将数据显示再液晶显示模块上。如图3-1所示是1602的内部显示地址。LCD16字*2行LCD16字*2行000102030405060708090A0B0C0D0E0F10……27404142434445464748494A4B4C4D4E4F50……67图3-11602内部显示地址图LCD1602液晶显示模块的数据显示方式为从左往右进行显示，它是由模块内置的，每次再进行控制指令前由控制器去判断模块上的忙标志是否为高电平，然后再进行相应的操作。在1602液晶模块的CGROM内置了160个常用字符信息，它们被固定在存储器的特定地址上，由液晶显示控制器通过数据地址线去读取，比如“A”对应的地址为01000001B（41H），1602在显示时通过地址线寻址到01000001B将该位置对应的字符显示出来，就能够在显示屏上看到字母“A”，其它字符的显示也是如此。3.5稳压电路单元本文单片机的供电电源采用USB口实现，鉴于每台PC都有USB端口，它可以为外设提供500mA的5V±5%供电。带电源的USB集线器也能提供这种供电能力。USB端口中有电源脚VCC、接地引脚GND和两个信号管脚。使用此种方式供电方便简洁，无需外置电池。4软件部分的设计4.1系统主程序设计本系统具体工作过程如下：由光电传感器进行现场转速测量，将测量得到的数据送入STC89C52单片机进行处理，控制液晶1602显示即时的转速数值，该系统主程序流程图如图4-1所示。1602液晶显示1602液晶显示读出数据并处理No初始化开始是否采集到数据？是否采集到数据？YesYes图4-1系统主程序部分流程图4.2脉冲计数子程序设计本设计采用定时器技术的方式来对单位时间内光电传感器发送过来的低电平信号进行统计，并将统计得到的脉冲数带入到公式中运算得到电机的转速，这是将转速发给LCD1602液晶显示模块进行显示，可以得到比较准确的电机转速。如图4-2所示为脉冲计数子程序的工作流程图设计，系统上电后单片机会对定时器1进行初始化，并接受和统计光电传感器发送过来的脉冲信号数。判断表示位Flag_clac的值是否为1，如果不为1则继续统计脉冲数；当Flag_calc=1时停止定时器开始计数，并将单位时间内的脉冲数带入到公式中计算得到电机转速，将得到的电机转速送入到LCD1602数据缓冲区等待执行显示控制指令。开始开始初始化计数器初始化计数器T1计数脉冲计数脉冲Flag_clacFlag_clac=1？N按公式：按公式：转速=60*脉冲数/(齿轮数*T)计算数据数据缓冲区数据缓冲区图4-2脉冲计数子程序工作流程图如图所示为定时子程序工作流程图，它的实现流程如下：启动定时器1，设置一个10s的倒计时。定时器计时达到10s后时间计时标识T+1，这时它会产生一个中断命令1602液晶显示屏刷新最新的电机转速。当T=500时，Flag_calc置1，此时停止定时器1，统计在该时间内的所有脉冲数，带入公式中进行计算得到电机的转速，将得到的电机转速送入到LCD1602数据缓冲区等待执行显示控制指令。初始化初始化定时10ms？T=500？Flag_clac=1数据缓冲区显示时间计数清零T=0产生定时中断开始时间计数T++NY图4-3定时显示子程序工作流程图4.3液晶显示子程序设计1602液晶显示模块在执行新的控制指令前，需要对当前模块的忙标识的电平状态进行判断，如果此时为低电平时则执行新的控制指令，为高电平时则表示显示模块正在执行某