光電傳感器轉速測量系統(tǒng)設計

1、專業(yè)課程設計 題目 光電傳感器的轉速測量設計 9 2012 年 10 月 8-2012 年 10 月 19 院 系: 專業(yè)班級: 小組成員： 指導教師: 日 期: 自動化學院 一課程設計描述 采用單片機、 uln2003 為主要器件， 設計步進電機調速系統(tǒng)， 實現(xiàn)電機速度 開環(huán)可調。 課程設計具體要求 1 、通過按鍵選擇速度； 2 、轉速測量顯示范圍為 09999轉/ 秒 3、檢測并顯示各檔速度。 主要元器件 實驗板（中號） 1 個 步進電機1 個 STC89C52 1 個 電容（ 30pF、10uF） 各1個 數(shù)碼管（共陽、 四位一體） 1個 晶振（ 1 2MHz） 1 個 小按鍵 4 個

2、ULN20031 個 電阻 若干 發(fā)光二極管1 個 三極管（ NPN） 4 個 排阻 1 個 四原理闡述 4.1 系統(tǒng)簡述 按照題給要求，我們最終設計了如下的解決方案： 用戶通過鍵盤鍵入控制指令 （開關），微控制器在收到指令后改變輸出的 PWM 波，最終在ULN2003勺驅動下電機轉速發(fā)生改變。通過ST151傳感器測量電機扇 葉的旋轉情況，將轉速顯示在數(shù)碼管上。 在程序主循環(huán)中實現(xiàn)按鍵掃描與轉速顯示，將定時器 0 作為計數(shù)器，計數(shù) ST151產生的下降沿，可算出轉速，并送至數(shù)碼管顯示。 設計思路： （1）利用光電開關管做電機轉速的信號拾取元件，在電機的轉軸上安裝一個圓 盤，在圓盤上挖 1 小洞

3、， 小洞上下分別對應著光發(fā)射和光接受開關， 圓盤轉動一 圈即光電管導通 1 次，利用此信號做為脈沖計數(shù)所需。 （ 2）對光電開關信號整流放大。 （3）脈沖經(jīng)過單片機內部的計數(shù)器和定時器進行計數(shù)和定時。 （4）顯示電路采用單片機動態(tài)顯示。 4.2轉速測量原理 在此采用頻率測量法，其測量原理為，在固定的測量時間內，計取轉速傳感 器產生的脈沖個數(shù)，從而算出實際轉速。設固定的測量時間為 Tc(min)，計數(shù) 器計取的脈沖個數(shù)m假定脈沖發(fā)生器每轉輸出p個脈沖，對應被測轉速為N (r/min )，貝Uf=pN/60Hz;另在測量時間Tc內，計取轉速傳感器輸出的脈沖個數(shù) m應為m=Tcf，所以，當測得m值時

4、，就可算出實際轉速值： N=60m/pTc (r/mi n)(1) 4.3轉速測量系統(tǒng)組成框圖 系統(tǒng)由信號預處理電路、單片機 STC89C51系統(tǒng)化LED顯示模塊、串口數(shù) 據(jù)存儲電路和系統(tǒng)軟件組成。其中信號預處理電路包含信號放大、 波形變換和波 形整形。對待測信號進行放大的目的是降低對待測信號的幅度要求；波形變換和 波形整形電路則用來將放大的信號轉換成可與單片機匹配的TTL信號；通過對單 片機的編程設置可使內部定時器T0對輸入脈沖進行計數(shù)，這樣就能精確地算出 加到T0引腳的單位時間內檢測到的脈沖數(shù)；設計中轉速顯示部分采用價格低廉 且使用方便的LED模塊，通過相關計算方法計算得到的轉速通過 l2

5、C總線放到 WPROh存儲，既節(jié)省了所需單片機的口線和外圍器件，同時也簡化了顯示部分的 軟件編程。系統(tǒng)的原理框圖如圖2.1所示。 圖2.1系統(tǒng)的原理框圖 五.系統(tǒng)硬件電路的設計 系統(tǒng)硬件部分包含輸入模塊、顯示模塊、控制模塊、測速模塊等。在硬件 搭建前，先通過Proteus Pro 7.5 進行硬件仿真實現(xiàn)。 5.1脈沖產生電路設計 設計采用了紅外光電傳感器，進行非接觸式檢測。當有物體擋在紅外光電 發(fā)光二極管和高靈敏度的光電晶體管之間時，傳感器將會輸出一個低電平，而當 沒有物體擋在中間時則輸出為高電平， 從而形成一個脈沖。系統(tǒng)在光電傳感器收 發(fā)端間加入電動機，并在電動機的轉軸上安裝一轉盤。在這個

6、轉盤的邊沿處挖出 若干個圓形過孔，把傳感器的檢測部分放在圓孔的圓心位置。 每當轉盤隨著后輪 旋轉的時候，傳感器將向外輸出若干個脈沖。把這些脈沖通過一系列的波形整形 成單片機可以識別的TTL電平，即可算出輪子即時的轉速。 轉盤的圓孔的個數(shù)決定了測量的精度， 個數(shù)越多，精度越高。這樣就可以 在單位時間內盡可能多地得到脈沖數(shù)，從而避免了因為兩個過孔之間的距離過 大，而正好在過孔之間或者是在下個過孔之前停止了，造成較大的誤差。設計中 轉盤的圓孔的實際個數(shù)受到技術的限制。 為了達到預定的效果設計在轉盤過孔的 設計上采用11個過孔，從而留下了 10個同等的間距。這樣在以后的軟件設計中 能夠較為方便的計算出

7、脈沖頻率。脈沖發(fā)生源的硬件結構圖如圖3.1所示。 圖3.1脈沖發(fā)生源硬件結構圖（左為正視圖，右為側視圖） 5.2光電轉換及信號調理電路設計 由于系統(tǒng)需要將光信號轉換為電信號，因而需要使用光電傳感器并設計相應 的信號調理電路，以得到符合要求的脈沖信號，送給單片機STC89C5進行計數(shù)， 同時得到計數(shù)的時間，由單片機進行相關計算以得到電動機轉速。 傳感器將電機 的轉速信號轉變成了電脈沖信號，該信號經(jīng)過LM324集成運放整形驅動，送到單 片機進行脈沖計數(shù)，從而測出電動機轉速。 光電轉換部分與單片機的連接框圖如圖3.2所示 圖3.2光電轉換部分與單片機的連接框圖 5.3時鐘電路 系統(tǒng)采用12M晶振與兩

8、個30pF電容組成震蕩電路，接 STC89C52的XTAL1 與XTAL2引腳，為微控制器提供時鐘源 I 02 30pR uEOCT a X1 H- VCRYSTAL 匚）T- luF - ci 30 pF -TEXuTs U1 XTAL 1 XTAL2 5.4按鍵電路 四個按鍵分別控制電機的不同轉速，即控制 PWMfe高電平的占空比，以實 現(xiàn)電機的速度控制，采用開環(huán)控制方法，不是十分精確，但控制簡單，易實現(xiàn)， 代碼編寫簡單。 P1.0 P1.1 P1 2 P1.3 P1 4 P1.5 P1.6 P1.7 AT89C51 5.5顯示部分 RPJ 譏亡：心T - j PtJWDO PO,1fD1

9、 PO.fiTO ro jijK sbit P2_1= P2A1; sbit P2_2=P2A2; sbit P2_3=P2A3; /數(shù)碼管選定位 sbit P2_4=P2A4; /電機控制位 sbit keysp0=P1A0; sbit keysp30=P1A1; sbit keysp60=P1A2; /電機轉速為0的控制鍵 /電機轉速為30的控制鍵 /電機轉速為60的控制鍵 sbit keysp100=PM3; /電機轉速為100的控制鍵 un sig ned char code table=0 xc0,0 xf9,0 xa4,0 xb0,0 x99,0 x92, 0 x82,0 xf8,

10、0 x80,0 x90,0 x88,0 x83,0 xc6,0 xa1,0 x86,0 x8e; un sig ned int motorspeed; / 電機轉速 unsigned char GE,SHI,BAI,QIAN; /電機轉速 motorspeed 的各個位 unsigned int counter=0;/光電傳感器脈沖數(shù) un sig ned int pwm; un sig ned int mid; un sig ned int calsp; /pwm 占空比 /占空比設置值 /設定多長時間計算一次速度 void display(); /數(shù)碼管顯示電機速度 void delay(

11、); /延遲函數(shù) motorspeed 變量中 void controlpwm(); / 控制電機占空比 void calspeed();/ 計算電機速度，放于 void keyscan();/ 按鍵掃描 void main() P2=P2 mid=0; EA=1; / 開啟總中斷 EX0=1; / 開啟外部中斷 0 IT0=1; / 設置成下降沿觸發(fā)方式 TMOD=0 x01; /設置定時器 0為模式 1，即 16位計數(shù)模式 TH0=(65536-10000)/256; / 計數(shù)時間為 10ms TL0=(65536-10000)%256; ET0=1;/ 開啟定時器 0 中斷 TR0=1;

12、/ 啟動定時器 0 while(1) keyscan(); display(); controlpwm(); calspeed(); void keyscan() / 鍵盤掃描 if(keysp0 = 0) delay(); / 延遲防止抖動 if(keysp0 = 0) mid=0; if(keysp30 = 0) delay(); if(keysp30 = 0) mid=1; if(keysp60 = 0) delay(); if(keysp60 = 0) mid=3; if(keysp100 = 0) delay(); if(keysp100 = 0) mid=5; void calsp

13、eed() if(calsp=100) /100*10ms=1s 計算一次電機轉速 motorspeed=counter/3; / 轉的圈數(shù)除以時間 counter=0; / 清零脈沖數(shù) calsp=0; / 清零標志 void controlpwm() if(pwm=0 / 電機不加速 else pwm=0; void _TIMER0() interrupt 1 / 重新裝入初值，計數(shù)時間為 10ms TH0=(65536-10000)/256; TL0=(65536-10000)%256; pwm+; calsp+; 15 void _INT0() interrupt 0 counter+

14、; / 接受脈沖數(shù) void display() / 數(shù)碼管顯示函數(shù) GE=motorspeed%10; SHI=motorspeed/10%10; BAI=motorspeed/100%10; QIAN=motorspeed/1000%10; P2_0=0; P0=tableQIAN; delay(); P0=0 xff; P2_0=1; P2_1=0; P0=tableBAI; delay(); P0=0 xff; P2_1=1; P2_2=0; P0=tableSHI; delay(); P0=0 xff; P2_2=1; P2_3=0; P0=tableGE; delay(); P0=

15、0 xff; P2_3=1; void delay() / 延遲函數(shù) unsigned char i=10; while(i-) J 七系統(tǒng)測試 測試方案： 測試包含仿真測試和硬件測試兩個部分。 仿真測試指使用 Proteus Pro 7.5 對系統(tǒng)進行仿真測試。主要測試系統(tǒng)電路的 設計和驗證程序邏輯的正確性。 硬件測試指系統(tǒng)搭建后對硬件電氣性能的測試。 主要測試各功能的完整性可 靠性，以及系統(tǒng)電氣性能的穩(wěn)定性。測試工具為示波器萬用表等。 仿真測試結果： 真測試中，系統(tǒng)運行正常，程序邏輯正確。按鍵輸入正常、數(shù)碼管顯示正確。 P2.4管腳間輸出PWM波正常。 硬件測試結果： 系統(tǒng)硬件搭建完畢后，

16、進行硬件測試。 系統(tǒng)加電后，振蕩電路正常起振，STC89C52S時鐘源電路的驅動下運行正常。 系統(tǒng)可在復位電路的作用下正常復位。系統(tǒng)按鍵輸入正常，并能夠正確消除 抖動。 系統(tǒng)PWM波輸出正常。將示波器接STC89C52勺P2.4管腳，可觀察到峰峰值 5V左右的方波，頻率與調速要求一致。ST151傳感器測量正常。 數(shù)碼管轉速顯示正常，數(shù)碼管可正確顯示并正確顯示電機轉速。 八設計中的問題分析 1、在最初的設計電路時中沒有使用采用硬件消抖的方式來避免三個按鍵按下時 帶來的不穩(wěn)定信號， 錄入數(shù)據(jù)往往出錯， 后來使用軟件消抖來解決這個問題， 但 是由于按鍵復用程度比較高， 因此軟件消抖浪費了不少一部分系

17、統(tǒng)資源， 后來采 用 RC 電路硬件消抖比較完美的解決了這個問題。 2、在硬件調試過程中出現(xiàn)過某些零件不靈的情況，根據(jù)已經(jīng)畫好的電路圖使用 外用表可以很快的查找到問題的所在。 經(jīng)過簡單的焊接處理即可解決。 后來為了 避免頻繁操作對焊接電路的影響， 專門在單片機的上下焊接了支撐部件， 用來防 止板子上元器件以及后面的焊接線路收到影響， 事實證明這個很大程度保護了單 片機，方便了對單片機的操作。 3、在硬件電路完成后遇到的最大問題是無法將程序導入到單片機，通過深入的 研究，發(fā)現(xiàn)通過單片機的串口可以很容易的連接上單片機， 進而將 hex 程序寫入 到單片機中。為此專門擴展了串口電路，并且完成了相應的軟件實現(xiàn)和PC之間 的通信。 4、在單片機和PC通信的時候通過單片機發(fā)送數(shù)據(jù)給 PC的時候經(jīng)常會出現(xiàn)亂碼， 無論發(fā)送什么字符還是十六進制數(shù)字都無法準確收到， 后來經(jīng)過研究， 發(fā)現(xiàn)問題 出在晶振上， 我們選用了 12M 晶振， 12M 的晶振波特率只能是 2400。因為 9600 的情況下會有 7.8%的誤差，所以會產生亂碼，而 2400 波特率的情況下誤差是 0.16%，這樣就會相