基于接近傳感器的轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)設(shè)計

1、課程設(shè)計說明書成績題 目 基于接近傳感器的轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)設(shè)計 課 程 名 稱 檢測技術(shù)與系統(tǒng)課程設(shè)計 院 系 名 稱 專 業(yè) 電氣工程及其自動化 班 級 1 學(xué) 生 姓 名 學(xué) 號 240102225 同 組 學(xué) 生 設(shè) 計 時 間 2013.6.32013.6.14 設(shè) 計 地 點 工程實踐中心8315 指 導(dǎo) 教 師 課程設(shè)計任務(wù)書 課 程 名 稱 檢測技術(shù)與系統(tǒng)課程設(shè)計 院（系、部、中心） 專 業(yè) 電氣工程及其自動化 班 級 起 止 日 期 13.6.313.6.14 指 導(dǎo) 教 師 1課程設(shè)計應(yīng)達到的目的通過對本課程的設(shè)計，使學(xué)生掌握常見被測量的檢測原理、方法和技術(shù)，了解國內(nèi)外對這些工程

2、量進行測控的系統(tǒng)組建原理，通過對檢測系統(tǒng)的設(shè)計與分析，增強學(xué)生理解和運用所學(xué)知識來解決實際問題的能力,逐步掌握根據(jù)具體測控要求、性能指標(biāo)設(shè)計出先進測控系統(tǒng)的方法和技術(shù)。2課程設(shè)計題目及要求題目：基于接近傳感器的轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)設(shè)計要求：（1）性能指標(biāo)：測速范圍：03000RPM，測量精度：±0.5RPM；（2）根據(jù)題意，明確測速系統(tǒng)性能指標(biāo)及系統(tǒng)能完成的功能；（3）根據(jù)系統(tǒng)要求，選擇合適的傳感器（盡量選擇實驗室中已有的傳感器）；（4）設(shè)計傳感器測量電路；（5）選擇單片機的品種、型號，設(shè)計單片機的外圍測量電路；（6）計算有關(guān)的電路參數(shù)，有條件的情況下，根據(jù)實驗室現(xiàn)有設(shè)備進行實驗數(shù)據(jù)的測取，

3、明確測量電路輸出與被測非電量的關(guān)系；（7）畫出系統(tǒng)原理框圖（此部分放在說明書的開始）；（8）畫出系統(tǒng)電路圖，最好用PROTEL畫；（9）在說明書中詳細(xì)說明本系統(tǒng)工作原理。3課程設(shè)計任務(wù)及工作量的要求包括課程設(shè)計計算說明書、圖紙、實物樣品等要求(1) 給出設(shè)計說明書一份；(2) 有條件的情況下盡量給出必要的實驗數(shù)據(jù)；(3) 在說明書中附上完整的系統(tǒng)電路原理圖（手畫或用PROTEL畫）。4主要參考文獻1、 李現(xiàn)明，吳皓編著.自動檢測技術(shù).北京：機械工業(yè)出版社，20092、 徐仁貴.單片微型計算機應(yīng)用技術(shù).北京：機械工業(yè)出版社.20013、 陳愛弟.Protel99實用培訓(xùn)教程.北京：人民郵電出版社

4、.20005課程設(shè)計進度安排起 止 日 期工 作 內(nèi) 容13年6月3日布置設(shè)計任務(wù)，熟悉課題，查找資料；13年6月4日結(jié)合測控對象，選擇合適的傳感器，理解傳感器性能；13年6月5日設(shè)計傳感器測量電路，選擇合適的單片機，設(shè)計其外圍電路；13年6月6日設(shè)計電路參數(shù)，有條件情況下，在實驗室進行實驗，進一步理解測量電路輸入輸出關(guān)系；13年6月7日繼續(xù)設(shè)計論證電路參數(shù)，完善系統(tǒng)設(shè)計方案；13年 6月 10日查找資料，理解系統(tǒng)各部分工作原理；13年 6月 11日理清系統(tǒng)說明要點，著手設(shè)計說明書的書寫；13年 6月 12日書寫設(shè)計說明書，充分理解系統(tǒng)每一部分作用；13年 6月 13日完善設(shè)計說明書，準(zhǔn)備設(shè)計

5、答辯。13年 6月 14日設(shè)計答辯。6成績考核辦法平時表現(xiàn)30%，設(shè)計成果40%，答辯表現(xiàn)30%.教研室審查意見：教研室主任簽字： 年 月 日院（系、部、中心）意見：主管領(lǐng)導(dǎo)簽字： 年 月 日目錄1.轉(zhuǎn)速測量的原理及方案分析1.1 轉(zhuǎn)速測量原理11.2 方案分析42.系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計2.1脈沖電路的設(shè)計42.2接近傳感器簡介及信號調(diào)理電路設(shè)計42.2.1接近傳感器的簡介42.2.2信號調(diào)理電路的設(shè)計53.系統(tǒng)主電路的設(shè)計3.1單片機AT89C52的介紹63.2顯示電路的設(shè)計74.心得體會75.參考文獻86.附錄6.1電路圖86.2程序101.轉(zhuǎn)速測量原理及方案分析1.1轉(zhuǎn)速測量原理1.1.1

6、測頻法“M法”在一定測量時間T內(nèi)，測量脈沖發(fā)生器（替代輸入脈沖）產(chǎn)生的脈沖數(shù)m1來測量轉(zhuǎn)速，如圖3-1“M”法測量轉(zhuǎn)速脈沖所示，設(shè)在時間T內(nèi)，轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過的弧度數(shù)為X，則轉(zhuǎn)速n可由下式表示： n= (1-1)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過的弧度數(shù)X可用下式所示m1 X (1-2)圖1-1 “M”法測量轉(zhuǎn)速脈沖將（1-2）式代入（1-1）式得轉(zhuǎn)速n的表達式為： n= （1-3） P-為轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)一周脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖數(shù)；n-轉(zhuǎn)速單位：（轉(zhuǎn)/分）；T-定時時間單位：（秒）。在該方法中，測量精度是由于定時時間T和脈沖不能保證嚴(yán)格同步，以及在T內(nèi)能否正好測量外部脈沖的完整的周期，可能產(chǎn)生的1個脈沖的量化誤差。因此，為了提高測量精

7、度，T要有足夠長的時間。定時時間可根據(jù)測量對象情況預(yù)先設(shè)置。設(shè)置的時間過長，可以提高精度，但在轉(zhuǎn)速較快的情況下，所計的脈沖數(shù)增大（碼盤孔數(shù)已定情況下），限制了轉(zhuǎn)速測量的量程。而設(shè)置的時間過短，測量精度會受到一定的影響。1.1.2 測周期法“T法”轉(zhuǎn)速可以用兩脈沖產(chǎn)生的間隔寬度TP來決定。用以采集數(shù)據(jù)的碼盤，可以是單孔或多孔，對于單孔碼盤測量兩次脈沖間的時間，就可測出轉(zhuǎn)述數(shù)據(jù)，TP也可以用時鐘脈沖數(shù)來表示。對于多孔碼盤，其測量的時間只是每轉(zhuǎn)的1/N，N為碼盤孔數(shù)。如圖3-2“T”法脈寬測量所示。TP通過定時器測得。定時器對時基脈沖(頻率為fc)進行計數(shù)定時，在TP內(nèi)計數(shù)值若為m2，則計算公式為：

8、 n= （1-4）即： （1-5）fc-為硬件產(chǎn)生的基準(zhǔn)時鐘脈沖頻率：單位（Hz）；n-轉(zhuǎn)速單位：（轉(zhuǎn)/分）；m2-時基脈沖。 圖1-2 “T”法脈寬測量由 “T”法脈寬測量可知“T”法測量精度的誤差主要有兩個方面，一是兩脈沖的上升沿觸發(fā)時間不一致而產(chǎn)生的；二是計數(shù)和定時起始和關(guān)閉不一致而產(chǎn)生的。因此要求脈沖的上升沿（或下降沿）陡峭和計數(shù)和定時嚴(yán)格同步。測周法在低轉(zhuǎn)速時精度較高，但隨著轉(zhuǎn)速的增加，精度變差，有小于一個脈沖的誤差存在。1.1.3測頻測周法“M/T法”所謂測頻測周法，即綜合了“T”法和“M”法分別對高、低轉(zhuǎn)速具有的不同精度，利用各自的優(yōu)點而產(chǎn)生的方法，精度位于兩者之間，如圖1-3“

9、M/T”法定時/計數(shù)測量所示?！癕/T”法采用三個定時/計數(shù)器，同時對輸入脈沖、高頻脈沖（由振蕩器產(chǎn)生）、及預(yù)設(shè)的定時時間進行定時和計數(shù)，m1反映轉(zhuǎn)角，m2反映測速的準(zhǔn)確時間，通過計算可得轉(zhuǎn)速值n。該法在高速及低速時都具有相對較高的精度。測速時間Td由脈沖發(fā)生器脈沖來同步，即Td等于m1個脈沖周期。由圖可見，從a點開始，計數(shù)器對m1和m2計數(shù)，到達b點，預(yù)定的測速時間時，單片機發(fā)出停止計數(shù)的指令，因為Tc不一定正好等于整數(shù)個脈沖發(fā)生器脈沖周期，所以，計數(shù)器仍對高頻脈沖繼續(xù)計數(shù)，到達c點時，脈沖發(fā)生器脈沖的上升沿使計數(shù)器停止，這樣，m2就代表了m1個脈沖周期的時間?！癕/T”法綜合了“T”和“M

10、”兩種方法，轉(zhuǎn)速計算如下：設(shè)高頻脈沖的頻率為fc，脈沖發(fā)生器每轉(zhuǎn)發(fā)出P個脈沖，由式（1-2）和（1-5）可得M/T法轉(zhuǎn)速計算公式為： (1-6)n-轉(zhuǎn)速值。單位：（轉(zhuǎn)/分）；-晶體震蕩頻率：單位（Hz）；m1-輸入脈沖數(shù)，反映轉(zhuǎn)角；m2-時基脈沖數(shù)。圖1-3 “M/T”法定時/計數(shù)測量通過上面的分析可知，M法適合于高速測量，當(dāng)轉(zhuǎn)速越低，產(chǎn)生的誤差會越大。T法適合于低速測量，轉(zhuǎn)速增高，誤差增大。M/T這種轉(zhuǎn)速測量方法的相對誤差與轉(zhuǎn)速n無關(guān)，只與晶體振蕩產(chǎn)生的脈沖有關(guān)，故可適合各種轉(zhuǎn)速下的測量。保證其測量精度的途徑是增大定時時間T，或提高時基脈沖的頻率fc。因此，在實際操作時往往采用一種稱變M/T

11、的測量方法，即所謂變M/T法，在M/T法的基礎(chǔ)上，讓測量時間Tc始終等于轉(zhuǎn)速輸入脈沖信號的周期之和。并根據(jù)第一次的所測轉(zhuǎn)速及時調(diào)整預(yù)測時間Tc，兼顧高低轉(zhuǎn)速時的測量精度?；贛法測量速度，電路和程序均較為簡單，且可以在一定的條件下滿足精度的要求，所以本設(shè)計中采用M法進行測量。1.2方案分析電機的轉(zhuǎn)速通過接近傳感器采集脈沖信號，經(jīng)過放大處理后輸送給單片機，電機的轉(zhuǎn)速通過LED顯示出來。這個電路設(shè)計可以分為三部分：第一個部分為測速電路，第二部分為單片機處理部分，第三部分為LED顯示部分。數(shù)碼顯示單片機處理波形整定，放大電路傳感測量圖1-4 大概框圖2.系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計2.1脈沖產(chǎn)生電路的設(shè)計可以

12、將一塊鋼鐵固定在電動機轉(zhuǎn)軸上轉(zhuǎn)盤的邊沿，轉(zhuǎn)盤隨被測軸旋轉(zhuǎn)，鋼也跟著同步旋轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)盤附近安裝一個接近傳感器，轉(zhuǎn)盤隨轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時，接近傳感器受到鋼產(chǎn)生感應(yīng)，會產(chǎn)生脈沖信號，其頻率和轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系，測出脈沖的周期或頻率即可計算出轉(zhuǎn)速。脈沖信號的周期與電機轉(zhuǎn)速的關(guān)系為n = 其中：n為電機轉(zhuǎn)速； P為電機轉(zhuǎn)一圈的脈沖數(shù)； T為輸出方波信號的周期。2.2接近傳感器及信號調(diào)理電路設(shè)計2.2.1接近傳感器的簡介接近傳感器，是代替限位開關(guān)等接觸式檢測方式，以無需接觸檢測對象進行檢測為目的的傳感器的總稱。能檢測對象的移動信息和存在信息轉(zhuǎn)換為電氣信號。在換為電氣信號的檢測方式中，包括利用電磁感應(yīng)引起的檢測對象的金屬

13、體中產(chǎn)生的渦電流的方式、捕測體的接近引起的電氣信號的容量變化的方式、利石和引導(dǎo)開關(guān)的方式。傳感器中也能以非接觸方式檢測到物體的接近和附近檢測對象有無的產(chǎn)品總稱為“接近開關(guān)”，由感應(yīng)型、靜電容量型、超聲波型、光電型、磁力型等構(gòu)成。其特長為 由于能以非接觸方式進行檢測，所以不會磨損和損傷檢測對象物。 由于采用無接點輸出方式，因此壽命延長（磁力式除外）采用半導(dǎo)體輸出，對接點的壽命無影響。 與光檢測方式不同，適合在水和油等環(huán)境下使用檢測時幾乎不受檢測對象的污漬和油、水等的影響。此外，還包括特氟龍外殼型及耐藥品良好的產(chǎn)品。 與接觸式開關(guān)相比，可實現(xiàn)高速響應(yīng)。 能對應(yīng)廣泛的溫度范圍。 不受檢測物體顏色的影

14、響對檢測對象的物理性質(zhì)變化進行檢測，所以幾乎不受表面顏色等的影響。 與接觸式不同，會受周圍溫度的影響、周圍物體、同類傳感器的影響包括感應(yīng)型、靜電容量型在內(nèi)，傳感器之間相互影響。因此，對于傳感器的設(shè)置，需要考慮相互干擾。此外，在感應(yīng)型中，需要考慮周圍金屬的影響，而在靜電容量型中則需考慮周圍物體的影響。下面我們以電容式接近傳感器為例進行轉(zhuǎn)速測量設(shè)計。2.2.2信號調(diào)理電路的設(shè)計將一塊金屬塊連接在電動機轉(zhuǎn)軸上，每當(dāng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)一圈，金屬塊就在接近傳感器前過一下，接近傳感器就會接受到一個脈沖，經(jīng)過處理后，這個脈沖就被記下，每轉(zhuǎn)一次，經(jīng)過放大整形后，記一個脈沖，這樣就能測速了。圖2-1 信號調(diào)理電路3.主電路

15、的設(shè)計3.1單片機AT89C52介紹AT89C52是51系列單片機的一個型號，它是ATMEL公司生產(chǎn)的。AT89C52是一個低電壓，高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含8k bytes的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲器和256 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，功能強大的AT89C52單片機可為您提供許多較復(fù)雜系統(tǒng)控制應(yīng)用場合。AT89C52有40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時內(nèi)含2個外中斷口，3個16位可編程定時計數(shù)器,2個全雙工串

16、行通信口，2個讀寫口線，AT89C52可以按照常規(guī)方法進行編程,但不可以在線編程(S系列的才支持在線編程)。其將通用的微處理器和Flash存儲器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的Flash存儲器可有效地降低開發(fā)成本。主要性能參數(shù) 8K字節(jié)可重擦寫Flash閃速存儲器 1000次可擦寫周期 全靜態(tài)操作：0Hz-24MHz 三級加密程序存儲器 256×8字節(jié)內(nèi)部RAM 32個可編程I/O口線 3個16位定時/計數(shù)器 8個中斷源 可編程串行UART通道 低功耗空閑和掉電模式AT89C52 P為40 腳雙列直插封裝的8 位通用微處理器，采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的C51內(nèi)核，在內(nèi)部功能及管腳排布上與通用的8x

17、c52 相同，其主要用于會聚調(diào)整時的功能控制。功能包括對會聚主IC 內(nèi)部寄存器、數(shù)據(jù)RAM及外部接口等功能部件的初始化，會聚調(diào)整控制，會聚測試圖控制，紅外遙控信號IR的接收解碼及與主板CPU通信等。主要管腳有：XTAL1（19 腳）和XTAL2（18 腳）為振蕩器輸入輸出端口，外接12MHz 晶振。RST/Vpd（9 腳）為復(fù)位輸入端口，外接電阻電容組成的復(fù)位電路。VCC（40 腳）和VSS（20 腳）為供電端口，分別接+5V電源的正負(fù)端。P0P3 為可編程通用I/O 腳，其功能用途由軟件定義，在本設(shè)計中，P0 端口（3239 腳）被定義為N1 功能控制端口，分別與N1的相應(yīng)功能管腳相連接，1

18、3 腳定義為IR輸入端，10 腳和11腳定義為I2C總線控制端口，分別連接N1的SDAS（18腳）和SCLS（19腳）端口，12 腳、27 腳及28 腳定義為握手信號功能端口，連接主板CPU 的相應(yīng)功能端，用于當(dāng)前制式的檢測及會聚調(diào)整狀態(tài)進入的控制功能。圖 3-1 AT89C52外部引腳圖3.2顯示電路的設(shè)計模擬接近開關(guān)給予調(diào)理電路一個時鐘脈沖信號，頻率為3K Hz顯示電路圖見附錄。4.心得體會兩周的課程設(shè)計結(jié)束了，在這次的課程設(shè)計中不僅檢驗了我所學(xué)習(xí)的知識，也培養(yǎng)了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在設(shè)計過程中，與同學(xué)分工設(shè)計，和同學(xué)們相互探討，相互學(xué)習(xí)，相互監(jiān)督。

19、學(xué)會了合作，學(xué)會了運籌帷幄，學(xué)會了寬容，學(xué)會了理解，也學(xué)會了做人與處世。通過這次的課程設(shè)計，綜合的運用了所學(xué)的理論和知識，實際訓(xùn)練，從而提高了工作能力，在這次設(shè)計過程中，體現(xiàn)出自己單獨設(shè)計的能力以及綜合運用知識的能力，體會了學(xué)以致用、突出自己勞動成果的喜悅心情，從中發(fā)現(xiàn)自己平時學(xué)習(xí)的不足和薄弱環(huán)節(jié)，從而加以彌補。更給以后進入工作崗位后的工作能力打下了堅實的基礎(chǔ)。5.參考文獻1.李現(xiàn)明，吳皓編著.自動檢測技術(shù).北京：機械工業(yè)出版社，20092.徐仁貴.單片微型計算機應(yīng)用技術(shù).北京：機械工業(yè)出版社.20013.陳愛弟.Protel99實用培訓(xùn)教程.北京：人民郵電出版社.20006.附錄6.1 電路圖 圖6-1 連接脈沖的信號調(diào)理電路圖6-2 脈沖調(diào)理電路波形圖圖6-3顯示電路圖6.2 單片機程序#include<reg52.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned intuint mm=1234;uchar code table=0x3F,0x06,0x5B,0x4F,0x66,0x6D,0x7D,0x07,0x7F,0x6F;delay(uint m) uint i,j;for(i=m;i>0;i-)for(j=60;j>0;j-); xian_shi() uchar qian,b