傳感器課程設(shè)計(jì)77702

1、目錄摘要1一 課程設(shè)計(jì)任務(wù)和功能要求11.1設(shè)計(jì)應(yīng)用背景11.2設(shè)計(jì)原理11.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2二 傳感器模塊設(shè)計(jì)32.1脈沖信號(hào)的獲得32.2霍爾傳感器32.3光電傳感器32.4光電編碼器42.5三套方案的選擇與比較4三.設(shè)計(jì)總結(jié)53.1硬件連接53.2實(shí)驗(yàn)程序及分析63.4原理圖73.5 PCB原理圖7四.設(shè)計(jì)總結(jié)8五.參考文獻(xiàn)9六.成員及分工情況9附錄91摘要測(cè)速是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常遇到的問題，學(xué)會(huì)使用單片機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)測(cè)速儀表具有很重要的意義。要測(cè)速，首先要解決是采樣的問題。在使用模擬技術(shù)制作測(cè)速表時(shí)，常用測(cè)速發(fā)電機(jī)的方法，即將測(cè)速發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸與待測(cè)軸相連，測(cè)速發(fā)電機(jī)的電壓高低反映了轉(zhuǎn)速的高低。使

2、用單片機(jī)進(jìn)行測(cè)速，可以使用簡(jiǎn)單的脈沖計(jì)數(shù)法。只要轉(zhuǎn)軸每旋轉(zhuǎn)一周，產(chǎn)生一個(gè)或固定的多個(gè)脈沖，并將脈沖送入單片機(jī)中進(jìn)行計(jì)數(shù)，即可獲得轉(zhuǎn)速的信息。關(guān)鍵詞：拾取信號(hào) 光電傳感器 霍爾傳感器 光電編碼器 轉(zhuǎn)速一 課程設(shè)計(jì)任務(wù)和功能要求任務(wù)：電機(jī)轉(zhuǎn)速自動(dòng)檢測(cè)功能要求：請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)一種電機(jī)轉(zhuǎn)速監(jiān)控裝置，能夠提供電機(jī)轉(zhuǎn)速的電量信息。1.1設(shè)計(jì)應(yīng)用背景電動(dòng)機(jī)作為風(fēng)機(jī)、水泵、機(jī)床等設(shè)備的動(dòng)力，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)、公用設(shè)施、制造業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域，在我國(guó)，電動(dòng)機(jī)的用電量已經(jīng)占到社會(huì)總用電量的60以上。我國(guó)能源相對(duì)缺乏，優(yōu)質(zhì)能源嚴(yán)重短缺，同時(shí)巨大的能源消耗引起的環(huán)境污染已在某種程度上制約了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，從節(jié)約能源，保護(hù)環(huán)境

3、出發(fā)，我國(guó)開展了很多節(jié)能研究工作電動(dòng)機(jī)作為量大面廣的機(jī)電產(chǎn)品，降低電動(dòng)機(jī)的損耗、提高電動(dòng)機(jī)的效率已成為節(jié)能降耗、降低生產(chǎn)成本、追求經(jīng)濟(jì)效益最大化的重要手段，是利國(guó)利民的大事。對(duì)老式耗能大的電動(dòng)機(jī)必須進(jìn)行節(jié)能改造，因此，研究其節(jié)能問題具有非常重要的意義。1.2設(shè)計(jì)原理（1）利用光電開關(guān)管做電機(jī)轉(zhuǎn)速的信號(hào)拾取元件，在電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上安裝一圓盤，在圓盤上挖一小洞，小洞上下分別對(duì)應(yīng)著光發(fā)射和光接收開關(guān)，圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)一圈即發(fā)光電管導(dǎo)通一次，利用此信號(hào)作為進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)所需。（2）計(jì)數(shù)脈沖通過計(jì)數(shù)電路進(jìn)行有效的計(jì)數(shù)，按照設(shè)計(jì)要求每一秒種都必須對(duì)計(jì)數(shù)器清零一次，因?yàn)殡娐穼?shí)行秒更新，所以計(jì)數(shù)器到譯碼電路之間有鎖存電路，

4、在計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)的過程中對(duì)上一次的數(shù)據(jù)進(jìn)行鎖存顯示，這樣做不僅可以解決數(shù)碼顯示的邏輯混亂，還可以避免了數(shù)碼顯示的閃爍問題。（3）對(duì)于脈沖記數(shù)，有測(cè)周和測(cè)頻的兩種方式。測(cè)周電路的測(cè)量精度主要受電路系統(tǒng)的脈沖產(chǎn)生電路的影響，對(duì)于低頻率信號(hào)，其精度較高。測(cè)頻電路其對(duì)于高低電平的信號(hào)差比較敏感，對(duì)于低頻率信號(hào)的測(cè)量誤差較大，但是本電路仍然采用測(cè)頻方式，原因是本電路對(duì)于馬達(dá)電機(jī)轉(zhuǎn)速精度要求較低，本電路還有升級(jí)為頻率計(jì)使用，而測(cè)頻方式對(duì)高頻的精度還是很高的。（4）顯示電路采用靜態(tài)顯示方法，由于靜態(tài)顯示易于制作和調(diào)試，原理也較簡(jiǎn)單，所需元件易于購(gòu)買。（5）電路時(shí)鐘是整個(gè)電路的關(guān)鍵，它是整個(gè)電路有效工作的核心

5、，負(fù)責(zé)電路的鎖存和清零。其基本思路是：產(chǎn)生頻率一秒是時(shí)鐘，當(dāng)秒時(shí)鐘到來時(shí)，即上升沿到來時(shí)，對(duì)鎖存電路進(jìn)行鎖存，鎖存以后才能對(duì)計(jì)數(shù)器進(jìn)行清零，鎖存和清零間隔要充分小，否則就影響電路的計(jì)數(shù)準(zhǔn)確度。鑒于此，對(duì)鎖存集成必須采用邊沿觸發(fā)形式的集成，并且計(jì)數(shù)器應(yīng)該與鎖存同步工作，即都在秒時(shí)鐘的上升沿觸發(fā)工作。另外大多的譯碼器都帶有鎖存功能，但是其他鎖存方式基本上都是電平觸發(fā)，若設(shè)計(jì)成電平觸發(fā)的話，勢(shì)必會(huì)增加電路的復(fù)雜度，還不如直接采用邊沿鎖存的單集成，所以不使用譯碼器中的鎖存電路。時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)方法很多，本電路采用晶振電路，以求得高精度的時(shí)鐘需求。1.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)本文主要針對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量，然后用數(shù)碼管把電機(jī)

6、的轉(zhuǎn)速顯示出來。本裝置主要有兩部分構(gòu)成：（1）光電測(cè)速部分。（2）測(cè)得的脈沖處理和顯示部分。光電測(cè)速部分主要由光電傳感器構(gòu)成，脈沖處理部分主要經(jīng)施密特觸發(fā)器對(duì)接收到的脈沖進(jìn)行波形校正，由單片機(jī)的T1口輸入，經(jīng)80C51處理后顯示輸出電機(jī)的轉(zhuǎn)速。二 傳感器模塊設(shè)計(jì)2.1脈沖信號(hào)的獲得可以有多種方式來獲得脈沖信號(hào)，因而需要用到以下傳感器中一種來獲取脈沖信號(hào)。2.2霍爾傳感器霍爾傳感器是對(duì)磁敏感的傳感元件，常用于開關(guān)信號(hào)采集的有CS3020、CS3040等，這種傳感器是一個(gè)3端器件，外形與三極管相似，只要接上電源、地，即可工作，輸出通常是集電極開路（OC）門輸出，工作電壓范圍寬，使用非常方便。如圖1

7、所示是CS3020的外形圖，將有字面對(duì)準(zhǔn)自己，三根引腳從左向右分別是Vcc、地和輸出。圖1 CS3020外形圖使用霍爾傳感器獲得脈沖信號(hào)，其機(jī)械結(jié)構(gòu)也可以做得較為簡(jiǎn)單，只要在轉(zhuǎn)軸的圓周上粘上一粒磁鋼，讓霍爾開關(guān)靠近磁鋼，就有信號(hào)輸出，轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，就會(huì)不斷地產(chǎn)生脈沖信號(hào)輸出。如果在圓周上粘上多粒磁鋼，可以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)一周，獲得多個(gè)脈沖輸出。在粘磁鋼時(shí)要注意，霍爾傳感器對(duì)磁場(chǎng)方向敏感，粘之前可以先手動(dòng)接近一下傳感器，如果沒有信號(hào)輸出，可以換一個(gè)方向再試。 這種傳感器不怕灰塵、油污，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用廣泛。2.3光電傳感器  光電傳感器是應(yīng)用非常廣泛的一種器件，有各種各樣的形式，如透射式、反射式等

8、，基本的原理就是當(dāng)發(fā)射管光照射到接收管時(shí)，接收管導(dǎo)通，反之閉合。以透射式為例，圖2可以看出，當(dāng)不透光的物體擋住發(fā)射與接收之間的間隙時(shí)，開關(guān)管閉合，否則打開。為此，可以制作一個(gè)遮光葉片如圖3，安裝在轉(zhuǎn)軸上，當(dāng)扇葉經(jīng)過時(shí)，產(chǎn)生脈沖信號(hào)。當(dāng)葉片數(shù)較多時(shí)，旋轉(zhuǎn)一周可以獲得多個(gè)脈沖信號(hào)。圖2光電傳感器的原理圖 圖3遮光葉片2.4光電編碼器光電編碼器的工作原理與光電傳感器一樣，不過它已將光電傳感器、電子電路、碼盤等做成一個(gè)整體，只要用連軸器將光電傳感器的軸與轉(zhuǎn)軸相連，就能獲得多種輸出信號(hào)。它廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、回轉(zhuǎn)臺(tái)、伺服傳動(dòng)、機(jī)器人、雷達(dá)、軍事目標(biāo)測(cè)定等需要檢測(cè)角度的裝置和設(shè)備中。圖4是某光電編碼器的外

9、形。圖4 成品光電編碼器2.5三套方案的選擇與比較根據(jù)三套方案的原理與實(shí)施方法，對(duì)三種傳感器在原理、優(yōu)缺點(diǎn)、成本、功耗、穩(wěn)定性方面進(jìn)行了對(duì)比分析，如表2.4所示。表2.4 三種傳感器傳感器類別霍爾傳感器光電傳感器電容式傳感器工作原理利用霍爾效應(yīng)原理將被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換成電動(dòng)勢(shì)。把被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換成光量的變化，借助光電元件進(jìn)一步將光量轉(zhuǎn)換成電量。把被測(cè)非電量的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化。優(yōu)點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、頻帶寬、動(dòng)態(tài)特性好和壽命長(zhǎng)。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、形式靈活多樣、體積小、采樣精確、采樣速度快、敏感范圍大、非接觸。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,價(jià)格便宜，靈敏度高,過載能力強(qiáng)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性好和對(duì)高溫、輻射、強(qiáng)振等惡劣條件的適應(yīng)

10、性強(qiáng)等。缺點(diǎn)轉(zhuǎn)換率較低、溫度影響大。輸出有非線性，寄生電容和分布電容對(duì)靈敏度和測(cè)量精度的影響較大，以及聯(lián)接電路較復(fù)雜。成本相對(duì)較高相對(duì)較低高功耗低超低相對(duì)較低穩(wěn)定性較穩(wěn)定穩(wěn)定長(zhǎng)期穩(wěn)定這次課設(shè)選的是光電傳感器，在穩(wěn)定低功耗和低成本下，比較合適。采用穿透法測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速。光電傳感器的原理上面有詳細(xì)的介紹。當(dāng)不透光的物體擋住發(fā)射與接收之間的間隙時(shí)，開關(guān)管閉合，否則打開。為此，可以制作一個(gè)遮光葉片如圖3所示，安裝在轉(zhuǎn)軸上，當(dāng)扇葉經(jīng)過時(shí)，產(chǎn)生脈沖信號(hào)。當(dāng)葉片數(shù)較多時(shí)，旋轉(zhuǎn)一周可以獲得多個(gè)脈沖信號(hào)。 這里我們才用轉(zhuǎn)10個(gè)孔的方式。在一分鐘的時(shí)間內(nèi)，假如產(chǎn)生了10000脈沖，則電機(jī)的轉(zhuǎn)速就為1000r/min

11、。三.設(shè)計(jì)總結(jié)3.1硬件連接測(cè)速的方法決定了測(cè)速信號(hào)的硬件連接，測(cè)速實(shí)際上就是測(cè)頻。因此，頻率測(cè)量的一些原則同樣適用于測(cè)速。 通常，可以用計(jì)數(shù)法、測(cè)脈寬法和等精度法來進(jìn)行測(cè)試。所謂計(jì)數(shù)法，就是給定一個(gè)閘門時(shí)間，在閘門時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)輸入的脈沖個(gè)數(shù)；測(cè)脈寬法是利用待測(cè)信號(hào)的脈寬來控制計(jì)數(shù)門，對(duì)一個(gè)高精度的高頻計(jì)數(shù)信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。由于閘門與被測(cè)信號(hào)不能同步。因此，這兩種方法都存在±1誤差的問題，第一種方法適用于信號(hào)頻率高時(shí)使用，第二種方法則在信號(hào)頻率低時(shí)使用。等精度法則對(duì)高、低頻信號(hào)都有很好的適應(yīng)性。這里為簡(jiǎn)化討論，僅采用計(jì)數(shù)法來進(jìn)行測(cè)試。圖5仿真電路圖如上圖：因?yàn)楣怆妭鞲衅鞑缓梅抡?，這里我們采

12、用了555芯片構(gòu)成一個(gè)施密特觸發(fā)器，由光電傳感器得到的脈沖由2，5腳輸入，經(jīng)3腳輸出接到單片機(jī)的T1（P3.5）。經(jīng)89C51編程處理后由P1口輸出通過數(shù)碼管顯示出轉(zhuǎn)速。3.2實(shí)驗(yàn)程序及分析測(cè)量轉(zhuǎn)速，使用光電傳感器，被測(cè)電機(jī)帶動(dòng)紙片旋轉(zhuǎn)，我們?cè)诩埰祥_了10小孔，電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一周就會(huì)產(chǎn)生10個(gè)脈沖，產(chǎn)生12個(gè)脈沖，要求將轉(zhuǎn)速值（轉(zhuǎn)/分）顯示在數(shù)碼管上。圖6仿真電路如上圖：光電傳感器測(cè)得脈沖由555的2或5腳輸入，由555的三腳輸出，接入AT9C51的P3.5口。P2.4-P2.7為數(shù)碼管的位選端口，p1為數(shù)據(jù)端口。3.4原理圖用protel DXP畫出原理圖：圖7 protel DXP畫出原理圖

13、3.5 PCB原理圖根據(jù)原理圖得到的PCB：圖8 PCB四.設(shè)計(jì)總結(jié)根據(jù)課題要求，設(shè)計(jì)一種電機(jī)轉(zhuǎn)速監(jiān)控裝置，能夠提供電機(jī)轉(zhuǎn)速的電量信息，達(dá)到電機(jī)轉(zhuǎn)速自動(dòng)檢測(cè)的目的，通過數(shù)碼管顯示。通過查詢相關(guān)資料，了解到現(xiàn)在電機(jī)用電量之高造成了很大的能源浪費(fèi)，更意識(shí)到了這個(gè)課題的現(xiàn)實(shí)意義。設(shè)計(jì)的原理首先是對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的信號(hào)拾取，這就有三種傳感器可以選擇，通過書本，網(wǎng)上查資料，對(duì)各個(gè)傳感器有一定了解后，根據(jù)實(shí)際情況以及成本選取用光電傳感器作為信號(hào)收集，它的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、形式靈活多樣、體積小、采樣精確、采樣速度快、敏感范圍大、非接觸。脈沖處理部分主要經(jīng)施密特觸發(fā)器對(duì)接收到的脈沖進(jìn)行波形校正，經(jīng)89C51編程處理后

14、由P1口輸出通過數(shù)碼管顯示出轉(zhuǎn)速。對(duì)于設(shè)計(jì)，用protel DXP畫出原理圖，仿真實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速自動(dòng)檢測(cè)，數(shù)碼管顯示轉(zhuǎn)速要求，精確度，靈敏度都符合要求，還對(duì)電路畫了PCB電路圖，可以通過刻板在實(shí)際中做出模型，實(shí)現(xiàn)課設(shè)要求?？傮w來說能夠?qū)崿F(xiàn)其基本功能，電機(jī)轉(zhuǎn)速700-1500r/min。通過這次課設(shè)，讓我們感受到了傳感器在生活中的普遍性和重要性。也通過這次課設(shè)，對(duì)光電傳感器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理的一些知識(shí)有了更深的了解、掌握。將自己所學(xué)的內(nèi)容在課程設(shè)計(jì)中表達(dá)了出來。經(jīng)過這一周的努力和付出，在老師的指導(dǎo)和小組成員的共同協(xié)作下，成功的完成了此次課設(shè)。五.參考文獻(xiàn)1徐科軍等，傳感器與檢測(cè)技術(shù)，電子工業(yè)出

15、版社，20062周杏鵬等，現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)，高等教育出版社，20043王幸之等，單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)抗干擾技術(shù)，北京航空航天大學(xué)出版社，2004六.成員及分工情況小組成員分工資料整合，報(bào)告撰寫光電傳感器資料整理霍爾傳感器資料整理光電編碼器資料整理附錄實(shí)驗(yàn)程序如下：#include <REG52.H>#define uchar unsigned char #define uint unsigned int #define ulong unsigned long#define LED_DAT P1sbit LED_SEG0 = P03;sbit LED_SEG1 = P02;sbit LED_S

16、EG2 = P01;sbit LED_SEG3 = P00;/sbit pin_SpeedSenser = P35; /光電傳感器信號(hào)接在T1上#define TIME_CYLC 100 /12M晶振，定時(shí)器10ms 中斷一次 我們1秒計(jì)算一次轉(zhuǎn)速 / 1000ms/10ms = 100#define PLUS_PER 10 /碼盤的齒數(shù) ，這里假定碼盤上有10個(gè)齒，即傳感器檢測(cè)到10個(gè)脈沖，認(rèn)為1圈#define K 100.0 /校準(zhǔn)系數(shù)unsigned char code table=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f;uc

17、har data Disbuf4;/ 顯示緩沖區(qū) uint Tcounter = 0; /時(shí)間計(jì)數(shù)器bit Flag_Fresh = 0; / 刷新標(biāo)志 bit Flag_clac = 0; /計(jì)算轉(zhuǎn)速標(biāo)志 bit Flag_Err = 0; /超量程標(biāo)志 /在數(shù)碼管上顯示一個(gè)四位數(shù) void DisplayFresh();/計(jì)算轉(zhuǎn)速，并把結(jié)果放入數(shù)碼管緩沖區(qū) void ClacSpeed();/初始化定時(shí)器T0void init_timer0();/初始化定時(shí)器T1void init_timer1();/延時(shí)函數(shù) void Delay(uint ms);void it_timer0() in

18、terrupt 1 /* interrupt address is 0x000b */TF0 = 0; /d定時(shí)器 T0用于數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)刷新 /TH0 = 0xC0; /* init values */TL0 = 0x00; Flag_Fresh = 1; Tcounter+; if(Tcounter>TIME_CYLC) Flag_clac = 1;/周期到，該重新計(jì)算轉(zhuǎn)速了 void it_timer1() interrupt 3 /* interrupt address is 0x001b */TF1 = 0; /定時(shí)器T1用于單位時(shí)間內(nèi)收到的脈沖數(shù) /要速度不是很快，T1永遠(yuǎn)不會(huì)

19、益處Flag_Err = 1; /如果速度很高，我們應(yīng)考慮另外一種測(cè)速方法，：脈沖寬度算轉(zhuǎn)速 void main(void)Disbuf0 = 0; /開機(jī)時(shí)，初始化為0000Disbuf1 = 0; Disbuf2 = 0;Disbuf3 = 0; init_timer0();init_timer1();while(1) if(Flag_Fresh) Flag_Fresh = 0; DisplayFresh(); / 定時(shí)刷新數(shù)碼管顯示 if(Flag_clac) Flag_clac = 0; ClacSpeed(); /計(jì)算轉(zhuǎn)速，并把結(jié)果放入數(shù)碼管緩沖區(qū) Tcounter = 0;/周期定

20、時(shí) 清零 TH1=TL1 = 0x00;/脈沖計(jì)數(shù)清零 if(Flag_Err) /超量程處理 /數(shù)碼管顯示字母'EEEE' Disbuf0 = 0x9e; /開機(jī)時(shí)，初始化為0000 Disbuf1 = 0x9e; Disbuf2 = 0x9e; Disbuf3 = 0x9e; while(1) DisplayFresh();/不再測(cè)速 等待復(fù)位i /在數(shù)碼管上顯示一個(gè)四位數(shù)void DisplayFresh()P2 |= 0xF0;LED_SEG0 = 0;LED_DAT = tableDisbuf0;Delay(1);P2 |= 0xF0;LED_SEG1 = 0;LED

21、_DAT = tableDisbuf1;Delay(1);P2 |= 0xF0;LED_SEG2 = 0;LED_DAT = tableDisbuf2;Delay(1);P2 |= 0xF0;LED_SEG3 = 0;LED_DAT = tableDisbuf3;Delay(1);P2 |= 0xF0;/計(jì)算轉(zhuǎn)速，并把結(jié)果放入數(shù)碼管緩沖區(qū)void ClacSpeed()uint speed ; uint PlusCounter;PlusCounter = TH1*256 + TL1;speed = K*(PlusCounter/PLUS_PER)/60;/K是校準(zhǔn)系數(shù)，如速度不準(zhǔn)，調(diào)節(jié)K的大小