畢業(yè)設(shè)計（論文）_基于單片機(jī)的向日葵生長測量儀設(shè)計

1、摘要控制環(huán)境植物生產(chǎn)系統(tǒng)中,營養(yǎng)液栽培系統(tǒng)由于具有多變量、非線性、大滯后、不確定性等問題,難以建立精確的數(shù)學(xué)模型,因而使得傳統(tǒng)控制策略難以獲得滿意的控制效果,從而導(dǎo)致其控制自動化水平相對落后。根據(jù)模糊控制理論及其在復(fù)雜的非線性控制系統(tǒng)具有良好應(yīng)用效果的事實。今天，那些不會打理花園的人再也不用為自己花園中的植物枯萎而擔(dān)憂了。一種新型的植物生長傳感器已在美國面世。 這種傳感器體積小巧，把它插在花盆里或花園中24小時，它便可以全面地收集與植物生長有關(guān)的數(shù)據(jù)，包括光照、溫度、濕度、土壤的排水性等。這種傳感器頂端帶有USB接口，可直接將收集到的數(shù)據(jù)傳輸至計算機(jī)。用戶可通過Easybloom的專用網(wǎng)站對該

2、數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，數(shù)據(jù)庫中包含了5000多種植物的相關(guān)信息，可以準(zhǔn)確地告訴用戶植物目前的生長狀況，所處的生長環(huán)境是否適宜以及所在的區(qū)域適合種植何種植物等信息，甚至還能準(zhǔn)確地告訴種植者花園中哪株植物需要澆水了，哪株植物生病了以及如何解決等信息。在下位機(jī)系統(tǒng)中設(shè)計由各傳感器及其信號調(diào)理電路、采樣保持及模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路、MCS-51系列單片機(jī)和串行通信接口電.關(guān)鍵字：生長儀，ATmega8，傳感器目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc249279661 摘要 PAGEREF _Toc249279661 h 1 HYPERLINK l _Toc249279662 目錄 PAG

3、EREF _Toc249279662 h 2 HYPERLINK l _Toc249279663 一 設(shè)計要求 PAGEREF _Toc249279663 h 3 HYPERLINK l _Toc249279664 1.根本要求 PAGEREF _Toc249279664 h 3 HYPERLINK l _Toc249279665 2.創(chuàng)新局部 PAGEREF _Toc249279665 h 3 HYPERLINK l _Toc249279666 二 系統(tǒng)分析 PAGEREF _Toc249279666 h 4 HYPERLINK l _Toc249279667 1.系統(tǒng)設(shè)計方向 PAGERE

4、F _Toc249279667 h 4 HYPERLINK l _Toc249279668 2.系統(tǒng)構(gòu)成 PAGEREF _Toc249279668 h 4 HYPERLINK l _Toc249279669 3.可選傳感器 PAGEREF _Toc249279669 h 4 HYPERLINK l _Toc249279670 三 所用器件簡介 PAGEREF _Toc249279670 h 5 HYPERLINK l _Toc249279671 1.主控芯片ATmega8簡介 PAGEREF _Toc249279671 h 5 HYPERLINK l _Toc249279672 1產(chǎn)品特性

5、PAGEREF _Toc249279672 h 5 HYPERLINK l _Toc249279673 2外設(shè)特點 PAGEREF _Toc249279673 h 6 HYPERLINK l _Toc249279674 3特殊的處理器特點 PAGEREF _Toc249279674 h 6 HYPERLINK l _Toc249279675 4I/O 和封裝 PAGEREF _Toc249279675 h 6 HYPERLINK l _Toc249279676 5工作電壓 PAGEREF _Toc249279676 h 7 HYPERLINK l _Toc249279677 6速度等級 PAG

6、EREF _Toc249279677 h 7 HYPERLINK l _Toc249279678 7引腳說明 PAGEREF _Toc249279678 h 8 HYPERLINK l _Toc249279679 8ATmega8狀態(tài)存放器 PAGEREF _Toc249279679 h 9 HYPERLINK l _Toc249279680 9通用存放器 PAGEREF _Toc249279680 h 10 HYPERLINK l _Toc249279681 10堆棧指針 PAGEREF _Toc249279681 h 11 HYPERLINK l _Toc249279682 11復(fù)位與中斷

7、 PAGEREF _Toc249279682 h 12 HYPERLINK l _Toc249279683 2生長速率傳感器FI-SM PAGEREF _Toc249279683 h 13 HYPERLINK l _Toc249279684 (1)速率傳感器簡介 PAGEREF _Toc249279684 h 13 HYPERLINK l _Toc249279685 (2)接觸式速率傳感器 PAGEREF _Toc249279685 h 13 HYPERLINK l _Toc249279686 3非接觸式速率傳感器 PAGEREF _Toc249279686 h 14 HYPERLINK l

8、_Toc249279687 (4)速度傳感器的性能 PAGEREF _Toc249279687 h 14 HYPERLINK l _Toc249279688 (5) FI-SM速率傳感器指標(biāo) PAGEREF _Toc249279688 h 14 HYPERLINK l _Toc249279689 3.位移傳感器DE-1M PAGEREF _Toc249279689 h 15 HYPERLINK l _Toc249279690 1位移傳感器簡介 PAGEREF _Toc249279690 h 15 HYPERLINK l _Toc249279691 2位移傳感器原理 PAGEREF _Toc24

9、9279691 h 15 HYPERLINK l _Toc249279692 3位移傳感器信號處理 PAGEREF _Toc249279692 h 16 HYPERLINK l _Toc249279693 (4)位移傳感器位移傳感器的分類 PAGEREF _Toc249279693 h 17 HYPERLINK l _Toc249279694 (5)位移傳感器主要特性參數(shù) PAGEREF _Toc249279694 h 18 HYPERLINK l _Toc249279695 (6)位移傳感器SD-5M各項指標(biāo) PAGEREF _Toc249279695 h 19 HYPERLINK l _T

10、oc249279696 7數(shù)碼管顯示器 PAGEREF _Toc249279696 h 19 HYPERLINK l _Toc249279697 四 系統(tǒng)設(shè)計 PAGEREF _Toc249279697 h 21 HYPERLINK l _Toc249279698 1.系統(tǒng)硬件設(shè)計 PAGEREF _Toc249279698 h 21 HYPERLINK l _Toc249279699 1AVR單片機(jī)最小系統(tǒng) PAGEREF _Toc249279699 h 21 HYPERLINK l _Toc249279700 2傳感器輸入接口 PAGEREF _Toc249279700 h 21 HYPE

11、RLINK l _Toc249279701 3放大處理器 PAGEREF _Toc249279701 h 22 HYPERLINK l _Toc249279702 4信號處理整形電路 PAGEREF _Toc249279702 h 23 HYPERLINK l _Toc249279703 5報警電路 PAGEREF _Toc249279703 h 23 HYPERLINK l _Toc249279704 6電源電路 PAGEREF _Toc249279704 h 24 HYPERLINK l _Toc249279705 2.系統(tǒng)軟件設(shè)計 PAGEREF _Toc249279705 h 24 H

12、YPERLINK l _Toc249279706 1軟件流程圖 PAGEREF _Toc249279706 h 24 HYPERLINK l _Toc249279707 2程序清單 PAGEREF _Toc249279707 h 25 HYPERLINK l _Toc249279708 五 參考文獻(xiàn)： PAGEREF _Toc249279708 h 25 HYPERLINK l _Toc249279709 附錄一：程序清單 PAGEREF _Toc249279709 h 26一 設(shè)計要求1.根本要求1能實時監(jiān)測向日葵的生長情況。2能實時顯示及統(tǒng)計向日葵生長高度等各項指標(biāo)。2.創(chuàng)新局部1能存儲一

13、周的生長指標(biāo)值，便于查看與比照。2能設(shè)定各項指標(biāo)，并進(jìn)行報警。二 系統(tǒng)分析1.系統(tǒng)設(shè)計方向本系統(tǒng)主要依靠各種專業(yè)傳感器，來將植物的當(dāng)前生長情況的各項指標(biāo)轉(zhuǎn)換成微電壓信號，在經(jīng)過精密放大整理后送到AVR單片機(jī)ATmega8，利用單片機(jī)來比擬轉(zhuǎn)換各項指標(biāo)，并存儲，最后處理成較人性化的指標(biāo)。系統(tǒng)可預(yù)置各項指標(biāo)，并能定向報警。 電源系統(tǒng) 樣品收集系統(tǒng) 樣品檢測系統(tǒng) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)3.可選傳感器 PIR-1 光合作用輻射傳感器 TIR-4 總輻射傳感器 ATH-2 空氣溫濕度傳感器 SMS-2 土壤濕度傳感器 LT-2M 葉片溫度傳感器 SF-4M, SF-5M 莖流速率傳感器 SD-5M 或 SD-6M

14、 莖桿微變化傳感器 DE-1M 電子點位測樹器 FI-LM,FI-MM,FI-SM和FI-XSM果實生長傳感器 SA-20 莖桿生長計三 所用器件簡介ATmega8簡介1產(chǎn)品特性 高性能、低功耗的 8 位AVR 微處理器 先進(jìn)的RISC 結(jié)構(gòu) 130 條指令 大多數(shù)指令執(zhí)行時間為單個時鐘周期 32個8 位通用工作存放器 全靜態(tài)工作 工作于16 MHz 時性能高達(dá)16 MIPS 只需兩個時鐘周期的硬件乘法器 非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲器 8K 字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash 擦寫壽命: 10,000 次 具有獨立鎖定位的可選Boot 代碼區(qū) 通過片上Boot 程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程 真正的同時讀寫操作 5

15、12 字節(jié)的EEPROM 擦寫壽命: 100,000 次 1K字節(jié)的片內(nèi)SRAM 可以對鎖定位進(jìn)行編程以實現(xiàn)用戶程序的加密2外設(shè)特點 兩個具有獨立預(yù)分頻器8 位定時器/ 計數(shù)器, 其中之一有比擬功能 一個具有預(yù)分頻器、比擬功能和捕捉功能的16 位定時器/ 計數(shù)器 具有獨立振蕩器的實時計數(shù)器RTC 三通道PWM TQFP與MLF 封裝的8 路ADC 路10 位ADC 8 路10 位ADC 面向字節(jié)的兩線接口 兩個可編程的串行USART 可工作于主機(jī)/ 從機(jī)模式的SPI 串行接口 具有獨立片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器 片內(nèi)模擬比擬器3特殊的處理器特點 上電復(fù)位以及可編程的掉電檢測 片內(nèi)經(jīng)過標(biāo)定的

16、RC 振蕩器 片內(nèi)/ 片外中斷源 5種睡眠模式: 空閑模式、ADC 噪聲抑制模式、省電模式、掉電模式及Standby 模式。4I/O 和封裝 23個可編程的I/O 口 28引腳PDIP 封裝,32 引腳TQFP 封裝,32 引腳MLF 封裝5工作電壓 2.7 - 5.5V (ATmega8L) 4.5 - 5.5V (ATmega8)6速度等級 0 - 8 MHz (ATmega8L) 0 - 16 MHz (ATmega8) 4 Mhz 時功耗, 3V, 25C 工作模式: 3.6 mA 空閑模式: 1.0 mA 掉電模式: 0.5 A 具有8KB 系統(tǒng)內(nèi)可編程 Flash 的 8 位 微控

17、制器ATmega8引腳圖ATmega8內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡圖7引腳說明VCC 數(shù)字電路的電源。GND 地。端口B(PB7.PB0)XTAL1/XTAL2/TOSC1/TOSC2端口B 為8 位雙向I/O 口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，假設(shè)內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時將輸出電流。在復(fù)位過程中，即使系統(tǒng)時鐘還未起振，端口B 處于高阻狀態(tài)。通過時鐘選擇熔絲位的設(shè)置， PB6 可作為反向振蕩放大器或時鐘操作電路的輸入端。通過時鐘選擇熔絲位的設(shè)置PB7 可作為反向振蕩放大器的輸出端。假設(shè)將片內(nèi)標(biāo)定RC 振蕩器作為芯片時鐘源，且ASSR

18、 存放器的AS2 位設(shè)置，PB7.6 作為異步 T/C2 的TOSC2.1 輸入端。端口B 的其他功能見P55“ 端口B 的第二功能 及P 22“ 系統(tǒng)時鐘及時鐘選項 。端口C(PC5.PC0) 端口C 為7 位雙向I/O 口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，假設(shè)內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時將輸出電流。在復(fù)位過程中，即使系統(tǒng)時鐘還未起振，端口C 處于高阻狀態(tài)。PC6/RESET 假設(shè)RSTDISBL 熔絲位編程， PC6 作為I/O 引腳使用。注意PC6 的電氣特性與端口C 的其他引腳不同假設(shè)RSTDISBL 熔絲位未編

19、程，PC6 作為復(fù)位輸入引腳。持續(xù)時間超過最小門限時間的低電平將引起系統(tǒng)復(fù)位。門限時間見P 35Table 15 。持續(xù)時間小于門限時間的脈沖不能保證可靠復(fù)位。端口C 的其他功能見后。端口D(PD7.PD0) 端口D 為8 位雙向I/O 口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，假設(shè)內(nèi)部上拉電阻使能，那么端口被外部電路拉低時將輸出電流。在復(fù)位過程中，即使系統(tǒng)時鐘還未起振，端口D 處于高阻狀態(tài)。端口D 的其他功能見后。RESET 復(fù)位輸入引腳。持續(xù)時間超過最小門限時間的低電平將引起系統(tǒng)復(fù)位。門限時間見 P35Table 15 。持續(xù)時間小

20、于門限時間的脈沖不能保證可靠復(fù)位。AVCC AVCC 是A/D轉(zhuǎn)換器、端口C (3.0) 及ADC (7.6) 的電源。不使用ADC時，該引腳應(yīng)直接與VCC 連接。使用ADC 時應(yīng)通過一個低通濾波器與VCC 連接。注意，端口C (5.4) 為數(shù)字電源， VCC。AREF A/D 的模擬基準(zhǔn)輸入引腳。ADC7.6(TQFP 與MLF 封裝) TQFP與MLF封裝的ADC7.6作為A/D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入。為模擬電源 且作為10位ADC通道。8ATmega8狀態(tài)存放器狀態(tài)存放器包含了最近執(zhí)行的算術(shù)指令的結(jié)果信息。這些信息可以用來改變程序流程以實現(xiàn)條件操作。如指令集所述，所有ALU 運(yùn)算都將影響狀態(tài)存

21、放器的內(nèi)容。這樣，在許多情況下就不需要專門的比擬指令了，從而使系統(tǒng)運(yùn)行更快速，代碼效率更高。在進(jìn)入中斷效勞程序時狀態(tài)存放器不會自動保存，中斷返回時也不會自動恢復(fù)。這些工作需要軟件來處理。AVR 中斷存放器 SREG 定義如下： Bit 7 I: 全局中斷使能I 置位時使能全局中斷。單獨的中斷使能由其他獨立的控制存放器控制。如果I 清零，那么不管單獨中斷標(biāo)志置位與否，都不會產(chǎn)生中斷。任意一個中斷發(fā)生后I 清零，而執(zhí)行RETI指令后I 恢復(fù)置位以使能中斷。I 也可以通過SEI 和CLI 指令來置位和清零。 Bit 6 T: 位拷貝存儲位拷貝指令BLD 和BST 利用T 作為目的或源地址。BST 把

22、存放器的某一位拷貝到T，而BLD 把T 拷貝到存放器的某一位。 Bit 5 H: 半進(jìn)位標(biāo)志半進(jìn)位標(biāo)志H 表示算術(shù)操作發(fā)生了半進(jìn)位。此標(biāo)志對于BCD 運(yùn)算非常有用。詳見指令集的說明。 Bit 4 S: 符號位, S = N VS 為負(fù)數(shù)標(biāo)志N 與2 的補(bǔ)碼溢出標(biāo)志V 的異或。詳見指令集的說明。 Bit 3 V:2 的補(bǔ)碼溢出標(biāo)志支持2 的補(bǔ)碼運(yùn)算。詳見指令集的說明。 Bit 2 N: 負(fù)數(shù)標(biāo)志說明算術(shù)或邏輯操作結(jié)果為負(fù)。詳見指令集的說明。 Bit 1 Z: 零標(biāo)志說明算術(shù)或邏輯操作結(jié)果為零。詳見指令集的說明。 Bit 0 C: 進(jìn)位標(biāo)志9通用存放器文件存放器文件針對AVR 增強(qiáng)型 RISC 指

23、令集做了優(yōu)化。為了獲得需要的性能和靈活性，存放器文件支持以下的輸入/ 輸出方案： 輸出一個 8 位操作數(shù)，輸入一個 8 位結(jié)果。 輸出兩個 8 位位操作數(shù)，輸入一個 8 位結(jié)果。 輸出兩個 8 位位操作數(shù)，輸入一個 16 位結(jié)果。 輸出一個 16 位位操作數(shù)，輸入一個 16 位結(jié)果。CPU 32 個通用工作存放器的結(jié)構(gòu)10堆棧指針堆棧指針主要用來保存臨時數(shù)據(jù)、局部變量和中斷/ 子程序的返回地址。堆棧指針總是指向堆棧的頂部。要注意AVR 的堆棧是向下生長的，即新數(shù)據(jù)推入堆棧時，堆棧指針的數(shù)值將減小。堆棧指針指向數(shù)據(jù)SRAM 堆棧區(qū)。在此聚集了子程序堆棧和中斷堆棧。調(diào)用子序和使能中斷之前必須定義堆

24、?？臻g，且堆棧指針必須指向高于0 x60 的地址空間。使用PUSH指令將數(shù)據(jù)推入堆棧時指針減一；而子程序或中斷返回地址推入堆棧時指針將減二。使用POP 指令將數(shù)據(jù)彈出堆棧時，堆棧指針加一；而用RET 或RETI 指令從子程序或中斷返回時堆棧指針加二。AVR的堆棧指針由I/O空間中的兩個8位存放器實現(xiàn)。實際使用的位數(shù)與具體器件有關(guān)。請注意某些AVR 器件的數(shù)據(jù)區(qū)太小，用SPL 就足夠了。此時將不給出SPH 存放器。指令執(zhí)行時序這一節(jié)介紹指令執(zhí)行過程中的訪問時序。AVR CPU 由系統(tǒng)時鐘clkCPU 驅(qū)動。此時鐘直接來自選定的時鐘源。芯片內(nèi)部不對此時鐘進(jìn)行分頻。Figure 5 說明了由Harv

25、ard 結(jié)構(gòu)決定的并行取指和指令執(zhí)行，以及可以進(jìn)行快速訪問的存放器文件的概念。這是一個根本的流水線概念，性能高達(dá)1 MIPS/MHz，具有優(yōu)良的性價比、功能/ 時鐘比、功能/ 功耗比。11復(fù)位與中斷處理AVR有不同的中斷源。每個中斷和復(fù)位在程序空間都有獨立的中斷向量。所有的中斷事件都有自己的使能位。當(dāng)使能位置位，且狀態(tài)存放器的全局中斷使能位I 也置位時，中斷可以發(fā)生。根據(jù)程序計數(shù)器PC 的不同，在引導(dǎo)鎖定位BLB02 或BLB12 被編程的情況下，中斷可能被自動禁止。這個特性提高了軟件的平安性。詳見 P 209“ 存儲器編程 的描述。程序存儲區(qū)的最低地址缺省為復(fù)位向量和中斷向量。完整的向量列表

26、請參見P 43“ 中斷列表也決定了不同中斷的優(yōu)先級。向量所在的地址越低，優(yōu)先級越高。RESET 具有最高的優(yōu)先級，第二個為INT0 外部中斷請求0。通過置位通用中斷控制存放器 (GICR) 的IVSEL，中斷向量可以移至引導(dǎo)Flash的起始處，參見P 43“中斷 。編程熔絲位BOOTRST也可以將復(fù)位向量移至引導(dǎo)Flash 的起始處。具體參見P 196“ 支持引導(dǎo)裝入程序 在寫的同時可以讀(RWW, Read-While-Write) 的自我編程能力 。任一中斷發(fā)生時全局中斷使能位I 被清零，從而禁止了所有其他的中斷。用戶軟件可以在中斷程序里置位I 來實現(xiàn)中斷嵌套。此時所有的中斷都可以中斷當(dāng)前

27、的中斷效勞程序。執(zhí)行RETI 指令后I 自動置位。從根本上說有兩種類型的中斷。第一種由事件觸發(fā)并置位中斷標(biāo)志。對于這些中斷，程序計數(shù)器跳轉(zhuǎn)到實際的中斷向量以執(zhí)行中斷處理程序，同時硬件將去除相應(yīng)的中斷標(biāo)志。中斷標(biāo)志也可以通過對其寫1 的方式來去除。當(dāng)中斷發(fā)生后，如果相應(yīng)的中斷使能位為0，那么中斷標(biāo)志位置位，并一直保持到中斷執(zhí)行，或者被軟件去除。類似的，如果全局中斷標(biāo)志被清零，那么所有已發(fā)生的中斷都不會被執(zhí)行，直到I 置位。然后掛起的各個中斷按中斷優(yōu)先級依次執(zhí)行。2生長速率傳感器FI-SM(1)速率傳感器簡介單位時間內(nèi)位移的增量就是速度。速度包括線速度和角速度，與之相對應(yīng)的就有線速度傳感器和角速度

28、傳感器，我們都統(tǒng)稱為速率傳感器 在機(jī)器人自動化技術(shù)中，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動速度測量較多，而且直線運(yùn)動速度也經(jīng)常通過旋轉(zhuǎn)速度間接測量。目前廣泛使用的速率傳感器是直流測速發(fā)電機(jī)，可以將旋轉(zhuǎn)速度轉(zhuǎn)變成電信號。測速機(jī)要求輸出電壓與轉(zhuǎn)速間保持線性關(guān)系，并要求輸出電壓陡度大，時間及溫度穩(wěn)定性好。測速機(jī)一般可分為直流式和交流式兩種。直流式測速機(jī)的勵磁方式可分為他勵式和永磁式兩種，電樞結(jié)構(gòu)有帶槽的、空心的、盤式印刷電路等形式，其中帶槽式最為常用。(2)接觸式速率傳感器旋轉(zhuǎn)式速率傳感器與運(yùn)動物體直接接觸。當(dāng)運(yùn)動物體與旋轉(zhuǎn)式速率傳感器接觸時，摩擦力帶動傳感器的滾輪轉(zhuǎn)動。裝在滾輪上的轉(zhuǎn)動脈沖傳感器，發(fā)送出一連串的脈沖。每個脈沖

29、代表著一定的距離值，從而就能測出其速率。 接觸式旋轉(zhuǎn)速率傳感器結(jié)構(gòu)簡單，使用方便。但是接觸滾輪的直徑是與運(yùn)動物體始終接觸著，滾輪的外周將磨損，從而影響滾輪的周長。而脈沖數(shù)對每個傳感器又是固定的。影響傳感器的測量精度。要提高測量精度必須在二次儀表中增加補(bǔ)償電路。另外接觸式難免產(chǎn)生滑差，滑差的存在也將影響測量的正確性。因此傳感器使用中必須施加一定的正壓力或著滾輪外表采用摩擦力系數(shù)大的材料，盡可能減小滑差。3非接觸式速率傳感器旋轉(zhuǎn)式速率傳感器與運(yùn)動物體無直接接觸，非接觸式測量原理很多，以下僅介紹兩點，供參考。A.光電流速傳感器葉輪的葉片邊緣貼有反射膜，流體流動時帶動葉論旋轉(zhuǎn)，頁輪每轉(zhuǎn)動一周光纖傳輸反

30、光一次，產(chǎn)生一個電脈沖信號?？捎蓹z測到的脈沖數(shù)，計算出流速。B.光電風(fēng)速傳感器風(fēng)帶動風(fēng)速計旋轉(zhuǎn)，經(jīng)齒輪傳動后帶動凸輪成比例旋轉(zhuǎn)。光纖被徒輪輪番遮斷形成一串光脈沖，經(jīng)光電管轉(zhuǎn)換成定信號，經(jīng)計算可檢測出風(fēng)速。非接觸式旋轉(zhuǎn)速度傳感器壽命長，無需增加補(bǔ)償電路。但脈沖當(dāng)量不是距離整數(shù)倍，因此速度運(yùn)算相比照擬復(fù)雜。(4)速度傳感器的性能A.傳感器的輸出信號為脈沖信號，其穩(wěn)定性比擬好，不易受外部噪聲干擾，對測量電路無特殊要求。B.結(jié)構(gòu)比擬簡單，本錢低，性能穩(wěn)定可靠。功能齊全的微機(jī)芯片，使運(yùn)算變換系數(shù)易于獲得，故目前速率傳感器應(yīng)用極為普遍。 (5) FI-SM速率傳感器指標(biāo)測量范圍： 7 - 45 mm溫度穩(wěn)

31、定性： 最大0.005 mm/適用的果實直徑： 7到45mm 工作電壓： 10-30V DC輸出信號： 4-20 mA尺寸大?。?604015mm 3.位移傳感器DE-1M1位移傳感器簡介位移 HYPERLINK :/baike.baidu /view/16431.htm t _blank 傳感器又稱為線性傳感器，它分為電感式位移傳感器，電容式位移傳感器，光電式位移傳感器，超聲波式位移傳感器，霍爾式位移傳感器。電感式位移傳感器是一種屬于金屬感應(yīng)的線性器件，接通電源后，在開關(guān)的感應(yīng)面將產(chǎn)生一個交變磁場，當(dāng)金屬物體接近此感應(yīng)面時，金屬中那么產(chǎn)生渦流而吸取了振蕩器的能量，使振蕩器輸出幅度線性衰減，然

32、后根據(jù)衰減量的變化來完成無接觸檢測物體的目的。電感式位移傳感器具有無滑動觸點，工作時不受灰塵等非金屬因素的影響，并且低功耗，長壽命，可使用在各種惡劣條件下。位移傳感器主要應(yīng)用在自動化裝備生產(chǎn)線對模擬量的智能控制。位移是和物體的位置在運(yùn)動過程中的移動有關(guān)的量，位移的測量方式所涉及的范圍是相當(dāng)廣泛的。小位移通常用應(yīng)變式、電感式、差動變壓器式、渦流式、霍爾傳感器來檢測，大的位移常用感應(yīng)同步器、光柵、容柵、磁柵等傳感技術(shù)來測量。其中光柵傳感器因具有易實現(xiàn)數(shù)字化、精度高目前分辨率最高的可到達(dá)納米級、抗干擾能力強(qiáng)、沒有人為讀數(shù)誤差、安裝方便、使用可靠等優(yōu)點，在機(jī)床加工、檢測儀表等行業(yè)中得到日益廣泛的應(yīng)用。

33、2位移 HYPERLINK :/baike.baidu /view/16431.htm t _blank 傳感器原理計量光柵是利用光柵的莫爾條紋現(xiàn)象來測量位移的?！澳獱栐鲇诜ㄎ腗oire，意思是水波紋。幾百年前法國絲綢工人發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩層薄絲綢疊在一起時，將產(chǎn)生水波紋狀把戲；如果薄綢子相對運(yùn)動，那么把戲也跟著移動，這種奇怪的花紋就是莫爾條紋。一般來說，只要是有一定周期的曲線簇重疊起來，便會產(chǎn)生莫爾條紋。計量光柵在實際應(yīng)用上有透射光柵和反射光柵兩種；按其作用原理又可分為輻射光柵和相位光柵；按其用途可分為直線光柵和圓光柵。下面以透射光柵為例加以討論。透射光柵尺上均勻地刻有平行的刻線即柵線，a為刻線寬

34、，b為兩刻線之間縫寬，W=a+b稱為光柵柵距。目前國內(nèi)常用的光柵每毫米刻成10、25、50、100、250條等線條。光柵的橫向莫爾條紋測位移，需要兩塊光柵。一塊光柵稱為主光柵，它的大小與測量范圍相一致；另一塊是很小的一塊，稱為指示光柵。為了測量位移，必須在主光柵側(cè)加光源，在指示光柵側(cè)加光電接收元件。當(dāng)主光柵和指示光柵相對移動時，由于光柵的遮光作用而使莫爾條紋移動，固定在指示光柵側(cè)的光電元件，將光強(qiáng)變化轉(zhuǎn)換成電信號。由于光源的大小有限及光柵的衍射作用，使得信號為脈動信號。如圖 1，此信號是一直流信號和近視正弦的周期信號的疊加，周期信號是位移x的函數(shù)。每當(dāng)x變化一個光柵柵距W，信號就變化一個周期，

35、信號由b點變化到b點。由于bb=W，故b點的狀態(tài)與b點狀態(tài)完全一樣，只是在相位上增加了2。3位移 HYPERLINK :/baike.baidu /view/16431.htm t _blank 傳感器信號處理A.辨向原理 在實際應(yīng)用中，位移具有兩個方向，即選定一個方向后，位移有正負(fù)之分，因此用一個光電元件測定莫爾條紋信號確定不了位移方向。為了辨向，需要有 /2相位差的兩個莫爾條紋信號。如圖2，在相距1/4條紋間距的位置上安放兩個光電元件，得到兩個相位差/2的電信號u01和u02，經(jīng)過整形后得到兩個方波信號u01和u02。光柵正向移動時u01超前u02 90度，反向移動時u02超前u01 90

36、度，故通過電路辨相可確定光柵運(yùn)動方向。B.細(xì)分技術(shù) 隨著對測量精度要求的提高，以柵距為單位已不能滿足要求，需要采取適當(dāng)?shù)拇胧δ獱枟l紋進(jìn)行細(xì)分。所謂細(xì)分就是在莫爾條紋信號變化一個周期內(nèi)，發(fā)出假設(shè)干個脈沖，以減少脈沖當(dāng)量。如一個周期內(nèi)發(fā)出n個脈沖，那么可使測量精度提高n備，而每個脈沖相當(dāng)于原來柵距的1/n。由于細(xì)分后計數(shù)脈沖頻率提高了 n倍，因此也稱n倍頻。通常用的有兩種細(xì)分方法：其一、直接細(xì)分。在相差1/4莫爾條紋間距的位置上安放兩個光電元件，可得到兩個相位差90o的電信號，用反相器反相后就得到四個依次相差90o的交流信號。同樣，在兩莫爾條紋間放置四個依次相距1/4條紋間距的光電元件，也可獲得

37、四個相位差90o的交流信號，實現(xiàn)四倍頻細(xì)分。其二、電路細(xì)分。 (4)位移 HYPERLINK :/baike.baidu /view/16431.htm t _blank 傳感器位移傳感器的分類A.根據(jù)運(yùn)動方式分類:直線位移傳感器原理：直線位移傳感器的功能在于把直線機(jī)械位移量轉(zhuǎn)換成電信號。為了到達(dá)這一效果，通常將可變電阻滑軌定置在傳感器的固定部位，通過滑片在滑軌上的位移來測量不同的阻值。傳感器滑軌連接穩(wěn)態(tài)直流電壓，允許流過微安培的小電流，滑片和始端之間的電壓，與滑片移動的長度成正比。將傳感器用作分壓器可最大限度降低對滑軌總阻值精確性的要求，因為由溫度變化引起的阻值變化不會影響到測量結(jié)果。LT直

38、線位移傳感器： 廣泛應(yīng)用于注塑、機(jī)床及機(jī)械加工等行業(yè) 無限分辨率 行程：50至900mm 獨立線性度：0.05% 位移速度到達(dá)：5m/s、10 m/s可選 工作溫度：-30至+100 多種電氣連接方式 保護(hù)等級：IP60IP65可選 B.根據(jù)材質(zhì)分類:金屬膜傳感器、導(dǎo)電塑料傳感器、光電式傳感器、磁敏式傳感器、金屬玻璃鈾傳感器、繞線傳感器電位器式位移傳感器 它通過電位器元件將機(jī)械位移轉(zhuǎn)換成與之成線性或任意函數(shù)關(guān)系的電阻或電壓輸出。普通直線電位器和圓形電位器都可分別用作直線位移和角位移傳感器。但是，為實現(xiàn)測量位移目的而設(shè)計的電位器，要求在位移變化和電阻變化之間有一個確定關(guān)系。圖1中的電位器式位移傳

39、感器的可動電刷與被測物體相連。物體的位移引起電位器移動端的電阻變化。阻值的變化量反映了位移的量值，阻值的增加還是減小那么說明了位移的方向。通常在電位器上通以電源電壓，以把電阻變化轉(zhuǎn)換為電壓輸出。線繞式電位器由于其電刷移動時電阻以匝電阻為階梯而變化，其輸出特性亦呈階梯形。如果這種位移傳感器在伺服系統(tǒng)中用作位移反應(yīng)元件，那么過大的階躍電壓會引起系統(tǒng)振蕩。因此在電位器的制作中應(yīng)盡量減小每匝的電阻值。電位器式傳感器的另一個主要缺點是易磨損。它的優(yōu)點是：結(jié)構(gòu)簡單，輸出信號大，使用方便，價格低廉。 霍耳式位移傳感器 它的測量原理是保持霍耳元件見半導(dǎo)體磁敏元件的鼓勵電流不變，并使其在一個梯度均勻的磁場中移動

40、，那么所移動的位移正比于輸出的霍耳電勢。磁場梯度越大，靈敏度越高；梯度變化越均勻,霍耳電勢與位移的關(guān)系越接近于線性。圖2中是三種產(chǎn)生梯度磁場的磁系統(tǒng)：a系統(tǒng)的線性范圍窄，位移Z=0時，霍耳電勢0；b系統(tǒng)當(dāng)Z2毫米時具有良好的線性，Z=0時,霍耳電勢=0；c系統(tǒng)的靈敏度高,測量范圍小于1毫米。圖中N、S分別表示正、負(fù)磁極?；舳轿灰苽鞲衅鞯膽T性小、頻響高、工作可靠、壽命長，因此常用于將各種非電量轉(zhuǎn)換成位移后再進(jìn)行測量的場合。 光電式位移傳感器 它根據(jù)被測對象阻擋光通量的多少來測量對象的位移或幾何尺寸。特點是屬于非接觸式測量，并可進(jìn)行連續(xù)測量。光電式位移傳感器常用于連續(xù)測量線材直徑或在帶材邊緣位置

41、控制系統(tǒng)中用作邊緣位置傳感器。(5)位移 HYPERLINK :/baike.baidu /view/16431.htm t _blank 傳感器主要特性參數(shù)標(biāo)稱阻值：電位器上面所標(biāo)示的阻值。重復(fù)精度:此參數(shù)越小越好.分辨率:位移傳感器所能反應(yīng)的最小位移數(shù)值.此參數(shù)越小越好.導(dǎo)電塑料位移傳感器分辨率為無窮小. 允許誤差：標(biāo)稱阻值與實際阻值的差值跟標(biāo)稱阻值之比的百分?jǐn)?shù)稱阻值偏差，它表示電位器的精度。允許誤差一般只要在 20%以內(nèi)就符合要求,因為一般位移傳感器是以分壓的方式來使用,具體電阻的大小對傳感器的數(shù)據(jù)采集沒有影響.線性精度:直線性誤差.此參數(shù)越小越好.壽命:導(dǎo)電塑料位移傳感器都在200萬次

42、以上.(6)位移 HYPERLINK :/baike.baidu /view/16431.htm t _blank 傳感器SD-5M各項指標(biāo)測量范圍： 0 5 mm適用的莖桿直徑：4到25mm工作電壓： 10-30V DC輸出信號： 4-20 Ma尺寸大小： 903025mm7數(shù)碼管顯示器A.數(shù)碼管的分類數(shù)碼管按段數(shù)分為七段數(shù)碼管和八段數(shù)碼管，八段數(shù)碼管比七段數(shù)碼管多一個發(fā)光二極管單元多一個小數(shù)點顯示；按能顯示多少個“8可分為1位、2位、4位等等數(shù)碼管；按發(fā)光二極管單元連接方式分為共陽極數(shù)碼管和共陰極數(shù)碼管。共陽數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陽極接到一起形成公共陽極(COM)的數(shù)碼管。共陽數(shù)碼管

43、在應(yīng)用時應(yīng)將公共極COM接到+5V，當(dāng)某一字段發(fā)光二極管的陰極為低電平時，相應(yīng)字段就點亮。當(dāng)某一字段的陰極為高電平時，相應(yīng)字段就不亮。共陰數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陰極接到一起形成公共陰極(COM)的數(shù)碼管。共陰數(shù)碼管在應(yīng)用時應(yīng)將公共極COM接到地線GND上，當(dāng)某一字段發(fā)光二極管的陽極為高電平時，相應(yīng)字段就點亮。當(dāng)某一字段的陽極為低電平時，相應(yīng)字段就不亮。B.數(shù)碼管的驅(qū)動方式數(shù)碼管要正常顯示，就要用驅(qū)動電路來驅(qū)動數(shù)碼管的各個段碼，從而顯示出我們要的數(shù)字，因此根據(jù)數(shù)碼管的驅(qū)動方式的不同，可以分為靜態(tài)式和動態(tài)式兩類。 靜態(tài)顯示驅(qū)動：靜態(tài)驅(qū)動也稱直流驅(qū)動。靜態(tài)驅(qū)動是指每個數(shù)碼管的每一個段碼都由一個

44、單片機(jī)的I/O端口進(jìn)行驅(qū)動，或者使用如BCD碼二-十進(jìn)制譯碼器譯碼進(jìn)行驅(qū)動。靜態(tài)驅(qū)動的優(yōu)點是編程簡單，顯示亮度高，缺點是占用I/O端口多，如驅(qū)動5個數(shù)碼管靜態(tài)顯示那么需要5840根I/O端口來驅(qū)動，要知道一個89S51單片機(jī)可用的I/O端口才32個呢：，實際應(yīng)用時必須增加譯碼驅(qū)動器進(jìn)行驅(qū)動，增加了硬件電路的復(fù)雜性。 動態(tài)顯示驅(qū)動：數(shù)碼管動態(tài)顯示接口是單片機(jī)中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一，動態(tài)驅(qū)動是將所有數(shù)碼管的8個顯示筆劃a,b,c,d,e,f,g,dp的同名端連在一起，另外為每個數(shù)碼管的公共極COM增加位選通控制電路，位選通由各自獨立的I/O線控制，當(dāng)單片機(jī)輸出字形碼時，所有數(shù)碼管都接收到

45、相同的字形碼，但究竟是那個數(shù)碼管會顯示出字形，取決于單片機(jī)對位選通COM端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制翻開，該位就顯示出字形，沒有選通的數(shù)碼管就不會亮。通過分時輪流控制各個數(shù)碼管的的COM端，就使各個數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動態(tài)驅(qū)動。在輪流顯示過程中，每位數(shù)碼管的點亮?xí)r間為12ms，由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，盡管實際上各位數(shù)碼管并非同時點亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會有閃爍感，動態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣的，能夠節(jié)省大量的I/O端口，而且功耗更低。C.數(shù)碼管參數(shù)-20英寸。長*寬*高：長數(shù)碼管正放時，水平方向的長

46、度；寬數(shù)碼管正放時，垂直方向上的長度；高數(shù)碼管的厚度。時鐘點：四位數(shù)碼管中，第二位8與第三位8字中間的二個點。一般用于顯示時鐘中的秒。D.數(shù)碼管應(yīng)用數(shù)碼管是一類顯示屏 通過對其不同的管腳輸入相對的電流 會使其發(fā)亮 從而顯示出 數(shù)字 能夠顯示 時間 日期 溫度 等所有可用數(shù)字表示的參數(shù) 由于它的價格廉價 使用簡單 在電器 特別是家電領(lǐng)域應(yīng)用極為廣泛 空調(diào) 熱水器 冰箱 等等 絕大多數(shù) 熱水器用的都是數(shù)碼管 其他家電 也用液晶屏與 熒光屏 E.數(shù)碼管使用的電流與電壓電流：靜態(tài)時，推薦使用10-15mA；動態(tài)時，16/1動態(tài)掃描時，平均電流為4-5mA，峰值電流50-60mA。電壓：查引腳排布圖，看

47、一下每段的芯片數(shù)量是多少？當(dāng)紅色時，使用1.9V乘以每段的芯片串聯(lián)的個數(shù)；當(dāng)綠色時，使用2.1V乘以每段的芯片串聯(lián)的個數(shù)。四 系統(tǒng)設(shè)計1AVR單片機(jī)最小系統(tǒng)2傳感器輸入接口速率傳感器FI-SM和位移傳感器DE-1M均通過三線接口送至放大處理系統(tǒng)，由放大處理系統(tǒng)處理后送出電壓信號單片機(jī)。3放大處理器放大電路由LM358雙運(yùn)放組成，設(shè)置為比擬放大狀態(tài)，可有效防止外界干擾，放大倍數(shù)可調(diào)，方便與各種不同型號的傳感器通用。4信號處理整形電路整形電路由運(yùn)放比擬器組成，通過對輸入信號與基準(zhǔn)值的比擬輸出一連串脈沖，再供單片機(jī)檢測，比擬器選用高精度高速專業(yè)比擬器AD811，能反映很微小的變化狀況。5報警電路6電

48、源電路1軟件流程圖2程序清單 程序清單見附錄1.五 參考文獻(xiàn)：1周月霞,孫傳友. HYPERLINK :/epub t _top DS18B20硬件連接及軟件編程J HYPERLINK :/epub t _blank 傳感器世界, HYPERLINK :/epub t _blank 2001,(12) .2趙毅,牟同升,沈小麗. HYPERLINK :/epub t _top 單片機(jī)系統(tǒng)中數(shù)字濾波的算法J HYPERLINK :/epub t _blank 電測與儀表, HYPERLINK :/epub t _blank 2001,(06) .3郭凌,姚大紅. HYPERLINK :/epub t _top 新型實時時鐘芯片DS12887原理與運(yùn)用J HYPERLINK :/epub t _blank 國外電子元器件, H