光電轉(zhuǎn)速計(jì)的設(shè)計(jì)與制作

1、光電轉(zhuǎn)速計(jì)的設(shè)計(jì)與制作目 錄1 引言11.1 課程設(shè)計(jì)的目的與意義11.2 本設(shè)計(jì)的主要工作12 設(shè)計(jì)方案22.1方案結(jié)構(gòu)圖22.2方案原理23硬件設(shè)計(jì)33.1光電采集模塊33.2單片機(jī)最小系統(tǒng)44 軟件設(shè)計(jì)74.1 keil軟件設(shè)計(jì)程序74.2 proteus軟件仿真75 硬件設(shè)計(jì)85.1 光電信號(hào)采集模塊測(cè)試85.2 系統(tǒng)測(cè)試86 總結(jié)8參考文獻(xiàn)10附件11圖片111 引言在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，轉(zhuǎn)速的測(cè)量是一個(gè)很重要的問題。有關(guān)測(cè)量轉(zhuǎn)子速度的方法有很多，但大部分比較復(fù)雜。物體的運(yùn)動(dòng)速度可分為線速度和加速度。隨著生產(chǎn)過程自動(dòng)化的提高，開發(fā)除了各種各樣的檢測(cè)速度的方法，按照不同的理論方法，先

2、后產(chǎn)生過模擬測(cè)速法(如離心式轉(zhuǎn)速表、用電機(jī)轉(zhuǎn)矩或者電機(jī)電樞電動(dòng)勢(shì)計(jì)算所得)、同步測(cè)速法(如機(jī)械式或閃光式頻閃測(cè)速儀)以及計(jì)數(shù)測(cè)速法。計(jì)數(shù)測(cè)速法又可分為機(jī)械式定時(shí)計(jì)數(shù)法和電子式定時(shí)計(jì)數(shù)法。其中應(yīng)用最廣的是光電式，光電式測(cè)系統(tǒng)具有低慣性、低噪聲、高分辨率和高精度的優(yōu)點(diǎn)。加之激光光源、光柵、光學(xué)碼盤、CCD器件、光導(dǎo)纖維等的相繼出現(xiàn)和成功應(yīng)用，使得光電傳感器在檢測(cè)和控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。而采用光電傳感器的電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量準(zhǔn)確度高、采樣速度快、測(cè)量范圍寬和測(cè)量精度與被測(cè)轉(zhuǎn)速無關(guān)等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。      光電檢測(cè)技術(shù)是光學(xué)與電子學(xué)相結(jié)合而產(chǎn)生

3、的一門新興檢測(cè)技術(shù)。它主要利用電子技術(shù)對(duì)光學(xué)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)并進(jìn)一步傳遞、儲(chǔ)存、控制、計(jì)算和顯示。光電檢測(cè)技術(shù)從原理上講可以檢測(cè)一切能夠影響光量和光特性的非電量。它可通過光學(xué)系統(tǒng)把待檢測(cè)的非電量信息變換成為便于接受的光學(xué)信息然后用光電探測(cè)器件將光學(xué)信息量變換成電量并進(jìn)一步經(jīng)過電路放大、處理以達(dá)到電信號(hào)輸出的目的。然后采用電子學(xué)、信息論、計(jì)算機(jī)及物理學(xué)等方法分析噪聲產(chǎn)生的原因和規(guī)律以便于進(jìn)行相應(yīng)的電路改進(jìn)，更好地研究被噪聲淹沒的微弱有用信號(hào)的特點(diǎn)與相關(guān)性從而了解非電量的狀態(tài)。微弱信號(hào)檢測(cè)的目的是從強(qiáng)噪聲中提取有用信號(hào)同時(shí)提高檢測(cè)系統(tǒng)輸出信號(hào)的信噪比。 1.1 課程設(shè)計(jì)的目的與意義本次課程設(shè)計(jì)的目的是

4、完成以單片機(jī)為核心的光電式轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)。在工程實(shí)踐中,我們經(jīng)常會(huì)遇到各種需要測(cè)量轉(zhuǎn)速的場(chǎng)合。轉(zhuǎn)速是描述各種旋轉(zhuǎn)機(jī)械技術(shù)性能的一個(gè)重要參量極為重要的一個(gè)狀態(tài)參數(shù)(在很多運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的測(cè)控中,都需要對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量,飛機(jī)、汽車、電機(jī)等動(dòng)力設(shè)備的研究、制造和使用等方面(都與轉(zhuǎn)速的測(cè)量有著密切的關(guān)系。精確地檢測(cè)轉(zhuǎn)速是提高控制精度的關(guān)鍵。如何準(zhǔn)確、快速而又方便地測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速極為重要。本文介紹了單片機(jī)式的數(shù)字式轉(zhuǎn)速計(jì)1。1.2 本設(shè)計(jì)的主要工作 首先在學(xué)校的知網(wǎng)搜集相關(guān)資料，通過比較，選出最合適的設(shè)計(jì)方案。在選擇設(shè)計(jì)方案時(shí)，除了要考慮能否實(shí)現(xiàn)測(cè)速性能，還要考慮價(jià)格以及測(cè)量精度問題，通過對(duì)轉(zhuǎn)速測(cè)量資料的查閱

5、還有我們的構(gòu)思和設(shè)計(jì)，從而經(jīng)過分析和比較，從實(shí)現(xiàn)難度、對(duì)器材的熟悉程度、器件用量、價(jià)格等方面進(jìn)行綜合考慮，然后最終確定方案。然后依照已選擇的設(shè)計(jì)方案用proteus畫圖，通過keil軟件編寫程序，導(dǎo)入單片機(jī)后調(diào)試程序，開始仿真，直至仿真結(jié)果正確，然后在焊接實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行焊接，將元器件焊接完成后，最后調(diào)試電路，使其達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)效果。2 設(shè)計(jì)方案2.1方案結(jié)構(gòu)圖單 片 機(jī)光電采集液晶顯示按鍵控制報(bào)警電源 圖1 流程圖2.2方案原理 利用紅外對(duì)管將轉(zhuǎn)速的光通量轉(zhuǎn)化為電通量，由于紅外對(duì)管輸出波形不是嚴(yán)格意義上的脈沖，其上升沿不陡，因此需要進(jìn)行整形，把其整成脈沖，芯片使用運(yùn)放LM358或者op07，運(yùn)放在開

6、環(huán)狀態(tài)下，可做比較器，然后送給單片機(jī)INT0口，在單片機(jī)內(nèi)用外部中斷來計(jì)脈沖的的個(gè)數(shù)，然后用定時(shí)器1設(shè)置定時(shí)時(shí)長(zhǎng)，這樣就可以算出頻率，運(yùn)放在開環(huán)狀態(tài)下，直至仿真結(jié)果正確，然后在焊接實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行焊接，將元器件焊接完成后，最后調(diào)試電路，使其達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)效果可做比較器，找出頻率與光通量的對(duì)應(yīng)關(guān)系就可以測(cè)出轉(zhuǎn)速Error! Reference source not found.。3硬件設(shè)計(jì)3.1光電采集模塊 本設(shè)計(jì)使用紅外對(duì)管。信號(hào)檢測(cè)電路如圖2。紅外對(duì)管有兩種，一種是無色透明的LED，此為發(fā)射管，它通電后能夠產(chǎn)生人眼不可見紅外光，另一部分為黑色的接收部分，它內(nèi)部的電阻會(huì)隨著接收到紅外光的多少而變化。無

7、論是一體式還是分離式，其檢測(cè)原理都相同，由于黑色吸光，當(dāng)紅外發(fā)射管照射在黑色物體上時(shí)反射回來的光就較少，接收管接收到的紅外光就較少，表現(xiàn)為電阻大，通過外接電路就可以讀出檢測(cè)的狀態(tài)；同理，當(dāng)照射在白色表面時(shí)發(fā)射的紅外線就比較多，表現(xiàn)為接收管的電阻較小，此時(shí)通過外接電路就可以讀出另外一種狀態(tài)，如用電平的高低來描述上面兩種現(xiàn)象就會(huì)出現(xiàn)高低電平之分，也就是會(huì)出現(xiàn)所謂的0和1兩種狀態(tài)，此時(shí)再將此送到單片機(jī)的I/O口，單片機(jī)就可以判斷是黑白路面，進(jìn)而完成相應(yīng)的功能，如循跡、避障等。圖2紅外信號(hào)檢測(cè)模塊 測(cè)量電路由紅外對(duì)管及脈沖整形電路組成, 如圖 2 所示, 其中紅外對(duì)管加在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上, 隨電機(jī)同步轉(zhuǎn)動(dòng).

8、 發(fā)光二極管發(fā)出的光通過電機(jī)的孔射到光敏三極管上后, 三極管導(dǎo)通輸出一個(gè)低電平; 當(dāng)二極管發(fā)出的光被電機(jī)遮住時(shí), 三極管截止輸出一個(gè)高電平. 因此, 當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí), 三極管集電極輸出一系列脈沖, 脈沖經(jīng) OP07 整形后輸入 T1 腳, 故計(jì)數(shù)器 T1 中的數(shù)據(jù)除以電機(jī)的孔數(shù)再除以定時(shí)時(shí)間, 即得到了電機(jī)的轉(zhuǎn)速. 紅外對(duì)管的特點(diǎn)是輸出精度高、抗干擾能力強(qiáng)、受溫度變化影響小。3.2單片機(jī)最小系統(tǒng)單片機(jī)的最小系統(tǒng)包括晶振電路，復(fù)位電路，和單片機(jī)本身2。計(jì)算機(jī)在啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)都需要復(fù)位，使中央處理器CPU和系統(tǒng)中的其它部件都處于一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開始工作。3.2.1晶振電路時(shí)鐘電路是計(jì)算機(jī)

9、的心臟，它控制著計(jì)算機(jī)的工作節(jié)奏。MCS-51單片機(jī)允許的時(shí)鐘頻率是因型號(hào)而異的典型值為12MHZ。MCS-51內(nèi)部都有一個(gè)反相放大器，XTAL1、XTAL2分別為反相放大器輸入和輸出端，外接定時(shí)反饋元件以后就組成振蕩器，產(chǎn)生時(shí)鐘送至單片機(jī)內(nèi)部的各個(gè)部件。AT89C51是屬于CMOS8位微處理器，它的時(shí)鐘電路在結(jié)構(gòu)上有別于NMOS型的單片機(jī)。CMOS型單片機(jī)內(nèi)部（如AT89C51）有一個(gè)可控的負(fù)反饋反相放大器，外接晶振（或陶瓷諧振器）和電容組成振蕩器，圖42為CMOS型單片機(jī)時(shí)鐘電路框圖。振蕩器工作受/PD端控制，由軟件置“1”PD（即特殊功能寄存器PCON.1）使/PD0，振蕩器停止工作，整

10、個(gè)單片機(jī)也就停止工作，以達(dá)到節(jié)電目的。清“0”PD，使振蕩器工作產(chǎn)生時(shí)鐘，單片機(jī)便正常運(yùn)行。圖中SYS為晶振或陶瓷諧振器，振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘頻率主要由SYS參數(shù)確定（晶振上標(biāo)明的頻率）。電容C1和C2的作用有兩個(gè)：其一是使振蕩器起振，其二是對(duì)振蕩器的頻率f起微調(diào)作用（C1、C2大，f變?。?，其典型值為30pF。電路圖如圖3所示。圖 3 晶振電路3.2.2 復(fù)位電路 計(jì)算機(jī)在啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)都需要復(fù)位，使中央處理器CPU和系統(tǒng)中的其它部件都處于一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開始工作。AT89C51單片機(jī)有一個(gè)復(fù)位引腳RST，它是史密特觸發(fā)輸入(對(duì)于CHMOS單片機(jī)，RST引腳的內(nèi)部有一個(gè)拉低電阻)，當(dāng)

11、振蕩器起振后該引腳上出現(xiàn)2個(gè)機(jī)器周期(即24個(gè)時(shí)鐘周期)以上的高電平，使器件復(fù)位，只要RST保持高電平，AT89C51保持復(fù)位狀態(tài)。此時(shí)ALE、PSEN、P0、P1、P2、P3口都輸出高電平。RST變?yōu)榈碗娖胶螅顺鰪?fù)位，CPU從初始狀態(tài)開始工作。在加電瞬間，電容通過電阻充電，就在RST端出現(xiàn)一定時(shí)間的高電平，只要高電平時(shí)間足夠長(zhǎng)，就可以使AT89C51有效的復(fù)位。RST端在加電時(shí)應(yīng)保持的高電平時(shí)間包括VCC的上升時(shí)間和振蕩器起振的時(shí)間，Vss上升時(shí)間若為10ms，振蕩器起振的時(shí)間和頻率有關(guān)。10MHZ時(shí)約為1ms，1MHZ時(shí)約為10ms，所以一般為了可靠的復(fù)位，RST在上電應(yīng)保持20ms以上

12、的高電平。RC時(shí)間常數(shù)越大，上電RST端保持高電平的時(shí)間越長(zhǎng)。若復(fù)位電路失效，加電后CPU從一個(gè)隨機(jī)的狀態(tài)開始工作，系統(tǒng)就不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。復(fù)位電路如圖4所示。圖 4 復(fù)位電路3.2.3 AT89C51簡(jiǎn)介芯片功能介紹及設(shè)計(jì)：AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（FPEROMFalsh  Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容

13、。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。此外，AT89C51設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，CPU停止工作。但RAM，定時(shí)器，計(jì)數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存RAM的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個(gè)硬件復(fù)位為止。圖 5 AT89C51單片機(jī)3.2.4 單片機(jī)最小系統(tǒng)圖 打開AltiumDesigner環(huán)境，從Libirary中選取該電路所需要的元器件，放置元器件、放置電源和地、連線得到的電

14、路原理圖，然后再生成pcb，電路原理圖一定要參考相應(yīng)的電路，單片機(jī)的最小系統(tǒng)的要讓單片機(jī)里面的程序運(yùn)行，需要的最小配置。主要包括三個(gè)方面：復(fù)位電路、電源、晶振。單片機(jī)復(fù)位電路就好比電腦的重啟部分，當(dāng)電腦在使用中出現(xiàn)死機(jī)，按下重啟按鈕電腦內(nèi)部的程序從頭開始執(zhí)行。單片機(jī)也一樣，當(dāng)單片機(jī)系統(tǒng)在運(yùn)行中，受到環(huán)境干擾出現(xiàn)程序跑飛的時(shí)候，按下復(fù)位按鈕內(nèi)部的程序自動(dòng)從頭開始執(zhí)行。復(fù)位電路的原理是單片機(jī)RST引腳接收到2US以上的電平信號(hào)，只要保證電容的充放電時(shí)間大于2us，即可實(shí)現(xiàn)復(fù)位，所以電路中的電容值是可以改變的。按鍵按下系統(tǒng)復(fù)位，是電容處于一個(gè)短路電路中，釋放了所有的電能，電阻兩端的電壓增加引起的。.

15、51單片機(jī)最小系統(tǒng)復(fù)位電路的極性電容C1的大小直接影響單片機(jī)的復(fù)位時(shí)間，一般采用1030uF，51單片機(jī)最小系統(tǒng)容值越大需要的復(fù)位時(shí)間越短。51單片機(jī)最小系統(tǒng)晶振Y1也可以采用6MHz或者11.0592MHz，在正常工作的情況下可以采用更高頻率的晶振，51單片機(jī)最小系統(tǒng)晶振的振蕩頻率直接影響單片機(jī)的處理速度。51單片機(jī)最小系統(tǒng)起振電容C2、C3一般采用1533pF，并且電容離晶振越近越好，晶振離單片機(jī)越近越好。P0口為開漏輸出，作為輸出口時(shí)需加上拉電阻。 圖 6 單片機(jī)最小系統(tǒng)4 軟件設(shè)計(jì)4.1 keil軟件設(shè)計(jì)程序 a.新建工程：在“菜單欄”“Project”“New”“vision Pro

16、ject”輸入要保存的工程名。根據(jù)單片機(jī)的型號(hào)選擇CPU,點(diǎn)擊“確定”。 b.新建文件并保存：文件名要帶擴(kuò)展名。用C語(yǔ)言編寫的程序，擴(kuò)展名為“.c”,點(diǎn)擊“保存”。 c.添加文件到工程：在工程管理器中，用鼠標(biāo)右鍵點(diǎn)擊“Source Group 1”,選擇“Add File to Group Source Groutp 1"。 d.編寫、編譯程序,檢查錯(cuò)誤。 e.生成hex文件。4.2 proteus軟件仿真啟動(dòng)已安裝軟件Protues的ISIS，在彈出窗口的菜單欄中單擊“文件”“新設(shè)計(jì)”選擇“項(xiàng)目摸板”“確定”，繪制電路圖。繪制電路圖時(shí)，單擊元器件窗口上方的“P”按鈕，在、窗口上方的

17、“關(guān)鍵字”處鍵入所需器件型號(hào)或名稱，窗口中間的“結(jié)果”欄將顯示元器件庫(kù)中所有同系列的器件，選擇所需元件。如圖7所示:圖 7 proteus仿真原理圖5 硬件設(shè)計(jì)5.1 光電信號(hào)采集模塊測(cè)試 把光電信號(hào)采集模塊接在VCC，GND上，當(dāng)光電模塊正常工作時(shí)，在運(yùn)放輸出端將會(huì)輸出矩形脈沖。5.2 系統(tǒng)測(cè)試先用keil軟件，把程序加載進(jìn)去，連接電路，下載程序，單片機(jī)上電，進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試。初始化完成后，屏幕將會(huì)顯示“zhuansu”字符以及“min/s”字符，光電對(duì)管對(duì)檢測(cè)盤進(jìn)行檢測(cè)，把光電信息檢測(cè)模塊輸出引入INT1引腳中，進(jìn)行信號(hào)采集及其處理，顯示轉(zhuǎn)速信息。當(dāng)轉(zhuǎn)速大于一定值，蜂鳴器開始發(fā)出響聲。當(dāng)轉(zhuǎn)速小

18、于一定值，蜂鳴器也開始發(fā)出響聲。如果轉(zhuǎn)速恢復(fù)正常，蜂鳴器不響。6 總結(jié)經(jīng)過這兩周的實(shí)訓(xùn)，我學(xué)到了很多東西。首先，作為一位工科學(xué)生，應(yīng)該學(xué)會(huì)怎樣設(shè)計(jì)制作一件產(chǎn)品，在這兩周里，我經(jīng)歷了一個(gè)完整的設(shè)計(jì)一件產(chǎn)品的流程。初期選題，確定要做的物品，要實(shí)現(xiàn)的功能要解決的問題，確定產(chǎn)品要達(dá)到的性能，確定各參數(shù)。接下來就要確定方案，搜集資料。搜集資料的地方是在中國(guó)知網(wǎng)，里面有各種專業(yè)的論文，各種各樣的設(shè)計(jì)方案，結(jié)合自己的能力，產(chǎn)品要實(shí)現(xiàn)的功能，還有成本，綜合考慮各種各樣的情況，選出最優(yōu)的方案。確定方案之后就要論證方案的可實(shí)施性，最好的工具就是各種各樣的仿真軟件，在本次實(shí)訓(xùn)中我們用的是Protues。通過軟件仿真，可以在做出實(shí)物之前，發(fā)現(xiàn)潛在的問題，節(jié)約時(shí)間節(jié)約精力節(jié)省成本。通過軟件仿真之后就進(jìn)入到了制作的階段，我們組使用altium designed畫pcb，在畫pcb的過程中，我們首先應(yīng)該對(duì)aultium這個(gè)軟件有個(gè)大體的了解，能夠熟練地對(duì)其操