光電測速裝置的設(shè)計(共18頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上目 錄專心-專注-專業(yè)第1章 概 述1.1 研究意義一種量大面廣的產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟的各個行業(yè)中。而電機的生產(chǎn)王國正在由日本轉(zhuǎn)移到中國，尤其是浙江溫州和廣東珠三角地區(qū)。廣東省佛山市順德區(qū)就有大大小小的電機生產(chǎn)廠家上百家，每年生產(chǎn)上億臺電機，同時順德有許多家電生產(chǎn)廠家，家電中也要大量用到電機，不管是電機生產(chǎn)廠家，還是將電機作為它們的產(chǎn)品中的零部件的廠家，要將它們的產(chǎn)品打到國際市場上，迫切需要IS09002認(rèn)證，IS09002要求生產(chǎn)產(chǎn)品所用的零部件以及最終的產(chǎn)品都要經(jīng)過本單位的質(zhì)量檢測，也就是說，在順德，每年要檢測幾億個電機，對電機的測試儀的需求非常迫切。電機測試

2、的參數(shù)主要有：效率、功率因數(shù)、定子輸入電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速等，本課題主要研究轉(zhuǎn)速的測量。轉(zhuǎn)速是各類電機運行中的一個重要物理量，如何準(zhǔn)確、快速而又方便地測量電機轉(zhuǎn)速，極為重要。目前國內(nèi)外常用的轉(zhuǎn)速測量方法有離心式轉(zhuǎn)速表測速法、測速發(fā)電機測速法、閃光測速法、光電碼盤測速法和霍爾元件測速法。在這五種測速方法中，離心式轉(zhuǎn)速表測速法和測速發(fā)電機測速法所用的都是現(xiàn)成的測速儀表，容易得到。但轉(zhuǎn)速表或測速機都要與電機同軸連接，一方面增加了電機機組安裝難度，另一方面有些微電機功率很小，轉(zhuǎn)速表或測速機消耗的功率占了微電機大部分，更有甚者微電機甚至拖不動這些儀表，所以對微電機的測速，這二種方法不適用。霍爾元件測速法和光

3、電碼盤測速法的測速方法基本類似，都是在轉(zhuǎn)軸上裝一個很輕巧的傳感器，將電機的轉(zhuǎn)動信號通過磁(霍爾元件)或光(光電碼盤)轉(zhuǎn)換為電脈沖，從而通過計算電脈沖的個數(shù)來測速。閃光測速法目前實際應(yīng)用不廣泛，主要是光源的問題。本課題研究的是其中的光電碼盤測速法。1.2 發(fā)展現(xiàn)狀與應(yīng)用領(lǐng)域轉(zhuǎn)速是各類電機運行中的一個重要物理量，如何準(zhǔn)確、快速而又方便地測量電機轉(zhuǎn)速，極為重要。目前國內(nèi)外常用的轉(zhuǎn)速測量方法有離心式轉(zhuǎn)速表測速法、測速發(fā)電機測速法、閃光測速法、光電碼盤測速法和霍爾元件測速法。(1)離心式轉(zhuǎn)速表測速法離心式轉(zhuǎn)速表是利用離心原理制成的測速儀表，可以直接讀出轉(zhuǎn)速。測轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)速表的端頭要插入電機轉(zhuǎn)軸的中心孔內(nèi)

4、，插入前，應(yīng)注意清除中心孔中的油污，并使轉(zhuǎn)速表的軸與電機的軸保持同心，不可上下左右偏斜，否則易將表軸扭壞，并影響準(zhǔn)確讀數(shù)，而且轉(zhuǎn)速表要間歇使用，以減少磨損和發(fā)熱。如果要改變量程，還要將轉(zhuǎn)速表取出停轉(zhuǎn)后再改變量程。(2)測速發(fā)電機測速法測速發(fā)電機測轉(zhuǎn)速時，測速發(fā)電機連接到被測電機的軸端，將被測電機的機械轉(zhuǎn)速變換為電壓信號輸出E=CeFn，在輸出端接一個刻度以轉(zhuǎn)速為單位的電壓表，即可讀出轉(zhuǎn)速。(3)閃光測速法閃光測速法是利用可調(diào)脈沖頻率的專用電源施加于閃光燈上，將閃光燈的燈光照到電機轉(zhuǎn)動部分(可在電機端軸上粘貼一張標(biāo)記紙片)，當(dāng)調(diào)整脈沖頻率使黑色扇形片靜止不動時，此時脈沖的頻率是與電機轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)速是

5、同步的。若脈沖頻率為f，則電機的轉(zhuǎn)速為n=60f(rmin)。(4)光電碼盤測速法光電碼盤測速法是通過測出轉(zhuǎn)速信號的頻率或周期來測量電機轉(zhuǎn)速的一種無接觸測速法。光電碼盤安裝在轉(zhuǎn)子端軸上，隨著電機的轉(zhuǎn)動，光電碼盤也跟著一起轉(zhuǎn)動，如果有一個固定光源照射在碼盤上，則可利用光敏元件來接收到的光的次數(shù)就是碼盤的編碼數(shù)。若編碼數(shù)為60，測量時間為t，測量到的脈沖數(shù)為N，則n=N/t。(5)霍爾元件測速法霍爾元件測速法是利用霍爾開關(guān)元件測轉(zhuǎn)速的?；魻栭_關(guān)元件內(nèi)含穩(wěn)壓電路、霍爾電勢發(fā)生器、放大器、施密特觸發(fā)器和輸出電路。輸出電平與TTL電平兼容，在電機轉(zhuǎn)軸上裝一個圓盤，圓盤上裝若干對小磁鋼，小磁鋼越多，分辨率

6、越高，霍爾開關(guān)固定在小磁鋼附近，當(dāng)電機轉(zhuǎn)動時，每當(dāng)一個小磁鋼轉(zhuǎn)過霍爾開關(guān)，霍爾開關(guān)便輸出一個脈沖，計算出單位時間的脈沖數(shù)，即可確定旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)速。在這五種測速方法中，離心式轉(zhuǎn)速表測速法和測速發(fā)電機測速法所用的都是現(xiàn)成的測速儀表，容易得到。但轉(zhuǎn)速表或測速機都要與電機同軸連接，一方面增加了電機機組安裝難度，另一方面有些微電機功率很小，轉(zhuǎn)速表或測速機消耗的功率占了微電機大部分，更有甚者微電機甚至拖不動這些儀表，所以對微電機的測速，這二種方法不適用。霍爾元件測速法和光電碼盤測速法的測速方法基本類似，都是在轉(zhuǎn)軸上裝一個很輕巧的傳感器，將電機的轉(zhuǎn)動信號通過磁(霍爾元件)或光(光電碼盤)轉(zhuǎn)換為電脈沖，從而通過

7、計算電脈沖的個數(shù)來測速。閃光測速法目前實際應(yīng)用不廣泛，主要是光源的問題。本課題研究的是其中的光電碼盤測速法。第2章 工作原理2.1 設(shè)計思路系統(tǒng)主要由AT89S52單片機處理系統(tǒng)、電機、傳感器檢測單元、信號處理單元和顯示系統(tǒng)等幾個部分組成如圖2-1所示。信號采集及其處理轉(zhuǎn)動系統(tǒng)顯示電路單片機處理電路圖2-1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2.2 器件選擇2.2.1 信號采集及其處理單元本設(shè)計中采用對射式光電傳感器測量電機轉(zhuǎn)速。當(dāng)不透光的物體擋住發(fā)射與接收之間的間隙時，開關(guān)管關(guān)斷，反之打開?？梢灾谱饕粋€遮光葉片如圖2-3所示，安裝在電機轉(zhuǎn)軸上，當(dāng)葉片轉(zhuǎn)動時，光電開關(guān)產(chǎn)生脈沖信號。當(dāng)葉片數(shù)較多時，旋轉(zhuǎn)一周可以獲得多個脈

8、沖信號。假設(shè)系統(tǒng)采用10個葉片，在一秒鐘的內(nèi)產(chǎn)生了100脈沖，則電機的轉(zhuǎn)速就為10r/s。圖2-2 傳感器圖2-3 轉(zhuǎn)盤2.2.2 轉(zhuǎn)速測量原理本設(shè)計采用頻率測量法，其測量原理為，在固定的測量時間內(nèi)，計取轉(zhuǎn)速傳感器發(fā)生的脈沖個數(shù)（即頻率），從而算出實際轉(zhuǎn)速。設(shè)固定的測量時間T（min），計數(shù)器計取的脈沖個數(shù)m1，假定脈沖發(fā)生器每轉(zhuǎn)輸出p個脈沖，對應(yīng)被測轉(zhuǎn)速為N（r/min），就可算出實際轉(zhuǎn)速值N=60m1/pT。2.2.3 檢測裝置安裝此檢測裝置按照發(fā)動機上傳感器的實際安裝位置進行安裝。如圖2-4，將信號盤固定在電動機轉(zhuǎn)軸上，光電轉(zhuǎn)速傳感器正對著信號盤。光電轉(zhuǎn)速傳感器接有4根導(dǎo)線，用于連接發(fā)光

9、二極管和光敏三極管，其中發(fā)光二極管的紅線連接其正極，綠線連接其負(fù)極，光敏三級管的紅線連接其集電極，綠線連接其發(fā)射極。測量頭由光電轉(zhuǎn)速傳感器組成，而且測量頭兩端的距離與信號盤的距離相等。測量用器件封裝后，固定裝在貼近信號盤的位置，當(dāng)信號盤轉(zhuǎn)動時，光電元件即可輸出正負(fù)交替的周期性脈沖信號。信號盤旋轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生的脈沖數(shù)，等于其上的齒數(shù)。因此，脈沖信號的頻率大小就反映了信號盤轉(zhuǎn)速的高低。該裝置的優(yōu)點是輸出信號的幅值與轉(zhuǎn)速無關(guān)，而且可測轉(zhuǎn)速范圍大，一般為1r/s104 r/s以上，精確度高。圖2-4 轉(zhuǎn)速檢測裝置2.2.4 信號處理電路被測物理量經(jīng)過傳感器變換后，變?yōu)殡娮琛㈦娏?、電壓、電感等某種電參數(shù)的變

10、化值。為了進行信號的分析、處理、顯示和記錄，須對信號作放大、運算、分析等處理，這就引入了中間變化電路。根據(jù)系統(tǒng)需要設(shè)計了如圖2-5所示的中間變換電路。其中，R1、R4 起限流作用，R2 起分流作用，R3 為輸出電阻。當(dāng)轉(zhuǎn)盤上的梯形孔旋轉(zhuǎn)至與光電開關(guān)的透光位置重合時，輸出低電平；當(dāng)通光孔被遮住時，輸出高電平。圖2-5 電路圖目前，光電開關(guān)已被用作物位檢測、液位控制、產(chǎn)品計數(shù)、寬度判別、速度檢測、定長剪切、孔洞識別、信號延時、自動門傳感、色標(biāo)檢出、沖床和剪切機以及安全防護等諸多領(lǐng)域。此外，利用紅外線的隱蔽性，還可在銀行、倉庫、商店、辦公室以及其它需要的場合作為防盜警戒之用。光電開關(guān)把發(fā)射端和接收端

11、之間光的強弱變化轉(zhuǎn)化為電流的變化以達到探測的目的。由于光電開關(guān)輸出回路和輸入回路是電隔離的（即電緣絕），所以它可以在許多場合得到應(yīng)用。光電傳感器具有線性度好、分辨率高、噪音小和精度高、無觸點、無機械碰撞、響應(yīng)快、控制精度高，而且能識別色標(biāo)等優(yōu)點，在此我們選擇光電轉(zhuǎn)速傳感器來進行轉(zhuǎn)速的檢測。2.3 主控單元2.3.1 單片機處理電路如下圖所示，X1為12MHz的晶振，9口為復(fù)位接口，通過開關(guān)控制。用于測量轉(zhuǎn)速的脈沖通過P3.5/T1輸入單片機，用AT89S52的定時計數(shù)器T1對脈沖信號進行計數(shù)，用定時計數(shù)器T0進行定時，每10ms產(chǎn)生一個中斷對1602LCD液晶顯示屏進行刷新，產(chǎn)生100個中斷后

12、（即1s），進行一次轉(zhuǎn)速處理，再通過單片機對T1的脈沖數(shù)進行運算轉(zhuǎn)換后，用1602LCD液晶顯示屏顯示電機的轉(zhuǎn)速。如圖2-6所示：圖2-6 AT89S52單片機處理電路2.3.2 時鐘電路單片機各功能部件的運行都是以時鐘控制信號為基準(zhǔn)，有條不紊地一拍一拍地工作。因此，時鐘頻率直接影響單片機的速度，時鐘電路的質(zhì)量也直接影響單片機系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本設(shè)計中此采用內(nèi)部時鐘方式，如圖2-7所示，以石英晶體振蕩器和兩個片電容組成外部振蕩源。片內(nèi)的高增益反相放大器通過XTAL1、XTAL2外接，作為反饋元件的片外晶體振蕩器與電容組成的并聯(lián)諧振回路構(gòu)成一個自激振蕩器，向內(nèi)部時鐘電路提供振蕩時鐘。振蕩器的頻率取決

13、于晶振的振蕩頻率，振蕩頻率范圍為1.212MHz。工程應(yīng)用時通常采用6MHz或12MHz。圖中X1為12MHz，電容C2、C4為33pF，它們一起構(gòu)成此單片機的自激振蕩器。圖2-7 時鐘電路連接圖2.3.3 復(fù)位電路單片機的RST引腳為復(fù)位（Reset）端。當(dāng)單片機振蕩器工作時，該引腳上出現(xiàn)持續(xù)兩個機器周期的低電平，就可以實現(xiàn)系統(tǒng)復(fù)位，使單片機回到初始狀態(tài)。如圖10所示，本設(shè)計采用手動復(fù)位，用一個電容與一個10K電阻串聯(lián)組成，電阻接VCC，電容接地，RESET腳接在它們中間，RC選擇10uF，按鍵與200R電阻串聯(lián)，在電容兩端并聯(lián)，就成了按鍵復(fù)位電路，未上電時，RST端為高電平，只要按下這個按

14、鍵，RST端轉(zhuǎn)換為低電平，經(jīng)過兩個機器周期后，單片機就能復(fù)位。圖2-8 AT89S52單片機處理電路2.3.4 雙耦合原理判斷電機的正反轉(zhuǎn)根據(jù)兩個輸出的相位（也就是兩個光線出現(xiàn)的先后）就可以判斷轉(zhuǎn)向。在內(nèi)部輸出就是使用這個理論來處理轉(zhuǎn)向的信息。2.3.5 液晶顯示模塊電路圖2-9是液晶模塊LCD1602與單片機的接口電路。液晶模塊的1腳和2腳分別接入電源的地和電源。310腳分別接單片機的8個P2口。11、13腳接單片機P3.0、P3.2，12腳接地，表示LCD的使能，是讀取還是寫入信號，是傳輸數(shù)據(jù)還是將指令由單片機內(nèi)部程序作用實現(xiàn)。14腳通過一個10K可調(diào)電阻接地，使得LCD的顯示的對比度適中

15、，防止由于對比度過高產(chǎn)生“鬼影”。圖2-9 1602液晶顯示模塊電路原理圖第3章 軟件設(shè)計3.1 語言的選用本設(shè)計中采用的處理器是AT89S52單片機，由此可采用面向MCS-51的程序設(shè)計語言，包括ASM51匯編語言和C51高級語言，這兩種語言各有特點。匯編語言更接近機器語言，常用來編制與系統(tǒng)硬件相關(guān)的程序，如訪問I/O端口、中斷處理程序、實時控制程序、實時通信程序等；而數(shù)學(xué)運算程序則適合用C51高級語言編寫，因為用高級語言編寫運算程序可提高編程效率和應(yīng)用程序的可靠性。C語言是一種通用的計算機程序設(shè)計語言，在國際上十分流行，它即可用來編寫計算機系統(tǒng)程序，也可以用來編寫一般的應(yīng)用程序。以前計算機

16、的系統(tǒng)軟件主要是用匯編語言編寫的，對于單片機應(yīng)用系統(tǒng)來說更是如此。由于匯編語言程序的可讀性和可移植性都較差，采用匯編語言編寫單片機應(yīng)用程序的周期長，而且調(diào)試和排錯也比較困難。C語言具有很好的可移植性和硬件控制能力，表達和運算能力也較強。3.2 程序設(shè)計流程圖本系統(tǒng)用計數(shù)程序采集信號脈沖，用定時器產(chǎn)生中斷，對1602LCD液晶顯示屏刷新和緩沖區(qū)數(shù)據(jù)進行更新，輔以1602LCD液晶顯示屏進行顯示。計數(shù)程序流程說明：將定時器設(shè)置為方式1，對外部脈沖進行計數(shù)，并判斷Flag_clac的值。當(dāng)Flag_calc=1時，將脈沖的數(shù)值由十六進制轉(zhuǎn)換成十進制，按轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換公式轉(zhuǎn)換后，載入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。定時器程序說

17、明：定時器設(shè)置為方式1，定時10ms。當(dāng)定時達到10ms時，產(chǎn)生中斷，對1602LCD液晶顯示屏進行刷新，顯示轉(zhuǎn)速，并使時間計數(shù)標(biāo)志T加1。當(dāng)時間計數(shù)標(biāo)志T=500時，使Flag_calc置1，取出計數(shù)器在此時間內(nèi)計算的脈沖數(shù)，通過轉(zhuǎn)速計算程序計算得出轉(zhuǎn)速值后，存入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，供1602LCD液晶顯示屏顯示使用。初始化定時10ms？T=500？Flag_clac=1數(shù)據(jù)緩沖顯示時間計數(shù)清零T=0產(chǎn)生定時中斷開始時間計數(shù)T+ N Y 圖3-1 定時顯示程序流程圖第4章 仿真分析4.1 仿真電路圖4-1 電機測轉(zhuǎn)速電路圖4.2 程序編譯與以往的80C51單片機不同，AT89S52具有在線調(diào)試和下載

18、功能，它由支持AT89S52的開發(fā)工具包Keil uVersion4.0開發(fā)系統(tǒng)來提供。也就是說，在用戶系統(tǒng)保留AT89S52的情況下，通過開發(fā)系統(tǒng)與AT89S52的串行接口通信，直接對用戶系統(tǒng)進行調(diào)試，并在調(diào)試完成后將調(diào)試好的程序下載到AT89S52中。Keil uVersion4.0開發(fā)系統(tǒng)提供四項功能：編譯、下載、調(diào)試和模擬，分別由Keil uVersion4.0提供的編譯器、在線串行下載器、調(diào)試器和模擬器來實現(xiàn)。Keil uVersion4.0編譯器可在Windows操作系統(tǒng)下直接使用，編譯C語言源程序，并生成16進制文件和列表文件。調(diào)試器采用Windows系統(tǒng)，允許用戶使用AT89S

19、52的UART串行接口在芯片上調(diào)試代碼執(zhí)行。在典型調(diào)試對話中，調(diào)試器提供對片內(nèi)所有外圍設(shè)備的訪問、單步和設(shè)置斷點的代碼執(zhí)行控制方式。模擬器采用Windows系統(tǒng)，能完全模擬AT89S52的所有功能。模擬器使用簡單，結(jié)合了許多標(biāo)準(zhǔn)調(diào)試特征，包括多斷點、單步以及代碼執(zhí)行跟蹤等能力。4.3 仿真結(jié)果4.3.1 光電耦合電路仿真用脈沖電壓源實現(xiàn)發(fā)光二極管的有頻率的亮暗，實現(xiàn)電機上轉(zhuǎn)盤遮擋光線的效果。仿真電路如下：圖4-2 光電耦合電路仿真結(jié)果為：圖4-3 光電耦合電路仿真結(jié)果可見電路可以正常輸出一個方波。4.3.2 放大電路仿真此放大電路的R1=2k、R2=1.8k、R3=18k。由Uo=（1+R3/

20、R1）Ui=10Ui可得次放大倍數(shù)應(yīng)為10。此仿真由函數(shù)信號發(fā)生器輸出一個頻率為100Hz、占空比為50%、振幅為10Vp的方波，最后由示波器輸出結(jié)果。仿真電路圖如下：圖4-4 放大電路仿真后的結(jié)果為圖4-5。圖4-5 仿真波形從仿真結(jié)果圖4-5可以看出，當(dāng)輸入的電壓值為505.197mV時，輸出結(jié)果為5.051V，可得放大倍數(shù)約等于10與預(yù)設(shè)值相同。4.3.3 耦合和放大電路仿真將耦合電路和放大電路連在一起后，同樣用脈沖電壓源實現(xiàn)轉(zhuǎn)盤遮光效果，然后用示波器顯示結(jié)果。電路圖如下：圖4-6 耦合和放大電路和在一起的電路圖仿真結(jié)果為：圖4-7 耦合和放大電路和在一起的電路的仿真結(jié)果從圖可以看出耦合

21、電路產(chǎn)生的方波被放大電路正常放大。4.3.4 單片機調(diào)試通過葉片在對射式傳感器間轉(zhuǎn)動，得到光電開關(guān)產(chǎn)生脈沖信號，再經(jīng)過脈沖信號處理電路，輸入單片機的T1外部脈沖計數(shù)口（即P3.5口），由單片機處理得出轉(zhuǎn)速后，連接1602LCD液晶顯示屏顯示轉(zhuǎn)速。對電機的轉(zhuǎn)速進行測量，以單片機為核心對光電開關(guān)產(chǎn)生的數(shù)字信號進行運算，從而測得電機的轉(zhuǎn)速，然后用1602LCD液晶顯示屏把電機的轉(zhuǎn)速顯示出來。即通過光電開關(guān)將電機的轉(zhuǎn)數(shù)轉(zhuǎn)換成0，1的數(shù)字量，只要轉(zhuǎn)軸每旋轉(zhuǎn)一周，產(chǎn)生一個或固定的多個脈沖，并將脈沖送入單片機中進行計數(shù)和計算，就可獲得轉(zhuǎn)速的信息，實物圖如下。圖4-8 未測速時圖4-9 測速時結(jié) 論本設(shè)計利用

22、對射式光電開關(guān)采集轉(zhuǎn)速信號，通過信號處理電路得到適合的脈沖后，輸入單片機進行處理、計算，得出實際的轉(zhuǎn)速值，輔以1602LCD液晶顯示屏顯示。本設(shè)計存在的問題：（1）系統(tǒng)選擇位數(shù)最多的定時/計數(shù)器工作方式1（為16位），但仍有其局限性。此計數(shù)器的最大計數(shù)脈沖數(shù)為63336（216），若每秒鐘計算一次，則當(dāng)1秒內(nèi)外部脈沖的輸入數(shù)超過65536個時，計數(shù)器會溢出，從而產(chǎn)生中斷，使得測出的轉(zhuǎn)速值小于實際的轉(zhuǎn)速值。根據(jù)轉(zhuǎn)速計算方法（若轉(zhuǎn)盤齒數(shù)為10），Vmax=65536*60s/（10*1）=39321r/min，所以本系統(tǒng)不能測量范圍不能超過此值。（2）通過T1計數(shù)時，單片機每讀取一個脈沖至少需要3個機器周期的時間來完成。本系統(tǒng)采用的晶振為12MHz，所以一個機器周期Tcy=12/f=1us。若要使單片機準(zhǔn)確讀取外部脈沖，則脈沖的輸入周期不能超過3us。如此可計算(轉(zhuǎn)盤齒數(shù)為