智能化傳感器實驗報告

1、目錄一、實驗目的1二、傳感器介紹1三、系統(tǒng)整體設計方案2四、驅動步進電機模塊2（1）脈沖生成模塊2（2）電機驅動模塊3五、光電編碼器將物理量轉化為電量模塊4六、脈沖信號處理與數(shù)碼管顯示模塊6（1）設計原理6（2）FPGA數(shù)字頻率計系統(tǒng)框圖6七、測量與分析數(shù)據(jù)7（1）測量步進電機的頻率7（2）傳感器各個指標分析8八、總結與展望9一、實驗目的本實驗內容為基于FPGA的測軸轉物體轉速實驗，通過傳感器將步進電機的轉速這個物理量轉化為電量，再通過現(xiàn)場可編輯門陣列（FPGA）的實現(xiàn)的硬件電路，測出該物理量的大小并顯示在數(shù)碼管中。最終將實際轉速與測得結果對比，分析傳感器各個性能指標與誤差。 實驗設備：光電編

2、碼器、步進電機、FPGA實驗板、單片機實驗板、示波器、電源、穩(wěn)壓模塊模塊等。二、傳感器介紹本實驗的傳感器采用的是光電編碼器。光電編碼器常用來軸角的編碼，實時反映軸角的位置，它的結構主要有兩部分組成，一部分是光柵或叫做碼盤，另一部分是光電開關，如下圖所示。目前在市面上可以見到光電編碼器的碼盤均為采用精密光刻技術制作的玻璃光柵，它們都具有分辨率高和輸出精度高的特點；再加上使用激光光電開關，它們的造價也偏高；在低造價的機電設備中使用這種光電編碼器就比較困難。本實驗采用的是一種采用機械透射式光柵、紅外光電開關設計的光電編碼器；這種光電編碼器每轉 100個脈沖，分辨率可達到 360°/100，

3、在 3.6°左右，可以滿足一般的使用。它的主要特點是：結構簡單、制作容易、成本低、可靠耐用、單片機控制、輸出靈活，可使用在低成本的機電設備中。圖1 光電編碼器照片碼盤參數(shù)：線數(shù)：100線；外直徑：22mm 內孔直徑：3.5mm 厚度：0.3mm 材料：合金鋼 ；供電電壓：5v；輸出脈沖高電平：5v三、系統(tǒng)整體設計方案FPGA數(shù)據(jù)處理與數(shù)碼管顯示光電編碼器將物理量轉化為電量模塊驅動步進電機轉動模塊四、驅動步進電機模塊單片機LCD顯示 脈沖生成模塊按鍵電機 驅動 步進電機轉動模塊 電機驅動電源光電編碼器 （1）脈沖生成模塊1、頻率生成電機需要的頻率是通過單片機定時器對IO口電平置高置低生

4、成的，通過對定時器的延時，每次定時時間到了IO口就會改變電平，從而生成所要的是脈沖頻率。電機在01200HZ時電機可以直接啟動，超過1200HZ時電機需要逐步加速，逐步啟動，本設計是用直接啟動的方法，頻率控制在01200HZ。每次增加1000HZ。本設計是利用按鍵觸發(fā)單片機的外部脈沖，每次當按鍵按下的時候外部脈沖檢測到信號，然后頻率依次相加。2、液晶顯示在單片機的人機交流界面中，一般的輸出方式有以下幾種：發(fā)光管、LED數(shù)碼管、液晶顯示器。發(fā)光管和LED數(shù)碼管比較常用，軟硬件都比較簡單，本設計采用1602液晶屏把單片機生成的頻率和電機所轉的圈數(shù)，顯示在上面。3、按鍵處理在鍵盤中按鍵數(shù)量較多時，為

5、了減少I/O口的占用，通常將按鍵排列成矩陣形式。在矩陣式鍵盤中，每條水平線和垂直線在交叉處不直接連通，而是通過一個按鍵加以連接。這樣，一個端口（如P1口）就可以構成4*4=16個按鍵，比之直接將端口線用于鍵盤多出了一倍，而且線數(shù)越多，區(qū)別越明顯，比如再多加一條線就可以構成20鍵的鍵盤，而直接用端口線則只能多出一鍵（9鍵）。由此可見，在需要的鍵數(shù)比較多時，采用矩陣法來做鍵盤是合理的。本設計是在單片機學習班上完成的，學習板上是矩陣按鍵，只需要用到兩個鍵所以說本設計的按鍵采用矩陣按鍵。（2）電機驅動模塊1、電機電機是42系列兩相步進電機，步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執(zhí)行機構。通俗一點講：當步

6、進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度（及步進角）。可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。2、電源電機電源外接直流穩(wěn)壓電源，穩(wěn)壓電源，又稱直流穩(wěn)壓器。它的供電電壓大都是交流電壓，當交流供電電壓的電壓或輸出負載電阻變化時，穩(wěn)壓器的直接輸出電壓都能保持穩(wěn)定。穩(wěn)壓器的參數(shù)有電壓穩(wěn)定度、紋波系數(shù)和響應速度等。前者表示輸入電壓的變化對輸出電壓的影響。紋波系數(shù)表示在額定工作情況下，輸出電壓中交流分量的大??；后者表示輸入電壓或負載急劇變化時，電壓回到正常值所需時間。直流穩(wěn)壓電源

7、分連續(xù)導電式與開關式兩類。前者由工頻變壓器把單相或三相交流電壓變到適當值，然后經整流、濾波，獲得不穩(wěn)定的直流電源，再經穩(wěn)壓電路得到穩(wěn)定電壓(或電流)。3、驅動電路驅動是集成的。SM-202A細分驅動器采用美國高性能專用微步距電腦控制芯片,細分數(shù)可根據(jù)用戶需求專門設計,開放式微電腦可根據(jù)用戶要求把控制功能設計到驅動器中,組成最小控制系統(tǒng)。該控制器適合驅動中小型的任何兩相或四相混合式步進電機。由于采用新型的雙極性恒流斬波技術，使電機運行精度高, 振動小, 噪聲低,運行平穩(wěn)。五、光電編碼器將物理量轉化為電量模塊 將碼盤固定在步進電機上，光電編碼器發(fā)射端與接收端分別固定在碼盤上下兩側，如圖圖2 光電編

8、碼器與步進電機 用示波器測得輸出波形A、B為標準正玄波且正交，如圖所示圖3 光電編碼器輸出波形 如圖所示，光電編碼器輸出波形高電平為5v左右，但FPGA引腳的接入最高電壓為3.3v，因此需要將降壓以免芯片燒壞，降壓模塊采用AMS1117系列穩(wěn)壓芯片，如圖所示：圖4 5v轉3.3v電壓轉換模塊六、脈沖信號處理與數(shù)碼管顯示模塊本實驗采用現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）測量并顯示傳感器產生的脈沖頻率。（1）設計原理 測定信號的頻率必須有一個脈寬為1秒的對輸入信號脈沖計數(shù)允許的信號（以下均以“閘門”代替）；1秒計數(shù)結束后，計數(shù)值鎖入鎖存器的鎖存信號和為下一測頻計數(shù)周期作準備的計數(shù)器清0信號。這個清0信號可

9、以由一個測頻控制信號發(fā)生器(TESTCTL)產生，它的設計要求是，TESTCTL的計數(shù)使能信號CNT_EN能產生一個1秒脈寬的周期信號，并對頻率計的每一計數(shù)器CNT10的EN使能端進行同步控制。當CNT_EN高電平時，允許計數(shù)；低電平時停止計數(shù)，并保持其所計的脈沖數(shù)。在停止計數(shù)期間，首先需要一個鎖存信號LOAD的上跳沿將計數(shù)器在前1秒鐘的計數(shù)值鎖存進各鎖存器中。設置鎖存器的好處是，顯示的數(shù)據(jù)穩(wěn)定，不會由于周期性的清零信號而不斷閃爍。鎖存信號之后，必須有一清零信號RST_CNT對計數(shù)器進行清零，為下1秒鐘的計數(shù)操作作準備。最終將每位的鎖存信號輸入數(shù)碼顯示模塊，顯示最終頻率。（2）FPGA數(shù)字頻率

10、計系統(tǒng)框圖數(shù)碼管動態(tài)顯示計數(shù)器鎖存器閘門光電編碼器生成的輸入脈沖控制信號發(fā)生器（TESTCTL）FPGA系統(tǒng)時鐘（50Mhz）在quartusII軟件上設計的頂層文件原理圖如圖所示：圖5 FPGA頻率計原理圖頂層文件將頻率計輸入端接入示波器提供的1Khz標準頻率，數(shù)碼管顯示為998，誤差為0.2%七、測量與分析數(shù)據(jù)（1）測量步進電機的頻率驅動步進電機以一定頻率轉動，將光電編碼器產生的脈沖通過穩(wěn)壓電路接入FPGA實驗板，記錄測的頻率，并與預設數(shù)值頻率對比，如下：步進電機預設轉動頻率（hz）對應預設轉動角速度（°/s）FPGA顯示測得脈沖頻率（hz）對應測得電機轉動頻率（hz）對應測得角

11、速度（°/s）000000.50180600.60216.01.003601151.15414.01.505401861.86669.6.6.0021606746.742426.48.0028808938.933214.810.003600122012.204392表1 預設值與測量結果（2）傳感器各個指標分析1、精度：測量轉動頻率的精度為0.01hz.2、零點與量程：因為最終數(shù)碼管顯示為4位，而且后兩位為小數(shù)部分，所以最小值（零點）為0.00hz，最大值為99.99hz。但由于步進電機的驅動限制，只能讓電機最高轉速為10.00hz,因此本實驗的測量范圍為0.00hz至10.00hz

12、3、誤差分析： 由測得數(shù)據(jù)可知，測得步進電機轉速與預設值的誤差在5%到10%，誤差偏大，產生如此大的誤差原因有三方面：A、單片機驅動步進電機時產生一定的誤差。B、光電編碼器將物理量轉化為電量時產生一定的誤差，如步進電機轉動時不停的震動或光電編碼器位置稍有傾斜，影響光電編碼器產生脈沖。C、 FPGA測頻時產生的誤差，此誤差在報告第五部分已經測得過，大概在0.5%，影響不大而且無法避免。4、 外部環(huán)境對傳感器的影響 傳感器的核心是內部的光敏三極管，其溫度特性如下表所示： 光電流I（mA） 4 3 2 1 -40 -20 0 20 40 60 80溫度T(°C) 可見在光敏三極管產生的光電

13、流在-40°C80°C范圍內變化范圍為1mA2.3mA，不會因溫度過低或過高影響傳感器的工作。因此傳感器不受溫度等外界因素影響，但最好不要再強光環(huán)境下工作，以免影響光敏三極管能夠準確接受到紅外線。八、總結與展望 本課程設計經2012年10月份確定題目開始，經過三個月時間，在李曙光老師的指導下，由李建華和張穎超共同協(xié)作，最終實現(xiàn)了將軸轉物體的轉速轉化為電量并最終顯示在數(shù)碼管上。其中，李建華負責驅動步進電機并將其轉化為電量模塊，張穎超負責將生成的脈沖接入FPGA進行數(shù)據(jù)處理，并且通過數(shù)碼管顯示測得數(shù)據(jù)。最后的誤差處理、性能分析等由兩個人共同完成。 在這個過程中，遇到過很多的阻力

14、與問題。例如：李建華在驅動電機轉動時，電機一直不轉，只發(fā)出嘟嘟的響聲，經過李老師點撥和查閱書籍資料，發(fā)現(xiàn)單片機程序出了點問題，改正后終于讓電機轉動起來。張穎超在最初完成FPGA測頻電路后，測待測頻率時，數(shù)碼管一直顯示的是8888。在檢查了電路每個模塊verilog代碼本身沒有錯誤后，又把每個模塊都引出個引腳，然后用示波器測所有輸出波形，逐個排除問題，最終查出問題出現(xiàn)在兩個地方：1、數(shù)碼管顯示模塊的掃描頻率過大；2、數(shù)碼管位碼的代碼與FPGA學習板位碼電路不匹配。經過改正，最終可以清晰準確顯示數(shù)字。 本課程設計的難點在于所測物理量不是溫度、濕度等現(xiàn)實生活中的數(shù)據(jù)，而是同樣需要自己生成的物理量（單片機控制步進電機轉動），最終比較的是測量值與預設值的差距，因此很大程度上增加了誤差的來源。本課程設計的亮點在于采用現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）這種硬件編程方案，并行處理數(shù)據(jù)，極大地提升了處