光電式轉(zhuǎn)速表

1、武漢理工大學(xué)華夏學(xué)院電子工程課程設(shè)計報告書課 程 名 稱 智能電子小產(chǎn)品課程設(shè)計課程設(shè)計總評成績 學(xué) 生 專 業(yè) 班級 電子信息工程 1071班 指 導(dǎo) 教 師 姓名 廖傳書 課程設(shè)計起止日期 2010.06.21-2010.07.09 一、課程設(shè)計項目名稱光電式轉(zhuǎn)速表二、項目設(shè)計目的及技術(shù)要求 1. 設(shè)計目的:1熟悉單片機最小系統(tǒng)及應(yīng)用；2結(jié)合選題要求，完成系統(tǒng)設(shè)計和調(diào)試，具有功能擴展和創(chuàng)新；3根據(jù)設(shè)計的電路，畫系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖，用protel工具畫硬件電路圖，用DXP生成PCB版圖；4用C語言完成系統(tǒng)的軟件編程；5. 熟悉并學(xué)會使用keil編譯器，對所編程序進行編譯。 2. 技術(shù)要求:1.

2、運用光電傳感器,將光信號轉(zhuǎn)換成電信號,設(shè)計相應(yīng)的電路,輸出脈沖波。2.用按鍵控制直流電機，并對PWM設(shè)置不同的占空比控制直流電機的速度。3.運用51單片機，結(jié)合用C語言編出頻率計數(shù)的程序，能夠直接計出輸出的脈沖波。4.通過單片機的串行接口通信，由LED數(shù)碼管顯示出頻率計數(shù)值。三、項目設(shè)計方案論證(可行性方案、最佳方案、軟件程序、硬件電路原理圖和PCB圖)1.電機模塊的選擇方案一：采用步進電機步進電機是一種能將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的器件，通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，其精確度高，但控制相對較繁瑣。方案一：采用直流電機直流電機速度快，價格便宜，通過調(diào)節(jié)

3、電流來改變速度，驅(qū)動電路簡單，調(diào)速范圍廣，調(diào)速特性平滑。缺點是其轉(zhuǎn)距小，帶有大負載時很容易堵轉(zhuǎn)，但是課程設(shè)計電機的負載不會很大 ，所以通過PWM調(diào)控，可以達到課設(shè)的要求。綜上所述， 決定采用方案二。2. 電機驅(qū)動模塊的選擇方案一：采用大功率三極管，二極管，電阻電容等元件搭建一個H橋，通過對各路信號放大來驅(qū)動電機，原理簡單。但由于放大電路很難做到完全一致，當電機的功率較大時運行起來會不穩(wěn)定，而且電路的制作也比較復(fù)雜。方案二：采用L298N驅(qū)動芯片L298N芯片是較常用的電機驅(qū)動芯片。該芯片有兩個TTL/CMOS 兼容電平的輸入，具有良好的抗干擾性能；其輸出電壓最高可達50V，可用單片機的I/O口

4、提供信號，而且一塊L298芯片可驅(qū)動兩個減速電機，電路簡單、易用、穩(wěn)定，具有較高的性價比。綜上所述，決定采用方案二。3.電機速度顯示模塊的選擇方案一 :使用液晶LCD1602.1602是能顯示2行，每行16個字符，字符包括英文字符及阿拉伯數(shù)字。但其不能顯示漢字。方案二 ：使用數(shù)碼管。利用串行通信方式和串入并出移位寄存器74LS164擴展輸出接口，接四個七段數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)。雖然其硬件電路復(fù)雜，且只能顯示單純的數(shù)字，但是符合要求，且課設(shè)使用單片機擴展板已經(jīng)給出完整的電路，并且可以直接使用。綜上所述，決定采用方案二。4.光電傳感器模塊的選擇方案一: 采用反射式光電傳感器。反射式光電傳感器是紅外發(fā)射管

5、發(fā)出紅外光，接收管根據(jù)反射回來的紅外光強度的大小來計數(shù)。所以被測物的表面必須有黑白相間的部分用于接收和反射紅外光。由于是反射式，必須安裝在沒有強光直接照射處，以免影響紅外光的接收，傳感器與被測物之間距離要在可測范圍之內(nèi)。方案二: 采用直射式光電傳感器。直射式光電傳感器是紅外發(fā)射管發(fā)出紅外光，接收管根據(jù)接收到紅外光的個數(shù)來計數(shù)，發(fā)射管與接收管之間的距離已經(jīng)固定。綜上所述，采用方案二。系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)系統(tǒng)總體設(shè)計要實現(xiàn)光電式計數(shù)，并且能夠顯示速度大小，控制直流電機的啟停和速度。選用STC89C52RC單片機，配合鍵盤和數(shù)碼管作為入機接口，用單片機的P2口設(shè)計4*4矩陣鍵盤電路，用串行通信方式和串入并

6、出移位寄存器74LS164擴展輸出接口，接四個七段數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)。為了驅(qū)動直流電機，用L298N驅(qū)動芯片，設(shè)計出驅(qū)動電路圖，由驅(qū)動芯片的IN1口接入單片機的P1.0口，由P1.0輸出PWM脈沖波控制電機。直射式光電傳感器輸出電信號，用LM393整形出脈沖波輸出接入單片機P3.5口進行脈沖計數(shù)。系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如下： 系統(tǒng)總體框圖硬件設(shè)計與實現(xiàn)光電式轉(zhuǎn)速表硬件可分為以下幾個部分，基本系統(tǒng)電路模塊、光電轉(zhuǎn)換模塊、直流電機模塊、數(shù)碼顯示模塊、按鍵控制模塊，其中數(shù)碼顯示模塊和按鍵控制模塊由單片機擴展板提供。1. 基本系統(tǒng)電路模塊基本系統(tǒng)使用STC89C52RC作為處理器，系統(tǒng)板上包括單片機芯片、串行接

7、口電路、電源接口電路、發(fā)光二極管電路、用戶程序下載開關(guān)、系統(tǒng)復(fù)位開關(guān)、INT0去抖動開關(guān)、T0去抖動開關(guān)、晶振電路。電路圖見附錄 。2.數(shù)碼顯示和按鍵控制模塊 這兩個模塊由單片機擴展板提供，單片機擴展板包括，數(shù)碼管接口電路、鍵盤接口電路、實驗擴展區(qū)、數(shù)碼管接口端口、鍵盤接口端口。3.光電轉(zhuǎn)換模塊 采用直射式光電傳感器ST1101，將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺肔M393對輸出的電信號進行整形，設(shè)計的電路如下：4.直流電機模塊電機模塊主要功能是將主控芯片發(fā)出的信號通過L298N電機驅(qū)動芯片轉(zhuǎn)化為電機運作。 L298N芯片有兩個電源引腳VDD引腳和VCC引腳。VDD引腳接+5V電源用來給電機供電，VCC

8、引腳接+5V電源用來給芯片供電，并作為邏輯高電平標準。 L298N芯片通過一個有四個1N4007二極管組成的保護電路與電機相連，保護電路主要是用來在電機開啟和關(guān)閉時泄流之用。 由于我們一直讓轉(zhuǎn)向電機以最大功率使能從而獲得最大的扭矩，保證直流電機轉(zhuǎn)向成功，而不需要控制轉(zhuǎn)向電機的輸出功率，所以ENA引腳（即轉(zhuǎn)向電機使能引腳）直接接 +5 V，即讓轉(zhuǎn)向電機一直使能。 對于后置的驅(qū)動電機，我們不僅要控制其實現(xiàn)啟動和停止，還要能夠控制其轉(zhuǎn)速。所以，我們將L298N芯片的IN1引腳與C52單片機的P1.0引腳連接，用來實現(xiàn)PWM調(diào)速。 L298N芯片的OUT1和OUT2來接直流電機的兩端。 二.軟件設(shè)計與

9、實現(xiàn) 軟件部分包括，串行通信LED數(shù)碼管顯示單元、按鍵掃描控制單元、PWM脈沖控制直流電機單元、脈沖個數(shù)求取單元。1串行通信LED數(shù)碼顯示轉(zhuǎn)速的顯示我們采用了動態(tài)掃描的工作方式，LED數(shù)碼顯示管采用4個共陽極顯示器，每個數(shù)碼管都經(jīng)過集電極開路形式的驅(qū)動器74LS164驅(qū)動。 脈沖個數(shù)的求取 千位的求取是這樣的,該數(shù)值先減去1000,這時標志位加1,如果差值還大于1000,則返回繼續(xù)作差,直到差值小于1000為止,這時往下執(zhí)行,由于在上述過程中多加了一個1,所以這時標志位還應(yīng)當再減去一個1.百位及個位的求取按照同樣的道理進行,這樣所記標志位即我們計數(shù)器的讀數(shù).初值A(chǔ)B=A-1000 標志位加1B

10、>1000? Y N標志位-1返回鍵盤電路數(shù)字轉(zhuǎn)速表的鍵盤操作應(yīng)具有3個功能，即：啟動、停止、復(fù)位。確定矩陣式鍵盤上那個按鍵被按下通常采用的是行掃描法 ，其過程如圖 所示。四、項目設(shè)計結(jié)果分析（分析試驗過程中獲得的數(shù)據(jù)、波形、現(xiàn)象或問題的正確性和必然性，分析產(chǎn)生不正確結(jié)果的原因和處理方法）經(jīng)實際做好電路板檢測設(shè)計方案及原理，電機能實現(xiàn)加減速控制調(diào)速。單片機產(chǎn)生的PWM信號和正反轉(zhuǎn)信號控制電機驅(qū)動芯片L298N，即控制電機的轉(zhuǎn)向及速度大小。用光電傳感器ST1101來測電機運轉(zhuǎn)速度，準確快速地將電機速度信號傳送到了單片機。電機轉(zhuǎn)速信號經(jīng)單片機處理，在數(shù)碼管上顯示電機的運轉(zhuǎn)速度屏幕上顯示出來。

11、測試結(jié)果驗證了自己的設(shè)計方案。在設(shè)計中通過光電傳感器輸出的方波來計數(shù)電機的轉(zhuǎn)速，過程中光電傳感器的輸出方波要經(jīng)過LM393雙電壓比較器來整形，從而得到比較好的方波，再通過單片機來顯示電機的轉(zhuǎn)速。五、參考文摘（相關(guān)文摘不少于5篇，記錄每篇文獻的作者姓名.文獻名稱.文獻發(fā)行城市：文獻出版社，出版年；文獻內(nèi)容摘要, 每篇不少于100字）【1】 李群芳, 張士軍, 黃建 . 單片機微型計算機與接口技術(shù) 北京：電子工業(yè)出版社2009。用8XX51的并行口P1設(shè)計4*4矩陣鍵盤的電路及各鍵盤碼，P1.0P1.3接鍵盤行線，輸出接地信號，P1.4P1.7接列線，輸入回饋信號，以檢測按鍵是否按下。不同的按鍵有

12、不同的編碼，通過編碼識別不同的按鍵，再通過軟件查表，查出按鍵功能，轉(zhuǎn)向不同的處理程序。因此鍵盤處理程序的任務(wù)是：確定有無按鍵按下；判斷哪個按鍵按下；形成按鍵碼；根據(jù)的鍵的功能，轉(zhuǎn)相應(yīng)的處理程序。【2】江志紅. 51單片機技術(shù)與應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)案例精選 北京：清華大學(xué)出版社 2008。 串口的發(fā)送過程設(shè)置發(fā)送緩沖器SBUF啟動，即CPU由一條寫發(fā)送緩沖器的指令把數(shù)據(jù)寫入串口的發(fā)送緩沖器SBUF中，再由硬件電路自動在字符的始、末加上起始位、停止位及其他控制位，然后在移動脈沖SHIFT的控制下，低位在前，高位在后，從TXD端一位位的向外發(fā)送?！?】劉海濤，趙金波，晁陽. 8051單片機C語言程序設(shè)計與實

13、例解析 北京：清華大學(xué)出版社 2009。 為了實現(xiàn)智能化的計數(shù)測頻，實現(xiàn)一個寬頻域、高精度的頻率計，一種有效的方法是將單片機用于頻率計的設(shè)計當中。單片機頻率計較以往的頻率計有硬件電路少的優(yōu)點，過去許多用硬件實現(xiàn)的功能可以通過單片機的軟件的程序來實現(xiàn)，因此軟件可以減低電路設(shè)計的成本，往往只需增減幾段代碼就可以實現(xiàn)不同的測量的精度，同時也減低了硬件電路設(shè)計的難度，減少出錯率，通過軟件調(diào)試的方法還可以提高測量的精度?！?】劉坤，宋戈，趙紅波，張憲棟. 51單片機C語言應(yīng)用開發(fā)技術(shù)大全 北京：人民郵電出版社 2008。 從傳感器得到的矩形脈沖經(jīng)傳輸后往往發(fā)生波形畸變。當傳輸線上的電容較大時，波形的上升

14、沿將明顯變壞；當傳輸線較長，而且接受端的阻抗與傳輸線的阻抗不匹配時，在波形的上升沿和下降沿將產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象；當其他脈沖信號通過導(dǎo)線間的分布電容或公共電源線疊加到矩形脈沖信號時，信號上將出現(xiàn)附加的噪聲。無論出現(xiàn)上述的那一種情況，都可以通過用施密特反相觸發(fā)器整形而得到比較理想的矩形脈沖波形?！?】趙建領(lǐng)，薛園園. 零基礎(chǔ)學(xué)單片機C語言程序設(shè)計 北京：機械工業(yè)出版社 2009。與傳統(tǒng)的直流調(diào)速技術(shù)相比較，PWM(脈寬調(diào)制技術(shù))直流調(diào)速系統(tǒng)具有較大的優(yōu)越性：主電路線路簡單，需要的功率元件少；開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機損耗和發(fā)熱都較小；低速性能好，穩(wěn)速精度高，因而調(diào)速范圍寬；系統(tǒng)頻帶寬，快速響

15、應(yīng)性能好，動態(tài)抗干擾能力強；主電路元件工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，裝置效率高。 附錄1.程序：#include<reg52.h>sbit PWMOUT=P10;/sbit p30=p30;/sbit p31=p31;char p14=0x03,0x9f,0x25,0x0d,0x99,0x49,0x41,0x1f,0x01,0x09;/ 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 char LED4=0;long n,L;unsigned char r,m,t_flag;long PWM;void delay(int ms) int i,j;for(i=0;i<ms;i+) for

16、(j=0;j<1141;j+); bit PWMOption(unsigned char nn) static bit temp; switch(nn) case 0: temp=0; break; case 1: if(r>1) temp=0; else temp=1; break; case 2: if(r>2) temp=0; else temp=1; break; case 3: if(r>3) temp=0; else temp=1; break; case 4: if(r>4) temp=0; else temp=1; break; case 5: i

17、f(r>5) temp=0; else temp=1; break; case 6: if(r>6) temp=0; else temp=1; break; case 7: if(r>7) temp=0; else temp=1; break; case 8: if(r>8) temp=0; else temp=1; break; case 9: if(r>9) temp=0; else temp=1; break; case 10: temp=1; break; return temp;void show(long b)LED3=b/1000;LED2=b%10

18、00/100;LED1=b%100/10;LED0=b%10;void display(long a)int i=0;show(a);SCON=0x00;while(i!=4)SBUF=pLEDi;while(!TI);TI=0;i+;char key_press(void)P2=0x0f;if(P2&0x0f)!=0x0f)delay(1);if(P2&0x0f)!=0x0f) return 1;else return 0;else return 0;long key_scan(void)char line,row,c;if(key_press()line=0x7f;whil

19、e(line&0x08)!=0)P2=line;if(P2&0x0f)!=0x0f)row=P2&0x0f;line=line&0xf0;c=row+line;elseline=(line>>1)|0x80;switch(c) case 0xee:return 0;break;case 0xed:return 1;break;case 0xeb:return 8;break;case 0xe7:return 0;break;case 0xde:return 0;break;case 0xdd:return 0;break;case 0xdb:return 0;break;case 0xd7:return 0;break;case 0xbe:return 0;break; /case 0xbd:return 0;break;case 0xbb:return 0;break; case