數(shù)字式光電轉(zhuǎn)速計的設計論文(1) (修復的)

1、沈陽航空航天大學課 程 設 計（論文）題目 數(shù)字式光電轉(zhuǎn)速計的設計 班 級 24070101 學 號 2012040701026學 生 姓 名 湯志超 指 導 教 師 劉利秋 沈陽航空航天大學課 程 設 計 任 務 書課 程 名 稱 智能儀器課程設計 院（系） 自動化學院 專業(yè) 測試技術與儀器 班級 24070101 學號 2012040701026 姓名 湯志超 課程設計題目 數(shù)字式光電轉(zhuǎn)速計的設計 課程設計時間: 2015 年 7 月 6 日至 2015 年 7月 17 日課程設計的內(nèi)容及要求：1. 內(nèi)容設計采用單片機、光電傳感器的數(shù)字式光電轉(zhuǎn)速計。實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的實時測量和LED顯示，鍵盤設定

2、轉(zhuǎn)速上限值，并能給出轉(zhuǎn)速超標報警提示。2. 技術指標（1） 測量范圍：050轉(zhuǎn)/秒（r/s）。（2） LED顯示：××r/s。（3） 鍵盤設定上限閾值。（4） 能給出轉(zhuǎn)速超標的聲、光報警提示。3. 要求（1） 制定設計方案，并繪制出系統(tǒng)工作框圖。（2） 繪制電路原理圖，并將傳感器、單片機試驗箱、電源等硬件正確可靠的連接。（3） 用單片機實驗箱進行程序設計與系統(tǒng)調(diào)試。（4） 撰寫一篇6000字到8000字的課程設計報告。指導教師 年 月 日負責教師 年 月 日學生簽字 年 月 日目 錄0 前言11總體方案設計22 硬件電路設計32.1光電傳感器32.2放大電路42.3單片機系

3、統(tǒng)52.4LED數(shù)碼管顯示62.5鍵盤和報警電路73 軟件設計93.1頻率測量103.2顯示程序設計103.3鍵盤程序設計114 調(diào)試分析135 結(jié)論及進一步設想13參考文獻13課設體會14附錄1 電路原理圖15附錄2 程序清單16沈陽航空航天大學課程設計論文 數(shù)字式光電轉(zhuǎn)速計的設計數(shù)字式光電轉(zhuǎn)速計的設計湯志超 沈陽航空航天大學自動化學院摘要：本文設計了由單片機控制的數(shù)字式光電轉(zhuǎn)速計，由光電傳感器、單片機、鍵盤設置報警和LED數(shù)碼顯示組成。主要解決方案是利用光電傳感器、單片機學習板等設計一個由LED顯示物體轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速計。此轉(zhuǎn)速計具有測量精度高，操作簡單明了等優(yōu)點。在選擇設計方案時，除了要考慮能

4、否實現(xiàn)測速性能，還要考慮價格以及測量精度問題，通過對轉(zhuǎn)速測量資料的查閱還有我們的構思和設計，從而經(jīng)過分析和比較，從實現(xiàn)難度、對器材的熟悉程度、器件用量、價格等方面進行綜合考慮，然后最終確定方案。關鍵詞：光電傳感器；AT89C52；LED數(shù)碼顯示。0 前言在工程實踐中，經(jīng)常會遇到各種需要測量轉(zhuǎn)速的場合，例如在發(fā)動機、電動機、卷揚機、機床主軸等旋轉(zhuǎn)設備的試驗、運轉(zhuǎn)和控制中，常需要分時或連續(xù)測量和顯示其轉(zhuǎn)速及瞬時轉(zhuǎn)速。目前國內(nèi)外測量電機轉(zhuǎn)速的方法有很多，按照不同的理論方法，先后產(chǎn)生過模擬測速法(如離心式轉(zhuǎn)速表、用電機轉(zhuǎn)矩或者電機電樞電動勢計算所得)、同步測速法(如機械式或閃光式頻閃測速儀)以及計數(shù)測

5、速法。計數(shù)測速法又可分為機械式定時計數(shù)法和電子式定時計數(shù)法。傳統(tǒng)的電機轉(zhuǎn)速檢測多采用測速發(fā)電機或光電數(shù)字脈沖編碼器，也有采用電磁式、電容式等，還有一些特殊的測速器是利用放在旋轉(zhuǎn)體內(nèi)的放射性材料來產(chǎn)生脈沖信號。其中應用最廣的是光電式，光電式測系統(tǒng)具有低慣性、低噪聲、高分辨率和高精度的優(yōu)點。加之激光光源、光柵、光學碼盤、CCD器件、光導纖維等的相繼出現(xiàn)和成功應用，使得光電傳感器在檢測和控制領域得到了廣泛的應用。而采用光電傳感器的電機轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)測量準確度高、采樣速度快、測量范圍寬和測量精度與被測轉(zhuǎn)速無關等優(yōu)點，具有廣闊的應用前景。這次設計的內(nèi)容包含了多個方面，從脈沖信號的產(chǎn)生模塊（即光電傳感器部分

6、）、脈沖信號的處理模塊和轉(zhuǎn)速的顯示模塊三個模塊入手，全面鍛煉了我們信號采集，處理和分析的工作能力。本次用AT89C52單片機的兩個定時器/計數(shù)器來實現(xiàn)轉(zhuǎn)速測量，用單片機電子計數(shù)法測量頻率有測量頻率法和測周期法兩種方法。單片機具有體積小、價格低廉、可靠性高、開發(fā)較為容易。測量頻率主要是在單位定時時間里對被測信號脈沖進行計數(shù)。定時和計數(shù)功能最終都是通過計數(shù)來實現(xiàn)的，若周期的事件源是周期固定的脈沖，則可以實現(xiàn)定時功能，否則只能實現(xiàn)計數(shù)功能。1 總體方案設計對轉(zhuǎn)速的測量實際上是對轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)引起的周期脈沖信號的頻率進行測量，在頻率的工程測量中，電子式定時計數(shù)測量頻率的方法一般有三種：（1）測頻率法：在一定

7、時間間隔t內(nèi)，對被測信號的重復變化次數(shù)N進行計數(shù)，則被測信號的頻率可表示為：f(x)=Nt （1）（2）測周期法：在被測信號的一個周期內(nèi)，計數(shù)時鐘脈沖數(shù)m ,則被測信號頻率為： f(x)=fc/m （2）其中fc為時鐘脈沖信號頻率。針對本課題的設計任務，進行分析得到：本次設計用光電傳感器進行電壓脈沖頻率的測量，將電壓頻率轉(zhuǎn)化為模擬電信號，再用單片機學習板夠成一個能顯示轉(zhuǎn)速的測量儀器。系統(tǒng)原理圖如圖1。光電轉(zhuǎn)速測量報 警單片機系統(tǒng)數(shù)值顯示設置閾值圖1 系統(tǒng)原理圖整個電路的工作原理是用光電傳感器將光電傳感器產(chǎn)生的脈沖信號經(jīng)單片機控制送入LED數(shù)碼顯示，用鍵盤設置上限閾值，超出設定值有報警電路LED

8、燈和蜂鳴器報警。光電傳感器測量方案整個測量系統(tǒng)的組成框圖如圖2所示。從圖中可見，轉(zhuǎn)子由一直流調(diào)速電機驅(qū)動，可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的無級調(diào)速。轉(zhuǎn)速信號由光電傳感器拾取，使用時應先在轉(zhuǎn)子上做好光電標記，具體辦法可以是：將轉(zhuǎn)子表面擦干凈后用黑漆(或黑色膠布)全部涂黑，再將一塊反光材料貼在其上作為光電標記，然后將光電傳感器(光電頭)固定在正對光電標記的某一適當距離處。光電頭采用低功耗高亮度LED，光源為高可靠性可見紅光，無論黑夜還是白天，或是背景光強有大范圍改變都不影響接收效果。光電頭包含有前置電路，輸出05V的脈沖信號。接到單片機89C52的相應管腳上，通過89C52內(nèi)部定時/計時器T0、T1及相應的程

9、序設計，組成一個數(shù)字式轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)。圖2 測量系統(tǒng)的組成框圖2 硬件電路設計本設計通過單片機對LED顯示、鍵盤、報警等電路控制將由光電測得的電信號轉(zhuǎn)化為脈沖頻率顯示，以達到測量轉(zhuǎn)速的目的。硬件原理框圖如圖3所示。光電 傳感器 單片機系統(tǒng) 鍵盤放大電路LED顯示報警圖3 硬件原理框圖2.1光電傳感器本設計中采用對射式光電傳感器測量轉(zhuǎn)速和采集信號。光電傳感器采集信號，這種傳感器是把旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速變?yōu)橄鄳l率的脈沖，然后用測量電路測出頻率，由頻率值就可知道所側(cè)轉(zhuǎn)素值。這種測量方法具有傳感器結(jié)構簡單、可靠、測量精度高的特點。是目前常用的一種測量轉(zhuǎn)速的方法。 從光源發(fā)出的光通過測速齒盤上的齒槽照射到光電元

10、件上，使光電元件感光。測速齒盤上有n個齒槽，當測速齒槽旋轉(zhuǎn)一周，光敏元件就能感受與開孔數(shù)相等次數(shù)的光次數(shù)。被測電機轉(zhuǎn)動m-M轉(zhuǎn)每秒，每轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生N個電脈沖信號，因此，傳感器輸出波形的頻率的大小為：m/nHzfM/nHz 測速齒盤裝在發(fā)射光源(紅外線發(fā)光二極管)與接收光源的裝置(紅外線接收二極管)之間，紅外線發(fā)光二極管(規(guī)格IR3401)負責發(fā)出光信號，紅外線接收三極管(規(guī)格3DU12)負責接收發(fā)出的光信號，產(chǎn)生電信號，每轉(zhuǎn)過一個齒，光的明暗變化經(jīng)歷了一個正弦周期，即產(chǎn)生了正弦脈沖電信號。光電傳感器如圖4所示。圖4 光電傳感器電路圖2.2放大電路由于光電傳感器測得的信號較小，且高低電壓不一樣，所

11、以用放大器放大，采用儀表放大器，電路圖如5所示。該電路中U1和U2兩個運算放大器及其附屬電路構成了差動放大電路，此電路有較強的共模抑制比，輸入電阻較高?？梢詫Ω叩碗妷哼M行整形，使其形成脈沖。圖中放大電路放大倍數(shù)為：Au=-R3/R4(1+2R1/R7) （3）其中調(diào)節(jié)R7阻值可以改變放大倍數(shù)。圖5 放大電路2.3單片機系統(tǒng)單片機（single-chip microcomputer）是一塊集成芯片，但不是一塊實現(xiàn)某一個邏輯功能的芯片，而是在這塊芯片當中，集成了一個計算機系統(tǒng)。如中央處理器（CPU）、存儲器（ROM,RAM）、I/O接口、定時器/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)等。中央處理器是單片機的核心單元，他

12、由運算器和控制器組成，他的主要功能是實現(xiàn)算術運算、邏輯運算、和控制。51系列是基本型，包括8051、8751、8031、8951這四個機種區(qū)別，僅在于片內(nèi)程序儲存器。8051為4KB ROM，8751為4KB EPROM，8031片內(nèi)無程序儲存器，8951為4KBEPROM。其他性能結(jié)構一樣，有片內(nèi)128B RAM，2個16位定時器/計數(shù)器，5個中斷源。其中，8031性價比較高，又易于開發(fā)，目前應用面廣泛。 本系統(tǒng)采用CPU為89C52的單片微機，89C52本身帶有8K的內(nèi)存儲器，可以在編程器上實現(xiàn)閃爍式的電擦寫達幾萬次以上，比以往慣用8031CPU外加EPROM為核心的單片機系統(tǒng)在硬件上具有

13、更加簡單、方便等優(yōu)點，而且完全兼容MCS 51系列單片機的所有功能。 下面介紹89C52的主要管腳功能如下：VCC（40）：電源+5V；VSS（20）：接地；XTAL1（19）和XTAL2（18）：外接石英晶體振蕩器；P0口（32-39）：雙向I/O口，既可作低8 位既可作低8 位地址和8位數(shù)據(jù)總線使用，也可作普通I/O口；P1口（1-8）：準雙向通用I/O口；P2口（21-28）：既可作高8位地址總線，也可作普通I/O口；P3口（10-17）：多用途端口，既可作普通I/O口，也可按每位定義的第二功能操作；RST（9）：復位信號輸入端；ALE/PROG：地址鎖存信號輸出端；PSEN：內(nèi)部和外部

14、程序存儲器選擇線。如圖6所示。圖6 單片機最小系統(tǒng)電路圖2.4LED數(shù)碼管顯示顯示設計采用LED七段數(shù)碼管顯示，本電路數(shù)碼管為共陰極接法。單片機P0.0到P0.7接口控制段選，P2.0到P2.3接口控制位選。LED數(shù)碼管顯示電路如圖7。圖7LED數(shù)碼管顯示電路2.5鍵盤和報警電路鍵盤按鍵采用獨立式按鍵。當按鍵被按下或釋放時，按鍵觸電的彈性會產(chǎn)生一種抖動現(xiàn)象。當按鍵按下時，觸點不會迅速可靠地接通；當按鍵釋放時，觸電也不會立即斷開，而是要經(jīng)過一段時間的抖動才能穩(wěn)定下來。而本次設計采用軟件延時法來消除鍵抖動現(xiàn)象。如圖8，為獨立式按鍵，P1.3口和P1.4口用來設置報警上限值。超過上限值P1.1口為高

15、電平LED燈亮報警，P1.2口為低電平蜂鳴器聲報警。聲光報警電路如圖9所示。圖8 獨立式鍵盤電路圖9 聲光報警電路3 軟件設計軟件在現(xiàn)代儀器中起到了至關重要的作用，在智能儀器設計中硬件與軟件是緊密結(jié)合起來的，軟件的設計減少了硬件設備的使用，既降低了成本，又提高了效率，傳統(tǒng)儀器的許多硬件設備已經(jīng)被軟件所取代，使現(xiàn)代儀器更加智能化。軟件的設計包括程序的總體設計和對程序的模塊化設計。按整體功能分為多個不同的模塊，單獨設計、編程、調(diào)試，然后將各個模塊裝配聯(lián)調(diào)，組成完整的軟件。在本設計中軟件起著決定性的作用，下面為本次課設總設計圖和各部分軟件設計?？傇O計圖如圖10所示。開始初始化設置上限閾值頻率信號采集

16、數(shù)據(jù)顯示閾值比較報警子程序圖10 主程序流程圖3.1頻率測量該部分程序是對方波輸入信號進行處理，通過測頻率法測出頻率。流程圖見圖11。開始脈沖信號等待第一個上升沿和下降沿結(jié)束，開定時器0，計數(shù)器1等待1秒鐘結(jié)束，關定時器，關計數(shù)器讀計數(shù)器TL0，TH0并轉(zhuǎn)化為頻率數(shù) 數(shù)碼管顯示返回圖11 頻率測量模塊流程圖3.2顯示程序設計將轉(zhuǎn)速測量值在LED上顯示出來的程序。由單片機通過位碼和段碼來分別控制位選和斷選。如圖12所示。圖12 顯示程序設計框圖3.3鍵盤程序設計 鍵盤程序設置在中斷里，當按鍵1或按鍵2按下時進入中斷，通過按鍵使上限閾值加或減1，并顯示上限閾值。如圖13，圖14所示。開始按鍵1按下

17、？ N Y 上限閾值加1 顯示上限閾值 返回 圖13 按鍵1子程序流程圖開始按鍵1按下？ N Y上限閾值加1顯示上限閾值返回圖14 按鍵2子程序流程圖3.4報警程序設計 當測量值大于設置的上限閾值時，進行LED燈光報警和蜂鳴器聲報警。如圖15所示。圖15 報警程序流程圖4 調(diào)試分析由傳感器發(fā)送來的采樣信號通過接口電路傳送到單片機里，單片機通過對信號的處理來控制光電傳感器對轉(zhuǎn)速的測量并且測量的數(shù)據(jù)通過LED顯示出來。本設計在硬件選配、軟件編程方面都出現(xiàn)過問題。（1）在調(diào)試過程中出現(xiàn)了LED液晶顯示器所顯示的數(shù)值過小，甚至是無法顯示數(shù)值。過修改脈沖信號的周期，將周期減小，使所顯示的數(shù)值增大。（2）

18、測量值無變化，通過調(diào)節(jié)電位器解決了此問題。（3）由于按鍵抖動是鍵盤顯示的不穩(wěn)定因素。通過加入延時消抖程序解決了此問題。5 結(jié)論及進一步設想根據(jù)實驗結(jié)果，本次實驗基本完成了設計要求，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)速在LED上的顯示，并且能夠通過按鍵調(diào)整設定報警上限閾值。不過本次實驗只是要求了在理想環(huán)境下的50轉(zhuǎn)/秒上限閾值，并未結(jié)合到實地生產(chǎn)生活中進行應用，所以只能作為理論上的模擬。更需要從多角度出發(fā)，可以進一步進行一個控制轉(zhuǎn)速的設計，讓反饋信號成為限制轉(zhuǎn)速的輸入信號，在很多有關安全生產(chǎn)運行的領域都會有所應用。也可以加大環(huán)境要求，設計和完善如汽車輪機等測復雜環(huán)境下的高轉(zhuǎn)速功能，讓設計真正的融入到實地的生產(chǎn)生活中。參考

19、文獻1 劉復華.單片機及其應用系統(tǒng).北京:清華大學出版社,19922 樓然苗.51系列單片機設計實例. 北京航空航天出版社,2003.33 劉瑞新.單片機原理及應用教程.機械工業(yè)出版社,2003.74 吳國經(jīng).單片機應用技術.中國電力出版社,2004.15 馬忠梅.單片機C語言應用程序設計.北京航空航天大學出版社,20036 周潤景.基于proteus的電路及單片機設計與仿真（第二版）.北京航空航天大學出版社, 2009.127 譚浩強.C程序設計.清華大學出版社,20058 付小寧,孔英會.C51基礎與應用實例.電子工業(yè)出版社,20099 丁峰,郝立果,盧勝利.單片機原理與應用技術實踐.機械

20、工業(yè)出版社.200910馮建華,趙亮.單片機應用系統(tǒng)設計與產(chǎn)品開發(fā).人民郵電出版社.2004課設體會本次課程設計已經(jīng)結(jié)束，在此過程中，從構思到設計再到實驗，付出了不少的努力，學到了很多知識。尤其是在硬件設計和軟件編程方面，我下了不少的功夫。我的實驗目的是要用光電傳感器和單片機實現(xiàn)測量轉(zhuǎn)速的功能，這樣，我在信號處理和數(shù)字顯示的方面花了不少心思，平日里學到的知識加上這一個多星期的努力，我有機會親自動手動腦，自己設計而且順利完成一項任務，理論與實踐相結(jié)合，我終于實現(xiàn)了預定目標。本次課程設計不僅用到了近期學的智能儀器單片機方面的知識，還用到了之前掌握的C語言等計算機的應用技術，并且對之前不太熟練掌握k

21、eil也有了更加深入的了解和練習?？芍^受益匪淺。這是一次綜合知識的鍛煉，我在進行簡單課程的同時，也在思考著對我所設計的產(chǎn)品的進一步開發(fā)，讓設計適用于社會發(fā)展，適用于人們的生活。雖然我在做課程設計的過程中遇到了很多的挫折，但是通過自己腳踏實地的學習，我還是收獲很多知識。作為電類專業(yè)的測控學生，單片機是我們再熟悉不過的電子器件了。簡單的單片機就有很多，加之數(shù)碼管，按鍵等各種元器件，以及它們的原理用途等，這樣我們要掌握的東西就非常非常多。紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行。我們既然有這個機會，就要把它做的最好。通過查閱相關書籍和其他資料，請教老師，以及與同學的討論，我都能學到很多知識。把大家的思路作為參

22、考和借鑒，用自己的想法進行擬合，我相信通過自己不斷的完善，我會做得越來越好，并且越來越有自信。最后，特別感謝在課設期間給予我?guī)椭P心和悉心教導我的老師、同學，在老師和同學的幫助下，我學到了更多，衷心的說聲謝謝。2015年7月 17日完成附錄1 電路原理圖附錄2 程序清單#include<reg52.h>#define uint unsigned int#define uchar unsigned char#include<stdlib.h>#include <math.h>#include<intrins.h>uchar Tab=0x3f,0x0

23、6,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x00,0x77,0x6d;uchar dispcount;uchar count;uchar timecount;uchar num=20;bit flag; /bit flag1; /float a1;int a2;uint shi;uint ge;uchar temp=50;sbit led=P11;/sbit beep=P12;/sbit key1=P13;/ sbit key2=P14;/void delay_ms(uint z)uint x,y;for(x=z;x>0;x-)for(y=110;y>0;y-); void main(void)IP=0x02; /count=0; /TMOD=0x15; TH0=0; TL0=0;TH1=0XF0;TL1=0X60;TR1=0;ET1=1;TR0=0;ET0=1;EX0=1;EX1=1;EA=1;while(1) TR0=1;TR1=1; P2=0xFF;P0=Tabshi;P2=