數(shù)字式光電轉(zhuǎn)速計的設計論文

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 94070301 學 號 2009040703018學 生 姓 名 劉 鵬 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 專業(yè)基礎課程設計B 院（系） 自動化學院 專業(yè) 運載器綜合測試技術(shù) 班級 94070301 學號 2009040703018 姓名 劉 鵬 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: 2012 年 7 月 9 日至 2012 年 7月 20 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

2、盤設定轉(zhuǎn)速上限值，并能給出轉(zhuǎn)速超標報警提示。2. 技術(shù)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12 硬件電路設計22.1光電傳感器32.2放大電路32.3單片機系統(tǒng)42.4LED

3、數(shù)碼管顯示52.5鍵盤和報警電路63 軟件設計83.1顯示程序設計93.2鍵盤和報警程序設計93.3頻率測量104 調(diào)試分析115 結(jié)論及進一步設想11參考文獻11課設體會12附錄1 電路原理圖13附錄2 程序清單14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)速計的設計劉鵬 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，主要使用了、LED主要器件，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，

4、除了要考慮能否實現(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(gòu)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；單片機；AT89C52；LED液晶顯示。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

5、閃測速儀)以及計數(shù)測速法。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。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）、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

6、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設置閾值光電脈沖測量報 警單片機數(shù)值顯示圖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

7、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

8、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 傳感器單片機鍵盤和報警放大電路LED顯示圖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(gòu)簡單、可靠、測量精度高的特點。

9、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

10、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，所以用放大器放大，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(gòu)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。圖中放大電路放大倍數(shù)Au=-R3/R4(1+2R1/R7)，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

11、核心單元，他由運算器和控制器組成，他的主要功能是實現(xiàn)算術(shù)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(gòu)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)

12、在硬件上具有更加簡單、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

13、：內(nèi)部和外部程序存儲器選擇線。如圖6所示圖6 89C52單片機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。兩個74HC573數(shù)字鎖存器分別對數(shù)碼管的段選碼、位選碼鎖存，由LE接口控制。單片機P2.6接口控制段選，P2.7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，P3

14、.3口用來設置報警上限值。超過上限值P1.5口為低電平LED1燈亮報警。聲光報警電路如圖9所示圖8 獨立式鍵盤圖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所示圖10 主程序流程圖3

15、.1顯示程序設計將轉(zhuǎn)速測量值在LED上顯示出來的程序。如圖11所示圖11 顯示程序設計框圖3.2鍵盤和報警程序設計 鍵盤報警程序由鍵盤程序（如圖12所示）和報警程序（如圖13），通過按鍵設置上限閾值，當測量值超過設定值啟動報警程序進行聲光報警。圖12 按鍵字程序流程圖圖13 報警程序流程圖3.3頻率測量該部分程序是對方波輸入信號進行處理，通過測周期法測出頻率。流程圖見圖9圖14 頻率測量模塊流程圖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

16、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）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

17、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(shù) 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 2009.12課設體會本次課程設計已經(jīng)結(jié)束，在此過程中，從構(gòu)

18、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(shù)，并且對之前不太熟練掌握keil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

19、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，A/D轉(zhuǎn)換器，鎖存器等各種元器件，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，向在課設期間給予我?guī)椭?/p>

20、關心和悉心教導我的老師、同學衷心的說聲謝謝。2012年7月 19日完成附錄1 電路原理圖附錄2 程序清單#include#include/延時機器周期頭文件#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit feng=P23;sbit dula=P26;sbit wela=P27;sbit key1=P30;sbit key2=P31;sbit key3=P32;sbit key4=P33;sbit led1=P14;sbit led2=P15;sbit adwr=P36;sbit adrd=P37;sbit weiz=P10;uc

21、har n=0;uchar code table= /無小數(shù)點0x3f,0x06,0x5b,0x4f, 0x66,0x6d,0x7d,0x07, 0x7f,0x6f;uchar A1,A2;uint f;uchar num1,num2;uint sheding1=40,sheding2=90;void delay(uint x)uint i,j;for(i=x;i0;i-)for(j=110;j0;j-);void display(uchar num1,uchar num2) dula=1;P0=tablenum1;dula=0;P0=0xff;wela=1;P0=0x7e;wela=0;de

22、lay(5);dula=1;P0=tablenum2;dula=0;P0=0xff;wela=1;P0=0x7d;wela=0;delay(5);void queding1()if(key3=0)delay(10);if(key3=0)sheding1=(num1*10)+num2;while(!key3);/等待按鍵釋放void queding2()if(key4=0)delay(10);if(key4=0)sheding2=(num1*10)+num2;while(!key4);/等待按鍵釋放void keyscan() if(key1=0)delay(10);if(key1=0) num1+; if(num1=10) num1=0;while(!key1);/等待按鍵釋放 if(key2=0)delay(10);/消除抖動 if(key2=0) num2+;if(num2=10) num2=0; while(!key2);void pinlu()uint count,period