光电转速计专业课程设计方案报告.doc

光信息科学与技术课程设计报告

设计题目： 光电转速计设计

专 业：光信息科学与技术
班 级：
学 号：
学生姓名：
指引教师：
设计时间： 下学期

7月1日

目录
一、系统方案设计 3
1.1 概述 3
1.2 系统方案图 3
二、工作原理 4
2.1 电动机控制模块设计 4
2.1.1 电机控制系统电路原理 4
2.1.2 控制单元重要元器件选取 5
2.2光电检测模块设计 5
2.2.1 光电耦合器 5
2.2.2 光电耦合开关 7
2.3 数据解决及显示模块 8
2.3.1 数据解决及显示模块原理 8
2.3.2 重要元器件简介 9
三、实验测试过程及成果 11
3.1 实验过程 11
3.2 实验成果 12
四、课程设计心得体会 12
五、参照文献 13

一、系统方案设计
1.1 概述
在工业生产和科学实验中，转速测量是一种很重要问题。关于测量转子速度办法有诸多，但大某些比较复杂。物体运动速度可分为线速度和加速度。随着生产过程自动化限度提高，开发出了各种各样检测线速度和角速度办法，如磁电式速度计、光电速度计、测速发动机等。
由于光电测量办法灵活多样，可测参数众多，普通状况下又具备非接触、高精度、高辨别率、高可靠性和响应快等长处，加之激光光源、光栅、CCD器件、光导纤维等相继浮现和成功应用，以及电子技术、数字化智能仪表迅速发展，使得光电传感器在检测和控制领域得到了广泛应用。
1.2 系统方案图
片外存储器
电机调速系统

面板控制接口
光电传感器装置

显示单元LED
单片机解决单元

放大、整形电路
数据采集卡 A/D

图1 系统方案框图

图2 系统方案实物图
二、工作原理
本转速计系统重要包括电动机控制模块、光电检测模块、数据解决及显示三大模块，通过对信号采集、A/D转换、信号滤波、整流、稳压、放大等一系列解决，使其转换为可以被单片机辨认解决高低电平脉冲信号，运用AT89S51单片机以及ICL7109 A/D转换芯片完毕对信号计数及显示解决，使LED数码显示管可以直接显示出电机转速。
2.1 电动机控制模块设计
2.1.1 电机控制系统电路原理
下图为电机控制系统电路原理图：直流电动机转速与加在电动机两端电压成正比，电压越高，转速越快。该电路采用电压反馈方式控制电动机转速，NE555为比较器工作方式，3脚输出电压占空比受2脚电压控制，调节W1可以设定电动机转速。当电动机两端电压增大时，其转速超过设定转速，此时R1上电压降增大，该压降馈送到NE5552脚，则3脚输出脉冲电压占空比减小，即脉冲高电平时间变短，Q1导通时间缩短，加到电动机两端电压减少，电动机转速下降，从而保持电动机转速为恒定值。

图3 电机控制系统原理图
2.1.2 控制单元重要元器件选取
控制单元重要采用了NE555芯片，它属于555系列计时IC其中一种型号，555系列IC接脚功能及运用都是相容，只是型号不同因其价格不同其稳定度、省电、可产生 振荡频率也不大相似；而555是一种用途很广且相称普遍计时IC，只需少数电阻和电容，便可产生数位电路所需各种不同频率之脉波讯号。

图4 NE555芯片及其内部功能框图
选用该芯片其是由于它具备如下特点：
² 只需简朴电阻器、电容器，即可完毕特定振荡延时作用。其延时范畴极广，可由几微秒至几小时之久。
² 它操作电源范畴极大，可与TTL，CMOS等逻辑电路配合，也就是它输出电平及输入触发电平，均能与这些系列逻辑电路高、低电平匹配。
² 其输出端供应电流大，可直接推动各种自动控制负载。
² 它计时精准度高、温度稳定度佳，且价格便宜。
2.2光电检测模块设计
2.2.1 光电耦合器
1) 光电耦合器件含义
在工业检测、电信号传送解决和计算机系统中，惯用继电器、脉冲变压器和复杂电路来实现输入、输出端装置与主机之间隔离、开关、匹配和抗干扰等功能。而继电器动作慢、有触点工作不可靠；变压器体积大，频带窄，因此它们都不是抱负部件。随着光电技术发展，70年代后来浮现了一种新功能器件——光电耦合器件。它是将发光器件(LED)和光敏器件(光敏二、三极管等)密封装在一起形成一种电—光—电器件，如下图所示。

图5 把发光器件与光敏器件封装在一起构成光电耦台器件
这种器件在信息传播过程中是用光作为媒介把输入边和输出边电信号耦合在一起，在它线性工作范畴内，这种耦合具备线性变化关系。由于输入边和输出边仅用光来耦合，在电性能上完全是隔离。因而，光电耦合器件电隔离性能、线性传播性能等许多特性都是从“光耦合”这一基本特点中引伸出来。故有人把光电耦合器件也称为光电隔离器或光电耦合器。这些名称共同点都是为了突出“光耦合”这一基本特点，这也是它区别于其他器件主线特性。由于这种器件是一种运用光耦合做成电信号传播器件．因此普通称为光电耦合器件。
2）光电耦合器件特点：
² 具备电隔离功能。它输入、输出信号间完全没有电路联系，因此输入和输出回路电平零位可以任意选取。绝缘电阻高达1010～1012欧姆，击穿电压高到100～25kv，耦合电容小到零点几种皮法。
² 信号传播是单向性，无论脉冲、直流都可以使用。合用于模仿信号和数字信号。
² 具备抗干扰和噪声能力。它作为继电器和变压器使用时，可以使线路板上看不到磁性元件。它不受外界电磁干扰、电源干扰和杂光影响。
² 响应速度快。普通可达微秒数量级，甚至纳秒数量级，它可传播信号频率在直流和10MHz之间。
² 使用以便，具备普通固体器件可靠性，体积小，重量轻，抗震，密封防水，性能稳定，耗电省，成本低。工作温度范畴在－55℃～+100℃之间。
由于光电耦合器件性能上长处，使它发展非常迅速；当前，光电耦合器件在品种上有8类500各种。它已在自动控制、遥控遥测、航空技术，电子计算机和其他光电、电子技术中得到广泛应用。
3）光电耦合器件之因此具备很高抗干扰能力，重要有下面几种因素：
² 光电耦合器件输入阻抗很低，普通为10～1k欧姆；而干扰源内阻普通都根大，普通为1K～1M欧姆。按普通分压比原理来计算，可以馈送到光电耦合器件输入端干扰噪声就变得很小了。
² 由于普通干扰噪声源内阻都很大，虽然也能供应较大干扰电压．但可供出能量却很小，只能形成很薄弱电流。而光电耦合器件输入端发光二极管只有在通过一定电流时才干发光。因而，虽然是电压幅值很高干扰，由于没有足够能量，不能使发光二极管发光，从而被它抑制掉了。
² 光电耦合器件输入～输出边是用光耦合，且这种耦合又是在一种密封管壳内进行，因而不会受到外界光干扰。
² 光电耦合器件输入～输出间寄生电容很小(普通为0.6—2pF，绝缘电阻又非常大(普通为1011～1013欧姆)，因而输出系统内各种干扰噪音很难通过光电耦合器件反馈到输入系统中去。
2.2.2 光电耦合开关
光电耦合开关又称为光电开关，它是运用被检测物对光束遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体有无。物体不限于金属，所有能反射光线物体均可被检测。光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接受器再依照接受到光线强弱或有无对目的物体进行探测。
按检测方式可分为反射式、对射式和镜面反射式三种类型。对射式检测距离远，可检测半透明物体密度（透光度）。反射式工作距离被限定在光束交点附近，以避免背景影响。镜面反射式反射距离较远，适当作远距离检测，也可检测透明或半透明物体。本文设计方案使用是对射式光电开关。

图6 对射式光电开关 图7 光电探测装置
R7为红外发射管限流电阻，调节W2可以调节发光强弱。R9和W3为光敏器件负载电阻，调节W2可以调节探测敏捷度。LED用来批示开关状态。光电探测装置如图5所示，沿着电机转盘周边均匀开出6个圆孔，按图5方式放置光电开关调节W1使电机转动，每一种圆孔通过光电开关，光电开关就会探测到一种信号，通过整流稳压放大电路解决就可以得到一种稳定脉冲，通过对脉冲频率测量便可得到电机转速。

图8 光电开关电路图
2.3 数据解决及显示模块
2.3.1 数据解决及显示模块原理
数据采集，是指从传感器和其他待测设备等模仿和数字被测单元中自动采集信息过程。近年来，随着数字化技术不断发展，数据采集技术也呈现出速度更快、通道更多、数据量更大发展趋势，该领域正在发生着重要变化。一方面，分布式控制应用场合中智能数据采集系统正在发展；另一方面，总线兼容型数据采集插件数量正在增大，与个人计算机兼容数据采集系统数量也在增长，数据采集与控制数据采集已长时间被以为与数据记录与其他数据收集系统相等同。
本设计方案中数据采集模块，重要完毕模仿电压信号和脉冲数测量2种功能。对于模仿电压信号，系统一方面通过AD转换将模仿信号变成数字信号送到单片机中，然后再通过数码管显示出数值，借此直接读出电压值；而对于脉冲信号，则是通过定期测量脉冲个数来读取频率值，并用数码管显示出来。

图9 单片机89S51与AD转换芯片ICL7109接口电路
2.3.2 重要元器件简介
1）AT89S51芯片简介
AT89S51是一种低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)可重复擦写1000次Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司高密度、非易失性存储技术制造，兼容原则MCS-51指令系统及80C51引脚构造，芯片内集成了通用8位中央解决器和ISP Flash存储单元，AT89S51在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。

图10 89S51引脚图 图11 AT89S51芯片
2）89S51重要接口简介
P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻双向I/O口，可接受输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉缘故。P3口除了作为普通I/O口，尚有第二功能：
　　P3.0 RXD（串行输入口）
　　P3.1 TXD（串行输出口）
　　P3.2 /INT0（外部中断0）
　　P3.3 /INT1（外部中断1）
　　P3.4 T0（T0定期器外部计数输入）
　　P3.5 T1（T1定期器外部计数输入）
　　P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）
　　P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）
　　P3口同步为闪烁编程和编程校验接受某些控制信号。
　　I/O口作为输入口时有两种工作方式，即所谓读端口与读引脚。读端口时事实上并不从外部读入数据，而是把端口锁存器内容读入到内部总线，通过某种运算或变换后再写回到端口锁存器。只有读端口时才真正地把外部数据读入到内部总线。89C51 P0、P1、P2、P3口作为输入时都是准双向口。除了P1口外P0、P2、P3口都尚有其她功能。
3）显示单元简介
显示单元重要采用是8段显示LED显示屏

图12 8段LED显示屏引脚 图13 共阴极接法
最惯用一种显示屏是由八段条形LED构成，点亮恰当字段，就可显示出不同数字。此外，不少七段显示屏在下角带有一种圆形LED作小数点用，这样一共八段，合用于8位并行系统。
图11为共阴极接法，公共阴极接地，当各段阳极电平为“1”时，该段就点亮，电平为“0”时，该段就熄灭。图13中R是限流电阻，图12为八段LED引脚排列。为了在七段LED上显示不同数字或字符，一方面要把数字或字符转换成相应段码（又称字码），由于电路接法不同，七段LED显示屏形成段码也不同，如表1所示为七段LED段码表。
字符
共阴极接法七段状态
共阴极接法段码（十六进制）
字符
共阴极接法段码（十六进制）
ｇ　ｆ　ｅ　ｄ　ｃ　ｂ　ａ
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0　 1　 1　 1　 1　 1　 1
0　 0　 0　 0　 1　 1　 0
1　 0　 1　 1　 0　 1　 1
1　 0　 0　 1　 1　 1　 1
1　 1　 0　 0　 1　 1　 0
1　 1　 0　 1　 1　 0　 1
1　 1　 1　 1　 1　 0　 1
0　 0　 0　 0　 1　 1　 1
1　 1　 1　 1　 1　 1　 1
1　 1　 0　 0　 1　 1　 1
3FH
06H
5BH
4FH
66H
6DH
7DH
07H
7FH
6FH
A
b
C
d
E
F
P
-
8（全亮）
全灭
77H
7CH
39H
5EH
79H
71H
73H
40H
FFH
00H
表1 七段LED段码表
三、实验测试过程及成果
3.1 实验过程
1）电机驱动电路输出“M+”“M-”用连线相应接到电动机“M+”“M-”，对射式光电开关“L+”“L-”“P+”“P-” 用连线相应接到电路上“L+” L-”“P+”“P-”。
2）示波器探头测量电路输出“F”“GND”。 转速调节旋钮“W1”左旋究竟，此时电动机不转动。
3）打开电源开关，调节红外发射管限流电阻“W2”和光敏器件负载电阻“W3”，用手转动转盘，直至光电开关发射和接受透过转盘时圆孔和被遮住时示波器上显示高低电平跳变，调节转速调节旋钮“W1”直至电机转动，观测示波器输出波形，记录频率。调节电机转速，示波器产生波形频率越高。如图14所示。
4）将示波器输出波形接入到数据采集单元中，其输出端接入到AT89S51单片机P1口，在显示模块会显示出当前光电开光探测到信号频率，调节W1，不断变化电机转速，显示屏会随着变化，最后稳定在570左右，此时电机转速达到最大。整体实验效果图如图15。
3.2 实验成果

图14 光电检测模块输出波形 图15 整体实验效果图
计算电机转速。转盘上有6个圆孔，转盘每转动一周产生6个输出脉冲。若显示屏示数为n，则：
电动机转速 (r/s)
转盘边沿线速度 (m/s)
四、课程设计心得体会
通过这次课程设计，加强了咱们动手、思考和解决问题能力。在整个设计过程中，经常会遇到这样那样状况，就是心里老想着这样接法可以行得通，但实际接上电路，总是实现不了，因而耗费在这上面时间用去诸多。本次课程设计也是对此前所学课本知识巩固与加强，是对综合运用所学知识能力考察，自己真正动手去设计电路，才发现自己尚有诸多东西搞不明白。本次课程设计重要遇到如下几种问题：
² 示波器使用问题
在此前实验中普通使用是数字示波器，可以自动显示出来峰值电压、周期、频率等参数，但本次给出却是模仿示波器，一方面对模仿示波器操作上存在问题，另一方面不懂得模仿示波该如何读数，一致无法得知探测频率。解决办法：从网上查找关于模仿示波器使用阐明，重新学习如何使用示波器。同步也正是这一问题浮现才让我想起来用单片机来直接解决输出脉冲达到数字显示目。
² 脉冲信号输出问题
刚开始多次实验中都始终得不到脉冲信号，我一方面考虑是示波器问题，通过测试，拟定示波器是可以正常工作，另一方面我检查了电路连接状况，最后将问题定位在光电开关上，由于光电开关接入引脚处在电机转盘之下，安装不便，很容易导致接触不良状况，重新安装了光电开关后来问题得到解决。
² 单片机问题
本来但愿用自己单片机开发板设计电路编程来实现对脉冲计数，但由于所输出脉冲电压较低，所用单片机不能辨认到，必要加上放大电路，由于缺少硬件和自己运用知识能力欠缺和时间因素，只得暂时放弃，采用实验平台自带数据采集模块。
虽然整个过程布满曲折，也遇到诸多问题，尚有某些懂得当前也没有解决，但这让我看清了自己薄弱地方，重新解读了“实践是检查真理唯一原则”和“百闻不如一见，眼观不如实践”道理。无论如何收获还是诸多，成果也还不错，同步积累了宝贵经验。
五、参照文献
[1] 张晓乡. 89C51单片机实用教程[M].北京：电子工业出版社，.8
[2]于歆杰，朱桂萍，陆文娟.电路原理.北京:清华大学出版社,
[3]林红 周鑫霞.模仿电路基本.北京:清华大学出版社,
[4] 武汉光驰.光电技术创新实训平台实验指引书V1[1].0
[5] 李菊叶 纪留利.光电测速装置设计.海南大学学报(自然科学版),.3
[6] 高岳 王霞等 光电检测技术与系统(第2版).北京：电子工业出版社,