电机转速测量系统设计光电传感器课程设计报告.docx
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1、传感器原理与应用课程设计1、 题目:电机转速测量系统设计(光电转速传感器)院 校:专 业:姓 名:学 号:班 级: 指导老师:二0一六 年 六 月目录第一章 传感器原理与应用课程设计任务书41.1总规定41.2总任务41.3设计题目41.4设计内容41.5设计进度或计划41.6设计说明书涉及的重要内容4第二章 系统介绍5第三章 系统设计方案53.1方案的设计与选择53.1.1 转速测量的方法53.1.2 整体控制方式63.1.3 传感器模块63.2 方案描述7第四章 系统理论分析与计算84.1 信号采集电路的分析84.2 电机转速的计算9第五章 硬件电路设计95.1 单片机模块95.1.1 S
2、TC89C52单片机简介105.1.2 时钟电路115.1.3 复位电路125.2 显示电路12第六章 软件设计136.1 系统总体设计136.2 中断子程序设计146.3 定期子程序设计146.4 显示子程序设计15第七章 测试方案167.1 电路调试167.2 软件调试16第八章 心得体会18参考文献19附录20附录一 电路仿真图20附录二 程序清单20附录三 实物图25第一章 传感器原理与应用课程设计任务书1.1总规定课设题目尽量侧重于传感器检测模块设计,重要是绘制系统原理图、制作传感部分前端电路、实验调试及分析、撰写实验报告等。电路图:传感检测/接口电路/控制电路、单片机检测系统电路(
3、若题目规定,则应加上)。程序:主程序、部分子程序(若题目规定,则应加上)。说明书:按规范撰写。1.2总任务针对总规定进行原理及方案论证、模块设计、接口电路设计、焊接或插接与调试、精度分析以及撰写报告等工作。1.3设计题目电机转速测量系统设计1.4设计内容实现所有规定的实物功能,性能稳定,外形美观。1.5设计进度或计划1、准备及查阅资料 一天2、方案设计及论证(总体方案) 二天3、硬件设计 三天4、程序设计 三天5、实验室调试及结果分析 二天6、整理报告及准备答辩 三天1.6设计说明书涉及的重要内容1、封面2、目录3、设计任务书4、正文(可按下列内容撰写、仅供参考) (1)摘要:可涉及系统工作原
4、理的介绍等。 (2)方案设计及论证:可按模块进行方案设计与论证,各模块设计中应涉及适当的精度分析及选型等。 (3)实验或系统调试:可涉及实验调试工具仪器、实验结果及适当的分析等。 (4)心得体会。 (5)重要参考文献。第二章 系统介绍转速的测量原理有两种:对于较高的转速,记录单位时间内的转速或角度,即频率测量法;对于较低的转速,记录每转所用的时间或没特定角度多用的时间,即周期测量法。由于本系统测量对象为直流电动机,转速较高,所以选择频率测量法,即在固定的测量时间内,对传感器产生的脉冲进行计数,从而算出实际转速。假设测量时间为Tc(min),脉冲个数为P,光码盘的小孔个数为m,则可算出实际转速N
5、(r/min)为: 当采样周期为1s,光码盘开孔数为4个时,其实际转速N为: 本设计中采用光电传感器采集信号,方便了信号的采集,也提高了测量的精度,但容易受外界光线和环境的干扰,编码盘与电机转轴的固定连接,都是本设计的难点。用1602LCD的数码管以动态扫描清楚的显示了实时的转速,程序的编写成了本设计的重点。第三章 系统设计方案本系统重要由单片机模块、传感器模块以及显示模块组成,下面分别论述这几个模块的选择。3.1方案的设计与选择3.1.1 转速测量的方法 方案一:测周期法(T法) 它是测量光电脉冲发生器所产生的相邻两个转速脉冲信号的时间来拟定转速。相邻两个转速脉冲信号时间的测量是采用对已知高
6、频脉冲信号进行计数来实现的。在极端情况下,时间的测量会产生1个高频脉冲周期,因此T法在被测转速较低(相邻两个转速脉冲信号时间较大)时,才有较高的测量精度,所以T法适合于低速测量。方案二:测频法(M法)在规定的检测时间内,检测光电脉冲发生器所产生的脉冲信号的个数来拟定转速。虽然检测时间一定,但检测的起止时间具有随机性,因此M法测量转速在极端情况下会产生1个转速脉冲的误差。当被测转速较高或电机转动一圈发出的转速脉冲信号的个数较大时,才有较高的测量精度,因此M法适合于高速测量。方案三:频率/周期法(M/T法)它是同时测量检测时间和在此检测时间内光电脉冲发生器所产生的转速脉冲信号的个数来拟定转速。由于
7、同时对两种脉冲信号进行计数,因此只要“同时性”解决得当,M/T法在高速和低速时都具有较高的测速精度。由于M/T法可在整个速度范围内获得高分辨率,可在不损失精度和分辨率的前提下获得快速响应。由于这次使用的是小马达,所以我选择使用方案二,测频法。3.1.2 整体控制方式方案一:采用集成电路控制方式 光电传感器感受到光信号并转换成电信号,此时的电信号为模拟信号,经信号解决电路滤除干扰,并转换成能被计数器接受的方波信号或脉冲信号,再通过计数、译码、显示电路,由数码管显示转速。可实现功能,但电路较复杂,系统调试也较繁杂。 方案二:采用单片机模块控制方式单片机模块接受脉冲信号,进行计数、解决,把数据传送给
8、LCD显示模块,达成实时检测和反馈的功能。基于单片机的转速测量系统,具有硬件电路简朴,程序简朴和运算速度快,测速范围广,抗干扰性能好的特点。综合以上两种方案,选择方案二。3.1.3 传感器模块 方案一:采用红外传感器红外传感器是运用红外线的物理性质来进行测量的传感器,为反射式。红外线传感器测量时不与被测物体直接接触,因而不存在摩擦,并且有灵敏度高,反映快等优点。但红外线的发射、接受不好控制,并且容易受到外界光线和环境的干扰。方案二:采用霍尔传感器霍尔传感器是根据霍尔效应原理制成的霍尔元件。传感器的定子上有2个互相垂直的绕组A和B,在绕组的中心线上粘有霍尔片HA和HB,转子为永久磁钢,霍尔元件H
9、A和HB的激励电机分别与绕组A和B相连,它们的霍尔电极串联后作为传感器的输出。 采用霍尔传感器在信号采样的时 图1 霍尔转速传感器结构图 候,会出现采样不精确,由于它是靠磁性感应才采集脉冲的,使用时间久了会出现磁性变小,影响脉冲的采样精度。方案三:采用光电传感器光电传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的。光电传感器在一般情况下,有三部分构成,它们分为:发送器、接受器和检测电路。发送器对准目的发射光束,发射的光束一般来源于半导体光源,发光二极管(LED)、激光二极管及红外发射二极管。光束不间断地发射,或者改变脉冲宽度。接受器有光电二极管、光电三极管、光电池组成。在接受器的前面,
10、装有光学元件如透镜和光圈等。在其后面是检测电路,它能滤出有效信号和应用该信号。此外,光电开关的结构元件中尚有发射板和光导纤维。三角反射板是结构牢固的发射装置。它由很小的三角锥体反射材料组成,可以使光束准确地从反射板中返回,具有实用意义。 图2 光电传感器原理示意图 综合以上3种方案,选择方案三。 3.1.4 显示模块方案一:用数码管动态显示,可以显示数字,但显示的内容有限,接线繁多,且不能连续显示字符,有一定局限性。 方案二:采用LED点阵显示,能动态扫描,变换颜色,但体积比较大,需要很多点阵组合使用,显示较为繁琐,但需要的I/O资源较多,影响总体布局。方案三:采用LCD液晶显示,显示内容最丰
11、富,不仅编程灵活,显示可靠,并且电路简朴,易与单片机连接,明亮对比度可调,显示非常清楚,是一种非常好的方案。综合以上,选择方案三。3.2 方案描述 STC89C52单片机本设计重要用STC89C52单片机作为控制核心,由光电传感器、LCD动态显示屏构成。STC89C52单片机接受光电传感器传来的脉冲信号,单片机根据外部中断,以及内部定期器进行记数计算出电机转速送到LCD显示,使能实时读出电机的转速。显示电路信号调理光电传感器 图3 系统总体方框图第四章 系统理论分析与计算4.1 信号采集电路的分析 采集光信号的电路原理图如图4所示:图4 采集光信号的电路原理图在图中,U3为槽型光耦,它的左端是
12、发光二极管,由于发光二极管的驱动电流为520mA,所以设立R2的值为500,同理设立,光电接受晶体管的下拉电阻即R3为10K。光耦的输出端用三极管进行电压放大,为使T1输出的电平为TTL电平,将R5和R4的阻值设定为1K。该部分设计采用了红外光电传感器,进行非接触式检测。当有物体挡在红外光电发光二极管和高灵敏度的光电晶体管之间时,传感器将会输出一个低电平,而当没有物体挡在中间时,则输出高电平,从而形成一个脉冲。系统在光电传感器收发端之间加上电动机,并在电动机转轴上安装一转盘。在这个转盘的边沿处挖若干个圆形通光孔,把传感器的检测部分放在圆孔的圆心位置。每当转盘旋转时,传感器将输出若干个脉冲。把这
13、些脉冲通过放大整形成单片机可以辨认的TTL电平,即可计算出轮子的转速。转盘的圆孔的个数决定了测量的精度,个数越多,精度越高。这样就可以再单位时间里尽也许多地得到脉冲数。从而避免了由于两个过孔之间距离过大,而正好在过孔之前或者是在下一个过孔之前就停止了,导致较大的误差。设计中转盘的圆孔的实际个数受到技术限制。为了达成预定的效果设计,在转盘过孔的设计上采用20个过孔,再通过软件对采集的数据进行计算。 图5 光码盘4.2 电机转速的计算 在编程时让单片机每隔一秒记录一次接受到的脉冲总数,然后根据如下计算电机的转速 (1)n:电机转速T:采样周期N:采样周期T内光脉冲个数P:光码盘开孔的总数当采样周期
14、为1秒时,转速 (2)f:1秒内采集到的光脉冲个数第五章 硬件电路设计5.1 单片机模块 单片微型计算机简称单片机,它把组成微型计算机的各个功能部件:中央解决器CPU、随机存取存储器RAM、只读存储器ROM、可编程存储器EPROM、并行及串行输入输出I/O接口电路、定期器/计数器、中断控制器等部件集成在一块半导体芯片上,构成一个完整的微型计算机。5.1.1 STC89C52单片机简介 STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K在系统可编程Flash存储器。STC89C52使用经典的MCS-51内核,但做了很多的改善使得芯片具有传统51单片机不具有的功能。
15、在单芯片上,拥有机灵的8位CPU 和在系统可编程Flash,使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。具有以下标准功能:8k字节Flash,512字节RAM,32 位I/O 口线,看门狗定期器,内置4KB EEPROM,MAX810复位电路,3个16位定期器/计数器,4个外部中断,一个7向量4级中断结构(兼容传统51的5向量2级中断结构),全双工串行口。此外STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作,支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下,CPU停止工作,允许RAM、定期器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下,RAM内容被保存,振荡器被冻结,单片机一切工作
16、停止,直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35MHz,6T/12T可选。 图6 单片机管脚图VCC:供电电压GND:接地P0口:P0口为一个8位漏级开路双向I/O口,每脚可吸取8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时,被定义为高阻输入。P0可以用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址的第八位。P1口:P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口,P1口缓冲器能接受输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后,被内部上拉为高,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。P2口:P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2口缓冲器可接受,输出4个TT
17、L门电流,当P2口被写“1”时,其管脚被内部上拉电阻拉高,且作为输入。并因此作为输入时,P2口的管脚被外部拉低,将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时,P2口输出地址的高八位。P3口:P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向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)这是由于上拉的缘故。P3口也可作为STC89C52的一些特殊功能口。5.1.2 时钟电路 时钟是单片机的心脏,单片机各功能部件的运营都是以时钟频率为基准,有条不紊地一
18、拍一拍地工作。因此,时钟频率直接影响单片机的速度,时钟电路的质量也直接影响单片机系统稳定性。常用的时钟电路有两种方式,一种是内部时钟方式,另一种是外部时钟方式。 图7 单片机晶振电路 图8 单片机复位电路 单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器,该高增益反向放大器的输入端为芯片引脚XTAL1,输出端为引脚XTAL2这两个引脚跨接在石英晶体振荡器和微调电路,就构成一个稳定的自激振荡器。电路中的电容C1和C2典型值通常选择30pF左右,该电容大小会影响振荡器频率的高低,振荡器的稳定性和起振的快速性。晶振的振荡器频率的范围通常在1.212MHz之间,晶体的频率越高,则系统得时钟频率也就变高
19、,单片机的运营速度也就越快。但反过来运营速度快,对存储器的速度规定就高。对印刷电路板的工艺规定也高,即规定浅间的寄生电容要小;晶体和电容应尽也许安装得与单片机芯片靠近,以减少寄生生活,更好的保证振荡器稳定,可靠地工作。5.1.3 复位电路为保证微机系统中电路稳定可靠工作,复位电路是必不可少的一部分,复位电路的第一功能是上电复位。一般微机电路正常工作需要供电电源为5V5%,即4.755.25V。由于微机电路是时序数字电路,它需要稳定的时钟信号,因此在电源上电时,只有当VCC超过4.75V低于5.25V以及晶体振荡器稳定工作时,复位信号才被撤除,微机电路开始正常工作。 单片机在启动时都需要复位,以
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