基于光电传感器的奔跑速度检测系统设计.doc
《基于光电传感器的奔跑速度检测系统设计.doc》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于光电传感器的奔跑速度检测系统设计.doc(37页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、单位代码 01 学号 090119012 分 类 号 TN79.1 密 级 毕业设计说明书奔跑速度检测系统电路设计 院(系)名称信息工程学院 专业名称测控技术与仪器 学生姓名 指导教师 2013年 5 月 10 日 黄河科技学院毕业设计说明书 第32页 奔跑速度检测系统电路设计摘 要随着信息技术的不断发展,单片机在测量系统中得到了广泛的应用。速度是一个系统经常需要测量、控制和保持的量,速度是否达到要求,决定着生产及工业过程是否产生相应的效果。速度的测量方法有许多种,但在不同的应用环境下,相应的测量方法有它自己的特点和误差。因此对单片机速度测量系统的研究有着重要的目的和意义。本设计采用AT89C
2、51单片机作为主要控制核心,应用光电传感器采集信号,经过单片机定时计数并运用一个算法测量出奔跑物体的行驶速度,最终用4位LED数码管显示其测量结果,硬件电路简单,软件功能完善,测量速度快、精度高,成本低等特点,充分发挥了单片机的控制功能,与所学知识紧密结合,学以致用,有很高的的使用价值。关键词:单片机,速度测量,光电传感器,LEDRunning Speed Measurement System DesignAuthor: Li qinhaiTutor:Yang quanjiu AbstractWith the continuous development of information tech
3、nology, single-chip microcomputer has been widely used in the measurement system. Speed is a systems often need to measure, control and maintain, Speed whether meet the requirements, determine the production and industrial processes produce corresponding results.Speed measurement method has many kin
4、ds, but in different application environment, the corresponding measurement method has its own characteristics and error. So the study of microcontroller velocity measurement system has important purpose and meaning. This design USES AT89C51 as the main control core, using photoelectric sensors to c
5、ollect signal, through single chip microcomputer timer counter and use an algorithm to measure the car speed, eventually with four LED digital tube display the measurement results, has high practical value. This article is give full play to the advantages of the performance of the single chip microc
6、omputer, introduces the basic principle of the speed measuring method, implementation steps and the hardware and software design, hardware circuit is simple, software function is perfect, fast measurement speed, high precision, low cost etc.Key words: single chip microcomputer; Velocity measurement;
7、 Photoelectric sensor; The LED目 录1 绪论11.1 奔跑速度检测系统的发展背景及现状11.2 本课题的目的和意义21.3 本课题设计的主要内容32 奔跑速度检测系统原理43 系统方案提出和论证54 系统的硬件设计54.1 光电传感器介绍54.1.1 光电传感器工作原理54.1.2 光电传感器54.1.3 光电传感器的类型及工作方式54.1.4 PM12光电传感器54.2 信号处理电路的设计54.3 单片机AT89C51介绍54.4 最小系统的设计54.4.1 复位电路54.4.2 晶振电路54.5 LED显示部分电路设计54.5.1 LED基本结构54.5.2
8、LED显示器的选择54.5.3 LED译码方式54.5.4 LED显示器与单片机接口设计55 系统软件设计55.1 主程序初始化55.2 主程序流程图程序流程图5总结5致谢5参考文献5附录5附录A 系统总电路图5附录B 系统总程序清单51 绪论1.1 奔跑速度检测系统的发展背景及现状从人类开始研究物体运动,速度就成为人们测量的对象。随着科学技术的不断发展,测量速度的科技手段也在日新月异,为人类的研究自然带来更大的自由。速度是物理学中的一个重要的概念。在运动学中速度是描述物体运动快慢的物理量,定义为位移随着时间的变化率。通过对平均速度和瞬时速度的测定,可以了解物体的运动状态和运动规律。在传统的测
9、速方法中,多基于对奔跑物体电机的转速进行测量,并由一定的公式转换出奔跑物体的速度,这里面按照不同的理论方法,先后产生过模拟测速法(如离心式转速表、用电机转矩或者电机电枢电动势计算所得)、同步测速法(如机械式或闪光式频闪测速仪)以及计数测速法。计数测速法又可分为机械式定时计数法和电子式定时计数法。传统的电机转速检测多采用测速发电机或光电数字脉冲编码器1,也有采用电磁式(利用电磁感应原理或可变磁阻的霍尔元件等)、电容式(对高频振荡进行幅值调制或频率调制)等,还有一些特殊的测速器是利用置于旋转体内的放射性材料来发生脉冲信号。其中应用最广的是光电式,光电式测系统具有低惯性、低噪声、高分辨率和高精度的优
10、点加之激光2光源、光栅、光学码盘、CCD器件、光导纤维等的相继出现和成功应用,使得光电传感器在检测和控制领域得到了广泛的应用。本课题中采用技术成熟的光电传感器来直接测量奔跑物体的奔跑速度,采用光电传感器进行奔跑速度测量,准确度高、采样速度快、测量范围宽和测量精度与被测转速无关等优点,具有广阔的应用前景。速度测量目前主要运用在汽车行业,如今的汽车工业正是朝着智能化,数字化发展,人们享受速度所带来的高效率同时,却要面对安全的巨大阴影,甚至有些人对汽车产生恐惧,在高速行驶的汽车上,什么事情都有可能发生。超速,简言之,速度的控制成为汽车智能化控制的关键,真正的“主动型安全装置”应该是对速度的检测,据说
11、英法两国已经研究出一种电子仪器,能够接收速度检测信号,从而使汽车保持在一定的安全速度之下,已经成功地运用在一些家庭轿车和出租车上。在20世纪60年代,汽车上仅有机油压力传感器、油量传感器和水温传感器,它们与仪表或指示灯连接。进入70年代后,为了治理排放,又增加了一些传感器来帮助控制汽车的动力系统,因为同期出现的催化转换器、电子点火和燃油喷射装置需要这些传感器来维持一定的空燃比以控制排放。目前见到的许多关于汽车车速与控制类文献中,以研究无刷直流电机较多,采用光电式传感器电机的重要元件。霍尔传感器的车速检测装置由CD板控制3,能够做出电机加速,减速的动作,还能够精确测速电机的转速,来控制电机的工作
12、情况等多种功能。在2004年上海大众智能设备有限公司也推出一种汽车智能速度检测系统,管理者可以用事先设定的方法强制约束汽车只能在规定的速度范围内行驶。它由微电脑控制仪和智能机械手两部分组成。可以通过微电脑控制仪来事先设定速度,比如在高架上,先设定最高速度为60公里。当汽车不超过60公里/小时,控制仪不启动机械手,司机驾车如常,当汽车速度接近60公里时,控制仪的微电脑立即启动机械手对汽车的油门踩杆准确地强制地提升45厘米。当你想继续加速时,由于油门位置被限制,你无法踩动,使汽车速度被控制汽车由于惯性速度保持在临界值。当惯性过去,汽车速度小于60公里临界值时,控制仪即指令机械手放松汽车油门,这时驾
13、驶员又可以踩下油门加速,汽车又驾驶如初。设置控制仪的限制值,可以用程序设定也可以用IC卡设;可以只设定一个值,也可以根据不同的路况,有多个档位供设定;还可以接受信号切换设定(即接受道路速度无线信号切换或电子地图信号切换)。该产品控制车速灵敏精确,速度误差小于5控速时汽车行驶平稳,乘客不易察觉。汽车智能速度控制器的安装十分巧妙,除了机械手的钢丝位置固定在油门踩板上以外,机械手和控制仪可以隐蔽安装而且做到不打洞安装。该产品的开发成功,为建立自动化道路速度检测控制系统奠定了基础。目前,速度检测系统已经在汽车行业得到广泛应用,预计今后的智能控制系统会朝着更可靠、性能更稳定、更高端的方向发展。1.2 本
14、课题的目的和意义在工业发展过程中,经常会遇到各种需要测量的速度的场合,例如在汽车、机床、传送机等设备运转和控制中,需要分时或连续的测量和显示其速度及瞬时速度情况。随着社会机械工业发展的趋势,对速度检测要求的精度越来越高,很多方面,奔跑速度的精确检测,关系到一系列系统的工业设计,所以这就需要设计一套奔跑速度检测系统。要测速,首先要解决信号采样的问题,采样效果的好坏关系到后续显示及控制,光电传感器由于其精度高、反应快、非接触性等优点,所以本课题设计中的中间环节就是光电式传感电路的设计;本课题主要采用嵌入式技术,由单片机和探测、信号采集、模数转换、数据存储、数据显示、与通信等环节组成的电路构成整个光
15、电传感电路系统。1.3 本课题设计的主要内容本设计主要内容由以下三大部分组成:1、信号的采集。这部分主要是用光电传感器采集奔跑物体的信号,并将采集的信号传给单片机。2、单片机数据处理4。这部分主要是使用51系列单片机采用适当的算法来编程快速准确地对采集的数据进行相关运算并得出结果。此部分是本设计的重点和难点。3、LED数字显示。这部分主要是对测得的结果通过4位LED数码管显示给用户。本奔跑速检测系统有以下几个部分构成,如图1.1奔跑速度测量系统方框图所示。显示单片机信号调理电路光电传感器奔跑物体图1.1 速度检测系统方框图本系统的硬件主要由光电传感器、信号处理电路、单片机AT89C51、LED
16、显示等组成。如图1.1,当奔跑物体通过光电传感器的时候,将会产生脉冲电信号,然后把信号送入三极管放大电路及CC40106芯片整形电路进行处理,将处理过的信号传给单片机,通过对单片机进行编程、运算,最后通过数码管显示其数值。2 奔跑速度检测系统原理本系统中,两对光电对射管布置在奔跑物体通过的路径上,当奔跑物体经过光电管Q1,Q2时,则挡住了光线,光电管Q1,Q2产生一个上升或下降沿,以光电管Q1的上升沿或下降沿作为单片机计数器的启动脉冲,启动计时器开始计时,光电管Q2的上升沿或下降沿作为单片机计数器的停止脉冲,计数器停止计时(本设计为高电平触发)。此时,得到计数器的计时值n。将值n传送处理中心,
17、已知单片机的机器周期为T,可通过编程5计算出奔跑物体在定距离S内的平均速度V,为V=S/nT其中S为两个对射型光电管之间的距离。如图2.1所示奔跑物体光敏电阻单片机定时器启动定时器停止发光二极管Q2发光二极管Q1光敏电阻图2.1奔跑速度测量系统原理图3 系统方案提出和论证目前科研生产中采用的速度测量方法可以分为两类:直接测量法和间接测量法两大类。直接测量法是通过某种测量原理或效应直接获得速度量,如多普勒测速仪、空间滤波测速等。这种方法最大的优点是反应快、可测量瞬时速度,但设备成本高,且易受外围环境的影响,比如大气物理环境限制。间接测量法是测量目标的移动距离和时间,通过计算得到速度量,如光电测速
18、、光栅测速、磁栅测速和图像测速等,用于测量奔跑物体的速度。本课题设计中采用间接测量法,并提出两种方案:方案一以AT89C516为核心的计数电路,使用AT89C51单片机,电路简单需要编写程序,可通过编程实现各种各样的算术算法和逻辑控制,而且体积小,硬件实现简单,安装方便,可实现数码显示和按键设定等多种功能。采用对射型光电传感器,将红外发光管与光电接收管相对安放,每当物体通过一次,红外光就被遮挡一次,光电接收管的输出电压就发生一次变化,这个变化的信号通过放大处理后形成计数脉冲,通过光电隔离耦合并行输入AT89C51,通过软件控制计算并用LED加以显示,便可实现对奔跑物体速度的测量。方案二以CD4
19、518为核心的计数电路,采用CD4518组成8421同步十进制计数器,其计数是由光检测和接收电路检测到信号在传送到脉冲发生器CD4518,由D4518转化成电信号然后在分别传送到各个二十进制计数器BCD码,由BCD码七段译码器转换至数码管LED,而电源部分是由220 V交流电经变压器T降压、桥式整流、电容滤波、7809稳压后为整个电路提供+5V稳压工作电压。方案选择:选用方案一是因为方案二在控制方式上难以实现复杂的控制过程,而且在其计数显示部分就需要几个芯片,还需要采用CD4543驱动LED的配接电路,而方案一的基于AT89C51单片机电路简单,其软硬件实现起来较为容易,而且可实现多种功能。4
20、 系统的硬件设计4.1 光电传感器介绍4.1.1 光电传感器工作原理光电传感器的基本工作原理是光电效应,光电效应一般有外光电效应、光导效应、光生伏特效应。光照在照在光电材料上,材料表面的电子吸收的能量,若电子吸收的能量足够大是,电子会克服束缚脱离材料表面而进入外界空间,从而改变光电子材料的导电性,这种现象成为外光电效应根据爱因斯坦的光电子效应,光子是运动着的粒子流,每种光子的能量为hv,由此可见不同频率的光子具有不同的能量,光波频率越高,光子能量越大。假设光子的全部能量交给光子,电子能量将会增加,增加的能量一部分用于克服正离子的束缚,另一部分转换成电子能量。根据能量守恒定律: (4.1)式中,
21、M为电子质量,v为电子逸出的初速度,A微电子所做的功。由上式可知,要使光电子逸出阴极表面的必要条件是HvA。由于不同材料具有不同的逸出功,因此对每一种阴极材料,入射光都有一个确定的频率限,当入射光的频率低于此频率限时,不论光强多大,都不会产生光电子发射,此频率限称为“红限”。相应的波长为式中,c为光速,A为逸出功。当受到光照射时,吸收电子能量,其电阻率降低的导电现象称为光导效应。它属于内光电效应。当光照在半导体上是,若电子的能量大与半导体禁带的能级宽度,则电子从价带跃迁到导带,形成电子,同时,价带留下相应的空穴。电子、空穴仍留在半导体内,并参与导电在外电场作用下形成的电流。除金属外,多数绝缘体
22、和半导体都有光电效应,半导体尤为显著。4.1.2 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,它的基本结构如下图,它首先把被测量的变化转换成光信号的变化,然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。光电传感器一般由光源,光学通路和光电元件三部分组成。光电检测方法具有精度高,反应快,非接触等优点,而且可测参数多,传感器的结构简单,形式灵活多样,因此,光电式传感器在检测7和控制中应用非常广泛。图4.1 光电传感器结构图光电传感器一般由三部分构成,它们分为:发送器、接收器和检测电路8,发送器对准目标发射光束,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
23、及红外发射二极管。光束不间断地发射,或者改变脉冲宽度。接收器有光电二极管、光电三极管、光电池组成。在接收器的前面,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。光电传感器是一种依靠被测物与光电元件和光源之间的关系,来达到测量目的的,因此光电传感器的光源扮演着很重要的角色,光电传感器的电源要是一个恒光源,电源稳定性的设计至关重要,电源的稳定性直接影响到测量的准确性,常用光源有以下几种:1、发光二极管 是一种把电能转变成光能的半导体器件。广泛地用于计算机、仪器仪表和自动控制设备中。2、丝灯泡 这是一种最常用的光源,它具有丰富的红外线。3、激光 激光与普通光线相比具有
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于 光电 传感器 奔跑 速度 检测 系统 设计
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【丰****】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【丰****】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。