光电转速表课题设计(最新修改版)

课程名称光电转速表课程设计课程设计总评成绩学生专业班级10届电子信息系机电四班指导教师姓名课程设计起止日期2012.07.21---2012.09.09一、课程设计项目名称光电式转速表二、项目设计目的及技术要求1.设计目的:1）熟悉单片机最小系统及应用；2）结合选题要求，完成系统设计和调试，具有功能扩展和创新；3）根据设计的电路，画系统总体结构框图，用proteus工具画硬件电路图；4）用C语言完成系统的软件编程；5）熟悉并学会使用keil编译器，对所编程序进行编译。6）用proteus实现结果仿真。2.技术要求:1）运用光电传感器,将光信号转换成电信号,设计相应的电路,输出脉冲波。2）用按键控制直流电机，并对PWM设置不同的占空比控制直流电机的速度。3）运用AT89C51单片机，结合用C语言编出频率计数的程序，能够直接计出输出的脉冲波。4）掌握浪涌保护的基础知识并以此设计抑制或消除浪涌电流的电路。5）通过单片机的串行接口通信，由LED数码管显示出频率计数值。本课题设计内容包含知识全面，对传感器测量发电机转速的不同方法及原理设计有较多介绍，在测量系统中能学到关于测量转速的传感器采样问题，单片机部分的内容，显示部分等各个模块的通信和联调。全面了解单片机和信号放大的具体内容。进一步锻炼我们在信号采集，处理，显示方面的实际工作能力。三、转速检测计量技术的发展现状与存在的问题在工程实践中，经常会遇到各种需要测量转速的场合，例如在发动机、发电机、卷扬机、机床主轴等旋转设备的实验、运转和控制中，常需要分时或连续测量和显示其转速及瞬时转速。要测速，首先要解决采样问题。在使用模拟技术制作测速表时，常用测速发电机的方法，即将测速发电机的转轴与待测轴相连，测速发电机的电压高低反映了转速的高低。为了能精确地测量转速外，还要保证测量的实时性，要求能测得瞬时转速方法。因此转速的测试具有重要的意义。目前国内外测量电动机转速的方法很多，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率测速仪）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，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。其中应用最广的事光电式，光电式测速系统具有低惯性、低噪音、高分辨率和高精度的优点。加之激光光源、光栅、光学码盘、CCD器件、光导纤维等的相继出现和成功应用，使得光电式传感器在检测和控制领域得到了广泛的应用。而采用光电式传感器的电机转速测量系统测量准确度高、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。1、转速概述转速是旋转物体的转数与时间之比的物理量,是描述各种旋转机械运转技术性能的一个重要参量。在计量学里,转速属于导出单位,其物理含义为旋转物体在单位时间内转过的转数。工程中用它来描述动力机械的运动特性。转速和频率有共同的量纲,都是单位时间内某一量值(脉冲个数、转数)出现的次数,从理论上讲,转速值可以直接和频率值进行比对。测时计数是转速计量的基本方法。在我国,转速表(含转速测量仪等)属依法管理的计量器具。通常用转速标准装置(本文特指转速标准源)可以完成对各类转速表的检测/校准工作。2、转速表的类型和检测技术转速测量技术随着科学技术的飞速发展,在旋转物体速率测量方式上应用了各种新的技术,实现了测量的准确高效、安全便捷。转速表依据测量方式可分为接触式和非接触式两大类,转速表依据工作原理和采样方式可分为机械式、光电式、激光式、频闪式、磁电式等。目前使用纯机械式转速表的用户已经越来越少,并呈现将被电子计数式转速表逐渐取代的趋势。转速测量范围一般为几十转至几万转,测量准确度大多为0.1%以下,极少数产品能达到0.05%。2.1、机械式转速表检测中,被测转速表通过机械联接或摩擦接触的方式,从转速标准装置输出轴获得标准转速的输入。检测时应该采取何种联接方式取决于被检表实际使用时的联接状态。2.2、光电式转速表对光电式转速表,目前使用的检测装置有两种:(1)采用转速标准装置,将定向反射纸贴于装置的测速盘上,由转速标准装置通过测速盘输出标准转速,进行检测。(2)采用脉冲光源测速装置来检测光电式转速表。这类检测设备通常由频率信号发生器、频率计数计及一个发光二极管组成。两种检测装置的工作原理有质的差别。脉冲光源测速装置能否做为标准,在转速界争议较大。2.3、频闪式转速表频闪式转速表利用的是频闪效应原理。检测此类转速表时,需先在转速标准装置测速盘上做出明显的标记,当标准装置转轴的转速与被测转速表闪光频率相等或成一定倍数关系时,转轴上的标记呈现停留不动的状态,这时,转速表显示值与频闪象停留序数的乘积即为转速表的实测值。2.4、磁电式转速表磁电式转速表利用的是非电量电测的原理,它包括磁感应式、电脉冲式和电动式转速表等。这类转速表有接触式和非接触式两种。根据被测表工作原理的不同,所选用的检测方法也不同,但是都可在转速标准装置上进行检测。磁电式转速表大多由传感器和显示器两部分组成。检测接触式转速表时,将传感器与转速标准装置转轴连接,转轴旋转时使传感器产生电信号,显示器显示的即为转速表实测值。检测非接触式转速表时,应根据传感器的结构原理设法使转速标准装置。2.5、红外数字转速仪红外数字转速仪是一种非接触式，光电传感的转速计量仪器。它由光源、光电盘、光敏二极管、检波放大电路与数显装置等组成。光电盘随转轴一同转动,光敏二极管将光电盘透射来的光信号转换为电信号,然后通过计数脉冲的频率,即可在数显装置上读出旋转轴的转速。（本课题选择的是光电式转速表。）四、总体方案设计由于本课题研究的电动机转速范围为3r/min至10000r/min，即当电动机为最低转速时，有周期为20秒。本课题选择的晶体振荡器的晶振频率是12MHz，因为计数频率=晶振频率/12，所以计数频率为1MHz，即计数周期为1微秒（每1微秒计数器加1）。若选用8位计数器，其最大定时时间为256*1us=256us，显然，最低转速时的周期20秒远大于8位计数器的最大定时时间256微秒。如果我们采用计数溢出次数的方法，那么在初值为0的情况下，会得到78125次的溢出次数（20000000/256=78125），显然，78125也是大于256，不能成功计数。若我们选择16位计数器并且采用计数溢出次数的方法，由于其最大定时时间为65536us，那么在初值为0的情况下，得到的溢出次数为305次（20000000/65536=305.175781），显然，305小于65536，可以成功计数。所以本课题选用16位计数器。上电复位后，检测第一个脉冲上升沿，中断服务程序，启动计数器T0；检测到第二个脉冲上升沿，中断服务程序，关闭计数器T0。16位计数器的计数范围是0至65535，其最大计数值为65536。在计数器允许的计数范围内，计数器可以从任何值开始计数，对于加1计数器，当计到最大值时（对于16位计数器，当计数值从65535再加1时，计数值变为0），产生溢出。这里我们通过观察溢出信号得到最高转速时的溢出次数和最低转速时的溢出次数，进而得到转速N与溢出次数n之间的一次方程式。本课题研究的转速是3r/min至10000r/min。我们赋初值为63536，即每2000us计数一次，那么就得到最高转速时的溢出次数为3次，最低转速时的溢出次数为10000次。所以有转速N与溢出次数n之间的一次方程式：N=-n+10003N——转速，单位：r/min;n——溢出次数。下图所示为转速测量系统框图：五、光电转速表硬件设计在硬件设计中我们提出了以下方案：利用光电传感器将光信号转换为电信号，该电信号是具有强弱的连续信号。通过滤波后送入单片机，然后计算频率，即可得到转速。本系统硬件主要由4个部分组成：1）电源部分2）信号采集部分电源信号采集部分单片机数码管显示部分3）单片机部分（包括复位电路和晶体振荡电路）4）数码管显示部分1电源部分2、信号采集电路该部分由光电传感器一个、300欧电阻一个、43K电阻两个、10K电阻一个、NPN三极管一个、发光LED一个组成。当码盘没有物体遮挡时OUT输出高，有物体遮挡时输出低。光电传感器信号采集电路和其仿真图如下所示：R1300ΩR443kΩQ12N2222U1A40106BD_5VVCC5V2VCC0XSC1ABExtTrig++__+_4R210kΩR343kΩ13V11kHz5V光电传感器由一个放光管，一个光敏三极管组成，放置在一个槽型的器件两端，组成一个传感器。在槽中放置一个圆盘，在盘的一周开20个孔。当电路导通时，发光管发光，圆盘在槽转动，当光透过孔时，在连续的时间内，该器件输出一个连续的强弱明显的脉冲，将得到的脉冲经过处理后送入单片机，即可得到所测的转速。当码盘遮住时，光电传感器内部的的三极管处于截至区，与光电传感器连接的PNP三极管处于放大区，集电极和发射极被导通，out端输出一个高电平，遮挡物移开之后，情况相反。3、晶体振荡电路晶振是晶体振荡器的简称，在电气上它可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络，电工学上这个网络有两个谐振点，以频率的高低分其中较低的频率是串联谐振，较高的频率是并联谐振。AT89C51单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器。引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外晶体谐振器一起构成一个自激振荡器。外接晶体谐振器以及电容C1和C2构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响震荡器频率的高低、震荡器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性。因此，此系统电路的晶体振荡器的值为12MHz，电容应尽可能的选择陶瓷电容，电容值约为30pF。在焊接刷电路板时，晶体振荡器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，更好地保证震荡器稳定和可靠地工作。晶体振荡电路如下图所示：4、复位电路复位电路的基本功能是：在上电或复位过程中，控制CPU的复位状态（这段时间内让CPU保持复位状态，而不是一上电或刚复位完毕就工作，防止CPU发出错误的指令、执行错误操作，也可以提高电磁兼容性能）。无论用户使用哪种类型的单片机,总要涉及到单片机复位电路的设计。而单片机复位电路设计的好坏,直接影响到整个系统工作的可靠性。许多用户在设计完单片机系统,并在实验室调试成功后,在现场却出现了“死机”、“程序走飞”等现象，这主要是单片机的复位电路设计不可靠引起的。单片机在启动时都需要复位，以使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初态开始工作。89系列单片机的复位信号是从RST引脚输入到芯片内的施密特触发器中的。当系统处于正常工作状态时，且振荡器稳定后，如果RST引脚上有一个高电平并维持2个机器周期(24个振荡周期)以上，则CPU就可以响应并将系统复位。单片机系统的复位方式有：手动按钮复位和上电复位。1）手动按钮复位手动按钮复位需要人为在复位输入端RST上加入高电平。一般采用的办法是在RST端和正电源Vcc之间接一个按钮。当人为按下按钮时，则Vcc的+5V电平就会直接加到RST端。由于人的动作再快也会使按钮保持接通达数十毫秒，所以，完全能够满足复位的时间要求。手动按钮复位电路如图1所示：图12）上电复位AT89C51的上电复位电路如图2所示，只要在RST复位输入引脚上接一电容至Vcc端，下接一个电阻到地即可。对于CMOS型单片机，由于在RST端内部有一个下拉电阻，故可将外部电阻去掉，而将外接电容减至1uF。上电复位的工作过程是在加电时，复位电路通过电容加给RST端一个短暂的高电平信号，此高电平信号随着Vcc对电容的充电过程而逐渐回落，即RST端的高电平持续时间取决于电容的充电时间。为了保证系统能够可靠地复位，RST端的高电平信号