1、 課程設計說明書成績題 目 基于光電傳感器的轉速測量系統(tǒng)設計 課 程 名 稱 電力電子技術課程設計 院（系、部、中心） 專 業(yè) 電氣工程及其自動化 班 級 學 生 姓 名 學 號 設 計 時 間 2013. 6.3 6.14 設 計 地 點 工程實踐中心8315 指 導 教 師 課程設計任務書 課 程 名 稱 檢測技術與系統(tǒng)課程設計 院（系、部、中心） 電力工程學院 專 業(yè) 電氣工程及其自動化 班 級 電氣101 起 止 日 期 4 指 導 教 師 許大宇 1課程設計應達到的目的通過對本課程的設計，使學生掌握常見被測量的檢測原理、方法和技術，了解國內外對這些工程量進行測控的系

2、統(tǒng)組建原理，通過對檢測系統(tǒng)的設計與分析，增強學生理解和運用所學知識來解決實際問題的能力,逐步掌握根據(jù)具體測控要求、性能指標設計出先進測控系統(tǒng)的方法和技術。2課程設計題目及要求題目：基于接近傳感器的轉速測量系統(tǒng)設計要求：（1）性能指標：測速范圍：03000RPM，測量精度：0.5RPM；（2）根據(jù)題意，明確測速系統(tǒng)性能指標及系統(tǒng)能完成的功能；（3）根據(jù)系統(tǒng)要求，選擇合適的傳感器（盡量選擇實驗室中已有的傳感器）；（4）設計傳感器測量電路；（5）選擇單片機的品種、型號，設計單片機的外圍測量電路；（6）計算有關的電路參數(shù)，有條件的情況下，根據(jù)實驗室現(xiàn)有設備進行實驗數(shù)據(jù)的測取，明確測量電路輸出與被測非電

3、量的關系；（7）畫出系統(tǒng)原理框圖（此部分放在說明書的開始）；（8）畫出系統(tǒng)電路圖，最好用PROTEL畫；（9）在說明書中詳細說明本系統(tǒng)工作原理。3課程設計任務及工作量的要求包括課程設計計算說明書、圖紙、實物樣品等要求(1) 給出設計說明書一份；(2) 有條件的情況下盡量給出必要的實驗數(shù)據(jù)；(3) 在說明書中附上完整的系統(tǒng)電路原理圖（手畫或用PROTEL畫）。4主要參考文獻1、 李現(xiàn)明，吳皓編著.自動檢測技術.北京：機械工業(yè)出版社，20092、 徐仁貴.單片微型計算機應用技術.北京：機械工業(yè)出版社.20013、 陳愛弟.Protel99實用培訓教程.北京：人民郵電出版社.20005課程設計進度安

4、排起 止 日 期工 作 內 容13年6月4日布置設計任務，熟悉課題，查找資料；13年6月5日結合測控對象，選擇合適的傳感器，理解傳感器性能；13年6月6日設計傳感器測量電路，選擇合適的單片機，設計其外圍電路；13年6月7日設計電路參數(shù)，有條件情況下，在實驗室進行實驗，進一步理解測量電路輸入輸出關系；13年6月8日繼續(xù)設計論證電路參數(shù)，完善系統(tǒng)設計方案；13年 6月 9日查找資料，理解系統(tǒng)各部分工作原理；13年 6月 10日理清系統(tǒng)說明要點，著手設計說明書的書寫；13年 6月 11日書寫設計說明書，充分理解系統(tǒng)每一部分作用；13年 6月 12日完善設計說明書，準備設計答辯。13年 6月 14日設

5、計答辯。6成績考核辦法平時表現(xiàn)30%，設計成果40%，答辯表現(xiàn)30%.教研室審查意見：教研室主任簽字： 年 月 日院（系、部、中心）意見：主管領導簽字： 年 月 日目 錄二、課程設計正文 1、光電傳感器的應用概述 2、系統(tǒng)工作原理及方案 （1）系統(tǒng)框圖 （2）光電傳感器原理(3)轉速測量原理 3、系統(tǒng)硬件電路設計 （1）光電轉換及信號調理電路 （2）脈沖產生電路設計 4、系統(tǒng)軟件電路設計 （1）AT89C52基本性能及最小系統(tǒng) （2）系統(tǒng)軟件程序設計（3）系統(tǒng)仿真結果 5、課程設計總結 6、主要參考文獻 7、附錄1.概述轉速測量系統(tǒng)的發(fā)展背景 隨著超大規(guī)模集成電路技術提高，尤其是單片機應用技術

6、以其功能強大，價格低廉的顯著特點，使全數(shù)字化測量轉速系統(tǒng)得以廣泛應用。由于單片機在測量轉速方面具有體積小、性能強、成本低的特點，越來越受到企業(yè)用戶的青睞。本設計課題的目的和意義 在工程實踐中，經常會遇到各種需要測量轉速的場合， 例如在發(fā)動機、電動機等旋轉設備的試驗、運轉和控制中，常需要分時或連續(xù)測量和顯示其轉速及瞬時轉速。要測速，首先要解決是采樣問題。本課程設計使用單片機AT89C52采樣信號。因此轉速的測試具有重要的意義。2.系統(tǒng)工作原理及方案 1.系統(tǒng)框圖系統(tǒng)由傳感器檢測單元、信號調理放大電路，單片機AT89C52、LED顯示模塊、系統(tǒng)軟件組成。其中信號調理電路包含信號放大、波形變換和波形

7、整形。對待測信號進行放大的目的是降低對待測信號的幅度要求；波形變換和波形整形電路則用來將放大的信號轉換成可與單片機匹配的TTL信號；通過對單片機的編程設置可使內部定時器T0對輸入脈沖進行計數(shù)，這樣就能精確地算出加到T0引腳的單位時間內檢測到的脈沖數(shù)；系統(tǒng)的原理框圖如下所示。2.光電傳感器的原理檢測原理光電傳感器是利用光電轉換原理，來檢測機械量轉速的傳感元件，將光源發(fā)出的光調制成與轉速相關的光信號，再轉換成電信號，通過檢測信號頻率或狀態(tài)圖形來測量轉速。光電光轉速傳感器主要由光源，調制盤，光電轉換元件三個部分組成。電檢測方法具有精度高、反應快、非接觸等優(yōu)點，而且可測參數(shù)多，傳感器的結構簡單，形式靈

8、活多樣。光電傳感器一般可以分為兩大類：直射式、反射式。基本的原理就是當發(fā)射管光照射到接收管時，接收管導通，反之關斷。脈沖發(fā)生源的硬件結構圖如圖所示。圖1脈沖發(fā)生源硬件結構圖（左為正視圖，右為側視圖）直射式光電轉速計的工作原理如圖1和圖2，被測轉軸上裝有調制盤，調制盤是帶孔或者帶齒的圓盤，帶孔的如圖1，帶齒的如圖3，調制盤的一邊放置光源，另一邊放置光電元件。調制盤隨軸轉動，當光線通過小孔或齒縫時，光電元件就發(fā)生一個電脈沖。轉軸連續(xù)轉動，光電元件就輸出一列與轉速及調制盤上的孔（或齒）數(shù)成正比。電脈沖輸入測量電路后經放大整形，再送入頻率計技術現(xiàn)實。 圖2光電傳感器的原理圖 圖3遮光葉片轉速測量原理一

9、般的轉速長期測量系統(tǒng)是預先在軸上安裝一個有60 齒的測速齒盤，當測速齒槽旋轉一周，光敏元件就能感受與開孔數(shù)相等次數(shù)的光次數(shù)，即每轉一周產生60個電脈沖信號。臨時性轉速測量系統(tǒng)，多采用光電傳感器，從轉軸上預先粘貼的一個標志上獲得一轉一個轉速脈沖，隨后利用電子倍頻器和測頻方法實現(xiàn)轉速測量。不論長期或臨時轉速測量，都可以在微處理器的參與下，通過測量轉軸上預留的一轉一齒的鑒相信號或光電信號的周期，換算出轉軸的頻率或轉速。即通過速度傳感器，將轉速信號變?yōu)殡娒}沖，利用微機在單位時間內對脈沖進行計數(shù)，再經過軟件計算獲得轉速數(shù)據(jù)。 即:n=N/ (mT) n 轉速、單位:轉/ 分鐘;N 采樣時間內所計脈沖個數(shù)

10、;T采樣時間、單位:分鐘;m 每旋轉一周所產生的脈沖個數(shù)(通常指測速碼盤的齒數(shù)) 。通常m=60， 那么1 秒鐘內脈沖個數(shù)N就是轉速n， 即: n=N/ (mT) =N/601/60=N3.系統(tǒng)硬件電路的設計系統(tǒng)硬件部分包含輸入模塊、顯示模塊、控制模塊、測速模塊等。在硬件搭建前，先通過Proteus Pro 7.5進行硬件仿真實現(xiàn)。光電轉換及信號調理設計由于系統(tǒng)需要將光信號轉換為電信號，因而需要使用光電傳感器并設計相應的信號調理電路，以得到符合要求的脈沖信號，送給單片機AT89C52進行計數(shù)，同時得到計數(shù)的時間，由單片機進行相關計算以得到電動機轉速。傳感器將電機的轉速信號轉變成了電脈沖信號，該

11、信號經過LM358集成運放整形驅動，送到單片機進行脈沖計數(shù)，從而測出電動機轉速。介紹一下LM358,：LM358里面包括有兩個高增益、獨立的、內部頻率補償?shù)碾p運放，適用于電壓范圍很寬的單電源，而且也適用于雙電源工作方式，它的應用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運放的地方使用。光電轉換部分與單片機的連接框圖如圖所示脈沖產生電路設計由于proteus不能仿真光電傳感器，則用一個方波代替光電傳感器的將光信號轉換成電信號的輸出。如圖發(fā)現(xiàn)，方波電壓的幅值已經被放大，將這個信號輸入單片機中作脈沖計數(shù)。4.系統(tǒng)軟件電路設計AT89C52基本性能單片機我們選用AT89C52（引腳

12、圖如下）AT89C52是一個低電壓，高性能CMOS 8位單片機，片內含8k bytes的可反復擦寫的Flash只讀程序存儲器和256 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)，片內置通用8位中央 處理器和Flash存儲單元，功能強大的AT89C52單片機可為您提供許多較復雜系統(tǒng)控制應用場合。 AT89C52有40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時內含2個外中斷口，3個16位可編程定時計數(shù)器,2個全雙工串行通信口，2 個讀寫口線，AT89C52可以按照常規(guī)方法進行編程，也可以在線編程。其將通用的

13、微處理器和Flash存儲器結合在一起，特別是可反復擦寫的 Flash存儲器可有效地降低開發(fā)成本。AT89C52引腳圖 單片機最小系統(tǒng)單片機最小系統(tǒng)包括時鐘電路和復位電路。單片機工作時，從取指令到譯碼再進行微操作，必須在時鐘信號控制下才能有序地進行，時鐘電路就是為單片機工作提供基本時鐘的。單片機的時鐘信號通常有兩種產生方式：內部時鐘方式和外部時鐘方式。內部時鐘方式的原理電路如下圖所示。在單片機XTAL1和XTAL2引腳上跨接上一個晶振和兩個穩(wěn)頻電容，可以與單片機片內的電路構成一個穩(wěn)定的自激振蕩器。外接電容的作用是對振蕩器進行頻率微調，使振蕩信號頻率與晶振頻率一致，同時起到穩(wěn)定頻率的作用，一般選用

14、2030pF的瓷片電容。復位電路是利用電容充電來實現(xiàn)復位。在電源接通瞬間，RST引腳上的電位是高電平（Vcc），電源接通后對電容進行快速充電，隨著充電的進行，RST引腳上的電位也會逐漸下降為低電平。最小系統(tǒng)如圖所示顯示電路設計led數(shù)碼管（LED Segment Displays）是由多個發(fā)光二極管封裝在一起組成“8”字型的器件，引線已在內部連接完成，只需引出它們的各個筆劃，公共電極。led數(shù)碼管常用段數(shù)一般為7段有的另加一個小數(shù)點，led數(shù)碼管根據(jù)LED的接法不同分為共陰和共陽兩類，了解LED的這些特性，對編程是很重要的，因為不同類型的數(shù)碼管，除了它們的硬件電路有差異外，編程方法也是不同的。

15、共陰和共陽極數(shù)碼管，它們的發(fā)光原理是一樣的，只是它們的電源極性不同而已。內部電路如下：點亮LED顯示器有兩種方式：一是靜態(tài)顯示，二是動態(tài)顯示。動態(tài)顯示，就一位一位地輪流點亮各位顯示器（掃描），對于每一位顯示器來說，每隔一段時間點亮一次。顯示器的亮度既與導通電流有關，也與點亮時間和間隔時間的比例有關。調整電流和時間參數(shù)，可實現(xiàn)亮度較高較穩(wěn)定的顯示。本文采用4位LED動態(tài)顯示電路如圖圖6 4位動態(tài)LED顯示電路根據(jù)設計的復位、晶振、顯示電路電路，我們做了一張總電路圖。程序設計方案本系統(tǒng)采用89C52中T0定時器和T1計數(shù)器配合使用對轉速脈沖定時計數(shù)。計數(shù)器T1工作于計數(shù)狀態(tài)對外部脈沖進行計數(shù)；TO

16、工作為定時器方式每次定時50ms，采用60次中斷，即在計數(shù)器T1在3秒鐘內對外部脈沖進行計數(shù)，然后根據(jù)3秒鐘內的計數(shù)值推算出。（1）定時/計數(shù)器的初始化定時/計數(shù)器的方式控制字TMOD，TMOD是一個不可按位尋址的特殊功能寄存器，其高四位專供T1作計數(shù)用，低四位供T0作定時用。（1） 定時/計數(shù)器的啟動方式為GATE=0，用軟件設置使TOCN中的運行控制位TR0和TR1為1，就可以啟動T0和T1，稱為軟啟動。（2） C/T: 定時/計數(shù)器方式選擇位，C/T =0時作定時器用。C/T=1作計數(shù)器用。（3） M1M0工作方式選擇位，這里 我們選M1M0=01，方式一，作16位定時/計數(shù)器用。綜上所

17、述，我們給TMOD應賦給二進制的B，是十六進制的0x51。TMOD=0x51.TMOD寄存器如下表：對定時器T0與計數(shù)器T1的初始化程序如下timer_init() /初始化子程序 EA=1; /開中斷總允許ET0=1; /開定時器T0中斷允許ET1=1; /開計數(shù)器T1中斷允許TMOD=0X51; /TMOD=BTH0=(65535-50000)/256; /初值的高位。定時器一個機器周期加1，一次中斷為50ms對應50000個機器周期（振蕩頻率為12MHZ）TL0=(65535-50000)%256; /初值的低位TH1=0; /T1作計數(shù)器用，初值定為0x00TL1=0;TR0=1; /

18、軟啟動方式TR1=1;（2）定時器中斷程序中斷部分要對單片機產生的中斷次數(shù)計數(shù)，定時器每次觸發(fā)中斷需要的時間為50ms，我們需要單片機在3秒鐘內對脈沖計數(shù)，所以要對中斷計數(shù)60次。中斷程序要給TH0，TL0賦初值，同時要開啟定時器T0。定時器中斷程序void timer0() interrupt 1 n+;TR0=0; /T0停止工作TR1=0;TH0=(65535-50000)/256; /賦初值TL0=(65535-50000)%256;if(n=60) /若n自加到60則停止計數(shù)，一次中斷50ms則60次中斷就為3smm=0;mm|=TH1;mm=(mm8)|TL1;TH1=0; /賦初

19、值0TL1=0; n=0; /n從頭開始自加TR0=1; /T0開始工作TR1=1;顯示部分程序本系統(tǒng)采用動態(tài)數(shù)碼管顯示，所以程序如下：xian_shi() uchar qian,bei,shi,ge; /定義個十百千四個無符號整形參數(shù)uint jj;jj=mm;jj=jj/3; qian=jj/1000; /將個十百千位對應的數(shù)分別找出來bei=jj%1000/100;shi=jj%100/10;ge=jj%10;P2=0x10; /數(shù)碼管的段選，如接線圖P2.4=1，則左起第一個數(shù)碼管顯示P0=tableqian; /將千位的值所對應的十六進制碼點來亮該數(shù)碼管的中的八個小二極管delay(

20、1); /作延時P2=0x20; /段選，則左起第二個數(shù)碼管顯示P0=tablebei; /將百位的值所對應的十六進制碼來點亮該數(shù)碼管的中的八個小二極管delay(1); /延時P2=0x40;P0=tableshi; /十位delay(1);P2=0x80;P0=tablege; /個位delay(1);5.仿真及結果我們這里給單片機P3.5外接一個脈沖信號，來模擬關電開關給單片機的信號。仿真時，設置脈沖頻率為700，如圖所示，顯示電路的數(shù)碼管上顯示700。 設置脈沖頻率為3000，如上圖所示，顯示電路的數(shù)碼管上顯示3000。6.參考文獻1李現(xiàn)明，吳皓編著.自動檢測技術.北京：機械工業(yè)出版社

21、，20092徐仁貴.單片微型計算機應用技術.北京：機械工業(yè)出版社.20013. 陳愛弟.Protel99實用培訓教程.北京：人民郵電出版社.20017.附錄總的電路圖設計總系統(tǒng)程序單片機總體程序如下：#include#define uchar unsigned char/宏定義#define uint unsigned intuint mm=0; /定義參變量uchar n;uchar code table=0xc0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90;/定義編碼表，給數(shù)碼管復制delay(uint m) /子程序調用，作延時用 uint

22、i,j;for(i=m;i0;i-)/i每加1，j經過60次自加for(j=60;j0;j-);xian_shi() uchar qian,bei,shi,ge; /定義個十百千四個無符號整形參數(shù)uint jj;jj=mm;jj=jj/3;qian=jj/1000; /將個十百千位對應的數(shù)分別找出來bei=jj%1000/100;shi=jj%100/10;ge=jj%10;P2=0x10; /數(shù)碼管的段選，如接線圖中，P2.4=1，則左起第一個數(shù)碼管顯示P0=tableqian; /將千位的值所對應的十六進制碼點來亮該數(shù)碼管的中的八個小二極管delay(1); /作延時P2=0x20; /段選，P2.5=1則左起第二個數(shù)碼管顯示P0=tablebei; /將百位的值所對應的十六進制碼來點亮該數(shù)碼管的中的八個小二極管delay(1); /作延時P2=0x40;P0=tableshi; /顯示十位的數(shù)delay(1);P2=0x80;P0=tablege; /顯示個位的數(shù)delay(1);timer_init() /中斷初始化子程序 EA=1; /開中斷總允許ET0=1; /開定時器T0中斷允許ET1=1; /開計數(shù)器T1中斷允許TMOD=0X51