光电转速计课程设计报告

1、山东理工大学光信息科学与技术课程设计说明书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： 指导老师： 设计时间： 2012年下学期 2012年7月1日目录一、系统方案设计31.1 概述31.2 系统方案图3二、工作原理42.1 电动机控制模块设计42.1.1 电机控制系统电路原理42.1.2 控制单元主要元器件的选择52.2光电检测模块设计52.2.1 光电耦合器52.2.2 光电耦合开关72.3 数据处理及显示模块82.3.1 数据处理及显示模块原理82.3.2 主要元器件的介绍9三、实验测试过程及结果113.1 实验过程113

2、.2 实验结果12四、课程设计心得体会12五、参考文献13一、系统方案设计1.1 概述在工业生产和科学实验中，转速的测量是一个很重要的问题。有关测量转子速度的方法有很多，但大部分比较复杂。物体运动的速度可分为线速度和加速度。随着生产过程自动化程度的提高，开发出了各种各样的检测线速度和角速度的方法，如磁电式速度计、光电速度计、测速发动机等。由于光电测量方法灵活多样，可测参数众多，一般情况下又具有非接触、高精度、高分辨率、高可靠性和响应快等优点，加之激光光源、光栅、CCD器件、光导纤维等的相继出现和成功应用，以及电子技术、数字化的智能仪表的迅速发展，使得光电传感器在检测和控制领域得到了广泛的应用。

3、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单片机处理单元放大、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 本转速计系统主要包含电动机控制模块、光电检测模块、数据处理及显示三大模块，通过对信号的采集、A/D转换、信号滤波、整流、稳压、放大等一系列的处理，使其转换为可以被单片机识别处理的高低电平脉冲信号，利用AT89S51单片机以及ICL7109 A/D转换芯片完成对信号的计数及显示处理，使LED数码显示管能够直接显示出电机的转速。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

4、动机的转速与加在电动机两端的电压成正比，电压越高，转速越快。该电路采用电压反馈方式控制电动机的转速，NE555为比较器工作方式，3脚输出电压的占空比受2脚电压的控制，调节W1可以设定电动机的转速。当电动机两端电压增大时，其转速超过设定的转速，此时R1上电压降增大，该压降馈送到NE555的2脚，则3脚输出脉冲电压的占空比减小，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降低，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 控制单元主要元器件的选择 控制单元主要采取了NE555芯片，它属于555系列的计时IC的其中的一种型号，555系列IC的接脚功能及

5、运用都是相容的，只是型号不同的因其价格不同其稳定度、省电、可产生 的振荡频率也不大相同；而555是一个用途很广且相当普遍的计时IC，只需少数的电阻和电容，便可产生数位电路所需的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取该芯片其是因为它具有以下特点：² 只需简单的电阻器、电容器，即可完成特定的振荡延时作用。其延时范围极广，可由几微秒至几小时之久。 ² 它的操作电源范围极大，可与TTL，CMOS等逻辑电路配合，也就是它的输出电平及输入触发电平，均能与这些系列逻辑电路的高、低电平匹配。² 其输出端的供给电流大，可直接推动多种自动控制的负载。

6、78; 它的计时精确度高、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) 光电耦合器件的含义 在工业检测、电信号的传送处理和计算机系统中，常用继电器、脉冲变压器和复杂的电路来实现输入、输出端装置与主机之间的隔离、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，所以它们都不是理想的部件。随着光电技术的发展，70年代以后出现了一种新的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)密封装在一起形成的一个电光电器件，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的传输过程中是用光

7、作为媒介把输入边和输出边的电信号耦合在一起的，在它的线性工作范围内，这种耦合具有线性变化关系。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的。因此，光电耦合器件的电隔离性能、线性传输性能等许多特性都是从“光耦合”这一基本特点中引伸出来的。故有人把光电耦合器件也称为光电隔离器或光电耦合器。这些名称的共同点都是为了突出“光耦合”这一基本特点，这也是它区别于其它器件的根本特征。由于这种器件是一个利用光耦合做成的电信号传输器件所以一般称为光电耦合器件。2）光电耦合器件的特点：² 具有电隔离的功能。它的输入、输出信号间完全没有电路的联系，所以输入和输出回路的电平零位可以任意选择。绝缘电

8、阻高达10101012欧姆，击穿电压高到10025kv，耦合电容小到零点几个皮法。² 信号传输是单向性的，不论脉冲、直流都可以使用。适用于模拟信号和数字信号。² 具有抗干扰和噪声的能力。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。一般可达微秒数量级，甚至纳秒数量级，它可传输的信号频率在直流和10MHz之间。² 使用方便，具有一般固体器件的可靠性，体积小，重量轻，抗震，密封防水，性能稳定，耗电省，成本低。工作温度范围在55+100之间。由于光电耦合器件性能上的优点，使它的发展非常迅速；目

9、前，光电耦合器件在品种上有8类500多种。它已在自动控制、遥控遥测、航空技术，电子计算机和其它光电、电子技术中得到广泛的应用。3）光电耦合器件之所以具有很高的抗干扰能力，主要有下面几个原因：² 光电耦合器件的输入阻抗很低，一般为101k欧姆；而干扰源的内阻一般都根大，一般为1K1M欧姆。按一般分压比的原理来计算，能够馈送到光电耦合器件输入端的干扰噪声就变得很小了。² 由于一般干扰噪声源的内阻都很大，虽然也能供给较大的干扰电压但可供出的能量却很小，只能形成很微弱的电流。而光电耦合器件输入端的发光二极管只有在通过一定的电流时才能发光。因此，即使是电压幅值很高的干扰，由于没有足够

10、的能量，不能使发光二极管发光，从而被它抑制掉了。² 光电耦合器件的输入输出边是用光耦合的，且这种耦合又是在一个密封管壳内进行的，因而不会受到外界光的干扰。² 光电耦合器件的输入输出间的寄生电容很小(一般为0.62pF，绝缘电阻又非常大(一般为10111013欧姆)，因而输出系统内的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，它是利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体有无的。物体不限于金属，所有能反射光线的物体均可被检测。光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的光

11、线的强弱或有无对目标物体进行探测。 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，可检测半透明物体的密度（透光度）。反射式的工作距离被限定在光束的交点附近，以避免背景影响。镜面反射式的反射距离较远，适宜作远距离检测，也可检测透明或半透明物体。本文设计方案使用的是对射式光电开关。 图6 对射式光电开关 图7 光电探测装置 R7为红外发射管的限流电阻，调节W2可以调节发光强弱。R9和W3为光敏器件的负载电阻，调节W2可以调节探测灵敏度。LED用来指示开关状态。光电探测装置如图5所示，沿着电机转盘周围均匀开出6个圆孔，按图5方式放置光电开关调节W1使电机转动，每一个圆孔经过光

12、电开关，光电开关就会探测到一个信号，经过整流稳压放大电路的处理就可以得到一个稳定的脉冲，通过对脉冲频率的测量便可得到电机的转速。图8 光电开关电路图2.3 数据处理及显示模块2.3.1 数据处理及显示模块原理 数据采集，是指从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采集信息的过程。近年来，随着数字化技术的不断发展，数据采集技术也呈现出速度更快、通道更多、数据量更大的发展趋势，该领域正在发生着重要的变化。首先，分布式控制应用场合中的智能数据采集系统正在发展；其次，总线兼容型数据采集插件的数量正在增大，与个人计算机兼容的数据采集系统的数量也在增加，数据采集与控制数据采集已长时间的被认为与数据

13、记录与其它数据收集系统相等同。本设计方案中的数据采集模块，主要完成模拟电压信号和脉冲数测量2种功能。对于模拟电压信号，系统首先通过AD转换将模拟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，则是通过定时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的接口电路2.3.2 主要元器件的介绍1）AT89S51芯片介绍 AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件

14、采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和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主要接口介绍 P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出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口除了作为普通I/O口，还有第二功能： P3.0 RXD（串行输入口） P3.1

15、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定时器的外部计数输入） P3.5 T1（T1定时器的外部计数输入） P3.6 /WR（外部数据存储器的写选通） P3.7 /RD（外部数据存储器的读选通） P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 I/O口作为输入口时有两种工作方式，即所谓的读端口与读引脚。读端口时实际上并不从外部读入数据，而是把端口锁存器的内容读入到内部总线，经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的数据读入到内部总线。89C51的 P0、P1、P2、P3口作为输入时都是准双向口

16、。除了P1口外P0、P2、P3口都还有其他的功能。3）显示单元介绍 显示单元主要采用的是8段显示LED显示器图12 8段LED显示器引脚图13 共阴极接法最常用的一种显示器是由八段条形的LED组成，点亮适当的字段，就可显示出不同的数字。此外，不少七段显示器在下角带有一个圆形的LED作小数点用，这样一共八段，适用于8位的并行系统。图11为共阴极接法，公共阴极接地，当各段阳极的电平为“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引脚的排列。为了在七段LED上显示不同的数字或字符，首先要把数字或字符转换成相应的段码（又称字码），由于电路的接法不同，七段LE

17、D显示器形成的段码也不同，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）01234567890 1 1 1 1 1 10 0 0 0 1 1 01 0 1 1 0 1 11 0 0 1 1 1 11 1 0 0 1 1 01 1 0 1 1 0 11 1 1 1 1 0 10 0 0 0 1 1 11 1 1 1 1 1 11 1 0 0 1 1 13FH06H5BH4FH66H6DH7DH07H7FH6FHAbCdEFP-8（全亮）全灭77H7CH39H5EH79H71H73H40HFFH00H表1 七段LED段码表三、实验测试过

18、程及结果3.1 实验过程1）电机驱动电路输出“M+”“M-”用连线对应接到电动机的“M+”“M-”，对射式光电开关的“L+”“L-”“P+”“P-” 用连线对应接到电路上“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”左旋到底，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收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，观察示波器输出波形，记录频率。调节电机的转速，示波器的产生波形频率越高。如图14所示。4）将示波器的输

19、出波形接入到数据采集单元中，其输出端接入到AT89S51单片机的P1口，在显示模块会显示出当前光电开光探测到的信号的频率，调节W1，不断改变电机转速，显示器会随着改变，最终稳定在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 实验结果图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。若显示器示数为n，则：电动机的转速 (r/s)转盘边缘线速度 (m/s)四、课程设计心得体会 通过这次课程设计，加强了我们动手、思考和解决问题的能力。在整个设计过程中，经常会遇到这样那样的情况，就是心里老想着这样的接法可以行得通，但实际接上电路，总是实现不了，因此耗费在这上面的时间用去很多。本次课程设计也是对以前所学的课本知识的巩固与加强，是对综合运用所学知识能力的考察，自己真正动手去设计电路，才发现自己还有很多东西搞不明白。本次课程设计主要碰到以下几个问题：² 示波器使用问题在以前的实验中一般使用的是数字示波器，可以自动显示出来峰值电压、周期、频率等参数，但此次给出的却是模拟示波器，首先对模拟示波器的操作上存在问题，其次不知道模拟示波该如何读数，一致无法得知探测频率。解决办法：从网上查找有关模拟示波器的使用说明，