传感器课设基于LabVIEW的光电传感器测转速

传感器课设基于LabVIEW的光电传感器测转速 基于LabVIEW和光电式传感器的转速检测与控制设计 摘 要:转速是发动机重要的工作参数之一,也是其它参数计算的重要依据。目前常用的转速测量方法有离心式转速表测速法、测速发电机测速法、光电码盘测速法和霍尔元件测速法等。在对各种测速方法进行分析后提出了基于光电传感器的转速测量系统。详细分析了系统的组成及工作原理，给出了系统中各硬件模块设计方法，给出了部分程序流程图。该测速系统安装维护方便，工作稳定，运行可靠，具有较大的推广应用价值。 关键词 :光电转速传感器，转速测量，数据处理 - - 0 目 录 1 相关背景和简介 3 2 系统组成及工作原理 3 2.1转速测量原理 4 2.2转速测量系统组成框图 4 2.3 设计思路 5 3 系统硬件电路的设计 5 3.1 脉冲产生电路设计 5 3.2传感器接口电路设计 6 3.3 光电转换及信号调理电路设计 7 3.3.1 光电传感器简介 7 3.3.2 光电转换及信号调理电路设计 9 4 硬件构造 10 5 LabVIEW虚拟仪器转速测量的实现 11 5.1 前面板 12 5.2 程序框图 13 - - 1 6 结果 13 6.1 硬件设备及连接 13 6.2 设备运行及测量显示 14 7 小结 15参考文献 16 - - 2 1相关背景和简介 目前国内外测量电机转速的方法很多，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，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，使得光电传感器在检测和控制领域得到了广泛的应用。而采用光电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 - - 3 应用前景。 2 系统组成及工作原理 2.1 转速测量原理 在此采用频率测量法，其测量原理为，在固定的测量时间内，计取转速传感器产生的脉冲个数，从而算出实际转速。设固定的测量时间为Tc(min)，计数器计取的脉冲个数m，假定脉冲发生器每转输出p个脉冲，对应被测转速为N(r/min)，则f=pN/60Hz;另在测量时间Tc内，计取转速传感器输出的脉冲个 [1]数m应为 m=Tcf ，所以，当测得m值时，就可算出实际转速值: N=60m/pTc (r/min) (2-1) 2.2 转速测量系统组成框图 系统由信号预处理电路,示波器组成。其中信号预处理电路包含信号放大、波形变换和波形整形。对待测信号进行放大的目的是降低对待测信号的幅度要求;波形变换和波形整形电路则用来将放大的信号转换成可与单片机匹配的TTL信号;通过示波器来显示转速的快慢变化。系统的原理框图如图2.2所示。 - - 4 放大器 信 号 波形变换 示波器 波形整形 图2.2 系统的原理框图 2.3 设计思路 (1) 利用光电传感器做电机转速的信号拾取元件，在电机的转轴 上安装一个圆盘，在圆盘上挖6小洞，小洞上下分别对应着 光发射和光接受开关，圆盘转动一圈即光电管导通6次，利 用此信号做为脉冲计数所需。 (2) 对光电开关信号整流放大 (3) 利用示波器检测光电传感器输出，由矩形脉冲波形可直观的 显示出转盘转速快慢 3 系统硬件电路的设计 3.1 脉冲产生电路设计 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为高电平，从而形成一个脉冲。系统在光电传感器收发端间加入电动机，并在电动机的转轴上安装一转盘。在这个转盘的边沿处挖出若干个圆形过孔，把传感器的检测部分放在圆孔的圆心位置。每当转盘随着后轮旋转的时候，传感器将向外输出若干个脉冲。 转盘的圆孔的个数决定了测量的精度，个数越多，精度越高。这样就可以在单位时间内尽可能多地得到脉冲数，从而避免了因为两个过孔之 - - 5 间的距离过大，而正好在过孔之间或者是在下个过孔之前停止了，造成较大的误差。设计中转盘的圆孔的实际个数受到技术的限制。为了达到预定的效果设计在转盘过孔的设计上采用6个过孔，从而留下了5个同等的间距。如图3.1所示。 图3.1脉冲发生源硬件结构图(左为正视图，右为侧视图) 3.2传感器接口电路设计 传感器接口电路如图3.2.1: VCC R1R21K4K7 施密特A光电开关管12 40106 图3.2.1传感器接口电路图 电路核心由一个光电开关管组成，平时电机转轮静止，发光二极管所发出的光被轮子挡住，所以接收管处于截止状态，1端为高电平。当电机转动一圈，会使接收管导通一次，1端输出一个低电平，1端波形为图3.2.2所示: - - 6 图3.2.2波形图 在实际电机工作状态中，会受到各方面的干扰，波形会存在许多杂波成分，需要对波形进行处理，处理成符合记计数器所需要的矩型波。 波形处理电路有一个施密特触发器组成。当输入电压逐步升高时，致使VI>施密特上VT+，内部触发器发生翻转。当VI逐步下降时，致使VIVT-。所以只要VIVT+电路就稳定在高电平，这样就有效的防止了杂波的干扰，并使输出得到矩形脉冲，符合了下级计数的需求。典型的施密特其工作波形如图3.2.3所示: 图3.2.3典型的施密特其工作波形 3.3 光电转换及信号调理电路设计 由于系统需要将光信号转换为电信号，因而需要使用光电传感器并设计相应的信号调理电路，以得到符合要求的脉冲信号，由示波器进行检测。 3.3.1 光电传感器简介 光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。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 - - 7 结构简单，形式灵活多样，因此，光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。 由光通量对光电元件的作用原理不同所制成的光学测控系统是多种多样的，按光电元件(光学测控系统)输出量性质可分二类，即模拟式光电传感器和脉冲(开关)式光电传感器。模拟式光电传感器是将被测量转换成连续变化的光电流，它与被测量间呈单值关系。模拟式光电传感器按被测量(检测目标物体)方法可分为透射(吸收)式、漫反射式、遮光式(光束阻档)三大类。所谓透射式是指被测物体放在光路中，恒光源发出的光能量穿过被测物，部份被吸收后，透射光投射到光电元件上;所谓漫反射式是指恒光源发出的光投射到被测物上，再从被测物体表面反射后投射到光电元件上;所谓遮光式是指当光源发出的光通量经被测物光遮其中一部份，使投射刭光电元件上的光通量改变，改变的程度与被测物体在光路位置有关。 光源是许多光电传感器的重要组成部分，要使光电传感器很好地工作，除了合理选用光电元件外，还必须配备合适的光源。 发光二极管是一种把电能转变成光能的半导体器件。它具有体积小、功耗低、寿命长、响应快、机械强度高等优点，并能和集成电路相匹配。因此，广泛地用于计算机、仪器仪表和自动控制设备中。 钨丝灯泡是一种最常用的光源，它具有丰富的红外线。如果选用的光电元件对红外光敏感，构成传感器时可加滤色片将钨丝灯泡的可见光滤除，而仅用它的红外线做光源，这样，可有效防止其他光线的干扰。 激光与普通光线相比具有能量高度集中，方向性好，频率单纯、相干性好等优点，是很理想的光源。 综上所述，各种光源各具优点，但从经济与使用便利方面考虑，并考虑到抗干扰性能，我们决定选用红外光二极管做系统测量的光源。 由光源、光学通路和光电器件组成的光电传感器在用于光电检测时，还必须配备适当的信号调理电路。这些信号调理电路负责将光电传感器输 - - 8 出的微弱的光电信号进行放大、整形，转换成所单片机定时计数所需要的脉冲信号。不同的光电元件，所要求的测量电路也不相同，为此设计时必须详加考虑。 3.3.2 光电转换及信号调理电路设计 传感器将电机的转速信号转变成了电脉冲信号，该信号经过LM324集成运放整形驱动，送到单片机进行脉冲计数，从而测出电动机转速。 LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，外形如图所示。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器， 除电源共用外，四组运放相互独立。每一组运算放大器可用图3.3.2.1所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-(-)为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反;Vi+(+)为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。LM324的引脚排列见图3.3.2.2 图3.3.2.1放大器图 图3.3.2.2 引脚图 由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中。 本设计

计划

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采用高性能集成四运放LM324来进行光电信号调理电路设计。电路采用两级放大电路对脉冲信号进行放大，防止信号脉冲太小以至对实验结果不产生影响。此外，还设计了有源带通滤波器。 - - 9 为了达到预定效果，对系统运用MULTISIM 8进行模拟仿真，并利用模拟仿真结果对有关元器件进行参数设定，以使电路满足要求。 4硬件构造 光电式转速传感器安装于电机转盘的左方，光电式转速传感器有反射型和透射型两种，本实验装置是透射型的，传感器端部有发光管和光电管，发光管发出的光源通过转盘上开的孔透射后由光电二极管接受转换成电信号，由于转盘上有相间的6个孔，转动时将获得与转速及孔数有关的脉冲，将电脉冲计数处理即可得到转速值。如图4.1 图4.1 转速测速示意图 被测物理量经过传感器变换后，由光电传感器输出接口输出脉冲电信号，由示波器进行检测，直观的显示出电机转动快慢情况。 - - 10 5 LabVIEW虚拟仪器转速测量的实现 虚拟仪器的起源可以追溯到20世纪70年代，那时计算机测控系统在国防、航天等领域已经有了相当的发展。PC机出现以后，仪器级的计算机化成为可能，甚至在 Microsoft公司的 Windows 诞生之前，NI公司已经在Macintosh计算机上推出了LabVIEW2.0 以前的版本。对虚拟仪器和 LabVIEW 长期、系统、有效的研究开发使得该公司成为业界公认的权威。目前LabVIEW 的最新版本为 LabVIEW2011，LabVIEW 2009 为多线程功能添加了更多特性，这种特性在 1998 年的版本 5 中被初次引入。使用 LabVIEW 软件，用户可以借助于它提供的软件环境，该环境由于其数据流编程特性、LabVIEW Real-Time 工具对嵌入式平台开发的多核支持，以及自上而下的为多核而设计的软件层次，是进行并行编程的首选。 LABVIEW最初就是为测试测量而设计的，因而测试测量也就是现在LABVIEW最广泛的应用领域。经过多年的发展，LABVIEW在测试测量领域获得了广泛的承认。至今，大多数主流的测试仪器、数据采集设备都拥有专门的LabVIEW驱动程序，使用LabVIEW可 - - 11 以非常便捷的控制这些硬件设备。同时，用户也可以十分方便地找到各种适用于测试测量领域的LabVIEW工具包。这些工具包几乎覆盖了用户所需的所有功能，用户在这些工具包的基础上再开发程序就容易多了。有时甚至于只需简单地调用几个工具包中的函数，就可以组成一个完整的测试测量应用程序。 5.1 前面板 前面板实现对转速测量的直观显示 - - 12 5.2 程序框图 通过程序框图实现程序功能 6结果 6.1 硬件设备及连接 硬件由光电传感器、试验箱、试验台、示波器构成，如图6.1、 6.2 - - 13 图6.1 硬件连接图 图6.2 硬件连接图(示波器) 6.2 设备运行及测量显示 如图6.3 光电传感器工作，输出测量电信号 图6.3光电传感器工作，输出测量电信号 - - 14 示波器检测测量系统输出的信号，并以一定频率的矩形波显示，如图6.4、6.5 6.4检测到的波形 6.5检测到的波形 7 小结 通过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关传感器设计方面的知识，在设计过程中虽然遇到了一些问题，但这是多专业知识以及专业技能上的提升，同时又是一门讲道课，一门辩思课，给了我许多道，给了我很多思，给了我莫大的空间。同时，设计让我感触很深。使我对抽象的理论有了具体的认识。通过这次课程设计，我掌握了光电传感器传感器的原理。 - - 15 当你用心的去做一件事的时候，这件事就不会轻易的用不知对错的结果去应付你，就像你不会去拿这样的态度去对待他，做一件事和想一件事也不会是一样，如果当时我只是停留在第一天的空想，我就不会在编程和仿真的过程中发现和改正那么多的错误。实践之所以高于理论，或许正是因为它为我们提供了更多犯错误和改正错误的机会吧。 本次设计把理论应用到了实践中，同时通过设计，也加深了自己对理论知识的理解和掌握，在解决困难的过程中，获得了许多专业方面的知识,拓展了视野。提高了理论水平和实际的动手能力，学会了解决问题的方法，激发了我们的探索精神。这样的课程设计是很好的锻炼机会,通过实验设计使我深入了解到课程设计在大学学习的重要性，课程设计增强了我们的实践动手能力，也为大四后学期的毕业设计提供了宝贵的经验。 参考文献 [1]彭介华.电子技术课程设计指导[M] 湖南大学:高等教育出版社，1999 [2]王锍银.脉冲与数字电路.北京:高等教育出版社，2000 [3]蒋换文.电子测量.北京:中国计量出版社，2003 [4]康华光.电子技术基础.数字部分(第四版).北京:高等教育出版社，2000 [5]郭振芹.非电量电测量.北京:中国计量出版社，1984 [6]常建生.检测与转换技术.北京:机械工业出版社，1981 [7]张锡富.传感器.北京:机械工业出版社，2001 - - 16 - - 17