光电传感器测速

光电传感器测速 摘要 ............................................................................................................................................. 1 1 绪论 ........................................................................................................................................ 2 1.1 课题背景 ......................................................................................................................... 2 1.2 国内外发展情况............................................................................................................... 2 1.3 本论文的研究内容 ........................................................................................................... 3 2 系统 ................................................................................................................................... 4 3 硬件设计 ................................................................................................................................... 5 3.1 信号采集及其处理单元 .................................................................................................... 5 1.1 转速测量原理......................................................................................................... 6 3. 3.1.2 检测装置安装......................................................................................................... 6 3.1.3 信号处理电路......................................................................................................... 6 3.1.4 光电开关有以下几种类型 ....................................................................................... 7 3.2主控单元 .......................................................................................................................... 8 3.2.1 时钟电路................................................................................................................ 9 3.2.2 复位电路.............................................................................................................. 10 3.3 显示单元 ........................................................................................................................11 3.3.1 LCD原理...............................................................................................................11 3.3.2 液晶显示模块电路................................................................................................ 13 4 软件设计 ................................................................................................................................. 13 1 语言的选用.................................................................................................................... 13 4. 4.2 程序设计流程图............................................................................................................. 14 5 系统仿真与电路调试 ............................................................................................................... 16 5.1 系统仿真 ....................................................................................................................... 16 5.1.1 程序编译.............................................................................................................. 16 5.1.2 电路仿真.............................................................................................................. 17 6参考文献.................................................................................................................................. 18 摘要 本文设计了一种基于AT89S52单片机的光电开关转速测量系统。该系统采用对射式 光电开关产生与齿轮相对应的脉冲信号，使用AT89S52单片机采样脉冲信号并计算每分 钟内脉冲信号的数目，即电机对应的转速值，最终系统通过1602LCD液晶显示屏实时显 示电机的转速值。经过仿真测试和软硬件系统的搭建，本系统满足设计要求，且结构简 单、实用。系统在降低测速器成本，提高测速稳定性及可靠性等方面有一定价值，具有 广泛的应用前景。 关键词:转速测量，单片机，光电开关 1 1 绪论 1.1 课题背景 一种量大面广的产品，广泛应用于国民经济的各个行业中。而电机的生产王国正在由日本转移到中国，尤其是浙江温州和广东珠三角地区。广东省佛山市顺德区就有大大小小的电机生产厂家上百家，每年生产上亿台电机，同时顺德有许多家电生产厂家，家电中也要大量用到电机，不管是电机生产厂家，还是将电机作为它们的产品中的零部件的厂家，要将它们的产品打到国际市场上，迫切需要IS09002认证，IS09002要求生产产品所用的零部件以及最终的产品都要经过本单位的质量检测，也就是说，在顺德，每年要检测几亿个电机，对电机的测试仪的需求非常迫切。电机测试的参数主要有:效率、功率因数、定子输入电流、转矩、转速等，本课题主要研究转速的测量。 1.2 国内外发展情况 转速是各类电机运行中的一个重要物理量，如何准确、快速而又方便地测量电机转速，极为重要。目前国内外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、闪光测速法、光电码盘测速法和霍尔元件测速法。 (1)离心式转速表测速法 离心式转速表是利用离心原理制成的测速仪表，可以直接读出转速。测转速时，转速表的端头要插入电机转轴的中心孔内，插入前，应注意清除中心孔中的油污，并使转速表的轴与电机的轴保持同心，不可上下左右偏斜，否则易将表轴扭坏，并影响准确读数，而且转速表要间歇使用，以减少磨损和发热。如果要改变量程，还要将转速表取出停转后再改变量程[2]。 (2) 测速发电机测速法 测速发电机测转速时，测速发电机连接到被测电机的轴端，将被测电机的机械转速变换为电压信号输出E=CeFn，在输出端接一个刻度以转速为单位的电压表，即可读出转速。 (3) 闪光测速法 闪光测速法是利用可调脉冲频率的专用电源施加于闪光灯上，将闪光灯的灯光照到电机转动部分(可在电机端轴上粘贴一张标记纸片)，当调整脉冲频率使黑色扇形片静止不动时，此时脉冲的频率是与电机转动的转速是同步的。若脉冲频率为f，则电机的转速为n=60f(r,min) 。 2 (4) 光电码盘测速法 光电码盘测速法是通过测出转速信号的频率或周期来测量电机转速的一种无接触测速法。光电码盘安装在转子端轴上，随着电机的转动，光电码盘也跟着一起转动，如果有一个固定光源照射在码盘上，则可利用光敏元件来接收到的光的次数就是码盘的编码数[6]。若编码数为60，测量时间为t，测量到的脉冲数为N，则n=N/t。 (5) 霍尔元件测速法 霍尔元件测速法是利用霍尔开关元件测转速的。霍尔开关元件内含稳压电路、霍尔电势发生器、放大器、施密特触发器和输出电路。输出电平与TTL电平兼容，在电机转轴上装一个圆盘，圆盘上装若干对小磁钢，小磁钢越多，分辨率越高，霍尔开关固定在小磁钢附近，当电机转动时，每当一个小磁钢转过霍尔开关，霍尔开关便输出一个脉冲，计算出单位时间的脉冲数，即可确定旋转体的转速。 在这五种测速方法中，离心式转速表测速法和测速发电机测速法所用的都是现成的测速仪表，容易得到。但转速表或测速机都要与电机同轴连接，一方面增加了电机机组安装难度，另一方面有些微电机功率很小，转速表或测速机消耗的功率占了微电机大部分，更有甚者微电机甚至拖不动这些仪表，所以对微特电机的测速，这二种方法不适用。霍尔元件测速法和光电码盘测速法的测速方法基本类似，都是在转轴上装一个很轻巧的传感器，将电机的转动信号通过磁(霍尔元件)或光(光电码盘)转换为电脉冲，从而通过计算电脉冲的个数来测速。闪光测速法目前实际应用不广泛，主要是光源的问题。本课题研究的是其中的光电码盘测速法。 1.3 本论文的研究内容 本文针对电机的转速进行测量，以单片机为核心对光电开关产生的数字信号进行运算，从而测得电机的转速，然后用1602LCD液晶显示屏把电机的转速显示出来。即通过光电开关将电机的转数转换成0，1的数字量，只要转轴每旋转一周，产生一个或固定的多个脉冲，并将脉冲送入单片机中进行计数和计算，就可获得转速的信息。 3 2 系统设计 系统主要由AT89S52单片机处理系统、电机、传感器检测单元、信号处理单元和显示系统等几个部分组成，如图1: 信号采集及其处理 转动系统 显示电路 单片机处理电路 图1 系统组成框图 (1)转动系统 本设计中采用对射式光电传感器测量电机转速。当不透光的物体挡住发射与接收之间的间隙时，开关管关断，反之打开。 测装置按照发动机上传感器的实际安装位置进行安装。将信号盘固定在电动机转轴上，光电转速传感器正对着信号盘。测量头由光电转速传感器组成，而且测量头两端的距离与信号盘的距离相等。测量用器件封装后，固定装在贴近信号盘的位置，当信号盘 4 转动时，光电元件即可输出正负交替的周期性脉冲信号。信号盘旋转一周产生的脉冲数，等于其上的齿数。因此，脉冲信号的频率大小就反映了信号盘转速的高低。该装置的优点是输出信号的幅值与转速无关，而且可测转速范围大，一般为1r/s,104 r/s以上，精确度高。 (2)信号采集及其处理:被测物理量经过传感器变换后，变为电阻、电流、电压、电感等某种电参数的变化值。为了进行信号的分析、处理、显示和记录，须对信号作放大、运算、分析等处理，这就引入了中间变化电路。 (3)单片机处理电路:用于测量转速的脉冲输入单片机，用AT89S52的定时计数器T1对脉冲信号进行计数，用定时计数器T0进行定时，每10ms产生一个中断对1602LCD液晶显示屏进行刷新，产生100个中断后(即5s)，进行一次转速处理，再通过单片机对T1的脉冲数进行运算转换后，用1602LCD液晶显示屏显示电机的转速。 (4)显示电路 系统通过1602LCD液晶显示屏实时显示电机的转速值。 3 硬件设计 硬件设计电路图如附录1所示。本系统分为信号采集与处理单元，主控单元以及显示单元三大部分。 3.1 信号采集及其处理单元 本设计中采用对射式光电传感器测量电机转速。当不透光的物体挡住发射与接收之间的间隙时，三极管导通，反之截止。可以制作一个遮光叶片如图2(b)所示，安装在电机转轴上，当叶片转动时，光电开关产生脉冲信号。当叶片数较多时，旋转一周可以获得多个脉冲信号。 假设系统采用10个叶片，在一秒钟的内产生了100脉冲，则电机的转速就为10r/s。 (b)转盘 5 3.1.1 转速测量原理 本设计采用频率测量法，其测量原理为，在固定的测量时间内，计取转速传感器发生的脉冲个数(即频率)，从而算出实际转速。设固定的测量时间(min)，计数器T 计取的脉冲个数1，假定脉冲发生器每转输出个脉冲，对应被测转速为(r/min)，mpN就可算出实际转速值N = 60m1/ pT。 3.1.2 检测装置安装 此检测装置按照发动机上传感器的实际安装位置进行安装。如图3，将信号盘固定在电动机转轴上，光电转速传感器正对着信号盘。光电转速传感器接有4根导线，用于连接发光二极管和光敏三极管，其中发光二极管的红线连接其正极，绿线连接其负极，光敏三级管的红线连接其集电极，绿线连接其发射极。测量头由光电转速传感器组成，而且测量头两端的距离与信号盘的距离相等。测量用器件封装后，固定装在贴近信号盘的位置，当信号盘转动时，光电元件即可输出正负交替的周期性脉冲信号。信号盘旋转一周产生的脉冲数，等于其上的齿数。因此，脉冲信号的频率大小就反映了信号盘转速的高低。该装置的优点是输出信号的幅值与转速无关，而且可测转速范围大，一般为1r/s,104 r/s以上，精确度高。 图3 转速检测装置 3.1.3 信号处理电路 被测物理量经过传感器变换后，变为电阻、电流、电压、电感等某种电参数的变化值。为了进行信号的分析、处理、显示和记录，须对信号作放大、运算、分析等处理， 6 这就引入了中间变化电路。根据系统需要设计了如图4所示的中间变换电路。RV2用于调节灵敏度，无光下光敏电阻很大(大约是12K)，三极管导通，P3.4输出高电平。有光时三极管截止，P3.4输出低电平。 图4 电路图 目前，光电开关已被用作物位检测、液位控制、产品计数、宽度判别、速度检测、定长剪切、孔洞识别、信号延时、自动门传感、色标检出、冲床和剪切机以及安全防护等诸多领域。此外，利用红外线的隐蔽性，还可在银行、仓库、商店、办公室以及其它需要的场合作为防盗警戒之用。 光电开关把发射端和接收端之间光的强弱变化转化为电流的变化以达到探测的目的。由于光电开关输出回路和输入回路是电隔离的(即电缘绝)，所以它可以在许多场合得到应用。光电传感器具有线性度好、分辨率高、噪音小和精度高、无触点、无机械碰撞、响应快、控制精度高，而且能识别色标等优点，在此我们选择光电转速传感器来进行转速的检测。 3.1.4 光电开关有以下几种类型 (1)漫反射式光电开关:它是一种集发射器和接收器于一体的传感器，当有被检 7 测物体经过时，物体将光电开关发射器发射的足够量的光线反射到接收器，于是光电开关就产生了开关信号。当被检测物体的表面光亮或其反光率极高时，漫反射式的光电开关是首选的检测模式 (2)镜反射式光电开关:它亦集发射器与接收器于一体，光电开关发射器发出的光线经过反射镜反射回接收器，当被检测物体经过且完全阻断光线时，光电开关就产生了检测开关信号。 (3)对射式光电开关:它包含了在结构上相互分离且光轴相对放置的发射器和接收器，发射器发出的光线直接进入接收器，当被检测物体经过发射器和接收器之间且阻断光线时，光电开关就产生了开关信号。当检测物体为不透明时，对射式光电开关是最合适的检测装置。 (4)槽式光电开关:它通常采用的U字型结构，其发射器和接收器分别位于U型槽的两边，并形成一光轴，当被检测物体经过U型槽且阻断光轴时，光电开关就产生了开关量信号。槽式光电开关比较适合检测高速运动的物体，并且它能分辨透明与半透明物体,使用安全可靠。 (5)光纤式光电开关:它采用塑料或玻璃光纤传感器来引导光线，可以对距离远的被检测物体进行检测。通常光纤传感器分为对射式和漫反射式。 本课题中使用的光电开关是根据光敏二极管工作原理制造的一种感应接收光强度变化的器件，当它发出的光被目标反射或阻断时，则接收器感应出相应的电信号。它包含调制光源，由光敏元件等组成的光学系统、放大器、开关或模拟量输出装置，其工作原理如图5所示。光电式传感器由独立且相对放置的光发射器和收光器组成。当目标通过光发射器和收光器之间并阻断光线时，传感器输出信号。它是效率最高、最可靠的检测装置。槽形(U形)光电开关是对射式的变形，其优点是无须调整光轴。 图5 光电传感器原理图 3.2主控单元 如下图所示，X1为12MHz的晶振，9口为复位接口，通过开关控制。用于测量转速的脉冲通过P3.5/T1输入单片机，用AT89S52的定时计数器T1对脉冲信号进行计数， 8 用定时计数器T0进行定时，每10ms产生一个中断对1602LCD液晶显示屏进行刷新，产生100个中断后(即1s)，进行一次转速处理，再通过单片机对T1的脉冲数进行运算转换后，用1602LCD液晶显示屏显示电机的转速。如图8所示: 图8 AT89S52单片机处理电路 3.2.1 时钟电路 单片机各功能部件的运行都是以时钟控制信号为基准，有条不紊地一拍一拍地工作。因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。本设计中此采用内部时钟方式，如图9所示，以石英晶体振荡器和两个片电容组成外部振荡源。片内的高增益反相放大器通过XTAL1、XTAL2外接，作为反馈元件的片外晶体振荡器与电容组成的并联谐振回路构成一个自激振荡器，向内部时钟电路提供振荡时钟。振荡器的频率取决于晶振的振荡频率，振荡频率范围为1.2—12MHz。工程应用时通常采用6MHz或12MHz。图中X1为12MHz，电容C2、C4为33pF，它们一起构成此单片机的自激振荡器。 9 图9 时钟电路连接图 3.2.2 复位电路 单片机的RST引脚为复位(Reset)端。当单片机振荡器工作时，该引脚上出现持续两个机器周期的低电平，就可以实现系统复位，使单片机回到初始状态。如图10所示，本设计采用手动复位，用一个电容与一个10K电阻串联组成，电阻接VCC，电容接地，RESET脚接在它们中间，RC选择10uF，按键与200R电阻串联，在电容两端并联，就成了按键复位电路，未上电时，RST端为高电平，只要按下这个按键，RST端转换为低电平，经过两个机器周期后，单片机就能复位。 图10 AT89S52单片机处理电路 10 3.3 显示单元 3.3.1 LCD原理 各种图形的显示原理 线段的显示:点阵图形式液晶由M×N个显示单元组成，假设LCD显示屏有64行，每行有128列，每8列对应1字节的8位，即每行由16字节，共16×8=128个点组成，屏上64×16个显示单元与显示RAM区1024字节相对应，每一字节的内容和显示屏上相应位置的亮暗对应。例如屏的第一行的亮暗由RAM区的000H——00FH的16字节的内容决定，当(000H)=FFH时，则屏幕的左上角显示一条短亮线，长度为8个点;当(3FFH)=FFH时，则屏幕的右下角显示一条短亮线;当(000H)=FFH，(001H)=00H，(002H)=00H，„„(00EH)=00H，(00FH)=00H时，则在屏幕的顶部显示一条由8段亮线和8条暗线组成的虚线。这就是LCD显示的基本原理。 字符的显示:LCD显示一个字符时比较复杂，因为一个字符由6×8或8×8点阵组成，既要找到和显示屏幕上某几个位置对应的显示RAM区的8字节，还要使每字节的不同位为“1”，其它的为“0”，为“1”的点亮，为“0”的不亮。这样一来就组成某个字符。但由于内带字符发生器的控制器来说，显示字符就比较简单了，可以让控制器工作在文本方式，根据在LCD上开始显示的行列号及每行的列数找出显示RAM对应的地址，设立光标，在此送上该字符对应的代码即可。 汉字的显示:字的显示一般采用图形的方式，事先从微机中提取要显示的汉字的点阵码(一般用字模提取软件)，每个汉字占32B，分左右两半，各占16B，左边为1、3、5„„右边为2、4、6„„根据在LCD上开始显示的行列号及每行的列数可找出显示RAM对应的地址，设立光标，送上要显示的汉字的第一字节，光标位置加1，送第二个字节，换行按列对齐，送第三个字节„„直到32B显示完就可以LCD上得到一个完整汉字 。 本设计选用了1602型LCD。字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模块。下面以1602字符型液晶显示器为例，介绍其用法。一般1602字符型液晶显示器实物如图。 11 图12 1602LCD的基本参数及引脚功能 1602LCD分为带背光和不带背光两种，基控制器大部分为HD44780，带背光的比不带背光的厚，是否带背光在应用中并无差别，两者尺寸差别如下图。 12 图13 1602LCD分为带背光和不带背光 3.3.2 液晶显示模块电路 图14是液晶模块LCD1602与单片机的接口电路。液晶模块的1脚和2脚分别接入电源的地和电源。7--14脚分别接单片机的8个P0口接单。4号引脚接P1.2，使能端6号引脚接P1.0，是读取还是写入信号，是传输数据还是将指令由单片机内部程序作用实现。3脚通过一个10K可调电阻接地，使得LCD的显示的对比度适中，防止由于对比度过高产生“鬼影”。 图14 1602液晶显示模块电路原理图 4 软件设计 4.1 语言的选用 本设计中采用的处理器是AT89S52单片机，由此可采用面向MCS-51的程序设计语言，包括ASM51汇编语言和C51高级语言，这两种语言各有特点。汇编语言更接近机器 13 语言，常用来编制与系统硬件相关的程序，如访问I/O端口、中断处理程序、实时控制程序、实时通信程序等;而数学运算程序则适合用C51高级语言编写，因为用高级语言编写运算程序可提高编程效率和应用程序的可靠性。 C语言是一种通用的计算机程序设计语言，在国际上十分流行，它即可用来编写计算机系统程序，也可以用来编写一般的应用程序。以前计算机的系统软件主要是用汇编语言编写的，对于单片机应用系统来说更是如此。由于汇编语言程序的可读性和可移植性都较差，采用汇编语言编写单片机应用程序的周期长，而且调试和排错也比较困难。C语言具有很好的可移植性和硬件控制能力，表达和运算能力也较强。它具有以下特点: 1( 语言简洁，使用方便灵活。 2( 可移植性好。 3( 表达能力强。 4( 表达方式灵活。 5( 可进行架构化程序设计。 6( 可以直接操作计算机硬件。 7( 生成的目标代码质量高。 为了提高编制计算机系统和应用程序的效率，改善程序的可读性和可移植性，在此采用高级语言编程。 4.2 程序设计流程图 本系统用计数程序采集信号脉冲，用定时器产生中断，对1602LCD液晶显示屏刷新和缓冲区数据进行更新，辅以1602LCD液晶显示屏进行显示。计数程序流程如图15;定时显示程序流程如图16。 开始 初始化计数器T1 计数脉冲 Flag_clac=1, 14 N 按: 转速=60*脉冲数/(齿轮数*T) 计算数据 数据缓冲区 图15 脉冲计数程序流程图 程序说明:将定时器设置为方式1，对外部脉冲进行计数，并判断Flag_clac的值。 当Flag_calc=1时，将脉冲的数值由十六进制转换成十进制，按转速转换公式转换后， 载入数据缓冲区。 开始 初始化 定时 数据缓冲区 N 10ms, Y 产生定时中断 显示 时间计数 时间计数T++ 清零T=0 15 T=500, 图16 定时显示程序流程图 程序说明:定时器设置为方式1，定时10ms。当定时达到10ms时，产生中断，对1602LCD液晶显示屏进行刷新，显示转速，并使时间计数标志T加1。当时间计数标志T=500时，使Flag_calc置1，取出计数器在此时间内计算的脉冲数，通过转速计算程序计算得出转速值后，存入数据缓冲区，供1602LCD液晶显示屏显示使用。 5 系统仿真与电路调试 5.1 系统仿真 系统结合Keil uVersion3.0和伟福进行编译，通过Proteus来仿真。 5.1.1 程序编译 与以往的80C51单片机不同，AT89S52具有在线调试和下载功能，它由支持AT89S52的开发工具包Keil uVersion2.0开发系统来提供。也就是说，在用户系统保留AT89S52的情况下，通过开发系统与AT89S52的串行接口通信，直接对用户系统进行调试，并在调试完成后将调试好的程序下载到AT89S52中。Keil uVersion3.0开发系统提供四项功能:编译、下载、调试和模拟，分别由Keil uVersion2.0提供的编译器、在线串行下载器、调试器和模拟器来实现。Keil uVersion2.0编译器可在Windows操作系统下直接使用，编译C语言源程序，并生成16进制文件和列表文件。调试器采用Windows系统，允许用户使用AT89S52的UART串行接口在芯片上调试代码执行。在典型调试对话中，调试器提供对片内所有外围设备的访问、单步和设置断点的代码执行控制方式。模拟器采用Windows系统，能完全模拟AT89S52的所有功能。模拟器使用简单，结合了许多标 准调试特征，包括多断点、单步以及代码执行跟踪等能力。 16 同样伟福仿真器是国内较好的仿真器之一，它能够仿真的CPU品种多、功能强。通过更换仿真头POD，可以对不同的CPU进行仿真。可仿真51系列，196系列，PIC系列，飞利蒲公司的552、LPC764、DALLAS320，华邦438等51增强型CPU。由于伟福编译过程没有Keil uVersion2.0那么繁琐，能对程序进行直接编译，省去了建立和设置工程等步骤，使用方便、快捷。所以本设计以Keil uVersion2.0为基础，运用伟福来编译程序。 5.1.2 电路仿真 仿真部分运用Proteus仿真软件来实现，Proteus 软件是一款强大的单片机仿真软件，它除了具有和其他工具一样的原理编辑、印制电路板(PCB)自动或人工布线及电路仿真外，最大的特色是其电路仿真是交互的、可视化的。对于单片机学习和开发帮助极大。Proteus ISIS 是英国Lab center 公司开发的电路分析与实物仿真软件。它运行于Windows操作系统上，可以仿真、分析(SPICE)各种模拟器件和数字集成电路，包括单片机。 通过Proteus可以绘制硬件原理图，并设置元件参数;为单片机及其程序以及外部接口电路的仿真提供可能，验证设计的可行性与合理性。 17 6参考文献 [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]张克农.《数字电子技术基础》.北京:高等教育出版社，2003 [5]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 [6]何金茂.《数字电子技术导论》.北京:高等教育出版社，1998 [7]郭振芹.《非电量电测量》.北京:中国计量出版社，1984 [8]常建生.《检测与转换技术》.北京:机械工业出版社，1981 [9]张锡富.《传感器》.北京:机械工业出版社，2001 18 19