1、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 日山东理工大学光信息科学与技术课程设计说明书2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
2、绍 .9三、实验测试过程及结果 .113.1 实验过程 .113.2 实验结果 .12四、课程设计心得体会 .12五、参考文献 .13山东理工大学光信息科学与技术课程设计说明书3一、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、
3、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。1.2 系统方案图图 1 系统方案框图图 2 系统方案实物图光电传感器装置数据采集卡 A/D单片机处理单元放大、整形电路电机调速系统面板控制接口片外存储器显示单元LED山东理工大学光信息科学与技术课程设计说明书4二、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
4、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
5、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R4 6.8kR11R220K C30.1uFD31N4148R3 500R5100KCTL5GND1OUT 3RST4THR6TRIG2 DISC 7VCC8U1NE555N(8)E31uF/25VQ1TIP42CM+M-W110KVCC12R6100k山东理
6、工大学光信息科学与技术课程设计说明书5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： 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。 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。 其输出端的供给电流大，可直接推动多种自动控制的负载。 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
7、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。山东理工大学光信息科学与技术课程设计说明书6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，
8、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： 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。绝缘电阻高达 101010 12欧姆，击穿电压高到 10025kv，耦合电容小到零点几
9、个皮法。 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。 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。 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。 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
10、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： 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。山东理工大学光信息科学与技术课程设计说明书7 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，由于没有足够的能量，不能使发光二极管发光，从而被它抑制掉了。 光电耦合器件的输入输出边是用光耦
11、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。 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 101110 13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
12、，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。光电山东理工大学光信息科学与技术课程设计说明书8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，每一个圆孔经过光电开关，光电开关就会探测
13、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记录与其它数据收集系统相
14、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。R71KR81KR91KR101KR111KR121KL+L-VCC5P+P-D11LEDQ10NPNQ11NPNGNDFW2 W3山东理工大学光信息科学与技术课程设计说明书9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
15、 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T
16、TL 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C430pC530pE110uF R110KEA/VP31X119 X218RESET9RD17 WR16INT012 INT113T014 T115P101 P112P123 P134P145 P156P167 P178P00 39P01 38P02 37P03 36P04 35P05 34P06 33P07 32P20 21P21 22P22 23P23 24P24 25P25 26P26 27P27 28PSEN 29ALE/P 30TXD
17、 11RXD 10VCC40GND20U1 89S51VCCS2SP20P21P22P24P23VCC123456789RP1510 INT0D0D1D2D3D4D5D6D7P25D0D1D7D6D5D4D3D2Y1 6MOSCC2 0.15uC3 0.33uR8 20KR71KR620KVCCC1105VCCMSIGNAL C6103OSCA0A1A2A3A4A5A6A7INT0P20P21P22 RUN/HOLD26 /HBEN19 /LBEN18 STATUS2 B116 B215 B314 B413 B512 B611 B710 B89 POL3 OR4 B125 B116 B107
18、B98 TEST17 GND1CE/LOAD 20MODE 21OSCSEL 24COMON 33INLO 34OSCOUT 23OSCIN 22REFIN- 39REFOUT 29BOSCOUT 25BUF 30AZ 31INT 32SEND 27V- 28REFIN+ 36REFC+ 37REFC- 38INHI 35V+ 40U2ICL7109VCCP26P27未未C2 0.33uC3 0.15u123J4123J51AInput1T1123J6 R8 200K-51133W2 W1100KTXDRXDRST山东理工大学光信息科学与技术课程设计说明书10缘故。P3 口除了作为普通 I/O
19、 口，还有第二功能： P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 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
20、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。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。山东理工大学光信息科学与技术课程设计说明书11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。
21、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 LED 显示器形成的段码也不同，如表 1 所示为七段 LED 段码表。共阴极接法七段状态字符 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
22、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
23、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山东理工大学光信息科学与技术课程设计说明书12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
24、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)/f转盘边缘线速度 (m/s)26vr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： 示波器使用问题山东理工大学光信息科学与技术课程设计说明书1
25、3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，重新学习如何使用示波器。同时也正是这一问题的出现才让我想起来用单片机来直接处理输出脉冲达到数字显示的目的。 脉冲信号输出问题刚开始的多次实验中都一直得不到脉冲信号，我首先考虑是示波器的问题，通过测试，确定示波器是能够正常工作的，其次我检查了电路连接情况，最终将问题定位在光电开关上，由于光电开关的接入引脚处于电机转盘之下，安装不便，很容易造成接触不良的情况
26、，重新安装了光电开关以后问题得到解决。 单片机问题本来希望用自己的单片机开发板设计电路编程来实现对脉冲的计数，但由于所输出脉冲电压较低，所用单片机不能识别到，必须加上放大电路，由于缺少硬件和自己运用知识能力的欠缺和时间的原因，只好暂时放弃，采用试验平台自带的数据采集模块。虽然整个过程充满曲折，也遇到很多问题，还有一些知道现在也没有解决，但这让我看清了自己薄弱的地方，重新解读了“实践是检验真理的唯一标准”和“百闻不如一见，眼观不如实践”的道理。无论如何收获还是很多的，结果也还不错，同时积累了宝贵的经验。五、参考文献1 张晓乡. 89C51 单片机实用教程M.北京：电子工业出版社，2010.82于歆杰, 朱桂萍, 陆文娟.电路原理.北京:清华大学出版社,20073林红 周鑫霞.模拟电路基础.北京:清华大学出版社,20074 武汉光驰.光电技术创新实训平台实验指导书 V11.05 李菊叶 纪留利.光电测速装置的设计.海南大学学报(自然科学版),2012.36 高岳 王霞等 光电检测技术与系统(第 2 版).北京：电子工业出版社,2009
