1、单位代码 01 学 号 090119012 分 类 号 TN79.1 密 级 毕 业 设 计 说 明 书奔跑速度检测系统电路设计院 （ 系 ） 名 称 信 息 工 程 学 院专 业 名 称 测 控 技 术 与 仪 器学 生 姓 名 指 导 教 师 2013 年 5 月 10 日黄河科技学院毕业设计说明书 第 I 页奔跑速度检测系统电路设计摘 要随着信息技术的不断发展，单片机在测量系统中得到了广泛的应用。速度是一个系统经常需要测量、控制和保持的量，速度是否达到要求，决定着生产及工业过程是否产生相应的效果。速度的测量方法有许多种，但在不同的应用环境下，相应的测量方法有它自己的特点和误差。因此对单片
2、机速度测量系统的研究有着重要的目的和意义。本设计采用AT89C51 单片机作为主要控制核心，应用光电传感器采集信号，经过单片机定时计数并运用一个算法测量出奔跑物体的行驶速度，最终用 4 位 LED 数码管显示其测量结果，硬件电路简单，软件功能完善，测量速度快、精度高，成本低等特点，充分发挥了单片机的控制功能，与所学知识紧密结合，学以致用，有很高的的使用价值。关键词：单片机，速度测量，光电传感器，LED黄河科技学院毕业设计说明书 第 II 页Running Speed Measurement System DesignAuthor: Li qinhaiTutor:Yang quanjiuAbst
3、ractWith the continuous development of information technology, single-chip microcomputer has been widely used in the measurement system. Speed is a systems often need to measure, control and maintain, Speed whether meet the requirements, determine the production and industrial processes produce corr
4、esponding results.Speed measurement method has many kinds, but in different application environment, the corresponding measurement method has its own characteristics and error. So the study of microcontroller velocity measurement system has important purpose and meaning. This design USES AT89C51 as
5、the main control core, using photoelectric sensors to collect signal, through single chip microcomputer timer counter and use an algorithm to measure the car speed, eventually with four LED digital tube display the measurement results, has high practical value. This article is give full play to the
6、advantages of the performance of the single chip microcomputer, introduces the basic principle of the speed measuring method, implementation steps and the hardware and software design, hardware circuit is simple, software function is perfect, fast measurement speed, high precision, low cost etc.Key
7、words: single chip microcomputer; Velocity measurement; Photoelectric sensor; The LED黄河科技学院毕业设计说明书 第 III 页目 录1 绪论 .11.1 奔跑速度检测系统的发展背景及现状 .11.2 本课题的目的和意义 .21.3 本课题设计的主要内容 .32 奔跑速度检测系统原理 .43 系统方案提出和论证 .54 系统的硬件设计 .54.1 光电传感器介绍 .54.1.1 光电传感器工作原理 .54.1.2 光电传感器 .54.1.3 光电传感器的类型及工作方式 .54.1.4 PM12 光电传感器 .5
8、4.2 信号处理电路的设计 .54.3 单片机 AT89C51 介绍 .54.4 最小系统的设计 .54.4.1 复位电路 .54.4.2 晶振电路 .54.5 LED 显示部分电路设计 .54.5.1 LED 基本结构 .54.5.2 LED 显示器的选择 .54.5.3 LED 译码方式 .54.5.4 LED 显示器与单片机接口设计 .55 系统软件设计 .55.1 主程序初始化 .5黄河科技学院毕业设计说明书 第 IV 页5.2 主程序流程图程序流程图 .5总结 .5致谢 .5参考文献 .5附录 .5附录 A 系统总电路图 .5附录 B 系统总程序清单 .5黄河科技学院毕业设计说明书
9、第 1 页1 绪论1.1 奔跑速度检测系统的发展背景及现状从人类开始研究物体运动，速度就成为人们测量的对象。随着科学技术的不断发展，测量速度的科技手段也在日新月异，为人类的研究自然带来更大的自由。速度是物理学中的一个重要的概念。在运动学中速度是描述物体运动快慢的物理量，定义为位移随着时间的变化率。通过对平均速度和瞬时速度的测定，可以了解物体的运动状态和运动规律。在传统的测速方法中，多基于对奔跑物体电机的转速进行测量，并由一定的公式转换出奔跑物体的速度，这里面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
10、)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 1，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 2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。本课题中采用技术成熟的光电传感器来直接测量奔跑物体的奔跑速度，采用光电传感器进行奔跑速度测
11、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，具有广阔的应用前景。速度测量目前主要运用在汽车行业，如今的汽车工业正是朝着智能化，数字化发展，人们享受速度所带来的高效率同时，却要面对安全的巨大阴影，甚至有些人对汽车产生恐惧，在高速行驶的汽车上，什么事情都有可能发生。超速，简言之，速度的控制成为汽车智能化控制的关键，真正的“主动型安全装置” 应该是对速度的检测，据说英法两国已经研究出一种电子仪器，能够接收速度检测信号，从而使汽车保持在一定的安全速度之下，已经成功地运用在一些家庭轿车和出租车上。在 20 世纪 60 年代，汽车上仅有机油压力传感器、油量传感器和水温传感器，它黄河
12、科技学院毕业设计说明书 第 2 页们与仪表或指示灯连接。进入 70 年代后，为了治理排放，又增加了一些传感器来帮助控制汽车的动力系统，因为同期出现的催化转换器、电子点火和燃油喷射装置需要这些传感器来维持一定的空燃比以控制排放。目前见到的许多关于汽车车速与控制类文献中，以研究无刷直流电机较多，采用光电式传感器电机的重要元件。霍尔传感器的车速检测装置由 CD 板控制 3，能够做出电机加速，减速的动作，还能够精确测速电机的转速，来控制电机的工作情况等多种功能。在 2004 年上海大众智能设备有限公司也推出一种汽车智能速度检测系统，管理者可以用事先设定的方法强制约束汽车只能在规定的速度范围内行驶。它由
13、微电脑控制仪和智能机械手两部分组成。可以通过微电脑控制仪来事先设定速度，比如在高架上，先设定最高速度为 60 公里。当汽车不超过 60 公里/ 小时，控制仪不启动机械手，司机驾车如常，当汽车速度接近 60 公里时，控制仪的微电脑立即启动机械手对汽车的油门踩杆准确地强制地提升 45 厘米。当你想继续加速时，由于油门位置被限制，你无法踩动，使汽车速度被控制汽车由于惯性速度保持在临界值。当惯性过去，汽车速度小于 60 公里临界值时，控制仪即指令机械手放松汽车油门，这时驾驶员又可以踩下油门加速，汽车又驾驶如初。设置控制仪的限制值，可以用程序设定也可以用 IC 卡设；可以只设定一个值，也可以根据不同的路
14、况，有多个档位供设定；还可以接受信号切换设定（即接受道路速度无线信号切换或电子地图信号切换） 。该产品控制车速灵敏精确，速度误差小于 5控速时汽车行驶平稳，乘客不易察觉。汽车智能速度控制器的安装十分巧妙，除了机械手的钢丝位置固定在油门踩板上以外，机械手和控制仪可以隐蔽安装而且做到不打洞安装。该产品的开发成功，为建立自动化道路速度检测控制系统奠定了基础。目前，速度检测系统已经在汽车行业得到广泛应用，预计今后的智能控制系统会朝着更可靠、性能更稳定、更高端的方向发展。1.2 本课题的目的和意义在工业发展过程中，经常会遇到各种需要测量的速度的场合，例如在汽车、机床、传送机等设备运转和控制中，需要分时或
15、连续的测量和显示其速度及瞬时速度情况。随着社会机械工业发展的趋势，对速度检测要求的精度越来越高，很多方面，奔跑速度的精确检测，关系到一系列系统的工业设计，所以这就需要设计一套奔跑速度检测黄河科技学院毕业设计说明书 第 3 页系统。要测速，首先要解决信号采样的问题，采样效果的好坏关系到后续显示及控制，光电传感器由于其精度高、反应快、非接触性等优点，所以本课题设计中的中间环节就是光电式传感电路的设计；本课题主要采用嵌入式技术，由单片机和探测、信号采集、模数转换、数据存储、数据显示、与通信等环节组成的电路构成整个光电传感电路系统。1.3 本课题设计的主要内容本设计主要内容由以下三大部分组成：1、信号
16、的采集。这部分主要是用光电传感器采集奔跑物体的信号，并将采集的信号传给单片机。2、单片机数据处理 4。这部分主要是使用 51 系列单片机采用适当的算法来编程快速准确地对采集的数据进行相关运算并得出结果。此部分是本设计的重点和难点。3、LED 数字显示。这部分主要是对测得的结果通过 4 位 LED 数码管显示给用户。本奔跑速检测系统有以下几个部分构成，如图 1.1 奔跑速度测量系统方框图所示。图 1.1 速度检测系统方框图本系统的硬件主要由光电传感器、信号处理电路、单片机 AT89C51、LED 显示等组成。如图 1.1，当奔跑物体通过光电传感器的时候，将会产生脉冲电信号，然后把信号送入三极管放
17、大电路及 CC40106 芯片整形电路进行处理，将处理过的信号传给单片机，通过对单片机进行编程、运算，最后通过数码管显示其数值。光电传感器 信号调理电路 单片机 显示奔跑物体黄河科技学院毕业设计说明书 第 4 页2 奔跑速度检测系统原理本系统中，两对光电对射管布置在奔跑物体通过的路径上，当奔跑物体经过光电管 Q1，Q2 时，则挡住了光线，光电管 Q1，Q2 产生一个上升或下降沿，以光电管 Q1的上升沿或下降沿作为单片机计数器的启动脉冲，启动计时器开始计时，光电管 Q2 的上升沿或下降沿作为单片机计数器的停止脉冲，计数器停止计时（本设计为高电平触发） 。此时，得到计数器的计时值 n。将值 n 传
18、送处理中心，已知单片机的机器周期为T，可通过编程 5计算出奔跑物体在定距离 S 内的平均速度 V，为 V=S/nT 其中 S 为两个对射型光电管之间的距离。如图 2.1 所示奔跑物体光敏电阻单片机定时器启动 定时器停止发光二极管 Q2发光二极管 Q1光敏电阻图 2.1 奔跑速度测量系统原理图黄河科技学院毕业设计说明书 第 5 页3 系统方案提出和论证目前科研生产中采用的速度测量方法可以分为两类：直接测量法和间接测量法两大类。直接测量法是通过某种测量原理或效应直接获得速度量，如多普勒测速仪、空间滤波测速等。这种方法最大的优点是反应快、可测量瞬时速度，但设备成本高，且易受外围环境的影响，比如大气物
19、理环境限制。间接测量法是测量目标的移动距离和时间，通过计算得到速度量，如光电测速、光栅测速、磁栅测速和图像测速等，用于测量奔跑物体的速度。本课题设计中采用间接测量法，并提出两种方案：方案一以 AT89C516为核心的计数电路，使用 AT89C51 单片机，电路简单需要编写程序，可通过编程实现各种各样的算术算法和逻辑控制，而且体积小，硬件实现简单，安装方便，可实现数码显示和按键设定等多种功能。采用对射型光电传感器，将红外发光管与光电接收管相对安放，每当物体通过一次，红外光就被遮挡一次，光电接收管的输出电压就发生一次变化，这个变化的信号通过放大处理后形成计数脉冲，通过光电隔离耦合并行输入 AT89
20、C51，通过软件控制计算并用 LED 加以显示，便可实现对奔跑物体速度的测量。方案二以 CD4518 为核心的计数电路，采用 CD4518 组成 8421 同步十进制计数器，其计数是由光检测和接收电路检测到信号在传送到脉冲发生器 CD4518，由 D4518 转化成电信号然后在分别传送到各个二十进制计数器 BCD 码，由 BCD 码七段译码器转换至数码管 LED，而电源部分是由 220 V 交流电经变压器 T 降压、桥式整流、电容滤波、7809 稳压后为整个电路提供+5V 稳压工作电压。方案选择：选用方案一是因为方案二在控制方式上难以实现复杂的控制过程，而且在其计数显示部分就需要几个芯片，还需要采用 CD4543 驱动 LED 的配接电路，而方案一的基于 AT89C51 单片机电路简单，其软硬件实现起来较为容易，而且可实现多种功能。
