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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：指导教师：设计时间：2021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 实验结果12四、课程设计心得体会12五、参考文献1
2、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，但大局部比拟复杂。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开展，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 系统方案图片外存储器电机调速系统面板控制接口光电
3、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上下电平脉冲信号，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电机控制系统电路原理 以下列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
4、路采用电压反响方式控制电动机的转速，NE555为比拟器工作方式，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 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
5、率也不大一样；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。其延时围极广，可由几微秒至几小时之久。 它的操作电源围极大，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。 其输出端的供应电流大，可直接推动多种自动控制的负载。 它的计时准确度高、温度稳定度佳，且价格廉价。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、
6、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。随着光电技术的开展，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，如以下列图所示。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，在它的线性工作围，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
7、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根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根本特点，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10101012欧姆，击穿电压高到10025kv，耦合电容小到零点几个皮法。 信号传输是单向性的，不管脉冲、直流都可以使用。适用于模拟信号和数字信号。
8、 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，本钱低。工作温度围在55+100之间。由于光电耦合器件性能上的优点，使它的开展非常迅速；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
9、入阻抗很低，一般为101k欧姆；而干扰源的阻一般都根大，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。 由于一般干扰噪声源的阻都很大，虽然也能供应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合的，且这种耦合又是在一个密封管壳进展的，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
10、10111013欧姆)，因而输出系统的各种干扰噪音很难通过光电耦合器件反响到输入系统中去。 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展探测。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，以防止背景影响。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
11、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，
12、随着数字化技术的不断开展，数据采集技术也呈现出速度更快、通道更多、数据量更大的开展趋势，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开展；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。
13、图9单片机89S51与AD转换芯片ICL7109的接口电路 主要元器件的介绍1AT89S51芯片介绍AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片含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引脚构造，芯片集成了通用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1089S51引脚图图11 AT89S51芯片 289S51主要接口介绍P3口：P3口管脚是8个带部
14、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 R*D串行输入口 P3.1 T*D串行输出口 P3.2 /INT0外部中断0 P3.3 /INT1外部中断1 P3.4 T0T0定时器的外部计数输入 P3.5 T1T1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
15、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容读入到部总线，经过*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。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
