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1、.传感器与检测技术结业作业题目：光电传感器的应用专业：电气工程及其自动化姓名：张治中班级：K0313417.专业 .专注.学号：K031341725日期：摘要 ：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置叫做传感器，通常由敏感元件和转换元件组成。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输 、处理 、存储 、显示 、记录和控制等要求。传感器一般由敏感元件、转换元件、基本转换电路三部分组成，组成框图见图1。新技术革命的到来 ，世界开始进入信息时代 。 在利用信息的过程中 ，首先要解决的就是
2、要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径.专业 .专注.与手段 。如今，传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测 、环境保护 、资源调查 、医学诊断 、生物工程 、甚至文物保护等等极其之泛的领域 。 可以毫不夸张地说 ，从茫茫的太空 ，到浩瀚的海洋 ，以至各种复杂的工程系统 ，几乎每一个现代化项目 ，都离不开各种各样的传感器 。图 2光电式传感器 （photoelectric transducer），基于光电效应的传感器 ，在受到可见光照射后即产生光电效，将光信号转换成电信号输出。它除能测量光强之外，还能利用光线的透射 、遮挡 、反射 、干涉等测量多种物理量，
3、如尺寸 、位移、速度 、温度等 ，因而是一种应用极广泛的重要敏感器件。关键词 ：光电传感器 、光电效应 、转速测量1 设计目的转速测量是社会生产和日常生活中重要的测量和控制对象。近年来，由于世界范围内对转速测量合理利用的日益重视，促使转速测量技术的迅速发展，.专业 .专注.各种新型的测量仪表相继问世并越来越多地得到应用 。 进行转速测量的检测控制，可以使用多种传感器 。由于技术保密 ，厂家不会提供详细电路图和源代码，用户很难自行进行二次开发和改进 。针对这种现状 ，使用光电传感器结合STC公司的 STC 89C51 型单片机设计的一种转速测量与控制系统 。 STC 89C51 单片机采用了 C
4、MOS 工艺和高密度非易失性存储器技术 ，而且其输入 / 输出引脚和指令系统都与 MCS-51 兼容，是开发该系统的适合芯片 。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数 m应为 m=Tcf，所以，当测得 m值时，就可算出实际转速值1：N=60m/pTc (r/min)（
5、 1）2.2 转速测量系统组成框图系统由信号预处理电路 、单片机 STC 89C51、系统化 LED 显示模块 、串口数据存储电路和系统软件组成。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；通过对单片机的编程设置可使内部定时器T0 对输入脉冲进行计数 ，这样就能精确地算出加到 T0 引脚的单位时间内检测到的脉冲数 ；设计中转速显示部分采用价格低廉且使用方便的 LED模块，通过相关计算方法计算得到的转速通过 I2C 总线放到 E2 PROM 存储，既节省了所需
6、单片机的口线和外围器件 ，同时也简化了显示部分的软件编程 。系统的原理框图如图 2.1 所示 。.专业 .专注.信 号放大器波形变换波形整形数字存储电路单键盘模块片LED显示机RS232图 2.1 系统的原理框图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 。光电转换部分与单片机的连接框图如图3.2所示 。LED 数码管数码显示译码器计数脉冲传感器整形驱动LM324STC 89C51图 3.2 光电转换部分与单片机的连接框图LM324 是四运放集成电路 ，它采用 14 脚双列直插塑
7、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 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 3.4.专业 .专注.图 3.3 放大器图图 3.4 引脚图由于 LM324 四运放电路具有电源电压范围
8、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 。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 。 如图 3.5 所示是 MULTISIM 进行电路模拟仿真示意图及其模拟仿真结果 。.专业 .专注.图 3.5 电路模拟仿真示意图及其模拟仿真结果电源模块设计电源模块为系统板上其它模块提供
9、5V 电源以及 15V 电源 。电源的设计有分立元件和集成稳压器几种方法 ，目前较常用的是用集成稳压器来设计稳压电源。 常用的集成稳压器有固定式三端稳压器与可调式三端稳压器 。常用可调式集成稳压器有 LM317 系列，它们的输出电压从 1.25V37 伏可调，负端则为 LM337 等。最简的电路外接元件只需一个固定电阻和一只电位器 。其芯片内有过热和安全工作区保护 ，最大输出电流为 1.5A 。系统需要设计两个电源 ，其中5V 电源采用 7805 ，电路原理图如图 3.12 所示 。原理 ：9V 的交流电压输入后经桥堆整流 ，通过 1000 F 的电解电容进行滤波，再经过集成稳压器 7805
10、稳压，C17、 C19 等电容对其进行滤波后 ，最后输出 +5V 电压 。 供系统板上的其它模块使用 。图 3.125V 电源模块电路图15V 电源采用 LM317 与 LM337 设计，其典型电路如图 3.13。 220V 的交流电压经变压器变为 15V 交流电压 ，再经桥堆整流器变为大小变化的直流电压 。 C1 C4 为滤波电容 ，滤除电压中的高频部分 ，使电压趋于稳定的直流电压 。其中 LM317 和 LM337 构成 15V 直流稳压电源的稳压部分 ，确保在其输出端的电压稳定在 1.25V 左右 。D1 D4 对 LM317 和 LM337 具有短路保护作用 。通过对电位器 R3 、R
11、4 的调节来获得所需的电压 ，即 15V 稳定的直流电压 。.专业 .专注.图 3.13 15V 直流稳压电源程序模块设计软件部分由数据处理程序 、按键程序设计 、中断服务子程序 、LED显示程序等几个部分组成 。数据处理完成对各种测量数据的处理 ，如各种数据的计算 、数据格式的转换等。按键程序包括按键防抖动处理、判键及修改项目等 。按键流程图如图 4.1所示。定时器 1 服务子程序设计 ，流程图如图 4.2 所示 。定时器 1 完成定时功能 ，定时 2Oms ，并每隔 20ms 进行一次显示 ，每隔 1 秒读一次计数结果 。单片机对在 1 秒内计数的值进行处理 ，转换成每分钟的速度送显存以便显示 。读 P1口取反后取有效按键位N判断有无键按下Y延迟 10 ms 防抖再读键判断N.专业 .专注.按键是否存在？YNY.图 4.1 按键流程图中断程序开始T1重装初值
