SHANDONG UNIVERSITY TECHNOLOGY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日目录一、系统方案设计 311 概述 312 系统方案图 3二、工作原理 421 电动机控制模块设计 421.1 电机控制系统电路原理 421.2 控制单元主要元器件的选择 422 光电检测模块设计 52.21 光电耦合器 522 光电耦合开关 723 数据处理及显示模块 82.31 数据处理及显示模块原理 822 主要元器件的介绍 9三、实验测试过程及结果 1131 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、 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。
12系统方案图图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高低电平脉冲信号，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1 电动机控制模块设计21 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21.2 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2.21光电耦合器1）光电耦合器件的含义在工业检测、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.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,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1010〜1012欧 姆，击穿电压高到100〜25kv，耦合电容小到零点几个皮法.◊ 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一55°C〜+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5 0 0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：◊ 光电耦合器件的输入阻抗很低，一般为10〜1k欧姆；而干扰源的内阻一 般都根大，一般为1K〜1M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06—2pF,绝 缘电阻又非常大（一般为1011〜1013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.22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，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.VCCR62OK510AO CA1~CA2 VA3~ A4~A5~A6 7A7-8"U1P10P11P12P13P14P15P16P1789S51VCC^INTO 12INTIINTOT1TOEA/VPXIX2__15,14VCc311ST 9El lOuFRESETRDRXDTXDALE/P 339 DO38 D137 D236 D335 D434 D533 D632 D721 P2O22 P2123 P2224 P2325 P2426 P2527 P2628 P27未用1O RXDPOOP01PO2PO3PO4PO5PO6PO7P2OP21P22P23P24P25P26P2711 TXD旦29EWRPSENsi* cR1 S1N IOK GI17 互7265T3D79D61OD5_11D4 12D3 13D2 14D1 15DO ~16INTO2P2O18P2119P2226U2TESTINHIB9REFCB1OREFC+B11REFIN+ORSENDPOLINTB8AZB7BUFFB6BOSCOUB5REFOUB4REFINB3OSCINB2OSCOU'B1INLOSTATUSCOMMON/LBENOSCSE/HBENMODERUN/HOLDVCc4O~28~27~3231 3O~ 25"29 I392223 OSC383736ICL71O9C635 MSIGNAJ1O3W11OOKJ4-5C2C2O.15uO.33uC3O_：R71K13u V【5C3O.15u16■R8~ 2OK■R8' I-2OOK32口34 邑 竺2L2O__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是。