轉(zhuǎn)速測(cè)量報(bào)告模板

1、傳感技術(shù)”自學(xué)報(bào)告之一轉(zhuǎn)速測(cè)量傳感器自學(xué)報(bào)告姓名：班級(jí)：學(xué)號(hào)：2015 年 12 月 3 日目錄第1章 轉(zhuǎn)速測(cè)量文獻(xiàn)綜述 .31.1轉(zhuǎn)速測(cè)量的意義3.1.2轉(zhuǎn)速測(cè)量現(xiàn)狀3.1.2.1磁電式轉(zhuǎn)速測(cè)量 .5.1.2.2光電式轉(zhuǎn)速測(cè)量7.1.2.3電感式轉(zhuǎn)速測(cè)量.9.第2章總體方案設(shè)計(jì) 1.12.1 方案一1.12.2 方案二1.22.3方案分析對(duì)比 122.4小結(jié)14第3章具體設(shè)計(jì)與特性分析1.53.1傳感器設(shè)計(jì) 1.53.2轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)153.3傳感器總體分析193.4使用條件和誤差補(bǔ)償193.5仿真實(shí)驗(yàn)203.6小結(jié)20總結(jié)22參考文獻(xiàn)23附錄24第1章轉(zhuǎn)速測(cè)量文獻(xiàn)綜述1.1轉(zhuǎn)速測(cè)量的意義無(wú)論

2、是在日常生活還是工業(yè)生產(chǎn)中，我們經(jīng)常會(huì)遇到各種需要測(cè)量轉(zhuǎn) 速的場(chǎng)合，例如：在發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、卷?yè)P(yáng)機(jī)、機(jī)床主軸等設(shè)備的實(shí)驗(yàn)、 運(yùn)轉(zhuǎn)和控制中，常需要分時(shí)或連續(xù)測(cè)量和顯示器轉(zhuǎn)速和瞬時(shí)轉(zhuǎn)速。同樣， 在平時(shí)，我們通過(guò)對(duì)空調(diào)、冰箱、汽車(chē)等發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)量來(lái)方便我們?cè)\ 斷他們可能發(fā)生的故障，以便能夠更加快捷的進(jìn)行維修。因此，轉(zhuǎn)速測(cè)量的應(yīng)用系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)、在科技教育、民用電器等各 個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用極為廣泛，往往成為某一產(chǎn)品或控制系統(tǒng)的核心部分，其各 種參數(shù)在不同的應(yīng)用中都有其側(cè)重點(diǎn)，但轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)普遍應(yīng)用在國(guó)民經(jīng) 濟(jì)生產(chǎn)生活中，在很多運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中的監(jiān)測(cè)和控制中，測(cè)量轉(zhuǎn)速的準(zhǔn)確度、 穩(wěn)定性及變化過(guò)程的準(zhǔn)確性將直接影響

3、系統(tǒng)的運(yùn)行性能，因而轉(zhuǎn)速測(cè)量對(duì) 保障高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械的正常運(yùn)行有著重要的意義。目前，市面上的轉(zhuǎn)速測(cè)量傳感器主要有以下幾個(gè)技術(shù)特點(diǎn)：靈敏度 高、可靠性高、壽命長(zhǎng)、觸發(fā)距離遠(yuǎn)，信號(hào)觸發(fā)一般為鐵（軟）磁材料， 但同時(shí)，轉(zhuǎn)速測(cè)量傳感器自身的測(cè)量精度也受到許多方面的影響，如 溫度或周?chē)艌?chǎng)環(huán)境的變化給基于霍爾效應(yīng)的傳感器帶來(lái)的測(cè)量精度的影 響，當(dāng)被測(cè)物體轉(zhuǎn)速過(guò)快時(shí)，由于光電門(mén)的頻率響應(yīng)不夠而導(dǎo)致無(wú)法測(cè)出 被測(cè)物體的實(shí)際轉(zhuǎn)速，而磁電式傳感器也可能由于安裝時(shí)未嚴(yán)格卡緊螺母 而導(dǎo)致最終的測(cè)量結(jié)果與實(shí)際偏離較大。采用鐵磁體制作而成的傳感器還 可能因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有使用而導(dǎo)致其生銹從而影響測(cè)量精度。上述情況就是 目前大部

4、分市售轉(zhuǎn)速測(cè)量傳感器可能存在的一些問(wèn)題。1.2轉(zhuǎn)速測(cè)量現(xiàn)狀隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x表已經(jīng)步入現(xiàn)代化、電子化的 行列。過(guò)去曾經(jīng)使用過(guò)的接觸時(shí)測(cè)量?jī)x表，如離心式轉(zhuǎn)速表、微型發(fā)電機(jī) 轉(zhuǎn)速表及中表示定時(shí)轉(zhuǎn)速表，逐漸淡出了市場(chǎng)，而利用已知頻率的閃光與 被測(cè)軸轉(zhuǎn)速同步的方法來(lái)測(cè)速的閃光測(cè)速儀，雖屬于非接觸式的儀表，目 前仍然有應(yīng)用，但并不處于主導(dǎo)地位。起而代之的是非接觸式的電子與數(shù) 字化測(cè)速儀表。這類(lèi)轉(zhuǎn)速儀表大多具有體積小、重量輕、讀數(shù)精準(zhǔn)、使用 方便等優(yōu)點(diǎn)。容易實(shí)現(xiàn)電腦屏幕顯示和打印輸出，能夠連續(xù)的反映轉(zhuǎn)速變化，即能測(cè)定發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定狀態(tài)下的憑據(jù)轉(zhuǎn)速，也能夠用來(lái)在足夠小的時(shí)間 間隔這一特定條件下測(cè)

5、定發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速測(cè)量的方法有很多，根據(jù)其基本原理可分為：磁電式轉(zhuǎn)速測(cè)量傳感 器，光電式轉(zhuǎn)速測(cè)量傳感器、電感式轉(zhuǎn)速測(cè)量傳感器，根據(jù)工作原理可分 為計(jì)數(shù)式、模擬式、同步式。計(jì)數(shù)式方法是用某種方式讀出一定時(shí)間內(nèi)的 總轉(zhuǎn)速。模擬式方法是測(cè)出有瞬時(shí)轉(zhuǎn)速引起的某種物理量的變化，同步式 是利用已知的頻率與旋轉(zhuǎn)體的旋轉(zhuǎn)同步來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)速。根據(jù)不同的轉(zhuǎn)換方式，具體分類(lèi)如下表所示。表1-1轉(zhuǎn)速測(cè)量方法具體分類(lèi)型式測(cè)量方法適用范圍特點(diǎn)備注計(jì)數(shù)式機(jī)械式通過(guò)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng) 數(shù)字輪中、低速簡(jiǎn)單、廉價(jià)光電式利用來(lái)自被測(cè) 旋轉(zhuǎn)體上的光中、高速無(wú)扭矩?fù)p失、簡(jiǎn)單數(shù)字式轉(zhuǎn) 速計(jì)電磁式線式光電管產(chǎn) 生脈沖中、高速數(shù)字式轉(zhuǎn) 速計(jì)模擬式機(jī)

6、械式利用離心力與 轉(zhuǎn)速平方成正 比的關(guān)系中、低速簡(jiǎn)單陀螺測(cè)速 儀發(fā)電機(jī) 式利用電極直流 或交流電壓與 轉(zhuǎn)速成正比的 電流中、低速可遠(yuǎn)程指示操作陀螺測(cè)速 儀電容式利用電容充放 電回路產(chǎn)生于 轉(zhuǎn)速成正比的 電流中、高速簡(jiǎn)單、可遠(yuǎn)程指示同 步 式機(jī)械式轉(zhuǎn)動(dòng)帶槽的圓 盤(pán)，目測(cè)與旋 轉(zhuǎn)同步體的轉(zhuǎn) 速中、高速無(wú)扭矩?fù)p失閃光式用已知頻率的 閃光測(cè)出與旋 轉(zhuǎn)體同步的頻 率中、高速無(wú)扭矩?fù)p失1.2.1磁電式轉(zhuǎn)速測(cè)量磁電感應(yīng)式傳感器又稱磁電式傳感器，是利用電磁感應(yīng)原理將被測(cè)量 （如振動(dòng)、位移、轉(zhuǎn)速等）轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一種傳感器。它不需要輔助電 源就能把被測(cè)對(duì)象的機(jī)械量轉(zhuǎn)化為易于測(cè)量的電信號(hào)，屬于有源傳感器。根據(jù)電磁

7、感應(yīng)定律：當(dāng)N匝線圈在恒定的磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，設(shè)，穿過(guò)線 圈的磁通量為，貝線圈內(nèi)感應(yīng)電勢(shì) E與磁通變化率d /dt有如下關(guān) 系：dt由于 =BS,式中，B為線圈處的磁感應(yīng)強(qiáng)度，S為線圈圍成的閉合的面積 因此有：迪dt1 由dr)根據(jù)這一原理，可將磁電感應(yīng)式傳感器分為兩種類(lèi)型：一種類(lèi)型是由 于閉合先去圍城的面積變化引起的通過(guò)線圈的磁通變化，從而使線圈產(chǎn)生 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；另一種類(lèi)型是由于線圈處的磁感應(yīng)強(qiáng)度發(fā)生變化，引起通過(guò) 線圈的磁通量變化，從而使線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)測(cè)量電路接入磁電傳感器電路時(shí)，如圖所示磁電傳感器輸出電流10為:NBlv R + Rf R+Rf式中，Rf為測(cè)量電路輸入電阻，R為線圈等

8、效電阻。因而，傳感器的 靈敏度為：I NBI Sj =卩 Rf根據(jù)其分類(lèi)情況可繪制如下關(guān)系圖：總電麼應(yīng)式傳薰沏式動(dòng)圖式動(dòng)鈦式麼甲式坯連盛寧角德虔璋圖1-2磁電感應(yīng)式傳感器分類(lèi)圖線速度型、角速度型以及磁阻式傳感器原理示意圖分別如下:目前，磁電式傳感器主要應(yīng)用于以下幾個(gè)方面:1.振動(dòng)測(cè)量：如動(dòng)圈式振動(dòng)速度測(cè)量傳感器：動(dòng)圈式振動(dòng)速度傳感器結(jié)構(gòu)圖1-4 動(dòng)圈式振動(dòng)速度傳感器結(jié)構(gòu)其輸出特性曲線如下圖:Va Vb Vc圖1-5振動(dòng)傳感器輸出特性其中，輸出特性曲線不從零點(diǎn)開(kāi)始，因?yàn)?，?dāng)VVa時(shí)，必須克服靜摩擦力，才能開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，當(dāng)VVc時(shí)，因慣性太大超過(guò)范圍。2.電磁流量計(jì):外鍛 勵(lì)銘線睦村埴iHttn電計(jì)結(jié)

9、構(gòu)電畤JH牌理圖IiE = Bth、 圖1-6電磁流量計(jì)示意圖及相關(guān)公式式中，D為測(cè)量管道的直徑，v為電子流向的速度，利用了洛倫茲力公式 及其相關(guān)性質(zhì)制作而成。1.2.2光電式轉(zhuǎn)速測(cè)量光電傳感器是采用光電元件作為檢測(cè)元件，首先把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)變 為信號(hào)的變化，然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。光電傳感器一般由光源、光學(xué)通路和光電元件這三個(gè)部分組成。光電檢測(cè)方法具 有精度高、反應(yīng)快、非接觸等優(yōu)點(diǎn)，而且可測(cè)參數(shù)多，傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn) 單，形式靈活多樣，體積小。光電式轉(zhuǎn)速測(cè)量傳感器反射式直射式圖1-7光電式轉(zhuǎn)速測(cè)量傳感器分類(lèi)下面分別介紹兩種不同測(cè)量原理的光電式傳感器：直射式轉(zhuǎn)速測(cè)量傳 感器以及

10、反射式轉(zhuǎn)速測(cè)量傳感器。1.直射式轉(zhuǎn)速測(cè)量傳感器：其結(jié)構(gòu)如下圖所示:論件血板輸入軸圖1-8 直射式轉(zhuǎn)速測(cè)量傳感器結(jié)構(gòu)示意圖它由開(kāi)孔圓盤(pán)、光源、光敏元件及縫隙板等組成。開(kāi)孔圓盤(pán)的輸入軸 與被測(cè)軸相連接，光源發(fā)出的光，通過(guò)開(kāi)孔圓盤(pán)和縫隙板照射到光敏元件 上被光敏元件所接收，將光信號(hào)轉(zhuǎn)為電信號(hào)輸出。開(kāi)孔圓盤(pán)上有許多小 孔，開(kāi)孔圓盤(pán)旋轉(zhuǎn)一周，光敏元件輸出的電脈沖個(gè)數(shù)等于圓盤(pán)的開(kāi)孔數(shù)， 因此，可通過(guò)測(cè)量光敏元件輸出的脈沖頻率，得知被測(cè)轉(zhuǎn)速，即n = f / N式中，n為轉(zhuǎn)速，f為脈沖頻率，N為圓孔開(kāi)孔數(shù)2反射式轉(zhuǎn)速測(cè)量傳感器結(jié)構(gòu)如下圖所示：圖1-9反射式轉(zhuǎn)速測(cè)量傳感器結(jié)構(gòu)示意圖它主要由被測(cè)旋轉(zhuǎn)部件、反光片

11、（或反光貼紙）、反射式光電傳感器 組成，在可以進(jìn)行精確定位的情況下，在被測(cè)部件上對(duì)稱安裝多個(gè)反光片 或反光貼紙會(huì)取得較好的測(cè)量效果。在本實(shí)驗(yàn)中，由于測(cè)試距離近且測(cè)試 要求不高，僅在被測(cè)部件上只安裝了一片反光貼紙，因此，當(dāng)旋轉(zhuǎn)部件上 的反光貼紙通過(guò)光電傳感器前時(shí)，光電傳感器的輸出就會(huì)跳變一次。通過(guò) 測(cè)出這個(gè)跳變頻率f，就可知道轉(zhuǎn)速n。n=f如果在被測(cè)部件上對(duì)稱安裝多個(gè)反光片或反光貼紙，那么， n=f/N。 N-反光片或反光貼紙的數(shù)量。一般說(shuō)來(lái)，光電式轉(zhuǎn)速測(cè)量傳感器主要運(yùn)用在電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量以及車(chē)軸 測(cè)量中，電路由具體設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。1.2.3電感式轉(zhuǎn)速測(cè)量電感式傳感器主要原理是運(yùn)用了串聯(lián)或并聯(lián)諧振技術(shù)或者

12、霍爾效應(yīng)進(jìn) 行轉(zhuǎn)速測(cè)量的一種元件，在學(xué)習(xí)傳感技術(shù)這本書(shū)后，重點(diǎn)以霍爾元件 為主。轉(zhuǎn)速是工程中應(yīng)用非常廣泛的一個(gè)參數(shù)，利用霍爾效應(yīng)對(duì)旋轉(zhuǎn)物體進(jìn) 行檢測(cè)的轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用霍爾傳感器把轉(zhuǎn)速信息轉(zhuǎn)換為電壓脈 沖輸出，可以使用簡(jiǎn)單的脈沖計(jì)數(shù)法，只要轉(zhuǎn)軸每旋轉(zhuǎn)一周，產(chǎn)生一個(gè)或 固定的多個(gè)脈沖，并將脈沖送入單片機(jī)中進(jìn)行計(jì)數(shù)，即可獲得轉(zhuǎn)速的信 息。在非磁材料的轉(zhuǎn)子（由電機(jī)帶動(dòng)）邊上粘貼一塊磁鋼，將霍爾傳感器 固定在轉(zhuǎn)子外圈的定子上。轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，霍爾傳感器便輸出一個(gè)脈 沖。霍爾元件能夠感應(yīng)磁場(chǎng)的變化，使霍爾元件發(fā)出電脈沖?？捎秒娮佑?jì) 數(shù)器計(jì)數(shù)，并換算為轉(zhuǎn)速。這種方法是固定霍爾元件電流不變I，周期改變

13、磁場(chǎng)強(qiáng)度B,該周期與轉(zhuǎn)速成正比，由 U霍爾電壓=RhlB/d知霍爾電極 電壓與磁場(chǎng)B成正比，因此可得到周期的電壓脈沖輸出?；魻栐?。它具有 對(duì)磁場(chǎng)敏感、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、頻率 響應(yīng) 寬、輸出電壓變化大和使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，因此，在測(cè)量、自動(dòng)化、 計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。圖1-9霍爾元件的基本結(jié)構(gòu)此圖中I不變，B隨轉(zhuǎn)速周期變化XXA圖1-10電感式傳感器基本原理第2章總體方案設(shè)計(jì)2.1方案一 基于UGN3144的轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)1測(cè)量原理：測(cè)頻測(cè)周法“ M/T法”“ M/T ”法采用三個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器，同時(shí)對(duì)輸入脈沖、高頻脈沖（由振蕩器 產(chǎn)生）、及預(yù)設(shè)的定時(shí)時(shí)間進(jìn)行定時(shí)和計(jì)數(shù)，ml反映轉(zhuǎn)角

14、，m2反映測(cè)速的準(zhǔn)確時(shí)間，通過(guò)計(jì)算可得轉(zhuǎn)速值n。該法在高速及低速時(shí)都具有相對(duì)較高的精度。測(cè)速時(shí)間Td由脈沖發(fā)生器脈沖來(lái)同步，即 Td等于ml個(gè)脈沖 周期。由圖可見(jiàn)，從a點(diǎn)開(kāi)始，計(jì)數(shù)器對(duì)ml和m2計(jì)數(shù)，到達(dá)b點(diǎn)，預(yù) 定的測(cè)速時(shí)間時(shí)，單片機(jī)發(fā)出停止計(jì)數(shù)的指令，因?yàn)門(mén)c不一定正好等于整數(shù)個(gè)脈沖發(fā)生器脈沖周期，所以，計(jì)數(shù)器仍對(duì)高頻脈沖繼續(xù)計(jì)數(shù)，到達(dá) c點(diǎn)時(shí)，脈沖發(fā)生器脈沖的上升沿使計(jì)數(shù)器停止，這樣，m2就代表了 ml個(gè)脈沖周期的時(shí)間?！癕/T”法綜合了 “ T”和“ M ”兩種方法，轉(zhuǎn)速計(jì)算如下：設(shè)高頻脈沖 的頻率為fc,脈沖發(fā)生器每轉(zhuǎn)發(fā)出 P個(gè)脈沖，由式（3-2）和（3-5）可得 M/T法轉(zhuǎn)速計(jì)算公

15、式為：m轉(zhuǎn)連蟲(chóng)：t轅丿分）； 怕晶體變蕩頓率：?jiǎn)诬模℉z） !11-輸人脈沖數(shù).反映轉(zhuǎn)角*01,時(shí)黑眛沖數(shù)。匚i-i -M :込圣時(shí)H-RM圖2-1-1M/T ”法測(cè)量轉(zhuǎn)速脈沖其中，式（3-2）和（3-5）為：竺以及2.敏感元件：UGN3144霍爾元件開(kāi)關(guān)UGN3144霍爾開(kāi)關(guān)元件芯片內(nèi)部包含有穩(wěn)壓電路，霍爾效應(yīng)電壓產(chǎn) 生電路，信號(hào)放大器，施密特觸發(fā)器和一個(gè)集電極開(kāi)路輸出電路。集電極 開(kāi)路輸出電路可連續(xù)輸出25mA的電流，可直接控制繼電器，雙向可控硅，可控硅，LED和燈負(fù)載。該器件為集電極開(kāi)路輸出，因此輸出端上面要加一上拉電阻，其電壓 范圍寬為：4.5V-24V因而具有很寬的電壓輸出幅帶。圖2

16、-1-2UGN3144霍爾元件傳感器工作原理示意圖3.轉(zhuǎn)換電路：其基本轉(zhuǎn)換元件是基于 89C51實(shí)現(xiàn)輸出的，霍爾傳感器 設(shè)計(jì)電路如下：圖2-1-3UGN3144霍爾元件傳感器設(shè)計(jì)電路模型2.2方案二 ULN2003光電式轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)1. 測(cè)量原理：在固定的測(cè)量時(shí)間內(nèi)，計(jì)取轉(zhuǎn)速傳感器產(chǎn)生的脈沖個(gè)數(shù)，從而算出實(shí) 際轉(zhuǎn)速。設(shè)固定的測(cè)量時(shí)間為T(mén)c( min)，計(jì)數(shù)器計(jì)取的脈沖個(gè)數(shù) m假定 脈沖發(fā)生器每轉(zhuǎn)輸出p個(gè)脈沖，對(duì)應(yīng)被測(cè)轉(zhuǎn)速為N( r/min )，則 f=pN/60Hz;另在測(cè)量時(shí)間Tc內(nèi)，計(jì)取轉(zhuǎn)速傳感器輸出的脈沖個(gè)數(shù)n應(yīng)為 m=Tcf，所以，當(dāng)測(cè)得仃值時(shí)，就可算出實(shí)際轉(zhuǎn)速值：N = 60m/pT

17、c (r/mi n)2. 敏感元件：ULN2003光電式傳感器其內(nèi)部示意圖如下:圖2-2-1ULN2003光電式傳感器結(jié)構(gòu)示意圖3. 轉(zhuǎn)換電路：與方案一中類(lèi)似，我們選用89C52單片機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換輸出，其基本模型如下圖所示：圖 2-2-2ULN2003光電式測(cè)量系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)示意圖2.3方案分析對(duì)比對(duì)于方案一中，利用 UGN3144芯片進(jìn)行測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法，其具 有的特點(diǎn)是：電壓輸出幅帶寬，線性度好，測(cè)量精度較高，且工作溫度在 零下40攝氏度至85攝氏度之間，因而能夠滿足一些惡劣環(huán)境下的測(cè)量， 但同時(shí)，其設(shè)計(jì)電路部分很復(fù)雜，不利于系統(tǒng)的調(diào)試即安裝，與此同時(shí)， 基于霍爾元件的傳感器在某些可能的

18、進(jìn)行測(cè)量的場(chǎng)合，如：渦流發(fā)電機(jī)、 汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)中容易受到環(huán)境溫度及磁場(chǎng)干擾，因而在我們的日常生活中的 應(yīng)用方面較窄。方案二中，采用ULN2003芯片的光電式傳感器從原理上來(lái)說(shuō)是一種 非接觸式的傳感器，同時(shí)能夠自行通過(guò)切換需要測(cè)量的檔位來(lái)選擇合適的 轉(zhuǎn)速測(cè)量檔，與方案一相比，其同樣具有方案一中的一些優(yōu)點(diǎn)，線性度 好，并且不會(huì)受到磁場(chǎng)和溫度環(huán)境變化的影響，除此之外，該傳感器的測(cè) 量精度可以在+/- 0.5rpm左右，因此在實(shí)際應(yīng)用中已經(jīng)足夠能滿足我們的 要求，唯一美中不足的地方是，方案一中的測(cè)量系統(tǒng)能夠測(cè)量6000-20000r/min的轉(zhuǎn)速，而方案二中的測(cè)量系統(tǒng)只能夠測(cè)量小于10000r/min的

19、轉(zhuǎn)速，因此，方案二中的測(cè)力系統(tǒng)不適用于超高速的轉(zhuǎn)速測(cè)量，但其設(shè)計(jì) 原理簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)框圖清晰，經(jīng)過(guò)組合考慮各方面后，本著易于實(shí)現(xiàn)的原 則，選擇方案二作為本次傳感器的設(shè)計(jì)方案。2.4小結(jié)本章中，我選擇了兩種基于不同原理實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)速測(cè)量傳感器的設(shè)計(jì)方 案，了解了不同原理傳感器之間的結(jié)構(gòu)差別，同時(shí)，還學(xué)習(xí)到了轉(zhuǎn)速測(cè)量 傳感器在一些領(lǐng)域的具體運(yùn)用，更加豐富了我在傳感器方面的知識(shí)架構(gòu)， 有利于我對(duì)課堂所學(xué)的知識(shí)進(jìn)行整理與運(yùn)用。第3章具體設(shè)計(jì)與特性分析3.1傳感器設(shè)計(jì)系統(tǒng)由信號(hào)預(yù)處理電路、單片機(jī) STC 89C51系統(tǒng)化LED顯示模塊、 串口數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路和系統(tǒng)軟件組成。其中信號(hào)預(yù)處理電路包含信號(hào)放大、 波形變換

20、和波形整形。對(duì)待測(cè)信號(hào)進(jìn)行放大的目的是降低對(duì)待測(cè)信號(hào)的幅 度要求；波形變換和波形整形電路則用來(lái)將放大的信號(hào)轉(zhuǎn)換成可與單片機(jī) 匹配的TTL信號(hào)；通過(guò)對(duì)單片機(jī)的編程設(shè)置可使內(nèi)部定時(shí)器T0對(duì)輸入脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，這樣就能精確地算出加到T0引腳的單位時(shí)間內(nèi)檢測(cè)到的脈沖數(shù)；設(shè)計(jì)中轉(zhuǎn)速顯示部分采用價(jià)格低廉且使用方便的LED模塊，通過(guò)相關(guān)計(jì)算方法計(jì)算得到的轉(zhuǎn)速通過(guò)l2C總線放到UPROh存儲(chǔ)，既節(jié)省了所需 單片機(jī)的口線和外圍器件，同時(shí)也簡(jiǎn)化了顯示部分的軟件編程。ULN2003轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理如下圖所示：圖3-1 ULN轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)框圖3.2轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)由于缺乏相應(yīng)的敏感元件及相應(yīng)的組件，因此，具體轉(zhuǎn)換電路的

21、設(shè)計(jì) 采用Proteus Pro 7.5 軟件對(duì)部分硬件電路進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)。1脈沖產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)采用了紅外光電傳感器，進(jìn)行非接觸式檢測(cè)。當(dāng)有物體擋在紅 外光電發(fā)光二極管和高靈敏度的光電晶體管之間時(shí)，傳感器將會(huì)輸出一個(gè) 低電平，而當(dāng)沒(méi)有物體擋在中間時(shí)則輸出為高電平，從而形成一個(gè)脈沖。 系統(tǒng)在光電傳感器收發(fā)端間加入電動(dòng)機(jī)，并在電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸上安裝一轉(zhuǎn) 盤(pán)。在這個(gè)轉(zhuǎn)盤(pán)的邊沿處挖出若干個(gè)圓形過(guò)孔，把傳感器的檢測(cè)部分放在 圓孔的圓心位置。每當(dāng)轉(zhuǎn)盤(pán)隨著后輪旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，傳感器將向外輸出若干 個(gè)脈沖。把這些脈沖通過(guò)一系列的波形整形成單片機(jī)可以識(shí)別的TTL電平，即可算出輪子即時(shí)的轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)盤(pán)的圓孔的個(gè)數(shù)決定了測(cè)量的

22、精度，個(gè)數(shù)越多，精度越高。這樣 就可以在單位時(shí)間內(nèi)盡可能多地得到脈沖數(shù)，從而避免了因?yàn)閮蓚€(gè)過(guò)孔之間的距離過(guò)大，而正好在過(guò)孔之間或者是在下個(gè)過(guò)孔之前停止了，造成較 大的誤差。設(shè)計(jì)中轉(zhuǎn)盤(pán)的圓孔的實(shí)際個(gè)數(shù)受到技術(shù)的限制。為了達(dá)到預(yù)定 的效果設(shè)計(jì)在轉(zhuǎn)盤(pán)過(guò)孔的設(shè)計(jì)上采用 11個(gè)過(guò)孔，從而留下了 10個(gè)同等的 間距。這樣在以后的軟件設(shè)計(jì)中能夠較為方便的計(jì)算出脈沖頻率。脈沖發(fā) 生源的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3.1所示。圖3-2-1脈沖發(fā)生源硬件結(jié)構(gòu)圖（左為正視圖，右為側(cè)視圖）2光電轉(zhuǎn)換及信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)由于系統(tǒng)需要將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，因而需要使用光電傳感器并設(shè) 計(jì)相應(yīng)的信號(hào)調(diào)理 電路，以得到符 合要求的 脈沖信號(hào)，

23、送給單片 機(jī) STC89C51進(jìn)行計(jì)數(shù)，同時(shí)得到計(jì)數(shù)的時(shí)間，由單片機(jī)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算以得到 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。傳感器將電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)轉(zhuǎn)變成了電脈沖信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過(guò) LM324集成運(yùn)放整形驅(qū)動(dòng)，送到單片機(jī)進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)，從而測(cè)出電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn) 速。光電轉(zhuǎn)換部分與單片機(jī)的連接框圖如圖3-2-2所示:圖3-2-2光電轉(zhuǎn)換部分與單片機(jī)連接框圖3. 時(shí)鐘電路系統(tǒng)采用12M晶振與兩個(gè)30pF電容組成震蕩電路，接 STC89C52的 XTAL1與XTAL2引腳，為微控制器提供時(shí)鐘源。-XVI -仿真連接圖:圖3-2-3時(shí)鐘電路仿真圖4. 按鍵電路四個(gè)按鍵分別控制電機(jī)的不同轉(zhuǎn)速，即控制 PWM波高電平的占空比, 以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的速

24、度控制，采用開(kāi)環(huán)控制方法，不是十分精確，但控制簡(jiǎn) 單，易實(shí)現(xiàn)，代碼編寫(xiě)簡(jiǎn)單PIOP1 1O OPI.2P1.3P1 4P1 5PI 6P1.7ATBDCSi cTEXTa圖3-2-4按鍵電路仿真圖5. 顯示電路:11*H -.i 1 -!弓小i J氏、皿燉帕rtiiCWAiCinPU DPMI ENSEPfh VAbU KJ 宜 ritaq 州帕為冷 fo d*x_eE Fi*A4rPS IfTXO F3 3H TO pg irtHrTE &曲圖 3-2-5顯示電路仿真圖系統(tǒng)采用4位共陰極數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速顯示。數(shù)碼管的位選端 14分別 接STC89C52的P2.0P2.3管腳，端選段 AG與DP

25、分別接 STC89C52的 P0.0P0.7 管腳。需要說(shuō)明的是：實(shí)際焊接電路時(shí)，數(shù)碼管的位選端需要焊接三極管， 否則數(shù)碼管顯示亮度將會(huì)非常暗。6電機(jī)控制與驅(qū)動(dòng)部分圖3-2-6電機(jī)控制與驅(qū)動(dòng)電路仿真圖7復(fù)位電路 30pF TEXT?1 .X1 .CRSIAL.30pF -VTEXF：U110XT 10 uF - TBXT YRi:S.2k bXT$圖3-2-7復(fù)位電路仿真圖3.3傳感器總體分析整個(gè)轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)的電路圖將會(huì)附在附錄中，由于實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)已明確 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，因此，在進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)，只需要將從軟件中測(cè)出的輸出 脈沖波形頻率代入原理公式中即可得到對(duì)應(yīng)的被測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速公式為：N

26、= 60m/pTc （r/mi n）其中，m = T*c*f傳感器總體分析步驟為：（1）利用光電開(kāi)關(guān)管做電機(jī)轉(zhuǎn)速的信號(hào)拾取元件，在電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上安裝 一個(gè)圓盤(pán)，在圓盤(pán)上挖 1小洞，小洞上下分別對(duì)應(yīng)著光發(fā)射和光接受開(kāi) 關(guān)，圓盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈即光電管導(dǎo)通1次，利用此信號(hào)做為脈沖計(jì)數(shù)所需。（2）對(duì)光電開(kāi)關(guān)信號(hào)整流放大。（3）脈沖經(jīng)過(guò)單片機(jī)內(nèi)部的計(jì)數(shù)器和定時(shí)器進(jìn)行計(jì)數(shù)和定時(shí)。（4）顯示電路采用單片機(jī)動(dòng)態(tài)顯示。3.4使用條件和誤差補(bǔ)償1. 在最初的設(shè)計(jì)電路時(shí)中沒(méi)有使用采用硬件消抖的方式來(lái)避免三個(gè)按 鍵按下時(shí)帶來(lái)的不穩(wěn)定信號(hào)，錄入數(shù)據(jù)往往出錯(cuò)，后來(lái)使用軟件消抖來(lái)解 決這個(gè)問(wèn)題，但是由于按鍵復(fù)用程度比較高，因此軟件

27、消抖浪費(fèi)了不少一 部分系統(tǒng)資源，后來(lái)采用RC電路硬件消抖比較完美的解決了這個(gè)問(wèn)題。2. 在硬件調(diào)試過(guò)程中出現(xiàn)過(guò)某些零件不靈的情況，根據(jù)已經(jīng)畫(huà)好的電 路圖使用外用表可以很快的查找到問(wèn)題的所在。經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的焊接處理即可 解決。后來(lái)為了避免頻繁操作對(duì)焊接電路的影響，專(zhuān)門(mén)在單片機(jī)的上下焊 接了支撐部件，用來(lái)防止板子上元器件以及后面的焊接線路收到影響，事 實(shí)證明這個(gè)很大程度保護(hù)了單片機(jī)，方便了對(duì)單片機(jī)的操作。3. 在硬件電路完成后遇到的最大問(wèn)題是無(wú)法將程序?qū)氲絾纹瑱C(jī)，通 過(guò)深入的研究，發(fā)現(xiàn)通過(guò)單片機(jī)的串口可以很容易的連接上單片機(jī)，進(jìn)而 將hex程序?qū)懭氲絾纹瑱C(jī)中。為此專(zhuān)門(mén)擴(kuò)展了串口電路，并且完成了相應(yīng) 的軟件實(shí)現(xiàn)和PC之間的通信。4. 在單片機(jī)和PC通信的時(shí)候通過(guò)單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)給 PC的時(shí)候經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)亂碼，無(wú)論發(fā)送什么字符還是十六進(jìn)制數(shù)字都無(wú)法準(zhǔn)確收到，后來(lái)經(jīng) 過(guò)研究，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題出在晶振上，我們選用了12M晶振，12M的晶振波特率只能是2400。因?yàn)?600的情況下會(huì)有7.8%的誤差，所以會(huì)產(chǎn)生亂碼， 而240