【文章內(nèi)容簡介】 輸入光波長的選擇 長春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 信息工程系 9 通常，在光電傳感器的使用范圍內(nèi)，可見光的影響是無處不在的。因此要注意光電開關(guān)發(fā)射器與光電開關(guān)接收器的波長敏感范圍。如果接收器可接收的光的波長范圍很寬，與被測量無關(guān)的外界光信號也容易混入 .也會被放大系統(tǒng)放大，影響測量精度。因此選擇光電傳感器的時候，要求傳感器本身應(yīng)具有最佳波長使用范圍， 盡量減少外界信號的干擾，如果傳感器對可見光非常的敏感，可以將傳感器系統(tǒng)與可見光隔離，避免其受到外界影響。 頻率響 應(yīng)特性 傳感器的頻率響應(yīng)特性決定了被測量的頻率范圍，必須在允許頻率范圍內(nèi)保持不失真的測量條件，實際上傳感器的響應(yīng)總會有一定延遲，希望延遲時間越短越好。傳感器的頻率響應(yīng)高，可測的信號頻率范圍就寬，頻率低的傳感器可測信號的頻率較低，在動態(tài)測量中，應(yīng)根據(jù)實際信號的特點來確定所需傳感器的頻率響應(yīng)特性，以免產(chǎn)生過大的誤差，因為藥丸下落的速度較慢，要求傳感器頻率很低即可，所以一般的光電傳感器都可以滿足此項要求。 穩(wěn)定性 傳感器使用一段時間后，其性能保持不變化的能力被稱為穩(wěn)定性。影響傳感器長期穩(wěn)定 性的因素除傳感器本身結(jié)構(gòu)外，主要是傳感器的使用環(huán)境。因此，要使傳感器具有良好的穩(wěn)定性，傳感器必須要有較強的環(huán)境適應(yīng)能力。在選擇傳感器之前，應(yīng)對其使用環(huán)境進行調(diào)查，并根據(jù)具體的使用環(huán)境選擇合適的傳感器。 精度 精度是傳感器的一個重要的性能指標(biāo) .它是關(guān)系到整個測量系統(tǒng)測量精度的一個重要環(huán)節(jié)。傳感器的精度越高，其價格越昂貴，因此，傳感器的精度只要滿足整個測量系統(tǒng)的精度要求就可以，不必選地過高。這樣就可以在滿足同一測量目的的諸多傳感器中選擇比較便宜和簡單的傳感器。 傳感器的選用 在此次設(shè)計中，對于藥丸的檢測來說，可以選用多個傳感器。根據(jù)傳感器的特性分析得出，紅外傳感器是比較好的選擇。在紅外傳感器中，又分很多種。所以需要選用一個最佳的方案。 方案一，采用光敏電阻來檢測。通過藥丸頭通過與否對其光的強度的影響，通過監(jiān)測阻值的長春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 信息工程系 10 變化來實現(xiàn)藥丸的檢測。 方案二，采用紅外對管實現(xiàn)，根據(jù)光敏三極管接收到的光強的強弱變化，從而使光敏三極管產(chǎn)生電流，經(jīng)整合形成高低電平進行輸出，通過對高低電平的變化來判斷是否有藥丸通過。 方案三，采用光纖傳感器，將光線傳感器固定于藥丸通道外側(cè)。當(dāng)有藥丸落下時，光 纖傳感器感知通道壁是否產(chǎn)生特定抖動，從而判定是否有藥丸落下。 綜合分析，方案一光敏電阻測量麻煩，而且受外界的影響，引入較大的測量誤差，所以不可取。方案三采用光纖傳感器，測量精度較高，但是光纖傳感器的成本很高。方案二成本低，電路簡單，且不受可見光的干擾，穩(wěn)定性好，測量相鄰藥丸時準確快速。因此采用方案二。 傳感器的幾何光學(xué)分析 傳感器幾何光學(xué)分析主要說明紅外發(fā)光二極管與光敏三極管的各種不同安裝位置，對檢測結(jié)果的不同影響，如果安裝位置不合理，會導(dǎo)致檢測失敗，從而不能夠達到藥丸檢測的目的。通過分 析紅外發(fā)光二極管與光敏三極管中心線與藥丸下落過程中的相對位置關(guān)系，得出藥丸下落過程中，紅外發(fā)光二極管與光敏三極管可靠的檢測位置。 此次設(shè)計中，傳感器是由一個光電耦合系統(tǒng)組成，這個系統(tǒng)主要由一個發(fā)光二極管和一個光敏三極管構(gòu)成。通過光敏三極管對光的強弱感應(yīng)，進行電流的變化，通過電阻轉(zhuǎn)變成相應(yīng)電壓變化，再經(jīng)過信號處理電路轉(zhuǎn)變成電平信號進行輸出。 信號處理電路 電壓比較電路 當(dāng)有液滴穿過光耦，將 U 型紅外光耦發(fā)射管發(fā)射的紅外光散射或阻斷，從而接收管上的電壓便產(chǎn)生相應(yīng)的變化。由于光耦接收管 的口值較大，故電壓變化也較強 烈。將光耦輸出的信號傳給電壓比較器 LM324。可根據(jù)實際光耦輸出信號大小，整比較器的參考電壓，從而實現(xiàn)將不規(guī)則光耦信號轉(zhuǎn)化為電源電壓的電平轉(zhuǎn)換。 電壓比較器的功能：比較兩個電壓的大小 (用輸出電壓的高或低電平，表示兩個輸入電壓的大小關(guān)系 )： 當(dāng) ” ＋ ” 輸入端電壓高于 ” － ” 輸入端時，電壓比較器輸出為高電平； 當(dāng) ” ＋ ” 輸入端電壓低于 ” － ” 輸入端時，電壓比較器輸出為低電平； 壓比較器的作用：它可用作 模擬電路 和數(shù)字電路的接口，還可以用作波形產(chǎn)生和變換電路等。簡單的電壓比較器結(jié)構(gòu)簡單，靈敏 度高，但是抗干擾能力差，因此我們就要對它進行改進。改進后的電壓比較器有：滯回比較器和窗口比較器。 長春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 信息工程系 11 運放需要 通過反饋回路和輸入回路的確定 “ 運算參數(shù) ” ，比如放大倍數(shù)，直接比較兩個輸入端的量，如果同相輸入大于反相，則輸出高電平，否則輸出低電平。電壓比較器輸入是線性量，而輸出是開關(guān)（高低電平）量。 可用 作電壓比較 器的芯片： 所有的運算 放大器。常 見的有 LM324 LM358 uA741 TL081\2\3\4 OP07 OP27， 由于 LM324 性能穩(wěn)定、便宜易于操作等特點，這里我們選用 LM324來構(gòu)成相應(yīng)的電壓比較器， LM324 芯片如下 21 所 示： 圖 21 LM324管腳及實物圖 555 去抖電路 因藥丸穿過檢測通道時是一個運動過程，在此過程中，紅外光被藥丸阻擋的強度會發(fā)生變化，而引起信號的抖動，這可能會造成錯誤記數(shù)。因此使用了時基集成電路 555 作為濾波去抖電路。在這里用 555 接成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，其具有整形處理功能，可以使經(jīng)過電壓比較器的信號更規(guī)則，更重要的是有去抖避免錯誤計數(shù)的功能。 總體 硬件設(shè)計方案 按照系統(tǒng)設(shè)計功能的要求 以及檢測過程中信號的變化 ，確定系統(tǒng)由 以下 模塊組成：主控制器AT89C5 藥丸檢測電路 、 信號處理電路 和 顯示電路 。 其中信號處理電路由電壓比較電路和 555 濾波去抖電路組成。藥丸檢測和計數(shù)電路 總體電路結(jié)構(gòu)框圖如圖 22所示。 傳感器檢測 電路 電壓比較電路 555 去抖整形電路 AT89C51控制單元 數(shù) 碼管顯示 系統(tǒng) 長春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 信息工程系 12 圖 22 硬件 總體電路結(jié)構(gòu)框圖 本章小結(jié) 本章主要介紹了紅外傳感器的分類、各種紅外傳感器的結(jié)構(gòu)、選用、各種分析等。同時在傳感器的選擇方面，進行了多種方案的提出、選擇、與比較，最終確定 了在本次設(shè)計中使用由光敏器件構(gòu)成的傳感器。與此同時提出了的硬件和軟件的相應(yīng)的設(shè)計方案，以及 各個步驟的方案選取。 長春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 信息工程系 13 第 3 章 硬件電路 的 分析 時鐘和復(fù)位電路 一、時鐘電路 AT89C51 單片機內(nèi)部設(shè)有一個反向放大器所構(gòu)成的振蕩器， XTAL1 和 XTAL2 分別為振蕩電路的輸入端和輸出端，時鐘可以由內(nèi)部或外部產(chǎn)生。內(nèi)部時鐘電路是在 XTAL1 和 XTAL2 引腳上外接定時元件，內(nèi)部振蕩電路就產(chǎn)生自激振蕩。定時元件通常采用石英晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路。晶振頻率可以在 到 12MHz 之間選擇。電容值取 5pF~30pF，電容的大小可起頻率 微調(diào)的作用。外部時鐘電路需要 XTAL1 接地， XTAL2 接外部振蕩器，對外部振蕩器信號無特殊要求，只需保證脈沖寬度，一般頻率為低于 12MHz 的方波信號。 二、復(fù)位電路 通過某種方式，使單片機內(nèi)各寄存器的值變?yōu)槌跏紶顟B(tài)的操作稱為復(fù)位。復(fù)位方式有上電復(fù)位和開關(guān)復(fù)位兩種， 在這里 選用的是上電復(fù)位電路，如圖 31所示。 圖 31復(fù)位電路圖 長春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 信息工程系 14 藥丸的檢測 電路 一、測溫電路 在這里我們選用紅外光電傳感器由封裝在同一模塊內(nèi)的 U 型紅外光耦發(fā)射管和 U 型紅外光耦接收管組成的 TP806 紅外光電傳 感器， U 型紅外光耦發(fā)射管與 U 型紅外光耦接收管對稱設(shè)置并分別位于藥丸進入瓶通道末端兩側(cè)，并且分別與通道下垂線呈 90。夾角，以保證藥丸通過時，紅外光耦接收管被部分遮光，光電檢測電路能準確地檢測到藥丸通過而導(dǎo)致的信號瞬間變化。 連接電路 圖及傳感器外觀 如圖 32 所示。 圖 32 溫度檢測電路連接圖 其光電參數(shù)如下 表 31 表 31光電參數(shù) 信號的處理電路 電壓比較電路 這里由 LM324 和滑動變阻器組成可調(diào)的電壓比較電路，從而實現(xiàn)將不規(guī)則光耦信號轉(zhuǎn) 化為電源電壓的電平轉(zhuǎn)換，其 protel 中電路圖如下 33 所示： 長春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 信息工程系 15 圖 33 電壓比較電路 555 去抖電路 因藥丸穿過檢測通道時是一個運動過程，在此過程中，紅外光被藥丸阻擋的強度會發(fā)生變化，而引起信號的抖動，這可能會造成錯誤記數(shù)。在這里用 555 接成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，其具有整形處理功能，可以使經(jīng)過電壓比較器的信號更規(guī)則，起到去抖避免錯誤計數(shù)的功能。其電路圖如下 34所示： 圖 34 555去抖電路 在這里其濾波常數(shù)由滑動變阻器 R電阻 R5和電 容 C2決定，其濾波時間常數(shù)為 S=*（ R4+R5）C2：在這里約為 110ms。其輸出信號接單片機的 接口進行計數(shù)和現(xiàn)顯示處理。 長春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 信息工程系 16 計數(shù)和 顯示電路 顯 示器常用作單片機最簡單的輸出設(shè)備，用以顯示單片機的運行結(jié)果和運行狀態(tài)等。常用的顯示器主要有 LED 和 LCD，它們都具有耗電少、成本低、線路簡單、壽命長等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于單片機顯示數(shù)字量的場合。設(shè)計中采用 LED 顯示器。 對 LED 管的顯示可分為靜態(tài)和動態(tài)兩種。本文采用動態(tài)顯示，其優(yōu)點為： 1. 能降低顯示器的功耗； 2. 能大大減少顯示