【正文】 t application environment, the corresponding measurement method has its own characteristics and error. So the study of microcontroller velocity measurement system has important purpose and meaning. This design USES AT89C51 as the main control core, using photoelectric sensors to collect signal, through single chip microputer timer counter and use an algorithm to measure the car speed, eventually with four LED digital tube display the measurement results, has high practical value. This article is give full play to the advantages of the performance of the single chip microputer, introduces the basic principle of the speed measuring method, implementation steps and the hardware and software design, hardware circuit is simple, software function is perfect, fast measurement speed, high precision, low cost etc. Key words: single chip microputer。 Photoelectric sensor。 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，測量速度的科技手段也在日新月異，為人類的研究自然帶來更大的自由 。在運動學(xué)中速度是描述物體運動快慢的物理量，定義為位移隨著時間的變化率。在傳統(tǒng)的測速方法中，多基于對奔跑物體電機的轉(zhuǎn)速進行測量，并由一定的公式轉(zhuǎn)換出奔跑物體的速度，這里面按照不同的理論方法，先后產(chǎn)生過模擬測速法 (如離心式轉(zhuǎn)速表、用電機轉(zhuǎn)矩或者電機電樞電動勢計算所得 )、同步測速法 (如機械式或閃光式頻閃測速儀 )以及計數(shù)測速法。傳統(tǒng)的電機轉(zhuǎn)速檢測多采用測速發(fā)電機或光電數(shù)字脈沖編碼器 [1]，也有采用電磁式(利用電磁感應(yīng)原理或可變磁阻的霍爾元件等 )、電容式 (對高頻振蕩進行幅值調(diào)制 或頻率調(diào)制 )等，還有一些特殊的測速器是利用置于旋轉(zhuǎn)體內(nèi)的放射性材料來發(fā)生脈沖信號。本課題中采用技術(shù)成熟的光電傳感器來直接測量奔跑物體的奔跑速度，采用光電傳感器進行奔跑速度測量，準確度高、采樣速度快、測量范圍寬和測量精度與被測轉(zhuǎn)速無關(guān)等優(yōu)點，具有廣闊的應(yīng)用前景。超速，簡言之，速度的控制成為汽車智能化控制的關(guān)鍵，真正的 “主動型安全裝置 ”應(yīng)該是對速度的檢測，據(jù)說英法兩國已經(jīng)研究出一種電子儀器，能夠接收速度檢測信號，從而使汽車保持在一定的安全速度之下，已經(jīng)成功地運用在一些家庭轎車和出租車上。進入 70 年代后，為了治理排放，又 增加了一些傳感器來幫助控 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 2頁 制汽車的動力系統(tǒng)，因為同期出現(xiàn)的催化轉(zhuǎn)換器、電子點火和燃油噴射裝置需要這些傳感器來維持一定的空燃比以控制排放?；魻杺鞲衅鞯能囁贆z測裝置由 CD 板控制 [3]，能夠做出電機加速，減速的動作，還能夠精確測速電機的轉(zhuǎn)速，來控制電機的工作情況等多種功能。它由微電腦控 制儀和智能機械 手兩部分組成。當汽車不超過 60 公里 /小時，控制儀不啟動機械手，司機駕車如常，當汽車速度接近 60 公里時，控制儀的微電腦立即啟動機械手對汽車的油門踩桿準確地強制地提升 4－ 5 厘米。當慣性過去，汽車速度小于 60 公里臨界值時，控制儀即指令機械手放松汽車油門，這時駕駛員又可以踩下油門加速，汽車又駕駛?cè)绯?。該產(chǎn)品控制車速靈敏精確， 速度誤差小于 5％控速時汽車行駛平穩(wěn)，乘客不易察覺。該產(chǎn)品的開發(fā)成功，為建立自動化道路速度檢測控制系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。 本課題的目的和意義 在工業(yè)發(fā)展過程中，經(jīng)常會遇到各種需要測量的速度的場合，例如在汽車、機床、傳送機等設(shè)備運轉(zhuǎn)和控制中，需要分時或連續(xù)的測量和顯示其速度及瞬時速度 情況。 要測速，首先要解決信號采樣的問題，采樣效果的好壞關(guān)系到后續(xù)顯示及控制，光電傳感器由于其精度高、反應(yīng)快、非接觸性等優(yōu)點，所以本課題設(shè)計中的中間環(huán)節(jié)就是 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 3頁 光電式傳感電路的設(shè)計； 本課題主要采用嵌入式技 術(shù)，由單片機和探測、信號采集、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)顯示、 與通信等環(huán)節(jié)組成的電路構(gòu)成整個光電傳感電路系統(tǒng)。這部分主要是用光電傳感器采集奔跑物體的信號，并將采集的信號傳給單片機。這部分主要是使用 51 系列單片機采用適當?shù)乃惴▉砭幊炭焖贉蚀_地對采集的數(shù)據(jù)進行相關(guān)運算并得出結(jié)果。 LED 數(shù)字顯示。 本奔跑速檢測 系統(tǒng)有以下幾個部分構(gòu)成，如圖 奔跑速度測量系統(tǒng)方框圖所示。如圖 ，當奔跑物體通過光電傳 感器的時候，將會產(chǎn)生脈沖電信號，然后把信號送入 三極管 放大電路 及 CC40106 芯片 整形電路進行處理，將處理過的信號傳給單片機，通過對單片機進行編程、運算，最后通過數(shù)碼管顯示其數(shù)值。此時，得到計數(shù)器的計時值 n。 如圖 所示 圖 奔跑速度測量系統(tǒng)原理圖 奔跑物體 光敏電阻 單片機 定時器啟動 定時器停止 發(fā)光二極管 Q2 發(fā)光二極管 Q1 光敏電阻 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 5頁 3 系統(tǒng)方案提出和論證 目前科研生產(chǎn)中采用的速度測量 方法可以分為兩類：直接測量法和間接測量法兩大類。這種方法最大的優(yōu)點是反應(yīng)快、可測量瞬時速度，但設(shè)備成本高，且易受外圍環(huán)境的影響，比如大氣物理環(huán)境限制。本課題設(shè)計中采用間接測量法，并提出兩種方案： 方案一 以 AT89C51[6]為核心的計數(shù)電路，使用 AT89C51 單片機，電路簡單需要編寫程序，可通過編程實現(xiàn)各種各樣的算術(shù)算法和邏輯控制，而且體積小，硬件實現(xiàn)簡單，安裝方便，可實現(xiàn)數(shù)碼顯示和按鍵設(shè)定等多種功能。 方案二 以 CD4518 為核心的計數(shù)電路，采用 CD4518 組成 8421 同步十進制計數(shù)器，其計數(shù)是由光檢測和接收電路檢測到信號在傳送到脈沖發(fā)生器 CD4518，由 D4518 轉(zhuǎn)化成電信號然后在分別傳送到各個二 —十進制計數(shù)器 BCD 碼，由 BCD 碼 —七段譯碼器轉(zhuǎn)換至數(shù)碼管 LED，而電源部分是由 220 V 交流電經(jīng)變壓器 T 降壓、橋式整流、電容濾波、 7809穩(wěn)壓后為整個電路提供 +5V 穩(wěn)壓工作電壓。 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 6頁 4 系統(tǒng)的硬件設(shè)計 光電傳感器介紹 光電傳感器工作原理 光電傳感器的基本工作原理是光電效應(yīng)，光電效應(yīng)一般有外光電效應(yīng)、光導(dǎo)效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)。假設(shè)光子的全部能量交給光子，電子能量將會增加，增加的能量一部分用于克服正離子的束縛，另一部分轉(zhuǎn)換成電子能量。 由上式可知，要使光電子逸出陰極表面的必要條件是 HvA。相應(yīng)的波長為 Ahck ??式中， c 為光速， A 為逸出功。它屬于內(nèi)光電效應(yīng)。電子、空穴仍留在半導(dǎo)體內(nèi)，并參與導(dǎo)電在外電場作用下形成的電流。 光電傳感器 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 7頁 光電傳感器是通過把光強度的變化轉(zhuǎn)換成電信號的變化來實現(xiàn)控制的，它的基本結(jié)構(gòu)如下圖，它首先把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化 ， 然后借助光電元件進一步將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。 光電檢測方法具有精度高 ， 反應(yīng)快 ， 非接觸等優(yōu)點 ， 而且可測參數(shù)多 ， 傳感器的結(jié)構(gòu)簡單 ， 形式靈活多樣，因此 ， 光電式傳感器在檢測 [7]和控制中應(yīng)用非常廣泛。光束不間斷地發(fā)射，或者改變脈沖寬度。在接收器的前面，裝有光學(xué)元件如透鏡和光圈等。 光電傳感器是一種依靠被測物與光電元件和光源之間的關(guān)系，來達到測量目的的，因此光電傳感器的光源扮演著很重要的角色，光電傳感器的電源要是一個恒光源，電源穩(wěn)定性的設(shè)計至關(guān)重要，電源的穩(wěn)定性直接影響 到測量的準確性，常用光源有以下幾種： 發(fā)光二極管 是一種把電能轉(zhuǎn)變成光能的半導(dǎo)體器件。 絲燈泡 這是一種最常用的光源，它具有豐富的紅外線。 光電傳感器的類型及工作方式 槽型光電傳感器 把一個光發(fā)射器和一個接收器面對面地裝在一個槽的兩側(cè)的是槽形光電。但當被檢測物體從槽中通過時，光被遮擋， 光電開關(guān)便動作。槽形開關(guān)的檢測距離因為受整體結(jié)構(gòu)的限制一般只有幾厘米。由一個發(fā)光器和一個收光器組成的光電開關(guān)就稱為對射分離式光電開關(guān)，簡稱對射式光電開關(guān)。使用時把發(fā)光器和收光器分別裝在檢測物通過路徑的兩側(cè)，檢測物通過時阻擋光路，收光器就動作輸出一個開關(guān)控制信號。正常情況下，發(fā)光器發(fā)出的光被反光板反射回來被收光器收到；一旦光路被檢測物擋住，收光器收不到光時，光電開關(guān)就動作，輸出一個開關(guān)控制信號。正常情況下發(fā)光器發(fā)出的光收光器是找不到的。 根據(jù)本設(shè)計的要求，本設(shè)計選擇使用對射型光電傳感器 PM12。光電傳感器一般由光源、光學(xué)通路和光電元件三部分組成。當沒有光照時，光敏電阻的阻值很大；當它受到紅外光照射時，其阻值急劇減小。 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 9頁 L E DR133R220KV C CV ou tG N D 圖 PM12 光電傳感器 信號處理電路的設(shè)計 光電對射管 Q Q2 分別接入 AT89C51 的外部中斷 0 和 1 引腳相連， Q1 和 Q2 均為對射式光電管（無遮斷時導(dǎo)通，遮斷時截止）。在INT0 中斷處理程序中，啟動 AT89C51 內(nèi)計數(shù)器 T0 開始計數(shù)，在 INT1 中斷處理程序中，計數(shù)器 T0 停止計數(shù)。電路圖如圖 所示： 圖 整形放大電路圖 如圖所示，當奔跑物體通過傳感器 Q Q2 時，傳感器將其產(chǎn)生的電壓信號 傳給下級的三極管，然后通過三極管放大，經(jīng)過施密特觸發(fā)器 CC40106 芯片進行整 形，產(chǎn)生 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 10 頁 一個矩形方波脈沖，傳給單片機計數(shù)。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標準的MCS51 指令集和輸出管腳相兼容。 圖 是常用的一種單片機 [9]，型號為 AT89C51，它將計算機的功能都集成到這個芯片內(nèi)部去了，就這么一個小小的芯片就能構(gòu)成一臺小型的電腦，因此叫做單片機。在 40 個管腳中，其中有 32個腳可用于各種控制，比如控制小燈的亮與滅、控制電機的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)、控制電梯的升與降等，這 32 個腳叫做單片機的 “ 端口 ” ， 在單片機技術(shù)中，每個端口都有一個特定的名字，比如第一腳的那個端口叫做 “”。 （ 3） P0 口： P0 口為一個 8 位漏級開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門電流。 P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的第八位。 （ 4） P1 口：