手持式激光转速测量仪的设计＿本科毕业论文(编辑修改稿)

手持式激光转速测量仪的设计＿本科毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

微米级，像头发丝直径这样大小的目标均可轻而易举地检测出来。 值得一提的是，将准直后的激光束通过柱面光学透镜后，可以射出一条直线光，其线宽可做到 ，如图 所示。 采用这种线光源，可以实现流水作业 中材料定位切割、医学上 CT 检测中目标定位、物体的直线度、不平度检测等，应用十分广泛。 本设计也采用了 半导体 激光 二极管 作为光源。 图 线状激光光源 9 半导体激光二极管的常用参数 （ 1）波长：即激光管工作波长，目前可作光电开关用的激光管波长有 635nm、650nm、 670nm、 690nm、 780nm、 810nm、 860nm、 980nm 等。 （ 2）阈值电流 Ith ：即激光管开始产生激光振荡的电流，对一般小功率激光管而言，其值约在数十毫安，具有应变多量子阱结构的激光管阈值电流可低至 10mA以下。 （ 3） 工作电流 Iop ：即激光管达到额定输出功率时的驱动电流，此值对于设计调试激光驱动电路较重要。 （ 4）垂直发散角 θ ⊥ ：激光二极管的发光带在垂直 PN 结方向张开的角度，一般在 15˚～ 40˚左右。 （ 5）水平发散角 θ ∥ ：激光二极管的发光带在与 PN结平行方向所张开的角度，一般在 6˚～ 10˚左右。 （ 6）监控电流 Im ：即激光管在额定输出功率时，在 PIN 管上流过的电流。 半导体激光二极管的特点 （ 1）照射 距离长 半导体激光光源是一种相干性强的光源，因而方向性很强，用光学系统准直后，可很容易的把发散角限制在 mrad 以内，如示意图 8。 激光照射的光斑大小可按下式近似计算： d≈Lθ （ ） 式中， d — 光斑直径（ mm）； L — 检测距离（ m）； θ — 发散角（ mrad）。 若一束激光投射到 500m 远处，可近似得光斑直径为 100mm，可见光斑并不大，在此范围内仍有较大的能量分布，足以驱动接收器工作。 同时，采用功率较大的激光管则容易实现数公里远的目标探测。 （ 2）可实现高精度的定位控制和微小目标的检测 由于半导体激光是方向 性很强的相干光源，经光学透镜准直或聚焦后，光束很细，因此可用小光阑获取直径为 ～ 的激光光束，用这种细的准直 10 光束可以实现高精度的定位控制、位置检测、线径测量，并可以检测直径小到像绣花针头般大小的目标。 特别是将半导体激光束通过芯径 5mm～ 9mm 单模光纤耦合并准直后，可以将检测精度提高到微米级，像头发丝直径这样大小的目标均可轻而易举地检测出来。 值得一提的是，将准直后的激光束通过柱面光学透镜后，可以射出一条直线光，其线宽可做到 ，此外，将准直的激光光束通过某种光栅片后可射出十字形激光，在 检测和定位方面亦有独到的应用之处。 （ 3）适应不同使用要求，有多种波长的激光光源可供选用 近一、二十年来，半导体激光技术取得长足的发展，业已商品化的半导体激光管在可见光波段有波长为 635nm、 650nm、 670nm、 690nm 四种类型，在近红外波段则有 780nm、 810nm、 830nm、 850nm、 860nm、 910nm、 980nm 等几种。 根据使用要求，可灵活选择其中任何一种作为光电开关的激光电源。 一般来说，若选择可见光波段，则在安装、调试、对准上都比较方便，若选用近红外波段，则在安装、调试过程中，须使用夜 视仪或红外测试卡配合进行。 当使用波长短于 860nm的型号时，虽然看不见激光光束，但激光管窗口还能清楚看到有红色光，即所谓有 “ 红暴现象 ”。 因此，在作周界报警的光电发射传感器时，宜选用无 “ 红暴现象 ” 的 910nm、 980nm 激光器，以免暴露目标。 有时还要考虑传输介质中的损耗问题，例如，绿色激光在水中很少被吸收，其他波段则很容易被水吸收引起激光能量严重衰减。 因此，在水中工作时，选用 532nm 的绿色激光最为适宜。 总之，今天的半导体激光波长范围之宽，品种之丰富，均为使用者提供了充分选择的余地。 单片机测量转速的 方法 转速是工程中应用非常广泛的一个参数，早期模拟量的模拟处理一直是作为转速测量的主要方法，这种测量方法在测量范围和测量精度上，已不能适应现代科技发展的要求。 而随着大规模及超大规模集成电路技术的发展，数字测量系统得到普遍应用，利用单片机对脉冲数字信号的强大处理能力，应用全数字化的结构，使数字测量系统的越来越普及。 在测量范围和测量精度方面都有极大的提高。 下面对测量系统进行探讨。 11 一般转速测量系统有以下几个部分构成，转速测量框图如图 所示。 图 转 速测量框图 1． 转速 信号拾取 转速 信号拾取是整个系统的前端通道，目的是将外界的非电参量，通过一定方式转换成电量，这一环节可以通过敏感元件、传感器或测量仪表等来实现。 2．整形和 放大 前向通道中，将传感器输出的信号转换成 单片机 输入要求的信号。 3．单片机 单片机是整个测量系统的主要部分，担负对前端脉冲信号的处理、计算、以及信号的同步，计时等任务，其次，将测量的数据经计算后，将得到的转速值传送到显示接口中，用液晶显示器显示数值。 在本系统中考虑到计数的范围、使用的定时 /计数器的个数及 I/O 口线，选用 STC89C52 单片机。 4．驱动和显示 液晶显示器以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄超轻等诸多优点，在袖珍式仪表和低功耗应用 系统中得到越来越广泛应用。 由于 本系统 采用独立供电的方案，所以也选用了液晶来显示。 转速测量原理 测周期法“ T 法” 转速可以用两脉冲产生的间隔宽度 TP来决定。 用以采集数据的码盘，可以是 单片机 显示接口芯片 键盘 整形和放大 驱动电路 显示 转速信号拾取 12 单孔或多孔，对于单孔码盘测量两次脉冲间的时间，就可测出转述数据， TP也可以用时钟脉冲数来表示。 对于多孔码盘，其测量的时间只是每转的 1/N， N 为码盘孔数。 如图 “ T”法脉宽测量所示。 TP通过定时 器测得。 定时器对时基脉冲 (频率为 fc)进行计数定时，在 TP内计数值若为 m2，则 计算公式为： n = 60/PTp （ ） 即： n = 60fc/Pm2 （ ） P — 为转轴转一周脉冲发生器产生的脉冲数； fc— 为硬件产生的基准时钟脉冲频率：单位（ Hz）； n — 转速单位：（转 /分）； m2— 时基脉冲。 输入脉冲 时基脉冲 图 “ T”法脉宽测量 由 “ T”法脉宽测量可知“ T”法测量精度的误差主要有两个方面，一是两脉冲的上升沿触发时间不一致而产生的；二是计数和定时起始和关闭不一致而产生的。 因此要求脉冲的上升沿（或下降沿）陡峭和计数和定时严格同步。 测周法在低转速时精度较高，但随着转速的增加，精度变差， 会 有小于一个脉冲的误差存在。 测频率法“ M 法” 在一定测量时间 T 内，测量脉冲发生器（替代输入脉冲）产生的脉 冲数 m1来测量转速，如图 “ M”法测量转速脉冲所示，设在时间 T 内，转轴转过的弧度数为 Xτ ，则转速 n 可由下式表示： 13 n=60Xτ /2π T () 转轴转过的弧度数 Xτ 可用下式所示 Xτ =2π m1/p () 图 “ M”法测量转速脉冲 将（ 36）式代入（ 35）式得 转速 n的表达式为： n=60m1/TP () n转速单位：（转 /分）； T定时时间单位：（秒）。 在该方法中， 由于定时时间 T和脉冲不能保证严格同步，以及在 定时时间 T内能否 准确测量外部脉冲的完整 周期 等问题的影响 ， 所以 可能产生 1个脉冲的量化误差。 因此，为了提高测量精度， 要保证定时时间 T 足够长。 定时时间 T可根据测量对象情况预先设置。 设置的时间过长， 虽然 可以提高精度，但在转速较快的情况下，所计的脉冲数增大 （码盘孔数已经确定的 情况下） ，限制了转速测量的量程。 而设置的时间过短，测量精度 又 会受到一定的影响。 测频测周期法“ M/T 法” 所谓测频测周 期 法，即是综合了“ T”法和“ M”法分别对高、低转速具有的不同精度，利用各自的优点而产生的方法，精度位于两者之间，如图 “ M/T”法定时 /计数测量所示。 “ M/T”法采用三个定时 /计数器，同时对输入脉冲、高频脉冲（由振荡器产 14 生）、及预设的定时时间进行定时和计数， m1反映转角， m2反映测速的准确时间，通过计算可得转速值 n。 该法在高速及低速时都具有相对较高的精度。 测速时间Td 由脉冲发生器脉冲来同步，即 Td 等于 m1个脉冲周期。 由图可见，从 a点开始，计数器对 m1和 m2计数，到达 b 点，预定的测速时 间时，计算机发出停止计数的指令，因为 TC不一定正好等于整数个脉冲发生器脉冲周期，所以，计数器仍对高频脉冲继续计数，到达 c 点时，脉冲发生器 产生的 脉冲上升沿使计数器停止 计数 ，这样， m2就代表了 m1个脉冲周期的时间。 “ M/T”法综合了“ T”和“ M”两种方法，转速计算如下： 设高频脉冲的频率为 fC，脉冲发生器每转发出 P个脉冲，由式（ ）和（ ）可得 M/T 法转速计算公式为： n=60fcm1/pm2 () n转速值。 单位：（转 /分）； fc晶体震荡频率：单位（ Hz）； m1输入脉冲数，反映转角； m2时基脉冲数。 图 “ M/T”法定时 /计数测量 通过误差和精度分析可知， M法适合于高速测量，当转速越低，产生的误差会越大。 T 法适合于低速测量，转速越大，误差越大。 M/T 这种转速测量方法的相对误差与转速 n无关，只与晶体振荡产生的脉冲有关，故可适合各种转速下的测量。 保证其测量精度的途径是增大定时时间 T，或提高时基脉冲的频率 fc。 在实际操作时往往采用一种称变 M/T 的测量方法。 所谓 的 变 M/T 法， 就是 在 15 M/T 法的基础上，让测量时间 Tc始 终等于转速输入脉冲信号的周期之和，并根据第一次 所测 的转速及时 调整预测时间 Tc， 这样就解决了不同转速情况下 的测量精度 问题。 基于 M法 来测量转速 ，电路和程序均较为简单，且可以在一定的条件下满足精度的要求，所以本设计中采用 M法进行测量，误差和精度的具体分析过程在此不做复述。 16 4 智能转速测量系统的硬件结构 系统的硬件结构 本转速测量系统有以下几个部分构成，如图。 图 转速测量系统方框图 本 设计 的硬件主要由光电传感器、信号处理电路、单片机 STC89C5键盘、LCD 显示 等部分组成。 如图 ，当测速转盘转动时，光电传感器接收反射纸反射 的 激光 信号 ， 产生一个脉冲电信号，然后把信号送入放大电路、整形及三极管组成的 整形电路进行 信号 处理，将 模拟 波信号转化为 TTL 电平输出到 单片机 计数器中 进行转速计数，最后通过液晶显示器显示其数值。 硬件电路图如图附件 1 所示。 转速信号 发射与 拾取的结构 本设计中采集信号部分是通过光电传感器来实现，利用测速转盘将激光信号转变成单片机能够处理的电信号。 测速转盘位于 激光 二极管和 接收光电传感器 正前方 ，采用 +5V 电压供电，选用合适的电阻值来配合 其工作。 激光 二极管发出的光信号通过反射纸， 光电传感器 表面，并将接收到的光信号转变成电信号输出。 如图 转速传感器电路图所示。 测速转盘 光电传感器 信号处理 单片机 显示 键盘 半导体激光器 17 图 转速 信号发射与接收 电路图 T11234567 891011121314J P 174 L S 04123J P 2发射管123J P 3接收管75R 11R e s 21KR 13R e s 21KR 12R e s 2D S 1激光管D S 2L E D 0V C CV C CV C CV C CC8C a pV C C 18 本 设计中 采用 LCD1602 液晶显示器作为显示部分， P0 口的 ～ 口作为液晶显示器的段驱动， 使用一片 10K的上拉排阻。