基于PWM及槽型光電傳感器的測(cè)速與調(diào)控系統(tǒng)

黃俊

（湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院湖南株洲 412001）

現(xiàn)有小車(chē)測(cè)速系統(tǒng)存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格貴以及穩(wěn)定性不夠等問(wèn)題，本文介紹了一種光電傳感器來(lái)測(cè)量直流電動(dòng)驅(qū)動(dòng)小車(chē)的速度的系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)能進(jìn)行一定的調(diào)控速度和反饋調(diào)節(jié)，并且在液晶屏上顯示速度的變化和路程。直流電動(dòng)小車(chē)及光電傳感器測(cè)速和調(diào)控系統(tǒng)是以單片機(jī)為核心，槽型光電傳感器由發(fā)射器和接收器組成，當(dāng)有物體經(jīng)過(guò)發(fā)射器和接收器之間阻斷光線時(shí)，形成開(kāi)關(guān)信號(hào)，直接送入單片機(jī)控制模塊進(jìn)行控制計(jì)數(shù)。通過(guò)顯示電路和蜂鳴器電路構(gòu)成系統(tǒng)的輸出模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電動(dòng)小車(chē)的速度的測(cè)量、顯示和報(bào)警控制。

1 整體方案設(shè)計(jì)

以單片機(jī)為核心，利用槽型光電傳感器電路作為信號(hào)的輸入模塊。根據(jù)系統(tǒng)需求，可分為數(shù)據(jù)采集模塊、控制器模塊、測(cè)速模塊、顯示模塊、時(shí)鐘模塊等。其中數(shù)據(jù)采集模塊由槽型光電傳感器組成，光線中斷后將信號(hào)送給控制模塊，由單片機(jī)完成對(duì)該信號(hào)的處理，系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

2 核心電路設(shè)計(jì)

2.1 直流電動(dòng)小車(chē)測(cè)速和調(diào)速模塊設(shè)計(jì)

在直流電動(dòng)小車(chē)的輪胎上的齒輪中安裝一個(gè)傳感器裝置，要求檢測(cè)距離超過(guò)一個(gè)小車(chē)齒輪的寬度，當(dāng)小車(chē)齒輪在不同的時(shí)間速度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，能夠及時(shí)的把信號(hào)發(fā)送給單片機(jī)。

槽型式光電傳感器通常采用標(biāo)準(zhǔn)的U字型結(jié)構(gòu)，其發(fā)射器和接收器分別位于U型槽的兩邊，并形成一個(gè)光軸，當(dāng)被檢測(cè)物體經(jīng)過(guò)U型槽并且阻斷光軸時(shí)，光電開(kāi)關(guān)就產(chǎn)生了開(kāi)關(guān)量信號(hào)。

本設(shè)計(jì)選擇使用槽型光電傳感器來(lái)進(jìn)行電動(dòng)小車(chē)速度測(cè)量，槽型光電傳感器是一款紅外線感應(yīng)光電產(chǎn)品，由紅外線發(fā)射管和紅外線接收管組合而成，而槽寬則決定了感應(yīng)接收信號(hào)的強(qiáng)弱與接收信號(hào)的距離，以光為媒介，由發(fā)光體與受光體間的紅外光進(jìn)行接收與轉(zhuǎn)換，檢測(cè)物體的位置。

實(shí)物圖如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)硬件框圖

圖2 槽型光電傳感器實(shí)物圖

本設(shè)計(jì)中3個(gè)端口分別連接在單片機(jī)的VCC、GND和P3.2端口上。槽型光電傳感器接線圖如圖3所示。

圖3 槽型光電傳感器接線圖

2.2 調(diào)速模塊設(shè)計(jì)

對(duì)小車(chē)進(jìn)行調(diào)速時(shí)，需將小車(chē)電機(jī)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行脈沖寬度調(diào)節(jié)，通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖寬度來(lái)調(diào)節(jié)速度大小的間隔。脈沖寬度調(diào)制（PWM）是一種對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。

本設(shè)計(jì)中通過(guò)按鍵選擇不同的PWM序列，達(dá)到控制電動(dòng)小車(chē)速度大小的目的，通過(guò)調(diào)節(jié)按鍵的加減來(lái)控制速度大小，用燈顯示其變化的頻率，燈亮頻率的越低速度越慢，燈亮的頻率越高速度越快，當(dāng)速度達(dá)到最大值時(shí)，LED上的燈就會(huì)一直亮著，這樣也表示如果燈常亮，那么占空比就越大，小車(chē)運(yùn)動(dòng)的速度也就越大反之，當(dāng)燈一亮一滅頻率比較小的時(shí)候，占空比就越小，小車(chē)的速度也就越小。如圖4所示。

圖4 調(diào)速模塊設(shè)計(jì)圖

2.3 存儲(chǔ)模塊電路設(shè)計(jì)

圖5中AT24C02的1、2、3腳是3條地址線，用于I2C總線的尋址。第8腳和第4腳分別為正、負(fù)電源。第5腳SDA為串行數(shù)據(jù)輸入/輸出，數(shù)據(jù)通過(guò)這條雙向I2C總線串行傳送，第6腳SCL為串行時(shí)鐘輸入線，SDA和SCL都需要和正電源間各接一個(gè)10 kΩ的上拉電阻，第7腳用來(lái)保護(hù)作用。

圖5 存儲(chǔ)電路圖

2.4 顯示模塊電路設(shè)計(jì)

LCD1602操作難道及操作原理與LCD12864相似，操作較簡(jiǎn)單，且可通過(guò)編程顯示簡(jiǎn)單漢字，可以顯示32字符，并且價(jià)格合適，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

2.5 報(bào)警模塊電路設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)需要一個(gè)發(fā)聲裝置，用于在測(cè)速過(guò)程中，速度超過(guò)一定值將發(fā)出報(bào)警。

本模塊是采用有源蜂鳴器、與限流電阻和PNP型的三極管組成。本模塊的輸入與AT89C52的P3.0相連，通過(guò)控制P3.0的輸出可以使蜂鳴器發(fā)聲，P3.0端口輸出高電平蜂鳴器不發(fā)聲，反之輸出低電平蜂鳴器發(fā)聲。如圖7所示。

圖6 報(bào)警模塊的設(shè)計(jì)

圖7 蜂鳴器原理圖

工作原理：在單片機(jī)P3.0端口輸出高電平時(shí)，三極管Q2為PNP型，使得三極管發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均反偏，三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，蜂鳴器不報(bào)警；輸出低電平時(shí)，使得三極管發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均正偏，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器報(bào)警。

3 軟件設(shè)計(jì)

此次設(shè)計(jì)最主要的構(gòu)成電路為:主要有兩大類(lèi)程序，一是速度檢測(cè)程序模塊，二是速度監(jiān)控調(diào)節(jié)程序模塊。速度檢測(cè)程序模塊中也包括了通信發(fā)送程序模塊、LCD1602顯示程序模塊，速度監(jiān)控調(diào)節(jié)程序模塊中包括了通信接收程序模塊、數(shù)碼管顯示程序模塊。首先，我們把電路設(shè)計(jì)為槽型光電傳感器檢測(cè)電動(dòng)小車(chē)齒輪運(yùn)動(dòng)，再發(fā)送信號(hào)至控制電路，由控制電路處理識(shí)別，再由顯示電路顯示經(jīng)過(guò)控制電路計(jì)算后的數(shù)據(jù)，手動(dòng)調(diào)節(jié)按鍵可以調(diào)節(jié)小車(chē)的速度。

3.1 速度檢測(cè)程序模塊設(shè)計(jì)

開(kāi)始，首先接通電源液晶初始化，在LCD1602上顯示相關(guān)參數(shù)值，設(shè)置定時(shí)器T0的參數(shù)，然后發(fā)送速度V1值，并進(jìn)行無(wú)限循環(huán)，最后結(jié)束。如圖8所示。

3.1.1 通信發(fā)送速度（V1）值程序模塊設(shè)計(jì)

開(kāi)始，定義計(jì)數(shù)器，設(shè)置計(jì)數(shù)方式及波特率，把小車(chē)檢測(cè)到的速度V1送給串口通信發(fā)送端，結(jié)束。流程圖如圖9所示。

圖8 主函數(shù)流程圖

圖9 通信發(fā)送流程圖

3.1.2 中斷測(cè)速函數(shù)模塊設(shè)計(jì)

在此程序中，我們用到中斷函數(shù)來(lái)進(jìn)行測(cè)速。而中斷測(cè)速的函數(shù)原理為：每當(dāng)齒輪擋住槽型光電傳感器時(shí)，單片機(jī)將接收一個(gè)外部中斷脈沖信號(hào)，而兩個(gè)脈沖信號(hào)間隔的時(shí)間，恰好是每片齒輪擋住一次的時(shí)間。利用這一點(diǎn)，可以正確的計(jì)算出小車(chē)的實(shí)際速度和里程如圖10流程圖所示。

圖10 中斷測(cè)速函數(shù)流程圖

3.2 速度監(jiān)控模塊程序設(shè)計(jì)

3.2.1 主函數(shù)模塊設(shè)計(jì)

在監(jiān)控主函數(shù)中，調(diào)用了按鍵檢測(cè)函數(shù)，按鍵設(shè)定函數(shù)，數(shù)碼管顯示函數(shù)和通信接收函數(shù)。我們調(diào)節(jié)速度V2值要跟接收過(guò)來(lái)的實(shí)際值速度V1相等，并且對(duì)比設(shè)定的PWM值。如圖11監(jiān)控主函數(shù)流程圖所示。

圖11 主函數(shù)流程圖

3.2.2 通信接收速度（V2）值程序模塊設(shè)計(jì)

開(kāi)始，定義計(jì)數(shù)器，設(shè)置計(jì)數(shù)方式及波特率，把通信發(fā)送端所發(fā)送的數(shù)據(jù)接收，接收小車(chē)測(cè)量速度V1數(shù)據(jù)，結(jié)束。流程圖如12所示。

圖12 通信接收流程圖

4 測(cè)試

將槽型光電傳感器安裝到小車(chē)的輪胎上，采用兩個(gè)比較長(zhǎng)的排針腳將它引出來(lái)，然后進(jìn)行一定的焊接，在進(jìn)行安裝時(shí)一定要對(duì)齊。把槽型光電傳感器的線接好，因?yàn)檫@個(gè)傳感器輸出高電平燈是滅的，輸出低電平燈是亮的，所以當(dāng)小車(chē)的齒輪沒(méi)有擋住傳感器光線的對(duì)照時(shí)，傳感器上會(huì)顯示燈亮，反之當(dāng)小車(chē)的齒輪擋住傳感器對(duì)射時(shí)，傳感器上的燈是滅的，而且要將輪子轉(zhuǎn)一圈，看小車(chē)上的傳感器是亮幾次，滅幾次，如果對(duì)整齊的話，會(huì)亮5次，滅5次。

圖13 槽型光電傳感器安裝及調(diào)試圖

在測(cè)速當(dāng)中采用兩塊單片機(jī)開(kāi)發(fā)板，兩個(gè)充電寶和一部小車(chē)。當(dāng)按下S3鍵時(shí)，小車(chē)開(kāi)始緩慢加速運(yùn)動(dòng)，監(jiān)控系統(tǒng)上的數(shù)碼管會(huì)顯示了一個(gè)2，那么測(cè)速系統(tǒng)上的LCD1602上會(huì)隨著小車(chē)輪子的轉(zhuǎn)動(dòng)速度進(jìn)行變化，路程隨之增加，但不會(huì)離監(jiān)控系統(tǒng)所調(diào)速度太遠(yuǎn)。把監(jiān)控系統(tǒng)速度增加到一定值時(shí)，那么測(cè)速系統(tǒng)中的速度也會(huì)隨之增加，當(dāng)最后把監(jiān)控中的速度調(diào)到最大時(shí)，測(cè)速系統(tǒng)中的速度會(huì)增大到最大值，速度也不會(huì)提升，會(huì)在監(jiān)控調(diào)節(jié)的速度中走動(dòng)。

圖14 槽型光電傳感器測(cè)速圖

5 結(jié)論

經(jīng)過(guò)軟硬件的設(shè)計(jì)和調(diào)試測(cè)試，該系統(tǒng)能進(jìn)行一定的調(diào)控速度和反饋調(diào)節(jié)，并且能在液晶屏上顯示速度的變化和路程。具有測(cè)速、調(diào)速、控速的效果，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)用，人機(jī)界面友好，測(cè)速穩(wěn)定性及可靠性高。后期研究可以向其他方向進(jìn)行推廣延伸。

[1]王文成，李健.基于單片機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2011（8）:70-72.

[2]陳育中.霍爾傳感器測(cè)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2010，10（30）:7529-7532.

[3]樊學(xué)能.基于PID算法的直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].機(jī)械制造及自動(dòng)化，2011（3）:175-178.

[4]左兆陸，鄭賓，丁高林，等.基于紅外線光電開(kāi)關(guān)的測(cè)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].自動(dòng)化與儀表，2011，3（8）:82-84.

[5]左兆陸，鄭賓，甘潦，等.一種紅外光幕測(cè)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用 [J].工程設(shè)計(jì)學(xué)院，2011，18（2）:149-152.

[6]張華，鄭賓，武曉棟.基于單片機(jī)的紅外光電開(kāi)關(guān)測(cè)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].伺服控制，2012（8）:47-49.

[7]馮雪麗，顏伏伍，胡杰.基于改進(jìn)的擴(kuò)展卡爾曼濾波在GPS測(cè)速中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2016，39（8）:30-32，36.

[8]韓瑩.基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線定位及測(cè)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2012.

[9]盧偉，占雪梅，李?yuàn)檴?基于STM32的智能溫控杯控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2016，35（19）：92-94．

[10]王桔，洪梅.基于STM32單片機(jī)的恒溫箱系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].長(zhǎng)春大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2015，25（4）:13-16．

[11]王超.基于半導(dǎo)體制冷技術(shù)的微型溫控箱研制[D].西安:陜西師范大學(xué)，2014．

[12]王燦，彭琛.基于模糊PID控制的發(fā)泡機(jī)溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2016，29（12）：230-232．

[13]霍振宇.基于模糊PID的加熱爐爐溫控制系統(tǒng)[J].化工自動(dòng)化及儀表，2011，9（38）:1136-1139.

[14]劉輝，王柯.大型紅外模擬目標(biāo)靶溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2016，24（8）：218-221.

[15]蘭艷亭，陳曉棟.模糊PID參數(shù)自整定控制器的設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2012，6（3）:125-126.

[16]申超群，王曉侃，孫忠良.電動(dòng)汽車(chē)充電站智能監(jiān)控系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[J].華東電力，2011，39（6）:1000-1003.