基于PWM及槽型光電傳感器的測速與調控系統

黃俊

（湖南鐵道職業技術學院湖南株洲 412001）

現有小車測速系統存在結構復雜、價格貴以及穩定性不夠等問題，本文介紹了一種光電傳感器來測量直流電動驅動小車的速度的系統。這個系統能進行一定的調控速度和反饋調節，并且在液晶屏上顯示速度的變化和路程。直流電動小車及光電傳感器測速和調控系統是以單片機為核心，槽型光電傳感器由發射器和接收器組成，當有物體經過發射器和接收器之間阻斷光線時，形成開關信號，直接送入單片機控制模塊進行控制計數。通過顯示電路和蜂鳴器電路構成系統的輸出模塊，實現對直流電動小車的速度的測量、顯示和報警控制。

1 整體方案設計

以單片機為核心，利用槽型光電傳感器電路作為信號的輸入模塊。根據系統需求，可分為數據采集模塊、控制器模塊、測速模塊、顯示模塊、時鐘模塊等。其中數據采集模塊由槽型光電傳感器組成，光線中斷后將信號送給控制模塊，由單片機完成對該信號的處理，系統設計框圖如圖1所示。

2 核心電路設計

2.1 直流電動小車測速和調速模塊設計

在直流電動小車的輪胎上的齒輪中安裝一個傳感器裝置，要求檢測距離超過一個小車齒輪的寬度，當小車齒輪在不同的時間速度轉動時，能夠及時的把信號發送給單片機。

槽型式光電傳感器通常采用標準的U字型結構，其發射器和接收器分別位于U型槽的兩邊，并形成一個光軸，當被檢測物體經過U型槽并且阻斷光軸時，光電開關就產生了開關量信號。

本設計選擇使用槽型光電傳感器來進行電動小車速度測量，槽型光電傳感器是一款紅外線感應光電產品，由紅外線發射管和紅外線接收管組合而成，而槽寬則決定了感應接收信號的強弱與接收信號的距離，以光為媒介，由發光體與受光體間的紅外光進行接收與轉換，檢測物體的位置。

實物圖如圖2所示。

圖1 系統設計硬件框圖

圖2 槽型光電傳感器實物圖

本設計中3個端口分別連接在單片機的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 調速模塊設計

對小車進行調速時，需將小車電機驅動進行脈沖寬度調節，通過調節脈沖寬度來調節速度大小的間隔。脈沖寬度調制（PWM）是一種對模擬信號電平進行數字編碼的方法。

本設計中通過按鍵選擇不同的PWM序列，達到控制電動小車速度大小的目的，通過調節按鍵的加減來控制速度大小，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，當速度達到最大值時，LED上的燈就會一直亮著，這樣也表示如果燈常亮，那么占空比就越大，小車運動的速度也就越大反之，當燈一亮一滅頻率比較小的時候，占空比就越小，小車的速度也就越小。如圖4所示。

圖4 調速模塊設計圖

2.3 存儲模塊電路設計

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、負電源。第5腳SDA為串行數據輸入/輸出，數據通過這條雙向I2C總線串行傳送，第6腳SCL為串行時鐘輸入線，SDA和SCL都需要和正電源間各接一個10 kΩ的上拉電阻，第7腳用來保護作用。

圖5 存儲電路圖

2.4 顯示模塊電路設計

LCD1602操作難道及操作原理與LCD12864相似，操作較簡單，且可通過編程顯示簡單漢字，可以顯示32字符，并且價格合適，能夠滿足設計要求。

2.5 報警模塊電路設計

本次設計需要一個發聲裝置，用于在測速過程中，速度超過一定值將發出報警。

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，通過控制P3.0的輸出可以使蜂鳴器發聲，P3.0端口輸出高電平蜂鳴器不發聲，反之輸出低電平蜂鳴器發聲。如圖7所示。

圖6 報警模塊的設計

圖7 蜂鳴器原理圖

工作原理：在單片機P3.0端口輸出高電平時，三極管Q2為PNP型，使得三極管發射結和集電結均反偏，三極管處于截止狀態，蜂鳴器不報警；輸出低電平時，使得三極管發射結和集電結均正偏，三極管導通，蜂鳴器報警。

3 軟件設計

此次設計最主要的構成電路為:主要有兩大類程序，一是速度檢測程序模塊，二是速度監控調節程序模塊。速度檢測程序模塊中也包括了通信發送程序模塊、LCD1602顯示程序模塊，速度監控調節程序模塊中包括了通信接收程序模塊、數碼管顯示程序模塊。首先，我們把電路設計為槽型光電傳感器檢測電動小車齒輪運動，再發送信號至控制電路，由控制電路處理識別，再由顯示電路顯示經過控制電路計算后的數據，手動調節按鍵可以調節小車的速度。

3.1 速度檢測程序模塊設計

開始，首先接通電源液晶初始化，在LCD1602上顯示相關參數值，設置定時器T0的參數，然后發送速度V1值，并進行無限循環，最后結束。如圖8所示。

3.1.1 通信發送速度（V1）值程序模塊設計

開始，定義計數器，設置計數方式及波特率，把小車檢測到的速度V1送給串口通信發送端，結束。流程圖如圖9所示。

圖8 主函數流程圖

圖9 通信發送流程圖

3.1.2 中斷測速函數模塊設計

在此程序中，我們用到中斷函數來進行測速。而中斷測速的函數原理為：每當齒輪擋住槽型光電傳感器時，單片機將接收一個外部中斷脈沖信號，而兩個脈沖信號間隔的時間，恰好是每片齒輪擋住一次的時間。利用這一點，可以正確的計算出小車的實際速度和里程如圖10流程圖所示。

圖10 中斷測速函數流程圖

3.2 速度監控模塊程序設計

3.2.1 主函數模塊設計

在監控主函數中，調用了按鍵檢測函數，按鍵設定函數，數碼管顯示函數和通信接收函數。我們調節速度V2值要跟接收過來的實際值速度V1相等，并且對比設定的PWM值。如圖11監控主函數流程圖所示。

圖11 主函數流程圖

3.2.2 通信接收速度（V2）值程序模塊設計

開始，定義計數器，設置計數方式及波特率，把通信發送端所發送的數據接收，接收小車測量速度V1數據，結束。流程圖如12所示。

圖12 通信接收流程圖

4 測試

將槽型光電傳感器安裝到小車的輪胎上，采用兩個比較長的排針腳將它引出來，然后進行一定的焊接，在進行安裝時一定要對齊。把槽型光電傳感器的線接好，因為這個傳感器輸出高電平燈是滅的，輸出低電平燈是亮的，所以當小車的齒輪沒有擋住傳感器光線的對照時，傳感器上會顯示燈亮，反之當小車的齒輪擋住傳感器對射時，傳感器上的燈是滅的，而且要將輪子轉一圈，看小車上的傳感器是亮幾次，滅幾次，如果對整齊的話，會亮5次，滅5次。

圖13 槽型光電傳感器安裝及調試圖

在測速當中采用兩塊單片機開發板，兩個充電寶和一部小車。當按下S3鍵時，小車開始緩慢加速運動，監控系統上的數碼管會顯示了一個2，那么測速系統上的LCD1602上會隨著小車輪子的轉動速度進行變化，路程隨之增加，但不會離監控系統所調速度太遠。把監控系統速度增加到一定值時，那么測速系統中的速度也會隨之增加，當最后把監控中的速度調到最大時，測速系統中的速度會增大到最大值，速度也不會提升，會在監控調節的速度中走動。

圖14 槽型光電傳感器測速圖

5 結論

經過軟硬件的設計和調試測試，該系統能進行一定的調控速度和反饋調節，并且能在液晶屏上顯示速度的變化和路程。具有測速、調速、控速的效果，系統結構簡單、實用，人機界面友好，測速穩定性及可靠性高。后期研究可以向其他方向進行推廣延伸。

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