哈工大测试技术与仪器大作业传感器的综合应用.pdf

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1、哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学测试技术与仪器大作业二测试技术与仪器大作业二传感器的综合应用传感器的综合应用姓名：姓名：学号：学号：10908104xx10908104xx班级：班级：09081040908104学院：机电学院学院：机电学院专业：机械设计制造及其自动化专业：机械设计制造及其自动化日期：日期：2011.6.232011.6.23哈尔滨工业大学刘玉帅1080810524录录*设计指导书设计指导书3 3一、厚度检测一、厚度检测.3.31、光强位移传感器测量厚度原理32、方案分析33、元器件选择3二、计数器二、计数器5 51、计数器52、设计方案53、系统组成 5参考文献参考文献8 82哈

2、尔滨工业大学刘玉帅1080810524*设计指导书：设计指导书：题目：如图所示的工件，根据图中所示测量要求题目：如图所示的工件，根据图中所示测量要求（1）选用适合的传感器（需要分析其工作原理），并提供实际产品型号（最好有产品照片）、选型参数；（2）设计相应的测量方案，要求为计算机控制的测试系统；（3）绘制方案示意图；（4）绘制测量装置系统框图。（5）如图所示工件，在生产线的 30滑道上自上而下滑落，要求在滑动过程中检测工件厚度，并且计数。图中 4mm 尺寸公差带为 10m。一、厚度检测一、厚度检测1、光强位移传感器测量厚度原理：通过传感器接收受到光强随传感器探头到反光面距离的改变而变化，经光电

3、变换器件转变为直流电压或电流信号后由电路输出。该仪器受到的电压为 U=f（,0,，,），为反光表面的反射率；0为电源发光强度；为光电转换效率；为电路增益；为光路效率；为反射面到传感器探头端口的距离。假设当,0,，,一定时，电压就是 Z 的函数。2、方案分析该方案实现测量结果的前提依赖于其传感器在线性度、重复性、滞缓、灵敏度、分辨力、静态误差、稳定性、漂移等。3、元器件选择芯片 avrmega16l选择 avr 作为 MCU 处理的芯片具有比 89c51 有如下几个优点，工作电压范围为 2.76.0V，电源抗干扰性能强；片内集成16 位指令的程序存储器，总线采用3哈尔滨工业大学刘玉帅108081

4、0524哈佛结构，程序存储器和数据存储器分开组织和寻址；采用 CMOS 工艺技术，精简指令 RISC 结构，用 32 个通用工作寄存器代替了累加器，具有较高的 MIPS/MHZ的能力，具有高速度，低功耗，休眠功能，指令执行速度可达 50ns；自带 8 路复用的单端输入通道的 AD 转换，具有 10 位精度，65260 微妙的转换时间，7路差分输入通道，具有可选的 2.56VADC 的参考电压，连续转换或单次转换模式，ADC 转换结束中断。集成运放 lm358tLM358P 是一块双运算放大电路，该电路由两个独立的高增益运算放大器组成，具有内部频率补偿，该电路可在较宽的电源电压范围内单电源工作，

5、亦可在双电源条件下工作，在电路的实际运用中，双电源正负 5V 的驱动电压，可带来所需要的输出电压宽，具有较高的输入电阻和较小的输出电阻，在内部频率补偿下，放大输出的电压值较稳定，输出电阻若再并联一个电阻可以使得输出的电压波形更好。字符型液晶显示屏 LCM1602LCM 就是将液晶显示器件，连接件，集成电路，pcb 线路板，背光源，结构件装配在一起的部件，由控制器，驱动器和接口三部分组成，由并或串数据装换电路，16 路行驱动器和 16 位移位寄存器，40 路列驱动器和 40 位锁存器，40 位移位寄存器和液晶显示驱动信号输出和液晶显示驱动偏压等组成，单片机与字符型 LCD 显示模块的连接方法分为

6、直接访问和间接访问两种，数据传输可分为 8 位和 4 位两种。探测器-光电二极管光电二极管是利用光生伏特效应制造的光电敏感器件，在反向电压的偏置下，光电流会虽光照的变化而变化。光敏二极管与半导体二极管在结构上是类似的,其管芯是一个具有光敏特征的 PN 结，具有单向导电性，因此工作时需加上反向电压。无光照时,有很小的饱和反向漏电流,即暗电流，此时光敏二极管截止。当受到光照时,饱和反向漏电流大大增加，形成光电流,4哈尔滨工业大学刘玉帅1080810524PN 结时，可以使 PN 结中产生电子一空穴对，使少数载流子的密度增加。这些载流子在反向电压下漂移，使反向电流增加。因此可以利用光照强弱来改变电路

7、中的电流。二、计数器二、计数器1、计数器对某物件进行自动计数，在实际生产生活中具有广泛的应用，对通过的物体进行计数，实现统计数据的搜集，如在生产流水线包装数量控制等领域的应用，能节省劳动力有能高效地完成任务。光电计数器采用光电传感器构成的光电门实现对通过光电门的物体进行计数，是一种非接触式计数，在部分场合有着其无比的优越性，从而使其广泛应用于工业生产、实时监测、自动化控制等领域。本设计为实现光电计数器的功能，采用模数结合的电路，以红外对射光电传感器为传感器件。电路主要分为信号采集电路、两位十进制计数电路、数码显示电路，分别实现对通过光电门的物体感应、计数、显示。2、设计方案为实现以上要求，本设

8、计方案采用红外发射管采用直流供电，接收对管判断是否有物体通过光电门，并且当物体通过光电门时输出一个高电平，触发后面的加法计数器，使其加一，为简单起见，计数器为一组 BCD 码输出，输出由 BCD-七段数码管译码器译码，输入至数码管显示。另此设计还有脉冲电路为红外发光二极管供电，使其发射红外脉冲，从而可以提高瞬时功率而使平均功率满足正常工作要求，从而可以加大光电门的宽度，以通过较大的物体。脉冲发射电路中采用的振荡器采用 555 构成的多谐荡器，其结构简单，便于调试。3、系统组成（1）系统框图 本设计采系统结构如下图所示：由图可见，系统可分为信号采集、计数、显示功能块。（2）单元电路设计信号采集电

9、路设计该电路主要由脉冲（方波）发生电路，光电转换电路，信号滤波比较电路组成。脉冲发生电路为 555 构成的多谐振荡器，振荡频率大约为 30KHz，555 定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件，它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个 RS 触发器，一个放电管 T 及功率输出级，它提供两个基准电压，比较器的参考电压由三只 5K 的电阻器构成分压。A1 和 A2 的输出端控制 RS 触发器状态和放电管开关状态。当输入信号超过时，触发器复位，555 的输出端 3 脚输出低电平，同时放电，开关管导通；当输入信号自 2 脚输5哈尔滨工业大学刘玉帅1080810524时，555 的 3

10、 脚输出高电平，同时放电，开关管截止。RD 是复位端，当其为 0 时，555 输出低电平。平时该端开路或接 VCC。Vc 是控制电压端（5脚），平时输出 2VCC 作为比较器 A1 的参考电平，当 35 脚外接一个输入电压，即改变了比较器的参考电平，从而实现对输出的另一种控制，在不接外加电压时，通常接一个 0.01f 的电容器到地，起滤波作用，以消除外来的干扰，以确保参考电平的稳定。T 为放电管，当 T 导通时，将给接于脚 7 的电容器提供低阻放电电路。电路如下图：图中增加了两个导引二极管，使充放电的电流流过指定的电阻。光电转换电路采用红外发光二极管和光敏三极管作为光电转换传感器，采用典型电路

11、，如下图：从 555 多谐振荡器输出的信号控制小功率三极管的导通与截止，从而控制发光二极管发光与否。接收电路由光敏三极管上接电源并加一下拉电阻实现。发光二极管的正常工作压降大约是 1.2V，电流大约是20mA，从而可以估算出限流6哈尔滨工业大学刘玉帅1080810524150，但是由于由脉冲信号控制，工作时间大约占 20%，因此瞬时功率可以提高 5 倍，即限流电阻减小 80%，大约是 30。光敏三极管在无光照射下，电阻可达输兆欧姆，有足够的关照时，电阻降到几千欧姆，因此其分压电阻可以取几十到几百千欧，具体需根据实际情况调整，这里采用了典型值 33K。图中节点 3 输出含有直流分量的信号，其交流

12、部分大致同步于前面脉冲输出信号。光电转换电路输出信号在有、无物件遮挡住光线时，都输出含有直流交流分量的信号。因此通过滤波电路，可以将两种信号转换为不同电压的直流信号，再通过一定阈值的比较器，可以将两种信号转换为数字电路中的高低电平，从而控制后续电路。电路如下图所示：电路中，R5 和 C3 构成滤波电路，为了减小纹波，一般电阻、电容取得较大。但电容和电阻取得过大又会使的在两种输入信号切换时，电路反应迟钝，这里选用了一般值。比较电路采用 LM258 构成，3 脚输入参考电压，即是阈值电压，2脚输入待处理信号。阈值的选取需根据实际情况设定，是电路能够准确的区分两种不同的输入信号电压，因此采用一电位器

13、从电源分压获得，其中电容 C4 为纹波滤除电容。综合上述三个单元电路，信号采集电路可以实现抗干扰，防止背景光和瓶子抖动产生计数误差，电路情况为当有物体通过时，遮挡住红外光线，电路输出高电平，平时输出 低电平。计数电路主要采用计数器统计信号采集电路输出的脉冲个数，实现对物件计数的功能。为了使电路简单化，在此选用 74LS190 为此电路的计数器。74LS190为可预置十进制同步加减计数器，其预置是异步的，当置入控制端 LD 为低电平时，不管时钟端 CP 状态如何，其计数是同步的，靠输出端即预置成与数据输入端相一致的状态。CP 同时加在四个触发器上而实现的。当计数控制端 CT 为低电平时，在 CP

14、 上升沿作用下同时变化，从而消除了异步计数器中出现的计数尖峰。当计数方式控制 U/D 为低电平时进行加计数；当 U/D 为高电平时进行减计数。只有在 CP 为高电平时 CT 和 U/D 才可以跳变。其有超前进位功能，当计数上溢或下溢时，进位/借位输出端 CO/BO 输出一个宽度等于脉冲周期的高电平脉冲；行波时钟输出端 RC 输出一个宽度等于 CP 低电平部分的低电平脉冲。利用RC 端可级联成 N 位同步计数器。当采用并行时钟控制时，则将 RC 接到后一级 CT；7哈尔滨工业大学刘玉帅1080810524CT 控制时，则将 RC 接到后一级 CP。该电路是实现将计数电路的计数值以数字方式显现出来

15、。计数电路输出两组BCD 码，为了使电路简单，应选用BCD 码七段数码管译码驱动器。在此选用了常用的 74LS48 共阴数码管驱动器，选取共阴八段数码管，但小数点位不用。74LS48 为内部有上拉电阻的 BCD七段数码管译码器/驱动器，输出端为高电平有效，可用于驱动共阴数码管。8哈尔滨工业大学刘玉帅1080810524王红梅 袁良 罗益民 赵珊 广西轻工业 2011 第 1 期陈帅 钟先信 刘积学 石军锋 邵小良 压电与声光 2006 第 3 期曹家年 王克家 杨革文 王琥 仪器仪表学报 2003 第 3 期吴锴 周建军 电视技术 2005 第 9 期陈继宣 龚华平 张在宣 光通信技术 2009 第 10 期姬志艳 李永东 电气自动化 1997 第 3 期-维普资讯网刘殿素 吴言荪 欧勇 仪表技术与传感器 2007 第 7 期刘凯 邹德福 廉五州 马丽铃 马丽敏 仪表技术与传感器 2008 第 1 期刘敏 孙长生 浙江电力 2009 第 2 期-维普资讯网王世平 金新民 童亦斌 电气应用 2005 第 2 期9