黃俊

（湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院湖南株洲 412001）

現(xiàn)有小車測速系統(tǒng)存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價格貴以及穩(wěn)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(qū)動小車的速度的系統(tǒng)。這個系統(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。直流電動小車及光電傳感器測速和調(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)過發(fā)射器和接收器之間阻斷光線時，形成開關(guān)信號，直接送入單片機(jī)控制模塊進(jìn)行控制計數(shù)。通過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(shè)計

以單片機(jī)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(jù)系統(tǒng)需求，可分為數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集模塊由槽型光電傳感器組成，光線中斷后將信號送給控制模塊，由單片機(jī)完成對該信號的處理，系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖1所示。

2 核心電路設(shè)計

2.1 直流電動小車測速和調(diào)速模塊設(shè)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(dāng)小車齒輪在不同的時間速度轉(zhuǎn)動時，能夠及時的把信號發(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，并形成一個光軸，當(dāng)被檢測物體經(jīng)過U型槽并且阻斷光軸時，光電開關(guān)就產(chǎn)生了開關(guān)量信號。

本設(shè)計選擇使用槽型光電傳感器來進(jìn)行電動小車速度測量，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)接收信號的強(qiáng)弱與接收信號的距離，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，檢測物體的位置。

實(shí)物圖如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計硬件框圖

圖2 槽型光電傳感器實(shí)物圖

本設(shè)計中3個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

對小車進(jìn)行調(diào)速時，需將小車電機(jī)驅(qū)動進(jìn)行脈沖寬度調(diào)節(jié)，通過調(diào)節(jié)脈沖寬度來調(diào)節(jié)速度大小的間隔。脈沖寬度調(diào)制（PWM）是一種對模擬信號電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。

本設(shè)計中通過按鍵選擇不同的PWM序列，達(dá)到控制電動小車速度大小的目的，通過調(diào)節(jié)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(dāng)速度達(dá)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(yùn)動的速度也就越大反之，當(dāng)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(diào)速模塊設(shè)計圖

2.3 存儲模塊電路設(shè)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(fù)電源。第5腳SDA為串行數(shù)據(jù)輸入/輸出，數(shù)據(jù)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(hù)作用。

圖5 存儲電路圖

2.4 顯示模塊電路設(shè)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(shè)計要求。

2.5 報警模塊電路設(shè)計

本次設(shè)計需要一個發(fā)聲裝置，用于在測速過程中，速度超過一定值將發(fā)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(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 報警模塊的設(shè)計

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，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)，蜂鳴器不報警；輸出低電平時，使得三極管發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均正偏，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器報警。

3 軟件設(shè)計

此次設(shè)計最主要的構(gòu)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(jiān)控調(diào)節(jié)程序模塊。速度檢測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)計為槽型光電傳感器檢測電動小車齒輪運(yùn)動，再發(fā)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(jīng)過控制電路計算后的數(shù)據(jù)，手動調(diào)節(jié)按鍵可以調(diào)節(jié)小車的速度。

3.1 速度檢測程序模塊設(shè)計

開始，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)置定時器T0的參數(shù)，然后發(fā)送速度V1值，并進(jìn)行無限循環(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

開始，定義計數(shù)器，設(shè)置計數(shù)方式及波特率，把小車檢測到的速度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 中斷測速函數(shù)模塊設(shè)計

在此程序中，我們用到中斷函數(shù)來進(jìn)行測速。而中斷測速的函數(shù)原理為：每當(dāng)齒輪擋住槽型光電傳感器時，單片機(jī)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(diǎn)，可以正確的計算出小車的實(shí)際速度和里程如圖10流程圖所示。

圖10 中斷測速函數(shù)流程圖

3.2 速度監(jiān)控模塊程序設(shè)計

3.2.1 主函數(shù)模塊設(shè)計

在監(jiān)控主函數(shù)中，調(diào)用了按鍵檢測函數(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值要跟接收過來的實(shí)際值速度V1相等，并且對比設(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

開始，定義計數(shù)器，設(shè)置計數(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，接收小車測量速度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(jìn)行一定的焊接，在進(jìn)行安裝時一定要對齊。把槽型光電傳感器的線接好，因?yàn)檫@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(dāng)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(dāng)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(zhuǎn)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(diào)試圖

在測速當(dāng)中采用兩塊單片機(jī)開發(fā)板，兩個充電寶和一部小車。當(dāng)按下S3鍵時，小車開始緩慢加速運(yùn)動，監(jiān)控系統(tǒng)上的數(shù)碼管會顯示了一個2，那么測速系統(tǒng)上的LCD1602上會隨著小車輪子的轉(zhuǎn)動速度進(jìn)行變化，路程隨之增加，但不會離監(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，那么測速系統(tǒng)中的速度也會隨之增加，當(dāng)最后把監(jiān)控中的速度調(diào)到最大時，測速系統(tǒng)中的速度會增大到最大值，速度也不會提升，會在監(jiān)控調(diào)節(jié)的速度中走動。

圖14 槽型光電傳感器測速圖

5 結(jié)論

經(jīng)過軟硬件的設(shè)計和調(diào)試測試，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。具有測速、調(diào)速、控速的效果，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、實(shí)用，人機(jī)界面友好，測速穩(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。

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