修改光電綜合課程設計--基于發(fā)光二極管( led )和光電二極管( pd )的光幕靶的設計

1、<p>　　光電綜合課程設計報告</p><p>　基于發(fā)光二極管( LED )和光電二極管( PD )的光幕靶的設計</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本文設計一種以8位單片機STC89C51為核心的速度測試系統(tǒng),可應用于實時記錄。采用紅外發(fā)射二極管陣列形成矩形光幕，利用光電二極管陣列測量光幕的光

2、強，當物體穿過光幕時，相應的光電二極管接收到信號，經(jīng)信號采集和處理電路計算出物體的速度。結(jié)果表明，該測速裝置簡單可靠，可滿足范圍速度測量的要求。</p><p>　　關(guān)鍵字:光電二極管陣列 紅外二極管陣列 單片機</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1.前言4</b></

3、p><p><b>　　2.硬件設計4</b></p><p><b>　　2.1發(fā)光系統(tǒng)5</b></p><p>　　2.2光電轉(zhuǎn)換電路6</p><p>　　2.3單片機電路6</p><p><b>　　2.4顯示電路7</b></

4、p><p><b>　　2.5總方案7</b></p><p><b>　　3.軟件設計8</b></p><p>　　4.實驗與分析9</p><p><b>　　4.1實驗數(shù)據(jù)9</b></p><p>　　4.2數(shù)據(jù)分析10</p&

5、gt;<p>　　4.3 缺陷與改進10</p><p><b>　　5.結(jié)論11</b></p><p>　　6.心得體會11</p><p><b>　　致 謝13</b></p><p><b>　　參考文獻14</b></p>

6、;<p><b>　　附錄16</b></p><p>　　附錄1 89C51單片機測速度程序16</p><p>　　附錄2 單片機測速度仿真圖19</p><p>　　附錄3 實物圖20</p><p>　　附錄4 元器件清單20</p><p><b>　

7、　前言</b></p><p>　　光幕靶多應用于輕武器速度測量中，少部分經(jīng)改變其構(gòu)成用于車速測量的運用中。在輕武器飛行彈丸著靶坐標的自動化測試，目前比較成熟的是非接觸式超聲坐標靶。但受到各種因素的限制，產(chǎn)生的干擾很大。而多光幕靶是一種比較成熟的光電自動報靶裝置，通過測量子彈穿過這幾個光幕的時間，計算子彈的彈著點坐標．多光幕靶測試精度高，但結(jié)構(gòu)較復雜，有效靶區(qū)受結(jié)構(gòu)的影響，不易做得很大．</p&

8、gt;<p>　　美國專利描述了一種光電自動報靶裝置，這種光電自動報靶裝置需要平行度較高的光源，結(jié)構(gòu)復雜，靶面面積不能做得太大．英國MSI公司按照這種方案設計的大面積光電自動報靶裝置技術(shù)已經(jīng)很成熟，但靶面面積只能達到2ｍ×2ｍ．</p><p>　　而在火工品產(chǎn)品研制和校驗中, 需要測試運動螺栓和小滑車的初速以及著靶時間。這些參數(shù)是檢驗該產(chǎn)品的關(guān)鍵參數(shù), 能否準確測量, 直接影響該產(chǎn)品對導

9、彈和發(fā)射火箭的點火和引信作用效果。而大多測量時候以人工操作誤差大，接觸碰撞會造成能耗，導致了測量誤差較大。使用非接觸式的光幕靶來進行測量時最佳的選擇。</p><p>　　在射擊之類的比賽等等，需要測量速度的，非接觸式的光幕靶測量無疑是最好的選擇，雖然由于限制，讓其受到影響。</p><p>　　本文是根據(jù)其測量的原理，用LED和PD管搭設光幕靶，以單片機的控制程序進行測試，通過光幕靶的信

10、號進行速度的測量，結(jié)構(gòu)簡單，測量數(shù)據(jù)準確有效。</p><p><b>　　硬件設計</b></p><p>　　本設計工作原理是通過紅外光電管的信號來檢測物體通過固定距離的時間，然后將數(shù)據(jù)交單片機處理，在確定位移的情況下，由時間值通過計算后可得到速度值，然后，單片機將速度值輸出給顯示器。其功能框圖如圖1。</p><p>　　圖1 硬件設計原

11、理框圖</p><p>　　以單片微處理器STC89C51 為核心, 用于對各輸出/輸入接口進行控制, 對脈沖輸入量進行采集計算, 數(shù)據(jù)的存儲使用STC89C51 片內(nèi)RAM, 同時其片內(nèi)RAM 還作為數(shù)據(jù)緩沖器和顯示緩沖區(qū)來使用。</p><p><b>　　2.1發(fā)光系統(tǒng)</b></p><p>　　設計中采用紅外發(fā)光二極管陣列發(fā)射紅外光，

12、形成光幕，相鄰的發(fā)光二極管的直徑為5mm, 則緊密排列后其中心間距為5 mm。根據(jù)紅外發(fā)光二極管的壓降，工作電流，額定電壓等，設計出能使發(fā)光管發(fā)光強度滿足要求，并能穩(wěn)定工作的電路。</p><p>　　光幕靶采用恒壓的設計方法，將每一個紅外發(fā)光二極管串聯(lián)一個電阻后，再并聯(lián)在一起以獲得恒定的電壓，而電壓由單片機電源提供5v電壓。具體電路圖如圖2.</p><p>　　圖2 發(fā)光電路電路圖&l

13、t;/p><p><b>　　2.2光電轉(zhuǎn)換電路</b></p><p>　　由于紅外光敏二極管對紅外光有很高的靈敏度，因此利用紅外光敏二極管作為光電轉(zhuǎn)換器件完成光信號到電信號轉(zhuǎn)換。這種器件具有響應速度快、體積小等優(yōu)點，廣泛應用于光電檢測。該電路設計采用多只光敏二極管串聯(lián)一個電阻后通過74LS21連接起來組成陣列，由74LS21的公共端進行信號的輸入。兩個光幕靶的電路的連

14、接方法相同。其中串聯(lián)的電阻可稍微大一些，有利于增加電路的靈敏度，以提高整個電路測試的精確度。其轉(zhuǎn)換電路的電路圖如圖3.</p><p>　　圖3光電轉(zhuǎn)換電路電路圖</p><p><b>　　2.3單片機電路</b></p><p>　　由PD管轉(zhuǎn)換來的信號，進過74LS21后傳送到輸入端口INT0和INT1，由單片機內(nèi)部程序進行控制，由INT

15、0輸入信號后開始計算時間，在INT1信號輸入后結(jié)束計算，將得到的時間值送到速度計算的子程序中，再將速度值輸出。為了測試的方便，在INT0的信號輸入后，計數(shù)信號直接傳送到顯示電路中，可以更客觀的看到經(jīng)過的時間值。單片機及其外圍電路如圖4.</p><p><b>　　圖4單片機基本電路</b></p><p><b>　　2.4顯示電路</b>&l

16、t;/p><p>　　顯示部分由4位8段LED數(shù)碼管組成，他們的位選線用89C51的P2.2，P2.3，P2.4，P2.5四根線，直接驅(qū)動數(shù)碼管公共端，不用譯碼。</p><p>　　用89C51的P0 口的8 根I /O 口線作為8 段LED數(shù)碼管的段選線</p><p><b>　　2.5總方案</b></p><p>

17、　　整體的電路圖如圖5.由51單片機的復位電路，晶振電路，顯示電路和輸入電路組成，輸入由兩個光幕靶組成。 外部傳感器產(chǎn)生中斷信號1, 時鐘開始計時; 外部傳感器產(chǎn)生中斷信號2, 時鐘終止計時。計時器記錄時間被速度計算程序調(diào)用, 將得到速度值。</p><p>　　圖5光幕靶設計的全電路圖</p><p><b>　　軟件設計</b></p><p&

18、gt;　　軟件的設計主要由C語言進行編程，控制輸入輸出信號和進行運算顯示等功能，其中含有主程序和子程序。</p><p>　　主程序主要對系統(tǒng)進行初始化、送各個參數(shù)的初始值、清緩沖區(qū), 調(diào)用各個子程序等, 如計算程序, 顯示程序。初始化過程如下: 設置CPU的兩個外部中斷, 接收來自傳感器部分的脈沖信號, 和一個時鐘中斷T0, T0溢出一次其溢出次數(shù)寄存器加1, 用于最后計算時間值。中斷服務子程序主要對89C51

19、單片機的外部中斷進行判斷以及啟動和停止定時器等, 顯示子程序主要對采樣的數(shù)據(jù)和計算結(jié)果等進行輸出顯示.</p><p>　　中斷服務程序設一標志位, 標志位為0, 表示現(xiàn)在開始計時(測速開始) , 并置標志位為1; 標志位為1, 表示計時已經(jīng)開始。需要判斷是否要停止計時,如果兩個中斷輸入都為低電平才說明此次測速過程有效.測速程序的流程圖如圖6所示。</p><p>　　圖6測速度程序流程圖

20、</p><p><b>　　實驗與分析</b></p><p><b>　　4.1實驗數(shù)據(jù)</b></p><p>　　在實物完成之后，我們進行了光幕靶的速度測試實驗。其實驗測試數(shù)據(jù)如表1.</p><p>　　表1 光幕靶測速度數(shù)據(jù)</p><p>　　在測試的過程中，我

21、們設定了位移為1米，在軟件的編程中我們也采用了1米，根據(jù)自由落體的規(guī)律，可以用自由落體的規(guī)律公式v=，而在網(wǎng)上可以查找到廣州的加速度g=9.788m/s，因此可以獲得理論的速度為v=4.424m/s.</p><p><b>　　4.2數(shù)據(jù)分析</b></p><p>　　理論值與測量值的差距為0.298m/s,誤差為6.7%，在可以接受的誤差范圍內(nèi)。誤差的產(chǎn)生來源于

22、很多方面。</p><p>　　物體自由落下時，并不完全做自由落體運動，收到空氣阻力，雖然測試所使用的物體面積不大，但阻力不可忽略。</p><p>　　硬件上的誤差，在網(wǎng)上搜索到的資料中可以查到，子彈在開始進入光幕靶時候所產(chǎn)生的信號不強，到一定時間后才會產(chǎn)生明顯的信號，因此，單片機的處理時間會偏低，計算出的速度會偏低。</p><p>　　手動操作的誤差，由于設計

23、中未把兩個光幕靶固定，因此，光幕靶間的距離并非嚴格上的1m.</p><p><b>　　4.3 缺陷與改進</b></p><p>　　1）光幕靶的是用LED和PD管的電路構(gòu)成的，而我們使用的都是紅外發(fā)射和接收，紅外光電二極管對紅外光接收敏感，但其他的光也對其有一定的影響，因此太陽光等光都會對其造成影響，導致計算的精確度降低。</p><p>

24、;　　改進方案：（1）采用黑盒子，排除除了紅外二極管的光</p><p>　　（2）采用濾波整流，放大電路</p><p>　　2）光幕靶的調(diào)整過程是人為的，因此在測試的過程中，兩個光幕靶的要求距離與實際距離間有一定的差距，導致了誤差。</p><p>　　改進方案：將測速度的兩個光幕靶綜合在一個固定架上，可采用滾珠絲杠原理設計靶架, 可方便地調(diào)節(jié)。</p&g

25、t;<p>　　3）兩個光幕靶的距離很長，在其中的速度變化量難以預知，而在設計中采用的是通過兩個光幕靶才能測出一個速度。</p><p>　　改進方案：在一個光幕靶上設計兩列的發(fā)射和接收管，使得物體通過一個光幕靶時候就產(chǎn)生兩個信號，得到一個速度，在整個實驗中就可以得到兩個速度，求得的平均值更接近真實速度。</p><p><b>　　結(jié)論</b><

26、/p><p>　　本文設計的是一種基于LED和PD的光幕靶，是一種利用雙光幕光幕靶進行物體速度測量的設計方法，該方法結(jié)果簡單，拓展性強，經(jīng)改進后能很好的運用于速度測量。由于設計中選用的STC89C51單片機具有豐富的片上外圍功能模塊，使得整體電路簡單，降低了成本。</p><p>　　制作的光幕靶在實驗時，PD管在一定的距離上能接收到穩(wěn)定可靠的光的通斷信號，單片機能成功的計算并顯示物體經(jīng)過兩個

27、光幕靶的平均速度，且達到一定的精度。而數(shù)碼管能在物體通過第一個光幕靶時候開始持續(xù)的顯示時間，直到通過下一個光幕靶時顯示物體的速度。當只遮住第一個光幕靶，物體不再前進，或者后退，該測速裝置都不會對其進行測速，達到了預想的效果。</p><p><b>　　心得體會</b></p><p>　　本次的課程設計是使用LED和PD進行光幕靶的設計，并進行速度的測量，在課程設計

28、的過程中，查閱的資料不多，能在設計上運用的資料也不多，查找到更多的資料是讓我們了解到光幕靶的原理和應用。從51單片機的編程到仿真，光幕靶和天幕靶的電路設計，都花費了不少的時間，經(jīng)歷了很多次的失敗之后，在不斷的改進下，能很好的測量通過光幕靶的物體的速度，也算完成了該次的課程設計。</p><p>　　雖然在各個方面來說，我們設計的電路結(jié)構(gòu)很簡單，只是利用了測速的原理和最基本的系統(tǒng)，但只要根據(jù)需要進行一定的改進，我相

29、信能運用到很多的方面，在設計的過程中，我們發(fā)現(xiàn)需要考慮的因素有很多，在接收信號的時候需要濾波和整流，再進行放大，LED的電路需要恒壓之類的，還要排除干擾，而因為這是一個小型的測速系統(tǒng)，因此并沒有考慮到這些因素，也就是說，該設計會受到外在因素的影響，影響到精確度。</p><p>　　最后，在這次的設計中，我們懂得了很多的方案都需要從最簡單的開始思考，雖然詳盡的思考可以免除一些問題，卻也容易讓我們往復雜的方向思考，

30、使得方案難以實行。只有在參考資料和自己的改進下，才能做出滿意的作品。</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　非常感謝羅霞老師和趙懿琨老師在做課題設計和做實驗的這段時間里對我們小組的指導和建議。因為您們的指導，使我們能順利完成課題設計和論文。</p><p>　　最后，向?qū)忛喓驮u議本論文的老師們致以深深的謝意，謝謝

31、。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　1）韓鋒，劉群華. 紅外天幕靶信號采集及調(diào)理電路設計[J]. 彈道與制導學報，2008（4）：282-284</p><p>　　2）劉群華， 韓峰， 蔡榮立， 等. CPLD 在紅外密集度光電立靶測試系統(tǒng)中的抗干擾的應用[J].光學技術(shù)，2004（6）：756-760.&l

32、t;/p><p>　　3）倪晉平, 李晉惠, 王鐵嶺, 等. 智能化多功能測時儀研制[ J] . 西安工業(yè)學院學報, 2000, 20( 3) : 182.</p><p>　　4）李勁松,朱景亮 單片機的智能測速儀的設計與實現(xiàn) 儀表技術(shù) 2007年第1期</p><p>　　5）馬時亮, 倪晉平, 顏家林 基于C51 語言智能測時儀的設計與實現(xiàn) 西安工業(yè)學院學報 20

33、05年8月第4期</p><p>　　6）焦冬莉 基于80C51 的彈速測量裝置 山西電子技術(shù) 2006 年第1 期</p><p>　　7）蔡榮立, 倪晉平, 楊敏等 雙縫光幕靶設計 應用光學 2007年7月第4期</p><p>　　Development Of Light-Screen Based On LED And PD</p><p&

34、gt;<b>　　Abstract</b></p><p>　　A velometer system based on STC89C51 was designed to, apply in the record system of real time in this paper. A rectangular screen was constituted by using the Infrar

35、ed diode array, and the intensity of light was measured by photodiode arrays. When the object passes through the Infrared light emitting diode screens, the photodiode arrays receive signal. the signal is acquired and pro

36、cessed by signal acquistion and processing circuit to calculate the speed of the object . The results show that thi</p><p>　　Key words: photodiode array The infrared diode array MCU </p><p>&l

37、t;b>　　附錄</b></p><p>　　附錄1 89C51單片機測速度程序</p><p>　　#include <reg51.h></p><p>　　#define uint unsigned int</p><p>　　#define uchar unsigned char</p>&

38、lt;p>　　uchar code table[]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0x3f};</p><p>　　ucharnum=0,m=0,flag=0;</p><p>　　longuint v=0,vg=0,vs=0,vb=0,vq=0,vw=0,vsw=0;</p><p>　

39、　sbit a3=P2^2;</p><p>　　sbit a4=P2^3;</p><p>　　sbit a5=P2^4;</p><p>　　sbit a6=P2^5;</p><p>　　void ds_10ms() interrupt 1</p><p><b>　　{</b></p

40、><p>　　TH0=(65535-10000)/256;</p><p>　　TL0=(65535-10000)%256;</p><p><b>　　num++;</b></p><p>　　if(num==100)</p><p><b>　　{</b></p>

41、<p><b>　　num=0;</b></p><p><b>　　m++;</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　void key() interrupt 0</

42、p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　TR0=1;</b></p><p><b>　　flag=1;</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　void key1() interru

43、pt 2</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　TR0=0;</b></p><p><b>　　flag=0;</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　void delay

44、(uchar k)</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　uchari;</b></p><p>　　while(k--)</p><p>　　for(i=0;i<110;i++);</p><p><b>　　}</b&g

45、t;</p><p>　　void display()</p><p><b>　　{</b></p><p>　　a3=1;P0=table[vq];delay(1);a3=0;P0=0xff;</p><p>　　a4=1;P0=table[vb]&~0x80;delay(1);a4=0;P0=0xff;&l

46、t;/p><p>　　a5=1;P0=table[vs];delay(1);a5=0;P0=0xff;</p><p>　　a6=1;P0=table[vg];delay(1);a6=0;P0=0xff;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　void display1()</p><

47、;p><b>　　{</b></p><p>　　a3=1;P0=table[m%100/10];delay(1);a3=0;P0=0xff;</p><p>　　a4=1;P0=table[m%10]&~0x80;delay(1);a4=0;P0=0xff;</p><p>　　a5=1;P0=table[num/10];del

48、ay(1);a5=0;P0=0xff;</p><p>　　a6=1;P0=table[num%10];delay(1);a6=0;P0=0xff;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　voidinit()</p><p><b>　　{</b></p><

49、;p>　　TMOD=0x01;</p><p>　　TH0=(65535-10000)/256;</p><p>　　TL0=(65535-10000)%256;</p><p><b>　　EA=1;</b></p><p><b>　　EX0=1;</b></p><p

50、><b>　　EX1=1;</b></p><p><b>　　ET0=1;</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　void main()</p><p><b>　　{</b></p><p>

51、<b>　　init();</b></p><p><b>　　while(1)</b></p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　if(!flag)</b></p><p><b>　　{</b></

52、p><p>　　if(num||m)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　v=10000/(m*100+num); //1米擴大10000 </p><p><b>　　vg=v%10;</b></p><p>　　vs=v%100/10;</p&

53、gt;<p>　　vb=v%1000/100;</p><p>　　vq=v%10000/1000;</p><p>　　vw=v%100000/10000;</p><p>　　vsw=v%1000000/100000;</p><p><b>　　num=0;</b></p><p&

54、gt;<b>　　m=0;</b></p><p>　　TH0=(65535-10000)/256;</p><p>　　TL0=(65535-10000)%256;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　display();</p><p><b

55、>　　}</b></p><p><b>　　if(flag)</b></p><p><b>　　{</b></p><p>　　display1();</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}

56、</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　附錄2 單片機測速度仿真圖</p><p><b>　　圖7 仿真圖</b></p><p><b>　　附錄3 實物圖</b></p><p><b>　　附錄