学习如何使用C8051单片机、光电传感器和旋转盘制作转速表和速度表。
本项目使用C8051单片机开发工具包、光电传感器、变速直流电机、直径5英寸的透明光盘和Simplicity Studio IDE，快速、轻松地构建转速表和速度表。测量数据通过UART发送到终端窗口。
这是一个分两部分的项目的第一部分。第二部分将在LCD屏幕上显示数据，使用键盘循环通过测量数据。你可以跳过去学习如何添加键盘和LCD．
C8051F930单片机开发工具包
C8051F930开发套件的目的是作为微控制器的开发平台C8051F92x-C8051F93x单片机的家庭。此工具包附带安装了C8051F930微控制器-见下图1。
图1所示。C8051F930开发工具包。C8051F930单片机(红框)。
C8051F930单片机具有以下特点:
- 单电源:0.9至3.6V
- 高速8051µC芯
- 10位ADC
- 4352字节的内部数据RAM
- 64 kb闪存
- 24端口I / O
- SMBus, I2C, 2× SPI, UART
- 片上调试
图2。C8051F930方框图。来自数据表via的图像硅实验室
Silicon Labs IDE被称为Simplicity Studio，可以下载在这里．
光电传感器
本项目使用的光电传感器，其制造商在技术上称为a割缝光开关．此光开关的制造商部件号为OPB816Z．我选择这个特殊的装置是因为它的间隙/槽口相当大——0.20”(5.1毫米)宽，0.61”(15.5毫米)深——允许旋转圆盘“漂浮”在槽口。我知道我需要一些空间来漂浮，因为在最初的测试中，我会用我摇晃的手握住电机和旋转的圆盘。
这个光开关使用一个红外发光二极管和一个NPN光电晶体管。当一个不透明的物体通过这个槽时，光电晶体管就会发生开关:当二极管和光电晶体管之间没有势垒时，光电晶体管是导电的，输出是低的(~0.2V)。相比之下，当阻挡二极管的IR照明时，光电晶体管处于截止状态，集电极节点被拉高(3.3V)。
决定使用这个设备的另一个原因是，如下图所示，它是用26AWG线(24英寸长)预布线的。这个预先连接的选项使这个设备连接到我的面包板更加容易。
图3。预有线光开关(槽型)。图片由Digi-Key
直流电机
对于这个项目，我重新使用了一个直流电机，我发现/删除期间打印机拆卸．的电机的特点是作为碳刷电机，额定工作电压高达42VDC。在我的测试以及下面的演示视频中，我使用了从0V到大约12V的可变直流电压为电机供电。
图4。直流电机
旋转圆盘
对于光盘，我想要一些相当硬但相当薄的东西，直径不大于6英寸(为了使用方便)，和透明的。我决定用直径5英寸，厚度1/16英寸的，透明丙烯酸有机玻璃盘下图显示的是光盘——蓝色的覆盖物仅仅是一层保护膜。
图5。直径为5英寸的透明圆盘。
零件清单
| 项目# | 描述/来源 | 成本(每个) | 其他信息 |
|---|---|---|---|
| 1 | C8051F930开发工具包 | 99.00美元 | 用户指南 快速启动指南 C8051F930数据表 注:原理图在用户手册的第23-25页 指南。 |
| 2 | 电路试验板 | 8.98美元 | 或同等 |
| 3. | 跳线设备 | 5.28美元 | 或同等 |
| 4 | 透明丙烯酸树脂玻璃碟 | 7.99美元 | |
| 5 | 光学传感器 | 3.62美元 | |
| 6 | 直流电机 | 6.55美元 | 该项目中使用的电机是由 打印机拆卸。然而，这个发动机看起来是 一个等价的马达。 |
| 7 | 电阻:3.3 k-ohms | 0.10美元 | 或同等 |
| 8 | 电阻:75 -欧姆 | 0.10美元 | 或同等 |
将光盘安装到电机上
我遇到的一个挑战(当然，这是一个小挑战)是确定如何安全地将电机连接到光盘上。请记住，这个光盘的旋转速度会相对较快:我预计速度会达到或超过30转/秒(每秒转数)。
如果你仔细看看上面的图4，你会注意到安装在电机轴上的齿轮。因为我不能移除齿轮，短的切断它off-trust我，我尝试了真正的努力，因为我想重新用途的光盘和电机在未来，我的目标是安装光盘的方式，不会永久改变光盘或电机。事实证明，附着在圆盘上的保护膜非常牢固，根本不会移动。因此，我尝试，成功和自豪，环氧电机的齿轮保护膜/附在纸标签(见图6)。
在这个项目的结论，我预期能够去除环氧树脂从电机，使用许多溶剂之一在我的车库，和光盘，通过简单地拆除保护膜从光盘本身。这将允许我在另一个项目中重用这两个部分。
最后，在环氧树脂固化后，我修剪掉一些保护膜，并在圆盘上放置一薄条胶带(宽度约2mm)(见图6)。这条胶带充当红外发光二极管和光电晶体管之间的屏障。因此，它充当了光开关的触发机制，用来测量圆盘旋转时每秒的转数。
图6。电机环氧化到阀瓣上。
建立连接/原理图
微控制器端口1引脚2 (P1.2)被配置为数字输入，并连接到光电晶体管的集电极。
选择R1的价值
R1的尺寸必须使光电晶体管在没有光势垒时进入饱和状态。
的传感器的数据表表示最小通态集电极电流为1ma，最大VCE饱和度为0.4 V。因此，电阻必须下降至少(3.3V - 0.4V)，以确保饱和:2.9V / 0.001A = 2900Ω，所以电阻大于~3kΩ是足够的。
选择R2的价值
上面的计算假设二极管正向电流为20mA，所以我们应该将电阻的大小设置为IF= 20 ma。我们拥有的唯一正向电压规格是1.8V at IF马= 20:
$ $ R_2 = \压裂{(3.3 v - 1.8 v)} {20 ma} = 75ω\ $ $
图7。连接图。点击放大
配置微控制器开发工具包
在为微控制器开发套件上电之前，请确保按如下方式配置它:
跳投:
- J11: VBAT到WALL_PWR
- 纺纱,:
- VDD到VIO
- P0.5, TXD
- VBAT_PIN到VBAT
开关:
- SW4:设置为“2 CELL”
- 电源开关(SW5)到“OFF”的位置-我们稍后会改变这个。
电缆:
- 将带状电缆调试适配器连接到J9
- 连接USB调试适配器到您的PC。
- 连接P3和PC之间的USB串口线。
- 将供电的交流/直流电源适配器连接到P2。
计算固件
如前所述，当光开关的槽没有阻挡物时，光电晶体管将导电，并且使用适当大小的电阻，光电晶体管将处于饱和状态。这意味着集电极电压约为0.2 V，即逻辑低。当光电晶体管被阻止“看到”红外发光二极管时，它处于截止状态，集电极节点被R1拉高。固件将计算在给定的时间内，在光电晶体管和红外发光二极管之间出现势垒的次数。利用这些数据，我们将首先计算角速度(ɷ)，单位为转/秒，然后，利用角速度，我们将计算圆盘在其半径下的线速度(英尺/秒和英里/小时)，使用以下公式。
如果$c= 1，则$c= 1，则$c= 1，则$c= 1，则$c= 1，则$c= 1，则$c= 1，则$c= 1，则$c= 1，则$
= 2* pi*r(英寸/转)$$
$$线性\速度= ω \(转/秒)\ *\ c\(英寸/转)$$
$$线性\速度= ω *c\(英寸/秒
转换为英尺/秒(ft/s):
$ $线性\速度ω= \ \压裂{1}{(sec)} * c \(英寸)* \压裂{1 \(英尺)}{12 \(英寸)}$ $
$ $线性\速度= \压裂{\ω* c}{12} \ $ $(英尺/秒)
换算成英里每小时(MPH):
$ $线性\速度ω= \ \压裂{1}{(sec)} * c \(英尺)* \压裂{1 \(英里)}{5280 \(英尺)}* \压裂\ (sec){3600}{1 \(小时)}$ $
在那里,
$$ * * * * * * * * * * * * * * * * *
$r = radius\ of\ disc = 2.5\(英寸
$$c =周长= 2* π *r = 2* π *2.5 *(英寸)= 15.708\(英寸
角速度将以转速/秒和转速/分钟(RPM)显示。
线性速度将显示在两英尺每秒(ft/s)和英里每小时(MPH)。
//----------------------------------------------------------------------------- // 开始时间程序 // ---------------------------------------------------------------------------- 如果(开始时间= = 1){TimerPeriod = 0;//重置TimerT2 = hund_microsecond_timer;//将TimerT2设置为与hund_microsecond_timer值相等。TimerPeriod = (TimerT2-TimerT1);//取计时周期开始和结束之间的差值。TimerT2 = 0;//重置microsecond_timer = 0;//重置StartTimer = 0;//清除此标志。AverageAccumulator + = TimerPeriod; // Add the current timer period measurement to the accumulator. AverageMeasurements--; // Decrement the measurement counter. if(AverageMeasurements == 0) { TimerPeriodAverage = (AverageAccumulator / 100.0); // Calculate the average value: divide the summed AverageAccumulator by the number of measurements. FrequencyAverage = ((1.0/TimerPeriodAverage) * 1000.0); // Calculate the frequency. FeetPerSecond = (3.14159 * DiscDiameter / 12.0 * FrequencyAverage); // Calculation linear speed (ft/s): Pi*2*r/12*period. The "12" converts inches to feet. DiscDiameter = 5 inches. MPH = (0.681818 * FeetPerSecond); // Calculation linear speed (MPH): convert ft/s to MPH. AverageAccumulator = 0; AverageMeasurements = 10; // Reset DisplayResults = 1; // Set flag to display results. } }固件
使用Simplicity Studio ide(特别是使用GUI和.hwconf文件)使C8051微控制器的配置对于这个项目来说非常容易。下面的列表显示了我实现的配置:
- 系统时钟源:采用板载高频振荡器(24.5MHz)
- P1.2端口(连接光交换机采集器)
- 是否配置为数字输入
- Timer0:用于测定旋转圆盘的角速度(每秒转数)。
- Timer0:定时器溢出时间，100µs
- 这意味着椎间盘旋转的持续时间是以100µs的分辨率来测量的。
- Timer1:用于UART通信。
- Timer1:定时器溢出频率:462.264 kHz
- 建立UART的波特率为230400(这是标准化值;实际波特率将是Timer1溢出频率除以2)
用于确定何时触发光学传感器的算法(参见下面的代码片段)使用集电极电压的下降沿。当集电极电压转换到逻辑低时，计时器开始，当下一个下降沿发生时计时器终止——这构成了圆盘的一次旋转。当然，频率是一圈所需时间的倒数。
//----------------------------------------------------------------------------- // main()例程 // ---------------------------------------------------------------------------- int主要(空白){/ /输入默认模式enter_DefaultMode_from_RESET ();SCON0_TI = 1;//当(1){if((OpticalSensor == 1) && (OpticalSensorFallingEdge == 0) && (OpticalSensorRisingEdge == 0)) //如果光传感器高(阻塞)，并且没有上升边或下降边发生。{OpticalSensorRisingEdge = 1;//由于光传感器信号是高的(传感器被阻塞)上升边应该已经发生，所以设置它为1。} else if((OpticalSensor == 0) && (OpticalSensorFallingEdge == 0) && (OpticalSensorRisingEdge == 0)) //如果光传感器是低(清除)，并且//没有上升边或下降边。{OpticalSensorFallingEdge = 1;//由于光传感器信号是低的(传感器是清晰的)下降边应该已经发生，所以设置它为1。} /* else if((OpticalSensor == 0) && (OpticalSensorFallingEdge == 1) && (OpticalSensorRisingEdge == 0)) //如果光传感器为低(清除)，且上升边为低，下降边为高，则信号为低。{/ /什么都不做。 The optical signal is low. } */ else if((OpticalSensor == 1) && (OpticalSensorFallingEdge == 1) && (OpticalSensorRisingEdge == 0)) // If the Optical Sensor is high (blocked), and the // rising edge is low and the falling edge is high, // then the signal just transitioned from low to high. { OpticalSensorRisingEdge = 1; // Set the rising edge (1). OpticalSensorFallingEdge = 0; // Clear the falling edge (0). } else if((OpticalSensor == 1) && (OpticalSensorFallingEdge == 1) && (OpticalSensorRisingEdge == 1)) // If the Optical Sensor is high (blocked) and both the // rising edge and the falling edge are high. { YELLOW_LED = 1; // This condition shouldn't occur. Therefore, turn on the LED signifying that an error condition has occurred. } else if((OpticalSensor == 0) && (OpticalSensorFallingEdge == 0) && (OpticalSensorRisingEdge == 1)) // If the Optical Sensor is low (clear), and the // falling edge is low and the rising edge is high, // then the signal just transitioned from high to low. { OpticalSensorRisingEdge = 0; // Clear the rising edge (0). OpticalSensorFallingEdge = 1; // Set the falling edge (1). StartTimer = 1; // Start the optical sensor period timer. } else if((OpticalSensor == 0) && (OpticalSensorFallingEdge == 1) && (OpticalSensorRisingEdge == 1)) // If the Optical Sensor is low (clear) and both the // rising edge and the falling edge are high. { YELLOW_LED = 1; // This condition shouldn't occur. Therefore, turn on the LED signifying that an error condition has occurred. } /* else if((OpticalSensor == 1) && (OpticalSensorFallingEdge == 0) && (OpticalSensorRisingEdge == 1)) // If the Optical Sensor is high (blocked), and the // rising edge is high and the falling edge is low, // then the signal is high. { // Do nothing. The optical signal is high. } */这个项目的所有代码都可以从下面的链接下载。
Optical_Switch-Tachometer_Speedometer.zip
构建和加载代码…系统测试
在下载、构建和加载代码之后，确保您的终端窗口配置如下:
- 波特率设置为230400
- 数据:8位
- 奇偶校验:没有
- 站:1比特。
现在可以测试系统了!当打开直流电机时，我总是以低电压(低速)开始，然后慢慢增加电压/速度。这有助于防止阀瓣从电机上脱落。
为了验证角速度的准确性，我将我信赖的Saleae逻辑分析仪连接到光开关的采集终端。
如下图所示，逻辑分析仪的频率(Hz)与终端窗口显示的角速度(rev/s)几乎相同。华友世纪!
图8。用Saleae逻辑分析仪检查系统的准确性。点击放大
总结和下一步
正如本文所演示的，使用光开关来确定旋转圆盘的角速度和线速度实际上是非常容易的。最困难的部分是编写固件，但它也不是那么难。
在这个分两部分的项目中，下一步是在LCD屏幕上显示测量数据．一个键盘将被用来循环进行各种测量。
你自己试试这个项目吧!BOM。
