基于光電傳感器的速度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王勇++王梨英

摘要：電動(dòng)小車的速度表和里程表都是機(jī)械的，不直觀與方便，人機(jī)交互性差，該文采用光電傳感器，設(shè)計(jì)一款電動(dòng)小車測速系統(tǒng)，傳感器將不同車速轉(zhuǎn)變成不同頻率的脈沖信號(hào)，利用LabVIEW進(jìn)行控制與計(jì)算并實(shí)時(shí)顯示里程和速度，在速度超過閾值時(shí)可自動(dòng)向用戶報(bào)警，實(shí)現(xiàn)對電動(dòng)車的速度監(jiān)控。該項(xiàng)目引入虛擬儀器，進(jìn)行速度監(jiān)控，成本低，經(jīng)過測試，運(yùn)行性能良好，可靠性高，線性度和穩(wěn)定性好，能夠滿足市場需求，具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)小車；光電傳感器；虛擬儀器；速度監(jiān)控

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2017）30-0242-02

Design of Speed Monitoring System Based on Photoelectric Sensor

WANG Yong1，WANG Li-ying2

（1.Hunan Railway Professional Technology College， Zhuzhou 412001，China； 2.CRRC Zhuzhou Electric Locomotive Co.， Ltd.，Zhuzhou 42001， China）

Abstract：Electric car speedometer and odometer are mechanical， not intuitive and convenient， poor human-computer interaction， this paper adopts photoelectric sensor， design an electric car speed sensor system， the different speeds into different frequency pulse signal， control and calculate and display the mileage and speed in real time using LabVIEW， can automatically alarm to users the speed exceeds the threshold， to achieve speed control for electric vehicles. The project introduces virtual instrument to speed monitoring， low cost， tested， good operation performance， high reliability， good linearity and stability， can meet the market demand， and has broad application prospects.

Key words：Electric trolley； photoelectric sensor； virtual instrument； speed monitoring

近年來，隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對城市交通的需求也不斷增加，同時(shí)居民對出行的要求也日益提高。由于駕駛?cè)顺俪d行駛，致使制動(dòng)反應(yīng)變慢，使交通事故不斷發(fā)生。

基于此，采用高精度的傳感器，設(shè)計(jì)速度監(jiān)控系統(tǒng)十分必要。

該文采用槽型光電傳感器來測量小車的速度，利用LabVIEW軟件能進(jìn)行一定的調(diào)控速度和反饋調(diào)節(jié)并顯示速度的變化和路程。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(shí)，形成開關(guān)信號(hào)，將數(shù)據(jù)采集卡與計(jì)算機(jī)連接，將硬件系統(tǒng)中的信號(hào)輸出端口接入數(shù)據(jù)采集卡，通過數(shù)據(jù)采集卡的轉(zhuǎn)換以后計(jì)算機(jī)能識(shí)別這些信號(hào)，從而來將這些數(shù)據(jù)通過LabVIEW軟件進(jìn)行系統(tǒng)化的分析，并將它們顯示出來。通過系統(tǒng)的輸出模塊，實(shí)現(xiàn)了對小車的速度的測量、顯示和報(bào)警控制。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

以LabVIEW為核心，利用槽型光電傳感器電路作為信號(hào)的輸入模塊。按照設(shè)計(jì)基本要求，該系統(tǒng)主要包括了速度監(jiān)控界面、數(shù)字信號(hào)的采集和PWM的信號(hào)輸出三部分，其中速度監(jiān)控界面由多個(gè)控件和函數(shù)組成，用于虛擬調(diào)控速度和顯示速度；將傳感器的脈沖信號(hào)通過數(shù)據(jù)采集卡利用其與計(jì)算連接，由LabVIEW完成對該信號(hào)的處理，將速度得以顯示和分析。系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示

2 系統(tǒng)硬件整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件整體設(shè)計(jì)中電機(jī)小車是成品小車，無需在電路中進(jìn)行設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)采集卡采用NI公司生產(chǎn)的USB-6001，集成模塊，由集成模塊輸出PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)小車的驅(qū)動(dòng)電路。主要設(shè)計(jì)傳感器模塊。傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、變換電路和輔助電源四部分組成，其示意圖如圖2所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

對應(yīng)硬件系統(tǒng)的相應(yīng)功能，在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)，將其分為了人機(jī)操作界面、速度信號(hào)測量、PWM信號(hào)輸出三個(gè)部分。首先，把電路設(shè)計(jì)為槽型光電傳感器檢測電機(jī)小車齒輪運(yùn)動(dòng)，再發(fā)送信號(hào)通過數(shù)據(jù)采集卡轉(zhuǎn)換至LabVIEW，由LabVIEW處理識(shí)別，從而顯示調(diào)節(jié)小車的速度。其框架與功能示意圖如圖3所示。

3.1人機(jī)操作設(shè)計(jì)

人機(jī)操作界面用于在計(jì)算機(jī)中將速度實(shí)時(shí)顯示，并通過控件在程序運(yùn)行時(shí)，當(dāng)電機(jī)小車接收到輸出信號(hào)時(shí)調(diào)節(jié)速度的快慢，并且在操作界面可以進(jìn)行數(shù)據(jù)采集等相關(guān)操作。操作界面前面板及程序框圖如圖4至圖5所示。

如上圖所示，當(dāng)程序運(yùn)行時(shí)，采集到的數(shù)據(jù)信號(hào)等相應(yīng)參數(shù)會(huì)在此面板上進(jìn)行實(shí)時(shí)現(xiàn)實(shí)，并且通過操作按鍵可以改變設(shè)置的數(shù)值。

3.2 PWM信號(hào)輸出

PWM信號(hào)輸出分為兩個(gè)部分，PWM信號(hào)產(chǎn)生和PWM信號(hào)輸出，PWM信號(hào)輸出是作為調(diào)節(jié)速度來輸出一個(gè)信號(hào)給電機(jī)小車。當(dāng)運(yùn)行程序后，在程序目錄下自動(dòng)調(diào)用子VI的PWM信號(hào)產(chǎn)生程序，PWM信號(hào)產(chǎn)生的程序框圖如圖6所示。

4 系統(tǒng)測試與結(jié)論

數(shù)據(jù)采集卡的USB接口以及電機(jī)小車的電源接口均接入計(jì)算機(jī)的USB接口上。當(dāng)軟件中的程序運(yùn)行時(shí)，采集卡將接收到的傳感器輸出的信號(hào)輸入到計(jì)算機(jī)中后，程序?qū)?huì)進(jìn)行速度測量，同時(shí)通過轉(zhuǎn)化我們也將其以數(shù)字的形式顯示在波形圖下方，并且在測量速度的同時(shí)里程也將跟隨速度同時(shí)測量并隨時(shí)間和速度的變化里程逐漸增加。測量結(jié)果如圖7所示。

上圖所示結(jié)果為以設(shè)置0.5s計(jì)算一次速度信號(hào)時(shí)的速度和所得里程，若將計(jì)算時(shí)間變短或者延長，那么所測量出的結(jié)果也會(huì)隨之變化。此外，可以通過設(shè)定不同的速度值，根據(jù)不同的車速值，輸出結(jié)果和PWM輸出也會(huì)隨之發(fā)生變化，測試過程中由于電機(jī)小車與傳感器之間間隔有一定距離，以及數(shù)字信號(hào)采集計(jì)算周期等因素的影響，測試結(jié)果有一定的誤差，但總體設(shè)計(jì)達(dá)到要求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 余莎麗，劉小龍，周健民.基于模糊PID與算法控制智能小車速度[J].自動(dòng)化與儀器儀表，2016（2）：76-77.

[2] 王博，康德，鄭智波.探析單片機(jī)的智能小車速度控制[J].中國新通訊，2017（2）：158.

[3] 施云貴.孫玉杰，姜維利.基于P89C51RD2實(shí)現(xiàn)的機(jī)器人小車速度控制[J].計(jì)量技術(shù)，2005（9）：29-30.

[4] 李雄，基于卡爾曼濾波的軌道小車速度估算方法[J].微處理機(jī)，2017（1）：57-59.

[5] 李檸，張殿富.基于單片機(jī)的智能小車速度控制設(shè)計(jì)[J].科技視界，2012（28）：454-455.

[6] 張磊，謝明舜，夏美霞.基于S7_300的氣動(dòng)系統(tǒng)速度監(jiān)測設(shè)計(jì)研究[J].液壓氣動(dòng)與密封，2017（6）：82-84.

[7] 耿博望，祁霞，俞俊翰.基于PLC電機(jī)速度監(jiān)測的程序設(shè)計(jì)[J].電氣自動(dòng)化，2016，38（1）：82-83.endprint