摘要:為測量電機等旋轉體的轉速本文用AT89C52單片機作微處理器設計了一種基于紅外線(xiàn)的轉速測量裝置。系統采用一對紅外發(fā)射和接收二極管形成光路通過(guò)齒盤(pán)輪齒對光路的間歇遮擋形成電脈沖。單片機采用同步M／T法對脈沖計時(shí)從而計算出轉速并通過(guò)液晶顯示器顯示出結果。實(shí)驗結果顯示測量裝置能保證檢測的實(shí)時(shí)性測量精度高可適應低轉速和高轉速的測量。
關(guān)鍵詞：轉速；紅外輻射；AT89C52單片機；測量?jì)x
1引言
測量轉子速度的方法很多但多數比較復雜[1]。目前測量轉速的方法主要有四種[2]：機械式、電磁式、光電式和激光式。機械式主要利用離心力原理通過(guò)一個(gè)隨軸轉動(dòng)的固定質(zhì)量重錘帶動(dòng)自由軸套上下運動(dòng)根據不同轉速對應不同軸套位置獲得測量結果原理簡(jiǎn)單直接不需額外電器設備適用于精度要求不高、接觸式的轉速測量場(chǎng)合。電磁式系統由電磁傳感器和安裝在軸上的齒盤(pán)組成主軸轉動(dòng)帶動(dòng)齒盤(pán)旋轉齒牙通過(guò)傳感器時(shí)引起電路磁阻變化經(jīng)過(guò)放大整形后形成脈沖通過(guò)脈沖得到轉速值。由于受齒盤(pán)加工精度、齒牙最小分辨間隔、電路最大計數頻率等限制測量精度不能保證。光電式結構類(lèi)似于電磁式結構把旋轉齒盤(pán)換作光電編碼盤(pán)或黑白相間的反射條紋把電磁傳感器換作光電接收器通過(guò)對反射回來(lái)的光脈沖信號計數得到測量結果。由于受條紋最小分辨間隔、電路最大計數頻率等限制測量精度不能保證所測轉速值和電磁式一樣為兩個(gè)計數脈沖間距的平均值。激光測速技術(shù)(LDV)是一種正在發(fā)展中的測速技術(shù)通過(guò)激光多普勒效應獲得轉動(dòng)體的瞬時(shí)角速度理論上具有很高的瞬時(shí)轉速測量精度但目前實(shí)際產(chǎn)品精度不夠高并且價(jià)格昂貴在實(shí)際使用上受到限制。通過(guò)改進(jìn)已有的電磁式傳感器設計一種適于瞬時(shí)轉速測量的新型傳感器在旋轉機械瞬時(shí)狀態(tài)分析中具有一定的實(shí)際意義。
本文以傳統的電磁式系統為基礎研制一種使用紅外輻射技術(shù)的新型轉速測量?jì)x安裝方便對周?chē)h(huán)境要求不高可以很容易地完成轉速的測量。具有較寬的動(dòng)態(tài)測量范圍測量精度較高。
2 系統設計
測速系統總體結構如圖1所示主要包括紅外測速傳感器（由紅外發(fā)射與接收電路和齒盤(pán)組成）、信號處理電路、單片機以及數字顯示部分。其工作過(guò)程如下：當齒盤(pán)旋轉時(shí)由于輪齒的遮擋紅外發(fā)射管與接收管之間的紅外線(xiàn)光路時(shí)斷時(shí)續信號處理電路將此變化的光信號轉換為電脈沖信號一個(gè)脈沖信號即表示齒盤(pán)轉過(guò)一個(gè)齒。單片機對脈沖進(jìn)行計數同時(shí)通過(guò)其內部的計時(shí)器對接收一定數目的脈沖計時(shí)根據脈沖數目及所用時(shí)間就可計算出齒盤(pán)的轉速最后通過(guò)數字顯示部分將轉速顯示出來(lái)。
2.1 系統硬件設計
根據紅外測速的原理系統的電路設計如圖2所示。
本系統采用AT89C52單片機它是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓高性能CMOS8位單片機片內含8KB的可反復擦寫(xiě)的Flash程序存儲器和256B的隨機數據存儲器（RAM）器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)與標準MS-51指令系統及8052產(chǎn)品引腳兼容片內置有8位中央處理器（CPU）。功能強大的AT89C52單片機適用于許多較為復雜的控制應用場(chǎng)合。
電路中選用紅外光敏二極管作為受光器件它與紅外發(fā)光二極管一起組成一對紅外發(fā)射接收管紅外光敏二極管在電路中處于反向工作狀態(tài)。沒(méi)有光照射時(shí)光敏二極管處于截止狀態(tài)反向電阻很大反向電流（暗電流）很小。隨著(zhù)光照的增強光敏二極管處于導通狀態(tài)其反向電阻減小反向電流（光電流）增大其光電流與照度之間呈線(xiàn)性關(guān)系。
轉速顯示選用字符型液晶顯示模塊（LCM）JHD12864可顯示16×8或16×16點(diǎn)陣字符。其主控制驅動(dòng)電路為HD44780具有標準的接口特性適配M6800系列和MCS-51系列MCU的操作時(shí)序；模塊內部具有64個(gè)字節的自定義字符RAM可自定義顯示字符。該模塊采用+5V電源供電共有20個(gè)引腳其與單片機的接口路如圖2所示,其中可變電阻RW2用來(lái)調節顯示器的對比度。
3.2系統軟件設計
3.2.1計時(shí)方案的選擇
根據計時(shí)方案的不同目前數字式轉速測量裝置的計時(shí)方法主要有M 法、T法和同步M／T法。M 法測速是在相等的時(shí)間間隔△t內讀取脈沖數M由M／△t計算出轉速速度越高在△t時(shí)間內計得的M 就越多由±1個(gè)計數脈沖誤差所引起的轉速測量誤差就越小故該法適用于高速。T法測速是根據相鄰兩個(gè)脈沖時(shí)間間隔對應的時(shí)鐘脈沖計數值m 來(lái)計算轉速的轉速越慢或每轉脈沖數越多其計數值m就越多計數器±l個(gè)計數脈沖所引起的誤差就越小故該法適用于低速。上述兩種方法測量的絕對誤差反比于速度采樣時(shí)間T(Hp：時(shí)間間隔△t或計數值m)因此在穩態(tài)測量和實(shí)時(shí)性要求不高的場(chǎng)合可取較大的T 以保證足夠的測量精度。但在動(dòng)態(tài)測量和實(shí)時(shí)控制系統中往往對轉速測量的實(shí)時(shí)性有較高的要求。因此采樣時(shí)間T不能隨意取大為了解決既要周期小又要測速精度高的矛盾可采用同步M/T法。這種方法的特點(diǎn)是不固定定時(shí)時(shí)間△t′以記錄到完整的盤(pán)脈沖為準主要是設法使M 與△t′同步從整數個(gè)盤(pán)脈沖開(kāi)始計時(shí)同樣在整數個(gè)盤(pán)脈沖結束計時(shí)，記錄到的是整數個(gè)盤(pán)脈沖且與計時(shí)是“同步” 的。其原理如圖3所示在采樣時(shí)間△t時(shí)間內實(shí)際計時(shí)時(shí)間△t′開(kāi)始于第一盤(pán)脈沖的下降沿終止于最后一個(gè)脈沖的下降沿因而得到整數個(gè)盤(pán)脈沖消除了M 法和T法中±1個(gè)脈沖引入的誤差。鑒于幾種方法的比較在設計中采用同步M/T法設計本測速系統。
3.2.2 軟件結構劃分
采用結構化軟件設計的方法使得設計簡(jiǎn)單易于調試和移植提高編程效率。采用結構化設計軟件的方法將本系統軟件劃分為圖4所示的4個(gè)模塊：齒數計數模塊、計時(shí)模塊、轉速計算模塊和轉速顯示模塊。其中最主要的是計時(shí)模塊和轉速計算模塊
（1） 計時(shí)模塊
由圖2可知當紅外線(xiàn)發(fā)射管發(fā)射的紅外線(xiàn)未被輪齒擋住時(shí)接收管受紅外線(xiàn)照射呈導通狀態(tài)經(jīng)反相器輸入到單片機中斷端口的電壓為高電平不產(chǎn)生中斷；而當紅外線(xiàn)發(fā)射管發(fā)射的紅外線(xiàn)被輪齒擋住時(shí)接收管不受紅外線(xiàn)照射則呈截止狀態(tài)經(jīng)反相器輸入到單片機中斷端口的電壓跳變?yōu)榈碗娖健亩せ钪袛喑绦驅γ}沖進(jìn)行計數。計數流程圖如圖5所示。由于計數需要與計時(shí)同步所以需要在產(chǎn)生第一次紅外光被擋住時(shí)(紅外光被擋住時(shí)Pass=0反之Pass=1)，時(shí)代超聲波探傷儀也即中斷口電位由高變低時(shí)打開(kāi)定時(shí)器。由于實(shí)驗中的齒盤(pán)共有108個(gè)齒為了提高測量的實(shí)時(shí)性把108個(gè)齒分成9等份當計數值（Num）為12時(shí)關(guān)閉定時(shí)器并讀取定時(shí)器的計時(shí)值。
（2） 轉速計算模塊
由于系統采用同步M/T法測量轉速所以計算轉速時(shí)，需要的參數有盤(pán)脈沖數和計時(shí)值。本系統中AT89C52單片機采用頻率為12MHz的外接晶振則每個(gè)機器周期為1us。單片機定時(shí)器的計數脈沖周期為一個(gè)機器周期若定時(shí)器從零開(kāi)時(shí)計數關(guān)閉定時(shí)器時(shí)其計數值為m則計時(shí)時(shí)間就是m微秒。計算轉速部分程序如下。
m=TH0×256 //讀出計數器的計數變量TH0并將其左移8位
m=TH0+TL0 //獲得時(shí)鐘脈沖數
time=m;//計算出計時(shí)時(shí)間
n=60*106/(9*time) //計算轉速r/min
5 結束語(yǔ)
本文作者的創(chuàng )新點(diǎn)是以紅外傳感器代替了傳統的電磁式傳感器系統的硬件電路簡(jiǎn)單測量轉速范圍較寬且具有較高的測量精度對于低轉速的測量也有相當高的精度。并充分利用了單片機的內部資源有很高的性?xún)r(jià)比。可用于各行業(yè)轉速的非接觸式檢測和控制中。
參考文獻
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