摘要:為測量電機(jī)等旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)速本文用AT89C52單片機(jī)作微處理器設(shè)計(jì)了一種基于紅外線的轉(zhuǎn)速測量裝置。系統(tǒng)采用一對紅外發(fā)射和接收二極管形成光路通過齒盤輪齒對光路的間歇遮擋形成電脈沖。單片機(jī)采用同步M／T法對脈沖計(jì)時從而計(jì)算出轉(zhuǎn)速并通過液晶顯示器顯示出結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示測量裝置能保證檢測的實(shí)時性測量精度高可適應(yīng)低轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)速的測量。
關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)速；紅外輻射；AT89C52單片機(jī)；測量儀

1引言

測量轉(zhuǎn)子速度的方法很多但多數(shù)比較復(fù)雜^[1]。目前測量轉(zhuǎn)速的方法主要有四種^[2]：機(jī)械式、電磁式、光電式和激光式。機(jī)械式主要利用離心力原理通過一個隨軸轉(zhuǎn)動的固定質(zhì)量重錘帶動自由軸套上下運(yùn)動根據(jù)不同轉(zhuǎn)速對應(yīng)不同軸套位置獲得測量結(jié)果原理簡單直接不需額外電器設(shè)備適用于精度要求不高、接觸式的轉(zhuǎn)速測量場合。電磁式系統(tǒng)由電磁傳感器和安裝在軸上的齒盤組成主軸轉(zhuǎn)動帶動齒盤旋轉(zhuǎn)齒牙通過傳感器時引起電路磁阻變化經(jīng)過放大整形后形成脈沖通過脈沖得到轉(zhuǎn)速值。由于受齒盤加工精度、齒牙最小分辨間隔、電路最大計(jì)數(shù)頻率等限制測量精度不能保證。光電式結(jié)構(gòu)類似于電磁式結(jié)構(gòu)把旋轉(zhuǎn)齒盤換作光電編碼盤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對反射回來的光脈沖信號計(jì)數(shù)得到測量結(jié)果。由于受條紋最小分辨間隔、電路最大計(jì)數(shù)頻率等限制測量精度不能保證所測轉(zhuǎn)速值和電磁式一樣為兩個計(jì)數(shù)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)通過激光多普勒效應(yīng)獲得轉(zhuǎn)動體的瞬時角速度理論上具有很高的瞬時轉(zhuǎn)速測量精度但目前實(shí)際產(chǎn)品精度不夠高并且價格昂貴在實(shí)際使用上受到限制。通過改進(jìn)已有的電磁式傳感器設(shè)計(jì)一種適于瞬時轉(zhuǎn)速測量的新型傳感器在旋轉(zhuǎn)機(jī)械瞬時狀態(tài)分析中具有一定的實(shí)際意義。

本文以傳統(tǒng)的電磁式系統(tǒng)為基礎(chǔ)研制一種使用紅外輻射技術(shù)的新型轉(zhuǎn)速測量儀安裝方便對周圍環(huán)境要求不高可以很容易地完成轉(zhuǎn)速的測量。具有較寬的動態(tài)測量范圍測量精度較高。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

測速系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)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組成）、信號處理電路、單片機(jī)以及數(shù)字顯示部分。其工作過程如下：當(dāng)齒盤旋轉(zhuǎn)時由于輪齒的遮擋紅外發(fā)射管與接收管之間的紅外線光路時斷時續(xù)信號處理電路將此變化的光信號轉(zhuǎn)換為電脈沖信號一個脈沖信號即表示齒盤轉(zhuǎn)過一個齒。單片機(jī)對脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)同時通過其內(nèi)部的計(jì)時器對接收一定數(shù)目的脈沖計(jì)時根據(jù)脈沖數(shù)目及所用時間就可計(jì)算出齒盤的轉(zhuǎn)速最后通過數(shù)字顯示部分將轉(zhuǎn)速顯示出來。

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)紅外測速的原理系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

本系統(tǒng)采用AT89C52單片機(jī)它是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓高性能CMOS8位單片機(jī)片內(nèi)含8KB的可反復(fù)擦寫的Flash程序存儲器和256B的隨機(jī)數(shù)據(jù)存儲器（RAM），粗糙度儀維修器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)與標(biāo)準(zhǔn)MS-51指令系統(tǒng)及8052產(chǎn)品引腳兼容片內(nèi)置有8位中央處理器（CPU）。功能強(qiáng)大的AT89C52單片機(jī)適用于許多較為復(fù)雜的控制應(yīng)用場合。

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)。沒有光照射時光敏二極管處于截止?fàn)顟B(tài)反向電阻很大反向電流（暗電流）很小。隨著光照的增強(qiáng)光敏二極管處于導(dǎo)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性關(guān)系。

轉(zhuǎn)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(qū)動電路為HD44780具有標(biāo)準(zhǔn)的接口特性適配M6800系列和MCS-51系列MCU的操作時序；模塊內(nèi)部具有64個字節(jié)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個引腳其與單片機(jī)的接口路如圖2所示,其中可變電阻RW2用來調(diào)節(jié)顯示器的對比度。

3.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.2.1計(jì)時方案的選擇

根據(jù)計(jì)時方案的不同目前數(shù)字式轉(zhuǎn)速測量裝置的計(jì)時方法主要有M 法、T法和同步M／T法。M 法測速是在相等的時間間隔△t內(nèi)讀取脈沖數(shù)M由M／△t計(jì)算出轉(zhuǎn)速速度越高在△t時間內(nèi)計(jì)得的M 就越多由±1個計(jì)數(shù)脈沖誤差所引起的轉(zhuǎn)速測量誤差就越小故該法適用于高速。T法測速是根據(jù)相鄰兩個脈沖時間間隔對應(yīng)的時鐘脈沖計(jì)數(shù)值m 來計(jì)算轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速越慢或每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)越多其計(jì)數(shù)值m就越多計(jì)數(shù)器±l個計(jì)數(shù)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間T(Hp：時間間隔△t或計(jì)數(shù)值m)因此在穩(wěn)態(tài)測量和實(shí)時性要求不高的場合可取較大的T 以保證足夠的測量精度。但在動態(tài)測量和實(shí)時控制系統(tǒng)中往往對轉(zhuǎn)速測量的實(shí)時性有較高的要求。因此采樣時間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)是不固定定時時間△t′以記錄到完整的盤脈沖為準(zhǔn)，煙氣分析儀主要是設(shè)法使M 與△t′同步從整數(shù)個盤脈沖開始計(jì)時同樣在整數(shù)個盤脈沖結(jié)束計(jì)時，時代布氏硬度計(jì)記錄到的是整數(shù)個盤脈沖且與計(jì)時是“同步” 的。其原理如圖3所示在采樣時間△t時間內(nèi)實(shí)際計(jì)時時間△t′開始于第一盤脈沖的下降沿終止于最后一個脈沖的下降沿因而得到整數(shù)個盤脈沖消除了M 法和T法中±1個脈沖引入的誤差。鑒于幾種方法的比較在設(shè)計(jì)中采用同步M/T法設(shè)計(jì)本測速系統(tǒng)。

3.2.2 軟件結(jié)構(gòu)劃分

采用結(jié)構(gòu)化軟件設(shè)計(jì)的方法使得設(shè)計(jì)簡單易于調(diào)試和移植提高編程效率。采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)軟件的方法將本系統(tǒng)軟件劃分為圖4所示的4個模塊：齒數(shù)計(jì)數(shù)模塊、計(jì)時模塊、轉(zhuǎn)速計(jì)算模塊和轉(zhuǎn)速顯示模塊。其中最主要的是計(jì)時模塊和轉(zhuǎn)速計(jì)算模塊

（1） 計(jì)時模塊

由圖2可知當(dāng)紅外線發(fā)射管發(fā)射的紅外線未被輪齒擋住時接收管受紅外線照射呈導(dǎo)通狀態(tài)經(jīng)反相器輸入到單片機(jī)中斷端口的電壓為高電平不產(chǎn)生中斷；而當(dāng)紅外線發(fā)射管發(fā)射的紅外線被輪齒擋住時接收管不受紅外線照射則呈截止?fàn)顟B(tài)經(jīng)反相器輸入到單片機(jī)中斷端口的電壓跳變?yōu)榈碗娖健�從而激活中斷程序�(qū)γ}沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)流程圖如圖5所示。由于計(jì)數(shù)需要與計(jì)時同步所以需要在產(chǎn)生第一次紅外光被擋住時(紅外光被擋住時Pass=0反之Pass=1)也即中斷口電位由高變低時打開定時器。由于實(shí)驗(yàn)中的齒盤共有108個齒為了提高測量的實(shí)時性把108個齒分成9等份當(dāng)計(jì)數(shù)值（Num）為12時關(guān)閉定時器并讀取定時器的計(jì)時值。

（2） 轉(zhuǎn)速計(jì)算模塊

由于系統(tǒng)采用同步M/T法測量轉(zhuǎn)速所以計(jì)算轉(zhuǎn)速時需要的參數(shù)有盤脈沖數(shù)和計(jì)時值。本系統(tǒng)中AT89C52單片機(jī)采用頻率為12MHz的外接晶振則每個機(jī)器周期為1us。單片機(jī)定時器的計(jì)數(shù)脈沖周期為一個機(jī)器周期若定時器從零開時計(jì)數(shù)關(guān)閉定時器時其計(jì)數(shù)值為m則計(jì)時時間就是m微秒。計(jì)算轉(zhuǎn)速部分程序如下。

m=TH0×256 //讀出計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)變量TH0并將其左移8位

m=TH0+TL0 //獲得時鐘脈沖數(shù)

time=m;//計(jì)算出計(jì)時時間

n=60*10⁶/(9*time) //計(jì)算轉(zhuǎn)速r/min

5 結(jié)束語

本文作者的創(chuàng)新點(diǎn)是以紅外傳感器代替了傳統(tǒng)的電磁式傳感器系統(tǒng)的硬件電路簡單測量轉(zhuǎn)速范圍較寬且具有較高的測量精度對于低轉(zhuǎn)速的測量也有相當(dāng)高的精度。并充分利用了單片機(jī)的內(nèi)部資源有很高的性價比。可用于各行業(yè)轉(zhuǎn)速的非接觸式檢測和控制中。

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