基于紅外線的轉(zhuǎn)速測量儀研制

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，但目前實際產(chǎn)品精度不夠高，并且價格昂貴，在實際使用上受到限

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

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)行計數(shù)，同時通過其內(nèi)部的計時器對接收一定數(shù)目的脈沖計時，根據(jù)脈沖數(shù)目及所用時間就可計算出齒盤的轉(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

根據(jù)紅外測速的原理，系統(tǒng)的電路設(shè)計如圖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)，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

3.2.1計時方案的選擇

根據(jù)計時方案的不同，目前數(shù)字式轉(zhuǎn)速測量裝置的計時方法主要有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計算出轉(zhuǎn)速，速度越高在△t時間內(nèi)計得的M 就越多，由±1個計數(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)的時鐘脈沖計數(shù)值m 來計算轉(zhuǎn)速的，轉(zhuǎn)速越慢或每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)越多，其計數(shù)值m就越多，計數(shù)器±l個計數(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或計數(shù)值m)，因此在穩(wěn)態(tài)測量和實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)測量和實時控制系統(tǒng)中，往往對轉(zhuǎn)速測量的實時性有較高的要求。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。這種方法的特點是不固定定時時間△t′，以記錄到完整的盤脈沖為準(zhǔn)，主要是設(shè)法使M 與△t′同步，從整數(shù)個盤脈沖開始計時，同樣在整數(shù)個盤脈沖結(jié)束計時，記錄到的是整數(shù)個盤脈沖，且與計時是“同步” 的。其原理如圖3所示，在采樣時間△t時間內(nèi)實際計時時間△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)計中采用同步M/T法設(shè)計本測速系統(tǒng)。

3.2.2 軟件結(jié)構(gòu)劃分

采用結(jié)構(gòu)化軟件設(shè)計的方法，使得設(shè)計簡單，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)計數(shù)模塊、計時模塊、轉(zhuǎn)速計算模塊和轉(zhuǎn)速顯示模塊。其中最主要的是計時模塊和轉(zhuǎn)速計算模塊

(1) 計時模塊

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?。從而激活中斷程序?qū)γ}沖進(jìn)行計數(shù)。計數(shù)流程圖如圖5所示。由于計數(shù)需要與計時同步，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。由于實驗中的齒盤共有108個齒，為了提高測量的實時性，把108個齒分成9等份，當(dāng)計數(shù)值(Num)為12時關(guān)閉定時器并讀取定時器的計時值。

(2) 轉(zhuǎn)速計算模塊

由于系統(tǒng)采用同步M/T法測量轉(zhuǎn)速，所以計算轉(zhuǎn)速時，需要的參數(shù)有盤脈沖數(shù)和計時值。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)定時器的計數(shù)脈沖周期為一個機(jī)器周期，若定時器從零開時計數(shù)，關(guān)閉定時器時其計數(shù)值為m，則計時時間就是m微秒。計算轉(zhuǎn)速部分程序如下。

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

m=TH0+TL0 //獲得時鐘脈沖數(shù)

time=m //計算出計時時間

n=60*106/(9*time) //計算轉(zhuǎn)速r/min

5 結(jié)束語

本文作者的創(chuàng)新點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?？捎糜诟餍袠I(yè)轉(zhuǎn)速的非接觸式檢測和控制中。

參考文獻(xiàn)

[1] 錢建強(qiáng)，薛敏.紅外光電轉(zhuǎn)速測量儀[J].工業(yè)計量2003，6：33～35

[2] 鮑鴻,劉明建. 數(shù)字化霍爾轉(zhuǎn)速儀的研究[J].廣東工學(xué)院學(xué)報.1996,9(3):67～70

[3] 田國華，楊青等，實時操作系統(tǒng)μC/OS- II 在LPC2210 上的移植研究與實現(xiàn)[J].微計算機(jī)信息，2005，21-12：33-36。