基于紅外線的轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x研制

1引言

測(cè)量轉(zhuǎn)子速度的方法很多，但多數(shù)比較復(fù)雜[1]。目前，測(cè)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(guò)一個(gè)隨軸轉(zhuǎn)動(dòng)的固定質(zhì)量重錘帶動(dòng)自由軸套上下運(yùn)動(dòng)，根據(jù)不同轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)不同軸套位置獲得測(cè)量結(jié)果原理簡(jiǎn)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(cè)量場(chǎng)合。電磁式系統(tǒng)由電磁傳感器和安裝在軸上的齒盤(pán)組成，主軸轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)齒盤(pán)旋轉(zhuǎn)，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(zhuǎn)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(jì)數(shù)頻率等限制，測(cè)量精度不能保證。光電式結(jié)構(gòu)類(lèi)似于電磁式結(jié)構(gòu)，把旋轉(zhuǎn)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(duì)反射回來(lái)的光脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)得到測(cè)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(cè)量精度不能保證，所測(cè)轉(zhuǎn)速值和電磁式一樣為兩個(gè)計(jì)數(shù)脈沖間距的平均值。激光測(cè)速技術(shù)(LDV)是一種正在發(fā)展中的測(cè)速技術(shù)，通過(guò)激光多普勒效應(yīng)獲得轉(zhuǎn)動(dòng)體的瞬時(shí)角速度，理論上具有很高的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速測(cè)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(shè)計(jì)一種適于瞬時(shí)轉(zhuǎn)速測(cè)量的新型傳感器，在旋轉(zhuǎn)機(jī)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(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(cè)量?jī)x，安裝方便，對(duì)周?chē)h(huán)境要求不高，可以很容易地完成轉(zhuǎn)速的測(cè)量。具有較寬的動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍，測(cè)量精度較高。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

測(cè)速系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括紅外測(cè)速傳感器(由紅外發(fā)射與接收電路和齒盤(pán)組成)、信號(hào)處理電路、單片機(jī)以及數(shù)字顯示部分。其工作過(guò)程如下：當(dāng)齒盤(pán)旋轉(zhuǎn)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光路時(shí)斷時(shí)續(xù)，信號(hào)處理電路將此變化的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)，一個(gè)脈沖信號(hào)即表示齒盤(pán)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒。單片機(jī)對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，同時(shí)通過(guò)其內(nèi)部的計(jì)時(shí)器對(duì)接收一定數(shù)目的脈沖計(jì)時(shí)，根據(jù)脈沖數(shù)目及所用時(shí)間就可計(jì)算出齒盤(pán)的轉(zhuǎn)速，最后通過(guò)數(shù)字顯示部分將轉(zhuǎn)速顯示出來(lái)。

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)紅外測(cè)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(guó)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(xiě)的Flash程序存儲(chǔ)器和256B的隨機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)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(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(duì)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?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(dòng)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(shí)序;模塊內(nèi)部具有64個(gè)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(gè)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(lái)調(diào)節(jié)顯示器的對(duì)比度。

3.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.2.1計(jì)時(shí)方案的選擇

根據(jù)計(jì)時(shí)方案的不同，目前數(shù)字式轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置的計(jì)時(shí)方法主要有M 法、T法和同步M/T法。M 法測(cè)速是在相等的時(shí)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(shí)間內(nèi)計(jì)得的M 就越多，由±1個(gè)計(jì)數(shù)脈沖誤差所引起的轉(zhuǎn)速測(cè)量誤差就越小，故該法適用于高速。T法測(cè)速是根據(jù)相鄰兩個(gè)脈沖時(shí)間間隔對(duì)應(yīng)的時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)值m 來(lái)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(gè)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(cè)量的絕對(duì)誤差反比于速度采樣時(shí)間T(Hp：時(shí)間間隔△t或計(jì)數(shù)值m)，因此在穩(wěn)態(tài)測(cè)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(cè)量精度。但在動(dòng)態(tài)測(cè)量和實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中，往往對(duì)轉(zhuǎn)速測(cè)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(cè)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(zhǔn)，主要是設(shè)法使M 與△t′同步，從整數(shù)個(gè)盤(pán)脈沖開(kāi)始計(jì)時(shí)，同樣在整數(shù)個(gè)盤(pán)脈沖結(jié)束計(jì)時(shí)，記錄到的是整數(shù)個(gè)盤(pán)脈沖，且與計(jì)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(nèi)實(shí)際計(jì)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(shù)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(shè)計(jì)中采用同步M/T法設(shè)計(jì)本測(cè)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(jiǎn)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(gè)模塊：齒數(shù)計(jì)數(shù)模塊、計(jì)時(shí)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(shí)模塊和轉(zhuǎn)速計(jì)算模塊

(1) 計(jì)時(shí)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(shí)，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(shí)，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(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(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)，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(yàn)中的齒盤(pán)共有108個(gè)齒，為了提高測(cè)量的實(shí)時(shí)性，把108個(gè)齒分成9等份，當(dāng)計(jì)數(shù)值(Num)為12時(shí)關(guān)閉定時(shí)器并讀取定時(shí)器的計(jì)時(shí)值。

(2) 轉(zhuǎn)速計(jì)算模塊

由于系統(tǒng)采用同步M/T法測(cè)量轉(zhuǎn)速，所以計(jì)算轉(zhuǎn)速時(shí)，需要的參數(shù)有盤(pán)脈沖數(shù)和計(jì)時(shí)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(gè)機(jī)器周期為1us。單片機(jī)定時(shí)器的計(jì)數(shù)脈沖周期為一個(gè)機(jī)器周期，若定時(shí)器從零開(kāi)時(shí)計(jì)數(shù)，關(guān)閉定時(shí)器時(shí)其計(jì)數(shù)值為m，則計(jì)時(shí)時(shí)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(shí)鐘脈沖數(shù)

time=m //計(jì)算出計(jì)時(shí)時(shí)間

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

5 結(jié)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(tǒng)的電磁式傳感器，系統(tǒng)的硬件電路簡(jiǎn)單，測(cè)量轉(zhuǎn)速范圍較寬，且具有較高的測(cè)量精度，對(duì)于低轉(zhuǎn)速的測(cè)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(jià)比。可用于各行業(yè)轉(zhuǎn)速的非接觸式檢測(cè)和控制中。

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