摘要:為測(cè)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(cè)量裝置。系統(tǒng)采用一對(duì)紅外發(fā)射和接收二極管形成光路通過(guò)齒盤輪齒對(duì)光路的間歇遮擋形成電脈沖。單片機(jī)采用同步M／T法對(duì)脈沖計(jì)時(shí)從而計(jì)算出轉(zhuǎn)速并通過(guò)液晶顯示器顯示出結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示測(cè)量裝置能保證檢測(cè)的實(shí)時(shí)性測(cè)量精度高可適應(yīng)低轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)速的測(cè)量。
關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)速；紅外輻射；AT89C52單片機(jī)；測(cè)量?jī)x
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組成主軸轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)齒盤旋轉(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(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)周圍環(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′以記錄到完整的盤脈沖為準(zhǔn)主要是設(shè)法使M 與△t′同步從整數(shù)個(gè)盤脈沖開始計(jì)時(shí)同樣在整數(shù)個(gè)盤脈沖結(jié)束計(jì)時(shí)，記錄到的是整數(shù)個(gè)盤脈沖且與計(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′開始于第一盤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)，時(shí)代超聲波探傷儀也即中斷口電位由高變低時(shí)打開定時(shí)器。由于實(shí)驗(yàn)中的齒盤共有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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