基于紅外線(xiàn)的轉速測量?jì)x研制

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?。從而激活中斷程序對脈沖進(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)，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?？捎糜诟餍袠I(yè)轉速的非接觸式檢測和控制中。

參考文獻

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