一种基于单片机的转速测量仪研究及设计

1 引言

测量转子速度的方法很多，但多数比较复杂。目前，测量转速的方法主要有四种：机械式、电磁式、光电式和激光式。机械式主要利用离心力原理，通过一个随轴转动的固定质量重锤带动自由轴套上下运动，根据不同转速对应不同轴套位置获得测量结果原理简单直接，不需额外电器设备，适用于精度要求不高、接触式的转速测量场合。电磁式系统由电磁传感器和安装在轴上的齿盘组成，主轴转动带动齿盘旋转，齿牙通过传感器时引起电路磁阻变化，经过放大整形后形成脉冲，通过脉冲得到转速值。由于受齿盘加工精度、齿牙最小分辨间隔、电路最大计数频率等限制，测量精度不能保证。光电式结构类似于电磁式结构，把旋转齿盘换作光电编码盘或黑白相间的反射条纹，把电磁传感器换作光电接收器，通过对反射回来的光脉冲信号计数得到测量结果。由于受条纹最小分辨间隔、电路最大计数频率等限制，测量精度不能保证，所测转速值和电磁式一样为两个计数脉冲间距的平均值。激光测速技术(LDV)是一种正在发展中的测速技术，通过激光多普勒效应获得转动体的瞬时角速度，理论上具有很高的瞬时转速测量精度，但目前实际产品精度不够高，并且价格昂贵，在实际使用上受到限制。通过改进已有的电磁式传感器，设计一种适于瞬时转速测量的新型传感器，在旋转机械瞬时状态分析中具有一定的实际意义。

本文以传统的电磁式系统为基础，研制一种使用红外辐射技术的新型转速测量仪，安装方便，对周围环境要求不高，可以很容易地完成转速的测量。具有较宽的动态测量范围，测量精度较高。

2 系统设计

测速系统总体结构如图1所示，主要包括红外测速传感器（由红外发射与接收电路和齿盘组成）、信号处理电路、单片机以及数字显示部分。其工作过程如下：当齿盘旋转时，由于轮齿的遮挡，红外发射管与接收管之间的红外线光路时断时续，信号处理电路将此变化的光信号转换为电脉冲信号，一个脉冲信号即表示齿盘转过一个齿。单片机对脉冲进行计数，同时通过其内部的计时器对接收一定数目的脉冲计时，根据脉冲数目及所用时间就可计算出齿盘的转速，最后通过数字显示部分将转速显示出来。

2.1 系统硬件设计

根据红外测速的原理，系统的电路设计如图2所示。



本系统采用AT89C52单片机，它是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8KB的可反复擦写的Flash程序存储器和256B的随机数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准MS-51指令系统及8052产品引脚兼容，片内置有8位中央处理器（CPU）。功能强大的AT89C52单片机适用于许多较为复杂的控制应用场合。

电路中选用红外光敏二极管作为受光器件，它与红外发光二极管一起组成一对红外发射接收管，红外光敏二极管在电路中处于反向工作状态。没有光照射时，光敏二极管处于截止状态，反向电阻很大，反向电流（暗电流）很小。随着光照的增强，光敏二极管处于导通状态，其反向电阻减小，反向电流（光电流）增大，其光电流与照度之间呈线性关系。

转速显示选用字符型液晶显示模块（LCM）JHD12864，可显示16×8或16×16点阵字符。其主控制驱动电路为HD44780，具有标准的接口特性，适配M6800系列和MCS-51系列MCU的操作时序；模块内部具有64个字节的自定义字符RAM，可自定义显示字符。该模块采用+5V电源供电，共有20个引脚，其与单片机的接口路如图2所示,其中可变电阻RW2用来调节显示器的对比度。

3.2 系统软件设计

3.2.1 计时方案的选择

根据计时方案的不同，目前数字式转速测量装置的计时方法主要有M 法、T法和同步M／T法。M 法测速是在相等的时间间隔△t内读取脉冲数M，由M／△t计算出转速，速度越高在△t时间内计得的M 就越多，由±1个计数脉冲误差所引起的转速测量误差就越小，故该法适用于高速。T法测速是根据相邻两个脉冲时间间隔对应的时钟脉冲计数值m 来计算转速的，转速越慢或每转脉冲数越多，其计数值m就越多，计数器±l个计数脉冲所引起的误差就越小，故该法适用于低速。上述两种方法测量的绝对误差反比于速度采样时间T(Hp：时间间隔△t或计数值m)，因此在稳态测量和实时性要求不高的场合，可取较大的T 以保证足够的测量精度。但在动态测量和实时控制系统中，往往对转速测量的实时性有较高的要求。因此，采样时间T不能随意取大，为了解决既要周期小，又要测速精度高的矛盾，可采用同步M/T法。这种方法的特点是不固定定时时间△t′，以记录到完整的盘脉冲为准，主要是设法使M 与△t′同步，从整数个盘脉冲开始计时，同样在整数个盘脉冲结束计时，记录到的是整数个盘脉冲，且与计时是“同步” 的。其原理如图3所示，在采样时间△t时间内实际计时时间△t′开始于第一盘脉冲的下降沿，终止于最后一个脉冲的下降沿，因而得到整数个盘脉冲，消除了M 法和T法中±1个脉冲引入的误差。鉴于几种方法的比较，在设计中采用同步M/T法设计本测速系统。
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3.2.2 软件结构划分

采用结构化软件设计的方法，使得设计简单，易于调试和移植，提高编程效率。采用结构化设计软件的方法将本系统软件划分为图4所示的4个模块：齿数计数模块、计时模块、转速计算模块和转速显示模块。其中最主要的是计时模块和转速计算模块。

　　
（1） 计时模块

由图2可知当红外线发射管发射的红外线未被轮齿挡住时，接收管受红外线照射呈导通状态，经反相器输入到单片机中断端口的电压为高电平，不产生中断；而当红外线发射管发射的红外线被轮齿挡住时，接收管不受红外线照射则呈截止状态，经反相器输入到单片机中断端口的电压跳变为低电平。从而激活中断程序对脉冲进行计数。计数流程图如图5所示。由于计数需要与计时同步，所以需要在产生第一次红外光被挡住时(红外光被挡住时Pass=0，反之Pass=1)，也即中断口电位由高变低时打开定时器。由于实验中的齿盘共有108个齿，为了提高测量的实时性，把108个齿分成9等份，当计数值（Num）为12时关闭定时器并读取定时器的计时值。

（2） 转速计算模块

由于系统采用同步M/T法测量转速，所以计算转速时，需要的参数有盘脉冲数和计时值。本系统中AT89C52单片机采用频率为12MHz的外接晶振，则每个机器周期为1us。单片机定时器的计数脉冲周期为一个机器周期，若定时器从零开时计数，关闭定时器时其计数值为m，则计时时间就是m微秒。计算转速部分程序如下。

m=TH0×256 //读出计数器的计数变量TH0，并将其左移8位

m=TH0+TL0 //获得时钟脉冲数

time=m //计算出计时时间

n=60*106/(9*time) //计算转速r/min

5 结束语

本文作者的创新点是以红外传感器代替了传统的电磁式传感器，系统的硬件电路简单，测量转速范围较宽，且具有较高的测量精度，对于低转速的测量也有相当高的精度。并充分利用了单片机的内部资源，有很高的性价比。可用于各行业转速的非接触式检测和控制中。