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基于红外线的转速测量仪研制

2014-12-10

摘要:为测量电机等旋转体的转速本文用AT89C52单片机作微处理器设计了一种基于红外线的转速测量装置。系统采用一对红外发射和接收二极管形成光路通过齿盘轮齿对光路的间歇遮挡形成电脉冲。单片机采用同步M/T法对脉冲计时从而计算出转速并通过液晶显示器显示出结果。实验结果显示测量装置能保证检测的实时性测量精度高可适应低转速和高转速的测量。
关键词:转速;红外辐射;AT89C52单片机;测量仪

1引言

测量转子速度的方法很多但多数比较复杂[1]。目前测量转速的方法主要有四种[2]: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,电镀层测厚仪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。

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,TOFD检测仪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。

参考文献

[1] 钱建强薛敏.红外光电转速测量仪[J].工业计量20036:33~35

[2] 鲍鸿,刘明建. 数字化霍尔转速仪的研究[J].广东工学院学报.1996,9(3):67~70

[3] 田国华杨青等实时操作系统μC/OS- II 在LPC2210 上的移植研究与实现[J].微计算机信息,振动测量仪200521-12:33-36。

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