基于紅外線的轉速測量儀研制

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摘要:為測量電機等旋轉體的轉速本文用AT89C52單片機作微處理器設計了一種基于紅外線的轉速測量裝置。系統采用一對紅外發射和接收二極管形成光路通過齒盤輪齒對光路的間歇遮擋形成電脈沖。單片機采用同步M／T法對脈沖計時從而計算出轉速并通過液晶顯示器顯示出結果。實驗結果顯示測量裝置能保證檢測的實時性測量精度高可適應低轉速和高轉速的測量。
關鍵詞：轉速；紅外輻射；AT89C52單片機；測量儀

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一個隨軸轉動的固定質量重錘帶動自由軸套上下運動根據不同轉速對應不同軸套位置獲得測量結果原理簡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合。電磁式系統由電磁傳感器和安裝在軸上的齒盤組成主軸轉動帶動齒盤旋轉齒牙通過傳感器時引起電路磁阻變化經過放大整形后形成脈沖通過脈沖得到轉速值。由于受齒盤加工精度、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。光電式結構類似于電磁式結構把旋轉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對反射回來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計數脈沖間距的平均值。激光測速技術(LDV)是一種正在發展中的測速技術通過激光多普勒效應獲得轉動體的瞬時角速度理論上具有很高的瞬時轉速測量精度但目前實際產品精度不夠高并且價格昂貴在實際使用上受到限制。通過改進已有的電磁式傳感器設計一種適于瞬時轉速測量的新型傳感器在旋轉機械瞬時狀態分析中具有一定的實際意義。

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的新型轉速測量儀安裝方便對周圍環境要求不高可以很容易地完成轉速的測量。具有較寬的動態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（由紅外發射與接收電路和齒盤組成）、信號處理電路、單片機以及數字顯示部分。其工作過程如下：當齒盤旋轉時由于輪齒的遮擋紅外發射管與接收管之間的紅外線光路時斷時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脈沖信號即表示齒盤轉過一個齒。單片機對脈沖進行計數同時通過其內部的計時器對接收一定數目的脈沖計時根據脈沖數目及所用時間就可計算出齒盤的轉速最后通過數字顯示部分將轉速顯示出來。

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公司生產的低電壓高性能CMOS8位單片機片內含8KB的可反復擦寫的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、非易失性存儲技術生產與標準MS-51指令系統及8052產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合。

電路中選用紅外光敏二極管作為受光器件它與紅外發光二極管一起組成一對紅外發射接收管紅外光敏二極管在電路中處于反向工作狀態。沒有光照射時光敏二極管處于截止狀態反向電阻很大反向電流（暗電流）很小。隨著光照的增強光敏二極管處于導通狀態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點陣字符。其主控制驅動電路為HD44780具有標準的接口特性適配M6800系列和MCS-51系列MCU的操作時序；模塊內部具有64個字節的自定義字符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用來調節顯示器的對比度。

3.2系統軟件設計

3.2.1計時方案的選擇

根據計時方案的不同目前數字式轉速測量裝置的計時方法主要有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時間內計得的M 就越多由±1個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脈沖時間間隔對應的時鐘脈沖計數值m 來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間T(Hp：時間間隔△t或計數值m)因此在穩態測量和實時性要求不高的場合可取較大的T 以保證足夠的測量精度。但在動態測量和實時控制系統中往往對轉速測量的實時性有較高的要求。因此采樣時間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。這種方法的特點是不固定定時時間△t′以記錄到完整的盤脈沖為準主要是設法使M 與△t′同步從整數個盤脈沖開始計時同樣在整數個盤脈沖結束計時，記錄到的是整數個盤脈沖且與計時是“同步” 的。其原理如圖3所示在采樣時間△t時間內實際計時時間△t′開始于第一盤脈沖的下降沿終止于最后一個脈沖的下降沿因而得到整數個盤脈沖消除了M 法和T法中±1個脈沖引入的誤差。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個模塊：齒數計數模塊、計時模塊、轉速計算模塊和轉速顯示模塊。其中最主要的是計時模塊和轉速計算模塊

（1）計時模塊

由圖2可知當紅外線發射管發射的紅外線未被輪齒擋住時接收管受紅外線照射呈導通狀態經反相器輸入到單片機中斷端口的電壓為高電平不產生中斷；而當紅外線發射管發射的紅外線被輪齒擋住時接收管不受紅外線照射則呈截止狀態經反相器輸入到單片機中斷端口的電壓跳變為低電平。從而激活中斷程序對脈沖進行計數。計數流程圖如圖5所示。由于計數需要與計時同步所以需要在產生第一次紅外光被擋住時(紅外光被擋住時Pass=0反之Pass=1)，時代超聲波探傷儀也即中斷口電位由高變低時打開定時器。由于實驗中的齒盤共有108個齒為了提高測量的實時性把108個齒分成9等份當計數值（Num）為12時關閉定時器并讀取定時器的計時值。