基于紅外線的轉速測量儀研制

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)，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。

(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，需要的參數有盤脈沖數和計時值。本系統中AT89C52單片機采用頻率為12MHz的外接晶振，則每個機器周期為1us。單片機定時器的計數脈沖周期為一個機器周期，若定時器從零開時計數，關閉定時器時其計數值為m，則計時時間就是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 //獲得時鐘脈沖數

time=m //計算出計時時間

n=60*106/(9*time) //計算轉速r/min

5 結束語

本文作者的創新點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，有很高的性價比。可用于各行業轉速的非接觸式檢測和控制中。

參考文獻

[1] 錢建強，薛敏.紅外光電轉速測量儀[J].工業計量2003，6：33～35

[2] 鮑鴻,劉明建. 數字化霍爾轉速儀的研究[J].廣東工學院學報.1996,9(3):67～70

[3] 田國華，楊青等，實時操作系統μC/OS- II 在LPC2210 上的移植研究與實現[J].微計算機信息，2005，21-12：33-36。