【正文】 第二章 轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的原理 轉(zhuǎn)速是指作圓周運(yùn)動的物體在單位時間內(nèi)所轉(zhuǎn)過的圈數(shù) ,其大小及變化往往意味著機(jī)器設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的正常與否 ,因此 ,轉(zhuǎn)速測量一直是工業(yè)領(lǐng)域 的一個重要問題。按照不同的理論方法 ,先后產(chǎn)生過模擬測速法 (如離心式轉(zhuǎn)速表 ) 、同步測速法 (如機(jī)械式或閃光式頻閃測速儀 ) 以及計數(shù)測速法。計數(shù)測速法又可分為機(jī)械式定時計數(shù)法和電子式定時計數(shù)法。本文介紹的采用單片機(jī)和光電傳感器組成的高精度轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng) ,其轉(zhuǎn)速測量方法采用的就是電子式定時計數(shù)法。 對轉(zhuǎn)速的測量實(shí)際上是對轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)引起的周期脈沖信號的頻率進(jìn)行測量。在頻率的工程測量中 ,電子式定時計數(shù)測量頻率的方法一般有三種： ①測頻率法 :在一定時間間隔 t 內(nèi) ,計數(shù)被測信號的重復(fù)變化次數(shù) N ,則被測信號的頻率 fx 可表示 為 f x =Nt(1) ②測周期法 :在被測信號的一個周期內(nèi) ,計數(shù)時鐘脈沖數(shù) m0 ,則被測信號頻率 fx = fc/ m0 ,其中 , fc 為時鐘脈沖信號頻率。 ③多周期測頻法 :在被測信號 m1 個周期內(nèi) , 計數(shù)時鐘脈沖數(shù) m2 ,從而得到被測信號頻率 fx ,則 fx 可以表示為 fx =m1 fcm2, m1 由測量準(zhǔn)確度確定。 電子式定時計數(shù)法測量頻率時 ,其測量準(zhǔn)確度主要由兩項(xiàng)誤差來決定 :一項(xiàng)是時基誤差 。另一項(xiàng)是量化177。 1 誤差。當(dāng)時基誤差小于量化177。 1 誤差一個或兩個數(shù)量級時 ,這時測量準(zhǔn)確度主要由量化177。 1 誤差來確定 。對于測頻率法 ,測量相對誤差為： Er1 =測量誤差值實(shí)際測量值 100 % =1N 100 % (2) 由此可見 ,被測信號頻率越高 , N 越大 , Er1 就越小 ,所以測頻率法適用于高頻信號(高轉(zhuǎn)速信號 ) 的測量。對于測周期法 ,測量相對誤差為： Er2 =測量誤差值實(shí)際測量值 100 % =1m0 100 % (3) 對于給定的時鐘脈沖 fc , 當(dāng)被測信號頻率越低時 ,m0 越大 , Er2 就越小 ,所以測周期法適用于低頻信號 (低轉(zhuǎn)速信號 ) 的測量。對于多周期測頻法 ,測量相對誤差為： Er3 =測量誤差值實(shí)際測量值 100%=1m2 100 % (4) 從上式可知 ,被測脈沖信號周期數(shù) m1 越大 , m2 就越大 ,則測量精度就越高。它適用于高、低頻信號 (高、低轉(zhuǎn)速信號 ) 的測量。但隨著精度和頻率的提高 , 采樣周期將大大延長 ,并且判斷 m1 也要延長采樣周期 ,不適合實(shí)時測量。 白城職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 3 根據(jù)以上的討論 ,考慮到實(shí)際應(yīng)用中需要測量的轉(zhuǎn)速范圍很寬 ,上述的轉(zhuǎn)速測量方法難以滿足要求 ,因此 ,研究高精度的轉(zhuǎn)速測量方法 ,以同時適用于高、低轉(zhuǎn)速信號的測量 ,不僅具有重要的理論意義 ,也是實(shí)際生產(chǎn)中的需要。 一般的轉(zhuǎn)速長期測量系統(tǒng)是 預(yù)先在軸上安裝一個有 60 齒的測速齒盤 ,用變磁阻式或電渦流式傳感器獲得一轉(zhuǎn) 60 倍轉(zhuǎn)速脈沖 ,再用測頻的辦法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速測量。而臨時性轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng) ,多采用光電傳感器 ,從轉(zhuǎn)軸上預(yù)先粘貼的一個標(biāo)志上獲得一轉(zhuǎn)一個轉(zhuǎn)速脈沖 ,隨后利用電子倍頻器和測頻方法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速測量。不論長期或臨時轉(zhuǎn)速測量 ,都可以在微處理器的參與下 ,通過測量轉(zhuǎn)軸上預(yù)留的一轉(zhuǎn)一齒的鑒相信號或光電信號的周期 ,換算出轉(zhuǎn)軸的頻率或轉(zhuǎn)速。即通過速度傳感器 ,將轉(zhuǎn)速信號變?yōu)殡娒}沖 ,利用微機(jī)在單位時間內(nèi)對脈沖進(jìn)行計數(shù) ,再經(jīng)過軟件計算獲得轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)。即 : n=N/ (mT) (1) ◆ n ——— 轉(zhuǎn)速、單位 :轉(zhuǎn) / 分鐘 。 ◆ N ——— 采樣時間內(nèi)所計脈沖個數(shù) 。 ◆ T——— 采樣時間、單位 :分鐘 。 ◆ m ——— 每旋轉(zhuǎn)一周所產(chǎn)生的脈沖個數(shù) (通常指測速碼盤的齒數(shù) ) 。 如果 m=60, 那么 1 秒鐘內(nèi)脈沖個數(shù) N 就是轉(zhuǎn)速 n, 即 : n=N/ (mT) =N/60 1/60=N (2) ◆通常 m 為 60。 在對轉(zhuǎn)速波動較快系統(tǒng)或要求動態(tài)特性好而精度高的轉(zhuǎn)速測控系統(tǒng)中 ,調(diào)節(jié)周期一般很短 ,相應(yīng)的采樣周期需取得很小 ,使得脈沖當(dāng)量增高 ,從而導(dǎo)致整個系統(tǒng) 測量精度降低 ,難以滿足測控要求。提高采樣速率通常就要減小采樣時間 T, 而 T 的減小會使采到的脈沖數(shù)值 N 下降 ,導(dǎo)致脈沖當(dāng)量 (每個脈沖所代表的轉(zhuǎn)速 ) 增高 ,從而使得測量精度變得粗糙。通過增加測速碼盤的齒數(shù)可以提高精度 ,但是碼盤齒數(shù)的增加會受到加工工藝的限制 ,同時會使轉(zhuǎn)速測量脈沖的頻率增高 ,頻率的提升又會受到傳感器中光電器或磁敏器或磁電器件最高工作頻率的限制。凡此種種因素限制了常規(guī)智能轉(zhuǎn)速測量方法的使用范圍。而采用本文所提出的定時分時雙頻率采樣法 ,可在保證采樣精度的同時 ,提高采樣速率 ,充分發(fā)揮微機(jī)智能測速方法的 優(yōu)越性及靈活性。 光電轉(zhuǎn)速儀設(shè)計 4 圖 系統(tǒng)原理圖 各部分模塊的功能： ①傳感器：用來對信號的采樣。 ②放大、整形電路：對傳感器送過來的信號進(jìn)行放大和整形，在送入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理轉(zhuǎn)換。 ③單片機(jī)：對處理過的信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)速的實(shí)際值，送入 LED ④ LED 顯示：用來對所測量到的轉(zhuǎn)速進(jìn)行顯示。 白城職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 5 第三章 利用光電傳感器測轉(zhuǎn)速方案 整個測量系統(tǒng)的組成框圖如圖 所示。從圖中可見 ,轉(zhuǎn)子由一直流調(diào)速電機(jī)驅(qū)動 ,可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)速范圍 內(nèi)的無級調(diào)速。轉(zhuǎn)速信號由光電傳感器拾取 ,使用時應(yīng)先在轉(zhuǎn)子上做好光電標(biāo)記 ,具體辦法可以是 :將轉(zhuǎn)子表面擦干凈后用黑漆 (或黑色膠布 ) 全部涂黑 ,再將一塊反光材料貼在其上作為光電標(biāo)記 ,然后將光電傳感器 (光電頭 ) 固定在正對光電標(biāo)記的某一適當(dāng)距離處。光電頭采用低功耗高亮度 LED ,光源為高可靠性可見紅光 ,無論黑夜還是白天 ,或是背景光強(qiáng)有大范圍改變都不影響接收效果。光電頭包含有前置電路，輸出 0— 5V 的脈沖信號。接到單片機(jī) 89C51 的相應(yīng)管腳上，通過 89C51內(nèi)部定時 /計時器 T0、 T1 及相應(yīng)的程序設(shè)計，組成一個數(shù)字式轉(zhuǎn)速 測量系統(tǒng)。 圖 測量系統(tǒng)的組成框圖 這種方案使用光電轉(zhuǎn)速傳感器具有采樣精確，采樣速度快，范圍廣的特點(diǎn)。 光電轉(zhuǎn)速儀設(shè)計 6 第四章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)提高，尤其是單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)以及功能強(qiáng)大，價格低廉的顯著特點(diǎn)，是全數(shù)字化測量轉(zhuǎn)度系統(tǒng)得一廣泛應(yīng)用。出于單片機(jī)在測量轉(zhuǎn)速方面具有體積小、性能強(qiáng)、成本低的特點(diǎn)，越來越受到企業(yè)用戶的青睞。對測量轉(zhuǎn)速系統(tǒng)的硬件和編程進(jìn)行研究，設(shè)計出一種以單片機(jī)為主的轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)，保證了測量精度。 轉(zhuǎn)速信號采集 在設(shè)計中采用光電傳 感器采集信號，這種傳感器是把旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速變?yōu)橄鄳?yīng)頻率的脈沖，然后用測量電路測出頻率，由頻率值就可知道所側(cè)轉(zhuǎn)素值。這種測量方法具有傳感器結(jié)構(gòu)簡單、可靠、測量精度高的特點(diǎn)。是目前常用的一種測量轉(zhuǎn)速的方法。 從光源發(fā)出的光通過測速齒盤上的齒槽照射到光電元件上，使光電元件感光。測速齒盤上有 30個齒槽，當(dāng)測速齒槽旋轉(zhuǎn)一周，光敏元件就能感受與開孔數(shù)相等次數(shù)的光次數(shù)。對于被測電機(jī)的轉(zhuǎn)速在 90— 1700r/min的來說 ,每轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生 30個電脈沖信號 ,因此 ,傳感器輸出波形的頻率的大小為： 45Hz≤ f≤ 850Hz (1) 測速齒盤裝在發(fā)射光源 (紅外線發(fā)光二極管 )與接收光源的裝置 (紅外線接收二極管 )之間 ,紅外線發(fā)光二極管 (規(guī)格 IR3401)負(fù)責(zé)發(fā)出光信號 ,紅外線接收三極管 (規(guī)格 3DU12)負(fù)責(zé)接收發(fā)出的光信號 ,產(chǎn)生電信號 ,每轉(zhuǎn)過一個齒 ,光的明暗變化經(jīng)歷了一個正弦周期 ,即產(chǎn)生了正弦脈沖電信號。 圖 所示為轉(zhuǎn)速傳感器電路，由于紅外光不可見，無法用肉眼識別發(fā)光信號是否在工作，故將紅外線的輸出回路串接了一個普通光電二極管作為判別光源發(fā)生回路是否為通路。所選用的紅外二極 管 IR3401，在正向工作電流為 20mA 時 ,其導(dǎo)通電壓為— ,所選用的發(fā)光二極管的正向壓降一般為 — ,電流為 1020Ma。 R的計算公式為： 121CCU U UI?? 計算得： Rmin=425Ω； Rmin=465Ω。設(shè)定中所選阻值為 430Ω（ Rmin≤ R≤ Rmax）。 轉(zhuǎn)速傳感器輸出電壓幅度在 0— 呈正弦波變化 ,由此可見 ,紅外線接收三極管的光信號轉(zhuǎn)化為電信號的電壓 Uo很微弱 (一般為 mV量級 ),需要進(jìn)行信號處理 . 白城職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 7 圖 轉(zhuǎn)速傳感器電路 圖 （ 1） 光電傳感器是應(yīng)用非常廣泛的一種器件，有各種各樣的形式，如透射式、反射式等，基本的原理就是當(dāng)發(fā)射管光照射到接收管時，接收管導(dǎo)通，反之關(guān)斷。以透射式為例，如圖 ，當(dāng)不透光的物體擋住發(fā)射與接收之間的間隙時，開關(guān)管關(guān)斷，否則打開。為此，可以制作一個遮光葉片如圖 所示，安裝在轉(zhuǎn)軸上，當(dāng)扇葉經(jīng)過時，產(chǎn)生脈沖信號。當(dāng)葉片數(shù)較多時，旋轉(zhuǎn)一周可以獲得多個脈沖信號。 圖 圖 遮光葉片 （ 2） 選用的傳感器型號為 SZGB3（單向） SZGB3型 傳感器 特點(diǎn) 介紹如下 ： 1)供單向計數(shù)器使用，測量轉(zhuǎn)速和線速度 . 2)采用密封結(jié)構(gòu)性能穩(wěn)定 . 光電轉(zhuǎn)速儀設(shè)計 8 3）光源用紅外發(fā)光管，功耗小，壽命長 . 4) SZGB3, 20電源電壓為 12V DC SZGB3型 傳感器主要性能介紹如下 ： ，使用時通過連軸節(jié)與被測轉(zhuǎn)軸連接，當(dāng)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時，將轉(zhuǎn)角位移轉(zhuǎn)換成電脈沖信號，供二次儀表計數(shù)使用。 1） 輸出脈沖數(shù)： 60脈沖（每一轉(zhuǎn)） 2)輸出 信號幅值： 50r/min時 300mV 3)測速范圍 :505000r/min 4)使用時間 :可連續(xù)使用 ,使用中勿需加潤滑油 5)工作環(huán)境 :溫度 10～ 40℃ ,相對濕度 ≤85% 無腐蝕性氣體 轉(zhuǎn)速信號處理電路包括信號放大電路、整形及三極管整形電路。由于產(chǎn)生的電壓信號很小，所以要進(jìn)行放大處理，一般要放大至少 1000倍（≥ 60dB） ，然后在進(jìn)行信號處理工作。信號放大裝置選用運(yùn)算放大器 TL084 作為放大電壓放大元件，采用兩