【正文】 意味著機(jī)器設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的正常與否 ,因此 ,轉(zhuǎn)速測(cè)量一直是工業(yè)領(lǐng)域的一個(gè)重要問(wèn)題。按照不同的理論方法 ,先后產(chǎn)生過(guò)模擬測(cè)速法 (如離心式轉(zhuǎn)速表 ) 、同步測(cè)速法 (如機(jī)械式或閃光式頻閃測(cè)速儀 ) 以及計(jì)數(shù)測(cè)速法。計(jì)數(shù)測(cè)速法又可分為機(jī)械式定時(shí)計(jì)數(shù)法和電子式定時(shí)計(jì)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(cè)量系統(tǒng) ,其轉(zhuǎn)速測(cè)量方法采用的就是電子式定時(shí)計(jì)數(shù)法。 對(duì)轉(zhuǎn)速的測(cè)量實(shí)際上是對(duì)轉(zhuǎn)子旋 轉(zhuǎn)引起的周期脈沖信號(hào)的頻率進(jìn)行測(cè)量。在頻率的工程測(cè)量中 ,電子式定時(shí)計(jì)數(shù)測(cè)量頻率的方法一般有三種： （ 1）測(cè)頻率法 :在一定時(shí)間間隔 t 內(nèi) ,計(jì)數(shù)被測(cè)信號(hào)的重復(fù)變化次數(shù) N ,則被測(cè)信號(hào)沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 4 的頻率 fx 可表示為 fx =N/t （ ） （ 2）測(cè)周期法：在被測(cè)信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi) ,計(jì)數(shù)時(shí)鐘脈沖數(shù) m0 ,則被測(cè)信號(hào)頻率 fx = fc/ m0 ,其中 , fc 為時(shí)鐘脈沖信號(hào)頻率。 （ 3）多周期測(cè)頻法：在被測(cè)信號(hào) m1 個(gè)周期內(nèi) , 計(jì)數(shù)時(shí)鐘脈沖數(shù) m2 ,從而得到被測(cè)信號(hào)頻率 fx ,則 fx 可以表示為 fx =m1 fc/m2, m1 由測(cè)量準(zhǔn)確度確定。 電子式定時(shí)計(jì)數(shù)法測(cè)量頻率時(shí) ,其測(cè)量準(zhǔn)確度主要由兩項(xiàng)誤差來(lái)決定 :一項(xiàng)是時(shí)基誤差 。另一項(xiàng)是量化177。 1 誤差。當(dāng)時(shí)基誤差小于量化177。 1 誤差一個(gè)或兩個(gè)數(shù)量級(jí)時(shí) ,這時(shí)測(cè)量準(zhǔn)確度主要由量化177。 1 誤差來(lái)確定。對(duì)于測(cè)頻率法 ,測(cè)量相對(duì)誤差為： Er1 =測(cè)量誤差值 /實(shí)際測(cè)量值 100 % =1/N 100 % 由此可見(jiàn) ,被測(cè)信號(hào)頻率越高 , N 越大 , Er1 就越小 ,所以測(cè)頻率法適用于高頻信號(hào) (高轉(zhuǎn)速信號(hào) ) 的測(cè)量。對(duì)于測(cè)周期法 ,測(cè)量相對(duì)誤差為： Er2 =測(cè)量誤差值 /實(shí)際測(cè)量值 100 % =1/m0 100 % 對(duì)于給定的時(shí)鐘脈沖 fc , 當(dāng)被測(cè)信號(hào)頻率越低時(shí) ,m0 越大 , Er2 就越小 ,所以測(cè)周期法適用于低頻信號(hào) (低轉(zhuǎn)速信號(hào) ) 的測(cè)量。對(duì)于多周期測(cè)頻法 ,測(cè)量相對(duì)誤差為： Er3 =測(cè)量誤差值 /實(shí)際測(cè)量值 100%=1/m2 100 % 從上式可知 ,被測(cè)脈沖信號(hào)周期數(shù) m1 越大 , m2 就越大 ,則測(cè)量精度就越高。它適用于高、低頻信號(hào) (高、低轉(zhuǎn)速信號(hào) ) 的測(cè)量。但隨著精度和頻率的提高 , 采樣周 期將大大延長(zhǎng) ,并且判斷 m1 也要延長(zhǎng)采樣周期 ,不適合實(shí)時(shí)測(cè)量。 根據(jù)以上的討論 ,考慮到實(shí)際應(yīng)用中需要測(cè)量的轉(zhuǎn)速范圍很寬 ,上述的轉(zhuǎn)速測(cè)量方法難以滿足要求 ,因此 ,研究高精度的轉(zhuǎn)速測(cè)量方法 ,以同時(shí)適用于高、低轉(zhuǎn)速信號(hào)的測(cè)量 ,不僅具有重要的理論意義 ,也是實(shí)際生產(chǎn)中的需要。 轉(zhuǎn)速測(cè)量原理 一般的轉(zhuǎn)速長(zhǎng)期測(cè)量系統(tǒng)是預(yù)先在軸上安裝一個(gè)有 60 齒的測(cè)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(cè)頻的辦法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速測(cè)量。而臨時(shí)性轉(zhuǎn)速測(cè)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(gè)標(biāo)志上獲得一轉(zhuǎn)一 個(gè)轉(zhuǎn)速脈沖 ,隨后利用電子倍頻器和測(cè)頻方法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速測(cè)量。不論長(zhǎng)期或臨時(shí)轉(zhuǎn)速測(cè)量 ,都可以在微處理器的參與下 ,通過(guò)測(cè)量轉(zhuǎn)軸上預(yù)留的一轉(zhuǎn)一齒的鑒相信號(hào)或光電信號(hào)的周期 ,換算出轉(zhuǎn)軸的頻率或轉(zhuǎn)速。即通過(guò)速度傳感器 ,將轉(zhuǎn)速信號(hào)變?yōu)殡娒}沖 ,利用微機(jī)在單位時(shí)間內(nèi)對(duì)沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 5 脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù) ,再經(jīng)過(guò)軟件計(jì)算獲得轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)。即： n=N/ (mT) n ——— 轉(zhuǎn)速、單位 :轉(zhuǎn) / 分鐘 。 N ——— 采樣時(shí)間內(nèi)所計(jì)脈沖個(gè)數(shù) 。 T——— 采樣時(shí)間、單位 :分鐘 。 m ——— 每旋轉(zhuǎn)一周所產(chǎn)生的脈沖個(gè)數(shù) (通常指測(cè)速碼盤的齒數(shù) ) 。 如果 m=60, 那么 1 秒鐘內(nèi)脈沖個(gè)數(shù) N 就是轉(zhuǎn)速 n, 即 : n=N/ (mT) =N/60 1/60=N 通常 m為 60。 在對(duì)轉(zhuǎn)速波動(dòng)較快系統(tǒng)或要求動(dòng)態(tài)特性好而精度高的轉(zhuǎn)速測(cè)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(gè)系統(tǒng)測(cè)量精度降低 ,難以滿足測(cè)控要求。提高采樣速率通常就要減小采樣時(shí)間 T, 而 T 的減小會(huì)使采到的脈沖數(shù)值 N 下降 ,導(dǎo)致脈沖當(dāng)量 (每個(gè)脈沖所代表的轉(zhuǎn)速 ) 增高 ,從而使得測(cè)量精度變得粗糙。通過(guò)增加測(cè)速碼盤的齒數(shù)可以提高精度 ,但是碼盤 齒數(shù)的增加會(huì)受到加工工藝的限制 ,同時(shí)會(huì)使轉(zhuǎn)速測(cè)量脈沖的頻率增高 ,頻率的提升又會(huì)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(cè)量方法的使用范圍。而采用本文所提出的定時(shí)分時(shí)雙頻率采樣法 ,可在保證采樣精度的同時(shí) ,提高采樣速率 ,充分發(fā)揮微機(jī)智能測(cè)速方法的優(yōu)越性及靈活性。 圖 系統(tǒng)原理圖 各部分模塊的功能： 傳感器：用來(lái)對(duì)信號(hào)的采樣。 放大、整形電路：對(duì)傳感器送過(guò)來(lái)的信號(hào)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。 單片機(jī)：對(duì)處理過(guò)的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)速的實(shí)際值， 送入 LED LED 顯示：用來(lái)對(duì)所測(cè)量到的轉(zhuǎn)速進(jìn)行顯示。 沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 6 3 系統(tǒng)方案提出和論證 轉(zhuǎn)速測(cè)量的方案選擇 ,一般要考慮傳感器的結(jié)構(gòu)、安裝以及測(cè)速范圍與環(huán)境條件等方面的適用性 。再就是二次儀表的要求 ,除了顯示以外還有控制、通訊和遠(yuǎn)傳方面的要求。本說(shuō)明書(shū)中給出兩種轉(zhuǎn)速測(cè)量方案，經(jīng)過(guò)我和伙伴查資料、構(gòu)思和自己的設(shè)計(jì)，總體電路我們有兩套設(shè)計(jì)方案，部分重要模塊也考慮了其它設(shè)計(jì)方法，經(jīng)過(guò)分析，從實(shí)現(xiàn)難度、熟悉程度、器件用量等方面綜合考慮，我們才最終選擇了一個(gè)方案。下面就看一下我們對(duì)兩套設(shè)計(jì)方案的簡(jiǎn)要說(shuō)明。 霍爾傳感 器測(cè)量方案 霍爾傳感器是利用霍爾效應(yīng)進(jìn)行工作的，其核心元件是根據(jù)霍爾效應(yīng)原理制成的霍爾元件。使用霍爾傳感器獲得脈沖信號(hào)，其機(jī)械結(jié)構(gòu)也可以做的較為簡(jiǎn)單，只要在轉(zhuǎn)軸的圓周上粘上一粒或者兩粒磁鋼，讓霍爾開(kāi)關(guān)靠近磁鋼，就有信號(hào)輸出，轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，就會(huì)不斷產(chǎn)生脈沖信號(hào)輸出。如果在圓周上黏上很多粒磁鋼，可以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)一周，獲得多個(gè)脈沖輸出。在粘磁鋼時(shí)要注意，霍爾傳感器對(duì)磁場(chǎng)方向敏感，粘之前可以先手動(dòng)接近一下傳感器，如果沒(méi)有信號(hào)輸出，可以換一個(gè)方向再試。本文介紹一種泵驅(qū)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速采用霍爾轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)量?；魻栟D(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)原 理圖如圖 , 霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的接線圖如圖 。 傳感器的定子上有 2 個(gè)互相垂直的繞組 A 和 B, 在繞組的中心線上粘有霍爾片HA 和 HB ,轉(zhuǎn)子為永久磁鋼 ,霍爾元件 HA 和 HB 的激勵(lì)電機(jī)分別與繞組 A 和 B 相連 ,它們的霍爾電極串聯(lián)后作為傳感器的輸出。 圖 霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖 沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 7 圖 方案 霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的接線圖 缺點(diǎn)：采用霍爾傳感器在信號(hào)采樣的時(shí)候，會(huì)出現(xiàn)采樣不精確，因?yàn)樗强看判愿袘?yīng)才采集脈沖的，使用時(shí)間長(zhǎng)了會(huì)出現(xiàn)磁性變小，影響脈沖的采樣精度。 光電傳感器 整 個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的組成框圖如圖 所示。從圖中可見(jiàn) ,轉(zhuǎn)子由一直流調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng) ,可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的無(wú)級(jí)調(diào)速。轉(zhuǎn)速信號(hào)由光電傳感器拾取 ,使用時(shí)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(duì)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(jiàn)紅光 ,無(wú)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(hào)。接到單片機(jī) 89C51 的相應(yīng)管腳上，通過(guò) 89C51 內(nèi)部定時(shí) /計(jì)時(shí)器 T0、T1 及相應(yīng)的程序設(shè)計(jì)，組成一個(gè)數(shù)字式轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)。 圖 轉(zhuǎn)速 測(cè)量系統(tǒng)的組成框圖 沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 8 優(yōu)點(diǎn)：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)。 綜上所述，方案二使用光電傳感器來(lái)作為本設(shè)計(jì)的最佳選擇方案。 沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 9 4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 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(jià)格低廉的顯著特點(diǎn)，是全數(shù)字化測(cè)量轉(zhuǎn)度系統(tǒng)得一廣泛應(yīng)用。出于單片機(jī)在測(cè)量轉(zhuǎn)速方面具有體積小、性能強(qiáng)、成本低 的特點(diǎn)，越來(lái)越受到企業(yè)用戶的青睞。對(duì)測(cè)量轉(zhuǎn)速系統(tǒng)的硬件和編程進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)出一種以單片機(jī)為主的轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)，保證了測(cè)量精度。 轉(zhuǎn)速信號(hào)采集 在設(shè)計(jì)中采用光電傳感器采集信號(hào)，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(cè)量電路測(cè)出頻率，由頻率值就可知道所側(cè)轉(zhuǎn)素值。這種測(cè)量方法具有傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠、測(cè)量精度高的特點(diǎn)。是目前常用的一種測(cè)量轉(zhuǎn)速的方法。從光源發(fā)出的光通過(guò)測(cè)速齒盤上的齒槽照射到光電元件上，使光電元件感光。測(cè)速齒盤上有 30個(gè)齒槽，當(dāng)測(cè)速齒槽旋轉(zhuǎn)一周，光敏元件就能感受與開(kāi)孔數(shù)相等次數(shù) 的光次數(shù)。對(duì)于被測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速在 90—1700r/min的來(lái)說(shuō) ,每轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生 30個(gè)電脈沖信號(hào) ,因此 ,傳感器輸出波形的頻率的大小為： 45Hz≤ f≤ 850Hz （ ） 測(cè)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(hào) ,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(hào) ,產(chǎn)生電信號(hào) ,每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒 ,光的明暗變化 經(jīng)歷了一個(gè)正弦周期 ,即產(chǎn)生了正弦脈沖電信號(hào)。 圖 所示為轉(zhuǎn)速傳感器電路，因?yàn)榧t外光不可見(jiàn)，用肉眼是無(wú)法判斷紅外線是否工作，故將紅外線的輸出回路串接了一個(gè)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(shí) ,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 10—20Ma。 R 的計(jì)算公式為： R=(Ucc – U1 – U2) / I1 （ ） 計(jì)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(jiàn) ,紅外線接收三極管的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的電壓 Uo 很微弱 (一般為 mV 量級(jí) ),需要進(jìn)行信號(hào)處理。 沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 10 圖 轉(zhuǎn)速傳感器電路圖 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(shí)，接收管導(dǎo)通，反之關(guān)斷。以透射式為例，如圖 所示，當(dāng)不透光的物體擋住發(fā)射與接 收之間的間隙時(shí)，開(kāi)關(guān)管關(guān)斷，否則打開(kāi)。為此，可以制作一個(gè)遮光葉片如圖 所示，安裝在轉(zhuǎn)軸上，當(dāng)扇葉經(jīng)過(guò)時(shí)，產(chǎn)生脈沖信號(hào)。當(dāng)葉片數(shù)較多時(shí)，旋轉(zhuǎn)一周可以獲得多個(gè)脈沖信號(hào)。 圖 光電傳感器的原理圖 圖 遮光葉片 沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 11 直射式紅外光電傳感器 H92B4 是由原裝進(jìn)口高發(fā)射功率的砷化鎵（砷鋁鎵）紅外發(fā)射管和高靈敏度的光敏晶體管組成。它是利用被測(cè)物對(duì)光束的遮擋，由 同步回路選擇通電路，從而檢測(cè)物體的有無(wú)。直射式紅外光電傳感器內(nèi)部電路示意圖如圖 所示，極限參數(shù)與光電特性分別如表 4表 42 所示。 圖 內(nèi)部電路示意圖 特點(diǎn)： 、高可靠性 ，光縫 4mm，腳距 應(yīng)用： 、復(fù)印機(jī)、打印機(jī) 、轉(zhuǎn)數(shù)測(cè)量、碎紙機(jī) 、 CDROM、娛樂(lè)設(shè)備等 ① ④ ② ③ ① Anode 陽(yáng)極 ② Cathode 陰極 ③ Collector 集電極 ④ Emitter 發(fā)射極 沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 12 表 41 H92B4 極限參數(shù) 項(xiàng)目 符號(hào) 數(shù) 值 單位 輸入 耗散功率 P 80 nW 反向電壓 VR 5 V 正向電流 IF 50 nA 輸出 集電極功耗 PC 50 nW 集電極電流 IC 20 nA 集 射電壓 VCEO 30 V 射 集電壓 VCEO 5 V 工作溫度 Topr 20∽ +65 ℃ 儲(chǔ)存溫度 Tstg 20∽ +75 ℃ 焊接溫度 Tsol 240 ℃ 表 42 H92B4 光電特性 (Ta=25℃ ) 電平轉(zhuǎn)換器 MAX232CPE 介紹 MAX232CPE 芯片是美信（ MAXIM）公司專為 RS232 標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計(jì)的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片，使用 +5V單電源供電。標(biāo)準(zhǔn) RS232 的電平 EIARS232C 對(duì)電器特性、邏輯電平和各種信號(hào)線功能都作了規(guī)定。 在 TxD 和 RxD 上：邏輯 1(MARK)