【正文】 要與被測轉(zhuǎn)軸接觸,如光電式轉(zhuǎn)速表、電子數(shù)字式轉(zhuǎn)速表、閃光測速儀等。用這種方法測量時,既要在發(fā)動機轉(zhuǎn)動軸上粘貼光標(biāo)紙，又要求測量人員把轉(zhuǎn)速表與光標(biāo)紙的距離控制在很近的范圍,測量十分不方便。過去曾經(jīng)使用過的接觸式測量儀表, 如離心式轉(zhuǎn)速表、磁性轉(zhuǎn)速表、微型發(fā)電機轉(zhuǎn)速表及鐘表是定時轉(zhuǎn)速表，均已先后受到冷落；而利用已知頻率的閃光與被測軸轉(zhuǎn)速同步的方法來測速的閃光測速儀，雖屬非接觸式儀表，目前仍有應(yīng)用,但也退居次要地位。這類轉(zhuǎn)速儀表大多具有體積小、重量輕、讀數(shù)準(zhǔn)確、使用方便等優(yōu)點，容易實現(xiàn)電腦熒屏顯示和打印輸出，能夠連續(xù)的反映轉(zhuǎn)速變化，既能測定發(fā)動機穩(wěn)定情況下的平均轉(zhuǎn)速,也能夠用來在足夠小的時間間隔這一特定條件下測定發(fā)動機的瞬時轉(zhuǎn)速。 主要內(nèi)容，對轉(zhuǎn)速的周期測量法“T”法、頻率測量法“M”法以及周期頻率“M/T”測量法，三種具體測量方法的轉(zhuǎn)速計算、各自的測量精度和誤差進行闡述。，構(gòu)建軟件系統(tǒng)，分別對硬件系統(tǒng)的配置予以估計，使其能夠?qū)D(zhuǎn)速進行測量。，設(shè)計和說明定時/計數(shù)器在“M”法測量中的作用和使用方法，討論測量精度的問題。第2章 轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的總體方案 轉(zhuǎn)速測量的一般方法 一般轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)有以下幾個部分構(gòu)成，轉(zhuǎn)速測量框圖如圖21所示。方法如下：(1) 通過敏感元件拾取被測信號敏感元件體積小，可以根據(jù)用戶及環(huán)境要求做成各矛頭形狀的探頭，它能將被測的物理量變換成電流、電壓，只要選擇合適的元件參數(shù)。這種方法設(shè)計難度大，信號穩(wěn)定度差，在模擬處理系統(tǒng)中不宜采用。該電量可以是模擬量或數(shù)字量，現(xiàn)代傳感器還可以輸出開關(guān)量，用于數(shù)字邏輯電路。通用的轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)大都采用一種俗稱“碼盤”的傳感裝置，將圓形的碼盤固定在轉(zhuǎn)軸上，碼盤上有若干規(guī)則排列的小孔，用光電偶來輸出電信號，以反映轉(zhuǎn)速對應(yīng)關(guān)系，即是將轉(zhuǎn)軸的速度以脈沖形式反映出來，通常有兩種形式：(1) 模擬量量化后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，由數(shù)字量反映角度，供單片機計算處理，得出轉(zhuǎn)速。2．整形和倍頻前向通道中，從傳感器輸出的信號必須轉(zhuǎn)換成單片機輸入要求的信號，由于信號調(diào)節(jié)電路與傳感器的選擇，現(xiàn)場干擾程度等，都會影響信號的質(zhì)量。處理方法上可以用觸發(fā)器電路來整形；而倍頻電路主要用于解決低轉(zhuǎn)速時測量精度問題及碼盤的刻度誤差而造成的精度下降問題。但在高轉(zhuǎn)速時，由于脈沖個數(shù)的增加，限制了最高轉(zhuǎn)速測量量程，這個問題可用單片機控制來動態(tài)處理解決，兼顧高低轉(zhuǎn)速的測量精度。在本系統(tǒng)中考慮到計數(shù)的范圍、使用的定時，計數(shù)器的個數(shù)及I/O口線，預(yù)選用89C51單片機。4．驅(qū)動和顯示由于LED數(shù)碼管具有亮度高、可靠性好等特點，工業(yè)測控系統(tǒng)中常用LED數(shù)碼管作為顯示輸出。LED顯示器是用發(fā)光二極管顯示字段的，通常使用七段構(gòu)成“日”字型和一只發(fā)光二極管作為小數(shù)點，稱八段數(shù)碼顯示器。 硬件設(shè)計總體方案硬件設(shè)計的任務(wù)是根據(jù)總體設(shè)計要求，在系統(tǒng)工作原理的基礎(chǔ)上，具體確定系統(tǒng)中所要使用的元器件，設(shè)計出系統(tǒng)的原理框圖、電路原理圖。而隨著大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字測量系統(tǒng)得到普遍應(yīng)用，利用單片機對脈沖數(shù)字信號的強大處理能力，應(yīng)用全數(shù)字化的結(jié)構(gòu)，使數(shù)字測量系統(tǒng)的越來越普及,在測量范圍和測量精度方面都有極大的提高。傳感器部分采用UGN3144霍爾傳感器，負責(zé)將被測量量的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為脈沖信號。單片機采用AT89C51，顯示器采用4個7段LED數(shù)碼管動態(tài)顯示，其系統(tǒng)框圖如22所示。這樣做法雖然不如單電源方便靈活，但可將繼電器工作所造成的干擾完全消除，進一步提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。顯示部分、需要有一個二進制到十進制的轉(zhuǎn)化程序，以及轉(zhuǎn)換成非壓縮BCD 的程序后、才能進行調(diào)用查表程序送到顯示。中斷完畢讀取內(nèi)部記數(shù)值作為除數(shù)，調(diào)用除法程序計算轉(zhuǎn)速，再對二進制數(shù)進行一系列變換后調(diào)用查表顯示程序，顯示在LED上。主要編寫一個外部中斷服務(wù)程序INT0，讀取記數(shù)值的三個字節(jié)，并再次清0記數(shù)初值以便下次的記數(shù)和計算。軟件的具體設(shè)計我們將在下面的章節(jié)中作詳細介紹。在該方法中，測量精度是由于定時時間T和脈沖不能保證嚴格同步，以及在T內(nèi)能否正好測量外部脈沖的完整的周期，可能產(chǎn)生的1個脈沖的量化誤差。定時時間可根據(jù)測量對象情況預(yù)先設(shè)置。而設(shè)置的時間過短，測量精度會受到一定的影響。用以采集數(shù)據(jù)的碼盤，可以是單孔或多孔，對于單孔碼盤測量兩次脈沖間的時間，就可測出轉(zhuǎn)述數(shù)據(jù)，TP也可以用時鐘脈沖數(shù)來表示。如圖32“T”法脈寬測量所示。定時器對時基脈沖(頻率為fc)進行計數(shù)定時，在TP內(nèi)計數(shù)值若為m2，則計算公式為： n= （34）即： （35）fc為硬件產(chǎn)生的基準(zhǔn)時鐘脈沖頻率：單位（Hz）；n轉(zhuǎn)速單位：（轉(zhuǎn)/分）；m2時基脈沖。因此要求脈沖的上升沿（或下降沿）陡峭和計數(shù)和定時嚴格同步。 測頻測周法“M/T法”所謂測頻測周法，即是綜合了“T”法和“M”法分別對高、低轉(zhuǎn)速具有的不同精度，利用各自的優(yōu)點而產(chǎn)生的方法，精度位于兩者之間，如圖33“M/T”法定時/計數(shù)測量所示。該法在高速及低速時都具有相對較高的精度。由圖可見，從a點開始，計數(shù)器對m1和m2計數(shù)，到達b點，預(yù)定的測速時間時，單片機發(fā)出停止計數(shù)的指令，因為Tc不一定正好等于整數(shù)個脈沖發(fā)生器脈沖周期，所以，計數(shù)器仍對高頻脈沖繼續(xù)計數(shù)，到達c點時，脈沖發(fā)生器脈沖的上升沿使計數(shù)器停止，這樣，m2就代表了m1個脈沖周期的時間。單位：（轉(zhuǎn)/分）；fc晶體震蕩頻率：單位（Hz）；m1輸入脈沖數(shù)，反映轉(zhuǎn)角；m2時基脈沖數(shù)。T法適合于低速測量，轉(zhuǎn)速增高，誤差增大。保證其測量精度的途徑是增大定時時間T，或提高時基脈沖的頻率fc。并根據(jù)第一次的所測轉(zhuǎn)速及時調(diào)整預(yù)測時間Tc，兼顧高低轉(zhuǎn)速時的測量精度。 霍爾傳感器的簡介 霍爾效應(yīng)1. 簡介霍爾效應(yīng)是磁電效應(yīng)的一種，這一現(xiàn)象是霍爾（，18551938）于1879年在研究金屬的導(dǎo)電機構(gòu)時發(fā)現(xiàn)的?；魻栃?yīng)是研究半導(dǎo)體材料性能的基本方法。流體中的霍爾效應(yīng)是研究“磁流體發(fā)電”的理論基礎(chǔ)。VH稱為霍爾電壓。T)。如圖34（a）所示，一塊長為l、寬為b、厚為d的N型單晶薄片，置于沿Z軸方向的磁B中，在X軸方向通以電流I，則其中的載流子——電子所受到的洛侖茲力為 (39) 式中為電子的漂移運動速度，其方向沿X軸的負方向。指向Y軸的負方向。若N型單晶中的電子濃度為n，則流過樣片橫截面的電流 I=nebdV得 (312)將()式代入()式得 (313)式中稱為霍爾系數(shù)，它表示材料產(chǎn)生霍爾效應(yīng)的本領(lǐng)大?。环Q為霍爾元件的靈敏度，一般地說，KH愈大愈好，以便獲得較大的霍爾電壓VH。又因KH和樣品厚度d成反比，所以霍爾片都切得很薄，一般d≈。由此可知，根據(jù)A、B兩端電位的高低，就可以判斷半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型是P型還是N型。它是選定霍爾元件，即KH已確定，保持控制電流I不變，則霍爾電壓VH與被測磁感應(yīng)強度B成正比。由（313）式知 因此將待測的厚度為d的半導(dǎo)體樣品，放在均勻磁場中，通以控制電流I，測出霍爾電壓VH，再用高斯計測出磁感應(yīng)強度B值，就可測定樣品的霍爾系數(shù)RH。嚴格地說，在半導(dǎo)體中載流子的漂移運動速度并不完全相同，考慮到載流子速度的統(tǒng)計分布，并認為多數(shù)載流子的濃度與遷移率之積遠大于少數(shù)載流子的濃度與遷移率之積，可得半導(dǎo)體霍爾系數(shù)的公式中還應(yīng)引入一個霍爾因子rH，即 普通物理實驗中常用N型Si、N型Ge、InSb和InAs等半導(dǎo)體材料的霍爾元件在室溫下測量，霍爾因子，所以： 式中，庫侖 霍爾元件霍爾元件是一種基于霍爾效應(yīng)的磁傳感器，已發(fā)展成一個品種多樣的磁傳感器產(chǎn)品族，并已得到廣泛應(yīng)用。要他們可以檢測磁場及其變化，可以在各種與磁場有關(guān)的場合中?；魻柶骷哂性S多優(yōu)點，他們的結(jié)構(gòu)牢固，體積小，重量輕，壽命長，安裝方便，功耗小，頻率高（可達1MHZ），耐震動，不怕灰塵、水汽及煙霧等污染或腐蝕。采用了各種補償措施的霍爾器件的工作溫度范圍廣，可達55150度。前者輸出模擬量，后者輸出數(shù)字量。前者是直接檢測出被測對象本身的磁場或磁特性，后者是檢測被檢測對象上人為設(shè)置的磁場，用這個磁場作為被檢測信息的載體，通過它，將許多非電、非磁的物理量例如力、力矩、壓力、應(yīng)力、位置、位移、加速度、角度、角速度、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)數(shù)以及工作狀態(tài)發(fā)生變化的時間等，轉(zhuǎn)換成電量來進行檢測和控制。它取消了傳感器和測量電路之間的界限，實現(xiàn)了材料、元件、電路三位一體。此外，它具有體積小、重量輕、功耗低等優(yōu)點，正越來越愛到眾的重視。按照輸出信號的形式，可以分為開關(guān)型集成霍爾傳感器和線性集成霍爾傳感器兩種類型?；魻栭_關(guān)電路又稱霍爾數(shù)字電路，由穩(wěn)壓器、霍爾片、差分放大器，施密特觸發(fā)器和輸出級組成。若不垂直，則應(yīng)求出其垂直分量來計算被測磁場的磁感應(yīng)強度值。例如，用一個54（mm3）的釹鐵硼Ⅱ號磁鋼，就可在它的磁極表面上得到約2300高斯的磁感應(yīng)強度。為保證霍爾器件，尤其是霍爾開關(guān)器件的可靠工作，在應(yīng)用中要考慮有效工作氣隙的長度。在封裝好的霍爾電路中，霍爾片的深度在產(chǎn)品手冊中會給出。 UGN3144霍爾開關(guān)元件1．UGN3144霍爾開關(guān)元件的工作原理UGN3144霍爾開關(guān)元件屬于開關(guān)型霍爾傳感器（集成霍爾開關(guān)），它是把霍爾片產(chǎn)生的霍爾電壓VH放大后驅(qū)動觸發(fā)電路，輸出電壓是能反映B的變化的方脈沖。在輸入端（2之間）輸入電壓Vcc，經(jīng)穩(wěn)壓器穩(wěn)壓后加在霍爾發(fā)生器的兩電流端。VH 經(jīng)放大器放大以后送至施密特觸發(fā)器整形，使其成為方波輸送到OC門輸出。Bop與Brp是有一定差值的，此差值BH=BopBrp稱為霍爾開關(guān)的磁滯。集成霍爾開關(guān)傳感器的輸出特性如圖(36)。（3）磁通密度不受限制，輸出關(guān)斷電壓為25V；（4）具有反向電壓保護（反向電壓為35V）和極好的溫度穩(wěn)定性；（5）工作溫度為20到85攝氏度或者是40到25℃。其中，引腳端1為電源正端，引腳端2為接地，引腳端3為輸出（OC形式）。集電極開路輸出電路可連續(xù)輸出25MA電流，可直接控制繼電器，雙向可控硅，可控硅，LED和燈負載。轉(zhuǎn)速測量是開關(guān)型霍爾元件的典型應(yīng)用，UGN3144霍爾開關(guān)元件感應(yīng)被測量量的轉(zhuǎn)速，當(dāng)被測量量每轉(zhuǎn)動一周，霍爾傳感器便輸出一個脈沖，因為該器件為集電極開路輸出，故輸出端加接一上拉電阻， V到24 V，對磁感應(yīng)強度B要求不嚴，其輸出電壓經(jīng)9012后可提高其負載能力。AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存貯器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器， AT89C單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。與MCS51 兼容數(shù)據(jù)保留時間：10年三級程序存儲器鎖定32可編程I/O線5個中斷源 低功耗的閑置和掉電模式當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。：P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。：P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時， ALE