【正文】 信號 [4]。 圖 磁阻式轉(zhuǎn)速 脈沖轉(zhuǎn)換電路 電渦流式和電容式 圖 （ a） 中的磁電式傳感器若換成電渦流式傳感器就構(gòu)成電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器。當(dāng)金屬齒輪隨被測轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時，電渦流傳感器線圈的電感將周期性地變化，其變化頻率也由（式 21)決定。 圖 （ a） 中的磁電式傳感器若換成變面積式電容傳感器就構(gòu)成電容式轉(zhuǎn)速傳感器，如圖 23 所示，當(dāng)齒輪隨被測轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時，電容傳感器的電容也周期性變化，其變化頻率也由（式 21） 決定。 基于ＳＴＣ單片機的電機脈沖測速及堵轉(zhuǎn)保護器 第 6 頁 共 41 頁 圖 電容式轉(zhuǎn)速傳感器測速原理圖 圖 霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器 霍爾式 霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器原理如圖 所示。圖 (a)所示是將一非磁性圓盤固定在被測轉(zhuǎn)軸上，圓盤的周邊上等距離地嵌裝著 m 個永磁鐵氧體，相鄰兩鐵氧體的極性相反。由磁導(dǎo)體和置于磁導(dǎo)體間隙中的霍爾元件組成測量頭 [圖 (a)右上角 ]，磁導(dǎo)體盡可能安裝在鐵氧體邊上。當(dāng)圓盤轉(zhuǎn)動時，霍爾元件感受的磁場強度周期性變化，霍爾元件輸出正負交變的周期電勢。 圖 (b)是在被測轉(zhuǎn)軸上安裝一個齒輪狀的磁導(dǎo)體，對著齒輪固定著一個馬蹄形的永久磁鐵，霍爾元件粘貼在磁極的端面上。當(dāng)被測軸轉(zhuǎn)動時，帶動齒輪狀磁導(dǎo)體轉(zhuǎn)動，于是霍爾元 件磁路中的磁阻發(fā)生周期性變化，使霍爾元件感受的磁場強度也發(fā)生周期性變化，從而輸出一系列頻率與轉(zhuǎn)速成比例的單向電壓脈沖。 以上兩種霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器，配以適當(dāng)?shù)碾娐芳纯蓸?gòu)成數(shù)字式或模擬式非接觸型轉(zhuǎn)速表，這種轉(zhuǎn)速表對被測軸影響小，輸出信號幅值又與轉(zhuǎn)速無關(guān)，因此測量精度高，測速范圍大致在 （ 1~ 410 ） 1s? 。 系統(tǒng)組成原理框圖 電機和轉(zhuǎn)速測量傳感器輸出脈沖信號接入單片機 STC12C5202AD，單片機和 繼電器裝置通過光耦驅(qū)動電磁繼電器，電磁繼電器根據(jù)單片機檢測的兩個脈沖間隔時間來判斷電機是否堵轉(zhuǎn)，如果堵轉(zhuǎn)則單片機 輸出信號控制繼電器動作并延時。原理系統(tǒng)組成及工作原理 第 7 頁 共 41 頁 傳感器STC12 C 5202光耦隔離電磁繼電器波形采集與變換接觸器M框如圖 所示 圖 原理框圖 系統(tǒng)由電機、磁電式傳感器、 STC12C520光耦合電路、電磁繼電器、接觸器六大模塊組成。 堵轉(zhuǎn)保護原理 在實際工程中經(jīng)常會有堵轉(zhuǎn)保護錯誤報警，本設(shè)計基于實際考慮，以單片機STC12C5202 檢測到的兩個脈沖信號的間隔時間是否大于 5S 為標準進行設(shè)計電磁繼電器保護部分。兩個 脈沖間隔時間 5S 可由單片機定時。具體方案為，外部中斷 INT0檢測到脈沖下降沿時中斷，單片機進行中斷處理，定時器開始定時，在第二個脈沖下降沿到來時，若單片機定時時間大于 5S 則單片機輸出信號控制繼電器動作。 基于ＳＴＣ單片機的電機脈沖測速及堵轉(zhuǎn)保護器 第 8 頁 共 41 頁 3 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計 單片機 STC12C5202AD 簡介 單片機是單片微型計算機（ Single Chip Microputer）的簡稱，是指在一塊芯片上集成了中央處理器 CPU、隨機存儲器 RAM、程序存儲器 ROM 或 EPROM、定時器 /計數(shù)器、中斷控制器以及串行或并行 I/O 接口等部件，構(gòu)成 一個完整的微型計算機。目前，新型單片機內(nèi)還有 A/D 及 D/A 轉(zhuǎn)換器、高速輸入 /輸出等部件。由于它的結(jié)構(gòu)和指令功能都是按工業(yè)控制要求設(shè)計的，特別適用于工業(yè)控制及其數(shù)據(jù)處理場合，因此，確切的稱謂是微控制器（ Microputer）。 系統(tǒng)采用的單片機是 STC12C5202AD（如圖 所示） [5]。 STC12C520xx2AD 單片機是宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘 /機器周期的單片機，是高速 /低功耗 /超強坑干擾的新一代 8051 單片機，指令代碼完全兼容 8051，但速度快 8~12 倍，內(nèi)部集成 MAX8100專用復(fù)位電路。 4 路 PWM， 8 路高速十位 AD 轉(zhuǎn)換器，針對電機控制，強干擾場合。 圖 STC12C5202AD 單片機 DIP 封裝 16 管腳圖 STC12C52202AD 單片機的主要特點 （ 1）增強型 8051 內(nèi)核，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051。 （ 2）工作電壓范圍 :（ 5V 單片機） （ 3）工作頻率范圍 :035MHz。 （ 4）片上高達 10KB 第三代 FLASH 存儲器，擦寫次數(shù)在十萬次以上 。512 字節(jié)片內(nèi)RAM 數(shù)據(jù)存儲器 。另外片上還集成可擦寫十萬次以上的 EEPROM，可用于數(shù)據(jù)保存。 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計 第 9 頁 共 41 頁 （ 5） ISP/IAP，在系統(tǒng)可編程 /在應(yīng)用可編程技術(shù)。不需要專用仿真器 .只需一根串口線（通過串口 ）即可實現(xiàn)程序下載。 （ 6）片上外設(shè)資源豐富，單片機內(nèi)部集成 8 通道 10 位 AD 轉(zhuǎn)換器， 4 通道捕獲 /比較 單元， 4 路 PWM 輸出可兼做 DA 轉(zhuǎn)換器使用， 4 個 16 位定時器，兼容普通 8051 的定時器 TOM 。 （ 7）片上集成 2 個全雙工異步串行通信口，以及 1 個高速 SPI 通信端口，可以滿足一般通信要求。 （ 8）內(nèi)部集成 MAX810 專用復(fù)位電路，增強系統(tǒng)抗干擾性能。 （ 9）先進的指令集結(jié)構(gòu)，兼容普通 8051 指令集 。四組 8 個 8 位通用工作寄存器 。硬件乘法 /除法指令。 （ 10）多達 27 個通用 I/O 口 ,最大驅(qū)動能力達 20mA。 （ 11）高抗靜電干擾，輕松過 4KV 快速脈沖干擾。 （ 12）封裝形式多樣，有 SOP， SSOP， PLCC， LQFP 等 [6]。 單片機編程結(jié)構(gòu) STC12C5202AD 單片機是基于 8051 內(nèi)核的新一代微控制器，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 所示 [7] 基于ＳＴＣ單片機的電機脈沖測速及堵轉(zhuǎn)保護器 第 10 頁 共 41 頁 高速數(shù)據(jù)總線單 時 鐘S T C 1 2 C 5 2 0 2C P UF l a s h 存 儲 器數(shù) 據(jù) Ｒ Ａ Ｍ２ Ｋ 字 節(jié) ＥＥ Ｐ Ｒ Ｏ ＭＷ Ｄ Ｔ硬 件 看 門 狗電 源 監(jiān) 測片 內(nèi) Ｒ Ｃ 振蕩 器可 配 置 振蕩 器晶 體 振 蕩器４ 路 Ｐ Ｗ Ｍ／ Ｐ Ｃ Ａ ／Ｃ Ｃ Ｐ 捕 獲／ 比 較 單 元可 當(dāng) Ｄ ／ Ａ使 用８ 通 道 高 速Ａ ／ ＤＵ Ａ Ｒ Ｔ全 雙 工 串 行口Ｉ Ｓ Ｐ ／ ＩＡ Ｐ定 時 器串 行 外 設(shè) 接口 Ｓ Ｐ ＩＩ ／ Ｏ 端 口 圖 STC12C5202 單片機結(jié)構(gòu)圖 脈沖產(chǎn)生電路設(shè)計 脈沖產(chǎn)生電路原理 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 10 齒的測速齒盤，用變磁阻式或電渦流式傳感器（如圖 所示）獲得一轉(zhuǎn) 10 倍轉(zhuǎn)速脈沖，再用測頻的辦法實現(xiàn)轉(zhuǎn)速測量 .而臨時性速測量系統(tǒng)，多采用磁電式傳感器，從轉(zhuǎn)軸上預(yù)先粘貼的一個標志上獲得一轉(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)一齒的鑒系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計 第 11 頁 共 41 頁 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，利用微機在單位時間內(nèi)對脈沖進行計數(shù)，再經(jīng)過計算獲得 轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù) [8]。 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）提高，從而使得測量精度變的粗糙。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。 圖 電磁式傳感器實物圖 基于ＳＴＣ單片機的電機 脈沖測速及堵轉(zhuǎn)保護器 第 12 頁 共 41 頁 脈沖信號的采集和轉(zhuǎn)換 在設(shè)計中采用電磁式傳感器采集信號，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)速值。這種方法具有傳感器結(jié)構(gòu)簡單、可靠、測量精度高的特點。是目前常用的一種測量轉(zhuǎn)速的方法。 設(shè)計中采用施密特觸發(fā)器進行信號的波形整形與變換，使其變得上沿和下沿跳變得更快的矩形波。圖 34 為設(shè)計采用的施密特觸發(fā)器 HEF4093，圖 為內(nèi)部結(jié)構(gòu)邏輯框圖 [9]。 圖 施密特觸發(fā)器 HEF4093系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計 第 13 頁 共 41 頁 圖 芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 圖 所示芯片 HEF4093 引腳功能： 1 數(shù)據(jù)輸入端 8 數(shù)據(jù)輸入端 3 數(shù)據(jù)輸出端 2 數(shù)據(jù)輸入端 9 數(shù)據(jù)輸入端 6 數(shù)據(jù)輸出端 4 數(shù)據(jù)輸入端 11 數(shù)據(jù)輸入端 10 數(shù)據(jù)輸出端 5 數(shù)據(jù)輸入端 12 數(shù)據(jù)輸入端 13 數(shù)據(jù)輸出端 14 正電源 7 地 施密特觸發(fā)器在電子電路中常用來完成波形變換、整形等工作，電路具有以下工作特點 [10]： 1， 電路的觸發(fā)方式屬于電平觸發(fā)，對于緩慢變化的信號仍然適用，當(dāng)輸入電壓達到某一定值時，輸出電壓會發(fā)生跳變。由于電路內(nèi)部正反饋的作用，輸出電壓波形的邊沿很陡直。 基于ＳＴＣ單片機的電機脈沖測速及堵轉(zhuǎn)保護器 第 14 頁 共 41 頁 2， 在輸入信號增加和減少時，施密特觸發(fā)器有不同的閥值電壓，正向閥值電壓 PV 和負向閥值電壓 NV 。正向閥值電壓與負向閥值電壓之差，稱為回差電壓，用 HV 表示（ H P NV V V??）。根據(jù)輸入相位、輸出相位關(guān)系的不同，施密特觸發(fā)器有同相輸出和反相輸出兩種電路形式。下圖 和圖 分別為反向輸出的施密特觸發(fā)器傳輸特性曲線和電路工作波形。 圖 OV 輸出的施密特觸發(fā)器傳輸特性曲線 圖 電路的工作波形 3， 波形變換與整形 用傳感器采集到的波形可用施密特觸發(fā)器進行變換成相同頻率的矩形波，改變施密特觸發(fā)器 的 PV 和 NV 就可調(diào)節(jié) OV 的脈寬。如下圖 所示 圖 用施密特觸發(fā)器實現(xiàn)波形變換 如圖 （ a） 所示，當(dāng)傳輸線上電容較大時，矩形波的上升沿和下降沿都會明顯地延緩。如果傳輸線較長，且接收端的阻抗與傳輸線的阻抗也不匹配，則在波形的上升沿和下降沿還會產(chǎn)生阻尼振蕩，如圖 （ b） 所示。 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計 第 15 頁 共 41 頁 圖 （ a） 改善上升沿和下 降沿 圖 （ b） 消除振蕩影響 電磁繼電器 繼電器的定義 當(dāng)輸入量 (激勵量 )的變化達到規(guī)定要求時，在電氣輸出電路中使被控量發(fā)生預(yù)定的階躍變化的一種電器。 繼電器是一種電控制器件（如圖 所示）。它具有控制系統(tǒng) (又稱輸入回路 )和被控制系統(tǒng) (又稱輸出回路 )之間的互動關(guān)系。通常應(yīng)用于自動化的控制電路中，它實際上是用小電流去控制大電流運作的一種“自動開關(guān)”。故在電路中起著自動調(diào)節(jié)、安全保護、轉(zhuǎn)換電路等作用 [11]。 圖 電磁繼電器結(jié)構(gòu)圖 基于ＳＴＣ單片機的電機脈沖測速及堵轉(zhuǎn)保護器 第 16 頁 共 41 頁 電磁繼電器結(jié)構(gòu)和工作原理 電磁繼電器一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點簧片等組成的 [12]（如圖 所示）。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會流過一定的電流，從而產(chǎn)生電磁效應(yīng)，銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點 (常開觸點 )吸合。當(dāng)線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會在彈簧的反作用力返回原來的位置，使動觸點與原來的靜觸點 (常閉觸點 )釋放。這樣吸合、釋放，從而達到了在電路中的導(dǎo)通、切斷的目的。對于繼電器的“常開、常閉”觸點，可以這樣來區(qū)分 :繼電器線圈未通電時處于斷開狀態(tài)的靜觸點，稱為“常開觸點，’ :處于接通狀態(tài)的靜觸點稱為“常閉觸點”。繼電器一般有兩股電路，為低壓控制電路和高壓工作電路。 電磁繼電器作用 繼電器是具有隔離功能的自動開關(guān)元件，廣泛應(yīng)用于遙控、遙測、通訊、自動控制、機電一體化及電力電子設(shè)備中