基于單片機(jī)的柴油機(jī)轉(zhuǎn)速測量模塊設(shè)計(jì)

笪月君

（鎮(zhèn)江四洋電氣工程有限公司，江蘇鎮(zhèn)江 212003）

1 轉(zhuǎn)速測量方法

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[1]。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(jì)數(shù)測速法。計(jì)數(shù)測速法又可分為機(jī)械式定時計(jì)數(shù)法和電子式定時計(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)速測量系統(tǒng)，其轉(zhuǎn)速測量方法采用的就是電子式定時計(jì)數(shù)法[2]。

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(jì)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(jì)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：fx=Nt

②測周期法：在被測信號的一個周期內(nèi)，計(jì)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(jì)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=m1fc m2，m1由測量準(zhǔn)確度確定。

電子式定時計(jì)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)是量化誤差。當(dāng)時基誤差小于量化誤差一個或兩個數(shù)量級時，這時測量準(zhǔn)確度主要由量化誤差來確定。

2 轉(zhuǎn)速測量原理

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 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(jì)數(shù)，再經(jīng)過軟件計(jì)算獲得轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)。[1][3]即：

式中，n為轉(zhuǎn)速，rpm；N為采樣時間內(nèi)所計(jì)脈沖個數(shù)；T為采樣時間，min；m為每旋轉(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：

通常m為60。

圖1 系統(tǒng)原理圖

各部分模塊的功能[3]：

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。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 光電傳感器

在設(shè)計(jì)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測轉(zhuǎn)速值。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—1700 r/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：

圖2 轉(zhuǎn)速傳感器電路圖

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。

如圖2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20 mA時，其導(dǎo)通電壓為1.2—1.5 V，所選用的發(fā)光二極管的正向壓降一般為1.5—2.0 V，電流為10—20 Ma。R的計(jì)算公式為：

計(jì)算得：Rmin=425 Ω；Rmin=465 Ω。設(shè)定中所選阻值為 430 Ω（Rmin≤R≤Rmax）。

轉(zhuǎn)速傳感器輸出電壓幅度在 0—1.6mV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。

3.2 轉(zhuǎn)速信號處理電路

如圖3所示，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，采用兩級放大電路，每一級都采用反響比例運(yùn)算電路如圖 3.4.設(shè)計(jì)的電壓放大倍數(shù)為3000倍。其中第一級放大倍數(shù)為30，第二級放大倍數(shù)為 100.放大后電壓變化范圍為 0～4.8 V。TL084采用12V雙電源供電，由于電源的供電電壓在一定范圍內(nèi)有副值上的波動，形成干擾信號。為起到消除干擾，實(shí)現(xiàn)濾波作用，故供電電源兩端需接 10UF的電容接地，電容選擇金屬化聚丙已烯膜電容。兩級運(yùn)放放大所采用的供電電源均采用此接法。

圖3 信號處理電路圖

整形電路的主要作用是將正弦波信號轉(zhuǎn)化為方波脈沖信號，正弦波信號電壓的最大幅值約為4.8 V，最小幅值為0 V。整形電路設(shè)計(jì)的是一種滯回電壓比較器，它具有慣性，起到抗干擾的作用。從而向輸入端輸入的滯回比較器。在整形電路的輸入端接一個電容 C7（103），起到的作用是阻止其他信號的干擾，并且將放大的信號進(jìn)行濾波，解耦。R11和R17是防止電路短路，起到保護(hù)電路的作用。

一次整形后的信號基本上為±5V的電平的脈沖信號，在脈沖計(jì)數(shù)時，常用的是+5 V的脈沖信號。如果直接采用-5 V的脈沖計(jì)數(shù)，會增加電路的復(fù)雜性，故一般不直接使用，而是先進(jìn)行二次整形。

第二次用三極管整形電路，當(dāng)輸出為-5V的信號時，三極管VT2（8050）的基-射極和電阻R18組成并聯(lián)電路電流經(jīng)過 R18、R17，三極管 VT2處于反向偏置狀態(tài)。所以VT2的集-射極未接通，故處于截止?fàn)顟B(tài)。電源回路由R19，三極管VT2的集-射極組成，采用單電源+12 V供電。由于集射極截止，處于斷路狀態(tài)，故輸出電壓U0為0 V。當(dāng)?shù)谝淮握屋敵鰹?5 V的信號時，三極管VT2基-射極處于正向偏置狀態(tài)，有電流I通過，故此時三極管的集-射極處于通路狀態(tài)。電源電流流經(jīng)電阻 R19、三極管的集-射極到地端，由于集-射極導(dǎo)通時的電阻很小，可以忽略不計(jì)。電源電壓主要在R19上，其輸出電壓約為0 V。綜上所述，三極管整形的電路的輸入關(guān)系是：信號為-5 V時，U0=+12 V；信號為+5V時，U0=0 V。

3.3 單片機(jī)電路

晶振是晶體振蕩器的簡稱，在電氣上它可以等效成一個電容和一個電阻并聯(lián)再串聯(lián)一個電容的二端網(wǎng)絡(luò)，電工學(xué)上這個網(wǎng)絡(luò)有兩個諧振點(diǎn)，以頻率的高低分，其中較低的頻率是串聯(lián)諧振，較高的頻率是并聯(lián)諧振。

圖4 晶振電路

AT89C51單片機(jī)內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器。引腳XTAL1和XTAL2分別是此放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與作為反饋元件的片外晶體諧振器一起構(gòu)成一個自激振蕩器。外接晶體諧振器以及電容C1和C2構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，接在放大器的反饋回路中。對外接電容的值雖然沒有嚴(yán)格的要求，但電容的大小會影響震蕩器頻率的高低、震蕩器的穩(wěn)定性、起振的快速性和溫度的穩(wěn)定性。因此，此系統(tǒng)電路的晶體振蕩器的值為 12 MHz，電容應(yīng)盡可能的選擇陶瓷電容，電容值約為 30 μF。在焊接刷電路板時，晶體振蕩器和電容應(yīng)盡可能安裝得與單片機(jī)芯片靠近，以減少寄生電容，更好地保證震蕩器穩(wěn)定和可靠地工作。晶體振蕩電路如圖 4所示。

3.4 顯示模塊

動態(tài)顯示驅(qū)動：數(shù)碼管動態(tài)顯示接口是單片機(jī)中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一。動態(tài)驅(qū)動是將所有數(shù)碼管的8個顯示筆劃“a, b, c, d, e, f,g, dp”的同名端連在一起，另外為每個數(shù)碼管的公共極 COM增加位選通控制電路，位選通由各自獨(dú)立的I/O線控制。當(dāng)單片機(jī)輸出字形碼時，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個數(shù)碼管會顯示出字形，取決于單片機(jī)對位選通COM端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開，該位就顯示出字形，沒有選通的數(shù)碼管就不會亮。通過分時輪流控制各個數(shù)碼管的的 COM端，就使各個數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動態(tài)驅(qū)動。在輪流顯示過程中，每位數(shù)碼管的點(diǎn)亮?xí)r間為 1～2 ms。由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，盡管實(shí)際上各位數(shù)碼管并非同時點(diǎn)亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會有閃爍感。動態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣的，能夠節(jié)省大量的I/O端口，而且功耗更低。

動態(tài)顯示仿真如圖5所示：

圖5 動態(tài)顯示仿真圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

硬件電路完成以后，進(jìn)行系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。首先要分析系統(tǒng)對軟件的要求，然后進(jìn)行軟件的總體的設(shè)計(jì)，包括程序的總體設(shè)計(jì)和對程序的模塊化設(shè)計(jì)。按整體功能分為多個不同的模塊，單獨(dú)設(shè)計(jì)、編程、調(diào)試，然后將各個模塊裝配聯(lián)調(diào)，組成完整的軟件。

根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，單片機(jī)的任務(wù)是：內(nèi)部進(jìn)行計(jì)數(shù)，在計(jì)算出速度后顯示。軟件編程用C語言完成的，需要能掌握 C語言，還要熟練AT89C51單片機(jī)。從程序流程圖、編寫程序、編譯，到最后的調(diào)試，是很復(fù)雜的。下面簡單介紹系統(tǒng)軟件主程序的功能是完成系統(tǒng)的初始化、顯示程序。

4.1 主程序流程圖

圖6 主程序流程圖

4.2 顯示子程序流程圖

圖7 顯示子程序流程圖

5 總結(jié)

采用單片機(jī)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的測量，可以提高轉(zhuǎn)速測量的精確度，并且加快了采樣的速率，具有較好的實(shí)時性。本文介紹的轉(zhuǎn)速方法使用于高、低轉(zhuǎn)速的測量，測量精確度與轉(zhuǎn)速無關(guān)，因而具有較寬的應(yīng)用范圍和廣闊的應(yīng)用前景。

基于單片機(jī)的轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)，具有硬件電路簡單，程序簡單和運(yùn)算速度快，抗干擾性能好的特點(diǎn)。在設(shè)計(jì)的信號處理電路中經(jīng)過濾波，能夠進(jìn)一步減少誤差，是測速精度得到提高。

[1] 孫桂榮, 班 瑩, 劉鳴. 電機(jī)轉(zhuǎn)速測量設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn), 實(shí)驗(yàn)室科學(xué). 2005.

[2] QU Jin-yu. Measure of engine speed based on C8051F chip, Tractor & Farm Transporter, 2007.06.

[3] 王秀杰, 張疇先. 模擬集成電路應(yīng)用, 西北工業(yè)大學(xué)出版社. 2003.