便攜式轉(zhuǎn)速測量及顯示系統(tǒng)設(shè)計

岳 晗， 裴東興， 張 瑜

（中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室， 山西太原 030051）

0 引言

精密離心機(jī)是高精度慣性儀表的標(biāo)定和測試設(shè)備，隨著慣性儀表量程和精度的提高，其發(fā)展趨勢是提高向心加速度的量程和轉(zhuǎn)速控制精度。本測試所用的離心機(jī)向心轉(zhuǎn)速精度≤1%。對轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的要求是便攜化、精度高?，F(xiàn)在普遍使用的測速系統(tǒng)雖然精度高，但其未能實現(xiàn)便攜化。針對上述要求及不足設(shè)計了便攜式轉(zhuǎn)速測量及顯示系統(tǒng)，采用了非接觸式全數(shù)字化的測量方案。利用單片機(jī)能夠直接處理光電轉(zhuǎn)換傳感器傳入的脈沖信號這一特點，無需設(shè)計模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，避免了由于模擬信號轉(zhuǎn)換傳輸?shù)纫蛩卦斐傻膿p失，提高了精度，簡化了電路，實現(xiàn)了便攜化。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 系統(tǒng)的總體設(shè)計思路

將一片反光紙貼于被測物（離心機(jī)）上以示標(biāo)記，然后將光電轉(zhuǎn)速傳感器（光電頭）固定于正對反光紙的適當(dāng)距離處，被測物每轉(zhuǎn)一圈反射回來的光信號通過傳感器能夠轉(zhuǎn)變成一個矩形脈沖信號，該矩形脈沖信號比較平穩(wěn)能夠與單片機(jī)直接連接。設(shè)置單片機(jī)內(nèi)的T0引腳為定時功能，T1引腳為計數(shù)功能。將此脈沖信號作用于單片機(jī)的T1（計數(shù)器）引腳上，這樣通過對T1引腳的初始化設(shè)置，使其計n個數(shù)（一個周期）后就計數(shù)溢出,從而進(jìn)入中斷服務(wù)程序(記錄下此時定時器T0中的數(shù)據(jù))，單片機(jī)將此時采集的數(shù)據(jù)存入FLASH中。設(shè)定被測物旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)數(shù)為C1轉(zhuǎn)（即循環(huán)N=C1/n個周期），對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行C語言處理，即可得到離心機(jī)的平均轉(zhuǎn)速、最大/最小轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)速的不確定度[1]。將處理后的數(shù)據(jù)通過LCD顯示屏顯示出來。其系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖

1.2 單片機(jī)的選擇

基于設(shè)計需要，本系統(tǒng)選用了宏昌科技推出的新一代STC系列單片機(jī)。STC系列的單片機(jī)的內(nèi)部含有EEPROM型存儲器，其物理結(jié)構(gòu)為flash,掉電后其內(nèi)容不會消失，通過比較選用STC89C54由于其內(nèi)部程序存儲字節(jié)為16KB[2]，存儲容量比較大。此外，STC系列單片機(jī)的P1口和P2口具有中斷能力，能夠?qū)ν獠渴录龀隹焖俚捻憫?yīng)。設(shè)計中主要利用單片機(jī)的定時器/計數(shù)器功能。將定時器/計數(shù)器T0設(shè)置為定時模式，定時器/計數(shù)器T1設(shè)置為計數(shù)功能，從而計算出離心機(jī)的轉(zhuǎn)速。

1.3 傳感器的選擇

本系統(tǒng)要采用非接觸式的全數(shù)字化測量方法，故選擇光電轉(zhuǎn)速傳感器——（SZGB—7）。它是采用調(diào)制光結(jié)構(gòu)的單頭反射式光電傳感器，因此具有測量距離遠(yuǎn)及不受環(huán)境光干擾的優(yōu)點。傳感器內(nèi)藏調(diào)制光發(fā)射和接收光轉(zhuǎn)換單元，能將被測物反射回來的光信號轉(zhuǎn)換成電脈沖信號。傳感器輸出電平適應(yīng)性強(qiáng)，能與各種轉(zhuǎn)速數(shù)字顯示儀配套使用及計算機(jī)接口電路直接聯(lián)接，能無接觸測量轉(zhuǎn)速、線速等[3]。

1.4 液晶顯示部分設(shè)計

設(shè)計中采用YM12864R圖形點陣液晶顯示屏，其內(nèi)置ST7920控制芯片，它是一種128×64漢字圖形點陣的液晶控制模塊，ST7920系列由于內(nèi)置了漢字庫而無需人工取字模，可直接輸出漢字[4-6]，在程序控制上簡單明了。因此，設(shè)計中采用基于ST7920控制芯片的YM12864R漢字圖形點陣液晶顯示屏。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 主程序流程圖

STC系列的單片機(jī)有豐富的外圍模塊，在這個非接觸式的全數(shù)字化的轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)中需要用的模塊有液晶顯示模塊、定時器模塊、內(nèi)部時鐘模塊以及Flash模塊[7-9]。要運用這些模塊完成相應(yīng)的工作就必須編寫適當(dāng)?shù)某绦騺磉M(jìn)行控制。單片機(jī)的時鐘由12MHz的晶振提供，故定時器T0每記一次數(shù)所需要的時間為1μs。將T1的計數(shù)初值設(shè)為F6H，故其計滿100個數(shù)（一個周期）后進(jìn)入一次定時器T1中斷，在這個中斷程序中對信號進(jìn)行采樣，單片機(jī)將此時采集的據(jù)存入Flash中，并通過計算顯示到液晶屏上。這樣，轉(zhuǎn)速就被采集和顯示出來。其主程序流程圖如圖2所示。

2.2 定時器T0中斷服務(wù)流程圖

定時器T0的初始化設(shè)置為工作方式一（即為16位的計數(shù)器），當(dāng)計數(shù)值達(dá)到65536時計數(shù)溢出進(jìn)入中斷，并重新開始從0計數(shù)，其中斷服務(wù)流程圖如圖3所示。

2.3 計數(shù)器T1中斷服務(wù)流程圖

計數(shù)器T1的初始化設(shè)置為工作方式2（即自動再裝入8位計數(shù)器），其低8位為計數(shù)寄存器，高8位為計數(shù)常數(shù)寄存器。當(dāng)?shù)臀坏挠嫈?shù)值溢出時將高位的計數(shù)常數(shù)重新裝入低位，繼續(xù)計數(shù)。本設(shè)計中由于每循環(huán)一次要記10組數(shù)據(jù)，故設(shè)定其計數(shù)器的計數(shù)常數(shù)為TH1=F6H（246）,其中斷服務(wù)程序流程圖如圖4所示。

圖2 主程序流程圖

圖3 定時器T0的中斷服務(wù)流程圖

圖4 定時器T1中斷服務(wù)流程圖

3 實驗及結(jié)果分析

實驗中測試的是精密離心機(jī)的轉(zhuǎn)速。將光電轉(zhuǎn)速傳感器的光電脈沖讀頭與示波器相連，在示波器上顯示出傳感器發(fā)給單片機(jī)的脈沖信號，光電讀頭輸出的脈沖圖像如圖5所示；圖6即為利用該系統(tǒng)對精密離心機(jī)轉(zhuǎn)速的測量及顯示結(jié)果。

圖5 光電讀頭輸出的脈沖圖像

圖6 精密離心機(jī)轉(zhuǎn)速測量顯示結(jié)果

實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 精密離心機(jī)的給定轉(zhuǎn)速與實測轉(zhuǎn)速及其誤差

從表1可看出，精密離心機(jī)的實際轉(zhuǎn)速與實測轉(zhuǎn)速的最大誤差為10，最大相對誤差在1%內(nèi)，滿足測試精度要求，測試表明該系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

本文介紹了便攜式轉(zhuǎn)速測量及顯示系統(tǒng)的設(shè)計，提出了非接觸式全數(shù)字化的測量方法。該方法利用單片機(jī)能夠直接處理傳感器輸出的脈沖信號這一特點，減少了模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計，簡化了電路，實現(xiàn)了便攜化。實驗表明該系統(tǒng)使用簡單、便于攜帶、精確度高，給轉(zhuǎn)速的測量帶來了極大的方便。擬做進(jìn)一步的研究，使其便在便攜化的前提下精度得以進(jìn)一步的提高。

[1]費業(yè)泰.誤差理論與數(shù)據(jù)處理[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009:15.

[2]STC89C54RC/RD+系列單片機(jī)器件手冊[EB/OL].http//www.MCU-Memory.com.

[3]光電轉(zhuǎn)速傳感器（SZGB—7）產(chǎn)品手冊 [EB/OL].http//www.qjy168.com.

[4]曹建樹,夏云生,曾林春.51單片機(jī)實用 教程[M].北京:中國石化出版社,2008.

[5]賈華.新型多功能LCD顯示系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].天津:天津大學(xué),2004.

[6]李福進(jìn),陳至坤.基于單片機(jī)的轉(zhuǎn)速測 量方法[J].工礦自動化,2006(2):54-55.

[7]許秀英,張品秀.基于ATS665便攜式轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)[J].黑龍江農(nóng)墾大學(xué)學(xué)報,2010,5(10):81-84.

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[9]謝麗君.基于AT89C51單片機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)速測量[J].輕工科技,2012(2):72-73.