光電轉(zhuǎn)速測(cè)量器的研制

魏西媛

摘 要：在實(shí)時(shí)控制中，轉(zhuǎn)速的檢測(cè)是其他參數(shù)檢測(cè)的基礎(chǔ)。本文提出了一種基于STC89C52單片機(jī)的全數(shù)字式測(cè)速系統(tǒng)，由對(duì)射式光電傳感器、格雷碼盤(pán)、STC89C52單片機(jī)等電路組成，實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字的智能測(cè)速功能。有電路簡(jiǎn)單，測(cè)量方便，成本低的優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：光電傳感器；“M”算法；轉(zhuǎn)速

在生產(chǎn)生活中，經(jīng)常需要對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量，例如發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、自行車(chē)、縫紉機(jī)等設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)和控制，常需要測(cè)量、顯示其轉(zhuǎn)速。傳統(tǒng)轉(zhuǎn)速測(cè)量中應(yīng)用最廣的是光電式數(shù)字脈沖測(cè)速器。光電式測(cè)速系統(tǒng)具有低慣性、低噪聲、高分辨率和高精度的優(yōu)點(diǎn)。采用光電傳感器的電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)有測(cè)量準(zhǔn)確度高、采樣速度快、測(cè)量范圍寬和測(cè)量精度與被測(cè)量轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)等優(yōu)點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。

1 速度測(cè)量方法

常用的速度測(cè)量方法大體可分為“M”法（即測(cè)頻率法）、“T”法（即測(cè)周法）、“M/T”法（即同步法）三大類(lèi)?！癕”法測(cè)量速度，電路和程序均較為簡(jiǎn)單，且可以在一定的條件下滿(mǎn)足精度的要求，所以選擇采用“M”法來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)速的測(cè)量。

2 “M”法測(cè)速原理

光電轉(zhuǎn)速測(cè)量器由光電傳感器、信號(hào)放大整形電路、單片機(jī)和LED顯示器等模塊組成。發(fā)光器發(fā)出光照射到編碼盤(pán)上，經(jīng)由編碼盤(pán)遮擋或通過(guò)碼字的空隙照射在光接收器上，光信號(hào)轉(zhuǎn)變成微弱電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)過(guò)放大整形后送給單片機(jī)，單片機(jī)讀取到數(shù)字信號(hào)后就開(kāi)始執(zhí)行測(cè)量轉(zhuǎn)速的核心指令，最后將所測(cè)轉(zhuǎn)速顯示在LED上。

3 測(cè)量系統(tǒng)

3.1 光電傳感器

在實(shí)際應(yīng)用中，光電傳感器的分類(lèi)比較多，現(xiàn)采用對(duì)射式光電傳感器進(jìn)行轉(zhuǎn)速測(cè)量，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)速值。

測(cè)量過(guò)程是在電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上安裝一個(gè)碼盤(pán)，發(fā)光器和接收器對(duì)應(yīng)固定在碼盤(pán)兩邊，發(fā)光器發(fā)出的光照射在均勻分布的碼道上，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)碼盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)測(cè)速碼盤(pán)旋轉(zhuǎn)一周，光接收器就能感受與開(kāi)孔數(shù)相等次數(shù)的光照次數(shù)，每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)碼道，光接收器就檢測(cè)到變化的光信號(hào)，光的明暗變化經(jīng)歷了一個(gè)正弦周期，它就隨之產(chǎn)生正弦脈沖電信號(hào)，這樣就構(gòu)成了一個(gè)收發(fā)檢測(cè)系統(tǒng)，可以檢測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。這種測(cè)量方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠、測(cè)量精度高，是目前最常用的一種測(cè)量轉(zhuǎn)速的方法。

碼盤(pán)選用常用的三位格雷碼盤(pán)，將整個(gè)碼盤(pán)分為八份，為了保證碼盤(pán)在轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中不發(fā)生打飄現(xiàn)象，選用鐵皮作為碼盤(pán)的材質(zhì)進(jìn)行制作和刻劃，其原理如圖1所示。

3.2 信號(hào)整形電路

由74LS14施密特觸發(fā)反向器對(duì)信號(hào)進(jìn)行整形，并把整形后的信號(hào)送給單片機(jī)。74LS14芯片實(shí)現(xiàn)了6路施密特觸發(fā)反相器，可以將緩慢變化的輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成清晰、無(wú)抖動(dòng)的輸出信號(hào)，同時(shí)它也可以直接作為驅(qū)動(dòng)。

3.3 單片機(jī)最小系統(tǒng)

控制系統(tǒng)選用STC89C52單片機(jī)作為核心控制元件。STC89C52芯片中的高增益反相放大器，其輸入端為引腳XTAL1，輸出端為引腳XTAL2。通過(guò)這兩個(gè)引腳在芯片外接石英晶體振蕩器和兩只電容（電容的選取值為30pF，石英晶體為感性元件，與電容構(gòu)成振蕩回路），為片內(nèi)放大器提供正反饋和振蕩所需的相移條件，從而構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器。

3.4 LED顯示模塊

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)五位八段數(shù)碼管顯示，選用動(dòng)態(tài)掃描方式，將所有數(shù)碼管的8個(gè)顯示筆劃"a，b，c，d，e，f，g，dp"的同名端連在一起，受單片機(jī)P0口控制，每個(gè)數(shù)碼管的公共極COM位選通受單片機(jī)的P2口控制，當(dāng)單片機(jī)輸出字形碼時(shí)，所有數(shù)碼管都收到顯示相同字形碼的電流，通過(guò)將要顯示的數(shù)碼管的位選控制段打開(kāi)，就會(huì)顯示出該位的字形，沒(méi)有選通的數(shù)碼管就不會(huì)亮。通過(guò)設(shè)置時(shí)間輪流控制每個(gè)數(shù)碼管的的COM端，就使各個(gè)數(shù)碼管輪流受控顯示。在數(shù)碼管不斷輪流顯示的過(guò)程中，每位數(shù)碼管的點(diǎn)亮?xí)r間為1～2ms，利用人眼的視覺(jué)暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，盡管每位數(shù)碼管并不是同時(shí)點(diǎn)亮的，但是只要掃描的頻率合理，給人眼的留下的感覺(jué)就是一組穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，足夠亮且不會(huì)感覺(jué)有閃爍感，還能有效降低數(shù)碼管的功耗。

3.5 速度預(yù)估設(shè)計(jì)

為了使轉(zhuǎn)速測(cè)量器的測(cè)量性能更好，在軟件設(shè)計(jì)中采用了改進(jìn)的“M”法測(cè)量原理，將所要測(cè)量的轉(zhuǎn)速分段并且不同轉(zhuǎn)速段對(duì)應(yīng)的檢測(cè)時(shí)間不同，建立轉(zhuǎn)速預(yù)估值和檢測(cè)時(shí)間關(guān)系的對(duì)應(yīng)表。分段時(shí)間長(zhǎng)短依據(jù)轉(zhuǎn)速的大小而定，為保證精度，設(shè)定每次計(jì)算時(shí)所采集的輸入脈沖個(gè)數(shù)不少于十個(gè)，然后應(yīng)用軟件估計(jì)一個(gè)最鄰近值，表1給出了部分不同轉(zhuǎn)速所需測(cè)量時(shí)間。表2給出了根據(jù)不同轉(zhuǎn)速所劃分的測(cè)量

時(shí)間。

4 結(jié)論

該方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝也較方便。測(cè)量轉(zhuǎn)速比較方便，能夠?qū)崿F(xiàn)30.0r/min～9999.9r/min范圍轉(zhuǎn)速的測(cè)量，精度也比較高，實(shí)時(shí)性較好，可以應(yīng)用在多數(shù)轉(zhuǎn)軸速度測(cè)量的場(chǎng)合。