渦輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

任達(dá)陸，王 利

(中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原 030051)

渦輪發(fā)電機(jī)依靠高速氣流旋轉(zhuǎn)，不但為引信工作提供電源，而且其輸出脈沖的大小在某種程度可以算出子彈的飛行速度［5］。子彈在空中發(fā)射后，，渦輪電機(jī)檢測到的脈沖頻率、幅度與子彈的飛行速度有密不可分的關(guān)系。因此，測量渦輪發(fā)電機(jī)輸出信號的頻率和幅值可以得出彈丸飛行速度，并獲得彈道特征，同時(shí)也可以獲得引信工作狀態(tài)。渦輪發(fā)電機(jī)輸出信號的頻率和幅值是通過測渦輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速獲得的，因此，測量渦輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速對于引信來說，尤其對應(yīng)用廣泛電引信來說是非常重要且必不可少的。

本課題以單片機(jī)為中心，設(shè)計(jì)的全數(shù)字化渦輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)，不只適用于引信，它在軍用工業(yè)控制和通用電器中也有巨大的使用價(jià)值。

1 渦輪電機(jī)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路

1.1 轉(zhuǎn)速檢測的一般方法

通常情況下電機(jī)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)組成內(nèi)容，轉(zhuǎn)速測量流程圖如圖1。

圖1 轉(zhuǎn)速測量

1.2 轉(zhuǎn)速信號拾取

有的傳感器很簡單，只由一個(gè)敏感元件組成，它感受被測量時(shí)直接輸出電，有的傳感器則不同。當(dāng)需要使用傳感器進(jìn)行收集信號時(shí)，我們將敏感元件和其測量電路、傳遞機(jī)構(gòu)搭配成所需要測量的功能進(jìn)行測量轉(zhuǎn)換。比如土壤濕度傳感器只是把土壤的溫度轉(zhuǎn)換成可以處理的電壓或電流信號(一般是電壓，根據(jù)工作的原理輸出其電量)。

1.3 整形和倍頻

傳感器輸出的信號不能直接連接單片機(jī)，這是因?yàn)樾枰獙⑿盘柼幚沓煞蠁纹瑱C(jī)需求的信號類型，且由于系統(tǒng)傳感器部分硬件電路設(shè)計(jì)的情況和對所使用的傳感器不同，并且復(fù)雜的實(shí)際情況，都會對所獲得的信號造成負(fù)面影響［2］。我們可以使用觸發(fā)器電路來整形;除此之外，要處理轉(zhuǎn)速時(shí)測量精度問題及碼盤的刻度誤差所造成的精度下降問題，我們可以使用倍頻電路。采用的方法即在渦輪每轉(zhuǎn)一圈，來相應(yīng)的增加脈沖的個(gè)數(shù)，以便提高獲得的精度。

1.4 單片機(jī)

在整個(gè)渦輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，單片機(jī)作為一個(gè)重要的交通樞紐，作用著對發(fā)來的脈沖信號的采集、運(yùn)算以及轉(zhuǎn)速計(jì)時(shí)等多方面需求，其次，將得到的轉(zhuǎn)速脈沖信息經(jīng)過單片機(jī)的計(jì)算分析后，再次把信號發(fā)送到串口上，使用液晶顯示器或者數(shù)碼管都可以顯示出來［3］。根據(jù)渦輪發(fā)電機(jī)的應(yīng)用情況由于考慮數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、可靠性，傳感器類型和編程的簡化，本文將首采用89C51 單片機(jī)。

2 硬件和軟件設(shè)計(jì)總體方案

2.1 硬件設(shè)計(jì)方案

本轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)由光電傳感器HC－020K、單片機(jī)和顯示器等構(gòu)成。傳感器部分采用SH130076S 光電傳感器，負(fù)責(zé)將被測量的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為脈沖信號，通過LM393 芯片處進(jìn)行處理，再將脈沖信號送進(jìn)單片機(jī)整理所獲得的數(shù)據(jù)［4］。使用的單片機(jī)與上述一樣AT89C51，之后顯示器采用4 個(gè)7 段LED 數(shù)碼管動態(tài)顯示。

各部分模塊一些功能:

1)光電傳感器:主要是收集信號。

2)放大和整形電路:將傳感器所測得到的信號進(jìn)行放大和整形，再經(jīng)過單片機(jī)后進(jìn)行所得數(shù)據(jù)處理。

3)單片機(jī):把處理后的信號通過軟件編程得到實(shí)際轉(zhuǎn)數(shù)，并送入LED 液晶或者數(shù)碼管進(jìn)行顯示。

4)LED 顯示:即該測量系統(tǒng)的顯示部分。

2.2 軟件設(shè)計(jì)思路

我們在編程時(shí)候需要主要解決外部中斷的編寫和內(nèi)部定時(shí)器的使用，可以同時(shí)測量轉(zhuǎn)速的一定范圍，所以低速和高速都要在這個(gè)范圍之中，需要進(jìn)行四字節(jié)到三字節(jié)程序的編寫。最后結(jié)果中則只需要把二進(jìn)制轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)位，然后把結(jié)果轉(zhuǎn)換成非壓縮BCD 的程序，只有這樣最終把測速結(jié)果準(zhǔn)確的顯示出來。

軟件運(yùn)行步驟:光電碼盤發(fā)出一個(gè)T 內(nèi)的所有脈沖送入單片機(jī)的外部中斷即P3.5 口，便產(chǎn)生一個(gè)中斷信號，定時(shí)器此刻開始定時(shí)，使用軟件將記數(shù)器和定時(shí)器0 中斷的次數(shù)設(shè)定為初始兩個(gè)高位字節(jié)。再將TH0、TL0 初始值設(shè)定為0，用作兩個(gè)低位字節(jié)。若干個(gè)中斷完畢后讀出此時(shí)記數(shù)的個(gè)數(shù)便得到電機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而把結(jié)果一系列變換后顯示程序，最后送入數(shù)碼管。

軟件設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速程序思路:將接收到的傳感器信號送入外部中斷P3.5 口。主要是設(shè)計(jì)編寫單片機(jī)外部中斷服務(wù)程序INT0，將記數(shù)值的三個(gè)字節(jié)讀取，不斷的再次清0 記數(shù)初值循環(huán)計(jì)算下次的記數(shù)。調(diào)用子程序BCD 用于三字節(jié)十進(jìn)制(BCD)兩字節(jié)二進(jìn)制的轉(zhuǎn)換，再一并轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制，最后送入顯示部分。

3 渦輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速分析

本渦輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)可以使用M 法進(jìn)行測速，由于它的硬件電路較為簡單，其測量方法所適合的測速范圍后文將分析，測量的精度在本次實(shí)驗(yàn)中需要通過傳感器的設(shè)置和型號來控制。

1)在本軟件設(shè)計(jì)中，閘門時(shí)間預(yù)設(shè)為1 s，T1 所容許的計(jì)數(shù)值為65 536，所以，其計(jì)數(shù)量在1 s 內(nèi)最大值不會大過65 535，便可得出此階段最大計(jì)數(shù)頻率L。設(shè)電機(jī)計(jì)數(shù)頻率為f，它的周期是l/f，當(dāng)計(jì)數(shù)累積成65 535 個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，此時(shí)周期是:

T=65 535* 1/f

所以按以上的要求:每當(dāng)T=1 s 時(shí)，這時(shí)極大值是L=65 535* l/f

因此:f=65 535(Hz)

2)此次進(jìn)行試驗(yàn)測量時(shí)，我們配置了20 點(diǎn)的碼盤，則每轉(zhuǎn)過一圈，會產(chǎn)生20 個(gè)脈沖，所以，軸的頻率是:

f=65 535/20=3 276.75(Hz)

計(jì)算成轉(zhuǎn)速是:

n=f* 60=196 605(r/min)

3)采用這種計(jì)算方法我們可以得到一種理想的轉(zhuǎn)速數(shù)值。如果依然達(dá)不到最終的要求，則還可以換一種軟件進(jìn)行計(jì)時(shí)，就可以增大它的最高限度，進(jìn)而它的最大限度只跟定時(shí)器和計(jì)數(shù)器最高允許的輸入頻率有關(guān)聯(lián)，但由于此時(shí)的晶振為11.059 2 MHz 的，所要求的頻率會達(dá)到500 kHz，因?yàn)閷λ鶞y量的物體特性進(jìn)行重點(diǎn)分析，所以，可以使用容易達(dá)到M 法來測量，其上限也完全能達(dá)到我們的需求。采用這種測速方法的下限實(shí)際上也很低，但是轉(zhuǎn)速如果低到一定值時(shí)，則其誤差會很大，所以，它允許的測量誤差和測速下限有不可分割的關(guān)系［5］。

4 結(jié)論

4.1 硬件電路

單片機(jī)用于轉(zhuǎn)速測量方法有很多，在硬件設(shè)計(jì)上要因其要求、功能和使用場合不同，使用的電路也完全不同，80C5l系列的單片機(jī)有用80C3l 和80C5l 等，再進(jìn)行擴(kuò)展和延伸，串口使用的是8155、7279A 等作為最后的顯示。渦輪發(fā)電機(jī)所使用的是89C51 單片機(jī)，因?yàn)榭梢宰畲蠡乩迷搯纹瑱C(jī)里本身所帶的兩個(gè)16 位定時(shí)器和計(jì)數(shù)器來進(jìn)行設(shè)置，充分的發(fā)揮了該種單片機(jī)自己所帶的明顯優(yōu)點(diǎn)，采用的接口為89C5l 的P0 口，因?yàn)樗泻軓?qiáng)的電流驅(qū)動能力等明顯的特點(diǎn)，可以用來拓展所使用的試驗(yàn)芯片，然后通過單片機(jī)來控制，極盡可能簡單化了部分硬件電路。有明顯的發(fā)展優(yōu)點(diǎn)且較高的性價(jià)比，在整個(gè)測速行業(yè)中，不僅可用于工業(yè)控制中的轉(zhuǎn)速檢測系統(tǒng)且民用電器等范圍中也可涉及到。

4.2 測量方法

我們之所以采用M 法進(jìn)行測量，這是由于單位時(shí)間短時(shí)間內(nèi)首尾脈沖可能測不到，便容易產(chǎn)生較高的誤差。所以M 法適合測量高速，也可以提高編碼器，使用一次采集的脈沖數(shù)多些。

4.3 改進(jìn)和展望

關(guān)于渦輪發(fā)電機(jī)葉片轉(zhuǎn)速的定時(shí)時(shí)間長短是不同的，由于我們可以人為估計(jì)初始值，則需要根據(jù)其具體實(shí)際的應(yīng)用不用，通過渦輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的現(xiàn)實(shí)情形用來增大或減少定時(shí)時(shí)間。在機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)變中，渦輪發(fā)電機(jī)的輸出與渦輪葉片的轉(zhuǎn)速具有一定的關(guān)系，電機(jī)的轉(zhuǎn)速決定了引信供電系統(tǒng)的持續(xù)輸出能力，未來工作可以對這個(gè)方向進(jìn)行研究。

［1］何立民.單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)選編［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，1997(3):45－50.

［2］張有德.單片微機(jī)原理、應(yīng)用與實(shí)驗(yàn)［M］.上海:復(fù)旦大學(xué)出版社，1997.

［3］李朝青.單片機(jī)外圍數(shù)字IC 技術(shù)手冊［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，1998.

［4］梁廷貴、王裕琛.現(xiàn)代集成電路實(shí)用手冊［M］.北京:科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，1999:33－36.

［5］于海生.微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)選編［M］.北京:清華大學(xué)出版社，1999.