多功能數字轉速表設計及實現

摘要:該系統采用凌陽十六位單片機SPCE061A實現轉速測量，轉速信號由LTH1650紅外反射光電傳感器和放大電路、濾波電路、整形電路提供。通過M/T算法實現對電機轉速的實時測量，具有轉速最大值，最小值，平均值的數字語音播報和顯示，加速度顯示;另外還有轉速超限報警功能，通過鍵盤手工輸入轉速上限值，當所測量的轉速超過這個值，發出報警聲音;為了便于與其它數字儀、計算機通訊或構成閉環系統， 同時還留有異步串行通訊口與上位機連接。

關鍵詞: 轉速表;凌陽單片機;語音播報;顯示;通訊;報警

中圖分類號:TP311文獻標識碼:A 文章編號:1009-3044(2009)32-9071-02

Multi-function Digital Tachometer Design and Implementation

WANG Hong-jun

(School of Computer Science， Shandong Yingcai University， Ji'nan 250104， China)

Abstract: This system adopts and 16 one-chip computers SPCE061A of male genital and realizes rotational speed measurement， the rotational speed signal is reflect the photoelectric sensor and amplifies the circuit infraredly， strain the wave circuit， has a facelift in the circuit to offer by LTH1650. Realize the real-time measurement to the rotational speed of the electrical machinery through M/T algorithm， have rotational speed maximums ， the minimum， the digital speech of the average reports and shows ， the acceleration shows; There is ultra warning function of limit of rotational speed in addition ， input the limit on the rotational speed by hand through the keyboard， as the rotational speed measured exceeds this value， emit the warning sound; In order to make it convenient for with other digital appearances ， computer news reports or form and close the ring system， leave asynchronous serial communication mouth and go to location plane join also at the same time.

Key words: Speedometer; 16 one-chip computers SPCE061A; pronunciation reporting; show; communication; reporting to the police

1 概述

轉速表作為一種通用測量工具，已有多種形式面市，如:機械式、機電式、電磁式、光電式等。盡管它們大都測量精確、使用安全、操作簡便、但普遍存在的問題是功能單一。在工廠、礦山、科研單位及大中專院校實驗室，經常需要轉速測量，但目前測量轉速的儀器、儀表，無論機械式還是電子數字式，若精度高、功能多，則價格較貴，學校、廠礦及科研單位較難承受;若價格低，則其功能較少，精度較低，故障率也隨之增高，給使用者帶來許多不便。能否有一種即保證實驗室條件下有足夠的測量精度、又能保證價格及故障率較低的轉速測量儀器或儀表?本文針對上述問題，在考查了國內大量的數字式或智能式測速表的基礎上，采用凌陽16單片機設計成功了低成本、簡易型、多功能，又保證一定測量精度的手持式簡易型智能轉速表。

2 系統方案設計

2.1 系統總體設計

轉速信號由LTH1650紅外反射光電傳感器和放大電路、濾波電路、整形電路提供的轉速信號輸入到凌陽單片機，單片機通過M/T算法實現對電機轉速的實時測量與計算。具有轉速最大值，最小值，平均值的數字語音播報和顯示，加速度顯示，為了便于與其它數字儀、計算機通訊或構成閉環系統， 同時還留有異步串行通訊口RS232與上位機連接。另外還有轉速超限報警功能，通過鍵盤手工輸入轉速上限值，當所測量的轉速超過這個值，發出報警聲音。

用16位的凌陽單片機SPCE061A可以方便的實現轉速測量，凌陽單片機SPCE061A具有16位的數據總線，CPU時鐘:32768Hz~49.152MHz，SPCE061A內部帶有8路ADC和2路的DAC，32個IO口，內置32K字閃存和2K字的靜態存儲器，可編程音頻處理。另外還有內置在線仿真電路接口ICE(In- Circuit Emulator)開發調試非常方便。

用凌陽單片機構成的轉速表系統功能框圖(圖1)。

2.2 測量方案設計

轉速測量的方法有很多種:機械軟軸接觸測量、非接觸的磁電數字測量、非接觸的光電數字測量。雖然每種方法都有自己的特殊功用場合，但是在工廠、礦山、及大中專院校實驗室非特殊場合的轉速測量中前兩種方法有許多去缺點:增加旋轉機械負荷，測量方式不靈活，不安全等。

隨著科學技術的發展與進步，轉速測量由機械軟軸接觸測量發展到非接觸的磁電數字測量，進而又發展到非接觸的光電數字測量，這種光電數字測量是以時間頻率為基準，它具有測量無噪聲!精度高!體積小!重量輕!功耗小!不增加旋轉機械負荷，既方便又安全等特點，便于手持式操作。

本設計就是采用數字光電測量方法。一般來說，從光電傳感器傳過來的電信號難免混入一些干擾脈沖。因此，系統的硬件電路需對轉速信號進行濾波、限幅、整形、放大，然后計數并輸入到微處理器進行處理和運算。

凌陽單片機處理數據時采用M/T法。常用的轉速測量方法有M法、T法和MT法。M法(即測頻法)——是指在固定的時間內測出轉速傳感器輸出的脈沖個數。經分析得知，M法在測高速時相對誤差較小。T法(即測周期法)——是指在轉速傳感器輸出脈沖周期內對時鐘信號進行計數，測出轉速脈沖周期，進而計算出轉速。經分析得知，T法在測低速時相對誤差較小。

MT法——是在M法基礎上吸取了T法之優點而形成的。MT法測速時序如圖(圖2)所示，其測速過程是:在轉速傳感器輸出脈沖上升沿到來時啟動定時(定時時間為TC)，同時計傳感器輸出脈沖個數和時鐘脈沖個數，定時時間到，先停止對傳感器輸出脈沖的計數，待下一個傳感器輸出脈沖上升沿到來時再停止對時鐘脈沖的計數，由記錄的兩脈沖數m1和m2求出轉速。假定旋轉體每轉一周，轉速傳感器輸出P個脈沖，又設轉速為N，時鐘頻率為f0，則: Td=TC+△T=m1*T=m1*(60/PN) (1)

又因Td=m2*(1/f0)所以N=(60*f0/P)*(m1/m2)(2)

通過式(2)可方便地計算出轉速，因為m1不存在誤差，m2的最大誤差為一個時鐘脈沖，所以，MT法測速時的相對誤差為:

△N/N=1/(m2-1)(3)

在式(3)中，由于m2通常較大，故相對誤差較小，即該測量方法精度較高。

3 系統軟件設計

在本應用系統的設計過程中，我們遵循“以軟代硬”的原則，盡可能地減少硬件，以降低產品的成本，提高可靠性。軟件包括以下程序模塊:主程序、測速子程序、顯示子程序、鍵盤設置子程序、通訊子程序、中斷服務子程序和語音播報子程序等。

在主程序中實現各個子程序的調用，并實現它們的協調工作，還完成一些有關的算法運算和邏輯運算，用C語音實現。各個子程序和中斷程序由匯編完成。具體流程圖(圖3)如下:

4 儀表指標分析

測速儀表一般有幾個主要的測速指標:測速精度、測速時間、測速范圍。

測速精度:

本設計在轉軸上貼一個反光紙，經實際測量發現誤差在±2r/min左右，若貼上4個或者更多反光紙，理論上測量誤差更小，但是實際操作起來考慮多種干擾因素影響誤差不一定減小，對于一般要求不是很高的測轉速場合，±2r/min的測量誤差已經夠用，對一些要求比較高的側速場合比如需要閉環控制的，此種方法不妥，應該使用光電碼盤等一些設備。

測速時間:

連續兩次采樣轉速的間隔時間以T0表示。T0愈短愈有利于快速響應，考慮到本設計只貼了一個反光紙，取測量時間為1S。

測速范圍:

本設計采用LTH1650紅外反射光電傳感器，接受部分的光電流大于50μA，響應時間小于250μs，感光頻率達4KHZ，考慮到只貼了一個反光紙，也就是轉一圈產生一個脈沖，所以理論上最大可測量的轉速為:4000*60=240000(r/min)，考慮到實際需要，以及測量條件的限制，可限定最高轉速為9999r/min。由于貼了一個反光紙，分辨率較低，其可以測量的最低轉速較低為60r/min，但是在軟件上采用了M/T法，最低轉速還能在小一些。

指標如下:

轉速測量范圍60-9999rmin

測速采樣周期1s

測量精度(分辨率) ±2r/min

輸出方式語音播報與數碼管顯示

超速報警方式語音報警

數據傳送方式RS-232

工作電壓1.5V×4(5#電池)

5 結束語

此數字轉速表的使用方法如圖(圖4)所示:在被測旋轉機械的轉軸上貼一個反射紙，使輕速表的光電測頭發出的光對準反射紙，即可測量，使用方便。若想把測量數據傳到上位機，用一個串口線連接轉速表到上位機，便可把測量的數據實時傳上去，用于數據管理。

參考文獻:

[1] 房小翠.單片微型機算機與機電接口技術[M].北京:國防工業出版社，2004.

[2] 雷思孝.單片機原理與實用技術——凌陽16位單片機原理及應用[M].電子科技大學出版社，2003.

[3] 何立民.單片機原理[M].北京航空航天大學出版社，2001.

[4] 王兆安.電力電子技術[M].機械工業出版社，2003.

[5] 譚浩強.C程序設計[M].清華大學出版社，2001.