基于單片機的柴油機轉速測量模塊設計

笪月君

（鎮江四洋電氣工程有限公司，江蘇鎮江 212003）

1 轉速測量方法

轉速是指作圓周運動的物體在單位時間內所轉過的圈數，其大小及變化往往意味著機器設備運轉的正常與否[1]。因此，轉速測量一直是工業領域的一個重要問題。按照不同的理論方法，先后產生過模擬測速法（如離心式轉速表）、同步測速法（如機械式或閃光式頻閃測速儀）以及計數測速法。計數測速法又可分為機械式定時計數法和電子式定時計數法。本文介紹的采用單片機和光電傳感器組成的高精度轉速測量系統，其轉速測量方法采用的就是電子式定時計數法[2]。

對轉速的測量實際上是對轉子旋轉引起的周期脈沖信號的頻率進行測量。在頻率的工程測量中，電子式定時計數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，計數被測信號的重復變化次數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，計數時鐘脈沖數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，計數時鐘脈沖數m2，從而得到被測信號頻率fx，則fx可以表示為：fx=m1fc m2，m1由測量準確度確定。

電子式定時計數法測量頻率時，其測量準確度主要由兩項誤差來決定：一項是時基誤差；另一項是量化誤差。當時基誤差小于量化誤差一個或兩個數量級時，這時測量準確度主要由量化誤差來確定。

2 轉速測量原理

一般的轉速長期測量系統是預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60倍轉速脈沖，再用測頻的辦法實現轉速測量。而臨時性轉速測量系統，多采用光電傳感器，從轉軸上預先粘貼的一個標志上獲得一轉一個轉速脈沖，隨后利用電子倍頻器和測頻方法實現轉速測量。不論長期或臨時轉速測量，都可以在微處理器的參與下，通過測量轉軸上預留的一轉一齒的鑒相信號或光電信號的周期，換算出轉軸的頻率或轉速。即通過速度傳感器，將轉速信號變為電脈沖，利用微機在單位時間內對脈沖進行計數，再經過軟件計算獲得轉速數據。[1][3]即：

式中，n為轉速，rpm；N為采樣時間內所計脈沖個數；T為采樣時間，min；m為每旋轉一周所產生的脈沖個數（通常指測速碼盤的齒數） 。

如果m=60，那么1秒鐘內脈沖個數N就是轉速n，即：

通常m為60。

圖1 系統原理圖

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行放大和整形，在送入單片機進行數據的處理轉換。

③單片機：對處理過的信號進行轉換成轉速的實際值，送入LED。

④ LED 顯示：用來對所測量到的轉速進行顯示。

3 系統硬件設計

3.1 光電傳感器

在設計中采用光電傳感器采集信號，這種傳感器是把旋轉軸的轉速變為相應頻率的脈沖，然后用測量電路測出頻率，由頻率值就可知道所測轉速值。這種測量方法具有傳感器結構簡單、可靠、測量精度高的特點，是目前常用的一種測量轉速的方法。

從光源發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，當測速齒槽旋轉一周，光敏元件就能感受與開孔數相等次數的光次數。對于被測電機的轉速在90—1700 r/min的來說，每轉一周產生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 轉速傳感器電路圖

測速齒盤裝在發射光源（紅外線發光二極管）與接收光源的裝置（紅外線接收二極管）之間。紅外線發光二極管（規格IR3401）負責發出光信號，紅外線接收三極管（規格3DU12）負責接收發出的光信號，產生電信號，每轉過一個齒，光的明暗變化經歷了一個正弦周期，即產生了正弦脈沖電信號。

如圖2轉速傳感器電路，由于紅外光不可見，無法用肉眼識別發光信號是否在工作，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，其導通電壓為1.2—1.5 V，所選用的發光二極管的正向壓降一般為1.5—2.0 V，電流為10—20 Ma。R的計算公式為：

計算得：Rmin=425 Ω；Rmin=465 Ω。設定中所選阻值為 430 Ω（Rmin≤R≤Rmax）。

轉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化為電信號的電壓Uo很微弱（一般為 mV量級），需要進行信號處理。

3.2 轉速信號處理電路

如圖3所示，轉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。由于產生的電壓信號很小，所以要進行放大處理，一般要放大至少1000倍（≥60dB），然后在進行信號處理工作。信號放大裝置選用運算放大器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算電路如圖 3.4.設計的電壓放大倍數為3000倍。其中第一級放大倍數為30，第二級放大倍數為 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有副值上的波動，形成干擾信號。為起到消除干擾，實現濾波作用，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。整形電路設計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行濾波，解耦。R11和R17是防止電路短路，起到保護電路的作用。

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

第二次用三極管整形電路，當輸出為-5V的信號時，三極管VT2（8050）的基-射極和電阻R18組成并聯電路電流經過 R18、R17，三極管 VT2處于反向偏置狀態。所以VT2的集-射極未接通，故處于截止狀態。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，故輸出電壓U0為0 V。當第一次整形輸出為+5 V的信號時，三極管VT2基-射極處于正向偏置狀態，有電流I通過，故此時三極管的集-射極處于通路狀態。電源電流流經電阻 R19、三極管的集-射極到地端，由于集-射極導通時的電阻很小，可以忽略不計。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系是：信號為-5 V時，U0=+12 V；信號為+5V時，U0=0 V。

3.3 單片機電路

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再串聯一個電容的二端網絡，電工學上這個網絡有兩個諧振點，以頻率的高低分，其中較低的頻率是串聯諧振，較高的頻率是并聯諧振。

圖4 晶振電路

AT89C51單片機內部有一個用于構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成一個自激振蕩器。外接晶體諧振器以及電容C1和C2構成并聯諧振電路，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、震蕩器的穩定性、起振的快速性和溫度的穩定性。因此，此系統電路的晶體振蕩器的值為 12 MHz，電容應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盡可能安裝得與單片機芯片靠近，以減少寄生電容，更好地保證震蕩器穩定和可靠地工作。晶體振蕩電路如圖 4所示。

3.4 顯示模塊

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

動態顯示仿真如圖5所示：

圖5 動態顯示仿真圖

4 系統軟件設計

硬件電路完成以后，進行系統軟件設計。首先要分析系統對軟件的要求，然后進行軟件的總體的設計，包括程序的總體設計和對程序的模塊化設計。按整體功能分為多個不同的模塊，單獨設計、編程、調試，然后將各個模塊裝配聯調，組成完整的軟件。

根據設計的要求，單片機的任務是：內部進行計數，在計算出速度后顯示。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。從程序流程圖、編寫程序、編譯，到最后的調試，是很復雜的。下面簡單介紹系統軟件主程序的功能是完成系統的初始化、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

采用單片機技術來實現轉速的測量，可以提高轉速測量的精確度，并且加快了采樣的速率，具有較好的實時性。本文介紹的轉速方法使用于高、低轉速的測量，測量精確度與轉速無關，因而具有較寬的應用范圍和廣闊的應用前景。

基于單片機的轉速測量系統，具有硬件電路簡單，程序簡單和運算速度快，抗干擾性能好的特點。在設計的信號處理電路中經過濾波，能夠進一步減少誤差，是測速精度得到提高。

[1] 孫桂榮, 班 瑩, 劉鳴. 電機轉速測量設計實驗, 實驗室科學. 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. 模擬集成電路應用, 西北工業大學出版社. 2003.