便攜式轉速測量及顯示系統設計

岳 晗， 裴東興， 張 瑜

（中北大學 儀器科學與動態測試教育部重點實驗室， 山西太原 030051）

0 引言

精密離心機是高精度慣性儀表的標定和測試設備，隨著慣性儀表量程和精度的提高，其發展趨勢是提高向心加速度的量程和轉速控制精度。本測試所用的離心機向心轉速精度≤1%。對轉速測量系統的要求是便攜化、精度高。現在普遍使用的測速系統雖然精度高，但其未能實現便攜化。針對上述要求及不足設計了便攜式轉速測量及顯示系統，采用了非接觸式全數字化的測量方案。利用單片機能夠直接處理光電轉換傳感器傳入的脈沖信號這一特點，無需設計模數轉換電路，避免了由于模擬信號轉換傳輸等因素造成的損失，提高了精度，簡化了電路，實現了便攜化。

1 系統硬件設計

1.1 系統的總體設計思路

將一片反光紙貼于被測物（離心機）上以示標記，然后將光電轉速傳感器（光電頭）固定于正對反光紙的適當距離處，被測物每轉一圈反射回來的光信號通過傳感器能夠轉變成一個矩形脈沖信號，該矩形脈沖信號比較平穩能夠與單片機直接連接。設置單片機內的T0引腳為定時功能，T1引腳為計數功能。將此脈沖信號作用于單片機的T1（計數器）引腳上，這樣通過對T1引腳的初始化設置，使其計n個數（一個周期）后就計數溢出,從而進入中斷服務程序(記錄下此時定時器T0中的數據)，單片機將此時采集的數據存入FLASH中。設定被測物旋轉的轉數為C1轉（即循環N=C1/n個周期），對這些數據進行C語言處理，即可得到離心機的平均轉速、最大/最小轉速以及轉速的不確定度[1]。將處理后的數據通過LCD顯示屏顯示出來。其系統的總體結構框圖如圖1所示。

圖1 系統的總體結構框圖

1.2 單片機的選擇

基于設計需要，本系統選用了宏昌科技推出的新一代STC系列單片機。STC系列的單片機的內部含有EEPROM型存儲器，其物理結構為flash,掉電后其內容不會消失，通過比較選用STC89C54由于其內部程序存儲字節為16KB[2]，存儲容量比較大。此外，STC系列單片機的P1口和P2口具有中斷能力，能夠對外部事件做出快速的響應。設計中主要利用單片機的定時器/計數器功能。將定時器/計數器T0設置為定時模式，定時器/計數器T1設置為計數功能，從而計算出離心機的轉速。

1.3 傳感器的選擇

本系統要采用非接觸式的全數字化測量方法，故選擇光電轉速傳感器——（SZGB—7）。它是采用調制光結構的單頭反射式光電傳感器，因此具有測量距離遠及不受環境光干擾的優點。傳感器內藏調制光發射和接收光轉換單元，能將被測物反射回來的光信號轉換成電脈沖信號。傳感器輸出電平適應性強，能與各種轉速數字顯示儀配套使用及計算機接口電路直接聯接，能無接觸測量轉速、線速等[3]。

1.4 液晶顯示部分設計

設計中采用YM12864R圖形點陣液晶顯示屏，其內置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 系統軟件設計

2.1 主程序流程圖

STC系列的單片機有豐富的外圍模塊，在這個非接觸式的全數字化的轉速測量系統中需要用的模塊有液晶顯示模塊、定時器模塊、內部時鐘模塊以及Flash模塊[7-9]。要運用這些模塊完成相應的工作就必須編寫適當的程序來進行控制。單片機的時鐘由12MHz的晶振提供，故定時器T0每記一次數所需要的時間為1μs。將T1的計數初值設為F6H，故其計滿100個數（一個周期）后進入一次定時器T1中斷，在這個中斷程序中對信號進行采樣，單片機將此時采集的據存入Flash中，并通過計算顯示到液晶屏上。這樣，轉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中斷服務流程圖

定時器T0的初始化設置為工作方式一（即為16位的計數器），當計數值達到65536時計數溢出進入中斷，并重新開始從0計數，其中斷服務流程圖如圖3所示。

2.3 計數器T1中斷服務流程圖

計數器T1的初始化設置為工作方式2（即自動再裝入8位計數器），其低8位為計數寄存器，高8位為計數常數寄存器。當低位的計數值溢出時將高位的計數常數重新裝入低位，繼續計數。本設計中由于每循環一次要記10組數據，故設定其計數器的計數常數為TH1=F6H（246）,其中斷服務程序流程圖如圖4所示。

圖2 主程序流程圖

圖3 定時器T0的中斷服務流程圖

圖4 定時器T1中斷服務流程圖

3 實驗及結果分析

實驗中測試的是精密離心機的轉速。將光電轉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給單片機的脈沖信號，光電讀頭輸出的脈沖圖像如圖5所示；圖6即為利用該系統對精密離心機轉速的測量及顯示結果。

圖5 光電讀頭輸出的脈沖圖像

圖6 精密離心機轉速測量顯示結果

實驗數據如表1所示。

表1 精密離心機的給定轉速與實測轉速及其誤差

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

4 結論

本文介紹了便攜式轉速測量及顯示系統的設計，提出了非接觸式全數字化的測量方法。該方法利用單片機能夠直接處理傳感器輸出的脈沖信號這一特點，減少了模數轉換電路的設計，簡化了電路，實現了便攜化。實驗表明該系統使用簡單、便于攜帶、精確度高，給轉速的測量帶來了極大的方便。擬做進一步的研究，使其便在便攜化的前提下精度得以進一步的提高。

[1]費業泰.誤差理論與數據處理[M].北京:機械工業出版社,2009:15.

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

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

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

[5]賈華.新型多功能LCD顯示系統的設計與實現[D].天津:天津大學,2004.

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

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[8]程建輝,陳波,楊晶.基于STC89C52的轉速測量裝置的設計[J].機電工程,2012,41(06):6-9.

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