光電轉(zhuǎn)速測量器的研制

魏西媛

摘 要：在實時控制中，轉(zhuǎn)速的檢測是其他參數(shù)檢測的基礎。本文提出了一種基于STC89C52單片機的全數(shù)字式測速系統(tǒng)，由對射式光電傳感器、格雷碼盤、STC89C52單片機等電路組成，實現(xiàn)了全數(shù)字的智能測速功能。有電路簡單，測量方便，成本低的優(yōu)點。

關(guān)鍵詞：光電傳感器；“M”算法；轉(zhuǎn)速

在生產(chǎn)生活中，經(jīng)常需要對轉(zhuǎn)速進行測量，例如發(fā)電機、電動機、自行車、縫紉機等設備的運轉(zhuǎn)和控制，常需要測量、顯示其轉(zhuǎn)速。傳統(tǒng)轉(zhuǎn)速測量中應用最廣的是光電式數(shù)字脈沖測速器。光電式測速系統(tǒng)具有低慣性、低噪聲、高分辨率和高精度的優(yōu)點。采用光電傳感器的電機轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)有測量準確度高、采樣速度快、測量范圍寬和測量精度與被測量轉(zhuǎn)速無關(guān)等優(yōu)點，具有廣泛的應用前景。

1 速度測量方法

常用的速度測量方法大體可分為“M”法（即測頻率法）、“T”法（即測周法）、“M/T”法（即同步法）三大類。“M”法測量速度，電路和程序均較為簡單，且可以在一定的條件下滿足精度的要求，所以選擇采用“M”法來進行轉(zhuǎn)速的測量。

2 “M”法測速原理

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

3 測量系統(tǒng)

3.1 光電傳感器

在實際應用中，光電傳感器的分類比較多，現(xiàn)采用對射式光電傳感器進行轉(zhuǎn)速測量，這種傳感器是把旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速變?yōu)橄鄳l率的脈沖，然后用測量電路測出頻率，由頻率值就可知道所側(cè)轉(zhuǎn)速值。

測量過程是在電機的轉(zhuǎn)軸上安裝一個碼盤，發(fā)光器和接收器對應固定在碼盤兩邊，發(fā)光器發(fā)出的光照射在均勻分布的碼道上，電機轉(zhuǎn)動帶動碼盤轉(zhuǎn)動，當測速碼盤旋轉(zhuǎn)一周，光接收器就能感受與開孔數(shù)相等次數(shù)的光照次數(shù)，每轉(zhuǎn)過一個碼道，光接收器就檢測到變化的光信號，光的明暗變化經(jīng)歷了一個正弦周期，它就隨之產(chǎn)生正弦脈沖電信號，這樣就構(gòu)成了一個收發(fā)檢測系統(tǒng)，可以檢測電機的轉(zhuǎn)速。這種測量方法結(jié)構(gòu)簡單、可靠、測量精度高，是目前最常用的一種測量轉(zhuǎn)速的方法。

碼盤選用常用的三位格雷碼盤，將整個碼盤分為八份，為了保證碼盤在轉(zhuǎn)動的過程中不發(fā)生打飄現(xiàn)象，選用鐵皮作為碼盤的材質(zhì)進行制作和刻劃，其原理如圖1所示。

3.2 信號整形電路

由74LS14施密特觸發(fā)反向器對信號進行整形，并把整形后的信號送給單片機。74LS14芯片實現(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轉(zhuǎn)換成清晰、無抖動的輸出信號，同時它也可以直接作為驅(qū)動。

3.3 單片機最小系統(tǒng)

控制系統(tǒng)選用STC89C52單片機作為核心控制元件。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。通過這兩個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)成一個穩(wěn)定的自激振蕩器。

3.4 LED顯示模塊

本系統(tǒng)設計五位八段數(shù)碼管顯示，選用動態(tài)掃描方式，將所有數(shù)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，受單片機P0口控制，每個數(shù)碼管的公共極COM位選通受單片機的P2口控制，當單片機輸出字形碼時，所有數(shù)碼管都收到顯示相同字形碼的電流，通過將要顯示的數(shù)碼管的位選控制段打開，就會顯示出該位的字形，沒有選通的數(shù)碼管就不會亮。通過設置時間輪流控制每個數(shù)碼管的的COM端，就使各個數(shù)碼管輪流受控顯示。在數(shù)碼管不斷輪流顯示的過程中，每位數(shù)碼管的點亮時間為1～2ms，利用人眼的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應，盡管每位數(shù)碼管并不是同時點亮的，但是只要掃描的頻率合理，給人眼的留下的感覺就是一組穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，足夠亮且不會感覺有閃爍感，還能有效降低數(shù)碼管的功耗。

3.5 速度預估設計

為了使轉(zhuǎn)速測量器的測量性能更好，在軟件設計中采用了改進的“M”法測量原理，將所要測量的轉(zhuǎn)速分段并且不同轉(zhuǎn)速段對應的檢測時間不同，建立轉(zhuǎn)速預估值和檢測時間關(guān)系的對應表。分段時間長短依據(jù)轉(zhuǎn)速的大小而定，為保證精度，設定每次計算時所采集的輸入脈沖個數(shù)不少于十個，然后應用軟件估計一個最鄰近值，表1給出了部分不同轉(zhuǎn)速所需測量時間。表2給出了根據(jù)不同轉(zhuǎn)速所劃分的測量

時間。

4 結(jié)論

該方法結(jié)構(gòu)簡單，安裝也較方便。測量轉(zhuǎn)速比較方便，能夠?qū)崿F(xiàn)30.0r/min～9999.9r/min范圍轉(zhuǎn)速的測量，精度也比較高，實時性較好，可以應用在多數(shù)轉(zhuǎn)軸速度測量的場合。