基于單片機的低速旋轉(zhuǎn)機械轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)設(shè)計

李 力 曾德學 余新亮

（三峽大學 水電機械設(shè)備設(shè)計與維護湖北省重點實驗室，湖北 宜昌 443002）

低速旋轉(zhuǎn)機械是指轉(zhuǎn)速低于600r／min的機械［1］，一般是大型重載設(shè)備，被廣泛應(yīng)用于風力發(fā)電、制藥、冶金等行業(yè).對此類機械，轉(zhuǎn)速是一個重要的技術(shù)參數(shù)，需要對轉(zhuǎn)速進行快速精確測量［2］，以達到生產(chǎn)要求.過去常用測速電機、脈沖發(fā)生器、模擬變換器、轉(zhuǎn)速表、光電編碼盤等測速方法進行測速，由于測速電機、脈沖發(fā)生器、模擬變換器等容易受到線性度和溫度等環(huán)境因素影響［3］，難以達到高精度要求；轉(zhuǎn)速表易受振動等影響，指針或數(shù)字會產(chǎn)生波動或者發(fā)生跳變，精度難以保障；光電編碼盤安裝要求較高，由于軟連接的原因，容易松動，可靠性差［4］，并且需要在機械旋轉(zhuǎn)軸上安裝附加裝置，操作不便；現(xiàn)代發(fā)展的基于單片機系統(tǒng)的數(shù)字式測速方法，在測量低速旋轉(zhuǎn)機械的轉(zhuǎn)速時，根據(jù)測速原理計算的精度可以滿足要求，然而實際產(chǎn)品由于硬件電路設(shè)計的原因?qū)е戮雀鳟悾⑶移渚纫搽y以保障.

針對以上問題，設(shè)計了一種基于單片機的低速旋轉(zhuǎn)機械轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)（以下簡稱測速系統(tǒng)）.該測速系統(tǒng)由硬件電路和軟件程序組成，其中包括AT89C52單片機、永久磁鋼片、霍爾傳感器、光電耦合器、整形電路、LCD屏等.文中主要對測速系統(tǒng)的部分硬件電路進行設(shè)計，以軟件加以輔助，在現(xiàn)有產(chǎn)品的設(shè)計基礎(chǔ)上改進，采用T2口提高測速精度；同時，將磁鋼吸附在低速機械旋轉(zhuǎn)軸上進行測量，無需拆裝機械，操作方便.系統(tǒng)采取防干擾措施，受環(huán)境影響較小，可保障測試精度.該測速系統(tǒng)不僅可用于速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，還可以單獨作為測速裝置使用.

1 測速系統(tǒng)總體設(shè)計

測速系統(tǒng)總體設(shè)計如圖1所示，包括硬件電路設(shè)計及軟件程序設(shè)計.硬件電路設(shè)計包括晶振電路、復(fù)位電路、信號處理電路、顯示電路等；軟件程序設(shè)計包括主程序、中斷程序、轉(zhuǎn)速處理程序、按鍵程序等.系統(tǒng)采用T法測速，其工作原理為：在低速旋轉(zhuǎn)機械轉(zhuǎn)軸上吸附一粒磁鋼，霍爾傳感器正對磁鋼，調(diào)整其間距大小合適，轉(zhuǎn)軸每轉(zhuǎn)一周，霍爾傳感器會產(chǎn)生一個脈沖，測速系統(tǒng)通過測量兩個相鄰脈沖之間的時間間隔從而計算出該低速旋轉(zhuǎn)機械的轉(zhuǎn)速.

圖1 測速系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 硬件電路設(shè)計

硬件電路中信號處理電路的作用是采集并處理轉(zhuǎn)速信號送入單片機計數(shù)，是所有硬件電路模塊中最為關(guān)鍵的電路.本文設(shè)計的信號處理電路如圖2所示，主要包括由霍爾傳感器構(gòu)成的信號采集模塊、由光電耦合器構(gòu)成的抗干擾模塊、由六反相施密特觸發(fā)器74LS14組成的信號整形模塊以及AT89C52單片機模塊等.

圖2 信號處理電路

所選霍爾傳感器是OC門，需要在輸出端與電源之間接一個電阻，為了提高其帶負載的能力，接一個三極管放大電路對信號進行放大，霍爾傳感器內(nèi)含穩(wěn)壓電路、霍爾電勢發(fā)生器（即硅霍爾片）、差分放大器、施密特觸發(fā)器以及OC門輸出電路等，屬于補償式測量［5］，具有良好的精確度（±1%）和線性度（40.0%×額定電流），具有遲滯特性，可防止噪聲干擾，輸出的信號強度高且穩(wěn)定；考慮到周圍的環(huán)境條件如振動、沖擊、電磁干擾等通過線路或者場等形式對信號產(chǎn)生干擾造成單片機計數(shù)誤差，在信號輸入單片機之前采用光電耦合器對信號進行隔離保護，光電耦合器以光為媒介在隔離的兩端進行信號傳輸，具有很強的隔離和抗電磁干擾能力［6］，可使信號現(xiàn)場與主控制端在電氣上完全隔離，避免了主控制系統(tǒng)受到意外損壞，且對信號具有放大和整形等功能，抗震動和抗沖擊能力強，提高了測量精度；六反相施密特觸發(fā)器將信號整形為標準的矩形脈沖送入單片機進行計數(shù)，從而計算轉(zhuǎn)速進而顯示測量結(jié)果；AT89C52單片機是低電壓、高性能CMOS 8位單片機，與其他類型單片機相比，該單片機比較典型，有很好的開發(fā)工具配合，具有的3個16位定時／計數(shù)器中定時器T2可以精確地測量兩相鄰脈沖之間的時間間隔，功能強大.

1.2 軟件程序設(shè)計

軟件程序中，主程序包括實現(xiàn)I／O口、中斷、定時計數(shù)器及其他相關(guān)硬件的初始化，以及相關(guān)服務(wù)子程序的調(diào)用；子程序包含轉(zhuǎn)速測量程序、時鐘程序、顯示程序等，轉(zhuǎn)速測量程序?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)速測量及處理，采用T2口測速；時鐘程序提供測量的具體時間；顯示程序?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)速的實時顯示等.圖3與圖4所示分別為主程序流程及定時器T2中斷流程.

軟件設(shè)計中采用了延時判斷方式以及指令冗余技術(shù)從軟件方面進行抗干擾設(shè)計，通過判斷輸入信號時序及邏輯上的合理性，摒棄不合邏輯的輸入信號，只有當檢測到穩(wěn)定狀態(tài)時的有效信號才認為是有效信號，使測速系統(tǒng)運行更為可靠.

2 測速系統(tǒng)工作過程

圖3 軟件程序設(shè)計主流程圖

圖4 定時器T2中斷流程圖

測速系統(tǒng)工作時，將一片永久磁鋼片吸附在低速旋轉(zhuǎn)機械轉(zhuǎn)軸上，霍爾傳感器正對磁鋼片，間距約為3～5mm，轉(zhuǎn)軸每轉(zhuǎn)一周當磁鋼片劃過霍爾傳感器時會產(chǎn)生一個脈沖信號，該信號經(jīng)光電耦合器隔離與整形電路整形為標準矩形脈沖后被送入單片機進行計數(shù)，每當所需測量脈沖信號的上升沿來到時T2口開始對單片機內(nèi)部的標準時鐘脈沖進行計數(shù)，直到下一個測量脈沖信號的上升沿來臨停止計數(shù)，通過計數(shù)個數(shù)及標準時鐘脈沖的頻率計算出相鄰兩個測量脈沖之間的時間間隔，從而計算出轉(zhuǎn)速值顯示在LCD屏上，需要對數(shù)據(jù)進行打印時，按下打印鍵即可打印.

3 結(jié) 論

本文設(shè)計的基于單片機的低速旋轉(zhuǎn)機械轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)，主要從硬件電路進行設(shè)計，同時以軟件程序加以輔助，解決了以往轉(zhuǎn)速測量方法易受環(huán)境影響造成的精度不高問題以及目前基于單片機的測速系統(tǒng)由于硬件電路設(shè)計原因引起的精度較低問題；采用磁鋼直接吸附在旋轉(zhuǎn)機械的旋轉(zhuǎn)軸上，解決了需要拆卸、安裝方可測速引起的操作不便問題.該系統(tǒng)不僅可以安裝于低速旋轉(zhuǎn)機械控制系統(tǒng)中用于速度測量，還可以單獨作為測速裝置使用.

［1］ 孫長城.基于應(yīng)力波和小波分析的低速旋轉(zhuǎn)機械故障診斷研究［D］.沈陽：沈陽工業(yè)大學，2006.

［2］ Syed Javed Arif，M.S.Jamil Asghar.Very Fast Measurement of Low Speed of Rotating Machines Using Rotating Magnetic Field［J］.Transactions on Instrumentation and Measurement，2012，61（3）：759－766.

［3］ 許 剛，王 成，蘇 立.智能紅外測速系統(tǒng)的設(shè)計［J］.中國儀器儀表，2008（8）：70－72.

［4］ 許戴銘.基于單片機與霍爾傳感器的轉(zhuǎn)速測量設(shè)計［J］.價值工程，2012（8）：133－134.

［5］ 秦祖蔭.霍爾電流傳感器的性能及其使用［J］.電子電力技術(shù)，1994（4）：63－65.

［6］ 劉宏濤.儀器儀表測控系統(tǒng)的干擾源及抗干擾技術(shù)思路［J］.濟南職業(yè)學院學報，2012（4）：82－84.