便攜式轉(zhuǎn)速測量及顯示系統(tǒng)設計

岳 晗， 裴東興， 張 瑜

（中北大學 儀器科學與動態(tài)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(fā)展趨勢是提高向心加速度的量程和轉(zhuǎn)速控制精度。本測試所用的離心機向心轉(zhuǎn)速精度≤1%。對轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的要求是便攜化、精度高。現(xiàn)在普遍使用的測速系統(tǒng)雖然精度高，但其未能實現(xiàn)便攜化。針對上述要求及不足設計了便攜式轉(zhuǎn)速測量及顯示系統(tǒng)，采用了非接觸式全數(shù)字化的測量方案。利用單片機能夠直接處理光電轉(zhuǎn)換傳感器傳入的脈沖信號這一特點，無需設計模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，避免了由于模擬信號轉(zhuǎn)換傳輸?shù)纫蛩卦斐傻膿p失，提高了精度，簡化了電路，實現(xiàn)了便攜化。

1 系統(tǒng)硬件設計

1.1 系統(tǒng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)一圈反射回來的光信號通過傳感器能夠轉(zhuǎn)變成一個矩形脈沖信號，該矩形脈沖信號比較平穩(wěn)能夠與單片機直接連接。設置單片機內(nèi)的T0引腳為定時功能，T1引腳為計數(shù)功能。將此脈沖信號作用于單片機的T1（計數(shù)器）引腳上，這樣通過對T1引腳的初始化設置，使其計n個數(shù)（一個周期）后就計數(shù)溢出,從而進入中斷服務程序(記錄下此時定時器T0中的數(shù)據(jù))，單片機將此時采集的數(shù)據(jù)存入FLASH中。設定被測物旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)數(shù)為C1轉(zhuǎn)（即循環(huán)N=C1/n個周期），對這些數(shù)據(jù)進行C語言處理，即可得到離心機的平均轉(zhuǎn)速、最大/最小轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)速的不確定度[1]。將處理后的數(shù)據(jù)通過LCD顯示屏顯示出來。其系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖

1.2 單片機的選擇

基于設計需要，本系統(tǒng)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(nèi)部含有EEPROM型存儲器，其物理結(jié)構(gòu)為flash,掉電后其內(nèi)容不會消失，通過比較選用STC89C54由于其內(nèi)部程序存儲字節(jié)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?qū)ν獠渴录龀隹焖俚捻憫ＴO計中主要利用單片機的定時器/計數(shù)器功能。將定時器/計數(shù)器T0設置為定時模式，定時器/計數(shù)器T1設置為計數(shù)功能，從而計算出離心機的轉(zhuǎn)速。

1.3 傳感器的選擇

本系統(tǒng)要采用非接觸式的全數(shù)字化測量方法，故選擇光電轉(zhuǎn)速傳感器——（SZGB—7）。它是采用調(diào)制光結(jié)構(gòu)的單頭反射式光電傳感器，因此具有測量距離遠及不受環(huán)境光干擾的優(yōu)點。傳感器內(nèi)藏調(diào)制光發(fā)射和接收光轉(zhuǎn)換單元，能將被測物反射回來的光信號轉(zhuǎn)換成電脈沖信號。傳感器輸出電平適應性強，能與各種轉(zhuǎn)速數(shù)字顯示儀配套使用及計算機接口電路直接聯(lián)接，能無接觸測量轉(zhuǎn)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(nèi)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(nèi)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(tǒng)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(shù)字化的轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)中需要用的模塊有液晶顯示模塊、定時器模塊、內(nèi)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?shù)某绦騺磉M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(shù)所需要的時間為1μs。將T1的計數(shù)初值設為F6H，故其計滿100個數(shù)（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(jù)存入Flash中，并通過計算顯示到液晶屏上。這樣，轉(zhuǎn)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(shù)器），當計數(shù)值達到65536時計數(shù)溢出進入中斷，并重新開始從0計數(shù)，其中斷服務流程圖如圖3所示。

2.3 計數(shù)器T1中斷服務流程圖

計數(shù)器T1的初始化設置為工作方式2（即自動再裝入8位計數(shù)器），其低8位為計數(shù)寄存器，高8位為計數(shù)常數(shù)寄存器。當?shù)臀坏挠嫈?shù)值溢出時將高位的計數(shù)常數(shù)重新裝入低位，繼續(xù)計數(shù)。本設計中由于每循環(huán)一次要記10組數(shù)據(jù)，故設定其計數(shù)器的計數(shù)常數(shù)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(jié)果分析

實驗中測試的是精密離心機的轉(zhuǎn)速。將光電轉(zhuǎn)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(fā)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(tǒng)對精密離心機轉(zhuǎn)速的測量及顯示結(jié)果。

圖5 光電讀頭輸出的脈沖圖像

圖6 精密離心機轉(zhuǎn)速測量顯示結(jié)果

實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 精密離心機的給定轉(zhuǎn)速與實測轉(zhuǎn)速及其誤差

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

4 結(jié)論

本文介紹了便攜式轉(zhuǎn)速測量及顯示系統(tǒng)的設計，提出了非接觸式全數(shù)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(shù)轉(zhuǎn)換電路的設計，簡化了電路，實現(xiàn)了便攜化。實驗表明該系統(tǒng)使用簡單、便于攜帶、精確度高，給轉(zhuǎn)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(yè)泰.誤差理論與數(shù)據(jù)處理[M].北京:機械工業(yè)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(zhuǎn)速傳感器（SZGB—7）產(chǎn)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(tǒng)的設計與實現(xiàn)[D].天津:天津大學,2004.

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