多功能数字转速表设计及实现

摘要:该系统采用凌阳十六位单片机SPCE061A实现转速测量,转速信号由LTH1650红外反射光电传感器和放大电路、滤波电路、整形电路提供。通过M/T算法实现对电机转速的实时测量,具有转速最大值,最小值,平均值的数字语音播报和显示,加速度显示;另外还有转速超限报警功能,通过键盘手工输入转速上限值,当所测量的转速超过这个值,发出报警声音;为了便于与其它数字仪、计算机通讯或构成闭环系统, 同时还留有异步串行通讯口与上位机连接。

关键词: 转速表;凌阳单片机;语音播报;显示;通讯;报警

中图分类号:TP311文献标识码:A 文章编号:1009-3044(2009)32-9071-02

Multi-function Digital Tachometer Design and Implementation

WANG Hong-jun

(School of Computer Science, Shandong Yingcai University, Ji'nan 250104, China)

Abstract: This system adopts and 16 one-chip computers SPCE061A of male genital and realizes rotational speed measurement, the rotational speed signal is reflect the photoelectric sensor and amplifies the circuit infraredly, strain the wave circuit, has a facelift in the circuit to offer by LTH1650. Realize the real-time measurement to the rotational speed of the electrical machinery through M/T algorithm, have rotational speed maximums , the minimum, the digital speech of the average reports and shows , the acceleration shows; There is ultra warning function of limit of rotational speed in addition , input the limit on the rotational speed by hand through the keyboard, as the rotational speed measured exceeds this value, emit the warning sound; In order to make it convenient for with other digital appearances , computer news reports or form and close the ring system, leave asynchronous serial communication mouth and go to location plane join also at the same time.

Key words: Speedometer; 16 one-chip computers SPCE061A; pronunciation reporting; show; communication; reporting to the police

1 概述

转速表作为一种通用测量工具,已有多种形式面市,如:机械式、机电式、电磁式、光电式等。尽管它们大都测量精确、使用安全、操作简便、但普遍存在的问题是功能单一。在工厂、矿山、科研单位及大中专院校实验室,经常需要转速测量,但目前测量转速的仪器、仪表,无论机械式还是电子数字式,若精度高、功能多,则价格较贵,学校、厂矿及科研单位较难承受;若价格低,则其功能较少,精度较低,故障率也随之增高,给使用者带来许多不便。能否有一种即保证实验室条件下有足够的测量精度、又能保证价格及故障率较低的转速测量仪器或仪表?本文针对上述问题,在考查了国内大量的数字式或智能式测速表的基础上,采用凌阳16单片机设计成功了低成本、简易型、多功能,又保证一定测量精度的手持式简易型智能转速表。

2 系统方案设计

2.1 系统总体设计

转速信号由LTH1650红外反射光电传感器和放大电路、滤波电路、整形电路提供的转速信号输入到凌阳单片机,单片机通过M/T算法实现对电机转速的实时测量与计算。具有转速最大值,最小值,平均值的数字语音播报和显示,加速度显示,为了便于与其它数字仪、计算机通讯或构成闭环系统, 同时还留有异步串行通讯口RS232与上位机连接。另外还有转速超限报警功能,通过键盘手工输入转速上限值,当所测量的转速超过这个值,发出报警声音。

用16位的凌阳单片机SPCE061A可以方便的实现转速测量,凌阳单片机SPCE061A具有16位的数据总线,CPU时钟:32768Hz~49.152MHz,SPCE061A内部带有8路ADC和2路的DAC,32个IO口,内置32K字闪存和2K字的静态存储器,可编程音频处理。另外还有内置在线仿真电路接口ICE(In- Circuit Emulator)开发调试非常方便。

用凌阳单片机构成的转速表系统功能框图(图1)。

2.2 测量方案设计

转速测量的方法有很多种:机械软轴接触测量、非接触的磁电数字测量、非接触的光电数字测量。虽然每种方法都有自己的特殊功用场合,但是在工厂、矿山、及大中专院校实验室非特殊场合的转速测量中前两种方法有许多去缺点:增加旋转机械负荷,测量方式不灵活,不安全等。

随着科学技术的发展与进步,转速测量由机械软轴接触测量发展到非接触的磁电数字测量,进而又发展到非接触的光电数字测量,这种光电数字测量是以时间频率为基准,它具有测量无噪声!精度高!体积小!重量轻!功耗小!不增加旋转机械负荷,既方便又安全等特点,便于手持式操作。

本设计就是采用数字光电测量方法。一般来说,从光电传感器传过来的电信号难免混入一些干扰脉冲。因此,系统的硬件电路需对转速信号进行滤波、限幅、整形、放大,然后计数并输入到微处理器进行处理和运算。

凌阳单片机处理数据时采用M/T法。常用的转速测量方法有M法、T法和MT法。M法(即测频法)――是指在固定的时间内测出转速传感器输出的脉冲个数。经分析得知,M法在测高速时相对误差较小。T法(即测周期法)――是指在转速传感器输出脉冲周期内对时钟信号进行计数,测出转速脉冲周期,进而计算出转速。经分析得知,T法在测低速时相对误差较小。

MT法――是在M法基础上吸取了T法之优点而形成的。MT法测速时序如图(图2)所示,其测速过程是:在转速传感器输出脉冲上升沿到来时启动定时(定时时间为TC),同时计传感器输出脉冲个数和时钟脉冲个数,定时时间到,先停止对传感器输出脉冲的计数,待下一个传感器输出脉冲上升沿到来时再停止对时钟脉冲的计数,由记录的两脉冲数m1和m2求出转速。假定旋转体每转一周,转速传感器输出P个脉冲,又设转速为N,时钟频率为f0,则: Td=TC+T=m1*T=m1*(60/PN) (1)

又因Td=m2*(1/f0)所以 N=(60*f0/P)*(m1/m2)(2)

通过式(2)可方便地计算出转速,因为m1不存在误差,m2的最大误差为一个时钟脉冲,所以,MT法测速时的相对误差为:

N/N=1/(m2-1)(3)

在式(3)中,由于m2通常较大,故相对误差较小,即该测量方法精度较高。

3 系统软件设计

在本应用系统的设计过程中,我们遵循“以软代硬”的原则,尽可能地减少硬件,以降低产品的成本,提高可靠性。软件包括以下程序模块:主程序、测速子程序、显示子程序、键盘设置子程序、通讯子程序、中断服务子程序和语音播报子程序等。

在主程序中实现各个子程序的调用,并实现它们的协调工作,还完成一些有关的算法运算和逻辑运算,用C语音实现。各个子程序和中断程序由汇编完成。具体流程图(图3)如下:

4 仪表指标分析

测速仪表一般有几个主要的测速指标:测速精度、测速时间、测速范围。

测速精度:

本设计在转轴上贴一个反光纸,经实际测量发现误差在±2r/min左右,若贴上4个或者更多反光纸,理论上测量误差更小,但是实际操作起来考虑多种干扰因素影响误差不一定减小,对于一般要求不是很高的测转速场合,±2r/min的测量误差已经够用,对一些要求比较高的侧速场合比如需要闭环控制的,此种方法不妥,应该使用光电码盘等一些设备。

测速时间:

连续两次采样转速的间隔时间以T0表示。T0愈短愈有利于快速响应,考虑到本设计只贴了一个反光纸,取测量时间为1S。

测速范围:

本设计采用LTH1650红外反射光电传感器,接受部分的光电流大于50μA,响应时间小于250μs,感光频率达4KHZ,考虑到只贴了一个反光纸,也就是转一圈产生一个脉冲,所以理论上最大可测量的转速为:4000*60=240000(r/min),考虑到实际需要,以及测量条件的限制,可限定最高转速为9999r/min。由于贴了一个反光纸,分辨率较低,其可以测量的最低转速较低为60r/min,但是在软件上采用了M/T法,最低转速还能在小一些。

指标如下:

转速测量范围 60-9999rmin

测速采样周期 1s

测量精度(分辨率) ±2r/min

输出方式 语音播报与数码管显示

超速报警方式 语音报警

数据传送方式 RS-232

工作电压 1.5V×4(5#电池)

5 结束语

此数字转速表的使用方法如图(图4)所示:在被测旋转机械的转轴上贴一个反射纸,使轻速表的光电测头发出的光对准反射纸,即可测量,使用方便。若想把测量数据传到上位机,用一个串口线连接转速表到上位机,便可把测量的数据实时传上去,用于数据管理。

参考文献:

[1] 房小翠.单片微型机算机与机电接口技术[M].北京:国防工业出版社,2004.

[2] 雷思孝.单片机原理与实用技术――凌阳16位单片机原理及应用[M].电子科技大学出版社,2003.

[3] 何立民.单片机原理[M].北京航空航天大学出版社,2001.

[4] 王兆安.电力电子技术[M].机械工业出版社,2003.

[5] 谭浩强.C程序设计[M].清华大学出版社,2001.