脈沖信號(hào)測(cè)速電路模塊設(shè)計(jì)

郭彥茹

摘 要： 基于51單片機(jī)的轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)通過光電編碼器對(duì)電機(jī)脈沖信號(hào)進(jìn)行采集，實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖信號(hào)的產(chǎn)生、整形，完成對(duì)單片機(jī)處理后信息的輸出和顯示，可對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。鍵盤模塊調(diào)節(jié)設(shè)置初始轉(zhuǎn)速上限，當(dāng)轉(zhuǎn)速大于上限則聲光報(bào)警。由于采用了單片機(jī)和光電傳感器，該系統(tǒng)具有硬件電路簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高、性能穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，適用于自動(dòng)控制、自動(dòng)檢測(cè)及各種轉(zhuǎn)速測(cè)量與控制領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞： 電機(jī)； 光電編碼器； 脈沖測(cè)速電路； 脈沖信號(hào)采集

中圖分類號(hào)： TN911.23?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）01?0120?02

Abstract： The rotational speed measurement system based on 51 SCM is discussed in this paper. The pulse signal of motor is collected by optoelectronic encoder to realize generation and reshaping of the pulse signal， as well as information output and display after processing by SCM. The speed of electrical machine can be controlled remotely. The initial speed upper limit is reset by keyboard module. The sound and light alarm occurs when the speed is higher than the upper limit. The system has simple hardware circuit， high measuring accuracy， stable and reliable performance due to application of the SCM and photoelectric sensor. It is applicable to automatic control， automatic detection， rotary speed measurement and control.

Keywords： motor； photoelectric encoder； pulse tachometer circuit； pulse signal acquisition

1 總體設(shè)計(jì)思路

本模塊首先通過光電編碼器獲得脈沖信號(hào)，將脈沖整形后[1]，輸送給單片機(jī)進(jìn)行計(jì)數(shù)，經(jīng)過一定時(shí)間（200 ms）后計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度值，通過4位數(shù)碼管顯示出來（此時(shí)如果轉(zhuǎn)速超過設(shè)定的上限值則啟動(dòng)聲光報(bào)警），顯示范圍為0～9 999。同時(shí)，單片機(jī)將速度信號(hào)通過比例計(jì)算，得到對(duì)應(yīng)的電壓值（1 500 r/min對(duì)應(yīng)5.0 V），輸出0.0～5.0 V的電壓模擬信號(hào)，通過PCB板上兩個(gè)接頭，實(shí)現(xiàn)連接外部設(shè)備的使用和測(cè)量，同時(shí)將電壓值顯示在兩位八段數(shù)碼管上，顯示精度為小數(shù)點(diǎn)后一位（0.0 V）。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的遠(yuǎn)程控制，通過鍵盤設(shè)置轉(zhuǎn)速上限（初始值為1 500 r/min）的報(bào)警值，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過設(shè)置值時(shí)聲光報(bào)警。模塊本身可以通過電位器實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的手動(dòng)調(diào)速。系統(tǒng)基本設(shè)計(jì)如圖1所示。

2 各部分設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)選擇

經(jīng)過綜合考慮各功能的實(shí)現(xiàn)，選用宏晶公司推出的小型單片機(jī)STC12C5202AD?LQFP?32。它是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的8051，但速度增快了8～12倍。

2.2 單片機(jī)功能實(shí)現(xiàn)

該模塊采用按鍵電平復(fù)位方式實(shí)現(xiàn)復(fù)位功能；利用E2PROM保證鍵盤設(shè)置的轉(zhuǎn)速上限值得以保存，當(dāng)斷電后再次通電時(shí)，上限值為設(shè)置后的數(shù)值而不是設(shè)定的初始值；通過單片機(jī)自帶的A/D轉(zhuǎn)換口進(jìn)行輸出顯示前必要的A/D轉(zhuǎn)換。

設(shè)定T1接口為外部計(jì)數(shù)器，T0用于數(shù)碼管顯示及形成閘門信號(hào)，選用工作狀態(tài)1（即M1M0=01時(shí)，定時(shí)器所選擇的狀態(tài)）。系統(tǒng)使用最常見的11.059 2 MHz的晶振，設(shè)定定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0每10 ms中斷一次，用以數(shù)碼管的顯示，每200 ms讀取一次計(jì)數(shù)器T1中的數(shù)值[2]。

2.3 硬件電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)使用一個(gè)4位共陽(yáng)數(shù)碼管顯示電機(jī)轉(zhuǎn)速，一個(gè)2位共陽(yáng)數(shù)碼管顯示0.0～5.0 V的電壓（其中5.0 V對(duì)應(yīng)1 500 r/min的轉(zhuǎn)速）。

用于設(shè)定上限轉(zhuǎn)速的鍵盤電路由3個(gè)按鍵組成（K1，K2，K3），K1用于進(jìn)入（此時(shí)數(shù)碼管顯示由實(shí)際的轉(zhuǎn)速值切換為需要設(shè)定的報(bào)警上限值）或退出電機(jī)轉(zhuǎn)速上限報(bào)警值設(shè)置界面，K2用于調(diào)整數(shù)值的大小，K3用于選擇需要調(diào)整數(shù)值的某一位數(shù)碼管。

A/D轉(zhuǎn)換通過單片機(jī)內(nèi)部引腳實(shí)現(xiàn)。STC12C5202AD單片機(jī)的ADC是逐次比較型ADC。逐次比較型ADC由一個(gè)比較器和D/A轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，通過逐次比較邏輯，從最高位開始，順序地對(duì)每一輸入電壓與內(nèi)置D/A轉(zhuǎn)換器輸出進(jìn)行比較，經(jīng)過多次比較，使轉(zhuǎn)換所得的數(shù)字量逐次逼近輸入模擬量對(duì)應(yīng)值。逐次比較型ADC轉(zhuǎn)換器具有速度高、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。

D/A轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)采用了美國(guó)德州儀器公司生產(chǎn)的TLC5615。它具有串行接口的數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，其輸出為電壓型，最大輸出電壓是基準(zhǔn)電壓值的兩倍；帶有上電復(fù)位功能，即把 DAC 寄存器復(fù)位至全零；性能比早期電流型輸出的 DAC 要好，只需要通過 3 根串行總線就可以完成 10 位數(shù)據(jù)的串行輸入。

2.4 軟件部分

2.4.1 主程序設(shè)計(jì)

主程序設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

在顯示部分，顯存分別為D_MEM，D_MEM+1，D_MEM+2，其中D_MEM，D_MEM+1用于顯示轉(zhuǎn)速，D_MEM+2用于顯示電壓，BLINK（20H）（位地址00H～07H）為閃爍位控制，2FH（位地址70H～7FH）用作標(biāo)志位。

P2口控制8段數(shù)碼管顯示，分別由P0.0，P0.1，P0.2，P0.3，P1.1，P1.0控制顯示速度的4位數(shù)碼管和顯示電壓的兩位數(shù)碼管。

2.4.2 其他子程序

脈沖計(jì)算程序、速度轉(zhuǎn)換對(duì)應(yīng)電壓程序、鍵盤設(shè)置程序、比較報(bào)警上限程序、A/D轉(zhuǎn)換程序、D/A轉(zhuǎn)換程序、E2ROM保存程序、數(shù)碼顯示程序、延時(shí)子程序以及其他數(shù)值轉(zhuǎn)換和計(jì)算子程序[3]。

3 誤差分析

根據(jù)綜合調(diào)試實(shí)測(cè)速度值得出表1，誤差波動(dòng)范圍如圖3所示。

平均誤差分析：

（0%+0%+0.1%+0.4%+0.09%+0.07%）÷6=0.11%

根據(jù)數(shù)據(jù)分析，該模塊的設(shè)計(jì)達(dá)到了很好的準(zhǔn)確度。

4 結(jié) 論

本模塊的實(shí)用性非常強(qiáng)，在運(yùn)用電機(jī)的場(chǎng)合檢測(cè)電機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速是十分必要的，采用光電式測(cè)速系統(tǒng)正是由于其低慣性、低噪聲、高分辨率和高精度的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)本文的設(shè)計(jì)也實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的簡(jiǎn)單控制和轉(zhuǎn)速過快時(shí)的報(bào)警提示。設(shè)計(jì)中通過軟件硬件各種手段盡可能地減小了誤差，保證了檢測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性。

參考文獻(xiàn)

[1] 湯鴻來，吳顯祥，李璐瑩.光電編碼器的輸出接口和電路系統(tǒng)[J].電子技術(shù)，1990（10）：34?36.

[2] 段晨東.單片機(jī)原理與接口技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008.

[3] 何立民.MCS?51系列單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1990.

[4] 吳勇，李林濤，陳世純，等.基于Arduino開發(fā)環(huán)境的光電編碼器檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2014，37（2）：124?126.

[5] 馮希，梁雁冰，張濤.基于FPGA的多路增量式光電編碼器測(cè)角電路設(shè)計(jì)方法[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2008，31（19）：175?177.

[6] 張琴琴，楊建宏，劉琳.基于DSP的絕對(duì)式光電編碼器串行接口設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（14）：185?188.