胡 誠(chéng)，李傳海

(湖北民族學(xué)院理學(xué)院，湖北恩施 445000)

轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x器是各種機(jī)械產(chǎn)品的開發(fā)、測(cè)試、質(zhì)檢、鑒定、節(jié)能以及安全與優(yōu)化控制等工作中必不可少的［1］.本文提出一種基于STC12C5A60S2單片機(jī)測(cè)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，結(jié)合精密光電盤，該設(shè)計(jì)集測(cè)速、調(diào)速和安全報(bào)警為一體，可實(shí)現(xiàn)車輛、電機(jī)等相關(guān)轉(zhuǎn)軸及其衍生速度的精密測(cè)量，兼有超速報(bào)警等功能.

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

測(cè)速系統(tǒng)可測(cè)量車輛的速度和路程，實(shí)現(xiàn)超速報(bào)警、路程提示等功能，可替代汽車部分機(jī)械儀表;該系統(tǒng)還可以精確控制并測(cè)定電機(jī)的輸出速度、顯示工作電壓和電流、監(jiān)控電機(jī)工作狀態(tài)等.

系統(tǒng)開機(jī)進(jìn)行程序初始化，進(jìn)入主界面及模式選擇菜單，模式菜單分為車輛模式、電機(jī)模式、空閑模式三種.第一，車輛模式:有速度測(cè)量和超速報(bào)警，車輛速度測(cè)量需要通過(guò)矩陣鍵盤輸入車輪半徑以適應(yīng)各類車輛的測(cè)速，超速報(bào)警需要設(shè)定極限速度，若當(dāng)前行駛速度超過(guò)極限值時(shí)開啟聲光報(bào)警系統(tǒng).第二，電機(jī)模式:有速度測(cè)量、調(diào)速輸出、電流電壓顯示和超速報(bào)警.第三，空閑模式:有鬧鐘、節(jié)能、時(shí)間和日期設(shè)置及顯示.測(cè)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示.

2 測(cè)速方式

在光電編碼器構(gòu)成的測(cè)速系統(tǒng)中，常用的測(cè)速方法主要有三種，即“M 法”、“T法”、“M/T法”.“M 法”即測(cè)量單位時(shí)間內(nèi)的編碼器脈沖數(shù)來(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)速;“T法”即測(cè)量編碼器兩個(gè)相鄰脈沖的時(shí)間間隔來(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)速;“M/T法”同時(shí)測(cè)量一定個(gè)數(shù)的編碼器脈沖和產(chǎn)生這些脈沖所需的時(shí)間.高轉(zhuǎn)速測(cè)量時(shí)以上三種方法均可以滿足要求，設(shè)計(jì)時(shí)考慮到可能需要測(cè)量低速轉(zhuǎn)速，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢，另外采用51內(nèi)核單片機(jī).考慮光電傳感器噪聲的影響，本設(shè)計(jì)采用較低線數(shù)(1000線)的光電盤，將測(cè)速分為低速(＜300 r/min)、中速(300～10 000 r/min)和高速(＞10 000 r/min)三個(gè)測(cè)速段，系統(tǒng)可自行識(shí)別相應(yīng)的測(cè)速段并進(jìn)入相應(yīng)的測(cè)速模式并得到實(shí)時(shí)速度.

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Overall block diagram of the system

3 測(cè)速原理

STC12C5A60S2單片機(jī)是單時(shí)鐘/機(jī)器周期(1T)的單片機(jī)，是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，工作頻率范圍為0～35 MHz.本設(shè)計(jì)采用其外部中斷計(jì)數(shù)來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)速以滿足設(shè)計(jì)要求，光電開關(guān)選用光電晶體管它的測(cè)光頻率范圍廣、響應(yīng)特性好［2］，測(cè)速準(zhǔn)確.

4 電機(jī)測(cè)速模式

圖2 測(cè)速原理簡(jiǎn)圖Fig.2 Speed measuring principle diagram

1)速度測(cè)量:當(dāng)進(jìn)入測(cè)速模式時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)速度范圍，自動(dòng)選擇其測(cè)速段，根據(jù)其運(yùn)算關(guān)系得到電機(jī)的轉(zhuǎn)速.在系統(tǒng)中可設(shè)置閥值，當(dāng)超過(guò)閥值時(shí)驅(qū)動(dòng)聲光報(bào)警器.通過(guò)實(shí)驗(yàn)制作系統(tǒng)模型，輸出相關(guān)數(shù)據(jù)如表1所示.

表1 電機(jī)調(diào)速輸出實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.1 Experimental testing date through speed governing of the electrical meter

2)調(diào)速:通過(guò)改變占空比的方式對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，目前改變占空比有兩種調(diào)制方法:一種是開關(guān)周期恒定，通過(guò)改變導(dǎo)通脈沖寬度來(lái)改變占空比，即脈沖寬度調(diào)制(PWM);另一種方式為導(dǎo)通脈沖寬度恒定，通過(guò)改變開關(guān)頻率來(lái)改變占空比，即脈沖頻率調(diào)制(PFM).由于PFM控制是依靠脈沖頻率來(lái)改變占空比的，當(dāng)遇到某個(gè)特殊的頻率下的機(jī)械諧振時(shí)，常導(dǎo)致系統(tǒng)震動(dòng)和出現(xiàn)嘯叫聲，這一嚴(yán)重的缺點(diǎn)導(dǎo)致PFM控制在伺服系統(tǒng)中不適用［3］.因此本系統(tǒng)采用第一種方式，通過(guò)調(diào)節(jié) PWM的占空比對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，STC12C5A60S2單片機(jī)內(nèi)含有2路PWM，給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和使用帶來(lái)了方便，系統(tǒng)中利用矩陣鍵盤輸入想要輸出的速度，確認(rèn)后系統(tǒng)用實(shí)時(shí)反饋對(duì)電機(jī)的速度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)調(diào)節(jié)PWM的占空比，利用PID算法對(duì)電機(jī)的實(shí)時(shí)速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證電機(jī)速度在系統(tǒng)設(shè)定的誤差范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速輸出.

5 車輛測(cè)速模式

2)聲光報(bào)警:系統(tǒng)配有聲光報(bào)警器，可根據(jù)交通法規(guī)和路段設(shè)置具體的安全速度，若超速則聲光報(bào)警器報(bào)警提示司機(jī).

6 空閑模式

空閑模式下設(shè)有鬧鐘、時(shí)間顯示、節(jié)能、時(shí)間和日期設(shè)置功能.系統(tǒng)采用DS12C887時(shí)鐘芯片，它帶有128字節(jié)RAM，其中有11字節(jié)RAM用來(lái)存儲(chǔ)時(shí)間信息，4字節(jié)RAM用來(lái)存儲(chǔ)DS12C887的控制信息，113字節(jié)通用RAM供用戶使用;此外用戶還可對(duì)其進(jìn)行編程以實(shí)現(xiàn)多種方波輸出，并可對(duì)其內(nèi)部的三路中斷通過(guò)軟件進(jìn)行屏蔽［5］.內(nèi)置的這些功能能夠很好的實(shí)現(xiàn)空閑模式下的鬧鐘模式，時(shí)間顯示的功能，考慮節(jié)能環(huán)保，本設(shè)計(jì)設(shè)有節(jié)能模式，使得系統(tǒng)能耗降低，更加節(jié)能、環(huán)保、為低碳做出一份貢獻(xiàn).

7 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)利用C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)，主要編程軟件為kile4，接通電源后系統(tǒng)各器件均復(fù)位.完成初始化和自檢正常后12864液晶顯示“主菜單界面”，等待鍵掃描;若自檢不正常，可再次初始化、自檢，或用復(fù)位鍵使系統(tǒng)強(qiáng)行復(fù)位.通過(guò)對(duì)鍵值的掃描比較，選擇電機(jī)模式、車輛模式、空閑模式下的相關(guān)功能.主流程圖如圖3所示.

8 結(jié)語(yǔ)

1)光電測(cè)速有數(shù)據(jù)獲得可靠、外界干擾因素少等優(yōu)點(diǎn)［6］，通過(guò)軟件仿真(主要是 kile4、proteus和 solidworks)和實(shí)物制作，結(jié)果表明多用光電式轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)適合各類轉(zhuǎn)速的測(cè)量，并具有超速報(bào)警、調(diào)速等功能，對(duì)于因超速(如車輛超速)、系統(tǒng)不穩(wěn)定(如機(jī)器失靈)等安全或運(yùn)行問(wèn)題有很好的提示作用.

2)多用光電式轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)采用1T的單片機(jī)，精度高且成本低廉，利用光電盤、光電開關(guān)作為主要測(cè)速部件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、運(yùn)用范圍廣，適合于各類生產(chǎn)生活中的轉(zhuǎn)速測(cè)量及應(yīng)用.

圖3 系統(tǒng)主流程圖Fig.3 Main flow chart of the system

［1］李華棟，劉和平.基于數(shù)字信號(hào)控制器的磁電式相位差型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)的研究［D］.重慶:重慶大學(xué)，2006.

［2］夏曉岳，章冠.基于光電晶體管的計(jì)數(shù)器與測(cè)速器［J］.科技技術(shù)應(yīng)用，2012(7):62－63.

［3］宋健，姜軍生，趙文亮，等.基于單片機(jī)的直流電動(dòng)機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2006(1):102－103.

［4］白云，石巖.基于SPCE061A單片機(jī)的MGLS12864液晶顯示模塊的應(yīng)用設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35(7):166－167.

［5］林國(guó)清，李見(jiàn)為，王崇文.一種新型的時(shí)鐘日歷芯片DS12C887［J］.國(guó)外電子元器件，2002(3):61－62.

［6］李菊葉，紀(jì)留利.光電測(cè)速裝置的設(shè)計(jì)［J］.海南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2012(3):66－67.