基于单片机的低速旋转机械转速测量系统设计

李 力 曾德学 余新亮

（三峡大学 水电机械设备设计与维护湖北省重点实验室，湖北 宜昌 443002）

低速旋转机械是指转速低于600r／min的机械［1］，一般是大型重载设备，被广泛应用于风力发电、制药、冶金等行业.对此类机械，转速是一个重要的技术参数，需要对转速进行快速精确测量［2］，以达到生产要求.过去常用测速电机、脉冲发生器、模拟变换器、转速表、光电编码盘等测速方法进行测速，由于测速电机、脉冲发生器、模拟变换器等容易受到线性度和温度等环境因素影响［3］，难以达到高精度要求；转速表易受振动等影响，指针或数字会产生波动或者发生跳变，精度难以保障；光电编码盘安装要求较高，由于软连接的原因，容易松动，可靠性差［4］，并且需要在机械旋转轴上安装附加装置，操作不便；现代发展的基于单片机系统的数字式测速方法，在测量低速旋转机械的转速时，根据测速原理计算的精度可以满足要求，然而实际产品由于硬件电路设计的原因导致精度各异，并且其精度也难以保障.

针对以上问题，设计了一种基于单片机的低速旋转机械转速测量系统（以下简称测速系统）.该测速系统由硬件电路和软件程序组成，其中包括AT89C52单片机、永久磁钢片、霍尔传感器、光电耦合器、整形电路、LCD屏等.文中主要对测速系统的部分硬件电路进行设计，以软件加以辅助，在现有产品的设计基础上改进，采用T2口提高测速精度；同时，将磁钢吸附在低速机械旋转轴上进行测量，无需拆装机械，操作方便.系统采取防干扰措施，受环境影响较小，可保障测试精度.该测速系统不仅可用于速度调节系统中，还可以单独作为测速装置使用.

1 测速系统总体设计

测速系统总体设计如图1所示，包括硬件电路设计及软件程序设计.硬件电路设计包括晶振电路、复位电路、信号处理电路、显示电路等；软件程序设计包括主程序、中断程序、转速处理程序、按键程序等.系统采用T法测速，其工作原理为：在低速旋转机械转轴上吸附一粒磁钢，霍尔传感器正对磁钢，调整其间距大小合适，转轴每转一周，霍尔传感器会产生一个脉冲，测速系统通过测量两个相邻脉冲之间的时间间隔从而计算出该低速旋转机械的转速.

图1 测速系统总体设计

1.1 硬件电路设计

硬件电路中信号处理电路的作用是采集并处理转速信号送入单片机计数，是所有硬件电路模块中最为关键的电路.本文设计的信号处理电路如图2所示，主要包括由霍尔传感器构成的信号采集模块、由光电耦合器构成的抗干扰模块、由六反相施密特触发器74LS14组成的信号整形模块以及AT89C52单片机模块等.

图2 信号处理电路

所选霍尔传感器是OC门，需要在输出端与电源之间接一个电阻，为了提高其带负载的能力，接一个三极管放大电路对信号进行放大，霍尔传感器内含稳压电路、霍尔电势发生器（即硅霍尔片）、差分放大器、施密特触发器以及OC门输出电路等，属于补偿式测量［5］，具有良好的精确度（±1%）和线性度（40.0%×额定电流），具有迟滞特性，可防止噪声干扰，输出的信号强度高且稳定；考虑到周围的环境条件如振动、冲击、电磁干扰等通过线路或者场等形式对信号产生干扰造成单片机计数误差，在信号输入单片机之前采用光电耦合器对信号进行隔离保护，光电耦合器以光为媒介在隔离的两端进行信号传输，具有很强的隔离和抗电磁干扰能力［6］，可使信号现场与主控制端在电气上完全隔离，避免了主控制系统受到意外损坏，且对信号具有放大和整形等功能，抗震动和抗冲击能力强，提高了测量精度；六反相施密特触发器将信号整形为标准的矩形脉冲送入单片机进行计数，从而计算转速进而显示测量结果；AT89C52单片机是低电压、高性能CMOS 8位单片机，与其他类型单片机相比，该单片机比较典型，有很好的开发工具配合，具有的3个16位定时／计数器中定时器T2可以精确地测量两相邻脉冲之间的时间间隔，功能强大.

1.2 软件程序设计

软件程序中，主程序包括实现I／O口、中断、定时计数器及其他相关硬件的初始化，以及相关服务子程序的调用；子程序包含转速测量程序、时钟程序、显示程序等，转速测量程序实现转速测量及处理，采用T2口测速；时钟程序提供测量的具体时间；显示程序实现转速的实时显示等.图3与图4所示分别为主程序流程及定时器T2中断流程.

软件设计中采用了延时判断方式以及指令冗余技术从软件方面进行抗干扰设计，通过判断输入信号时序及逻辑上的合理性，摒弃不合逻辑的输入信号，只有当检测到稳定状态时的有效信号才认为是有效信号，使测速系统运行更为可靠.

2 测速系统工作过程

图3 软件程序设计主流程图

图4 定时器T2中断流程图

测速系统工作时，将一片永久磁钢片吸附在低速旋转机械转轴上，霍尔传感器正对磁钢片，间距约为3～5mm，转轴每转一周当磁钢片划过霍尔传感器时会产生一个脉冲信号，该信号经光电耦合器隔离与整形电路整形为标准矩形脉冲后被送入单片机进行计数，每当所需测量脉冲信号的上升沿来到时T2口开始对单片机内部的标准时钟脉冲进行计数，直到下一个测量脉冲信号的上升沿来临停止计数，通过计数个数及标准时钟脉冲的频率计算出相邻两个测量脉冲之间的时间间隔，从而计算出转速值显示在LCD屏上，需要对数据进行打印时，按下打印键即可打印.

3 结 论

本文设计的基于单片机的低速旋转机械转速测量系统，主要从硬件电路进行设计，同时以软件程序加以辅助，解决了以往转速测量方法易受环境影响造成的精度不高问题以及目前基于单片机的测速系统由于硬件电路设计原因引起的精度较低问题；采用磁钢直接吸附在旋转机械的旋转轴上，解决了需要拆卸、安装方可测速引起的操作不便问题.该系统不仅可以安装于低速旋转机械控制系统中用于速度测量，还可以单独作为测速装置使用.

［1］ 孙长城.基于应力波和小波分析的低速旋转机械故障诊断研究［D］.沈阳：沈阳工业大学，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］ 许 刚，王 成，苏 立.智能红外测速系统的设计［J］.中国仪器仪表，2008（8）：70－72.

［4］ 许戴铭.基于单片机与霍尔传感器的转速测量设计［J］.价值工程，2012（8）：133－134.

［5］ 秦祖荫.霍尔电流传感器的性能及其使用［J］.电子电力技术，1994（4）：63－65.

［6］ 刘宏涛.仪器仪表测控系统的干扰源及抗干扰技术思路［J］.济南职业学院学报，2012（4）：82－84.