多用光电式测速系统的设计

胡 诚，李传海

(湖北民族学院理学院，湖北恩施 445000)

转矩、转速测量仪器是各种机械产品的开发、测试、质检、鉴定、节能以及安全与优化控制等工作中必不可少的［1］.本文提出一种基于STC12C5A60S2单片机测速系统的设计，结合精密光电盘，该设计集测速、调速和安全报警为一体，可实现车辆、电机等相关转轴及其衍生速度的精密测量，兼有超速报警等功能.

1 系统设计

测速系统可测量车辆的速度和路程，实现超速报警、路程提示等功能，可替代汽车部分机械仪表;该系统还可以精确控制并测定电机的输出速度、显示工作电压和电流、监控电机工作状态等.

系统开机进行程序初始化，进入主界面及模式选择菜单，模式菜单分为车辆模式、电机模式、空闲模式三种.第一，车辆模式:有速度测量和超速报警，车辆速度测量需要通过矩阵键盘输入车轮半径以适应各类车辆的测速，超速报警需要设定极限速度，若当前行驶速度超过极限值时开启声光报警系统.第二，电机模式:有速度测量、调速输出、电流电压显示和超速报警.第三，空闲模式:有闹钟、节能、时间和日期设置及显示.测速系统结构框图如图1所示.

2 测速方式

在光电编码器构成的测速系统中，常用的测速方法主要有三种，即“M 法”、“T法”、“M/T法”.“M 法”即测量单位时间内的编码器脉冲数来计算转速;“T法”即测量编码器两个相邻脉冲的时间间隔来计算转速;“M/T法”同时测量一定个数的编码器脉冲和产生这些脉冲所需的时间.高转速测量时以上三种方法均可以满足要求，设计时考虑到可能需要测量低速转速，动态响应较慢，另外采用51内核单片机.考虑光电传感器噪声的影响，本设计采用较低线数(1000线)的光电盘，将测速分为低速(＜300 r/min)、中速(300～10 000 r/min)和高速(＞10 000 r/min)三个测速段，系统可自行识别相应的测速段并进入相应的测速模式并得到实时速度.

图1 系统总体结构框图Fig.1 Overall block diagram of the system

3 测速原理

STC12C5A60S2单片机是单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，工作频率范围为0～35 MHz.本设计采用其外部中断计数来测量转速以满足设计要求，光电开关选用光电晶体管它的测光频率范围广、响应特性好［2］，测速准确.

4 电机测速模式

图2 测速原理简图Fig.2 Speed measuring principle diagram

1)速度测量:当进入测速模式时系统自动检测速度范围，自动选择其测速段，根据其运算关系得到电机的转速.在系统中可设置阀值，当超过阀值时驱动声光报警器.通过实验制作系统模型，输出相关数据如表1所示.

表1 电机调速输出实验测试数据Tab.1 Experimental testing date through speed governing of the electrical meter

2)调速:通过改变占空比的方式对电机进行调速，目前改变占空比有两种调制方法:一种是开关周期恒定，通过改变导通脉冲宽度来改变占空比，即脉冲宽度调制(PWM);另一种方式为导通脉冲宽度恒定，通过改变开关频率来改变占空比，即脉冲频率调制(PFM).由于PFM控制是依靠脉冲频率来改变占空比的，当遇到某个特殊的频率下的机械谐振时，常导致系统震动和出现啸叫声，这一严重的缺点导致PFM控制在伺服系统中不适用［3］.因此本系统采用第一种方式，通过调节 PWM的占空比对直流电机进行转速调节，STC12C5A60S2单片机内含有2路PWM，给系统的设计和使用带来了方便，系统中利用矩阵键盘输入想要输出的速度，确认后系统用实时反馈对电机的速度进行监测，同时调节PWM的占空比，利用PID算法对电机的实时速度进行调节，保证电机速度在系统设定的误差范围内，实现电机调速输出.

5 车辆测速模式

2)声光报警:系统配有声光报警器，可根据交通法规和路段设置具体的安全速度，若超速则声光报警器报警提示司机.

6 空闲模式

空闲模式下设有闹钟、时间显示、节能、时间和日期设置功能.系统采用DS12C887时钟芯片，它带有128字节RAM，其中有11字节RAM用来存储时间信息，4字节RAM用来存储DS12C887的控制信息，113字节通用RAM供用户使用;此外用户还可对其进行编程以实现多种方波输出，并可对其内部的三路中断通过软件进行屏蔽［5］.内置的这些功能能够很好的实现空闲模式下的闹钟模式，时间显示的功能，考虑节能环保，本设计设有节能模式，使得系统能耗降低，更加节能、环保、为低碳做出一份贡献.

7 软件设计

本系统利用C语言程序设计，主要编程软件为kile4，接通电源后系统各器件均复位.完成初始化和自检正常后12864液晶显示“主菜单界面”，等待键扫描;若自检不正常，可再次初始化、自检，或用复位键使系统强行复位.通过对键值的扫描比较，选择电机模式、车辆模式、空闲模式下的相关功能.主流程图如图3所示.

8 结语

1)光电测速有数据获得可靠、外界干扰因素少等优点［6］，通过软件仿真(主要是 kile4、proteus和 solidworks)和实物制作，结果表明多用光电式转速测量系统适合各类转速的测量，并具有超速报警、调速等功能，对于因超速(如车辆超速)、系统不稳定(如机器失灵)等安全或运行问题有很好的提示作用.

2)多用光电式转速测量系统采用1T的单片机，精度高且成本低廉，利用光电盘、光电开关作为主要测速部件，结构简单、操作方便、运用范围广，适合于各类生产生活中的转速测量及应用.

图3 系统主流程图Fig.3 Main flow chart of the system

［1］李华栋，刘和平.基于数字信号控制器的磁电式相位差型转矩转速测量系统的研究［D］.重庆:重庆大学，2006.

［2］夏晓岳，章冠.基于光电晶体管的计数器与测速器［J］.科技技术应用，2012(7):62－63.

［3］宋健，姜军生，赵文亮，等.基于单片机的直流电动机PWM调速系统［J］.农机化研究，2006(1):102－103.

［4］白云，石岩.基于SPCE061A单片机的MGLS12864液晶显示模块的应用设计［J］.现代电子技术，2012，35(7):166－167.

［5］林国清，李见为，王崇文.一种新型的时钟日历芯片DS12C887［J］.国外电子元器件，2002(3):61－62.

［6］李菊叶，纪留利.光电测速装置的设计［J］.海南大学学报:自然科学版，2012(3):66－67.