智能渦流轉(zhuǎn)速計(jì)的設(shè)計(jì)概述
2016-04-28 16:08:01 安裝信息網(wǎng)
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論文摘要：目前廣泛使用的不含微型機(jī)的數(shù)字式轉(zhuǎn)速計(jì)，其電路比較復(fù)雜，測(cè)量范圍與精度不能兼顧，而且采樣時(shí)間長，難以測(cè)得瞬時(shí)轉(zhuǎn)速，本文介紹一種智能渦流轉(zhuǎn)速計(jì)的硬件設(shè)計(jì)。在單片機(jī)的控制下，將傳感器輸出的信號(hào)轉(zhuǎn)換成瞬時(shí)轉(zhuǎn)速并顯示。具有體積小，集成度高，功能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可在轉(zhuǎn)速測(cè)量方面得到廣泛的應(yīng)用。
論文關(guān)鍵詞：單片機(jī),渦流傳感器
引言：智能渦流轉(zhuǎn)速計(jì)的轉(zhuǎn)速傳感器采用電渦流傳感器，它利用電磁感應(yīng)原理將被測(cè)量轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一種傳感器。通過輸入有關(guān)的參數(shù)（如脈沖參數(shù)，齒輪參數(shù)，速度上下限等參數(shù)）去完成對(duì)各種不同齒數(shù)的傳感器的配接，實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)頻率轉(zhuǎn)換成瞬時(shí)轉(zhuǎn)速，從而便于轉(zhuǎn)速的測(cè)量，顯示及報(bào)警。本裝置用于在線測(cè)量工業(yè)中的轉(zhuǎn)速，通過輸入有關(guān)的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換的顯示。完成頻率信號(hào)的放大，整形，處理。轉(zhuǎn)速傳感器的測(cè)量范圍：0-9999轉(zhuǎn)速/每分，量程可調(diào)整，精度:1/1000。
1方案分析
由于該設(shè)計(jì)是一個(gè)智能渦流轉(zhuǎn)速計(jì)顯示儀器，勢(shì)必要求最終的電路板面積不能太大，因此可以選擇的元器件應(yīng)當(dāng)式高集成度的元器件，其成本不能太高，基于這幾項(xiàng)要求，我預(yù)想單片機(jī)微處理器來實(shí)現(xiàn)該計(jì)劃。
此項(xiàng)目的計(jì)數(shù)脈沖要求式0-3KHz之間，而傳感器的輸出脈沖因受外界的干擾已不符合要求，因此，首先要對(duì)此脈沖進(jìn)行濾波和整形，然后輸出的即為準(zhǔn)確的脈沖數(shù),想要得到瞬時(shí)速度，這就需要單片機(jī)來進(jìn)行計(jì)算，此外還應(yīng)有一個(gè)鍵盤，比如校正，參數(shù)設(shè)定等工作，而對(duì)于電源的問題，考慮到便捷性，儀表采用一般電池供電。
通過對(duì)設(shè)計(jì)方案的分析后，硬件設(shè)計(jì)具體由以下的幾大部分組成：
1.濾波整形電路
2.單片機(jī)
3液晶顯示器
4.鍵盤電路
5.報(bào)警電路
6.數(shù)模轉(zhuǎn)換電路
具體流程如圖1
圖1轉(zhuǎn)速計(jì)原理
2具體電路設(shè)計(jì)
2.1信號(hào)采集部分
本設(shè)計(jì)采用電渦流傳感器
金屬導(dǎo)體置于變化的磁場內(nèi)，導(dǎo)體內(nèi)就產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種電流像水中的旋渦那樣在導(dǎo)體內(nèi)轉(zhuǎn)圈，所以稱之為電渦流或渦流。這種現(xiàn)象就稱為渦流效應(yīng)。電渦流傳感器就是在這種渦流效應(yīng)的基礎(chǔ)上建立起來的，工作原理及等效電路如圖2所示。
圖2傳感器工作原理
2.2濾波整形電路的構(gòu)成和計(jì)算
本設(shè)計(jì)采用模擬電子電路來解決這一問題。
由于智能儀表在現(xiàn)場工作，因此受外界干擾大，從傳感器輸出的信號(hào)會(huì)混雜很多無用的干擾脈沖，而要求的計(jì)數(shù)脈沖（0.5V-3.5V,0-3KHz）若直接采用傳感器輸出的脈沖信號(hào)輸入給單片機(jī)，則會(huì)導(dǎo)致單片機(jī)計(jì)數(shù)出的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速出現(xiàn)誤差，因此需要設(shè)置一整流電路，盡量減少和避免無用的干擾。
濾波電路的作用是濾除0-3KHz以外的脈沖，即3KHz的低通濾波。
由于一階的低通濾波電路雖然電路結(jié)構(gòu)簡單，但它的頻率特性最大衰減斜率只有-20db/十倍頻，選擇性差，因此，我采用二階低通濾波電路，其衰減率可達(dá)到-40db/十倍頻，而且與二階壓控電源的低通濾波電路的CL形成的反饋，致使截至頻率附近的電壓放大倍數(shù)得到提高，其頻率特性得到了很好的改善。
我采用的3KHz的低通濾波的具體電路如圖3。
圖3低通濾波電路
參數(shù)計(jì)算如下：
f=3000Hz,f=1/(2*R1*Π*C),取C=1.01uf,1/(2*3.14.R*C)=3000,可得R=5307.8,根具實(shí)際需要R1=5.3k。取Q=0.6,1/(3-AUP)=0.6；可得AUP=1.3;又1+Rf/R2=1.3;(1+Rf/R2)/(R2+Rf)=2R;可得，Rf=14.1K,R2=42.7K
接著就要將濾波后的波形進(jìn)行整形，使其成為矩形脈沖。本設(shè)計(jì)采用了施密特觸發(fā)電路。
對(duì)信號(hào)處理完畢后，將其送入AT89C51的T1口，該端口可用計(jì)數(shù)功能，單片機(jī)便可以對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)了。
2.3計(jì)數(shù)顯示部分
其電路由單片機(jī)和LED數(shù)碼管組成
AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器。
計(jì)數(shù)顯示電路的IC5,IC6為雙BCD同步加法計(jì)數(shù)器CD4518,兩片CD4518可得到四個(gè)獨(dú)立的計(jì)數(shù)器單元,分別完成4位數(shù)的計(jì)數(shù)。除了個(gè)位數(shù)用脈沖的上升沿觸發(fā)外,十位、百位、千位數(shù)都用脈沖的下降沿觸發(fā),這是因?yàn)榈谒妮敵龆薆4、A4的第一個(gè)脈沖下降沿正好是觸發(fā)脈沖的第十個(gè)上升沿,從而滿足十進(jìn)制的計(jì)數(shù)要求。IC7-IC10為BCD鎖存/譯碼/驅(qū)動(dòng)器CD4511,四片L4511分別接到個(gè)位至千位數(shù)的LED數(shù)顯管上,以顯示轉(zhuǎn)速數(shù)。
2.4復(fù)位電路
本設(shè)計(jì)采用的復(fù)位方式是按鍵電平復(fù)位。這種方式是通過電阻與Vcc電源接通而實(shí)現(xiàn)的，即當(dāng)按鍵按下則單片機(jī)的復(fù)位端得到高電平，使單片機(jī)工作在復(fù)位狀態(tài)。
2.5時(shí)鐘電路
為了產(chǎn)生單片機(jī)工作時(shí)所需的時(shí)鐘信號(hào)，因此需要給出一個(gè)自激震蕩器來產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)。其接發(fā)是在單片機(jī)外部的XTAL1和XTAL2之間跨接晶體振蕩器和微調(diào)電容，形成反饋電路，這樣就構(gòu)成了一個(gè)穩(wěn)定的自激震蕩器，這樣就可以產(chǎn)生單片機(jī)所需的時(shí)鐘信號(hào)了。
2.6鍵盤
在單片機(jī)應(yīng)用中為了控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)，以及向系統(tǒng)中輸入數(shù)據(jù)，應(yīng)用系統(tǒng)應(yīng)設(shè)有按鍵或鍵盤。由于本設(shè)計(jì)只需要4個(gè)按鍵，所以我選擇了非編碼獨(dú)立式鍵盤，其成本低，使用靈活，每一個(gè)按鍵獨(dú)占用一根檢測(cè)線，與主機(jī)相連，結(jié)構(gòu)簡單，各測(cè)試線相互獨(dú)立，按鍵容易識(shí)別。
3結(jié)束語
經(jīng)過實(shí)際使用,設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)速計(jì)達(dá)到了預(yù)先設(shè)想的目的,使用方便可靠。
參考文獻(xiàn)
1 徐愛鈞,智能化測(cè)量控制儀表原理及設(shè)計(jì),北京航天航空大學(xué)出版社,2003
2 倪光正等,電磁場的計(jì)算機(jī)輔助分析,西安交通大學(xué)出版社,1985
3 嚴(yán)鐘豪,非電量電測(cè)量技術(shù)(第二版) ,機(jī)械工業(yè)出版社,1999
4 譚祖根,汪樂宇,電渦流檢側(cè)技術(shù),北京:原子能出版社,1986
5 章家?guī)r,渦流傳感器的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì),儀表技術(shù)與傳感器,1996,5
論文關(guān)鍵詞：單片機(jī),渦流傳感器
引言：智能渦流轉(zhuǎn)速計(jì)的轉(zhuǎn)速傳感器采用電渦流傳感器，它利用電磁感應(yīng)原理將被測(cè)量轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一種傳感器。通過輸入有關(guān)的參數(shù)（如脈沖參數(shù)，齒輪參數(shù)，速度上下限等參數(shù)）去完成對(duì)各種不同齒數(shù)的傳感器的配接，實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)頻率轉(zhuǎn)換成瞬時(shí)轉(zhuǎn)速，從而便于轉(zhuǎn)速的測(cè)量，顯示及報(bào)警。本裝置用于在線測(cè)量工業(yè)中的轉(zhuǎn)速，通過輸入有關(guān)的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換的顯示。完成頻率信號(hào)的放大，整形，處理。轉(zhuǎn)速傳感器的測(cè)量范圍：0-9999轉(zhuǎn)速/每分，量程可調(diào)整，精度:1/1000。
1方案分析
由于該設(shè)計(jì)是一個(gè)智能渦流轉(zhuǎn)速計(jì)顯示儀器，勢(shì)必要求最終的電路板面積不能太大，因此可以選擇的元器件應(yīng)當(dāng)式高集成度的元器件，其成本不能太高，基于這幾項(xiàng)要求，我預(yù)想單片機(jī)微處理器來實(shí)現(xiàn)該計(jì)劃。
此項(xiàng)目的計(jì)數(shù)脈沖要求式0-3KHz之間，而傳感器的輸出脈沖因受外界的干擾已不符合要求，因此，首先要對(duì)此脈沖進(jìn)行濾波和整形，然后輸出的即為準(zhǔn)確的脈沖數(shù),想要得到瞬時(shí)速度，這就需要單片機(jī)來進(jìn)行計(jì)算，此外還應(yīng)有一個(gè)鍵盤，比如校正，參數(shù)設(shè)定等工作，而對(duì)于電源的問題，考慮到便捷性，儀表采用一般電池供電。
通過對(duì)設(shè)計(jì)方案的分析后，硬件設(shè)計(jì)具體由以下的幾大部分組成：
1.濾波整形電路
2.單片機(jī)
3液晶顯示器
4.鍵盤電路
5.報(bào)警電路
6.數(shù)模轉(zhuǎn)換電路
具體流程如圖1
圖1轉(zhuǎn)速計(jì)原理
2具體電路設(shè)計(jì)
2.1信號(hào)采集部分
本設(shè)計(jì)采用電渦流傳感器
金屬導(dǎo)體置于變化的磁場內(nèi)，導(dǎo)體內(nèi)就產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種電流像水中的旋渦那樣在導(dǎo)體內(nèi)轉(zhuǎn)圈，所以稱之為電渦流或渦流。這種現(xiàn)象就稱為渦流效應(yīng)。電渦流傳感器就是在這種渦流效應(yīng)的基礎(chǔ)上建立起來的，工作原理及等效電路如圖2所示。
圖2傳感器工作原理
2.2濾波整形電路的構(gòu)成和計(jì)算
本設(shè)計(jì)采用模擬電子電路來解決這一問題。
由于智能儀表在現(xiàn)場工作，因此受外界干擾大，從傳感器輸出的信號(hào)會(huì)混雜很多無用的干擾脈沖，而要求的計(jì)數(shù)脈沖（0.5V-3.5V,0-3KHz）若直接采用傳感器輸出的脈沖信號(hào)輸入給單片機(jī)，則會(huì)導(dǎo)致單片機(jī)計(jì)數(shù)出的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速出現(xiàn)誤差，因此需要設(shè)置一整流電路，盡量減少和避免無用的干擾。
濾波電路的作用是濾除0-3KHz以外的脈沖，即3KHz的低通濾波。
由于一階的低通濾波電路雖然電路結(jié)構(gòu)簡單，但它的頻率特性最大衰減斜率只有-20db/十倍頻，選擇性差，因此，我采用二階低通濾波電路，其衰減率可達(dá)到-40db/十倍頻，而且與二階壓控電源的低通濾波電路的CL形成的反饋，致使截至頻率附近的電壓放大倍數(shù)得到提高，其頻率特性得到了很好的改善。
我采用的3KHz的低通濾波的具體電路如圖3。
圖3低通濾波電路
參數(shù)計(jì)算如下：
f=3000Hz,f=1/(2*R1*Π*C),取C=1.01uf,1/(2*3.14.R*C)=3000,可得R=5307.8,根具實(shí)際需要R1=5.3k。取Q=0.6,1/(3-AUP)=0.6；可得AUP=1.3;又1+Rf/R2=1.3;(1+Rf/R2)/(R2+Rf)=2R;可得，Rf=14.1K,R2=42.7K
接著就要將濾波后的波形進(jìn)行整形，使其成為矩形脈沖。本設(shè)計(jì)采用了施密特觸發(fā)電路。
對(duì)信號(hào)處理完畢后，將其送入AT89C51的T1口，該端口可用計(jì)數(shù)功能，單片機(jī)便可以對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)了。
2.3計(jì)數(shù)顯示部分
其電路由單片機(jī)和LED數(shù)碼管組成
AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器。
計(jì)數(shù)顯示電路的IC5,IC6為雙BCD同步加法計(jì)數(shù)器CD4518,兩片CD4518可得到四個(gè)獨(dú)立的計(jì)數(shù)器單元,分別完成4位數(shù)的計(jì)數(shù)。除了個(gè)位數(shù)用脈沖的上升沿觸發(fā)外,十位、百位、千位數(shù)都用脈沖的下降沿觸發(fā),這是因?yàn)榈谒妮敵龆薆4、A4的第一個(gè)脈沖下降沿正好是觸發(fā)脈沖的第十個(gè)上升沿,從而滿足十進(jìn)制的計(jì)數(shù)要求。IC7-IC10為BCD鎖存/譯碼/驅(qū)動(dòng)器CD4511,四片L4511分別接到個(gè)位至千位數(shù)的LED數(shù)顯管上,以顯示轉(zhuǎn)速數(shù)。
2.4復(fù)位電路
本設(shè)計(jì)采用的復(fù)位方式是按鍵電平復(fù)位。這種方式是通過電阻與Vcc電源接通而實(shí)現(xiàn)的，即當(dāng)按鍵按下則單片機(jī)的復(fù)位端得到高電平，使單片機(jī)工作在復(fù)位狀態(tài)。
2.5時(shí)鐘電路
為了產(chǎn)生單片機(jī)工作時(shí)所需的時(shí)鐘信號(hào)，因此需要給出一個(gè)自激震蕩器來產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)。其接發(fā)是在單片機(jī)外部的XTAL1和XTAL2之間跨接晶體振蕩器和微調(diào)電容，形成反饋電路，這樣就構(gòu)成了一個(gè)穩(wěn)定的自激震蕩器，這樣就可以產(chǎn)生單片機(jī)所需的時(shí)鐘信號(hào)了。
2.6鍵盤
在單片機(jī)應(yīng)用中為了控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)，以及向系統(tǒng)中輸入數(shù)據(jù)，應(yīng)用系統(tǒng)應(yīng)設(shè)有按鍵或鍵盤。由于本設(shè)計(jì)只需要4個(gè)按鍵，所以我選擇了非編碼獨(dú)立式鍵盤，其成本低，使用靈活，每一個(gè)按鍵獨(dú)占用一根檢測(cè)線，與主機(jī)相連，結(jié)構(gòu)簡單，各測(cè)試線相互獨(dú)立，按鍵容易識(shí)別。
3結(jié)束語
經(jīng)過實(shí)際使用,設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)速計(jì)達(dá)到了預(yù)先設(shè)想的目的,使用方便可靠。
參考文獻(xiàn)
1 徐愛鈞,智能化測(cè)量控制儀表原理及設(shè)計(jì),北京航天航空大學(xué)出版社,2003
2 倪光正等,電磁場的計(jì)算機(jī)輔助分析,西安交通大學(xué)出版社,1985
3 嚴(yán)鐘豪,非電量電測(cè)量技術(shù)(第二版) ,機(jī)械工業(yè)出版社,1999
4 譚祖根,汪樂宇,電渦流檢側(cè)技術(shù),北京:原子能出版社,1986
5 章家?guī)r,渦流傳感器的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì),儀表技術(shù)與傳感器,1996,5
關(guān)鍵字：機(jī)械,北京
