光电转速测量器的研制

魏西媛

摘 要：在实时控制中，转速的检测是其他参数检测的基础。本文提出了一种基于STC89C52单片机的全数字式测速系统，由对射式光电传感器、格雷码盘、STC89C52单片机等电路组成，实现了全数字的智能测速功能。有电路简单，测量方便，成本低的优点。

关键词：光电传感器；“M”算法；转速

在生产生活中，经常需要对转速进行测量，例如发电机、电动机、自行车、缝纫机等设备的运转和控制，常需要测量、显示其转速。传统转速测量中应用最广的是光电式数字脉冲测速器。光电式测速系统具有低惯性、低噪声、高分辨率和高精度的优点。采用光电传感器的电机转速测量系统有测量准确度高、采样速度快、测量范围宽和测量精度与被测量转速无关等优点，具有广泛的应用前景。

1 速度测量方法

常用的速度测量方法大体可分为“M”法（即测频率法）、“T”法（即测周法）、“M/T”法（即同步法）三大类。“M”法测量速度，电路和程序均较为简单，且可以在一定的条件下满足精度的要求，所以选择采用“M”法来进行转速的测量。

2 “M”法测速原理

光电转速测量器由光电传感器、信号放大整形电路、单片机和LED显示器等模块组成。发光器发出光照射到编码盘上，经由编码盘遮挡或通过码字的空隙照射在光接收器上，光信号转变成微弱电信号，电信号经过放大整形后送给单片机，单片机读取到数字信号后就开始执行测量转速的核心指令，最后将所测转速显示在LED上。

3 测量系统

3.1 光电传感器

在实际应用中，光电传感器的分类比较多，现采用对射式光电传感器进行转速测量，这种传感器是把旋转轴的转速变为相应频率的脉冲，然后用测量电路测出频率，由频率值就可知道所侧转速值。

测量过程是在电机的转轴上安装一个码盘，发光器和接收器对应固定在码盘两边，发光器发出的光照射在均匀分布的码道上，电机转动带动码盘转动，当测速码盘旋转一周，光接收器就能感受与开孔数相等次数的光照次数，每转过一个码道，光接收器就检测到变化的光信号，光的明暗变化经历了一个正弦周期，它就随之产生正弦脉冲电信号，这样就构成了一个收发检测系统，可以检测电机的转速。这种测量方法结构简单、可靠、测量精度高，是目前最常用的一种测量转速的方法。

碼盘选用常用的三位格雷码盘，将整个码盘分为八份，为了保证码盘在转动的过程中不发生打飘现象，选用铁皮作为码盘的材质进行制作和刻划，其原理如图1所示。

3.2 信号整形电路

由74LS14施密特触发反向器对信号进行整形，并把整形后的信号送给单片机。74LS14芯片实现了6路施密特触发反相器，可以将缓慢变化的输入信号转换成清晰、无抖动的输出信号，同时它也可以直接作为驱动。

3.3 单片机最小系统

控制系统选用STC89C52单片机作为核心控制元件。STC89C52芯片中的高增益反相放大器，其输入端为引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2。通过这两个引脚在芯片外接石英晶体振荡器和两只电容（电容的选取值为30pF，石英晶体为感性元件，与电容构成振荡回路），为片内放大器提供正反馈和振荡所需的相移条件，从而构成一个稳定的自激振荡器。

3.4 LED显示模块

本系统设计五位八段数码管显示，选用动态扫描方式，将所有数码管的8个显示笔划"a，b，c，d，e，f，g，dp"的同名端连在一起，受单片机P0口控制，每个数码管的公共极COM位选通受单片机的P2口控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都收到显示相同字形码的电流，通过将要显示的数码管的位选控制段打开，就会显示出该位的字形，没有选通的数码管就不会亮。通过设置时间轮流控制每个数码管的的COM端，就使各个数码管轮流受控显示。在数码管不断轮流显示的过程中，每位数码管的点亮时间为1～2ms，利用人眼的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管每位数码管并不是同时点亮的，但是只要扫描的频率合理，给人眼的留下的感觉就是一组稳定的数据，足够亮且不会感觉有闪烁感，还能有效降低数码管的功耗。

3.5 速度预估设计

为了使转速测量器的测量性能更好，在软件设计中采用了改进的“M”法测量原理，将所要测量的转速分段并且不同转速段对应的检测时间不同，建立转速预估值和检测时间关系的对应表。分段时间长短依据转速的大小而定，为保证精度，设定每次计算时所采集的输入脉冲个数不少于十个，然后应用软件估计一个最邻近值，表1给出了部分不同转速所需测量时间。表2给出了根据不同转速所划分的测量

时间。

4 结论

该方法结构简单，安装也较方便。测量转速比较方便，能够实现30.0r/min～9999.9r/min范围转速的测量，精度也比较高，实时性较好，可以应用在多数转轴速度测量的场合。