智能涡流转速计的设计_单片机

论文摘要：目前广泛使用的不含微型机的数字式转速计，其电路比较复杂，测量范围与精度不能兼顾，而且采样时间长，难以测得瞬时转速，本文介绍一种智能涡流转速计的硬件设计。在单片机的控制下，将传感器输出的信号转换成瞬时转速并显示。具有体积小，集成度高，功能强等优点，可在转速测量方面得到广泛的应用。
论文关键词：单片机,涡流传感器
　　引言：智能涡流转速计的转速传感器采用电涡流传感器，它利用电磁感应原理将被测量转速转换成电信号的一种传感器。通过输入有关的参数（如脉冲参数，齿轮参数，速度上下限等参数）去完成对各种不同齿数的传感器的配接，实现瞬时频率转换成瞬时转速，从而便于转速的测量，显示及报警。本装置用于在线测量工业中的转速，通过输入有关的参数，实现转换的显示。完成频率信号的放大，整形，处理。转速传感器的测量范围：0-9999转速/每分，量程可调整，精度:1/1000。
　　1方案分析
　　由于该设计是一个智能涡流转速计显示仪器，势必要求最终的电路板面积不能太大，因此可以选择的元器件应当式高集成度的元器件，其成本不能太高，基于这几项要求，我预想单片机微处理器来实现该计划。
　　此项目的计数脉冲要求式0-3KHz之间，而传感器的输出脉冲因受外界的干扰已不符合要求，因此，首先要对此脉冲进行滤波和整形，然后输出的即为准确的脉冲数,想要得到瞬时速度，这就需要单片机来进行计算，此外还应有一个键盘，比如校正，参数设定等工作，而对于电源的问题，考虑到便捷性，仪表采用一般电池供电。
　　通过对设计方案的分析后，硬件设计具体由以下的几大部分组成：
　　1.滤波整形电路
　　2.单片机
　　3液晶显示器
　　4.键盘电路
　　5.报警电路
　　6.数模转换电路
　　具体流程如图1
　　图1转速计原理
　　2具体电路设计
　　2.1信号采集部分
　　本设计采用电涡流传感器
　　金属导体置于变化的磁场内，导体内就产生感应电流，这种电流像水中的旋涡那样在导体内转圈，所以称之为电涡流或涡流。这种现象就称为涡流效应。电涡流传感器就是在这种涡流效应的基础上建立起来的，工作原理及等效电路如图2所示。
　　
　　图2传感器工作原理
　　2.2滤波整形电路的构成和计算
　　本设计采用模拟电子电路来解决这一问题。
　　由于智能仪表在现场工作，因此受外界干扰大，从传感器输出的信号会混杂很多无用的干扰脉冲，而要求的计数脉冲（0.5V-3.5V,0-3KHz）若直接采用传感器输出的脉冲信号输入给单片机，则会导致单片机计数出的瞬时转速出现误差，因此需要设置一整流电路，尽量减少和避免无用的干扰。
　　滤波电路的作用是滤除0-3KHz以外的脉冲，即3KHz的低通滤波。
　　由于一阶的低通滤波电路虽然电路结构简单，但它的频率特性最大衰减斜率只有-20db/十倍频，选择性差，因此，我采用二阶低通滤波电路，其衰减率可达到-40db/十倍频，而且与二阶压控电源的低通滤波电路的CL形成的反馈，致使截至频率附近的电压放大倍数得到提高，其频率特性得到了很好的改善。
　　我采用的3KHz的低通滤波的具体电路如图3。
　　
　　图3低通滤波电路
　　参数计算如下：
　　f=3000Hz,f=1/(2*R1*Π*C),取C=1.01uf,1/(2*3.14.R*C)=3000,可得R=5307.8,根具实际需要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
　　接着就要将滤波后的波形进行整形，使其成为矩形脉冲。本设计采用了施密特触发电路。
　　对信号处理完毕后，将其送入AT89C51的T1口，该端口可用计数功能，单片机便可以对采集的信号进行计数了。
　　2.3计数显示部分
　　其电路由单片机和LED数码管组成
　　AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器。
　　计数显示电路的IC5,IC6为双BCD同步加法计数器CD4518,两片CD4518可得到四个独立的计数器单元,分别完成4位数的计数。除了个位数用脉冲的上升沿触发外,十位、百位、千位数都用脉冲的下降沿触发,这是因为第四输出端B4、A4的第一个脉冲下降沿正好是触发脉冲的第十个上升沿,从而满足十进制的计数要求。IC7-IC10为BCD锁存/译码/驱动器CD4511,四片L4511分别接到个位至千位数的LED数显管上,以显示转速数。
　　2.4复位电路
　　本设计采用的复位方式是按键电平复位。这种方式是通过电阻与Vcc电源接通而实现的，即当按键按下则单片机的复位端得到高电平，使单片机工作在复位状态。
　　2.5时钟电路
　　为了产生单片机工作时所需的时钟信号，因此需要给出一个自激震荡器来产生时钟信号。其接发是在单片机外部的XTAL1和XTAL2之间跨接晶体振荡器和微调电容，形成反馈电路，这样就构成了一个稳定的自激震荡器，这样就可以产生单片机所需的时钟信号了。
　　2.6键盘
　　在单片机应用中为了控制系统的工作状态，以及向系统中输入数据，应用系统应设有按键或键盘。由于本设计只需要4个按键，所以我选择了非编码独立式键盘，其成本低，使用灵活，每一个按键独占用一根检测线，与主机相连，结构简单，各测试线相互独立，按键容易识别。
　　3结束语
　　经过实际使用,设计的转速计达到了预先设想的目的,使用方便可靠。
参考文献
1 徐爱钧,智能化测量控制仪表原理及设计,北京航天航空大学出版社,2003
2 倪光正等,电磁场的计算机辅助分析,西安交通大学出版社,1985
3 严钟豪,非电量电测量技术(第二版) ,机械工业出版社,1999
4 谭祖根,汪乐宇,电涡流检侧技术,北京:原子能出版社,1986
5 章家岩,涡流传感器的计算机辅助设计,仪表技术与传感器,1996,5