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-4-severalgroupnumber,thenwithb±a,=c,-2~3measurement,suchasproceedsofcvaluesareequalandequaltothedesignvalue,,b,andcvalueswhileonhorizontalverticalerrorsformeasurement,Generalinironanglecodebitatmeasurementlevelpointsgriderrors,omethylverticalboxcenterlinedistancefora,,tobverticalboxdistanceforb,listcanmeasured17severalgroupnumber,thenwithb±a,=c,-2~3measurement,suchasproceedsofcvaluesareequalandequaltothedesignvalue,,b,andcvalueswhileonhorizontalverticalerrorsformeasurement,Generalinironanglecodebitatmeasurementlevelpointsgriderrors,omethylverticalboxcenterlinedistancefora,,tobverticalboxdistanceforb,listcanmeasured-1-光电式数字测速仪摘要提出了一个用8031单片机和光电编码器组成的转速与转角测试方案,介绍其实现的根本原理和结构特点,给出了接口电路和软件设计方法。由于采用了单片机和光电传感器,该系统具有硬件电路简单、测量精度高、性能稳定可靠等优点,其适用于自动控制、自动检测及各种转速与方位角的测量与控制等领域。本文给出的智能转速与转角测试系统,采用了9位绝对式循环码光电编码器做传感器,具有无接触、高转速、高分辨率、高可靠性等优点。关键词:单片式计算机测速仪转速转角前言在工程实践中,?经常会遇到各种需要测量转速的场合,?例如,?在发动机、电动机、机床主轴等旋转设备的实验、运转和控制中,?常需要分时或连续测量和显示其转速。有些场合对转速转速测量要求的精度一般化,?而有些场合却要求较高的测量精度。但目前国内使用的转速仪表在测试精度、测量范围、实现监控、性能价格比等方面均存在明显的缺陷。本文给出的智能转速与转角测试系统,采用了9位绝对式循环码光电编码器做传感器,具有无接触、高转速、高分辨率、高可靠性等优点。光电式数字测速仪光电式数字测速仪severalgroupnumber,thenwithb±a,=c,-2~3measurement,suchasproceedsofcvaluesareequalandequaltothedesignvalue,,b,andcvalueswhileonhorizontalverticalerrorsformeasurement,Generalinironanglecodebitatmeasurementlevelpointsgriderrors,omethylverticalboxcenterlinedistancefora,,tobverticalboxdistanceforb,listcanmeasured -4-severalgroupnumber,thenwithb±a,=c,-2~3measurement,suchasproceedsofcvaluesareequalandequaltothedesignvalue,,b,andcvalueswhileonhorizontalverticalerrorsformeasurement,Generalinironanglecodebitatmeasurementlevelpointsgriderrors,omethylverticalboxcenterlinedistancefora,,tobverticalboxdistanceforb,listcanmeasured17severalgroupnumber,thenwithb±a,=c,-2~3measurement,suchasproceedsofcvaluesareequalandequaltothedesignvalue,,b,andcvalueswhileonhorizontalverticalerrorsformeasurement,Generalinironanglecodebitatmeasurementlevelpointsgriderrors,omethylverticalboxcenterlinedistancefora,,tobverticalboxdistanceforb,listcanmeasured-2-,由输入电路、8031单片机、存储器、辨向电路、键盘与显示电路等组成,其结构框图如图1所示。、码制变换电路和锁存器,由光电传感器提供输入信息。为消除脉冲波形中的高频干扰,加1级施密特整形电路;为减小制作和安装公差引起的测量误差,光电码盘一般均采用循环码码盘[1]。本设计采用的传感器,输出9位循环码,通过码制转换电路将其转换为二进制码。9位码盘输出9位信息,而8031为8位单片机,采用2次锁存来解决用8位机测9位信号的问题。在角度测量中,将第1~8位信息存入锁存器1中,同时将第9位信息存入锁存器2中,用译码器1输出端提供锁存信号。首先从输入第1~8位信息,存入内存;再将第9位信息从锁存器2中取出,存入锁存器3中。接着,这第9位信息再从输入,存入紧接第8位的内存中。信息是一次锁存,分两次输入计算机的,由于8031时钟为3MHz,速度快,两次输入对测试与控制不会有影响。由单片机8031,芯片74LS373,2716,6116组成一个具有片外扩展存储器的小系统,键盘和显示信号由8031串行接口输出。使用串入、并出的移位存放器74LS164作键盘中的8根列线。显示器由MC14499[2]管理,其内部有BCD译码器、串行接口和锁存器,送入1帧数据后,这些数据保存在MC14499中,可靠地驱动4位LED显示器。如图1:系统在测试过程中向外发出角度控制、转速控制、圈数控制等各种控制信号。为了识别正、反转信号,从8,9码道输出信息,经过辨向电路[1]分别得到正转输出信号+和反转输出信号-,再接到1位多段LED显示器,分别显示+,-。光电式数字测速仪光电式数字测速仪severalgroupnumber,thenwithb±a,=c,-2~3measurement,suchasproceedsofcvaluesareequalandequaltothedesignvalue,,b,andcvalueswhileonhorizontalverticalerrorsformeasurement,Generalinironanglecodebitatmeasurementlevelpointsgriderrors,omethylverticalboxcenterlinedistancefora,,tobverticalboxdistanceforb,listcanmeasured -4-severalgroupnumber,thenwithb±a,=c,-2~3measurement,suchasproceedsofcvaluesareequalandequaltothedesignvalue,,b,andcvalueswhileonhorizontalverticalerrorsformeasurement,Generalinironanglecodebitatmeasurementlevelpointsgriderrors,omethylverticalboxcenterlinedistancefora,,tobverticalboxdistanceforb,listcanmeasured3severalgroupnumber,thenwithb±a,=c,-2~3measurement,suchasproceedsofcvaluesareequalandequaltothedesignvalue,,b,andcvalueswhileonhorizontalverticalerrorsformeasurement,Generalinironanglecodebitatmeasurementlevelpointsgriderrors,omethylverticalboxcenterlinedistancefora,,tobverticalboxdistanceforb,listcanmeasured-2-第二章软件设计根据上述硬件结构和测转速、转角的功能要求,主程序主要识别键功能,判断是什么键按下,那么调用相应子程序,完成相应的测量功能。系统有键1~键5,即测转角键、测转速键、测圈数键、命令键和复位键,共5个功能键。。接通电源后让系统各器件均复位。初始化是将系统中所有命令、状态及有关存储单元置成初始状态;自检是利用测试程序检查系统各主要部件工作是否正常。完成初始化和自检正常后,显示器显示正常标志H,等待键扫描;假设自检不正常,可再次初始化、自检,或用复位键使系统强行复位。键扫描对测转角、测转速、测圈数3个功能键进行查询。无键按下时,继续显示提示符;有键按下时,就进入该键功能软件控制。完成某个功能测试后,对测试数据进行查询,与存储器中的标准值比较,到达标准值或上限值就发出控制信号。之后,检查有无命令键或复位键输入,有命令输入就转至b等待转移;有复位键输入那么转至c复位转移;否那么转至a循环转移,实现某个功能键的循环操作。比方测转角光电式数字测速仪光电式数字测速仪severalgroupnumber,thenwithb±a,=c,-2~3measurement,suchasproceedsofcvaluesareequalandequaltothedesignvalue,,b,andcvalueswhileonhorizontalverticalerrorsformeasurement,Generalinironanglecodebitatmeasurementlevelpointsgriderrors,omethylverticalboxcenterlinedistancefora,,tobverticalboxdistanceforb,listcanmeasured -4-severalgroupnumber,thenwithb±a,=c,-2~3measurement,suchasproceedsofcvaluesareequalandequaltothedesignvalue,,b,andcvalueswhileonhorizontalverticalerrorsformeasurement,Generalinironanglecodebitatmeasurementlevelpointsgriderrors,omethylverticalboxcenterlinedistancefora,,tobverticalboxdistanceforb,listcanmeasured17severalgroupnumber,thenwithb±a,=c,-2~3measurement,suchasproceedsofcvaluesareequalandequaltothedesignvalue,,b,andcvalueswhileonhorizontalverticalerrorsformeasurement,Generalinironanglecodebitatmeasurementlevelpointsgriderrors,omethylverticalboxcenterlinedistancefora,,tobverticalboxdistanceforb,listcanmeasured-2-,那么采集、码制变换、运算、显示,几个功能不断循环,显示器那么显示被测角度的数值。如图2::系统自检子程序;键功能子程序1,2,3(其中1为测转角功能子程序、2为测转速功能子程序、3为测转动圈数功能子程序);显示功能子程序。本文主要阐述键功能子程序。 该程序用来测转角。实际要调用假设干个子程序。两次采集将9位二进制码输入8031内存后,调用二进制码变十进制码子程序[3],再调用运算子程序[2]完成(x为被测得的十进制数)。计算出角度再调用显示子程序[2],显示被测的角度。 该程序用于测转速。从输入每转1周64个脉冲的信息(因为从第6码道取信号光电式数字测速仪光电式数字测速仪severalgroupnumber,thenwithb±a,=c,-2~3measurement,suchasproceedsofcvaluesareequalandequaltothedesignvalue,,b,andcvalueswhileonhorizontalverticalerrorsformeasurement,Generalinironanglecodebitatmeasurementlevelpointsgriderrors,omethylverticalboxcenterlinedistancefora,,tobverticalboxdistanceforb,listcanmeasured -4-severalgroupnumber,thenwithb±a,=c,-2~3measurement,suchasproceedsofcvaluesareequalandequaltothedesignvalue,,b,andcvalueswhileonhorizontalverticalerrorsformeasurement,Generalinironanglecodebitatmeasurementlevelpointsgriderrors,omethylverticalboxcenterlinedistancefora,,tobverticalboxdistanceforb,listcanmeasured5severalgroupnumber,thenwithb±a,=c,-2~3measurement,suchasproceedsofcvaluesareequalandequaltothedesignvalue,,b,andcvalueswhileonhorizontalverticalerrorsformeasurement,Generalinironanglecodebitatmeasurementlevelpointsgriderrors,omethylverticalboxcenterlinedistancefora,,tobverticalboxdistanceforb,listcanmeasured-2-),利用8031的外部中断,测转速时,工作于计数方式,每当检测到被测转速N时,就引起一次中断,中断效劳程序就计数1次。采用T/CO为工作方式1,最高中断优先级,其溢出100次即定时为1s时间,测出的为频率值。再调用乘法子程序[2]完成60/64N=(N为1s内输入计算机的计数值)。实际上这样显示的结果为每分的转数,故分子、分母均应乘以60;再调用显示子程序,显示的才是每秒的转速。 该程序用于测旋转的圈数。被测体每转1周从输入1个脉冲,利用中断效劳程序进行计数,显示数即为旋转的圈数。第三章误差分析本系统采用8031单片机,与全部电路采用集成电路组成的测速仪相比,具有硬件结构简单、测量精度高、性能稳定可靠等优点。,可以提高测量精度。假设从第9码道输入转速信息,那么被测体每转1周只输入1个脉冲,而从输入本身就会产生±1的数字量误差;又由于测出的是每秒的转数,显示的是每分转数,这样最终显示的转数误差也就扩大60倍,为±,被测体转1圈就会产生64个脉冲输入计算机,这时产生的误差值为60/64N=,即最终显示的转数误差没有超过±,从第6码道输入信息比从第9码道输入信息测量精度高多了。 转角误差分析利用单片机的运算功能,即分辨力取3位小数可减小测角度的误差,分析如下。测量的角度=01703°°,即9位码盘360°分为512个刻度光电式数字测速仪光电式数字测速仪severalgroupnumber,thenwithb±a,=c,-2~3measurement,suchasproceedsofcvaluesareequalandequaltothedesignvalue,,b,andcvalueswhileonhorizontalverticalerrorsformeasurement,Generalinironanglecodebitatmeasurementlevelpointsgriderrors,omethylverticalboxcenterlinedistancefora,,tobverticalboxdistanceforb,listcanmeasured -4-severalgroupnumber,thenwithb±a,=c,-2~3measurement,suchasproceedsofcvaluesareequalandequaltothedesignvalue,,b,andcvalueswhileonhorizontalverticalerrorsformeasurement,Generalinironanglecodebitatmeasurementlevelpointsgriderrors,omethylverticalboxcenterlinedistancefora,,tobverticalboxdistanceforb,listcanmeasured17severalgroupnumber,thenwithb±a,=c,-2~3measurement,suchasproceedsofcvaluesareequalandequaltothedesignvalue,,b,andcvalueswhileonhorizontalverticalerrorsformeasurement,Generalinironanglecodebitatmeasurementlevelpointsgriderrors,omethylverticalboxcenterlinedistancefora,,tobverticalboxdistanceforb,listcanmeasured-2-其相对误差率为第四章智能仪器的设计实例——智能测速仪转速测量问题实质上是转速传感器输出脉冲信号的频率测量问题,因此,在分析测速仪之前,先介绍测频方法。一、常用的数字化测频方法智能仪器中常用的数字化测频方法主要有两种:测频法和测周法。1、测频法〔1〕原理测频法是按照频率的定义〔即f=N/t〕对信号的频率进行测量的一种方法,其原理如图1所示。图中,在与门的两个输入端分别输入被测信号以及持续时间为t的高电平信号。这样,只有在时间间隔t内,被测的脉冲信号才能通过与门。如果在这段时间内,计数器的计数值为N,那么被测信号的频率可表达为f=N/t。图1测频法测量信号频率的原理图〔2〕误差分析由f=N/t可得由于所以光电式数字测速仪光电式数字测速仪severalgroupnumber,thenwithb±a,=c,-2~3measurement,suchasproceedsofcvaluesareequalandequaltothedesignvalue,,b,andcvalueswhileonhorizontalverticalerrorsformeasurement,Generalinironanglecodebitatmeasurementlevelpointsgriderrors,omethylverticalboxcenterlinedistancefora,,tobverticalboxdistanceforb,listcanmeasured -4-severalgroupnumber,thenwithb±a,=c,-2~3measurement,suchasproceedsofcvaluesareequalandequaltothedesignvalue,,b,andcvalueswhileonhorizontalverticalerrorsformeasurement,Generalinironanglecodebitatmeasurementlevelpointsgriderrors,omethylverticalboxcenterlinedistancefora,,tobverticalboxdistanceforb,listcanmeasured7severalgroupnumber,thenwithb±a,=c,-2~3measurement,suchasproceedsofcvaluesareequalandequaltothedesignvalue,,b,andcvalueswhileonhorizontalverticalerrorsformeasurement,Generalinironanglecodebitatmeasurementlevelpointsgriderrors,omethylverticalboxcenterlinedistancefora,,tobverticalboxdistanceforb,listcanmeasured-2-考虑到极限情况,测频法相对误差的最大值为式中,为测量频率时的相对误差;为计数值的相对误差;为与门开启时间的相对误差。下面首先分析。在测量过程中,与门开启时刻与计数脉冲之间的时间关系是不相关的,即它们在时间轴上的相对位置是随机的。在图2中,第一次与门的开闭时刻和被测计数脉冲随机配合的结果使计数器读数为N;第二次与门的开闭时刻和被测计数脉冲配合与第一次不同,结果使计数器为N+1。即两次读数相差一个脉冲。当与门开闭时间t与被测脉冲周期的整数倍相接近或相等时,测频法测量频率的最大可能误差为±1,如图3所示。此误差常被称为“±1个字误差〞或“±1误差〞。±1误差对测量的影响为。这样,如果被测信号的频率f一定,那么增大测量时间t,可使减小,从而减小由±1误差引起的对测频相对误差的影响。光电式数字测速仪光电式数字测速仪severalgroupnumber,thenwithb±a,=c,-2~3measurement,suchasproceedsofcvaluesareequalandequaltothedesignvalue,,b,andcvalueswhileonhorizontalverticalerrorsformeasurement,Generalinironanglecodebitatmeasurementlevelpointsgriderrors,omethylverticalboxcenterlinedistancefora,,tobverticalboxdistanceforb,listcanmeasured 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