发布时间 : 星期五 文章基于单片机控制的转速和温度测量系统--大学毕业设计论文更新完毕开始阅读e867e6af29ea81c758f5f61fb7360b4c2f3f2a0c
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1 引言
1．1 本课题的研究背景
在大型旋转主轴的在线监控及其故障诊断中，转速和温度可以直接反应机械设备的运转是否正常。为避免生产事故的发生，必须提前检测出问题所在[1]。衡量转轴旋转机械性能的重要参数是转速，根据转速变化的大小可以了解设备是否正常工作。在许多旋转主轴系统检测控制中，需要实时的监测其转速，因为转速的准确性以及变化过程对于系统的运动性能有非常大的影响。因此，转速的实时准确测量对设备的正常运行有着重要的意义。
测量转速和温度的方法有很多，常见的转速测量方法是通过对模拟量的处理测量转速，在测量范围和测量精度上已经远远不能满足工业生产要求，更谈不上应用在科研、军事等领域[2]。温度测量按其测量方式可以分为接触式测温和非接触式测温。接触式测温会直接影响目标物体温度场的分布，肯定会造成偏差，现在几乎已经淘汰这种测温法。在未来的很多测量场合，都将会运用到数字化的检测和非接触式红外传感器[3]。
随着单片机等微电子产品和大规模集成电路的日新月异，早期常用的接触式测量转速、温度的方法精度不高，大多已不满足测量要求而被淘汰。因此，本课题所研究的基于单片机控制的转速和温度测量系统具有很高的使用价值。此测量系统具有操作简单，响应速度快等优点。
1．2 转速、温度测量国内外研究现状
1.2.1 转速测量国内外研究现状
虽然我国关于转速测量的研究起步有点晚，但随着测控技术的飞速发展，我国的很多高校和科研单位也都相继跟进研究，同样也取得了很多不俗的成绩[4]。
例如中科院电子研究所的王爱明等研发了利用霍尔传感器采样信号速率，用单片机对采样时间的控制，由此测量转速。该方法实现了非接触测量，测量精度很高。实验证明，此方法可应用于高精度测量转速的场合[5]。
清华大学钱建强也设计了一种非接触式测量转速的装置，用单片机作为主控芯片，选用红外传感器。对脉冲周期和脉冲信号个数同时测量，从而测得主轴转速，此法不仅测量达到了测量精度高的要求，同时也保证了实时的测量，便于安装。很容易
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地完成转速测量[6]。
上海计量测试技术研究院的叶菁等提出了多功能转速测量仪。系统采用可选采样时间和采样脉冲的数量，提高了测量精度，可以达到测量瞬时速度[7]。该多功能速测仪的各项测量指标都达到了预期要求。
国外在转速测量领域也有不少重大突破，特别美国和日本，研制出了多种新型测量仪器和转速测量系统。在美国，从十九世纪七十年代起，阿克莱克斯公司的分公司就一直从事研究“通用海上试验功率测试系统”采用的测量方法就是红外线测量。除此之外，还利用卡环式变传感器测量转轴截面的扭转形变来测量扭矩[8]。最后通过显示器，显示测量的转速值和扭矩值等。蒙那多公司（Monarch）研制出了多功能频闪测量仪，可以测量多个物理量，此测量仪不仅可以实现对转速的测量，还可以对温度进行测量。还能够实现接触式与非接触式两种方法测量转速，其中非接触式测量是采用激光多普勒转速测量技术，可轻松实现风机、发电机的转速测量减小了测量误差
[9,10]
。只需要配置不同的传感器就可以实现对其他物理参数的测量。
1.2.2 温度测量国内外研究现状
在生产过程中，许多产品或生产工序都是控制在一定的温度范围内进行的。温度过高或者过低都会影响正常生产，甚至造成严重的事故。接触式测温是与被测物体直接接触，经过一段时间，当两者经过热传递达到平衡时，此时测温计显示的读数就是被测物体的温度。此种测温方法比较简单，测温也直观、可靠。但由于需和被测物直接接触，难免会影响被测物的温度场分布，从而偏离真实值。而且在接触的过程中，若碰到高温、腐蚀等复杂的测量场合，不可避免的会损坏测温计的敏感元件，因此，接触式测温计仅能使用在一些精度要求不高且环境适宜的场合。
非接触测温的原理是利用所有物质总在不停向外界发出红外辐射能量。只要温度高于绝对零度的物体都会不断的向外界发出电磁辐射，俗称红外光。红外辐射的本质是热辐射，而物体的温度决定了热辐射的程度，温度越高，辐射出来的能量就越强。根据这个理论，只要测得物体的辐射能量，经过转换电路将光信号转换为电信号，便能测量物体的温度，这就是非接触式红外测温仪原理。非接触式是利用被测物体的红外辐射能量和温度的对应关系来测量温度，由于没有和被测物体直接接触，故测得的温度值较接触式精确。此法测温动态性强，测温范围广，能测量运动的物体。
十九世纪初，著名英国物理学家弗里德里希.威廉.赫歇尔发现了一种频率范围在0.76um-1000um的不可见光，后被证实是红外辐射，又称红外线、红外光，从此为人
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类应用红外技术奠定了夯实的基础[11]。
从早期的红外辐射测温仪如红外点温仪、红外扫描仪到现在使用广泛、技术成熟的红外辐射热像仪，测量温度的设备随着时代的进步，也发生了巨大的变化。
在很多场合，人们不仅要测量某点的温度，还希望能够由点及面，了解物体表面温度场的分布。红外热像仪的原理是通过红外成像，它将物体表面温度场分布转换成图像，它的问世进一步推动了红外测温技术的发展。这种技术随着时代的发展，使得热像仪的测温的范围更广，测温精度更高，在各行各业应用得更加广泛。
红外测温技术发展到了九十年代中叶，美国FSI公司推出了一种技术功能更为强大的红外热像仪，在测温时，只需要对准被测物几秒就可以提取热图像，并保存在存储器中，随后可利用相关软件对测量的参数进行后期分析和处理，再利用焦平面阵列式的成像技术原理，从而测量出温度。红外测温技术相比于传统的测温有了本质上的提升，由于其操作简单，便于携带，这种测温方法已经成功的从军用转为民用了，红外测温相比于传统的测温很多优点，归纳如下：
（1）不受距离限制。适用于对旋转体、高温物体表面温度的测量。
（2）测量精度高。因为红外测温不需要和被测物体接触，所以被测物体原有的温度场不会受到影响。因此测量结果精确、真实。
（3）灵敏度高。物体表面温度发生细微变化，便引起辐射能的明显变化，红外传感器能快速检测出来。
（4）红外测温响应速度快。
1．3 本课题主要研究内容
本课题研究的是基于单片机控制的转速和温度测量系统，对大型主轴的转速和温度进行测量。采用非接触方式对转速和温度进行测量，并用液晶显示器把测量的数据显示出来。其中对于转轴在高转速和低转速时采用不同的测量方法来提高测量精度。目前对转速测量的系统和温度测量测量系统很多，但是能够同时测量转速和温度，并把二者结合在一起的测量系统并不多见。所以本课题研究集转速和温度为一体的测量系统，在工业场合或是民用环境都有很高的使用价值。大到发电机组、风机叶轮，小到发动机、车轴等需要转速和温度的测量来保证这些设备正常运作。 1.3.1 转速测量
通过对转速测量方法的比较，分析测量方法的测量精度和误差，在考虑到电路的简洁性且保证精度的同时，高转速和低转速时采用不同的测量方法来提高测量精度。
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高速采用测频率法（“M”法）来测量。低速采用测周期法（“T”法）来测量。基本的转速测量系统由转速信号釆集电路、信号放大电路、整形电路、转速计算和转速显示等部分组成。转速测量系统的关键在于传感器的选择，需考虑现场条件对测量过程的影响，筛选最终选择红外光电对管。相对于磁电式，它不受现场磁场环境的影响。 1.3.2 温度测量
本系统采用红外非接触式测温方法。非接触式红外温度测量系统包括红外光学系统、红外探测器、信号放大处理电路以及显示电路。红外测温系统的关键是红外温度探测器。挑选探测器时，应考虑探测器的工作范围、精度、视场范围、响应速率、被测物体的发射率等。经比较后，本系统选用的是TO-39型红外温度测量模块，这是一种内部集成了环境温度补偿和前置放大电路的红外传感器，大大简化了本测量系统的设计。
2 总体设计
2．1 设计要求
设计要求：采用非接触方式对转速和温度进行测量，并用液晶显示器把测量的数据显示出来。其中对于转轴在高转速和低转速时采用不同的测量方法来提高测量精度。
2．2 系统结构
本系统选择STC89C52单片机作为主控制芯片。主要组成电路包括电源电压电路、晶振电路、复位电路、转速测量电路、信号放大电路、信号整形电路、红外温度测量集成电路、LCD1602显示模块等。主要组成部件有：STC89C52单片机、MLX90614红外温度采集模块、红外光电对管、TL082运算放大器、NE555芯片、LCD1602显示模块等。同时对温度和转速进行测量，对于转速的测量，首先使用测频率法（“M”法）来测量，如果测得的结果低于6000r/min，那就采用测周期法（“T”法）来测量。系统总体结构框图如图1所示。