專利名稱：轉速—模擬電壓轉換模塊的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于非電量—電量信號轉換技術領域，更明確地說涉及單片機實時控制的轉速—模擬電壓轉換模塊的設計。
背景技術：
已有的使用雙變頻器結構的自動枕式包裝機在生產過程中切料后，其主、從電機的同步性往往被破壞。主要原因有二一方面，是由于本身控制結構決定這個問題的不可避免；另一方面，使用PLC作為控制的解決手段，由于其處理的速度比較低，不能解決這個問題。因此，雙變頻器構架的自動包裝機雖然成本低、結構簡單、噪聲小，卻沒有在市場上普遍應用。高檔的自動枕式包裝機采用伺服電機結構，其精度高，噪聲小，但成本高，結構復雜，因此價格很高。與此相反，采用機械聯動的自動包裝機雖然生產成本低，但用戶在使用過程中由于機械磨損而產生的使用成本卻很高，同時噪聲大，精度低，因此其價格低，利潤低。
本發(fā)明的目的，就在于克服上述缺點和不足，提供一種既有伺服電機結構的低噪音、低使用成本等優(yōu)點，又具有機械聯動結構的低成本、低價格、結構簡單等優(yōu)點，而且有足夠的、完全能夠接受的較高精度的單片機實時控制的轉速—模擬電壓轉換模塊。使用本模塊的雙變頻器結構的自動包裝機將成為機械聯動結構包裝機的換代產品。
發(fā)明內容
為了達到上述目的，本發(fā)明包括外殼以及安裝在外殼中的電子線路。電子線路至少包括轉速信號檢測電路、與轉速信號檢測電路連接的信號處理電路、與信號處理電路連接的信號運算單片機、與信號運算單片機連接的D/A轉換電路、與信號運算單片機連接的差錯檢測電路、與信號運算單片機連接的顯示電路、與信號運算單片機連接的存儲器以及向上述電路供電的電源電路。D/A轉換電路輸出本模塊的模擬電壓信號。
D/A轉換電路還可與驅動電路連接，輸出較高的驅動能力。
轉速信號檢測電路由以安裝在主電機上的齒輪激發(fā)的接近開關所組成。
信號處理電路由與接近開關連接的光電耦合器、與光電耦合器連接的施密特觸發(fā)器所組成。信號運算單片機的型號為AT89C2051，D/A轉換電路的型號為TLC5615。驅動電路由與TLC5615連接的運算放大器及其輔助電路所組成。差錯檢測電路由MAX813L復位及看門狗電路所組成。
本發(fā)明利用接近開關直接作為模塊的輸入信號，并利用單片機的高速運算能力，對輸入的脈沖信號進行實時測量，運算，濾波，然后輸出反映實時轉動速度的數字值；再由數模轉換芯片，轉換成模擬電壓輸出。這樣該電壓就能夠正確反映轉速，而且精度較高。接近開關可有多種選擇，只要能夠將齒數傳感為脈沖數亦即轉速即可。
模塊的硬件設計采用信號光電隔離輸入，并用施密特觸發(fā)器對信號進行整形，最大限度的防止干擾信號進入單片機。單片機采用AT89C2051，該單片機技術比較成熟，可靠，并且成本較低。數模轉換芯片使用SPI接口的TLC5615，具有接口簡單，轉換速度比較快，轉換精度高，技術成熟，高可靠等優(yōu)點。用MAX813L組成復位電路和看門狗電路，可提高系統的可靠性。信號的處理主要依靠單片機程序，從而保證模塊的靈活性和較強的適用性。
模塊在軟件上采用高速實時檢測脈沖寬度，平滑數字濾波和理論值查表輔助輸出等技術，對數字信號處理中的多種基本技術進行了綜合的應用。既克服了對測量低頻信號時，由于計數誤差而產生的電壓波動，同時也克服了平滑數字濾波而產生的控制滯后效應，提高了模塊的實時靈敏度。
本發(fā)明提供了一種既有伺服電機結構的低噪音、低使用成本等優(yōu)點，又具有機械聯動結構的低成本、低價格、結構簡單等優(yōu)點，而且有足夠高的精度的單片機實時控制的轉速—模擬電壓轉換模塊。在雙變頻結構的自動包裝機切料后，由于變頻器受到本發(fā)明所輸出的電壓的控制，使從電機與主電機在轉速上完全保持一致，從而解決了切料后同步被破壞的問題，連續(xù)同步性有了大幅度的提高，包裝機的切割精度已經達到伺服電機結構的水平。本模塊不但可廣泛應用于雙變頻器結構的自動包裝機中，而且可推廣于其它需要速度同步的設備中，其應用范圍也不僅僅局限于包裝機行業(yè)。
圖1為本發(fā)明的電路方框圖。
圖2為其電路原理圖。
圖3為其應用于雙變頻器結構的包裝機上的方框示意圖。
圖4為本發(fā)明軟件主程序的流程圖。
圖5為定時中斷子程序的流程圖。
圖6為信號中斷子程序的流程圖。
具體實施例方式
實施例1。一種轉速—模擬電壓轉換模塊，如圖1～圖6所示。它包括外殼以及電子線路。電子線路至少包括轉速信號檢測電路1、與轉速信號檢測電路1連接的信號處理電路2、與信號處理電路2連接的信號運算單片機3、與信號運算單片機3連接的D/A轉換電路4、與信號運算單片機3連接的差錯檢測電路5、與信號運算單片機3連接的顯示電路6、與信號運算單片機3連接的存儲器7以及向上述電路供電的電源電路8。D/A轉換電路4輸出本模塊的模擬電壓信號。D/A轉換電路4還可以與驅動電路9連接，以輸出較高的驅動能力。
參閱圖3，轉速信號檢測電路1由以安裝在主電機10上的齒輪11激發(fā)的接近開關12所組成。圖中主電機10還與主變頻器17連接，本模塊18還依次與比例控制模塊19、從變頻器20、從(膜)電機21連接。比例控制模塊19還與PLC22連接。
參閱圖2，信號處理電路2由與接近開關12連接的光電耦合器13、與光電耦合器13連接的施密特觸發(fā)器14所組成。信號運算單片機3的型號為AT89C2051，D/A轉換電路4的型號為TLC5615。驅動電路9由與TLC5615連接的運算放大器15及其輔助電路所組成。差錯檢測電路5由MAX813L復位及看門狗電路16所組成。
本實施例1為單片機實時控制的機械轉速信號轉換電氣信號的變換系統。其信號檢測電路1采用接近開關12檢測齒輪11轉動的方法將主電機10的轉速轉變成電脈沖信號。齒輪11的每一個齒都可以產生一個反映當前轉速的模擬電壓脈沖。由于接近開關12輸出的信號在0V到24V之間變化，并且上升和下降沿的時間比較長，同時攜帶有大量的高次諧波，因此不能直接測量運算。為此設計了信號處理電路2，它是由光電耦合器13和施密特觸發(fā)器14組成。光電耦合器13將0～24V的脈沖信號變換成0～5V的脈沖信號，并實現信號的前后級隔離。施密特觸發(fā)器14利用其回差特性，將方波信號進行整形，使其成為前后沿突變的階躍信號，同時濾去大量的高次諧波，這樣信號就能夠被正確地測量。
信號運算單片機3中高速、實時的程序運算實現了脈沖信號向數字量的轉變。單片機3運算出數字量后，將其送入轉換模塊，利用模塊中的D/A轉換電路4轉換成模擬電壓，這樣就實現了機械轉速信號向模擬電壓信號的實時變換?？紤]到轉換模塊輸出的模擬電壓驅動能力比較低，量程只有0～5V，因此設計了一個驅動電路9。該電路是一種由高輸入阻抗的集成運算放大器組成的同向比例運算電路，從而得到較高的驅動能力和靈敏的電壓輸出量程。差錯檢測電路5被用來時刻監(jiān)測程序的運算過程，當外界的干擾使程序進入死循環(huán)，電路產生一個復位信號，使程序重新回到正常的運行狀態(tài)，使系統的可靠性得到保證。顯示電路6可以根據實際的需要進行設計。存儲器7被用來存儲系統運行所需要的參數。電源電路8為DC-DC變換，負責將24V的直流變換成5V的直流，為上述電路供電，保證系統的正常運行。
實施例1采用AT89C2051單片機，程序固化在單片機內置的2KBFlashRom中，程序是采用C51單片機專用C語言編寫。程序主要分為主程序、定時中斷子程序、信號中斷子程序三部分。
主程序的流程可見圖4。單片機上電復位進入主程序。主程序首先對單片機資源如中斷、定時器等進行初始化設置，然后循環(huán)掃描，根據不同的狀態(tài)輸入，進行各自的處理后返回，繼續(xù)掃描不同狀態(tài)的輸入情況。
<pre listing-type="program-listing">void main() { uchari； TMOD＝0x12；∥定時器1為16位，定時器0為8位重裝入 TH0＝0x6e； IT0＝1；∥定時器，中斷初始化設置 PT0＝1； TR0＝1； EX0＝1； ET0＝1； EA＝1； while(1)∥根據用戶具體需要進行顯示和輸入輸出設置<dp n="d4"/> { ………… } }</pre>定時中斷子程序的流程可見圖5，當定時器溢出后進入該中斷子程序。該子程序中的一個計數器用來測試信號的周期，當計數器大于最大設定值后，表示電機停止轉動，輸出數字量使輸出電壓為零。
void time_over() interrupt 1∥虛擬測試脈沖定時計數子程序{if(dogfood＝＝1)dogfood＝0；∥看門狗復位signed_time++；∥計數fi(signed_time＞2500){signed_time＝0；da5615(0)；}∥計數范圍判斷}信號中斷子程序的流程可見圖6。當脈沖信號到來時，進入信號中斷子程序。這時定時器中斷子程序中計數器的值恰好是測試信號的周期，將其存入緩沖區(qū)中，然后對前四個信號的周期加上當前信號的周期進行滑動平均，使計數和機械抖動所引起的誤差的影響減少。在程序設計時將根據物理規(guī)律計算出的理論值制成數據表，利用查表技術用平均值找到當前理論值，并用理論值與當前值比較。如果差值在一定的范圍內，則表示該差值的引起是由于機械、電磁干擾等意外干擾所引起，并不是真正的電機速度變化引起，因此根據理論值計算出電壓數字量輸出；如果差值在范圍外，則表示電機的速度發(fā)生變化，這時應根據當前值計算出電壓數字量輸出。根據上述的算法后即保證正常運行時電壓需求的穩(wěn)定性，也保證由于電機轉速突變，而要求電壓及時反映的實時性。
<pre listing-type="program-listing">void get_signed() interrupt 0//信號脈沖測量運算中斷子程序 {uehar i，seat_temp； EA＝0； dogfood＝1； signed_time_temp＝signed_time； signed_time＝0；<dp n="d5"/> EA＝1； EX0＝0； change_sa_sum＝change_sa_sum-change_sa_temp
； for(i＝0；i＜4；i++)∥對5次測量結果進行滑動平均處理 change_sa_temp[i]＝change_sa_temp[i+1]； change_sa_temp[4]＝signed_time_temp； change_sa_sum＝change_sa_sum+change_sa_temp[4]； ehange_sa_ave＝change_sa_sum/5； seat_temp＝change_sa_ave/10；∥將平均結果轉換為查表位置 if((change_sa_ave％10)＞＝5)seat_temp+＝1； if(signed_time＞2000)∥對測試脈沖進行范圍限制 {change_sa_num＝0；signed_time＝2000；goto output_vol；} else { if(change_sa_ave＞1174&amp;&amp;change_sa_ave＜＝65536‖change_sa_ave＝＝0) {change_sa_num＝0；goto output_vol；} else∥對查表值和實測值進行比較 if(change_sa_ave＜58) change_sa_num＝1023； else if(abs(signed_time_ture[seat_temp]-signed_time_temp)＜＝3) {change_sa_ave＝signed_time_ture[seat_temp]；∥范圍內，保留查表值 change_sa_num＝59334/change_sa_ave；}∥運算出數字量 else if(abs(signed_time_ture[seat_temp]-signed_time_temp)＞3) {∥范圍外，保留實測值 change_sa_ave＝signed_time_temp； change_sa_num＝59334/change_sa_ave；∥運算出數字量 } }<dp n="d6"/> output-vol-nop-o； da5615(change_sa_num)；∥將數字量輸出 EXO＝1； }</pre>實施例1結構簡單，成本和使用成本低，噪音低，有足夠高的精度?？蓮V泛應用于雙變頻器結構的自動包裝機中。
權利要求
1.一種轉速—模擬電壓轉換模塊，它包括外殼以及安裝在外殼中的電子線路，其特征在于所說的電子線路至少包括轉速信號檢測電路、與轉速信號檢測電路連接的信號處理電路、與信號處理電路連接的信號運算單片機、與信號運算單片機連接的D/A轉換電路、與信號運算單片機連接的差錯檢測電路、與信號運算單片機連接的顯示電路、與信號運算單片機連接的存儲器以及向上述電路供電的電源電路，D/A轉換電路輸出本模塊的模擬電壓信號。
2.按照權利要求1所述的轉速—模擬電壓轉換模塊，其特征在于所說的D/A轉換電路還與驅動電路連接，輸出較高的驅動能力。
3.按照權利要求1或2所述的轉速—模擬電壓轉換模塊，其特征在于所說的轉速信號檢測電路由以安裝在主電機上的齒輪激發(fā)的接近開關所組成。
4.按照權利要求2所述的轉速—模擬電壓轉換模塊，其特征在于所說的信號處理電路由與接近開關連接的光電耦合器、與光電耦合器連接的施密特觸發(fā)器所組成，信號運算單片機的型號為AT89C2051，D/A轉換電路的型號為TLC5615，驅動電路由與TLC5615連接的運算放大器及其輔助電路所組成，差錯檢測電路由MAX813L復位及看門狗電路所組成。
5.按照權利要求3所述的轉速—模擬電壓轉換模塊，其特征在于所說的信號處理電路由與接近開關連接的光電耦合器、與光電耦合器連接的施密特觸發(fā)器所組成，信號運算單片機的型號為AT89C2051，D/A轉換電路的型號為TLC5615，驅動電路由與TLC5615連接的運算放大器及其輔助電路所組成，差錯檢測電路由MAX813L復位及看門狗電路所組成。
6.按照權利要求2或4或5所述的轉速—模擬電壓轉換模塊，其特征在于所說的信號運算單片機內部還包括將下述程序固化其內的閃存①單片機上電復位進入，首先對單片機資源如中斷、定時器等進行初始化設置，然后循環(huán)掃描，根據不同的狀態(tài)輸入，進行各自的處理后返回，繼續(xù)掃描不同狀態(tài)的輸入情況的主程序；②當定時器溢出后進入，其中的一個計數器用來測試信號的周期，當計數器大于最大設定值后，表示電機停止轉動，輸出數字量使輸出電壓為零的定時中斷子程序；③當脈沖信號到來時，如計數器的值恰好是測試信號的周期，將其存入緩沖區(qū)中，然后對前四個信號的周期加上當前信號的周期進行滑動平均，使計數和機械抖動所引起的誤差的影響減少；利用查表技術用平均值找到當前理論值，并將其與當前值比較，如果差值在一定的范圍內，則表示該差值的引起是由于機械、電磁干擾等意外所引起并根據理論值計算出電壓數字量輸出；如果差值在范圍外，則表示電機的速度發(fā)生變化，這時應根據當前值計算出電壓數字量輸出的信號中斷子程序。
7.按照權利要求3所述的轉速—模擬電壓轉換模塊，其特征在于所說的信號運算單片機內部還包括將下述程序固化其內的閃存①單片機上電復位進入，首先對單片機資源如中斷、定時器等進行初始化設置，然后循環(huán)掃描，根據不同的狀態(tài)輸入，進行各自的處理后返回，繼續(xù)掃描不同狀態(tài)的輸入情況的主程序；②當定時器溢出后進入，其中的一個計數器用來測試信號的周期，當計數器大于最大設定值后，表示電機停止轉動，輸出數字量使輸出電壓為零的定時中斷子程序；③當脈沖信號到來時，如計數器的值恰好是測試信號的周期，將其存入緩沖區(qū)中，然后對前四個信號的周期加上當前信號的周期進行滑動平均，使計數和機械抖動所引起的誤差的影響減少；利用查表技術用平均值找到當前理論值，并將其與當前值比較，如果差值在一定的范圍內，則表示該差值的引起是由于機械、電磁干擾等意外所引起并根據理論值計算出電壓數字量輸出；如果差值在范圍外，則表示電機的速度發(fā)生變化，這時應根據當前值計算出電壓數字量輸出的信號中斷子程序。
全文摘要
一種轉速—模擬電壓轉換模塊，屬于非電量—電量轉換技術。它包括外殼及電子線路。電路至少包括轉速信號檢測電路、信號處理電路、信號運算單片機、D/A轉換電路、差錯檢測電路、顯示電路、存儲器以及電源。D/A轉換電路為TLC5615型，輸出模擬電壓信號，它還可與驅動電路連接，輸出較高的驅動能力。轉速信號檢測電路由以安裝在主電機上的齒輪激發(fā)的接近開關組成。信號處理電路由光電耦合器和施密特觸發(fā)器組成。單片機為AT89C2051型，其內還包括固化程序的閃存。驅動電路由運算放大器組成，差錯檢測電路由MAX813L復位及看門狗電路組成。它結構簡單，成本和使用成本低，噪音低，有足夠高的精度?？蓮V泛應用于自動包裝機中。
文檔編號G01P3/42GK1482466SQ0313892
公開日2004年3月17日 申請日期2003年7月24日 優(yōu)先權日2003年7月24日
發(fā)明者胡昱, 胡 昱 申請人:胡昱, 胡 昱