渦輪發(fā)電機依靠高速氣流旋轉(zhuǎn)，不但為引信工作提供電源，而且其輸出脈沖的大小在某種程度可以算出子彈的飛行速度。子彈在空中發(fā)射后，渦輪電機檢測到的脈沖頻率、幅度與子彈的飛行速度有密不可分的關(guān)系。因此，測量渦輪發(fā)電機輸出信號的頻率和幅值可以得出彈丸飛行速度，并獲得彈道特征，同時也可以獲得引信工作狀態(tài)。渦輪發(fā)電機輸出信號的頻率和幅值是通過測渦輪發(fā)電機的轉(zhuǎn)速獲得的，因此，測量渦輪發(fā)電機的轉(zhuǎn)速對于引信來說，尤其對應(yīng)用廣泛電引信來說是非常重要且必不可少的。

本課題以單片機為中心，設(shè)計的全數(shù)字化渦輪發(fā)電機轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)，不只適用于引信，它在軍用工業(yè)控制和通用電器中也有巨大的使用價值。

1 渦輪電機轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的設(shè)計思路

1.1 轉(zhuǎn)速檢測的一般方法

通常情況下電機轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)組成內(nèi)容，轉(zhuǎn)速測量流程圖如圖1。

1.2 轉(zhuǎn)速信號拾取

有的傳感器很簡單，只由一個敏感元件組成，它感受被測量時直接輸出電，有的傳感器則不同。當(dāng)需要使用傳感器進行收集信號時，我們將敏感元件和其測量電路、傳遞機構(gòu)搭配成所需要測量的功能進行測量轉(zhuǎn)換。比如土壤濕度傳感器只是把土壤的溫度轉(zhuǎn)換成可以處理的電壓或電流信號(一般是電壓，根據(jù)工作的原理輸出其電量)。

1.3 整形和倍頻

傳感器輸出的信號不能直接連接單片機，這是因為需要將信號處理成符合單片機需求的信號類型，且由于系統(tǒng)傳感器部分硬件電路設(shè)計的情況和對所使用的傳感器不同，并且復(fù)雜的實際情況，都會對所獲得的信號造成負面影響。我們可以使用觸發(fā)器電路來整形;除此之外，要處理轉(zhuǎn)速時測量精度問題及碼盤的刻度誤差所造成的精度下降問題，我們可以使用倍頻電路。采用的方法即在渦輪每轉(zhuǎn)一圈，來相應(yīng)的增加脈沖的個數(shù)，以便提高獲得的精度。

1.4 單片機

在整個渦輪發(fā)電機轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)設(shè)計中，單片機作為一個重要的交通樞紐，作用著對發(fā)來的脈沖信號的采集、運算以及轉(zhuǎn)速計時等多方面需求，其次，將得到的轉(zhuǎn)速脈沖信息經(jīng)過單片機的計算分析后，再次把信號發(fā)送到串口上，使用液晶顯示器或者數(shù)碼管都可以顯示出來。根據(jù)渦輪發(fā)電機的應(yīng)用情況由于考慮數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、可靠性，傳感器類型和編程的簡化，本文將首采用89C51單片機。

2 硬件和軟件設(shè)計總體方案

2.1 硬件設(shè)計方案

本轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)由光電傳感器HC-020K、單片機和顯示器等構(gòu)成。傳感器部分采用SH130076S光電傳感器，負責(zé)將被測量的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為脈沖信號，通過LM393芯片處進行處理，再將脈沖信號送進單片機整理所獲得的數(shù)據(jù)。使用的單片機與上述一樣AT89C51，之后顯示器采用4個7段LED數(shù)碼管動態(tài)顯示。

各部分模塊一些功能：

1)光電傳感器：主要是收集信號。

2)放大和整形電路：將傳感器所測得到的信號進行放大和整形，再經(jīng)過單片機后進行所得數(shù)據(jù)處理。

3)單片機：把處理后的信號通過軟件編程得到實際轉(zhuǎn)數(shù)，并送入LED液晶或者數(shù)碼管進行顯示。

4)LED顯示：即該測量系統(tǒng)的顯示部分。

2.2 軟件設(shè)計思路

我們在編程時候需要主要解決外部中斷的編寫和內(nèi)部定時器的使用，可以同時測量轉(zhuǎn)速的一定范圍，所以低速和高速都要在這個范圍之中，需要進行四字節(jié)到三字節(jié)程序的編寫。最后結(jié)果中則只需要把二進制轉(zhuǎn)換成十進制數(shù)位，然后把結(jié)果轉(zhuǎn)換成非壓縮BCD的程序，只有這樣最終把測速結(jié)果準(zhǔn)確的顯示出來。

軟件運行步驟：光電碼盤發(fā)出一個T內(nèi)的所有脈沖送入單片機的外部中斷即P3.5口，便產(chǎn)生一個中斷信號，定時器此刻開始定時，使用軟件將記數(shù)器和定時器0中斷的次數(shù)設(shè)定為初始兩個高位字節(jié)。再將TH0、TL0初始值設(shè)定為0，用作兩個低位字節(jié)。若干個中斷完畢后讀出此時記數(shù)的個數(shù)便得到電機轉(zhuǎn)速，進而把結(jié)果一系列變換后顯示程序，最后送入數(shù)碼管。

軟件設(shè)計轉(zhuǎn)速程序思路：將接收到的傳感器信號送入外部中斷P3.5口。主要是設(shè)計編寫單片機外部中斷服務(wù)程序INT0，將記數(shù)值的三個字節(jié)讀取，不斷的再次清0記數(shù)初值循環(huán)計算下次的記數(shù)。調(diào)用子程序BCD用于三字節(jié)十進制(BCD)兩字節(jié)二進制的轉(zhuǎn)換，再一并轉(zhuǎn)化為十進制，最后送入顯示部分。

3 渦輪發(fā)電機轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速分析

本渦輪發(fā)電機轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)可以使用M法進行測速，由于它的硬件電路較為簡單，其測量方法所適合的測速范圍后文將分析，測量的精度在本次實驗中需要通過傳感器的設(shè)置和型號來控制。

1)在本軟件設(shè)計中，閘門時間預(yù)設(shè)為1 s，T1所容許的計數(shù)值為65 536，所以，其計數(shù)量在1 s內(nèi)最大值不會大過65 535，便可得出此階段最大計數(shù)頻率L。設(shè)電機計數(shù)頻率為f，它的周期是1/f，當(dāng)計數(shù)累積成65 535個數(shù)據(jù)時，此時周期是：

T=65 535*1/f

所以按以上的要求：每當(dāng)T=1 s時，這時極大值是L=65 535*1/f

因此：f=65 535(Hz)

2)此次進行試驗測量時，我們配置了20點的碼盤，則每轉(zhuǎn)過一圈，會產(chǎn)生20個脈沖，所以，軸的頻率是：

f=65 535/20=3 276.75(Hz)

計算成轉(zhuǎn)速是：

n=f*60=196 605(r/min)

3)采用這種計算方法我們可以得到一種理想的轉(zhuǎn)速數(shù)值。如果依然達不到最終的要求，則還可以換一種軟件進行計時，就可以增大它的最高限度，進而它的最大限度只跟定時器和計數(shù)器最高允許的輸入頻率有關(guān)聯(lián)，但由于此時的晶振為11.059 2 MHz的，所要求的頻率會達到500 kHz，因為對所測量的物體特性進行重點分析，所以，可以使用容易達到M法來測量，其上限也完全能達到我們的需求。采用這種測速方法的下限實際上也很低，但是轉(zhuǎn)速如果低到一定值時，則其誤差會很大，所以，它允許的測量誤差和測速下限有不可分割的關(guān)系。

4 結(jié)論

4.1 硬件電路

單片機用于轉(zhuǎn)速測量方法有很多，在硬件設(shè)計上要因其要求、功能和使用場合不同，使用的電路也完全不同，80C51系列的單片機有用80C31和80C51等，再進行擴展和延伸，串口使用的是8155、7279A等作為最后的顯示。渦輪發(fā)電機所使用的是89C51單片機，因為可以最大化地利用該單片機里本身所帶的兩個16位定時器和計數(shù)器來進行設(shè)置，充分的發(fā)揮了該種單片機自己所帶的明顯優(yōu)點，采用的接口為89C51的P0口，因為它有很強的電流驅(qū)動能力等明顯的特點，可以用來拓展所使用的試驗芯片，然后通過單片機來控制，極盡可能簡單化了部分硬件電路。有明顯的發(fā)展優(yōu)點且較高的性價比，在整個測速行業(yè)中，不僅可用于工業(yè)控制中的轉(zhuǎn)速檢測系統(tǒng)且民用電器等范圍中也可涉及到。

4.2 測量方法

我們之所以采用M法進行測量，這是由于單位時間短時間內(nèi)首尾脈沖可能測不到，便容易產(chǎn)生較高的誤差。所以M法適合測量高速，也可以提高編碼器，使用一次采集的脈沖數(shù)多些。

4.3 改進和展望

關(guān)于渦輪發(fā)電機葉片轉(zhuǎn)速的定時時間長短是不同的，由于我們可以人為估計初始值，則需要根據(jù)其具體實際的應(yīng)用不用，通過渦輪發(fā)電機轉(zhuǎn)速的現(xiàn)實情形用來增大或減少定時時間。在機械能轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)變中，渦輪發(fā)電機的輸出與渦輪葉片的轉(zhuǎn)速具有一定的關(guān)系，電機的轉(zhuǎn)速決定了引信供電系統(tǒng)的持續(xù)輸出能力，未來工作可以對這個方向進行研究。