簡介：這里介紹一種簡單且不需使用外部計數(shù)器就可高精度超低頻測量轉(zhuǎn)速的方法。即用AT89C2051單片機內(nèi)部的T0計數(shù)器作為轉(zhuǎn)速基本頻率時基計數(shù)器，用軟件模擬1個進位計數(shù)器，這樣不僅可以使用較高的計數(shù)頻率來測量較低的轉(zhuǎn)速，而且允許小于232次數(shù)的進位。從而實現(xiàn)了高精度、超低頻率的測量。

“零轉(zhuǎn)速”是汽輪發(fā)電機組在開、停車時，為防止轉(zhuǎn)子因受熱不均而發(fā)生軸彎曲事故，所采用的一種特定慢轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速，也稱為盤車轉(zhuǎn)速。由于該轉(zhuǎn)速非常低，通常只有每分鐘幾轉(zhuǎn)，所以稱為“零轉(zhuǎn)速”。汽輪機停車時，當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下降到與預(yù)置的零轉(zhuǎn)速值相一致時，零轉(zhuǎn)速表自動地將盤車電機投入，使盤車齒輪正確地嚙合上正在降速的轉(zhuǎn)動軸，使其不至于立刻停下來，以達到盤車的作用。

轉(zhuǎn)速的測量方法有很多種，常用的有測頻法和測周法。測頻法適用于測量高、中轉(zhuǎn)速；測周法適用于測量低轉(zhuǎn)速。零轉(zhuǎn)速表主要用于測量低轉(zhuǎn)速，所以采用測周法。在實際應(yīng)用中，為了獲得較高的測量精度和較低的轉(zhuǎn)速測量范圍，大多數(shù)轉(zhuǎn)速表都使用了單片機，但由于單片機內(nèi)部計數(shù)器結(jié)構(gòu)的限制，其計數(shù)器可計數(shù)的最高頻率為1/24fosc2時鐘頻率。因此，在測量長周期（低轉(zhuǎn)速）時，使用1個計數(shù)器計數(shù)會出現(xiàn)多次溢出的情況。鑒于這種情況，很多低頻轉(zhuǎn)速表在使用較高的計數(shù)頻率時，常采用多級計數(shù)器串聯(lián)技術(shù)來解決單個計數(shù)器的溢出問題。如用外部計數(shù)器8253（或8254）芯片，將其內(nèi)部的2～3個計數(shù)器相互串聯(lián)起來，形成32位或64位計數(shù)器，以此獲得轉(zhuǎn)速高精度測量值。這種方法雖然可行，但系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且進位次數(shù)也有限制，溢出時的進位頻率點很難處理好。這里介紹一種簡單且不需使用外部計數(shù)器就可高精度超低頻測量轉(zhuǎn)速的方法。即用AT89C2051單片機內(nèi)部的T0計數(shù)器作為轉(zhuǎn)速基本頻率時基計數(shù)器，用軟件模擬1個進位計數(shù)器，這樣不僅可以使用較高的計數(shù)頻率來測量較低的轉(zhuǎn)速，而且允許小于232次數(shù)的進位。從而實現(xiàn)了高精度、超低頻率的測量。

1零轉(zhuǎn)速表的基本測量方法

目前國內(nèi)電廠多數(shù)都使用有60個齒的測速齒輪來測量轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。當汽輪機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一圈時，可以產(chǎn)生60個脈沖，此時脈沖周期可通過單片機的內(nèi)部計數(shù)器T0對時基信號τ0進行計數(shù)得出。若計數(shù)器的計數(shù)為N，則脈沖周期為T＝N×τ0，脈沖頻率，由汽輪機大軸的轉(zhuǎn)動周期T=

由上式看出，轉(zhuǎn)速和頻率具有共同的量綱，轉(zhuǎn)速值即為頻率值。故可直接用測量周期的方法來測量低轉(zhuǎn)速。

測量轉(zhuǎn)速時，其準確度主要由2項誤差來決定，一項是時基誤差，另一項是量化±1誤差。對于時基誤差來說，主要決定于所選用單片機定時器的脈沖周期，當需要高精度的定時器時，應(yīng)盡量選頻率較高的晶體。在用AT89C2051單片機組成的測量系統(tǒng)中，采用12 MHz頻率的晶體，其計數(shù)速率為1 MHz，輸入脈沖的周期τ0＝1 ms。當時基誤差小于量化±1誤差1個或2個數(shù)量級時，準確度主要由量化±1誤差來決定。測周法測量的相對誤差為：

對于給定的時間脈沖周期，當被測信號頻率低時，計數(shù)器示值N越大，r就越??；反之則測量的相對誤差就大。例如，當晶體的晶振頻率為12 MHz，基準時鐘τ0為1μs，在測量轉(zhuǎn)速滿度值1 000 r／min時，計數(shù)器示值為1 000，其精度為0．1％ ，隨著轉(zhuǎn)速的降低，精度也就越高。所以測周法適用于低頻信號測量。

2零轉(zhuǎn)速表的硬件電路設(shè)計

AT89C2051是一種高性能、低價格的單片機，引腳和指令系統(tǒng)與8031單片機完全兼容，而且片內(nèi)有2 k字節(jié)的閃速存儲器。除沒有P0口、P2口之外，具有8031所有的功能和結(jié)構(gòu)，1片AT89C2051相當于8031、373、2716組成的最少系統(tǒng)，而其引腳只有20個。所以在測量任務(wù)單一的應(yīng)用中，AT89C2051完全可以替代8031單片機，因此用他作為零轉(zhuǎn)速表的核心電路，具有電路簡單、系統(tǒng)可靠、體積小和成本低等優(yōu)點。零轉(zhuǎn)速表的硬件電路設(shè)計原理圖如圖1所示，電路主要由AT89C2051單片機、輸入信號整形電路、MC14499顯示驅(qū)動電路、E2PROM靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲電路和MAX706“看門狗”等電路組成。

如圖1所示，轉(zhuǎn)速信號經(jīng)U1施密特電路整形，再經(jīng)U2分頻電路進行二分頻之后，得到轉(zhuǎn)速測量周期，以此周期的上升沿作為AT89C2051的內(nèi)部計數(shù)器T0計數(shù)的開始信號，在整個高電平期間，T0計數(shù)器對時鐘信號計數(shù)，當信號變?yōu)榈碗娖剑ㄏ陆笛兀r，產(chǎn)生中斷請求，關(guān)閉定時器／計數(shù)器T0／C0，以此獲得一個測量周期值，見圖2所示。

圖1中的B1、B2、B3、B4是4位LED數(shù)碼顯示器，他和MC14499芯片共同組成了轉(zhuǎn)速顯示電路，以此來實現(xiàn)4·1/2位的轉(zhuǎn)速顯示。MC14499顯示驅(qū)動芯片具有串行輸入接口，用他并可直接驅(qū)動4位數(shù)碼管顯示器，其CPU控制方式有2種，I／O口控制方式和串行口控制方式，在零轉(zhuǎn)速表中是采用I／O口控制方式。通過將AT89C2051單片機的P1口模擬為串行口，直接與MC14499串口連接，用軟件實現(xiàn)串行輸出操作。P14為使能信號EN，P15為時鐘信號CLK，P16為串行數(shù)據(jù)DIN。AT89C2051單片機從模擬串口DIN輸出數(shù)據(jù)時，發(fā)送順序為從數(shù)據(jù)低位到高位處理。MC14499一次可接收20串行輸入數(shù)據(jù)，如圖3所示，前四位為4個LED顯示器的小數(shù)點選擇位，相應(yīng)位為“1”時小數(shù)點顯示，為“0”時熄滅，后16位是4個LED顯示器的BCD碼輸入數(shù)據(jù)。由圖1看出，顯示的最大數(shù)為19999。若要顯示4位半轉(zhuǎn)速1XXX．X，則首位1由LED的A段與B段相連而成，然后再與第4位的Dp連接，最后連接到MC14499的Dp端。首位的COM端與第1位的COM端相連，共同作為第1位的位控制端，當小數(shù)點選擇位為0011，即顯示1XXX．X。

在零轉(zhuǎn)速表的面板上設(shè)有4個獨立的報警設(shè)定按鍵（S1、S2、S3、S4），他直接由AT89C2051微處理器P1口的4根I／O線組成，用于零轉(zhuǎn)速報警值（例：為3．0r／min或0．25r／min）的設(shè)置。為了保證設(shè)定值在斷電的情況下不丟失，選用2 k位的串行E2EPROM－24LC02B芯片，他的使用方法同顯示芯片一樣可直接連在AT89C2501的P3口上，同樣也用軟件來模擬串行輸出操作，實現(xiàn)設(shè)定值的在線修改和存儲。

為了提高該轉(zhuǎn)速表的抗干擾能力，選用了帶看門狗定時器和低壓檢測的低功耗μP監(jiān)控芯片MAX706。MAX706芯片內(nèi)部看門狗定時器的輸入WDI，可接到AT89C2051單片機I／O口，當系統(tǒng)受到干擾，程序走飛或進入死循環(huán)時，系統(tǒng)不能向WDI端輸入小于1．6 s周期的脈沖時，WDO輸出的低電平通過與非門接到AT89C2051的RESET端，使系統(tǒng)復(fù)位，并重新啟動系統(tǒng)。另外，當系統(tǒng)電源降至4．4 V以下時，MAX706芯片的RES復(fù)位端變?yōu)榈碗娖?，單片機復(fù)位，直到VCC升到4．4 V以上，RES仍保持低電平200 ms以后再復(fù)位至高電平，保證系統(tǒng)的可靠復(fù)位。MAX706芯片的看門狗定時器輸出端WDO和復(fù)位端RES接到同一個與非門上，只要有一個為低，系統(tǒng)立即進入復(fù)位狀態(tài)，從而提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性。

3零轉(zhuǎn)速表的軟件設(shè)計

零轉(zhuǎn)速表的轉(zhuǎn)速測量和報警功能均用軟件完成。首先，將AT89C2051單片機內(nèi)部定時／計數(shù)器T0和T1都設(shè)置為16位計數(shù)方式，用T0計數(shù)器作為零轉(zhuǎn)速時基脈沖計數(shù)器，當計數(shù)器T0溢出時，產(chǎn)生中斷進位信號，同時復(fù)位T0計數(shù)器，并重新開始計數(shù)。在中斷服務(wù)程序中，使用RAM單元作模擬32位進位計數(shù)器，記錄T0計數(shù)器溢出的次數(shù)。例：n＝0．01r／min，F(xiàn)＝0．01 Hz，N＝100 000 000個數(shù)，而T0滿時為216＝65536，軟計數(shù)器在RAM單元中若占用2個單元為216，則N最大可計232＝4 294 967 296；其次，將AT89C2051中的T1計數(shù)器設(shè)計為20 ms的定時器，用于定時掃描鍵盤和刷新轉(zhuǎn)速顯示。

零轉(zhuǎn)速表主程序和中斷服務(wù)程序的功能框圖如圖4、圖5、圖6、圖7所示。在主程序中首先進行初始化，將有關(guān)定量單元清零復(fù)位，然后設(shè)置定時／計數(shù)器的工作方式，并開中斷，當轉(zhuǎn)速信號上升沿來臨時，啟動計數(shù)器T0，開始對基準時間計數(shù)；當轉(zhuǎn)速信號變?yōu)榈碗娖綍r（下降沿口觸發(fā)）關(guān)閉T0，并對計數(shù)值進行計算，送顯示。主程序框圖如圖4所示。3個中斷服務(wù)程序的功能是：定時、鍵盤掃描；讀計數(shù)值；記錄計數(shù)器溢出次數(shù)。中斷服務(wù)程序框圖如圖5、圖6、圖7所示。

4 結(jié)束語

本儀器采用軟件模擬進位計數(shù)器的方法,解決計數(shù)器進位的溢出問題,在實際應(yīng)用中獲得了較好的測量效果。另外，在顯示和數(shù)據(jù)存儲器的接口上都采用了串口方式，從而減少了CPU I/O口數(shù)量，使得該儀器的電路設(shè)計簡明，結(jié)構(gòu)小巧緊湊，工作穩(wěn)定可靠。