专利名称：转速—模拟电压转换模块的制作方法
技术领域：
本发明属于非电量—电量信号转换技术领域，更明确地说涉及单片机实时控制的转速—模拟电压转换模块的设计。
背景技术：
已有的使用双变频器结构的自动枕式包装机在生产过程中切料后，其主、从电机的同步性往往被破坏。主要原因有二一方面，是由于本身控制结构决定这个问题的不可避免；另一方面，使用PLC作为控制的解决手段，由于其处理的速度比较低，不能解决这个问题。因此，双变频器构架的自动包装机虽然成本低、结构简单、噪声小，却没有在市场上普遍应用。高档的自动枕式包装机采用伺服电机结构，其精度高，噪声小，但成本高，结构复杂，因此价格很高。与此相反，采用机械联动的自动包装机虽然生产成本低，但用户在使用过程中由于机械磨损而产生的使用成本却很高，同时噪声大，精度低，因此其价格低，利润低。
本发明的目的，就在于克服上述缺点和不足，提供一种既有伺服电机结构的低噪音、低使用成本等优点，又具有机械联动结构的低成本、低价格、结构简单等优点，而且有足够的、完全能够接受的较高精度的单片机实时控制的转速—模拟电压转换模块。使用本模块的双变频器结构的自动包装机将成为机械联动结构包装机的换代产品。

发明内容
为了达到上述目的，本发明包括外壳以及安装在外壳中的电子线路。电子线路至少包括转速信号检测电路、与转速信号检测电路连接的信号处理电路、与信号处理电路连接的信号运算单片机、与信号运算单片机连接的D/A转换电路、与信号运算单片机连接的差错检测电路、与信号运算单片机连接的显示电路、与信号运算单片机连接的存储器以及向上述电路供电的电源电路。D/A转换电路输出本模块的模拟电压信号。
D/A转换电路还可与驱动电路连接，输出较高的驱动能力。
转速信号检测电路由以安装在主电机上的齿轮激发的接近开关所组成。
信号处理电路由与接近开关连接的光电耦合器、与光电耦合器连接的施密特触发器所组成。信号运算单片机的型号为AT89C2051，D/A转换电路的型号为TLC5615。驱动电路由与TLC5615连接的运算放大器及其辅助电路所组成。差错检测电路由MAX813L复位及看门狗电路所组成。
本发明利用接近开关直接作为模块的输入信号，并利用单片机的高速运算能力，对输入的脉冲信号进行实时测量，运算，滤波，然后输出反映实时转动速度的数字值；再由数模转换芯片，转换成模拟电压输出。这样该电压就能够正确反映转速，而且精度较高。接近开关可有多种选择，只要能够将齿数传感为脉冲数亦即转速即可。
模块的硬件设计采用信号光电隔离输入，并用施密特触发器对信号进行整形，最大限度的防止干扰信号进入单片机。单片机采用AT89C2051，该单片机技术比较成熟，可靠，并且成本较低。数模转换芯片使用SPI接口的TLC5615，具有接口简单，转换速度比较快，转换精度高，技术成熟，高可靠等优点。用MAX813L组成复位电路和看门狗电路，可提高系统的可靠性。信号的处理主要依靠单片机程序，从而保证模块的灵活性和较强的适用性。
模块在软件上采用高速实时检测脉冲宽度，平滑数字滤波和理论值查表辅助输出等技术，对数字信号处理中的多种基本技术进行了综合的应用。既克服了对测量低频信号时，由于计数误差而产生的电压波动，同时也克服了平滑数字滤波而产生的控制滞后效应，提高了模块的实时灵敏度。
本发明提供了一种既有伺服电机结构的低噪音、低使用成本等优点，又具有机械联动结构的低成本、低价格、结构简单等优点，而且有足够高的精度的单片机实时控制的转速—模拟电压转换模块。在双变频结构的自动包装机切料后，由于变频器受到本发明所输出的电压的控制，使从电机与主电机在转速上完全保持一致，从而解决了切料后同步被破坏的问题，连续同步性有了大幅度的提高，包装机的切割精度已经达到伺服电机结构的水平。本模块不但可广泛应用于双变频器结构的自动包装机中，而且可推广于其它需要速度同步的设备中，其应用范围也不仅仅局限于包装机行业。


图1为本发明的电路方框图。
图2为其电路原理图。
图3为其应用于双变频器结构的包装机上的方框示意图。
图4为本发明软件主程序的流程图。
图5为定时中断子程序的流程图。
图6为信号中断子程序的流程图。
具体实施例方式
实施例1。一种转速—模拟电压转换模块，如图1～图6所示。它包括外壳以及电子线路。电子线路至少包括转速信号检测电路1、与转速信号检测电路1连接的信号处理电路2、与信号处理电路2连接的信号运算单片机3、与信号运算单片机3连接的D/A转换电路4、与信号运算单片机3连接的差错检测电路5、与信号运算单片机3连接的显示电路6、与信号运算单片机3连接的存储器7以及向上述电路供电的电源电路8。D/A转换电路4输出本模块的模拟电压信号。D/A转换电路4还可以与驱动电路9连接，以输出较高的驱动能力。
参阅图3，转速信号检测电路1由以安装在主电机10上的齿轮11激发的接近开关12所组成。图中主电机10还与主变频器17连接，本模块18还依次与比例控制模块19、从变频器20、从(膜)电机21连接。比例控制模块19还与PLC22连接。
参阅图2，信号处理电路2由与接近开关12连接的光电耦合器13、与光电耦合器13连接的施密特触发器14所组成。信号运算单片机3的型号为AT89C2051，D/A转换电路4的型号为TLC5615。驱动电路9由与TLC5615连接的运算放大器15及其辅助电路所组成。差错检测电路5由MAX813L复位及看门狗电路16所组成。
本实施例1为单片机实时控制的机械转速信号转换电气信号的变换系统。其信号检测电路1采用接近开关12检测齿轮11转动的方法将主电机10的转速转变成电脉冲信号。齿轮11的每一个齿都可以产生一个反映当前转速的模拟电压脉冲。由于接近开关12输出的信号在0V到24V之间变化，并且上升和下降沿的时间比较长，同时携带有大量的高次谐波，因此不能直接测量运算。为此设计了信号处理电路2，它是由光电耦合器13和施密特触发器14组成。光电耦合器13将0～24V的脉冲信号变换成0～5V的脉冲信号，并实现信号的前后级隔离。施密特触发器14利用其回差特性，将方波信号进行整形，使其成为前后沿突变的阶跃信号，同时滤去大量的高次谐波，这样信号就能够被正确地测量。
信号运算单片机3中高速、实时的程序运算实现了脉冲信号向数字量的转变。单片机3运算出数字量后，将其送入转换模块，利用模块中的D/A转换电路4转换成模拟电压，这样就实现了机械转速信号向模拟电压信号的实时变换。考虑到转换模块输出的模拟电压驱动能力比较低，量程只有0～5V，因此设计了一个驱动电路9。该电路是一种由高输入阻抗的集成运算放大器组成的同向比例运算电路，从而得到较高的驱动能力和灵敏的电压输出量程。差错检测电路5被用来时刻监测程序的运算过程，当外界的干扰使程序进入死循环，电路产生一个复位信号，使程序重新回到正常的运行状态，使系统的可靠性得到保证。显示电路6可以根据实际的需要进行设计。存储器7被用来存储系统运行所需要的参数。电源电路8为DC-DC变换，负责将24V的直流变换成5V的直流，为上述电路供电，保证系统的正常运行。
实施例1采用AT89C2051单片机，程序固化在单片机内置的2KBFlashRom中，程序是采用C51单片机专用C语言编写。程序主要分为主程序、定时中断子程序、信号中断子程序三部分。
主程序的流程可见图4。单片机上电复位进入主程序。主程序首先对单片机资源如中断、定时器等进行初始化设置，然后循环扫描，根据不同的状态输入，进行各自的处理后返回，继续扫描不同状态的输入情况。
<pre listing-type="program-listing">void main()　　{　　uchari；　　TMOD＝0x12；∥定时器1为16位，定时器0为8位重装入　　TH0＝0x6e；　　IT0＝1；∥定时器，中断初始化设置　　PT0＝1；　　TR0＝1；　　EX0＝1；　　ET0＝1；　　EA＝1；　　while(1)∥根据用户具体需要进行显示和输入输出设置&lt;dp n="d4"/&gt;　　{　　…………　　}　　}</pre>定时中断子程序的流程可见图5，当定时器溢出后进入该中断子程序。该子程序中的一个计数器用来测试信号的周期，当计数器大于最大设定值后，表示电机停止转动，输出数字量使输出电压为零。
void time_over() interrupt 1∥虚拟测试脉冲定时计数子程序{if(dogfood＝＝1)dogfood＝0；∥看门狗复位signed_time++；∥计数fi(signed_time＞2500){signed_time＝0；da5615(0)；}∥计数范围判断}信号中断子程序的流程可见图6。当脉冲信号到来时，进入信号中断子程序。这时定时器中断子程序中计数器的值恰好是测试信号的周期，将其存入缓冲区中，然后对前四个信号的周期加上当前信号的周期进行滑动平均，使计数和机械抖动所引起的误差的影响减少。在程序设计时将根据物理规律计算出的理论值制成数据表，利用查表技术用平均值找到当前理论值，并用理论值与当前值比较。如果差值在一定的范围内，则表示该差值的引起是由于机械、电磁干扰等意外干扰所引起，并不是真正的电机速度变化引起，因此根据理论值计算出电压数字量输出；如果差值在范围外，则表示电机的速度发生变化，这时应根据当前值计算出电压数字量输出。根据上述的算法后即保证正常运行时电压需求的稳定性，也保证由于电机转速突变，而要求电压及时反映的实时性。
<pre listing-type="program-listing">void get_signed() interrupt 0//信号脉冲测量运算中断子程序　　{uehar i，seat_temp；　　EA＝0；　　dogfood＝1；　　signed_time_temp＝signed_time；　　signed_time＝0；&lt;dp n="d5"/&gt;　　EA＝1；　　EX0＝0；　　change_sa_sum＝change_sa_sum-change_sa_temp
；　　for(i＝0；i＜4；i++)∥对5次测量结果进行滑动平均处理　　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；∥将平均结果转换为查表位置　　if((change_sa_ave％10)＞＝5)seat_temp+＝1；　　if(signed_time＞2000)∥对测试脉冲进行范围限制　　{change_sa_num＝0；signed_time＝2000；goto output_vol；}　　else　　{　　if(change_sa_ave＞1174&amp;amp;&amp;amp;change_sa_ave＜＝65536‖change_sa_ave＝＝0)　　{change_sa_num＝0；goto output_vol；}　　else∥对查表值和实测值进行比较　　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]；∥范围内，保留查表值　　change_sa_num＝59334/change_sa_ave；}∥运算出数字量　　else　　if(abs(signed_time_ture[seat_temp]-signed_time_temp)＞3)　　{∥范围外，保留实测值　　change_sa_ave＝signed_time_temp；　　change_sa_num＝59334/change_sa_ave；∥运算出数字量　　}　　}&lt;dp n="d6"/&gt;　　output-vol-nop-o；　　da5615(change_sa_num)；∥将数字量输出　　EXO＝1；　　}</pre>实施例1结构简单，成本和使用成本低，噪音低，有足够高的精度。可广泛应用于双变频器结构的自动包装机中。
权利要求
1.一种转速—模拟电压转换模块，它包括外壳以及安装在外壳中的电子线路，其特征在于所说的电子线路至少包括转速信号检测电路、与转速信号检测电路连接的信号处理电路、与信号处理电路连接的信号运算单片机、与信号运算单片机连接的D/A转换电路、与信号运算单片机连接的差错检测电路、与信号运算单片机连接的显示电路、与信号运算单片机连接的存储器以及向上述电路供电的电源电路，D/A转换电路输出本模块的模拟电压信号。
2.按照权利要求1所述的转速—模拟电压转换模块，其特征在于所说的D/A转换电路还与驱动电路连接，输出较高的驱动能力。
3.按照权利要求1或2所述的转速—模拟电压转换模块，其特征在于所说的转速信号检测电路由以安装在主电机上的齿轮激发的接近开关所组成。
4.按照权利要求2所述的转速—模拟电压转换模块，其特征在于所说的信号处理电路由与接近开关连接的光电耦合器、与光电耦合器连接的施密特触发器所组成，信号运算单片机的型号为AT89C2051，D/A转换电路的型号为TLC5615，驱动电路由与TLC5615连接的运算放大器及其辅助电路所组成，差错检测电路由MAX813L复位及看门狗电路所组成。
5.按照权利要求3所述的转速—模拟电压转换模块，其特征在于所说的信号处理电路由与接近开关连接的光电耦合器、与光电耦合器连接的施密特触发器所组成，信号运算单片机的型号为AT89C2051，D/A转换电路的型号为TLC5615，驱动电路由与TLC5615连接的运算放大器及其辅助电路所组成，差错检测电路由MAX813L复位及看门狗电路所组成。
6.按照权利要求2或4或5所述的转速—模拟电压转换模块，其特征在于所说的信号运算单片机内部还包括将下述程序固化其内的闪存①单片机上电复位进入，首先对单片机资源如中断、定时器等进行初始化设置，然后循环扫描，根据不同的状态输入，进行各自的处理后返回，继续扫描不同状态的输入情况的主程序；②当定时器溢出后进入，其中的一个计数器用来测试信号的周期，当计数器大于最大设定值后，表示电机停止转动，输出数字量使输出电压为零的定时中断子程序；③当脉冲信号到来时，如计数器的值恰好是测试信号的周期，将其存入缓冲区中，然后对前四个信号的周期加上当前信号的周期进行滑动平均，使计数和机械抖动所引起的误差的影响减少；利用查表技术用平均值找到当前理论值，并将其与当前值比较，如果差值在一定的范围内，则表示该差值的引起是由于机械、电磁干扰等意外所引起并根据理论值计算出电压数字量输出；如果差值在范围外，则表示电机的速度发生变化，这时应根据当前值计算出电压数字量输出的信号中断子程序。
7.按照权利要求3所述的转速—模拟电压转换模块，其特征在于所说的信号运算单片机内部还包括将下述程序固化其内的闪存①单片机上电复位进入，首先对单片机资源如中断、定时器等进行初始化设置，然后循环扫描，根据不同的状态输入，进行各自的处理后返回，继续扫描不同状态的输入情况的主程序；②当定时器溢出后进入，其中的一个计数器用来测试信号的周期，当计数器大于最大设定值后，表示电机停止转动，输出数字量使输出电压为零的定时中断子程序；③当脉冲信号到来时，如计数器的值恰好是测试信号的周期，将其存入缓冲区中，然后对前四个信号的周期加上当前信号的周期进行滑动平均，使计数和机械抖动所引起的误差的影响减少；利用查表技术用平均值找到当前理论值，并将其与当前值比较，如果差值在一定的范围内，则表示该差值的引起是由于机械、电磁干扰等意外所引起并根据理论值计算出电压数字量输出；如果差值在范围外，则表示电机的速度发生变化，这时应根据当前值计算出电压数字量输出的信号中断子程序。
全文摘要
一种转速—模拟电压转换模块，属于非电量—电量转换技术。它包括外壳及电子线路。电路至少包括转速信号检测电路、信号处理电路、信号运算单片机、D/A转换电路、差错检测电路、显示电路、存储器以及电源。D/A转换电路为TLC5615型，输出模拟电压信号，它还可与驱动电路连接，输出较高的驱动能力。转速信号检测电路由以安装在主电机上的齿轮激发的接近开关组成。信号处理电路由光电耦合器和施密特触发器组成。单片机为AT89C2051型，其内还包括固化程序的闪存。驱动电路由运算放大器组成，差错检测电路由MAX813L复位及看门狗电路组成。它结构简单，成本和使用成本低，噪音低，有足够高的精度。可广泛应用于自动包装机中。
文档编号G01P3/42GK1482466SQ0313892
公开日2004年3月17日 申请日期2003年7月24日 优先权日2003年7月24日
发明者胡昱, 胡 昱 申请人:胡昱, 胡 昱