渦輪發(fā)電機依靠高速氣流旋轉，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)電機的轉速獲得的，因此，測量渦輪發(fā)電機的轉速對于引信來說，尤其對應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，設計的全數(shù)字化渦輪發(fā)電機轉速測量系統(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 渦輪電機轉速測量系統(tǒng)的設計思路

1.1 轉速檢測的一般方法

通常情況下電機轉速測量系統(tǒng)組成內容，轉速測量流程圖如圖1。

1.2 轉速信號拾取

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、傳遞機構搭配成所需要測量的功能進行測量轉換。比如土壤濕度傳感器只是把土壤的溫度轉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計的情況和對所使用的傳感器不同，并且復雜的實際情況，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一圈，來相應的增加脈沖的個數(shù)，以便提高獲得的精度。

1.4 單片機

在整個渦輪發(fā)電機轉速測量系統(tǒng)設計中，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、運算以及轉速計時等多方面需求，其次，將得到的轉速脈沖信息經(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)電機的應用情況由于考慮數(shù)據(jù)的準確性、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 硬件和軟件設計總體方案

2.1 硬件設計方案

本轉速測量系統(tǒng)由光電傳感器HC-020K、單片機和顯示器等構成。傳感器部分采用SH130076S光電傳感器，負責將被測量的轉速轉化為脈沖信號，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部定時器的使用，可以同時測量轉速的一定范圍，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。最后結果中則只需要把二進制轉換成十進制數(shù)位，然后把結果轉換成非壓縮BCD的程序，只有這樣最終把測速結果準確的顯示出來。

軟件運行步驟：光電碼盤發(fā)出一個T內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)設定為初始兩個高位字節(jié)。再將TH0、TL0初始值設定為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)便得到電機轉速，進而把結果一系列變換后顯示程序，最后送入數(shù)碼管。

軟件設計轉速程序思路：將接收到的傳感器信號送入外部中斷P3.5口。主要是設計編寫單片機外部中斷服務程序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)。調用子程序BCD用于三字節(jié)十進制(BCD)兩字節(jié)二進制的轉換，再一并轉化為十進制，最后送入顯示部分。

3 渦輪發(fā)電機轉速測量系統(tǒng)的轉速分析

本渦輪發(fā)電機轉速測量系統(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置和型號來控制。

1)在本軟件設計中，閘門時間預設為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。設電機計數(shù)頻率為f，它的周期是1/f，當計數(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系。

4 結論

4.1 硬件電路

單片機用于轉速測量方法有很多，在硬件設計上要因其要求、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

關于渦輪發(fā)電機葉片轉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)其具體實際的應用不用，通過渦輪發(fā)電機轉速的現(xiàn)實情形用來增大或減少定時時間。在機械能轉化為電能的能量轉變中，渦輪發(fā)電機的輸出與渦輪葉片的轉速具有一定的關系，電機的轉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。