基于AT89S52单片机复合齿轮流量计的设计改进

　　0　前言

　　基于平衡式复合齿轮泵的工作原理,设计了一种能可靠测量液压系统高压侧流量的高压流量计,具有测量范围大,动态响应快,操作简单等特点。但是由于先前采用的齿轮速度传感器测量距离的限制,太近容易被齿轮面磨损,距离太远磁感应微弱,都不能有效地检测转速信号。为了解决此问题,在流量计的主轴上安装了一个光电编码器,可以把转速信号转换成脉冲信号,提高了测量精度。

　　1　复合齿轮流量计的工作原理及转速测量

　　复合齿轮流量计的工作原理和复合齿轮马达系统,主要区别是复合齿轮流量计不用输出扭矩。其工作原理如图1所示,其主要由中心轮、惰轮、内齿轮、密封块、前后侧板和前后端盖等组成。其中,中心轮与3个惰轮构成3个外啮合关系,3个惰轮同时又与内齿轮构成3个内啮合关系。密封块既作为外啮合齿轮流量计的壳体,又将内、外齿轮流量计的进油腔和排油腔隔开,同时又起到辅助配流作用。

　　为减少泄漏,提高流量计的容积效率,密封块与各齿轮齿顶圆的密封长度应大于2个齿。复合齿轮流量计采用端面配流结构,前后两侧板即配流板。作为流量计,高压油液经侧板上进油孔进入到3个外啮合腔和3个内啮合腔,内齿轮、3个惰轮、中心轮在不平衡液压力作用下形成了一定的力矩,这种不平衡的力矩将使齿轮旋转,随着齿轮的旋转,油液便被带到低压腔经侧板上的排油孔排出。用光电编码器代替以前的齿轮转速传感器测量流量变送器中心轮的转速,经程序运行后计算并显示出实际动态流量的大小。由参考文献[2]可知,复合齿轮流量计的近似几何排量

　　b———齿轮的齿宽。

　　转速测量主要有测频率法和测周期法2种,这2种测速方法都是对脉冲进行测量,但测速范围都受到一定的限制:

　　(1)频率法　在规定的检测时间内,测量计数脉冲个数。虽然检测时间一定,但检测的起止时间具有随机性。当被测转速较高或电动机转动一圈发出的转速脉冲信号个数较多时,才有较高的测量精度,并且测量准确度随转速的减小而降低,该方法适合于高速测量。

　　(2)周期法　测量信号发出脉冲个数所需时间。该法在被测转速较低(相邻2个转速脉冲信号间隔时间较大)时,才有较高的测量精度,其测量准确度随着转速的增大而降低,适于低速测量。

　　基于将被测流量信号转换为转速信号原理,结合测频率法和测周期法分段实现对转速的测量弥补了上述2种方法单独使用的缺点和不足。

　　2　流量测量系统硬件电路设计

　　复合齿轮流量计的测量系统主要由AT89S52单片机和ZSP3.806旋转光电编码器组成。本系统中采用的ZSP3.806旋转光电编码器是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。这是目前应用最多的传感器,光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机(液压马达)同轴,泵旋转时,光栅盘与泵同速旋转,经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号。该增量型光电编码器的测量范围是1~6 000 r/min,响应频率范围是0~100 kHz,电源电压为DC+4.5~13.2 V,输出电压:高电压≥85%VCC,低电平≤0.3 V,消耗电流≤120 mA,载空比0.5T±0.1T,轴最大负荷:径向20 N,轴向10 N。本设计中选用的单片机是标准型89系列AT89S52,它具有低功耗和高性能特点,采用CMOS工艺的8位单片机,片内存储器包含8KB的内存,可在线编程,具有256字节的片内RAM;具有32条可编程的I/O线(P0,P1,P2,P3);具有3个可编程定时器T0,T1,T2;内含2个数据指针TPTR0,TPTR1;AT89S52的工作电压VCC为DC4.0~5.5 V;光电编码器检测到转速信号并把它变成电量,经过信号放大电路后,送入A/D转换器将模拟量转换成二进制数字量,送到单片机的CPU进行处理,最后在LED显示动态流量如图2示。