专利名称：光电式往复摆动频率检测装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种运动频率检测装置，尤其涉及一种测量不恒速摆动的摆动物件的摆 动频率的光电式往复摆动频率检测装置。
背景技术：
实际工业过程中存在大量往复式摆动，例如一些疲劳试验机、振动台等，这些往复摆动 的主要指标之一的摆动频率。细菌培养、发酵、杂交和生物化学反应以及酶、细胞组织研究 中被广泛使用的卧式摇床对振荡频率也有着较高要求。 一般转动的计数和频率测量已经有成 熟的技术和产品，但由于往复摆动在一个周期内物件运动速度是不恒定的，在摆幅最大的时 候速度为零，在摆幅为零时速度最大，往复摆动频率有着不恒速、低频率的特点，目前市场 上普通转速表或频率表很难准确地直接测量摆动实际频率，目前还没有专门仪器能对往复摆 动频率进行计量检测。
发明内容
本实用新型主要解决现有普通转速表或频率表很难准确地直接测量不恒速的摆动实际频 率，也没有专门仪器能对不恒速的往复摆动频率进行计量检测的技术问题；提供一种光电式 往复摆动频率检测装置，能方便、快速、安全地测得不恒速摆动的摆动频率，且测得的数据 准确可靠。
本实用新型的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的本实用新型包括能接
收设于往复摆动物件上的反光光标的信号的光电传感器、滤波电路、整形电路、二-四分频
电路、MCU中央处理单元以及为整个光电式往复摆动频率检测装置提供工作电压的电源单元 ，所述的光电传感器的输出接滤波电路的输入，滤波电路的输出接整形电路的输入，整形电 路的输出接二-四分频电路的输入，二-四分频电路的输出与MCU中央处理单元相连，所述的 MCU中央处理单元上还连接有串口电路和/或数码管显示电路。测量前，先将反光光标贴在往 复摆动物体上，调整光电传感器的位置，使其能正确识别反光光标。随着摆动物体的摆动， 光电传感器通过检测反光光标发出脉冲信号。实际检测中，光电传感器发出的脉冲信号如图 2所示，相邻脉冲间隔时间不一致，故普通转速表不能正确测量摆动频率值。只有当光标位 于整个摆幅绝对正中间时，相邻脉冲间隔时间才会完全一致。但由于摆幅的不稳定，几乎不 可能找到绝对正中间。本实用新型采用MCU中央处理单元外接光电传感器来实现往复摆动的周期和频率的测定。由于采用反光光标反射，因此检测过程更加安全，操作简单。光电传感 器接收到反光光标反射回来的信号产生高/低脉冲，不论反光光标贴在摆动物体上的哪个位 置，在摆动运动中，光电传感器都能在一个摆动周期内接收到两个脉冲信号，这些脉冲信号 经过滤波电路的滤波，再经过整形电路的整形，然后再经过二-四分频电路，二-四分频电路 的输出信号就是对待测信号进行二分频后的信号，输出信号的下降沿触发MCU中央处理单元 的定时器开始定时，下一个下降沿停止定时，定时器内的定时时间即为待测周期T，如图3所 示，用MCU中央处理单元的外部时钟源(即MCU的晶体振荡器)来对T进行计数，计数值即为 待测信号的周期，换算后获得频率值及计数值(通过MCU中央处理单元内的程序运算得出) 。中央处理单元通过串口电路可与外部的计算机相连，上述三个数值由MCU中央处理单元通 过串口电路发送到计算机上显示，同时可由计算机画出频率变化轨迹并在显示器上显示出来 。上述三个数值也可由MCU中央处理单元直接输送给与之相连的数码管显示电路显示。
作为优选，所述的整形电路包括两个相串联的施密特反相器，所述的二-四分频电路采 用D触发器芯片。滤波电路的输出信号经两个施密特反相器整形，再经一片D触发器芯片将波 形分为四分频，该四分频信号输送给MCU中央处理单元。
作为优选，光电式往复摆动频率检测装置还包括看门狗复位电路，所述的看门狗复位电 路与所述的MCU中央处理单元相连。看门狗复位电路由看门狗芯片实现，MCU中央处理单元的 一个信号输出脚接看门狗芯片的一个输入脚，看门狗芯片的RESET管脚与MCU中央处理单元的 RESET管脚相连。当MCU中央处理单元运行正常时，看门狗芯片的这个输入脚上始终会得到一 个5Hz的脉冲，此时看门狗芯片的RESET管脚始终保持为高；当MCU中央处理单元运行不正常时 (程序跑飞时)，看门狗 芯片的这个输入脚得不到5Hz的信号，当时间超过1.5秒时，看门狗芯 片的RESET管脚会输出低电平，则MCU中央处理单元的RESET管脚为低电平，复位MCU中央处理 单元。看门狗复位电路的设置，极大地提高了光电式往复摆动频率检测装置的稳定性和抗干 扰性能。
作为优选，光电式往复摆动频率检测装置还包括环境温度检测电路，所述的环境温度检 测电路与所述的MCU中央处理单元相连。通过环境温度检测电路对周围环境温度进行检测， 并将获得的温度数据输送给MCU中央处理单元，由MCU中央处理单元的内部程序作出运算、处 理，实现晶振温度补偿，确保测得的频率值的精确性。
作为优选，光电式往复摆动频率检测装置还包括实时时钟/日历电路，所述的实时时钟/ 日历电路与所述的MCU中央处理单元相连。本实用新型的测量误差主要来源于MCU中央处理单 元的外部时钟源的误差和计数误差(-ltf)，当待测频率不是很高时，如采用10MHz为MCU时钟源时，计数误差可以忽略。当测定lkHz的待测频率时，待测信号的周期为lms，而少计一 个时钟100ns，则计数误差S =-100ns/lms=-0.01%。因此误差源主要来自MCU外部时钟源本 身的误差。 一般较好的石英晶体频差在25r时为士20卯m， 10腿z在lms内的累计误差即为± 0.02个脉冲，但考虑到温度的影响，因此在本实用新型中增加一个实时时钟/日历电路，用 它定时ls的时间做为MCU中央处理单元的时钟源的校准，即当需要校验时，MCU中央处理单元 发命令给实时时钟/日历电路，并设定好ls输出，输出接入到MCU中央处理单元的另外一个定 时器内，在这ls内对MCU中央处理单元的时钟源计数，校准后MCU中央处理单元获得实际时钟 /标称时钟的系数，在后面的测量过程中用这个系数对测量值进行校准。
作为优选，光电式往复摆动频率检测装置还包括状态显示电路，所述的状态显示电路与 所述的MCU中央处理单元相连。状态显示电路一般由多个发光二极管构成，可以采用不同颜 色的发光二极管，与检测装置不同的工作状态相对应，提醒使用者光电式往复摆动频率检测 装置处于什么样的工作状态，便于发现问题，使用更加方便。
作为优选，所述的状态显示电路包括四个发光二极管LED1、 LED2、 LED3、 LED4、四个三 极管Q1、 Q2、 Q3、 Q4和四个电阻R16、 R18、 R20、 R22，四个电阻R16、 R18、 R20、 R22的一端 分别与四个三极管Q1、 Q2、 Q3、 Q4的基极相连，四个电阻R16、 R18、 R20、 R22的另一端分别 与MCU中央处理单元的四个输出脚相连，四个三极管Q1、 Q2、 Q3、 Q4的发射极均接地，四个 三极管Q1、 Q2、 Q3、 Q4的集电极分别与四个发光二极管LED1、 LED2、 LED3、 LED4的负极相连 ，四个发光二极管LED1、 LED2、 LED3、 LED4的正极分别经电阻R17、 R19、 R21、 R23接电压 VCC。
本实用新型的有益效果是通过光电传感器将设于摆动物体上的反光光标经过的次数转 换成脉冲信号，经滤波、整形及二-四分频，最后输送给MCU中央处理单元，测得物体的摆动 周期、频率及次数，并由数码管显示电路显示，也可通过串口电路送给外部的计算机显示， 并由计算机画出频率变化轨迹。检测过程更加安全，操作简单，测量方便且快速，有极高的 稳定性和抗干扰性能，具有温度补偿和时钟补偿功能，提高测量的精确性，测量数值的显示 也更趋直观。
图l是本实用新型的一种电路原理连接框图。
图2是本实用新型中光电传感器输出的脉冲信号的一种示意图。
图3是本实用新型的一种周期测量示意图。图4是本实用新型中的滤波电路、整形电路及二-四分频电路相连的一种电路原理图。
图5是本实用新型中的MCU中央处理单元的一种电路原理图。
图6是本实用新型中的看门狗复位电路的一种电路原理图。
图7是本实用新型中的实时时钟/日历电路的一种电路原理图。
图8是本实用新型中的环境温度检测电路的一种电路原理图。
图9是本实用新型中的状态显示电路的一种电路原理图。
图10是本实用新型测量往复摆动滚筒的摆动频率的一种示意图。
图中l.光电传感器，2.滤波电路，3.整形电路，4. 二-四分频电路，5.MCU中央处理单元 ，6.电源单元，7.串口电路，8.数码管显示电路，9.看门狗复位电路，IO.环境温度检测电 路，11.实时时钟/日历电路，12.状态显示电路，13.滚筒，14.反光光标，15.光电式往复摆 动频率检测装置，16.计算机。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步具体的说明。 实施例l:本实施例的光电式往复摆动频率检测装置，如图1所示，包括能接收位于往复 摆动物件上的反光光标的信号的光电传感器l、滤波电路2、整形电路3、 二-四分频电路4、 MCU中央处理单元5、串口电路7、数码管显示电路8、看门狗复位电路9、环境温度检测电路 10、实时时钟/日历电路11、状态显示电路12以及为整个光电式往复摆动频率检测装置提供 工作电压的电源单元6，光电传感器1的输出接滤波电路2的输入，滤波电路2的输出接整形电 路3的输入，整形电路3的输出接二-四分频电路4的输入，二-四分频电路4的输出与MCU中央 处理单元5相连，串口电路7、数码管显示电路8、看门狗复位电路9、环境温度检测电路IO、 实时时钟/日历电路ll以及状态显示电路12也与MCU中央处理单元5相连。
如图4、图5、图6、图7和图8所示，本实施例中滤波电路2采用电阻R12和电容C12构成的 RC滤波电路，整形电路3包括两个相串联的施密特反相器，采用芯片74HC14， 二-四分频电路 4采用D触发器芯片74HC74， MCU中央处理单元采用单片机ATMEG88，看门狗复位电路9采用看 门狗芯片頂P706CSA，环境温度检测电路10采用温度芯片DS18B20，实时时钟/日历电路ll采 用实时时钟芯片PCF8563。电阻R12和电容C12的连接点接芯片74HC14的1脚，芯片74HC14的2 脚和3脚相连，芯片74HC14的4脚接D触发器芯片74HC74的3脚，74HC74的2脚和6脚相连、8脚 和12脚相连，其1脚、4脚、IO脚、13脚和14脚均接电压VCC，其9脚、5脚经开关SW3与单片机 ATMEG88的12脚相连。单片机ATMEG88的9脚接看门狗芯片頂P706CSA的6脚，看门狗芯片
7頂P706CSA的7脚(g卩RESET脚)经开关JP5接单片机ATMEG88的29脚(g卩RESET脚)。温度芯片 DS18B20的2脚、3脚间连接有电阻R7，并且其2脚与单片机ATMEG88的10脚相连。实时时钟芯 片PCF8563的1脚和2脚间连接有晶振0SC2， PCF8563的3脚接单片机ATMEG88的26脚，PCF8563 的5脚、6脚分别接单片机ATMEG88的27脚、28脚。
如图9所示，状态显示电路12包括四个发光二极管LED1、 LED2、 LED3、 LED4、四个三极 管Q1、 Q2、 Q3、 Q4和四个电阻R16、 R18、 R20、 R22，四个电阻R16、 R18、 R20、 R22的一端分 别与四个三极管Q1、 Q2、 Q3、 Q4的基极相连，四个电阻R16、 R18、 R20、 R22的另一端分别与 单片机ATMEG88的14脚、ll脚、15脚、l脚相连，四个三极管Q1、 Q2、 Q3、 Q4的发射极均接地 ，四个三极管Q1、 Q2、 Q3、 Q4的集电极分别与四个发光二极管LED1、 LED2、 LED3、 LED4的负 极相连，四个发光二极管LED1、 LED2、 LED3、 LED4的正极分别经电阻R17、 R19、 R21、 R23接 电压VCC。
本实施例的电源单元采用直流24V供电，传感器也由直流24V供电，经电源单元转换后获 得VCC+5V电压，为整个光电式往复摆动频率检测装置提供工作电压。
工作原理图10是本实用新型光电式往复摆动频率检测装置测量往复摆动滚筒的摆动频 率的一种示意图，流筒13作45度往复摆动，反光光标14贴在滚筒13上，调整光电式往复摆动 频率检测装置15的位置，使光电传感器1能对准反光光标14，正确识别反光光标14。随着滚 筒摆动，光电传感器通过检测反光光标获得脉冲信号，此脉冲信号为在一个周期内有两个时 间不等的脉冲信号，如图2所示，该脉冲信号通过RC滤波电路滤波，再经两个施密特反相器整 形，再由一片D触发器芯片74HC74将整形后的波形分为四分频，把四分频信号输送给单片机 ATMEG88的PB(AICP1管脚。该信号的下降沿触发单片机的定时器开始定时，下一个下降沿停 止定时，定时器内的定时时间即为待测周期T。用MCU中央处理单元的外部时钟源(即MCU的 晶体振荡器)来对T进行计数，计数值即为待测信号的周期，换算后获得频率值及计数值( 通过MCU中央处理单元内的程序运算得出)。光电式往复摆动频率检测装置15通过连在单片 机上的串口电路与外部的计算机16相连，上述三个数值发送到计算机16上显示，同时可由计 算机画出频率变化轨迹。上述三个数值也可由单片机直接输送给与之相连的数码管显示电路 8显示。
看门狗复位电路说明当闭上电源开关时，看门狗芯片頂P706CSA的WDO管脚会输出一个 大约100ms的低电平，使单片机ATMEG88有效复位，此时单片机的9脚会输出一个5HZ(200ms)的 脉冲，这脉冲与看门狗芯片頂P706CSA的WDI管脚相连，当单片机ATMEG88运行正常时，在看门狗 芯片頂P706CSA的WDI管脚上始终会得到一个5Hz的脉冲，此时看门狗芯片頂P706CSA的RESET管脚始终保持为高。当单片机ATMEG88运行不正常时(程序跑飞时)，看门狗芯片頂P706CSA的 WDI管脚得不到5Hz的信号，当时间超过l. 5秒时，看门狗芯片頂P706CSA的WD0管脚会输出一个 100ms的低电平，因为WDO管脚与MR管脚相连，所以MR管脚此时也为低电平，当MR管脚为低电平 时，看门狗芯片頂P706CSA的RESET管脚的输出也为低电平。看门狗电路的设置，极大地提高 了检测装置的稳定性和抗干扰性能。
本检测装置的频率测量误差主要来源于单片机外部时钟源的误差和计数误差(-ltf)。 一般较好的石英晶体频差在25i:时为士20卯m， 10腿z在lms内的累计误差即为士0.02个脉冲 ，考虑到温度的影响，本实施例中采用增加一个实时时钟芯片PCF8563，用它定时ls的时间 作为单片机ATMEG88的时钟源的校准。当需要校验时，单片机ATMEG88发命令给PCF8563，并 设定好ls输出，输出接入到单片机ATMEG88的另外一个定时器内，在这ls内对单片机ATMEG88 的时钟源计数，校准后，单片机ATMEG88获得实际时钟/标称时钟的系数，在后面的测量过程 中用这个系数对测量值进行校准。同时温度芯片DS18B20对检测装置周围的环境温度进行检 测，获得的数值送给单片机ATMEG88，并由单片机ATMEG88进行晶振温度补偿。
本实用新型能准确测量出不恒速的往复摆动物体的摆动频率，检测过程更加安全，操作 简单，测量方便且快速，有极高的稳定性和抗干扰性能，具有温度补偿和时钟补偿功能，精 确性高，测量数值的显示也更趋灵活和直观。
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权利要求1.一种光电式往复摆动频率检测装置，其特征在于包括能接收设于往复摆动物件上的反光光标的信号的光电传感器(1)、滤波电路(2)、整形电路(3)、二四分频电路(4)、MCU中央处理单元(5)以及为整个光电式往复摆动频率检测装置提供工作电压的电源单元(6)，所述的光电传感器(1)的输出接滤波电路(2)的输入，滤波电路(2)的输出接整形电路(3)的输入，整形电路(3)的输出接二四分频电路(4)的输入，二四分频电路(4)的输出与MCU中央处理单元(5)相连，所述的MCU中央处理单元(5)上还连接有串口电路(7)和/或数码管显示电路(8)。
2 根据权利要求l所述的光电式往复摆动频率检测装置，其特征在于 所述的整形电路(3)包括两个相串联的施密特反相器，所述的二-四分频电路(4)采用D触 发器芯片。
3 根据权利要求l所述的光电式往复摆动频率检测装置，其特征在于 还包括看门狗复位电路(9)，所述的看门狗复位电路(9)与所述的MCU中央处理单元(5) 相连。
4 根据权利要求l所述的光电式往复摆动频率检测装置，其特征在于 还包括环境温度检测电路(10)，所述的环境温度检测电路(10)与所述的MCU中央处理单 元(5)相连。
5 根据权利要求1或3或4所述的光电式往复摆动频率检测装置，其特 征在于还包括实时时钟/日历电路(11)，所述的实时时钟/日历电路(11)与所述的MCU中 央处理单元(5)相连。
6 根据权利要求1或3或4所述的光电式往复摆动频率检测装置，其特 征在于还包括状态显示电路(12)，所述的状态显示电路(12)与所述的MCU中央处理单元 (5)相连。
7 根据权利要求6所述的光电式往复摆动频率检测装置，其特征在于 所述的状态显示电路(12)包括四个发光二极管LED1、 LED2、 LED3、 LED4、四个三极管Q1、Q2、 Q3、 Q4和四个电阻R16、 R18、 R20、 R22，四个电阻R16、 R18、 R20、 R22的一端分别与四 个三极管Q1、 Q2、 Q3、 Q4的基极相连，四个电阻R16、 R18、 R20、 R22的另一端分别与MCU中 央处理单元的四个输出脚相连，四个三极管Q1、 Q2、 Q3、 Q4的发射极均接地，四个三极管 Ql、 Q2、 Q3、 Q4的集电极分别与四个发光二极管LED1、 LED2、 LED3、 LED4的负极相连，四个 发光二极管LED1、 LED2、 LED3、 LED4的正极分别经电阻R17、 R19、 R21、 R23接电压VCC。
专利摘要本实用新型涉及一种光电式往复摆动频率检测装置，包括依次相连的光电传感器、滤波电路、整形电路、二四分频电路、MCU中央处理单元以及为整个检测装置提供工作电压的电源单元，MCU中央处理单元上还连接有串口电路、数码管显示电路、看门狗复位电路、环境温度检测电路、实时时钟/日历电路、状态显示电路，光电传感器能接收位于往复摆动物件上的反光光标信号。本实用新型能检测往复摆动物体的摆动周期、频率及次数，并由数码管显示电路显示，也可通过串口电路送给外部的计算机显示，检测安全，测量方便且快速，有极高的稳定性和抗干扰性能，且具有温度补偿和时钟补偿功能，提高测量的精确性，测量数值的显示也更趋直观。
文档编号G01H9/00GK201434724SQ20092030438
公开日2010年3月31日 申请日期2009年6月12日 优先权日2009年6月12日
发明者倪杭飞, 孙鹏程, 达 王 申请人:杭州市质量技术监督检测院