基于光電傳感器的轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)設(shè)計_畢業(yè)設(shè)計

1、 摘 要 :轉(zhuǎn)速是發(fā)動機重要的工作參數(shù)之一 , 也是其它參數(shù)計算的重要依據(jù)。目前常用的 轉(zhuǎn)速測量方法有離心式轉(zhuǎn)速表測速法、測速發(fā)電機測速法、光電碼盤測速法和霍爾元件測 速法等。在對各種測速方法進(jìn)行分析后提出了基于光電傳感器的轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)。詳細(xì)分析 了系統(tǒng)的組成及工作原理,給出了系統(tǒng)中各硬件模塊設(shè)計方法及系統(tǒng)軟件設(shè)計方法,給出 了部分程序流程圖和程序清單。該測速系統(tǒng)安裝維護(hù)方便,工作穩(wěn)定,運行可靠,具有較 大的推廣應(yīng)用價值。關(guān)鍵詞 :單片機,光電轉(zhuǎn)速傳感器,轉(zhuǎn)速測量,數(shù)據(jù)處理Abstract :The rotate speed is one of the important parameters

2、 for the engine, and it is also the important factor that calculates other parameters. At present there are many methods for the tachometric survey measurement. After analyze various rotate speed measurement methods, the photoelectric sensor tachometric survey system is presented. The composition an

3、d the principle of the system are presented, and the design method of hardware and the software are also presented. The whole system has the bigger promotion application value.Key words :single-chip computer , photoelectric sensor , rotate speed measurement , data processing目 錄1 引 言 . 錯 誤!未定義書簽。2 系統(tǒng)

4、組成及工作原理 . 錯 誤!未定義書簽。 2.1轉(zhuǎn)速測量原理 . . 32.2轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)組成框圖 . 34 系統(tǒng)軟件設(shè)計 . . 14 4.1 主程序設(shè)計 . . 14 4.2 數(shù)據(jù)處理過程 . 164.3 浮點數(shù)學(xué)運算程序 . 175 制作調(diào)試 . 176 結(jié)果分析 . 19 結(jié) 論 . . 19 參考文獻(xiàn) . 錯 誤!未定義書簽。 致 謝 . . 錯 誤!未定義書簽。1引 言轉(zhuǎn)速測量是社會生產(chǎn)和日常生活中重要的測量和控制對象。近年來,由于世界范圍內(nèi) 對轉(zhuǎn)速測量合理利用的日益重視,促使轉(zhuǎn)速測量技術(shù)的迅速發(fā)展,各種新型的測量儀表相 繼問世并越來越多地得到應(yīng)用。進(jìn)行轉(zhuǎn)速測量的檢測控制,可以使用

5、多種傳感器。由于技 術(shù)保密,廠家不會提供詳細(xì)電路圖和源代碼,用戶很難自行進(jìn)行二次開發(fā)和改進(jìn)。針對這 種現(xiàn)狀,使用光電傳感器結(jié)合 STC 公司的 STC 89C51型單片機設(shè)計的一種轉(zhuǎn)速測量與控制 系統(tǒng)。 STC 89C51單片機采用了 CMOS 工藝和高密度非易失性存儲器技術(shù),而且其輸入 /輸 出引腳和指令系統(tǒng)都與 MCS-51兼容,是開發(fā)該系統(tǒng)的適合芯片。2 系統(tǒng)組成及工作原理2.1 轉(zhuǎn)速測量原理在此采用頻率測量法,其測量原理為,在固定的測量時間內(nèi),計取轉(zhuǎn)速傳感器產(chǎn)生 的脈沖個數(shù),從而算出實際轉(zhuǎn)速。設(shè)固定的測量時間為 Tc (min ,計數(shù)器計取的脈沖個 數(shù) m ,假定脈沖發(fā)生器每轉(zhuǎn)輸出 p

6、 個脈沖,對應(yīng)被測轉(zhuǎn)速為 N (r/min,則 f=pN/60Hz;另 在測量時間 Tc 內(nèi),計取轉(zhuǎn)速傳感器輸出的脈沖個數(shù) m 應(yīng)為 m=Tcf ,所以,當(dāng)測得 m 值時, 就可算出實際轉(zhuǎn)速值 1:N=60m/pTc (r/min (12.2 轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)組成框圖系統(tǒng)由信號預(yù)處理電路、單片機 STC 89C51、系統(tǒng)化 LED 顯示模塊、串口數(shù)據(jù)存儲電 路和系統(tǒng)軟件組成。其中信號預(yù)處理電路包含信號放大、波形變換和波形整形。對待測信 號進(jìn)行放大的目的是降低對待測信號的幅度要求;波形變換和波形整形電路則用來將放大 的信號轉(zhuǎn)換成可與單片機匹配的 TTL 信號;通過對單片機的編程設(shè)置可使內(nèi)部定時器 T

7、0對輸入脈沖進(jìn)行計數(shù),這樣就能精確地算出加到 T0引腳的單位時間內(nèi)檢測到的脈沖數(shù); 設(shè)計中轉(zhuǎn)速顯示部分采用價格低廉且使用方便的 LED 模塊,通過相關(guān)計算方法計算得到的 轉(zhuǎn)速通過 I 2C 總線放到 E 2PROM 存儲,既節(jié)省了所需單片機的口線和外圍器件,同時也簡化 了顯示部分的軟件編程。系統(tǒng)的原理框圖如圖 2.1所示。圖 2.1 系統(tǒng)的原理框圖 3 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計3.1 脈沖產(chǎn)生電路設(shè)計設(shè)計采用了紅外光電傳感器, 進(jìn)行非接觸式檢測。 當(dāng)有物體擋在紅外光電發(fā)光二極管 和高靈敏度的光電晶體管之間時,傳感器將會輸出一個低電平,而當(dāng)沒有物體擋在中間時 則輸出為高電平,從而形成一個脈沖。系統(tǒng)在光

8、電傳感器收發(fā)端間加入電動機,并在電動 機的轉(zhuǎn)軸上安裝一轉(zhuǎn)盤。在這個轉(zhuǎn)盤的邊沿處挖出若干個圓形過孔,把傳感器的檢測部分 放在圓孔的圓心位置。每當(dāng)轉(zhuǎn)盤隨著后輪旋轉(zhuǎn)的時候,傳感器將向外輸出若干個脈沖。把 這些脈沖通過一系列的波形整形成單片機可以識別的 TTL 電平,即可算出輪子即時的轉(zhuǎn)速。 轉(zhuǎn)盤的圓孔的個數(shù)決定了測量的精度,個數(shù)越多,精度越高。這樣就可以在單位時 間內(nèi)盡可能多地得到脈沖數(shù),從而避免了因為兩個過孔之間的距離過大,而正好在過孔之 間或者是在下個過孔之前停止了,造成較大的誤差。設(shè)計中轉(zhuǎn)盤的圓孔的實際個數(shù)受到技 術(shù)的限制。為了達(dá)到預(yù)定的效果設(shè)計在轉(zhuǎn)盤過孔的設(shè)計上采用 11個過孔,從而留下了

9、10個同等的間距。這樣在以后的軟件設(shè)計中能夠較為方便的計算出脈沖頻率。脈沖發(fā)生源的 硬件結(jié)構(gòu)圖如圖 3.1所示。 圖 3.1脈沖發(fā)生源硬件結(jié)構(gòu)圖(左為正視圖,右為側(cè)視圖3.2 光電轉(zhuǎn)換及信號調(diào)理電路設(shè)計由于系統(tǒng)需要將光信號轉(zhuǎn)換為電信號,因而需要使用光電傳感器并設(shè)計相應(yīng)的信號調(diào) 理電路,以得到符合要求的脈沖信號,送給單片機 STC89C51進(jìn)行計數(shù),同時得到計數(shù)的 時間,由單片機進(jìn)行相關(guān)計算以得到電動機轉(zhuǎn)速。光電傳感器是采用光電元件作為檢測元件的傳感器。它首先把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光 信號的變化,然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。光電傳感器一般由光源、光學(xué)通路和光電元件三部分組成。光電檢

10、測方法具有精度高、反應(yīng)快、非接觸等優(yōu)點,而 且可測參數(shù)多,傳感器的結(jié)構(gòu)簡單,形式靈活多樣,因此,光電式傳感器在檢測和控制中 應(yīng)用非常廣泛。由光通量對光電元件的作用原理不同所制成的光學(xué)測控系統(tǒng)是多種多樣的,按光電元 件 (光學(xué)測控系統(tǒng) 輸出量性質(zhì)可分二類,即模擬式光電傳感器和脈沖 (開關(guān) 式光電傳感 器。模擬式光電傳感器是將被測量轉(zhuǎn)換成連續(xù)變化的光電流,它與被測量間呈單值關(guān)系。 模擬式光電傳感器按被測量 (檢測目標(biāo)物體 方法可分為透射 (吸收 式、漫反射式、遮光式 (光束阻檔 三大類。所謂透射式是指被測物體放在光路中,恒光源發(fā)出的光能量穿過被測 物,部份被吸收后,透射光投射到光電元件上;所謂漫反

11、射式是指恒光源發(fā)出的光投射到 被測物上,再從被測物體表面反射后投射到光電元件上;所謂遮光式是指當(dāng)光源發(fā)出的光 通量經(jīng)被測物光遮其中一部份,使投射剄光電元件上的光通量改變,改變的程度與被測物 體在光路位置有關(guān)。光源是許多光電傳感器的重要組成部分,要使光電傳感器很好地工作,除了合理選用 光電元件外,還必須配備合適的光源。發(fā)光二極管是一種把電能轉(zhuǎn)變成光能的半導(dǎo)體器件。 它具有體積小、 功耗低、 壽命長、 響應(yīng)快、機械強度高等優(yōu)點,并能和集成電路相匹配。因此,廣泛地用于計算機、儀器儀 表和自動控制設(shè)備中。鎢絲燈泡是一種最常用的光源,它具有豐富的紅外線。如果選用的光電元件對紅外光 敏感,構(gòu)成傳感器時可加

12、濾色片將鎢絲燈泡的可見光濾除,而僅用它的紅外線做光源,這 樣,可有效防止其他光線的干擾。激光與普通光線相比具有能量高度集中,方向性好,頻率單純、相干性好等優(yōu)點,是 很理想的光源。綜上所述, 各種光源各具優(yōu)點, 但從經(jīng)濟(jì)與使用便利方面考慮, 并考慮到抗干擾性能, 我們決定選用紅外光二極管做系統(tǒng)測量的光源。由光源、光學(xué)通路和光電器件組成的光電傳感器在用于光電檢測時,還必須配備適當(dāng) 的信號調(diào)理電路。這些信號調(diào)理電路負(fù)責(zé)將光電傳感器輸出的微弱的光電信號進(jìn)行放大、 整形,轉(zhuǎn)換成所單片機定時計數(shù)所需要的脈沖信號。不同的光電元件,所要求的測量電路 也不相同,為此設(shè)計時必須詳加考慮。傳感器將電機的轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)變

13、成了電脈沖信號,該信號經(jīng)過 LM324集成運放整形驅(qū)動,送到單片機進(jìn)行脈沖計數(shù),從而測出電動機轉(zhuǎn)速。光電轉(zhuǎn)換部分與單片機的連接框圖如圖 3.2所示。 圖 3.2 光電轉(zhuǎn)換部分與單片機的連接框圖LM324是四運放集成電路,它采用 14腳雙列直插塑料封裝,外形如圖所示。它的內(nèi)部包含四組形式完全相同的運算放大器, 除電源共用外,四組運放相互獨立。每一組 運算放大器可用圖 3.3所示的符號來表示,它有 5個引出腳,其中“ +” 、 “ -”為兩個信 號輸入端, “ V+” 、 “ V-”為正、負(fù)電源端, “ Vo ”為輸出端。兩個信號輸入端中, Vi-(- 為反相輸入端,表示運放輸出端 Vo 的信號與

14、該輸入端的位相反 ;Vi+(+為同相輸入端, 表示運放輸出端 Vo 的信號與該輸入端的相位相同。 LM324的引腳排列見圖 3.4 圖 3.3放大器圖 圖 3.4 引腳圖 由于 LM324四運放電路具有電源電壓范圍寬,靜態(tài)功耗小,可單電源使用,價格低廉等優(yōu)點,因此被廣泛應(yīng)用在各種電路中。本設(shè)計計劃采用高性能集成四運放 LM324來進(jìn)行光電信號調(diào)理電路設(shè)計。電路采用兩級放大電路對脈沖信號進(jìn)行放大,防止信號脈沖太小以至對實驗結(jié)果不產(chǎn)生影響。此 外,還設(shè)計了有源帶通濾波器。為了達(dá)到預(yù)定效果,對系統(tǒng)運用 MULTISIM 8進(jìn)行模擬仿真,并利用模擬仿真結(jié)果對有關(guān)元器件進(jìn)行參數(shù)設(shè)定,以使電路滿足要求。如

15、圖 3.5所示是 MULTISIM 進(jìn)行電 路模擬仿真示意圖及其模擬仿真結(jié)果。圖 3.5 電路模擬仿真示意圖及其模擬仿真結(jié)果3.3 測量系統(tǒng)主機部分設(shè)計單片機是單片微型計算機(Single Chip Microcomputer的簡稱,是指在一塊芯片 上集成了中央處理器 CPU 、隨機存儲器 RAM 、程序存儲器 ROM 或 EPROM 、定時器 /計數(shù)器、 中斷控制器以及串行和并行 I/O接口等部件,構(gòu)成一個完整的微型計算機。目前,新型單 片機內(nèi)還有 A/D及 D/A轉(zhuǎn)換器、高速輸入 /輸出等部件。由于它的結(jié)構(gòu)和指令功能都是按 工業(yè)控制要求設(shè)計的,特別適用于工業(yè)控制及其數(shù)據(jù)處理場合,因此,確切

16、的稱謂應(yīng)是微 控制器(Microcontroller .系統(tǒng)使用的單片機是 STC 89C51型單片機。 STC 89C51單片機是基于 MCS-51單片機 為內(nèi)核的,其輸入 /輸出管腳以及指令系統(tǒng)和 MCS-51單片機是完全兼容的。 其優(yōu)越的性價 比使其成為頗受歡迎的 8位單片機。如圖 3.6是 STC 89C51結(jié)構(gòu)框圖。STC 89C51單片機的特點: 它內(nèi)部有一個 8位的 CPU ,具有 4KB 的 EEPROM 。 128字節(jié)的 RAM 數(shù)據(jù)存儲器, 21個特殊功能寄存器 SFR 。 4個 8位并行 I/O口, 其中 P0、 P2為地址 /數(shù)據(jù)線, 可尋址 64KB ROM和 64K

17、B RAM. 一個可編程全雙工串行口 , 具有 5個中斷源。 兩個 16位定時器 /計數(shù)器。計數(shù)脈沖輸入 T0 T1 P0 P1 P2 P3TXD RXD中斷輸入圖 3.6 STC 89C51結(jié)構(gòu)框圖圖 3.7是 STC 89C51單片機引腳分布圖。 由圖我們可以看到, 單片機的引腳除了電源、 復(fù)位、 時鐘接入、 用戶 I/O口外, 其余管腳是為實現(xiàn)系統(tǒng)擴展而設(shè)置的。 這些引腳構(gòu)成 MCS-51單片機片外三總線結(jié)構(gòu),即:地址總線(AB :地址總線寬為 16位,因此,其外部存儲器直接尋址為 64K 字節(jié), 16位地址總線由 P0口經(jīng)地址鎖存器提供 8位地址 (A0至 A7 ; P2口直接提供 8

18、位地址。 數(shù)據(jù)總線(DB :數(shù)據(jù)總線寬度為 8位,由 P0提供。控制總線(CB :由 P3口的第二功能狀態(tài)和 4根獨立控制線 RESET 、 EA 、 ALE 、 PSEN 組成。 圖 3. 7S T C 89C 51管腳圖圖 3.8為鍵盤電路圖,按鍵功能通過軟件編程設(shè)置:按 K0為清零、復(fù)位;按 K1顯示計時時間;按 K2顯示計數(shù)脈沖數(shù);此按鍵電路為低電平有效, 當(dāng)無按鍵按下時, 單片機輸入引腳 P1.0、 P1.1、 P1.2、 P1.3端口均為高電平。當(dāng)其中任一按鍵按下時,其對應(yīng)的 P1端口變?yōu)榈碗娖?在軟件中利用 這個低電平設(shè)計其功能。軟件中還設(shè)置了按鍵防抖動誤觸發(fā)功能,軟件中設(shè)置定時

19、器 1 50ms 中斷一次,每次中斷都對按鍵進(jìn)行掃描,如果掃描到有按鍵按下,則延遲 10ms ,再 次進(jìn)行鍵掃描,若仍有按鍵按下,則按鍵為真,并從 P1口讀取數(shù)據(jù),低電平對應(yīng)的即為 有效按鍵。圖 3.8 按鍵電路圖顯示部分采用價廉方便的 LED 數(shù)碼管,圖 3.9為數(shù)碼管的引腳接線圖。測量系統(tǒng)有 8位共陽的 LED 數(shù)碼管,表 3.1為驅(qū)動 LED 數(shù)碼管的段代碼表, 1-代表對應(yīng)的筆段亮, 0-代表 對應(yīng)的筆段不亮。若需要在最右邊(S0顯示“ 5” ,只要將從表中查得相應(yīng)的段代碼寫入 P0口,在將 P2.0置高, P2.1-P2.7置低即可。圖 3.9 數(shù)碼管的引腳接線圖 表 3.1 驅(qū)動

20、LED 數(shù)碼管的段代碼表 顯示電路如圖 3.10,其電路采用動態(tài)顯示方式。電機轉(zhuǎn)速的測量結(jié)果經(jīng)過譯碼, 輸 出的 8位并行數(shù)據(jù)通過 STC89C51 的并行口 (P0口 輸出,送至 7段 LED ,同時由 P2口輸 出位掃描信號以實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的動態(tài)顯示。 P0口 和 P2口都是準(zhǔn)雙向口,輸出時需要接 上拉電阻。 P0內(nèi)部沒有上拉電阻, P2口內(nèi)部有弱上拉。所以 P0口外圍電路設(shè)計為低電平 有效,高電平無效。要使數(shù)碼管 S0-S7的其中一個亮,其對應(yīng)的 P2端口要置高, P2的其 余端口置低。如:S0亮:P2.0置高, P2.1-P2.7置低。系統(tǒng)將定時把緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)送出,在數(shù)碼管上顯示。圖 3

21、.10 顯示電路圖STC89 C51單片機的串行通訊接口的輸入 輸出為 TTL 高電平為 3.8V-5V ,低電平為 0-0.3V ,這對近距離通訊還可以,但當(dāng)通訊距離遠(yuǎn)時,就會因為 TTL 電平低,抗干擾能力 弱而影響可靠性。為了提高串行通訊接口的抗干擾能力和增強可靠性,于是就出現(xiàn)了許多 通訊標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程。目前, RS-232標(biāo)準(zhǔn)就是其中比較常用的一種,這樣,一方面可提高這些 設(shè)備的通用性,另一方面又增強了數(shù)據(jù)傳送時的可靠性。232電平轉(zhuǎn)換采用 MAX232芯片把 TTL 電平轉(zhuǎn)換成 RS -232電平格式, 可以用于單片機 與微機通信,以及單片機與單片機之間的通信,測量系統(tǒng)設(shè)計了兩個 DB9

22、的接口,其中一 個用于 ISP 下載器模塊的程序下載接口,稱為“ ISP Interface ” ,另一個接口為單片機 與其它具有 RS232接口的通信端口,稱為“ Common Port” 。具體的電路原理圖如圖 3.11所示。 圖 3.11電路原理圖電源模塊為系統(tǒng)板上其它模塊提供+5V 電源以及±15V 電源。 電源的設(shè)計有分立元件 和集成穩(wěn)壓器幾種方法,目前較常用的是用集成穩(wěn)壓器來設(shè)計穩(wěn)壓電源。常用的集成穩(wěn)壓 器有固定式三端穩(wěn)壓器與可調(diào)式三端穩(wěn)壓器。常用可調(diào)式集成穩(wěn)壓器有 LM317系列,它們 的輸出電壓從 1.25V -37伏可調(diào),負(fù)端則為 LM337等。最簡的電路外接元件只

23、需一個固定 電阻和一只電位器。其芯片內(nèi)有過熱和安全工作區(qū)保護(hù),最大輸出電流為 1.5A 。系統(tǒng)需要設(shè)計兩個電源, 其中+5V 電源采用 7805, 電路原理圖如圖 3.12所示。 原理:9V 的交流電壓輸入后經(jīng)橋堆整流,通過 1000F 的電解電容進(jìn)行濾波,再經(jīng)過集成穩(wěn)壓 器 7805穩(wěn)壓, C17、 C19等電容對其進(jìn)行濾波后,最后輸出 +5V電壓。供系統(tǒng)板上的其它 模塊使用。 圖 3.12 5V 電源模塊電路圖±15V 電源采用 LM317與 LM337設(shè)計, 其典型電路如圖 3.13。 220V 的交流電壓經(jīng)變 壓器變?yōu)?#177;15V 交流電壓,再經(jīng)橋堆整流器變?yōu)榇笮∽兓?/p>

24、直流電壓。 C 1C 4為濾波電容, 濾除電壓中的高頻部分,使電壓趨于穩(wěn)定的直流電壓。其中 LM317和 LM337構(gòu)成±15V直流穩(wěn)壓電源的穩(wěn)壓部分, 確保在其輸出端的電壓穩(wěn)定在 1.25V 左右。 D 1 D4對 LM317和 LM337具有短路保護(hù)作用。通過對電位器 R 3 、 R4的調(diào)節(jié)來獲得所需的電壓,即±15V 穩(wěn)定的直流電壓。圖 3.13 ±15V 直流穩(wěn)壓電源 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1程序模塊設(shè)計軟件部分由數(shù)據(jù)處理程序、按鍵程序設(shè)計、中斷服務(wù)子程序、 LED 顯示程序等幾個部 分組成。數(shù)據(jù)處理完成對各種測量數(shù)據(jù)的處理,如各種數(shù)據(jù)的計算、數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換

25、等。 按鍵程序包括按鍵防抖動處理、判鍵及修改項目等。按鍵流程圖如圖 4.1所示。 定時器 1服務(wù)子程序設(shè)計, 流程圖如圖 4.2所示。 定時器 1完成定時功能, 定時 2Oms , 并每隔 20ms 進(jìn)行一次顯示,每隔 1秒讀一次計數(shù)結(jié)果。單片機對在 1秒內(nèi)計數(shù)的值進(jìn)行 處理,轉(zhuǎn)換成每分鐘的速度送顯存以便顯示。具體算法如下 :主程序在對定時器、計數(shù)器、堆棧等進(jìn)行初始化后即判斷標(biāo)志是否為 1,如果為 1,說明要求對數(shù)據(jù)進(jìn)行計算處理,首先將標(biāo)志清零,以保證下次能正常判斷, 然后進(jìn)入數(shù)據(jù)處理程序,由于這里的閘門時間為 1s,而顯示要求為轉(zhuǎn) /分,因此,要將測 到的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換的方法是將測得的數(shù)

26、據(jù)乘以 60,但由于轉(zhuǎn)軸上安裝有 11只孔,每 旋轉(zhuǎn)一周可以得到 11個脈沖,因此,要將測得的數(shù)據(jù)除以 11,所以綜合起來,將測得的數(shù) 據(jù)乘以 5.4545即可得到每分鐘的轉(zhuǎn)速。計算得到的結(jié)果是二進(jìn)制的整數(shù),要將數(shù)據(jù)送往顯 示緩沖區(qū)需要將該數(shù)轉(zhuǎn)化為 BCD 碼。運算得到的是壓縮 BCD 碼,需要將其轉(zhuǎn)換為非壓縮 BCD 碼,從標(biāo)號 CBCD 開始的一段程序即作了這樣的處理。需要說明的是,這里多位二進(jìn)制乘法 和多位二進(jìn)制到 BCD 碼的轉(zhuǎn)換都是用了現(xiàn)成的成熟子程序,因此,首先將二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為 壓結(jié)合實際 BCD 碼,然后再轉(zhuǎn)換成非壓縮 BCD 碼,看似多寫了些程序,實際上這對于保證程 序的質(zhì)量很

27、有好處。 定時器 T1用作定時發(fā)生器, 在定時中斷程序中進(jìn)行數(shù)碼管的動態(tài)掃描, 同時產(chǎn)生 1s 的閘門信號。 1s 閘門信號的產(chǎn)生是通過一個計數(shù)器 Count ,每次中斷時間為 20ms ,每計 50 次即為 1s ,到了 1s 后,即清除計數(shù)器 Count ,然后關(guān)閉作為計數(shù)器用的 T0, 讀出 TH0、 TL0中的數(shù)值, 分別送入 SpCount 和 SpCoun+1單元, 將 T0中的值清空, 置標(biāo)志為 1, 要求主程序進(jìn)行速度值的計算。 圖 4.2定時器 1服務(wù)子程序流程圖4.2 數(shù)據(jù)處理過程在系統(tǒng)開始工作,或者完成一次頻率測量,系統(tǒng)軟件都進(jìn)行測量初始化。測量初始化 模塊設(shè)置堆棧指針

28、(SP 、工作寄存器、中斷控制和定時 / 計數(shù)器的工作方式。定時 / 計 數(shù)器的工作首先被設(shè)置為計數(shù)器方式。在對定時 / 計數(shù)器的計數(shù)寄存器清 0 后,置運行控制位 TR 為 1 ,啟動對待測信號的 計數(shù)。計數(shù)閘門由軟件延時程序?qū)崿F(xiàn),從計數(shù)閘門的最小值開始,也就是從測量頻率的高 量程開始。計數(shù)閘門結(jié)束時 TR 清 0 ,停止計數(shù)。計數(shù)寄存器中的值通過 16進(jìn)制數(shù)到 10進(jìn) 制數(shù)轉(zhuǎn)換程序轉(zhuǎn)換為 10進(jìn)制數(shù)。對 10進(jìn)制數(shù)的最高位進(jìn)行判別,若該位不為 0 ,滿足測量 數(shù)據(jù)有效位數(shù)的要求,測量值和量程信息一起送到顯示模塊 ; 若該位為 0 ,將計數(shù)閘門的 寬度擴大 10倍,重新對待測信號的計數(shù),直到

29、滿足測量數(shù)據(jù)有效位數(shù)的要求。當(dāng)上述測量判斷過程直到計數(shù)閘門寬度達(dá)到 1s ,這時對應(yīng)的頻率測量范圍為 100Hz - 999Hz ,如果測量結(jié)果仍不具有 3 位有效數(shù)字,頻率計則使用定時方法測量待測信號的周 期。定時 /計數(shù)器的工作這時被設(shè)置為定時器方式,在對定時 / 計數(shù)器的計數(shù)寄存器清 0 后,判斷待測信號的上跳沿是否到來。待測信號的上跳沿到來后,置運行控制位 TR 為 1 , 以單片機工作周期為單位,啟動對待測信號的周期測量。然后判斷待測信號的下跳沿是否 到來,待測信號的下跳沿到來后,運行控制位 TR 清 0 ,停止計數(shù)。 16 位定時 / 計數(shù)器的 最高計數(shù)值為 65535 ,這樣在待

30、測信號的頻率較低時,定時 / 計數(shù)器將發(fā)生溢出。當(dāng)產(chǎn)生 定時 / 計數(shù)器將溢出, 程序進(jìn)入定時器中斷服務(wù)程序, 中斷服務(wù)程序?qū)σ绯龃螖?shù)進(jìn)行計數(shù)。 待測信號的周期由 3個字節(jié)組成 :定時 / 計數(shù)器溢出次數(shù)、定時 / 計數(shù)器的高 8 位和低 8 位。信號的頻率 f 與信號的周期 T 之間的關(guān)系為 :f = 1/ T完成信號的周期測量后, 需要做一次倒數(shù)運算才能獲得信號的頻率。 為提高運算精度, 這里采用浮點數(shù)算術(shù)運算。浮點數(shù)用 3個字節(jié)組成,第一字節(jié)最高位為數(shù)符,其余 7 位為 階碼 ; 第二字節(jié)為尾數(shù)的高字節(jié) ; 第三字節(jié)為尾數(shù)的低字節(jié)。待測信號周期的 3個字節(jié)定點 數(shù)首先通過截取高 16 位

31、、設(shè)置數(shù)符和計算階碼轉(zhuǎn)換為上述格式的浮點數(shù)。然后浮點數(shù)算 術(shù)運算對其進(jìn)行處理,獲得用浮點數(shù)格式表達(dá)的信號頻率值。浮點數(shù)到 BCD 碼轉(zhuǎn)換模塊把 用浮點數(shù)格式表達(dá)的信號頻率值變換成測轉(zhuǎn)速的顯示格式,送到顯示模塊顯示待測信號的 頻率值。4.3 浮點數(shù)學(xué)運算程序STC89C51 系列單片機屬于微控制器,由于其 CPU 字長和指令功能的限制,它適用于控 制領(lǐng)域,在信號處理方面不很擅長。在頻率計中需要完成周期到頻率的換算,為保證測量 結(jié)果的準(zhǔn)確,這里應(yīng)用了浮點數(shù)數(shù)學(xué)運算。從周期到頻率的換算過程包括 : 3字節(jié)定點數(shù) 到浮點數(shù)的轉(zhuǎn)換、浮點數(shù)數(shù)學(xué)運算和浮點數(shù)到十進(jìn)制碼的轉(zhuǎn)換。5 制作調(diào)試在硬件調(diào)試與制作方面

32、,可從下面系列著手考慮。信號盤可用一般鋼板制成,這個信號盤就是發(fā)動機實驗時所用的轉(zhuǎn)盤,盤上共有 11個 齒,每個大孔直徑為 6mm ,盤中心還有一個中心孔。中心孔主要用于在固定發(fā)動機上。將 信號盤與電機安裝在一起,使其隨電機轉(zhuǎn)動;傳感器固定在支架上,垂直于轉(zhuǎn)速盤,當(dāng)轉(zhuǎn) 速盤旋轉(zhuǎn)時,光電傳感器就輸出矩形脈沖信號,每 11個脈沖對應(yīng)發(fā)動機 1個工作循環(huán),其 中的 2個寬脈沖信號配合上止點信號可精確確定上止點的位置。此檢測裝置完全按照發(fā)動機上傳感器的實際安裝位置進(jìn)行安裝。 如圖 5.1, 將信號盤固 定在電動機轉(zhuǎn)軸上,光電轉(zhuǎn)速傳感器正對著信號盤。光電轉(zhuǎn)速傳感器接有 4根導(dǎo)線,其中 黑線、黃線為電源輸

33、入線,紅線為信號輸出線,白線為共地線。測量頭由光電轉(zhuǎn)速傳感器 組成,而且測量頭兩端的距離與信號盤的距離相等。測量用器件封裝后,固定裝在貼近信 號盤的位置,當(dāng)信號盤轉(zhuǎn)動時,光電元件即可輸出正負(fù)交替的周期性脈沖信號。信號盤旋 轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生的脈沖數(shù),等于其上的孔數(shù)。因此,脈沖信號的頻率大小就反映了信號盤轉(zhuǎn)速 的高低。此轉(zhuǎn)速測量裝置可以實現(xiàn)數(shù)字顯示,成為數(shù)字式轉(zhuǎn)速表。 圖 5.1 轉(zhuǎn)速測速示意圖LM324整形電路調(diào)試。在焊接硬件電路時需細(xì)心排除元器件和焊接等方面可能出現(xiàn) 的故障,元器件的安裝位置出錯或引腳差錯可能導(dǎo)致電路短路或?qū)崿F(xiàn)不了電路本身的功能,甚至燒壞元器件。單片機部分最容易出現(xiàn)的問題為元器件引腳的虛焊。被測物理量經(jīng)過傳感器變換后,往往成為電阻、電流、電壓、電感等某種電參數(shù)的變 化值。為了進(jìn)行信號的分析、處理、顯示和記錄,須對信號作放大、運算、分析等處理, 這就引入了中間變化電路。查閱有關(guān)資料結(jié)合選用的光電傳感器相關(guān)參數(shù),我們設(shè)計了如 圖 3.6所示的中間變換電路。當(dāng)調(diào)制盤上的圓形孔旋轉(zhuǎn)至與光電開關(guān)的透光位置重合時, 觸發(fā)器輸出高電平;當(dāng)通光孔被遮住時,觸發(fā)器輸出低電平。輸出的信號經(jīng) LM324電路整 形調(diào)試,可以將信號源完好的整形成矩形脈沖信號。在把矩形脈沖信號輸