基于光電傳感器的轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)說明

1、 PAGE21 / NUMPAGES22畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)學(xué)生Xxx學(xué) 號170302041院(系)電子與電氣工程專業(yè)Xxx題 目基于光電傳感器的轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師年月摘 要：轉(zhuǎn)速是發(fā)動(dòng)機(jī)重要的工作參數(shù)之一,也是其它參數(shù)計(jì)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(jī)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)的組成與工作原理，給出了系統(tǒng)中各硬件模塊設(shè)計(jì)方法與系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)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(yùn)行可靠，具有較大的推廣應(yīng)用價(jià)值。關(guān)鍵詞 ：單片機(jī)， H

2、YPERLINK :/03/keyword/keyworddetail.aspx?searchword=%e5%85%89%e7%94%b5%e8%bd%ac%e9%80%9f%e4%bc%a0%e6%84%9f%e5%99%a8 t _blank 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 parametersfor the engine, and it is also the important factor that calculatesother parameters. At present th

3、ere aremany methods for the tachometric survey measurement. Afteranalyze variousrotate speed measurement methods, the photoelectric sensor tachometric survey system is presented. The composition and the principle of the system are presented, and the design method of hardware and the software are als

4、o presented. The whole system has the bigger promotion application value.Keywords：single-chip computer，photoelectric sensor，rotate speed measurement，data processing目 錄 TOC o 1-4 h z u HYPERLINK l _Toc1696792111 引 言 PAGEREF _Toc169679211 h 4HYPERLINK l _Toc1696792122 系統(tǒng)組成與工作原理 PAGEREF _Toc169679212 h

5、 4HYPERLINK l _Toc1696792132.1轉(zhuǎn)速測量原理 PAGEREF _Toc169679213 h 4HYPERLINK l _Toc1696792142.2轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)組成框圖 PAGEREF _Toc169679214 h 4HYPERLINK l _Toc1696792153 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc169679215 h 5HYPERLINK l _Toc1696792163.1 脈沖產(chǎn)生電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc169679216 h 5HYPERLINK l _Toc1696792173.2 光電轉(zhuǎn)換與信號調(diào)理電路設(shè)計(jì) PAGERE

6、F _Toc169679217 h 6HYPERLINK l _Toc1696792183.2.1 光電傳感器簡介 PAGEREF _Toc169679218 h 6HYPERLINK l _Toc1696792193.2.2 光電轉(zhuǎn)換與信號調(diào)理電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc169679219 h 7HYPERLINK l _Toc1696792203.3 測量系統(tǒng)主機(jī)部分設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc169679220 h 8HYPERLINK l _Toc1696792213.3.1 單片機(jī) PAGEREF _Toc169679221 h 8HYPERLINK l _Toc169679

7、2223.3.2 鍵盤顯示模塊設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc169679222 h 10HYPERLINK l _Toc1696792233.3.3 串行通信模塊設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc169679223 h 12HYPERLINK l _Toc1696792243.3.4 電源模塊設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc169679224 h 13HYPERLINK l _Toc1696792254 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc169679225 h 14HYPERLINK l _Toc1696792264.1 主程序設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc169679226 h 14HYPER

8、LINK l _Toc1696792274.2 數(shù)據(jù)處理過程 PAGEREF _Toc169679227 h 16HYPERLINK l _Toc1696792284.3 浮點(diǎn)數(shù)學(xué)運(yùn)算程序 PAGEREF _Toc169679228 h 17HYPERLINK l _Toc1696792295 制作調(diào)試 PAGEREF _Toc169679229 h 17HYPERLINK l _Toc1696792306 結(jié)果分析 PAGEREF _Toc169679230 h 19HYPERLINK l _Toc169679231結(jié) 論 PAGEREF _Toc169679231 h 20HYPERLIN

9、K l _Toc169679232參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc169679232 h 21HYPERLINK l _Toc169679233致 PAGEREF _Toc169679233 h 221引 言轉(zhuǎn)速測量是社會(huì)生產(chǎn)和日常生活中重要的測量和控制對象。近年來，由于世界圍對轉(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，可以使用多種傳感器。由于技術(shù)，廠家不會(huì)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(jī)設(shè)計(jì)的一種轉(zhuǎn)速測量與控制系

10、統(tǒng)。STC 89C51單片機(jī)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)組成與工作原理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(shí)間，計(jì)取轉(zhuǎn)速傳感器產(chǎn)生的脈沖個(gè)數(shù)，從而算出實(shí)際轉(zhuǎn)速。設(shè)固定的測量時(shí)間為Tc（min），計(jì)數(shù)器計(jì)取的脈沖個(gè)數(shù)m，假定脈沖發(fā)生器每轉(zhuǎn)輸出p個(gè)脈沖，對應(yīng)被測轉(zhuǎn)速為N（r/min），則f=pN/60Hz；另在測量時(shí)間Tc，計(jì)取轉(zhuǎn)速傳感器輸出的脈沖個(gè)數(shù)m應(yīng)為m=Tcf ，所以，當(dāng)測得m值時(shí)，就可算出實(shí)際轉(zhuǎn)速值1：N=60m/pTc (r/min)（1）2.2 轉(zhuǎn)速測量

11、系統(tǒng)組成框圖系統(tǒng)由信號預(yù)處理電路、單片機(jī)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(jī)匹配的TTL信號；通過對單片機(jī)的編程設(shè)置可使部定時(shí)器T0對輸入脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，這樣就能精確地算出加到T0引腳的單位時(shí)間檢測到的脈沖數(shù)；設(shè)計(jì)中轉(zhuǎn)速顯示部分采用價(jià)格低廉且使用方便的LED模塊，通過相關(guān)計(jì)算方法計(jì)算得到的轉(zhuǎn)速通過I2C總線放到E2PROM存儲，既節(jié)省了所需單片機(jī)的口線和外圍器件，同時(shí)也簡化了顯示部分的軟件編程。系統(tǒng)的原理

12、框圖如圖2.1所示。波形整形波形變換信 號放大器鍵盤模塊單片機(jī)數(shù)字存儲電路RS232LED 顯 示圖2.1 系統(tǒng)的原理框圖3 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)3.1 脈沖產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)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(shí)，傳感器將會(huì)輸出一個(gè)低電平，而當(dāng)沒有物體擋在中間時(shí)則輸出為高電平，從而形成一個(gè)脈沖。系統(tǒng)在光電傳感器收發(fā)端間加入電動(dòng)機(jī)，并在電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸上安裝一轉(zhuǎn)盤。在這個(gè)轉(zhuǎn)盤的邊沿處挖出若干個(gè)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(shí)候，傳感器將向外輸出若干個(gè)脈沖。把這些脈沖通過一系列的波形整形成單片機(jī)可以識別的

13、TTL電平，即可算出輪子即時(shí)的轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)盤的圓孔的個(gè)數(shù)決定了測量的精度，個(gè)數(shù)越多，精度越高。這樣就可以在單位時(shí)間盡可能多地得到脈沖數(shù)，從而避免了因?yàn)閮蓚€(gè)過孔之間的距離過大，而正好在過孔之間或者是在下個(gè)過孔之前停止了，造成較大的誤差。設(shè)計(jì)中轉(zhuǎn)盤的圓孔的實(shí)際個(gè)數(shù)受到技術(shù)的限制。為了達(dá)到預(yù)定的效果設(shè)計(jì)在轉(zhuǎn)盤過孔的設(shè)計(jì)上采用11個(gè)過孔，從而留下了10個(gè)同等的間距。這樣在以后的軟件設(shè)計(jì)中能夠較為方便的計(jì)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)換與信號調(diào)理電路設(shè)計(jì)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(jì)相應(yīng)

14、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(jī)STC89C51進(jìn)行計(jì)數(shù)，同時(shí)得到計(jì)數(shù)的時(shí)間，由單片機(jī)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算以得到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。3.2.1 光電傳感器簡介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。光電檢測方法具有精度高、反應(yīng)快、非接觸等優(yōu)點(diǎn)，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

15、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

16、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(jī)械強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，并能和集成電路相匹配。因此，廣泛地用于計(jì)算機(jī)、儀器儀表和自動(dòng)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(shí)可加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(diǎn)，是很理想的光源。綜上所述，各種光源各具優(yōu)點(diǎn)，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。

17、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(shí)，還必須配備適當(dāng)?shù)男盘栒{(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(jī)定時(shí)計(jì)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一樣，為此設(shè)計(jì)時(shí)必須詳加考慮。3.2.2 光電轉(zhuǎn)換與信號調(diào)理電路設(shè)計(jì)傳感器將電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)變成了電脈沖信號，該信號經(jīng)過LM324集成運(yùn)放整形驅(qū)動(dòng)，送到單片機(jī)進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)，從而測出電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。光電轉(zhuǎn)換部分與單片機(jī)的連接框圖如圖3.2所示。LED數(shù)碼管數(shù)碼顯示譯碼器計(jì)數(shù)脈沖整形驅(qū)動(dòng)LM324傳感器STC 89C51圖3.2 光電轉(zhuǎn)換部分與單片機(jī)的連接框圖LM324是

18、四運(yùn)放集成電路，它采用14腳雙列直插塑料封裝，外形如圖所示。它的部包含四組形式完全一樣的運(yùn)算放大器，除電源共用外，四組運(yùn)放相互獨(dú)立。每一組運(yùn)算放大器可用圖3.3所示的符號來表示，它有5個(gè)引出腳，其中“+”、“-”為兩個(gè)信號輸入端，“V+”、“V-”為正、負(fù)電源端，“Vo”為輸出端。兩個(gè)信號輸入端中，Vi-（-）為反相輸入端，表示運(yùn)放輸出端Vo的信號與該輸入端的位相反;Vi+（+）為同相輸入端，表示運(yùn)放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位一樣。LM324的引腳排列見圖3.4 HYPERLINK :/ laogu /news/upload/2006320_211334.gif t _blank 圖3.

19、3放大器圖 圖3.4 引腳圖由于LM324四運(yùn)放電路具有電源電壓圍寬，靜態(tài)功耗小，可單電源使用，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用在各種電路中。本設(shè)計(jì)計(jì)劃采用高性能集成四運(yùn)放LM324來進(jìn)行光電信號調(diào)理電路設(shè)計(jì)。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(shí)驗(yàn)結(jié)果不產(chǎn)生影響。此外，還設(shè)計(jì)了有源帶通濾波器。為了達(dá)到預(yù)定效果，對系統(tǒng)運(yùn)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。如圖3.5所示是MULTISIM 進(jìn)行電路模擬仿真示意圖與其模擬仿真結(jié)果。圖3.5 電路模擬仿真示意圖與其模擬仿真結(jié)果3.3 測量系統(tǒng)主機(jī)部分設(shè)計(jì)3.3.1

20、 單片機(jī)單片機(jī)是單片微型計(jì)算機(jī)（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(jī)存儲器RAM、程序存儲器ROM或EPROM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷控制器以與串行和并行I/O接口等部件，構(gòu)成一個(gè)完整的微型計(jì)算機(jī)。目前，新型單片機(jī)還有A/D與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(jì)的，特別適用于工業(yè)控制與其數(shù)據(jù)處理場合，因此，確切的稱謂應(yīng)是微控制器（Microcontroller）. 系統(tǒng)使用的單片機(jī)是STC 89C51型單片機(jī)。STC 89C51單片機(jī)是基于MCS-51單片機(jī)為核的，其輸入/輸出管腳以與

21、指令系統(tǒng)和MCS-51單片機(jī)是完全兼容的。其優(yōu)越的性價(jià)比使其成為頗受歡迎的8位單片機(jī)。如圖3.6是STC 89C51結(jié)構(gòu)框圖。STC 89C51單片機(jī)的特點(diǎn)： 它部有一個(gè)8位的CPU，具有4KB的EEPROM。 128字節(jié)的RAM數(shù)據(jù)存儲器，21個(gè)特殊功能寄存器SFR。 4個(gè)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64KB RAM. 一個(gè)可編程全雙工串行口,具有5個(gè)中斷源。 兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。 計(jì)數(shù)脈沖輸入 T0 T1定時(shí)/計(jì)數(shù)器 T0、T1特殊功能寄存器SFR128字節(jié)RAM4K ROM（EPROM）（8031無）時(shí)鐘源串行接口并行I/O接口中斷系統(tǒng)C

22、PUP0 P1 P2 P3TXD RXDINT0 INT1中斷輸入圖3.6 STC 89C51結(jié)構(gòu)框圖圖3.7是STC 89C51單片機(jī)引腳分布圖。由圖我們可以看到，單片機(jī)的引腳除了電源、復(fù)位、時(shí)鐘接入、用戶I/O口外，其余管腳是為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)擴(kuò)展而設(shè)置的。這些引腳構(gòu)成MCS-51單片機(jī)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?？刂瓶偩€（CB）：由P3口的第二功能狀態(tài)和4根獨(dú)立控制線RESET、EA、ALE、

23、PSEN組成。圖3.7 STC89C51管腳圖3.3.2 鍵盤顯示模塊設(shè)計(jì)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(jì)時(shí)時(shí)間；按K2顯示計(jì)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(shí)，單片機(jī)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(shí)，其對應(yīng)的P1端口變?yōu)榈碗娖?，在軟件中利用這個(gè)低電平設(shè)計(jì)其功能。軟件中還設(shè)置了按鍵防抖動(dòng)誤觸發(fā)功能，軟件中設(shè)置定時(shí)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

24、按鍵。 圖3.8 按鍵電路圖顯示部分采用價(jià)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(dòng)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(dòng)LED數(shù)碼管的段代碼表數(shù)字dpecgbfa十六進(jìn)制P0.7P0.6P0.5P0.4P0.3P0.2 P0.1P0.0共陰共陽010110111B74810001010014EB210101101AD523100111019D6

25、24000111101E64610111011BB4470001010115EA810111111BF409100111119F60顯示電路如圖3.10，其電路采用動(dòng)態(tài)顯示方式。電機(jī)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(shí)由P2口輸出位掃描信號以實(shí)現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)顯示。P0口 和 P2口都是準(zhǔn)雙向口，輸出時(shí)需要接上拉電阻。P0部沒有上拉電阻，P2口部有弱上拉。所以P0口外圍電路設(shè)計(jì)為低電平有效，高電平無效。要使數(shù)碼管S0-S7的其中一個(gè)亮，其對應(yīng)的P2端口要置高，P2的其余端口置低。如：S0亮：P

26、2.0置高，P2.1-P2.7置低。系統(tǒng)將定時(shí)把緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)送出，在數(shù)碼管上顯示。圖3.10 顯示電路圖3.3.3 串行通信模塊設(shè)計(jì)STC89 C51單片機(jī)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(shí)，就會(huì)因?yàn)門TL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(qiáng)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(qiáng)了數(shù)據(jù)傳送時(shí)的可靠性。232電平轉(zhuǎn)換采用MAX232芯片把TTL電平轉(zhuǎn)換成RS232電平格式，可以用于單

27、片機(jī)與微機(jī)通信，以與單片機(jī)與單片機(jī)之間的通信，測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)了兩個(gè)DB9的接口，其中一個(gè)用于ISP下載器模塊的程序下載接口，稱為“ISPInterface”，另一個(gè)接口為單片機(jī)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3.3.4 電源模塊設(shè)計(jì)電源模塊為系統(tǒng)板上其它模塊提供5V電源以與15V電源。電源的設(shè)計(jì)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(jì)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1.25V37伏可調(diào)，負(fù)端則為LM

28、337等。最簡的電路外接元件只需一個(gè)固定電阻和一只電位器。其芯片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(jì)兩個(gè)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(jì)，其典型電路如圖3.13。220V的交流電壓經(jīng)變壓器變?yōu)?5V交流電壓，再經(jīng)橋堆整流器變?yōu)榇笮∽兓闹绷麟妷?。C1C4為濾波電容，濾除電壓中的高頻部分，使電壓

29、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。D1D4對LM317和LM337具有短路保護(hù)作用。通過對電位器R3、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(jì)4.1程序模塊設(shè)計(jì)軟件部分由數(shù)據(jù)處理程序、按鍵程序設(shè)計(jì)、中斷服務(wù)子程序、LED顯示程序等幾個(gè)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(jì)算、數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換等。按鍵程序包括按鍵防抖動(dòng)處理、判鍵與修改項(xiàng)目等。按鍵流程圖如圖4.1所示。定時(shí)器1服務(wù)子程序設(shè)計(jì)，流程圖如圖4.2所示。定時(shí)器1完成定時(shí)功能，

30、定時(shí)2Oms，并每隔20ms進(jìn)行一次顯示，每隔1秒讀一次計(jì)數(shù)結(jié)果。單片機(jī)對在1秒計(jì)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(shí)器、計(jì)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(jì)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(shí)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)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(gè)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(jì)算得到的結(jié)果是二進(jìn)制的

31、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(yùn)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(shí)際BCD碼，然后再轉(zhuǎn)換成非壓縮BCD碼，看似多寫了些程序，實(shí)際上這對于保證程序的質(zhì)量很有好處。定時(shí)器T1用作定時(shí)發(fā)生器，在定時(shí)中斷程序中進(jìn)行數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)掃描，同時(shí)產(chǎn)生1s的閘門信號。1s閘門信號的產(chǎn)生是通過一個(gè)計(jì)數(shù)器Count，每次中斷時(shí)間為20ms，每計(jì)50 次即為1s，到了1s后，即清除計(jì)數(shù)器Count，然后關(guān)閉作為計(jì)

32、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(jì)算。圖4.1 按鍵流程圖圖4.2定時(shí)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(SP) 、工作寄存器、中斷控制和定時(shí)/ 計(jì)數(shù)器的工作方式。定時(shí)/ 計(jì)數(shù)器的工作首先被設(shè)置為計(jì)數(shù)器方式。在對定時(shí)/ 計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)寄存器清0 后，置運(yùn)行控制位TR 為1 ，啟動(dòng)對待測信號的計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)閘門由軟件延時(shí)程序?qū)崿F(xiàn)，從計(jì)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(jì)數(shù)閘門結(jié)束時(shí)TR

33、 清0 ，停止計(jì)數(shù)。計(jì)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(jì)數(shù)閘門的寬度擴(kuò)大10倍，重新對待測信號的計(jì)數(shù)，直到滿足測量數(shù)據(jù)有效位數(shù)的要求。當(dāng)上述測量判斷過程直到計(jì)數(shù)閘門寬度達(dá)到1s ，這時(shí)對應(yīng)的頻率測量圍為100Hz - 999Hz ，如果測量結(jié)果仍不具有3 位有效數(shù)字，頻率計(jì)則使用定時(shí)方法測量待測信號的周期。定時(shí)/計(jì)數(shù)器的工作這時(shí)被設(shè)置為定時(shí)器方式，在對定時(shí)/ 計(jì)數(shù)器的計(jì)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

34、，置運(yùn)行控制位TR 為1 ，以單片機(jī)工作周期為單位，啟動(dòng)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(yùn)行控制位TR 清0 ，停止計(jì)數(shù)。16 位定時(shí)/ 計(jì)數(shù)器的最高計(jì)數(shù)值為65535 ，這樣在待測信號的頻率較低時(shí)，定時(shí)/ 計(jì)數(shù)器將發(fā)生溢出。當(dāng)產(chǎn)生定時(shí)/ 計(jì)數(shù)器將溢出，程序進(jìn)入定時(shí)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(jì)數(shù)。待測信號的周期由3個(gè)字節(jié)組成:定時(shí)/ 計(jì)數(shù)器溢出次數(shù)、定時(shí)/ 計(jì)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(yùn)算才能獲得信號的頻率。為提高運(yùn)算精度，這里采用浮點(diǎn)

35、數(shù)算術(shù)運(yùn)算。浮點(diǎn)數(shù)用3個(gè)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(gè)字節(jié)定點(diǎn)數(shù)首先通過截取高16 位、設(shè)置數(shù)符和計(jì)算階碼轉(zhuǎn)換為上述格式的浮點(diǎn)數(shù)。然后浮點(diǎn)數(shù)算術(shù)運(yùn)算對其進(jìn)行處理，獲得用浮點(diǎn)數(shù)格式表達(dá)的信號頻率值。浮點(diǎn)數(shù)到BCD 碼轉(zhuǎn)換模塊把用浮點(diǎn)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(diǎn)數(shù)學(xué)運(yùn)算程序STC89C51系列單片機(jī)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(jì)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

36、了浮點(diǎn)數(shù)數(shù)學(xué)運(yùn)算。從周期到頻率的換算過程包括: 3字節(jié)定點(diǎn)數(shù)到浮點(diǎn)數(shù)的轉(zhuǎn)換、浮點(diǎn)數(shù)數(shù)學(xué)運(yùn)算和浮點(diǎn)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，可從下面系列著手考慮。信號盤可用一般鋼板制成，這個(gè)信號盤就是發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)時(shí)所用的轉(zhuǎn)盤，盤上共有11個(gè)齒，每個(gè)大孔直徑為6mm，盤中心還有一個(gè)中心孔。中心孔主要用于在固定發(fā)動(dòng)機(jī)上。將信號盤與電機(jī)安裝在一起，使其隨電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；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(shí)，光電傳感器就輸出矩形脈沖信號，每11個(gè)脈沖對應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)1個(gè)工作循環(huán)，其中的2個(gè)寬脈沖信號配合上止點(diǎn)信號可精確確定上止點(diǎn)的位置。此檢測裝置完全按照發(fā)動(dòng)機(jī)上傳感器的實(shí)際安裝位置進(jìn)行安裝。如

37、圖5.1，將信號盤固定在電動(dòng)機(jī)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(dòng)時(shí)，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(shí)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(shí)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(cuò)或引

38、腳差錯(cuò)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(jī)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(yùn)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(jì)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(shí)，觸發(fā)器輸出高電平；當(dāng)通光孔被遮住時(shí)，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入單片機(jī)之前，先把矩形脈沖信號接入示波器進(jìn)行調(diào)試。除了要考慮到硬件方面，對軟件調(diào)試也不能忽視。程序應(yīng)該模塊化，便于修改。使用RAM或IO，必須先定義再使用，避免直接引用。將來需要調(diào)整時(shí)，只要修改定義部分就好了。寫程序要