基于單片機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)

基于單片機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)PAGEPAGE1摘要本文討論了以STC89C51單片機(jī)為核心的電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，硬件主要由光電傳感器、信號(hào)整形、LED數(shù)碼管顯示幾部分組成。詳細(xì)介紹了利用光電傳感器技術(shù)在電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量中的實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用，以及對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量，并由數(shù)碼管顯示轉(zhuǎn)速。隨著汽車及電子技術(shù)的發(fā)展，轉(zhuǎn)速測(cè)量技術(shù)也在不斷創(chuàng)新，各種轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x在工業(yè)得到廣泛應(yīng)用，對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量極大的提高了自動(dòng)化程度。關(guān)鍵字：?jiǎn)纹瑱C(jī)，光電傳感器，信號(hào)整形，LED顯示DesignofMotorSpeedMeasurementInstrumentBasedonMCUAbstractThisarticlediscussedtakeSTC89C51monolithicintegratedcircuitasthecoreelectricalmachinerytachometricsurveyhardwaredesignandthesoftwaredesign,thehardwaremainlybythephotoelectricsensor,thesignalshaping,theLEDnixietubedemonstratedthatseveralpartscompose.Introducedindetailtheusephotoelectricsensortechnologyandappliesinelectricalmachinerytachometricsurvey'srealization,aswellascarriesonthesurveytotheelectricalmachineryrotationalspeed,anddemonstratestherotationalspeedbythenixietube.Alongwiththeautomobileandelectronictechnology'sdevelopment,thetachometricsurveytechnologyunceasinglyisalsoinnovating,eachkindofrotationalspeedmeasuringinstrumentobtainsthewidespreadapplicationintheindustry,carriedonthesurveyenormousenhancementautomaticitytoelectricalmachinery'srotationalspeed.Keywords:Monolithicintegratedcircuit,Photoelectricsensor,Signalshaping,LEDdemonstrated2轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)2.1轉(zhuǎn)速測(cè)量方法及比較采用CMOS數(shù)字集成電路的轉(zhuǎn)速數(shù)字顯示儀，其原理可用如下三個(gè)框圖表示：2.1.1測(cè)頻原理圖2-1測(cè)頻原理框圖圖2-1告訴我們，被測(cè)信號(hào)通過(guò)放大整形進(jìn)入加法計(jì)數(shù)器；晶體振蕩器的頻率信號(hào)通過(guò)分頻產(chǎn)生秒（或分鐘）信號(hào)，在計(jì)數(shù)顯示控制器中生成寄存脈沖和清零脈沖。寄存脈沖將加法計(jì)數(shù)器的BCD碼送入寄存器，通過(guò)譯碼驅(qū)動(dòng)，LED數(shù)碼管顯示一秒（或分鐘）內(nèi)的計(jì)數(shù)值，直到下一次寄存脈沖的到來(lái)；緊接著清零，進(jìn)行下一輪計(jì)數(shù)、寄存（譯碼顯示）；如此，不間斷測(cè)頻。如果我們考察一下這些信號(hào)的時(shí)序，不難發(fā)覺(jué)這種定時(shí)計(jì)數(shù)測(cè)量方法的缺陷是：被計(jì)數(shù)脈沖有多一或少一的誤差。如果被測(cè)頻率為10000Hz,多一或少一的誤差，相對(duì)來(lái)講只不過(guò)萬(wàn)分之一；如果被測(cè)頻率為2Hz,多一或少一的誤差，相對(duì)來(lái)講就達(dá)到了百分之五十，不難看出頻率越低，誤差越大，而且還有一點(diǎn)，把一秒變成一分鐘，誤差就變小了。2.1.2．測(cè)周原理低頻時(shí)，需延長(zhǎng)采樣時(shí)間，要提高精度就要采用測(cè)周的方法，圖2-2正是說(shuō)明這種方法。圖2-2

測(cè)周原理框圖將圖2-2與圖2-1進(jìn)行比較，我們不難發(fā)覺(jué)：上述二者的差別在于晶體振蕩器與被測(cè)信號(hào)的位置作了互換，象是代數(shù)上的分子分母的顛倒，也正是物理上的頻率和周期互為倒數(shù)。測(cè)周的誤差：與測(cè)頻相似，是多一個(gè)或少一個(gè)晶體振蕩器脈沖，也就是多一個(gè)或少一個(gè)時(shí)基脈沖，晶體振蕩器脈沖頻率準(zhǔn)確度越高誤差越小，晶體振蕩器脈沖頻率越高誤差也越小，被測(cè)頻率越高誤差越大；因此測(cè)量高頻時(shí)，對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行分頻，確實(shí)是提高測(cè)周精度的好方法。2.1.3．計(jì)數(shù)器原理在周期過(guò)長(zhǎng)時(shí)，還可通過(guò)計(jì)數(shù)器，借助計(jì)時(shí)器來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)速。下面的框圖表示了計(jì)數(shù)器的工作原理。

圖2-3計(jì)數(shù)器原理框圖現(xiàn)在我們可以看出，XJP-10B轉(zhuǎn)速數(shù)字顯示儀，在CMOS數(shù)字集成電路的條件下，已是一款十分完備的轉(zhuǎn)速測(cè)量工具，與之同期的類似產(chǎn)品還有XJP-02A轉(zhuǎn)速數(shù)字顯示儀。早期的轉(zhuǎn)速數(shù)字顯示儀，在今天看來(lái)有哪些不足呢？周期和頻率都不能等同轉(zhuǎn)速，頻率與轉(zhuǎn)速存在倍數(shù)關(guān)系，通過(guò)時(shí)基頻率的分頻（采樣時(shí)間的倍乘），基本滿足了大都數(shù)用戶的需要，測(cè)周則需要用戶自己換算成轉(zhuǎn)速。在今天的電子技術(shù)條件下，解決這些問(wèn)題用單片機(jī)或FPGA都比較方便。新的轉(zhuǎn)速數(shù)字顯示儀，采用了單片機(jī)技術(shù)，和同步計(jì)數(shù)計(jì)時(shí)法，使得測(cè)頻、測(cè)速、測(cè)周、計(jì)數(shù)變得精確，而且非常簡(jiǎn)單；只要輕觸儀表面板控制鍵，就能在4種功能間切換。由于系數(shù)可任意設(shè)置，使得儀表與傳感器配套，不受輸出脈沖數(shù)的限制。能動(dòng)態(tài)顯示頻率、轉(zhuǎn)速（速度）、和計(jì)數(shù)值[2]。2.2測(cè)量方案設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)技術(shù)，能動(dòng)態(tài)顯示轉(zhuǎn)速。2.2.1轉(zhuǎn)速測(cè)量原理整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)轉(zhuǎn)子由一直流調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)速范圍的無(wú)級(jí)調(diào)速。轉(zhuǎn)速信號(hào)由光電傳感器拾取，使用時(shí)應(yīng)在轉(zhuǎn)子上做好光電標(biāo)記，具體辦法可以是：將轉(zhuǎn)子表面擦干凈后用黑漆（或者黑色膠布）全部涂黑，再將一塊反光材料貼在其上作為光電標(biāo)記，然后將光電傳感器（光電頭）固定在正對(duì)光電標(biāo)記的某一適當(dāng)距離處。光電投采用低功耗亮度LED，光源為高可靠性可見(jiàn)光，無(wú)論黑夜還是白天，或者是背景光強(qiáng)、有大范圍改變都不影響接收效果。光電頭包含有前置電路，輸出0-5V的脈沖信號(hào)。接到單片機(jī)89C51的相應(yīng)管腳上，通過(guò)89C51內(nèi)部定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0、T1及相應(yīng)的程序設(shè)計(jì)，組成一個(gè)數(shù)字式轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)。優(yōu)點(diǎn)這種方案使用光電傳感器具有采用精確，采樣速度快、范圍廣的特點(diǎn)。所以，使用光電傳感器來(lái)作為本設(shè)計(jì)的最佳方案[3]。2.2.2系統(tǒng)原理為了得到精準(zhǔn)的速度，根據(jù)測(cè)量原理，得到以下原理框圖。圖中紅外傳感器直接將信號(hào)輸入到單片機(jī)STC89C51的計(jì)數(shù)引腳。由復(fù)位電路、晶振電路、STC89C51組成的單片機(jī)最小系統(tǒng)，是系統(tǒng)的控制核心，單片機(jī)利用內(nèi)部定時(shí)計(jì)數(shù)器、中斷等資源實(shí)現(xiàn)信號(hào)頻率測(cè)量，并將最終結(jié)果用4段8位LED數(shù)碼管來(lái)顯示出來(lái)。電源是系統(tǒng)工作的必須條件，本設(shè)計(jì)通過(guò)開(kāi)關(guān)電路將電壓轉(zhuǎn)換，主要給單片機(jī)、數(shù)碼管、電機(jī)供電。開(kāi)關(guān)電路供電開(kāi)關(guān)電路供電驅(qū)動(dòng)電機(jī)紅外傳感器圖2-4轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x原理框圖三極管放大信號(hào)電路STC89C51組成的單片機(jī)最小系統(tǒng)LED數(shù)碼管顯示3硬件電路設(shè)計(jì)硬件部分主要由電源模塊、單片機(jī)模塊、顯示模塊、紅外模塊幾部分組成。3.1電源模塊這個(gè)設(shè)計(jì)采用的是12V的獨(dú)立電源。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，單片機(jī)模塊與顯示模塊需要的是5V電源供電，而電機(jī)需要其能提供不同的轉(zhuǎn)速，所以需要調(diào)節(jié)電機(jī)的電壓來(lái)達(dá)到改變轉(zhuǎn)速的功能。所以在電源模塊采用了LM2596開(kāi)關(guān)電壓調(diào)節(jié)器組成的調(diào)壓電路為整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)供電。3.1.1LM2596開(kāi)關(guān)電壓調(diào)節(jié)器LM2596開(kāi)關(guān)電壓調(diào)節(jié)器是降壓型電源管理單片集成電路，能夠輸出3A的驅(qū)動(dòng)電流，同時(shí)具有很好的線性和負(fù)載調(diào)節(jié)特性。固定輸出版本有3.3V、5V、12V，可調(diào)版本可以輸出小于37V的各種電壓。該器件內(nèi)部集成頻率補(bǔ)償和固定頻率發(fā)生器，開(kāi)關(guān)頻率為150KHz，與低頻開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器相比較，可以使用更小規(guī)格的濾波元件。由于該器件只需4個(gè)外接元件，可以使用通用的標(biāo)準(zhǔn)電感，這更優(yōu)化了LM2596的使用，極大地簡(jiǎn)化了開(kāi)關(guān)電源電路的設(shè)計(jì)[4]。特點(diǎn)3.3V、5V、12V的固定電壓輸出和可調(diào)電壓輸出可調(diào)輸出電壓范圍1.2V～37V±4%輸出線性好且負(fù)載可調(diào)節(jié)輸出電流可高達(dá)3A輸入電壓可高達(dá)40V采用150KHz的內(nèi)部振蕩頻率，屬于第二代開(kāi)關(guān)電壓調(diào)節(jié)器，功耗小、效率高低功耗待機(jī)模式，IQ的典型值為80μATTL斷電能力具有過(guò)熱保護(hù)和限流保護(hù)功能封裝形式：TO-220（T）和TO-263（S）外圍電路簡(jiǎn)單，僅需4個(gè)外接元件，且使用容易購(gòu)買的標(biāo)準(zhǔn)電感應(yīng)用領(lǐng)域高效率降壓調(diào)節(jié)器單片開(kāi)關(guān)電壓調(diào)節(jié)器正、負(fù)電壓轉(zhuǎn)換器3.1.2單片機(jī)和顯示供電電路通過(guò)此電路，可以將12V的輸入電壓轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的5V電壓輸出，供給單片機(jī)和顯示數(shù)碼管工作。圖3-1單片機(jī)和顯示供電電路3.1.3電機(jī)電源供電電路此電路是給電機(jī)供電的，考慮到電機(jī)需要不同的轉(zhuǎn)速，所以采用輸出可調(diào)的穩(wěn)壓電路。圖3-2電機(jī)電源供電電路3.2單片機(jī)模塊根據(jù)系統(tǒng)功能要求，對(duì)單片機(jī)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，要使單片機(jī)準(zhǔn)確的測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速，并且使測(cè)出的數(shù)據(jù)能顯示出來(lái)，所以整個(gè)單片機(jī)部分分為復(fù)位電路、晶振電路、單片機(jī)三個(gè)部分。3.2.1復(fù)位電路單片機(jī)在啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)都需要復(fù)位，使中央處理器CPU和系統(tǒng)中的其它部件都處于一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開(kāi)始工作。MCS-51單片機(jī)有一個(gè)復(fù)位引腳RST，當(dāng)振蕩器起振后該引腳上出現(xiàn)2個(gè)機(jī)器周期(即24個(gè)時(shí)鐘周期)以上的高電平，使器件復(fù)位，只要RST保持高電平，MCS-51保持復(fù)位狀態(tài)。此時(shí)ALE、PSEN、P0、P1、P2、P3口都輸出高電平。RST變?yōu)榈碗娖胶?，退出?fù)位，CPU從初始狀態(tài)開(kāi)始工作。單片機(jī)采用的復(fù)位方式是自動(dòng)復(fù)位方式。對(duì)于STC89C51單片機(jī)只要接一個(gè)電容至VCC即可(見(jiàn)圖3-3)。在加電瞬間，電容通過(guò)電阻充電，就在RST端出現(xiàn)一定時(shí)間的高電平，只要高電平時(shí)間足夠長(zhǎng)，就可以使MCS-51有效的復(fù)位。RST端在加電時(shí)應(yīng)保持的高電平時(shí)間包括VCC的上升時(shí)間和振蕩器起振的時(shí)間，Vss上升時(shí)間若為10ms，振蕩器起振的時(shí)間和頻率有關(guān)。10MHZ時(shí)約為1ms，1MHZ時(shí)約為10ms，所以一般為了可靠的復(fù)位，RST在上電應(yīng)保持20ms以上的高電平。RC時(shí)間常數(shù)越大，上電RST端保持高電平的時(shí)間越長(zhǎng)。若復(fù)位電路失效，加電后CPU從一個(gè)隨機(jī)的狀態(tài)開(kāi)始工作，系統(tǒng)就不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。圖3-3復(fù)位電路3.2.2晶振電路晶振電路是單片機(jī)的心臟，它控制著單片機(jī)的工作節(jié)奏。MCS-51單片機(jī)允許的時(shí)鐘頻率是因型號(hào)而異的典型值為12MHZMCS-51內(nèi)部都有一個(gè)反相放大器，XTAL1、XTAL2分別為反相放大器輸入和輸出端，外接定時(shí)反饋元件以后就組成振蕩器，產(chǎn)生時(shí)鐘送至單片機(jī)內(nèi)部的各個(gè)部件。STC89C51有一個(gè)可控的負(fù)反饋反相放大器，外接晶振和電容組成振蕩器，圖3-4為單片機(jī)晶振電路框圖。振蕩器工作受/PD端控制，由軟件置“1”PD（即特殊功能寄存器PCON.1）使/PD＝0，振蕩器停止工作，整個(gè)單片機(jī)也就停止工作，以達(dá)到節(jié)電目的。清“0”PD，使振蕩器工作產(chǎn)生時(shí)鐘，單片機(jī)便正常運(yùn)行。圖中Y1為晶振或陶瓷諧振器，振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘頻率主要由晶振上標(biāo)明的頻率確定。電容C1和C2的作用有兩個(gè)：其一是使振蕩器起振，其二是對(duì)振蕩器的頻率f起微調(diào)作用（C1、C2大，f變小），其典型值為30pF[5]。圖3-4晶振電路3.2.3單片機(jī)系統(tǒng)單片機(jī)我們采用STC89C51(其引腳圖如圖4.1)，相較于INTEL公司的8051它本身帶有一定的優(yōu)點(diǎn)。STC89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存貯器的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的STC89C51是一種高效微控制器，AT89C單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。主要特性：·與MCS-51兼容·4K字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器壽命：1000寫/擦循環(huán)·數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10年·全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz·三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定·128*8位內(nèi)部RAM·32可編程I/O線·兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器·5個(gè)中斷源·可編程串行通道·低功耗的閑置和掉電模式·片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路圖3-5STC89C51引腳圖管腳說(shuō)明：(1)VCC：供電電壓；(2)GND：接地；(3)P0口：P0口為一個(gè)8位漏極開(kāi)路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時(shí)，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時(shí)，P0口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí)P0外部必須被拉高。(4)P1口：P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口作為第八位地址接收。（5）P2口：P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個(gè)TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。（6）P3口：P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3口也可作為STC89C51的一些特殊功能口，如下表3.1所示：（7）RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。（8）ALE/PROG：當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過(guò)一個(gè)ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。表3-1P3口的第二功能引腳第二功能信號(hào)名稱P3.0P3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7RXDTXDINT0INT1T0T1WRRD串行數(shù)據(jù)接收串行數(shù)據(jù)發(fā)送外部中斷0請(qǐng)求外部中斷1請(qǐng)求定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0計(jì)數(shù)輸入定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1計(jì)數(shù)輸入外部RAM寫選通外部RAM讀選通P3口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。此時(shí)，ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無(wú)效。

（9）/PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次/PSEN有效。但在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的/PSEN信號(hào)將不出現(xiàn)。

（10）/EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式1時(shí)，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。(11）XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。

(12)XTAL2：來(lái)自反向振蕩器的輸出。振蕩器特性：XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石英振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件，XTAL2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)要通過(guò)一個(gè)二分頻觸發(fā)器，因此對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的脈寬無(wú)任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。芯片擦除：整個(gè)PEROM陣列和三個(gè)鎖定位的電擦除可通過(guò)正確的控制信號(hào)組合，并保持ALE管腳處于低電平10ms來(lái)完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲(chǔ)字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。此外，STC89C51設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，CPU停止工作。但RAM，定時(shí)器，計(jì)數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存RAM的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個(gè)硬件復(fù)位為止[7]。3.3顯示模塊如圖3-6所示，由于單片機(jī)輸出的電壓信號(hào)過(guò)低，不足以支持?jǐn)?shù)碼管顯示器工作，所以在每段數(shù)碼管與單片機(jī)之間各加了一個(gè)三極管放大電路，放大電壓信號(hào)，使數(shù)碼管正常工作。圖3-6三極管放大電路和顯示電路3.4紅外模塊紅外線光電傳感器原理光電傳感器是通過(guò)把光強(qiáng)度的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)控制的。光電傳感器在一般情況下，有三部分構(gòu)成，它們分為：發(fā)送器、接收器和檢測(cè)電路。發(fā)送器對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射光束，發(fā)射的光束一般來(lái)源于半導(dǎo)體光源，發(fā)光二極管(LED)、激光二極管及紅外發(fā)射二極管。光束不間斷地發(fā)射，或者改變脈沖寬度。接收器有光電二極管、光電三極管、光電池組成。在接收器的前面，裝有光學(xué)元件如透鏡和光圈等。在其后面是檢測(cè)電路，它能濾出有效信號(hào)和應(yīng)用該信號(hào)。此外，光電開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)元件中還有發(fā)射板和光導(dǎo)纖維。三角反射板是結(jié)構(gòu)牢固的發(fā)射裝置。它由很小的三角錐體反射材料組成，能夠使光束準(zhǔn)確地從反射板中返回，具有實(shí)用意義。它可以在與光軸0到25的范圍改變發(fā)射角，使光束幾乎是從一根發(fā)射線，經(jīng)過(guò)反射后，還是從這根反射線返回。分類和工作方式⑴槽型光電傳感器把一個(gè)光發(fā)射器和一個(gè)接收器面對(duì)面地裝在一個(gè)槽的兩側(cè)的是槽形光電。發(fā)光器能發(fā)出紅外光或可見(jiàn)光，在無(wú)阻情況下光接收器能收到光。但當(dāng)被檢測(cè)物體從槽中通過(guò)時(shí)，光被遮擋，光電開(kāi)關(guān)便動(dòng)作。輸出一個(gè)開(kāi)關(guān)控制信號(hào)，切斷或接通負(fù)載電流，從而完成一次控制動(dòng)作。槽形開(kāi)關(guān)的檢測(cè)距離因?yàn)槭苷w結(jié)構(gòu)的限制一般只有幾厘米。⑵對(duì)射型光電傳感器若把發(fā)光器和收光器分離開(kāi)，就可使檢測(cè)距離加大。由一個(gè)發(fā)光器和一個(gè)收光器組成的光電開(kāi)關(guān)就稱為對(duì)射分離式光電開(kāi)關(guān)，簡(jiǎn)稱對(duì)射式光電開(kāi)關(guān)。它的檢測(cè)距離可達(dá)幾米乃至幾十米。使用時(shí)把發(fā)光器和收光器分別裝在檢測(cè)物通過(guò)路徑的兩側(cè)，檢測(cè)物通過(guò)時(shí)阻擋光路，收光器就動(dòng)作輸出一個(gè)開(kāi)關(guān)控制信號(hào)。⑶反光板型光電開(kāi)關(guān)把發(fā)光器和收光器裝入同一個(gè)裝置內(nèi)，在它的前方裝一塊反光板，利用反射原理完成光電控制作用的稱為反光板反射式(或反射鏡反射式)光電開(kāi)關(guān)。正常情況下，發(fā)光器發(fā)出的光被反光板反射回來(lái)被收光器收到；一旦光路被檢測(cè)物擋住，收光器收不到光時(shí)，光電開(kāi)關(guān)就動(dòng)作，輸出一個(gè)開(kāi)關(guān)控制信號(hào)。⑷擴(kuò)散反射型光電開(kāi)關(guān)它的檢測(cè)頭里也裝有一個(gè)發(fā)光器和一個(gè)收光器，但前方?jīng)]有反光板。正常情況下發(fā)光器發(fā)出的光收光器是找不到的。當(dāng)檢測(cè)物通過(guò)時(shí)擋住了光，并把光部分反射回來(lái)，收光器就收到光信號(hào)，輸出一個(gè)開(kāi)關(guān)信號(hào)。本設(shè)計(jì)選用的就是第三種紅外傳感器。如圖3-7所示，紅外傳感器直接與單片機(jī)相連，電容與傳感器并聯(lián)以減少干擾信號(hào)對(duì)電路造成的干擾。如圖3-8所示，接通電源后，信號(hào)燈亮[8]。圖3-7紅外電路圖3-8信號(hào)燈電路4軟件設(shè)計(jì)4.1軟件設(shè)計(jì)概述軟件設(shè)計(jì)是轉(zhuǎn)速測(cè)量的核心，經(jīng)過(guò)放大、整形后的方波送入單片機(jī)，利用單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)/計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)頻率的測(cè)量，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，即用來(lái)測(cè)量信號(hào)頻率。4.2軟件設(shè)計(jì)方案首先定時(shí)／計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)寄存器清0，運(yùn)行控制位TR置1，啟動(dòng)對(duì)待測(cè)信號(hào)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（即測(cè)量頻率的高量程）開(kāi)始測(cè)量，計(jì)數(shù)閘門結(jié)束時(shí)TR清0，停止計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)寄存器中的數(shù)值經(jīng)過(guò)數(shù)制轉(zhuǎn)換程序從十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)。判斷該數(shù)的最高位，若該位不為0，滿足測(cè)量數(shù)據(jù)有效位數(shù)的要求，測(cè)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(duì)待測(cè)信號(hào)的計(jì)數(shù)，直到滿足測(cè)量數(shù)據(jù)有效位數(shù)的要求。脈沖信號(hào)通過(guò)單片機(jī)定時(shí)／計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，定時(shí)器Tn定時(shí)。定時(shí)器Tn完成100次溢出中斷的時(shí)間t除以測(cè)得的脈沖數(shù)m，經(jīng)過(guò)單位換算，就可以算得直流電機(jī)旋轉(zhuǎn)的速度[9]。4.3系統(tǒng)主程序系統(tǒng)復(fù)位之后，首先進(jìn)行IO口配置，定時(shí)計(jì)數(shù)器初始值設(shè)置，開(kāi)定時(shí)計(jì)數(shù)器中斷，開(kāi)總中斷等工作；接著，讀取定時(shí)計(jì)數(shù)器中的頻率數(shù)字；最后，將結(jié)果用十進(jìn)制數(shù)的形式顯示出來(lái)。系統(tǒng)主程序流程圖如下圖所示。圖4-1系統(tǒng)主程序流程圖4.4顯示子程序顯示子程序?qū)⒋娣旁陲@示緩沖區(qū)的頻率或周期值送往數(shù)碼管上顯示出來(lái),由于所有4位數(shù)碼管的8根段選線并聯(lián)在一起由單片機(jī)的P2口控制,因此,在每一瞬間4位數(shù)碼管會(huì)顯示相同的字符,要想每位顯示不同的字符就必須采用掃描方法輪流點(diǎn)亮各位數(shù)碼管,即在每一瞬間只點(diǎn)亮某一位顯示字符,在此瞬間,段選控制口P0輸出相應(yīng)字符。由P2.0-P2.3逐位輪流點(diǎn)亮各個(gè)數(shù)碼管,每位保持1mS,在10mS～20mS之內(nèi)再點(diǎn)亮一次,重復(fù)不止,利用人的視角暫留,好像4位數(shù)碼管同時(shí)點(diǎn)亮。數(shù)碼管顯示子程序流程如圖4-2所示[10]。圖4-2顯示子程序流程圖4.5中斷子程序T0中斷服務(wù)子程序流程如圖4-3所示。測(cè)頻時(shí),定時(shí)器T0工作在定時(shí)方式,每次定時(shí)50mS,則T0中斷20次正好為1秒,即T0用來(lái)產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)秒信號(hào),定時(shí)器T0用作計(jì)數(shù)器,對(duì)待測(cè)信號(hào)計(jì)數(shù),每秒鐘的開(kāi)始啟動(dòng)T0,每秒鐘的結(jié)束關(guān)閉T0,則定時(shí)器T0之值乘以分頻系數(shù)就為待測(cè)信號(hào)的頻率。圖4-3T0中斷服務(wù)子程序定時(shí)／計(jì)數(shù)器T1工作在計(jì)數(shù)方式,對(duì)信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù),計(jì)數(shù)器1中斷流程圖如圖4-4所示[11]。圖4-4計(jì)數(shù)器1中斷服務(wù)子程序5系統(tǒng)調(diào)試電路調(diào)試是整個(gè)系統(tǒng)功能否實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵步驟，我們將整個(gè)調(diào)試過(guò)程分為三大部分：硬件調(diào)試、軟件調(diào)試和綜合調(diào)試。5.1硬件調(diào)試硬件調(diào)試主要是針對(duì)我的轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)的單片機(jī)硬件電路分別進(jìn)行調(diào)試。這一部分硬件調(diào)試主要分成兩大塊：上電前的調(diào)試和上電后的調(diào)試。上電前的調(diào)試：在上電前，我們必須確保電路中不存在斷路或短路情況，這一工作是整個(gè)調(diào)試工作的第一步，也是非常重要的一個(gè)步驟。在這部分調(diào)試中主要使用的工具是萬(wàn)用表，用來(lái)完成檢測(cè)電路中是否存在虛焊或者短路情況等。特別是數(shù)碼管的連接部分，proteus制作的原理圖與實(shí)際的封裝不一樣，需要我們注意連線。有些在電路板上沒(méi)法連接的線路，要用短接線把接好，對(duì)照著原理圖部分，一部分一部分地用萬(wàn)用表測(cè)量，注意焊點(diǎn)之間，確保焊點(diǎn)沒(méi)有短接在一起，同時(shí)注意焊點(diǎn)的美觀，確保沒(méi)有開(kāi)路以及短路的現(xiàn)象出現(xiàn)。上電后的調(diào)試：在確保硬件電路正常，無(wú)異常情況(斷路或短路)方可上電調(diào)試，上電調(diào)試的目的是檢驗(yàn)電路是否接錯(cuò)，同時(shí)還要檢驗(yàn)原理是否正確，在本次課程設(shè)計(jì)中，上電調(diào)試主要是轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)的單片機(jī)控制部分、數(shù)碼管點(diǎn)亮部分、光電傳感器部分和直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分的硬件調(diào)試。調(diào)試結(jié)果如圖5-1所示，硬件無(wú)異常。圖5-1硬件調(diào)試圖5.2軟件調(diào)試根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行Keil和Proteus系統(tǒng)仿真，不斷調(diào)試程序，直到符合功能要求。Proteus總體仿真圖5-2所示。圖5-3測(cè)量?jī)x仿真圖5.3系統(tǒng)綜合調(diào)試在硬件和軟件單獨(dú)調(diào)試成功后進(jìn)行軟硬件綜合調(diào)試，它可以分成以下幾個(gè)步驟：（1）使光電傳感器有方波信號(hào)輸出；（2）使單片機(jī)獲得中斷信號(hào)，計(jì)算出轉(zhuǎn)速值并存儲(chǔ)；（3）通過(guò)LED數(shù)碼管把測(cè)量的數(shù)據(jù)顯示出來(lái)。（4）按鍵后，重復(fù)（1）到（3）的步驟。調(diào)試結(jié)果如圖5-3所示，工作正常[12]。圖5-3綜合調(diào)試圖結(jié)論以STC89C51單片機(jī)為核心的電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)任務(wù)完成，系統(tǒng)各部分功能均已實(shí)現(xiàn)，單片機(jī)能夠測(cè)量出電機(jī)的轉(zhuǎn)速并顯示在數(shù)碼管上，測(cè)量范圍達(dá)到了最初的設(shè)想：0r/min——9999r/min，誤差<5%，基本完成了設(shè)計(jì)目的，此外，還可以在條件允許的情況下增加其他功能。本設(shè)計(jì)具有采樣精確、采樣速度快、范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，且可以進(jìn)行Proteus硬件仿真，可以節(jié)省時(shí)間，為學(xué)習(xí)單片機(jī)帶來(lái)便利。轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x在工業(yè)生產(chǎn)、汽車技術(shù)應(yīng)用、科學(xué)實(shí)驗(yàn)及生產(chǎn)生活都是必不可少的。隨著電子技術(shù)的飛快發(fā)展，轉(zhuǎn)速儀表結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化、品種多樣化與系列化，進(jìn)一步要向人性化發(fā)展，不但要具有價(jià)格優(yōu)勢(shì)，還要有很高的測(cè)量精度，這需要設(shè)計(jì)人員不斷汲取新知識(shí)，不斷運(yùn)用新器件，不斷開(kāi)拓新思路，才有更多創(chuàng)新的、符合人們需求的轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x表。附錄附錄一：系統(tǒng)總原理圖附錄二：PCB圖附錄三：實(shí)物圖附錄四：系統(tǒng)程序代碼#include<reg52.h> //包含頭文件#include<intrins.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedint #defineulongunsignedlongunsignedchardispbuf[4]={0,0,0,0};ulongtmp;uchari;uchardis_cod[]={0xC0,0xDB,0xA2,0x8A,0x99,0x8C,0x84,0xDA,0x80,0x88};//數(shù)碼管位選sbitwei1=P2^5;sbitwei2=P2^4;sbitwei3=P2^7;sbitwei4=P2^6;//延時(shí)子函數(shù)voiddelay0(uintz){ uinti,j; for(i=0;i<z;i++) for(j=0;j<110;j++);}//顯示函數(shù)voiddisplay(){for(i=0;i<20;i++);{ wei1=0;wei2=1;wei3=1;wei4=1; //位選 P0=dis_cod[dispbuf[0]]; //段選 delay0(5); wei1=1;wei2=0;wei3=1;wei4=1; //位選 P0=dis_cod[dispbuf[1]]; //段選 delay0(5); wei1=1;wei2=1;wei3=0;wei4=1; //位選 P0=dis_cod[dispbuf[2]]; //段選 delay0(5); wei1=1;wei2=1;wei3=1;wei4=0; //位選 P0=dis_cod[dispbuf[3]]; //段選 delay0(5); } wei1=1;wei2=1;wei3=1;wei4=1;P0=0XFF; //關(guān)閉顯示；起消隱作用 delay0(1);}ucharnn;//T0定時(shí)中斷，晶振12MvoidT0_int(void)interrupt1{ staticuintcounter=0; TH0=0x3c;TL0=0xb0; if(counter++==199) { counter=0; tmp=(nn*65536+TH1*256+TL1)/0.166666; nn=0; di