單片機轉速測量系統設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 使用的定時 /計數器的個數及 I/O 口線，預選用 89C51 單片機。具體工作情況在后討論 。 由于 LED 數碼管具有亮度高、可靠性好等特點，工業測控系統中常用 LED數碼管作為顯示輸出。本系統也采用數碼管作顯示。 LED 顯示器是用發光二極管顯示 字段的，通常使用七段構成 “ 日 ” 字型和一只發光二極管作為小數點，稱八段數碼顯示器。其有兩種驅動方式，共陰驅動和共陽驅動，共陰驅動是各段發光二極管的陰極連在一起，并將公共端接地，在共陽結構中，將各段發光二極管陽極連在一起，并將公共端接上 +5V 電源，顯示字符對應字型代碼發光。 轉速測量原理 法 ( 測周期法 ) 它 是測量光電脈沖發生器所產生的相鄰兩個轉速脈沖信號的時間來確定轉速。相鄰兩個轉速脈沖信號時間的測量是采用對已知高頻脈沖信號進行計數來實現的。在極端情況下， 時間的測量會產生士 1 個高頻脈沖 周期， 因此 T法在被測轉速較低 ( 相鄰兩個轉速脈沖信號時間較大 ) 時， 才有較高的測量精度， 所以 T法 適合于低速測量 。所以轉速可以用兩脈沖產生的間隔寬度 Tp 來決定。用以采集數據的碼盤，可以是單孔或多孔，對于單孔碼盤測量兩次脈沖間的時間，就可測出轉述數據， Tp 也可以用時鐘脈沖數來表示。對于多孔碼盤，其測量的時間只是每轉的 1/N， N 為碼盤孔數。 T p通過定時器測得。定時器對時基脈沖 (頻率為 fc)進行計數定時，在 Tp內計數值若為 m2，則計算公式為： n=60/pTp (22) 東華理工大學長江學院畢業設計 （論文） 課題涉及到的相關技術及原理 9 即： n=60fc/Pm2 （ 23） P為轉軸轉一周脈沖發生器產生的脈沖數。 fc 為硬件產生的基準時鐘脈沖頻率單位 HZ。 n轉速單位：（轉 /分） m2 時基脈沖 由 理論 可知“ T”法測量精度的誤差主要有兩個方面上，一是兩脈沖的上升沿觸發時間不一致而產生的；二是計數和定時起始和關閉不一致而產生的。因此要求脈沖的上升沿（或下降沿）陡峭和計數和定時嚴格同步。測周法在低轉速時精度較高，但隨著轉速的增加，精度變差，有小于一個脈沖的誤差 存在。 2. M 法 ( 測頻法 ) 在規定的檢測時間內， 檢測光電脈沖發生器所產生的脈沖信號的個數來確定轉速。雖然檢測時間一定，但檢測的起止時間具有隨機性， 因此 M法測量轉速在極端情況下會產生士 1 個轉速脈沖的誤差。當被測轉速較高或電機轉動一圈發出的轉速脈沖信號的個數較大時， 才有較高的測量精度， 因此 M 法適合于高速測量。在一設在時間 T內，轉軸轉過的弧度數為 X1，則的轉速 n 可由下式表示：定測量時間 T 內，測量脈沖發生器（替代輸入脈沖）產生的脈沖數 m1 來測量轉速 [10]。 即： n=60X1/2Tπ (24) 轉軸轉過的弧度數 X1可用下式所示 X1=2π m1/p (25) 將 (25)式代入 (24)式，得轉速 n的表達式為： n=60m1 /Tp (26) n轉速單位：（轉 /分 )T定時時間單位：（秒） 3. M／ T法 ( 頻率，周期法 ) 它是同時測量 檢測時間和在此檢測時間內光電脈沖發生器所產生的轉速脈沖信號的個數來確定轉速。由于同時對兩種脈沖信號進行計數， 因此只要 “ 同時性 ” 處理得當， M/ T法在高速和低速時都具有較高的測速精度。 “M/T” 法采用三個定時 /計數器，同時對輸入脈沖脈、高頻脈沖（由振蕩器產生）、及預設的定時時間進行定時和計數， m1反映轉角， m2反映測速的準確時間，通過計算可得轉速值 n。該法在高速及低速時都具有相對較高的精度。測速時間 Td 由脈沖發生器脈沖來同步，即 Td等于 m1個脈沖周期。由圖可見，從 a點開始，計數器對 m1和 m2計數，到達 b 點，預定的測速時間到，計算機發出停止計數的指令，因為 Tc 不一定正好等于整數個脈沖發生器脈沖周期，所以，計數器仍對高頻脈沖繼續計數，到達 c 點時，脈沖發生器脈沖的上升沿使計數器停止，這樣， m2就代表了 m1東華理工大學長江學院畢業設計 （論文） 課題涉及到的相關技術及原理 10 個脈沖周期的時間。 “M/T” 法綜合了 “T” 和 “M” 兩種方法，轉速計算如下：設高頻脈沖的頻率為 fC，脈沖發生器每轉發出 P 個脈沖，由式（ 23）和（ 26）可得 M/T 法轉速計算公式為： n=60m1/Tp (27) n轉速值。單位 ：（轉 /分） fc晶體震蕩頻率。單位 HZ， m2輸入脈沖數，反映轉角。 m2時基脈沖數。 誤差和精度分析 碼盤刻度誤差分析 原理上測量誤差的來源主要有碼盤刻線誤差、計數過程中的177。 1誤差、時 間基準誤差、干擾造成的誤觸發引起的誤差。由于數字電路具有很強的抗干擾能力，干擾引起的測量誤差可忽略；時間基準采用晶體振蕩器，誤差小可以不 計；用碼盤脈沖作捕獲信號，碼盤脈沖計數值中不含177。 1誤差。因此碼盤刻線 誤差和標準時間計數值中的177。 1 誤差是影響測量準確度的主要因素 [11]。 誤差分析： 誤 差可看為兩部分產生 Ε /wt+Tc/t (27) Ε /wt刻度誤差 Tc/t 177。 1誤差 由（ 27）式可知：增大測量時間 t有利于提高測量準確度。在動態性能許可的情況下，應盡可能采用大的測量時間。通常碼盤脈沖倍頻數可以是 P 的整數倍。在測量時間和碼盤脈沖倍頻數確定后，確定標準時間 Tc。以確保測量準確度為準。在其他條件不變的情況下，轉速越高，碼盤刻線誤差越小；反之，刻線誤差越大。實際測量時間 t 隨 Tc 的增大而增大。 東華理工大學長江學院畢業設計 （論文） 課題硬件電路設計 11 3 課題 硬件電路設計 硬件電路設計 硬件設計的任務是：根據總體設計要求，確定系統擴展所需的存儲器 I/O電路 ,A/D,D/A 電路以及有關外圍電路等，然后設計出系統的電路原理圖。 一個單片機應用系統的硬件電路設計應包含有兩個部分內容： 內部 系統擴展，即當單片機內部的功能單元，如 片內 ROM、 RAM 的容量、 I/O 接 口、定時 /計數器、中斷系統等容量不能滿足應用系統要求時， 在許多實際應用系統中，還需要擴展片EPROM、 RAM、 I/O 接口以及定時器 /計數器等， 設計相應的電路 [12]。 外部 系統配置，即按照系統功能要求配置外圍設備，如鍵盤、顯示器、打印機、 D/A、 A/D轉換器等，并設計相應的接口電路。因此，系統的擴展和配置應遵循下列原則： 盡可能選擇典型電路，并符合單片機的常規用法。 系統的擴展與外圍設備配置應滿足系統功能的要求，并留有適當的余量，以便進行二次開發。硬件結構應與應用軟件方案統一考慮，軟件能實現的硬件功能盡可能用軟件來實現，但需注意的是軟件實現占用 CPU 的時間，而且，響應時間比硬件長。單片機外接電路較多時，應考慮其驅動能力，減少芯片功耗，降低總線負載。根據上述原則，設計系統如圖 31所示 [13] 電路工作原理分析 本系統單片機采用 Atmel 公司生產的 89C51 作為主控制器，用 5位 LED 數碼 PLG 脈沖整形 驅動 圖 31 測量轉速原理框圖 89C51 東華理工大學長江學院畢業設計 （論文） 課題硬件電路設計 12 管作為顯示。 89C51 單片機的 I/O 口輸出特性 是有較大的灌入電流能力，其中 P0口的灌電流能力可達 20mA，完全可以用于數碼管的驅動，但只有很弱的“吐”電流的能力，因此本系統中選用共陽型數碼管，將 P0 口作為數碼管的段驅動，P2 口的 5 位接 5 只 PNP 型三極管構成位驅動。這樣，省去了顯示驅動芯片，提高了性價比。 設計采用了紅外光電傳感器，進行非接觸式檢測．當有物體擋在紅外發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，而當沒有物體擋在中間時則輸出為高電平，從而形成一個脈沖．在電動機的轉軸上安裝一個轉盤，在這個轉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．每當轉盤隨著后輪旋轉的時候，傳感器將向外輸出脈沖．把這些脈沖通過一系列的波形整形成單片機可以識別的 高低 電平，即可算出輪子即時的轉速。轉盤的圓孔的個數決定了測量的精度，個數越多，精度越高．這樣就可以在單位時間內盡可能多地得到脈沖數，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．設計中轉盤的圓孔的實際個數受到技術的限制．為了達到預定的效果設計在轉盤過孔的設計上采用 11個過孔，從而留下了 1O 個同等的間距．這樣在以后的軟件設計中能 夠較為方便的計算出脈沖頻率．其中單片機單片機的 1 19 腳接晶體和兩個 27PF 的電容，這里選用振蕩頻率為 12MHZ 的晶體。 為了說明轉速測量原理，減少硬件的復雜程度和投入，在不影響分析的基礎上，這里使用了脈沖發生器產生方波來替代，并通過程序中設置，模擬碼盤每轉的線數及通過調節 NE555 構成的脈沖發生器的頻率來模擬轉速的快慢。沒有考慮波形畸變和干擾，在實際應用中也可以用整形和抗干擾電路來調整。該脈沖直接加到單片機的 ，即計數器 T0 的輸入端，下降沿觸發計數。 東華理工大學長江學院畢業設計 （論文） 系統程序設計與實現 13 4 系統程序設計與實現 程序 設計過程 方案 分析 硬件電路設計完畢，即進行程序設計，在程序設計之前，首先要確定定時器的工作方式，方式控制字，確定串行口的工作模式等，下面分別討論。 系統 定時 /計數器 T0分析 本系統設計中， T0 被用于計數，我們當然希望計數量大為好，這樣 可以獲得較大的測量范圍，因此， T0選定為工作方式 1（ 16位的計數方式），設計中，沒有使用外部控制端，僅用指令置位 /清零 TR0 來進行計數的啟動 /停止， 這樣 電路較為簡單，但精度會受到一定的影響，但在本設計中，認為采用這種方式，精度可達到要求，因此， T0采用自由計數的 方式，不用預置初值。 系統 定時 /計數器 T1分析 本系統設計中， T1 被用于數碼管顯示及形成閘門信號，由于系統中用到 5 位數碼管，動態顯示時，一組數碼管顯示的總時間以不超過 20ms 為宜，因此 這里選擇 T1 的定時時間為 4ms， 5 位數碼管顯示完畢，正好用于 20ms，這里選用T1的工作狀態 1。確定了定時 /計數器 T1 的定時時間以后，就要計算定時初值，本系統用了 12M 的晶振，恰好是一個機器周期為 1us，因此， 4ms 定時時間意味著只要計數 4000 次即可，由于定時 /計數器 T1 是向上計數，因此，要化為 16進制，并 分別送入 T1的高 8 位和低 8 位。這里，采用的 keil 匯編軟件有較強的預處理功能，能夠處理較復雜的運算，因此，程序中可寫為： MOV TH1， HIGH(655364000) MOV TL1， LOW(655364000) 這里使用了兩條指令 High 和 Low，它們的用途分別是取其后括號中數值的高 8 位和低 8 位，因此，這兩行語句的含義就是取 65536－ 4000 的高 8位和低 8位，寫成 65536－ 4000 而不是寫出其結果 61536 可以提高程序的維護性，直觀地看到定時初值。由于 80C51 單片機在中斷時，會附加延時 38個周期，在滿足一定條件的情形下，驗證這個數值是否正確，可以在進入仿真調試時通過觀察 Keil提供的有關變量看到，如果不正確，可以根據實際情況略作調整，保證定時時間為 4ms。