光電傳感器的轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)報(bào)告

1、光電傳感器的轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)報(bào)告 課程設(shè)計(jì)報(bào)告題 目: 光電傳感器的轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì) 目 錄1引 言.12系統(tǒng)組成及工作原理.12.1轉(zhuǎn)速測(cè)量原理.12.2轉(zhuǎn)速測(cè)量的一般方法.12.3轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)組成框圖33系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì).33.1脈沖產(chǎn)生電路設(shè)計(jì).33.2光電轉(zhuǎn)換及信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)43.2.1光電傳感器簡(jiǎn)介.43.2.2光電轉(zhuǎn)換及信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì).53.3測(cè)量系統(tǒng)主機(jī)部分設(shè)計(jì)73.3.1單片機(jī)73.3.2鍵盤(pán)顯示模塊設(shè)計(jì).93.3.3串行通信模塊設(shè)計(jì).113.3.4電源模塊設(shè)計(jì).124系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)134.1程序模塊設(shè)計(jì).134.2數(shù)據(jù)處理過(guò)程.154.3浮點(diǎn)數(shù)學(xué)運(yùn)算程序165制作

2、調(diào)試.166結(jié)果分析.187參考文獻(xiàn).181、引 言 隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,轉(zhuǎn)速測(cè)量成為了社會(huì)生產(chǎn)和日常生活中重要的測(cè)量和控制對(duì)象。測(cè)速是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常遇到的問(wèn)題,人們經(jīng)常需要精確測(cè)量每秒鐘轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速,學(xué)會(huì)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)量和顯示具有重要的意義。近年來(lái),由于世界范圍內(nèi)對(duì)轉(zhuǎn)速測(cè)量合理利用的日益重視,促使轉(zhuǎn)速測(cè)量技術(shù)的迅速發(fā)展,各種新型的測(cè)量?jī)x表相繼問(wèn)世并越來(lái)越多地得到應(yīng)用。由于技術(shù)保密,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(kāi)發(fā)和改進(jìn)。針對(duì)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(cè)量與控制系統(tǒng)。stc 89c51單片機(jī)采用了cmos工藝和高

3、密度非易失性存儲(chǔ)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(kāi)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(cè)量原理 在此采用頻率測(cè)量法,其測(cè)量原理為,在固定的測(cè)量時(shí)間內(nèi),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(cè)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(duì)應(yīng)被測(cè)轉(zhuǎn)速為n(r/min),則fpn/60hz;另在測(cè)量時(shí)間tc內(nèi),計(jì)取轉(zhuǎn)速傳感器輸出的脈沖個(gè)數(shù)m應(yīng)為 mtcf ,所以,當(dāng)測(cè)得m值時(shí),就可算出實(shí)際轉(zhuǎn)速值1: n60m/ptc r/min(1)2.2 轉(zhuǎn)速測(cè)量的一般方法 一般轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)有以下幾個(gè)部分構(gòu)成,

4、轉(zhuǎn)速測(cè)量框圖如圖2-1所示。 圖2-1 轉(zhuǎn)速測(cè)量框圖1.轉(zhuǎn)速信號(hào)拾取 轉(zhuǎn)速信號(hào)拾取是整個(gè)系統(tǒng)的前端通道,目的是將外界的非電參量,通過(guò)一定方式轉(zhuǎn)換成電量,這一環(huán)節(jié)可以通過(guò)敏感元件、傳感器或測(cè)量?jī)x表等來(lái)實(shí)現(xiàn)。方法如下:1 通過(guò)敏感元件拾取被測(cè)信號(hào) 敏感元件體積小,可以根據(jù)用戶及環(huán)境要求做成各矛頭形狀的探頭,它能將被測(cè)的物理量變換成電流、電壓,只要選擇合適的元件參數(shù)。如r、l、c設(shè)計(jì)相應(yīng)的電路,便能完成這種對(duì)應(yīng)關(guān)系。這種方法設(shè)計(jì)難度大,信號(hào)穩(wěn)定度差,在模擬處理系統(tǒng)中不宜采用。2 通過(guò)傳感器拾取信號(hào) 由專業(yè)人員將敏感元件和相應(yīng)的測(cè)量電路、傳遞機(jī)構(gòu)以適當(dāng)?shù)男问街瞥刹煌?lèi)型、不同用處的傳感器,根據(jù)原理輸出

5、電量。該電量可以是模擬量或數(shù)字量,現(xiàn)代傳感器還可以輸出開(kāi)關(guān)量,用于數(shù)字邏輯電路。3 通過(guò)測(cè)量?jī)x表拾取被測(cè)信號(hào) 目前有許多測(cè)量?jī)x表用于各種測(cè)量中,有大信號(hào)輸出、有bcd碼輸出等,但價(jià)格昂貴,專業(yè)性強(qiáng),一般不適合通用系統(tǒng)。通用的轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)大都采用一種俗稱“碼盤(pán)”的傳感裝置,將圓形的碼盤(pán)固定在轉(zhuǎn)軸上,碼盤(pán)上有若干規(guī)則排列的小孔,用光電偶來(lái)輸出電信號(hào),以反映轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)關(guān)系,即是將轉(zhuǎn)軸的速度以脈沖形式反映出來(lái),通常有兩種形式:1 模擬量量化后經(jīng)a/d轉(zhuǎn)換,由數(shù)字量反映角度,供單片機(jī)計(jì)算處理,得出轉(zhuǎn)速。2 直接由脈沖來(lái)反應(yīng)轉(zhuǎn)軸的角度,用每轉(zhuǎn)產(chǎn)生的脈沖經(jīng)單片機(jī)處理得出轉(zhuǎn)速。2.整形和倍頻 前向通道中,從傳感

6、器輸出的信號(hào)必須轉(zhuǎn)換成單片機(jī)輸入要求的信號(hào),由于信號(hào)調(diào)節(jié)電路與傳感器的選擇,現(xiàn)場(chǎng)干擾程度等,都會(huì)影響信號(hào)的質(zhì)量。而脈沖信號(hào)的上升沿和下降沿對(duì)數(shù)字電路的觸發(fā)尤為重要,若要將轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)直接加到計(jì)數(shù)器或外部中斷的輸入端,并利用其上升沿來(lái)觸發(fā)進(jìn)行計(jì)數(shù),則必須要求輸入的信號(hào)有陡峭的上升沿或下降沿。處理方法上可以用觸發(fā)器電路來(lái)整形;而倍頻電路主要用于解決低轉(zhuǎn)速時(shí)測(cè)量精度問(wèn)題及碼盤(pán)的刻度誤差而造成的精度下降問(wèn)題。方法是在每轉(zhuǎn)中增加脈沖的個(gè)數(shù)碼盤(pán)的線程數(shù)來(lái)提高精度。但在高轉(zhuǎn)速時(shí),由于脈沖個(gè)數(shù)的增加,限制了最高轉(zhuǎn)速測(cè)量量程,這個(gè)問(wèn)題可用單片機(jī)控制來(lái)動(dòng)態(tài)處理解決,兼顧高低轉(zhuǎn)速的測(cè)量精度。3.單片機(jī) 單片機(jī)是整個(gè)

7、測(cè)量系統(tǒng)的主要部分,擔(dān)負(fù)對(duì)前端脈沖信號(hào)的處理、計(jì)算、以及信號(hào)的同步,計(jì)時(shí)等任務(wù),其次,將測(cè)量的數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算后,將得到的轉(zhuǎn)速值傳送到顯示接口中,用數(shù)碼管顯示數(shù)值。在本系統(tǒng)中考慮到計(jì)數(shù)的范圍、使用的定時(shí),計(jì)數(shù)器的個(gè)數(shù)及i/o口線,預(yù)選用89c51單片機(jī)。具體工作情況在后討論。4.驅(qū)動(dòng)和顯示 由于led數(shù)碼管具有亮度高、可靠性好等特點(diǎn),工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)中常用led數(shù)碼管作為顯示輸出。本系統(tǒng)也采用數(shù)碼管作顯示。 led顯示器是用發(fā)光二極管顯示字段的,通常使用七段構(gòu)成“日”字型和一只發(fā)光二極管作為小數(shù)點(diǎn),稱八段數(shù)碼顯示器。其有兩種驅(qū)動(dòng)方式,共陰驅(qū)動(dòng)和共陽(yáng)驅(qū)動(dòng),共陰驅(qū)動(dòng)是各段發(fā)光二極管的陰極連在一起,并將公共端

8、接地,在共陽(yáng)結(jié)構(gòu)中,將各段發(fā)光二極管陽(yáng)極連在一起,并將公共端接上+5v電源,顯示字符對(duì)應(yīng)字型代碼發(fā)光。2.3 轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)組成框圖 系統(tǒng)由信號(hào)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(chǔ)電路和系統(tǒng)軟件組成。其中信號(hào)預(yù)處理電路包含信號(hào)放大、波形變換和波形整形。對(duì)待測(cè)信號(hào)進(jìn)行放大的目的是降低對(duì)待測(cè)信號(hào)的幅度要求;波形變換和波形整形電路則用來(lái)將放大的信號(hào)轉(zhuǎn)換成可與單片機(jī)匹配的ttl信號(hào);通過(guò)對(duì)單片機(jī)的編程設(shè)置可使內(nèi)部定時(shí)器t0對(duì)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)間內(nèi)檢測(cè)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(guò)相關(guān)計(jì)算方法

9、計(jì)算得到的轉(zhuǎn)速通過(guò)i2c總線放到e2prom存儲(chǔ),既節(jié)省了所需單片機(jī)的口線和外圍器件,同時(shí)也簡(jiǎn)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(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(cè)。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(méi)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(pán)。在這個(gè)轉(zhuǎn)盤(pán)的邊沿處挖出若干個(gè)圓形過(guò)孔,把傳感器的檢測(cè)部分放在圓孔的圓心位置。每當(dāng)轉(zhuǎn)盤(pán)隨著后輪旋轉(zhuǎn)的時(shí)候,傳感器將向外輸出若干

10、個(gè)脈沖。把這些脈沖通過(guò)一系列的波形整形成單片機(jī)可以識(shí)別的ttl電平,即可算出輪子即時(shí)的轉(zhuǎn)速。 轉(zhuǎn)盤(pán)的圓孔的個(gè)數(shù)決定了測(cè)量的精度,個(gè)數(shù)越多,精度越高。這樣就可以在單位時(shí)間內(nèi)盡可能多地得到脈沖數(shù),從而避免了因?yàn)閮蓚€(gè)過(guò)孔之間的距離過(guò)大,而正好在過(guò)孔之間或者是在下個(gè)過(guò)孔之前停止了,造成較大的誤差。設(shè)計(jì)中轉(zhuǎn)盤(pán)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(pán)過(guò)孔的設(shè)計(jì)上采用11個(gè)過(guò)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)換及信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì) 由

11、于系統(tǒng)需要將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào),因而需要使用光電傳感器并設(shè)計(jì)相應(yīng)的信號(hào)調(diào)理電路,以得到符合要求的脈沖信號(hào),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(jiǎn)介 光電傳感器是采用光電元件作為檢測(cè)元件的傳感器。它首先把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化,然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。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(cè)方法具有精度高、反應(yīng)快、非接觸等優(yōu)點(diǎn),而且可測(cè)參數(shù)多,傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,形式靈活多樣,因此,光電式傳感器在檢測(cè)和控制中應(yīng)用非常廣泛。 由光通量對(duì)光電元件的作用原理不同所制成的光學(xué)測(cè)控

12、系統(tǒng)是多種多樣的,按光電元件光學(xué)測(cè)控系統(tǒng)輸出量性質(zhì)可分二類(lèi),即模擬式光電傳感器和脈沖開(kāi)關(guān)式光電傳感器。模擬式光電傳感器是將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成連續(xù)變化的光電流,它與被測(cè)量間呈單值關(guān)系。模擬式光電傳感器按被測(cè)量檢測(cè)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(lèi)。所謂透射式是指被測(cè)物體放在光路中,恒光源發(fā)出的光能量穿過(guò)被測(cè)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(cè)物上,再?gòu)谋粶y(cè)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(cè)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(cè)物體在光路位置有關(guān)。光源是許多光電傳感器的

13、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(zhǎng)、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(duì)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(jiàn)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

14、到抗干擾性能,我們決定選用紅外光二極管做系統(tǒng)測(cè)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(cè)時(shí),還必須配備適當(dāng)?shù)男盘?hào)調(diào)理電路。這些信號(hào)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(hào)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(hào)。不同的光電元件,所要求的測(cè)量電路也不相同,為此設(shè)計(jì)時(shí)必須詳加考慮。3.2.2 光電轉(zhuǎn)換及信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì) 傳感器將電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)轉(zhuǎn)變成了電脈沖信號(hào),該信號(hào)經(jīng)過(guò)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(cè)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。 圖3.2 光電轉(zhuǎn)換部分與單片機(jī)的連接框圖 lm324是四運(yùn)放集成

15、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(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(hào)來(lái)表示,它有5個(gè)引出腳,其中“+”、“-”為兩個(gè)信號(hào)輸入端,“v+”、“v-”為正、負(fù)電源端,“vo”為輸出端。兩個(gè)信號(hào)輸入端中,vi-(-)為反相輸入端,表示運(yùn)放輸出端vo的信號(hào)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(hào)與該輸入端的相位相同。lm324的引腳排列見(jiàn)圖3.4 圖3.3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范圍寬,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

16、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(lái)進(jìn)行光電信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)。電路采用兩級(jí)放大電路對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行放大,防止信號(hào)脈沖太小以至對(duì)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(duì)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(duì)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(cè)量系統(tǒng)主機(jī)部分設(shè)計(jì)3.3.1 單片機(jī) 單片機(jī)是單片微型計(jì)算機(jī)(single chip microcomputer)的簡(jiǎn)稱,是指在一塊芯片上集成

17、了中央處理器cpu、隨機(jī)存儲(chǔ)器ram、程序存儲(chǔ)器rom或eprom、定時(shí)器/計(jì)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(gè)完整的微型計(jì)算機(jī)。目前,新型單片機(jī)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(jì)的,特別適用于工業(yè)控制及其數(shù)據(jù)處理場(chǎng)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)為內(nèi)核的,其輸入/輸出管腳以及指令系統(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 89

18、c51結(jié)構(gòu)框圖。stc 89c51單片機(jī)的特點(diǎn): 它內(nèi)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(chǔ)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 p0 p1 p2 p3txd rxdint0 int1 中斷輸入 圖3.6 stc 89c51結(jié)構(gòu)框圖 上圖是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)

19、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(chǔ)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。 控制總線(cb):由p3口的第二功能狀態(tài)和4根獨(dú)立控制線reset、ea、ale、psen組成。 圖3.7 stc89c51管腳圖3.3.2 鍵盤(pán)顯示模塊設(shè)計(jì) 按鍵功能通過(guò)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(wú)按鍵按下時(shí),單片機(jī)輸入引腳p1.0、p

20、1.1、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(duì)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(duì)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(duì)應(yīng)的即為有效按鍵。 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(cè)量系統(tǒng)有8位共陽(yáng)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(duì)應(yīng)的筆段亮,0-代表對(duì)應(yīng)的筆段不亮。若需要在最右邊(s0)顯示“5”,只要

21、將從表中查得相應(yīng)的段代碼寫(xiě)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(yáng)010110111b74810001010014eb210101101ad523100111019d624000111101e64610111011bb4470001010115ea810111111bf409100111119f60 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(cè)量結(jié)果經(jīng)過(guò)譯碼, 輸出的8位并

22、行數(shù)據(jù)通過(guò)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(hào)以實(shí)現(xiàn)測(cè)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內(nèi)部沒(méi)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(jì)為低電平有效,高電平無(wú)效。要使數(shù)碼管s0-s7的其中一個(gè)亮,其對(duì)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(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(duì)近

23、距離通訊還可以,但當(dāng)通訊距離遠(yuǎn)時(shí),就會(huì)因?yàn)閠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232芯片把ttl電平轉(zhuǎn)換成rs-232電平格式,可以用于單片機(jī)與微機(jī)通信,以及單片機(jī)與單片機(jī)之間的通信,測(cè)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“isp interface”,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”

24、。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電源以及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(lái)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l(wèi)m317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(jiǎn)的電路外接元件只需一個(gè)固定電阻和一只電位器。其芯片內(nèi)有過(guò)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,

25、通過(guò)1000f的電解電容進(jìn)行濾波,再經(jīng)過(guò)集成穩(wěn)壓器7805穩(wěn)壓,c17、c19等電容對(duì)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,使電壓趨于穩(wěn)定的直流電壓。其中l(wèi)m317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(duì)lm317和lm337具有短路保護(hù)作用。通過(guò)對(duì)電位器r3、r4的調(diào)節(jié)來(lái)獲得所需的電壓,即1

26、5v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(duì)各種測(cè)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、判鍵及修改項(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,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(duì)在1秒內(nèi)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(duì)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

27、1,如果為 1,說(shuō)明要求對(duì)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(mén)時(shí)間為 1s,而顯示要求為轉(zhuǎn)/分,因此,要將測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換的方法是將測(cè)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(cè)得的數(shù)據(jù)除以11,所以綜合起來(lái),將測(cè)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(hào)cbcd開(kāi)始的一段程序即作了這樣的處理。需要說(shuō)明的是,這里多位二進(jìn)制乘法和多位二進(jìn)制到bcd

28、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(xiě)了些程序,實(shí)際上這對(duì)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(mén)信號(hào)。1s閘門(mén)信號(hào)的產(chǎn)生是通過(guò)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)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

29、 數(shù)據(jù)處理過(guò)程 在系統(tǒng)開(kāi)始工作,或者完成一次頻率測(cè)量,系統(tǒng)軟件都進(jìn)行測(cè)量初始化。測(cè)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(duì)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(duì)待測(cè)信號(hào)的計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)閘門(mén)由軟件延時(shí)程序?qū)崿F(xiàn),從計(jì)數(shù)閘門(mén)的最小值開(kāi)始,也就是從測(cè)量頻率的高量程開(kāi)始。計(jì)數(shù)閘門(mén)結(jié)束時(shí)tr 清0 ,停止計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)寄存器中的值通過(guò)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(duì)10進(jìn)制數(shù)的最高位進(jìn)行判別,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

30、0 ,將計(jì)數(shù)閘門(mén)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。 當(dāng)上述測(cè)量判斷過(guò)程直到計(jì)數(shù)閘門(mén)寬度達(dá)到1s ,這時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率測(cè)量范圍為100hz - 999hz ,如果測(cè)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(cè)量待測(cè)信號(hào)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(duì)定時(shí)/ 計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)寄存器清0 后,判斷待測(cè)信號(hào)的上跳沿是否到來(lái)。待測(cè)信號(hào)的上跳沿到來(lái)后,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(duì)待測(cè)信號(hào)的周期測(cè)量。然后判斷待測(cè)信號(hào)的下跳沿是否到來(lái),待測(cè)信號(hào)的下跳沿到來(lái)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)

31、數(shù)值為65535 ,這樣在待測(cè)信號(hào)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(cè)信號(hào)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(hào)的頻率f 與信號(hào)的周期t 之間的關(guān)系為: f 1/ t 完成信號(hào)的周期測(cè)量后,需要做一次倒數(shù)運(yùn)算才能獲得信號(hào)的頻率。為提高運(yùn)算精度,這里采用浮點(diǎn)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(cè)信號(hào)周期的3個(gè)字節(jié)定點(diǎn)數(shù)首先通過(guò)截取高16 位、設(shè)置數(shù)符和計(jì)算階碼轉(zhuǎn)換為上

32、述格式的浮點(diǎn)數(shù)。然后浮點(diǎn)數(shù)算術(shù)運(yùn)算對(duì)其進(jìn)行處理,獲得用浮點(diǎn)數(shù)格式表達(dá)的信號(hào)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(hào)頻率值變換成測(cè)轉(zhuǎn)速的顯示格式,送到顯示模塊顯示待測(cè)信號(hào)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(zhǎng)和指令功能的限制,它適用于控制領(lǐng)域,在信號(hào)處理方面不很擅長(zhǎng)。在頻率計(jì)中需要完成周期到頻率的換算,為保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確,這里應(yīng)用了浮點(diǎn)數(shù)數(shù)學(xué)運(yùn)算。從周期到頻率的換算過(guò)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(hào)盤(pán)可用一般鋼

33、板制成,這個(gè)信號(hào)盤(pán)就是發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)時(shí)所用的轉(zhuǎn)盤(pán),盤(pán)上共有11個(gè)齒,每個(gè)大孔直徑為6mm,盤(pán)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(hào)盤(pán)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(pán),當(dāng)轉(zhuǎn)速盤(pán)旋轉(zhuǎn)時(shí),光電傳感器就輸出矩形脈沖信號(hào),每11個(gè)脈沖對(duì)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(hào)配合上止點(diǎn)信號(hào)可精確確定上止點(diǎn)的位置。 此檢測(cè)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。如圖5.1,將信號(hào)盤(pán)固定在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上,光電轉(zhuǎn)速傳感器正對(duì)著信號(hào)盤(pán)。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(hào)輸出線,白線為共地線。測(cè)量頭由光電轉(zhuǎn)速傳感器組成,而且

34、測(cè)量頭兩端的距離與信號(hào)盤(pán)的距離相等。測(cè)量用器件封裝后,固定裝在貼近信號(hào)盤(pán)的位置,當(dāng)信號(hào)盤(pán)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(hào)。信號(hào)盤(pán)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(hào)的頻率大小就反映了信號(hào)盤(pán)轉(zhuǎn)速的高低。此轉(zhuǎn)速測(cè)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(cè)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(wèn)題為元器件引腳的虛焊。 被測(cè)物理量經(jīng)過(guò)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(hào)的分析、處理、顯示和記錄,須對(duì)信號(hào)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?cè)O(shè)計(jì)了如圖3.6所示的中間變換電路。當(dāng)調(diào)制盤(pán)上的圓形孔旋轉(zhuǎn)至與光電開(kāi)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(hào)經(jīng)lm324電路整形調(diào)試,可以將信號(hào)源完好的整形成矩形脈沖信號(hào)。在把矩形脈沖信號(hào)輸