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

1、 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(cè)量方法有離心式轉(zhuǎn)速表測(cè)速法、測(cè)速發(fā)電機(jī)測(cè)速法、光電碼盤(pán)測(cè)速法和霍爾元件測(cè) 速法等。在對(duì)各種測(cè)速方法進(jìn)行分析后提出了基于光電傳感器的轉(zhuǎn)速測(cè)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(jì)方法及系統(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(cè)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),光電轉(zhuǎn)速傳感器,轉(zhuǎn)速測(cè)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(cuò) 誤!未定義書(shū)簽。2 系統(tǒng)

4、組成及工作原理 . 錯(cuò) 誤!未定義書(shū)簽。 2.1轉(zhuǎn)速測(cè)量原理 . . 32.2轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)組成框圖 . 34 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) . . 14 4.1 主程序設(shè)計(jì) . . 14 4.2 數(shù)據(jù)處理過(guò)程 . 164.3 浮點(diǎn)數(shù)學(xué)運(yùn)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(cuò) 誤!未定義書(shū)簽。 致 謝 . . 錯(cuò) 誤!未定義書(shū)簽。1引 言轉(zhuǎn)速測(cè)量是社會(huì)生產(chǎn)和日常生活中重要的測(cè)量和控制對(duì)象。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。進(jìn)行轉(zhuǎn)速測(cè)量的檢測(cè)控制,可以使用

5、多種傳感器。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

6、 個(gè)脈沖,對(duì)應(yīng)被測(cè)轉(zhuǎn)速為 N (r/min,則 f=pN/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 m=Tcf ,所以,當(dāng)測(cè)得 m 值時(shí), 就可算出實(shí)際轉(zhuǎn)速值 1:N=60m/pTc (r/min (12.2 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 T

7、0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)算方法計(jì)算得到的 轉(zhuǎn)速通過(guò) I 2C 總線放到 E 2PROM 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

8、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

9、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。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

10、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,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。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

11、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

12、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) 的信號(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。傳感器將電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)轉(zhuǎn)變

13、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

14、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

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(cè)量系統(tǒng)主機(jī)部分設(shè)計(jì)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

16、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 89C51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 64K

17、B 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 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(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(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

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?？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 、 PSEN 組成。 圖 3. 7S T C 89C 51管腳圖圖 3.8為鍵盤(pán)電路圖,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、 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(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)

19、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)

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(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

21、.10 顯示電路圖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)近距離通訊還可以,但當(dāng)通訊距離遠(yuǎn)時(shí),就會(huì)因?yàn)?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(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 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

22、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” 。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(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 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(jiǎn)的電路外接元件只

23、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,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)?#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(duì) LM317和 LM337具有短路保護(hù)作用。通過(guò)對(duì)電位器 R 3 、 R4的調(diào)節(jié)來(lái)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(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

25、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 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)

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(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 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

27、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 4.2定時(shí)器 1服務(wù)子程序流程圖4.2 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

28、(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 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

29、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)數(shù)值為 65535 ,這樣在待

30、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

31、、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(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

32、,可從下面系列著手考慮。信號(hào)盤(pán)可用一般鋼板制成,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

33、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