基于單片機控制的光電式風(fēng)速風(fēng)向測量系統(tǒng)的設(shè)計

1、南通紡織職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文基于單片機控制的光電式風(fēng)速風(fēng)向測量系統(tǒng)的設(shè)計燕麗娜班 級 07智能電子 專 業(yè) 電子信息工程 院 系 機電工程系 指導(dǎo)老師 張新亮 完成時間 2010 年 3 月 1 日至 2010 年 5 月 30 日引言人類社會發(fā)展的歷史與能源的開發(fā)和利用水平密切相關(guān)，每一次新型能源的開發(fā)都使人類經(jīng)濟的發(fā)展產(chǎn)生一次飛躍。在自然界中，風(fēng)是一種可再生、無污染而且儲量巨大的能源。隨著全球氣候變暖和能源危機，各國都在加緊對風(fēng)力的開發(fā)和利用，盡量減少二氧化碳等溫室氣體的排放，保護我們賴以生存的地球。風(fēng)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的環(huán)境因子之一。風(fēng)速適度對改善農(nóng)田環(huán)境起著重要作用。風(fēng)對農(nóng)業(yè)也會產(chǎn)生消極作用。

2、它能傳播病原體，蔓延植物病害。高空風(fēng)是粘蟲、稻飛虱、稻縱卷葉螟、飛蝗等害蟲長距離遷飛的氣象條件。大風(fēng)使葉片機械擦傷、作物倒伏、樹木斷折、落花落果而影響產(chǎn)量。大風(fēng)還造成土壤風(fēng)蝕、沙丘移動，而毀壞農(nóng)田。在干旱地區(qū)盲目墾荒，風(fēng)將導(dǎo)致土地沙漠化。牧區(qū)的大風(fēng)和暴風(fēng)雪可吹散畜群，加重凍害。地方性風(fēng)的某些特殊性質(zhì)，也常造成風(fēng)害。由海上吹來含鹽分較多的海潮風(fēng)，高溫低溫的焚風(fēng)和干熱風(fēng)，都嚴(yán)重影響果樹的開花、座果和谷類作物的灌漿。防御風(fēng)害，多采用培育矮化、抗倒伏、耐摩擦的抗風(fēng)品種。營造防風(fēng)林，設(shè)置風(fēng)障等更是有效的防風(fēng)方法。所以測量風(fēng)速對人類更好地研究及利用風(fēng)能和改善生活生產(chǎn)有積極的影響。我國的風(fēng)力資源極為豐富，絕

3、大多數(shù)地區(qū)的平均風(fēng)速都在每秒3米以上，特別是東北、西北、西南高原和沿海島嶼，平均風(fēng)速更大；有的地方，一年三分之一以上的時間都是大風(fēng)天。在這些地區(qū)，風(fēng)力發(fā)電是很有前途的。尤其是目前能源緊張，風(fēng)力發(fā)電成為新潮發(fā)電方式的情況下，對風(fēng)速風(fēng)向的測量和控制尤為重要。于是，在這種背景下，本文介紹了在單片機的控制下，利用光電編碼器，采用適當(dāng)?shù)臏y量方法對風(fēng)速風(fēng)向進(jìn)行測量，對于風(fēng)速在09999rpm的范圍內(nèi)，在單片機的控制下，采用合適的測量方法對電機轉(zhuǎn)速進(jìn)行測量，同時要求風(fēng)速的測量達(dá)到一定的精度，誤差不超過5%并且對風(fēng)速進(jìn)行顯示。對于風(fēng)向在0-360°范圍內(nèi)進(jìn)行測量，在多圈旋轉(zhuǎn)的情況下能夠?qū)崿F(xiàn)單圈自動歸

4、零，測量風(fēng)向能夠顯示并且達(dá)到一定的精度。目錄一 緒論51.1 設(shè)計要求51.1.1 設(shè)計功能51.1.2 設(shè)計參數(shù)51.2 設(shè)計方案51.2.1 設(shè)計依據(jù)51.2.2 電路方案51.2.3 軟件設(shè)計5二 測向系統(tǒng)的簡介62.1 早期的測量系統(tǒng)62.2 現(xiàn)代的測量系統(tǒng)6三 硬件的電路分析73.1 硬件的組成73.1.1 單片機系統(tǒng)73.1.2 硬件系統(tǒng)的主電路設(shè)計93.1.3 光電編碼器的選擇113.1.4 觸發(fā)器123.1.5 光電耦合器123.1.6 顯示器件133.2 硬件系統(tǒng)設(shè)計143.2.1 硬件系統(tǒng)框圖143.2.2 風(fēng)速采集概述143.2.3 風(fēng)向電路設(shè)計173.2.4 顯示電路的

5、設(shè)計183.2.5 硬件所用元件列表19四 軟件系統(tǒng)的設(shè)計194.1 軟件設(shè)計概述194.2 風(fēng)速測量模塊設(shè)計204.3 風(fēng)向測量模塊設(shè)計20五 系統(tǒng)的調(diào)試225.1 硬件調(diào)試225.2 軟件調(diào)試22致謝24參考文獻(xiàn)25附錄1 硬件接線圖26附錄2 軟件程序27基于單片機控制的光電式風(fēng)速風(fēng)向測量系統(tǒng)的設(shè)計摘要：本文以AT89S52單片機為核心給出了風(fēng)速風(fēng)向測量系統(tǒng)的硬件及軟件設(shè)計方案，并且詳細(xì)介紹了光電編碼技術(shù)在風(fēng)速風(fēng)向測量中的應(yīng)用。分別使用絕對式光電編碼器/增量式編碼器對風(fēng)向/風(fēng)速信號進(jìn)行采集，將所得信號處理后，通過數(shù)碼管顯示。在風(fēng)速測量系統(tǒng)中使用了M法和T法相結(jié)合，從而達(dá)到對風(fēng)速的精確測量

6、。本文系統(tǒng)的硬件分為電源部分，風(fēng)速采集部分，風(fēng)向采集部分，單片機部分等；軟件部分的設(shè)計采用模塊編程，方便今后的維護和改進(jìn)。關(guān)鍵字：單片機 光電編碼器 LED 測量一 緒論1.1 設(shè)計要求1.1.1 設(shè)計功能風(fēng)速風(fēng)向儀的功能主要是能對當(dāng)前的風(fēng)速風(fēng)向進(jìn)行測量并在顯示器件上顯示，而且測量系統(tǒng)要求具有一定的精度，在斷電及其他影響情況下仍能準(zhǔn)確的工作，尤其是風(fēng)向測量部分，要求具有斷電保護或者記憶功能，能夠時刻反應(yīng)風(fēng)向情況。1.1.2 設(shè)計參數(shù)1對于風(fēng)速在09999rpm的范圍內(nèi)，在單片機的控制下，采用合適的測量方法對電機轉(zhuǎn)速進(jìn)行測量，同時要求風(fēng)速的測量達(dá)到一定的精度，誤差不超過5%并且對風(fēng)速進(jìn)行顯示。2

7、對于風(fēng)向在0-360°范圍內(nèi)進(jìn)行測量，在多圈旋轉(zhuǎn)的情況下能夠?qū)崿F(xiàn)單圈自動歸零，測量風(fēng)向能夠顯示并且達(dá)到一定的精度。1.2 設(shè)計方案1.2.1 設(shè)計依據(jù)系統(tǒng)設(shè)計要求在單片機的控制下完成風(fēng)速風(fēng)向的采樣工作，并根據(jù)不同的風(fēng)速，采用M法和T法進(jìn)行計算，并顯示測量的風(fēng)速，根據(jù)風(fēng)向的情況自動測量并顯示。1.2.2 電路方案本次設(shè)計的電路主要有風(fēng)速風(fēng)向采集電路，AT89S52單片機系統(tǒng)，顯示電路，復(fù)位電路，軟件設(shè)計包括基本采集模塊，系統(tǒng)模塊，顯示模塊等設(shè)計，大致設(shè)計的思路如下圖所示:圖1-1 設(shè)計思路圖1.3 軟件設(shè)計AT89S52單片機，其指令系統(tǒng)與MCS-51完全兼容，首先是要對AT89S52

8、進(jìn)行初始化。初始化內(nèi)容包括定時器、中斷系統(tǒng)及各個單元內(nèi)容的初始化。然后進(jìn)入到主程序中，開始對脈沖信號進(jìn)行采樣、處理這里是程序設(shè)計的關(guān)鍵。主程序流程圖如圖1-2:圖1-2 主程序流程圖二 測向系統(tǒng)的簡介2.1 早期的測量系統(tǒng)早期的測量系統(tǒng)無論是結(jié)構(gòu)上還是測量方法上都比較簡單，大多數(shù)情況下就是使用一些簡單的儀表，完全由人來進(jìn)行轉(zhuǎn)速測量，整個系統(tǒng)的成本較低，但可靠性不高，實現(xiàn)的功能單一。2.2 現(xiàn)代的測量系統(tǒng)隨著電子技術(shù)、計算機技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)等技術(shù)的迅猛發(fā)展，測速系統(tǒng)得到了不斷的發(fā)展與完善，功能更強大?，F(xiàn)在，在一個測速系統(tǒng)中，主要采用一些光學(xué)技術(shù)、光電技術(shù)等現(xiàn)代技術(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)速測量。利用這些技術(shù)而產(chǎn)

9、生的測速方法也多種多樣，有光電編碼器法，衍射法，自準(zhǔn)直法，光纖法，聲光調(diào)制法，圓光柵法，光學(xué)內(nèi)反射法，激光干涉法，平行干涉圖法，以及環(huán)形激光法等。這些方法中的很多方法在小角度的精密測量中已經(jīng)得到了成功的應(yīng)用，并得到了較高的測量精度和測量靈敏度。但是，目前采用單片機及其外圍電路，依靠光電傳感器技術(shù)，以數(shù)字脈沖式測速為發(fā)展的主流。這種方法可以實現(xiàn)對整個轉(zhuǎn)速范圍的高精確度測量，信號檢出、處理均采用數(shù)字技術(shù)，也便于和計算機接口，抗干擾能力強，無需調(diào)零就可工作，可靠性高、信噪比高、工作壽命長，可連續(xù)測量。表2-1是常用轉(zhuǎn)速方向測量方法的比較。類型測量方法測量范圍特點磁電式轉(zhuǎn)軸帶動磁性體旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生計數(shù)電脈沖

10、，其脈沖數(shù)與轉(zhuǎn)速成比例中、高速、最高48000轉(zhuǎn) /分機構(gòu)復(fù)雜，精度高光電式利用轉(zhuǎn)動圓盤的光線使光電元件產(chǎn)生電脈沖中、高速、最高48000轉(zhuǎn)/分，角度任意，多圈測量沒有扭矩?fù)p失機構(gòu)簡單同步閃光式用已知頻率的閃光來測出與旋轉(zhuǎn)體同步的頻率中、高速沒有扭矩?fù)p失旋轉(zhuǎn)編碼盤碼盤中反映轉(zhuǎn)軸位置的碼值轉(zhuǎn)換成電脈沖輸出低、中、高速，數(shù)字輸出，精度高電阻式通過電阻的變化把電壓變化輸出電信號，低速電壓輸出，機構(gòu)簡單，精度一般三 硬件的電路分析3.1 硬件的組成本設(shè)計所使用的硬件主要有單片機，光電編碼器，觸發(fā)器，光電耦合器，LED顯示及其驅(qū)動器件。3.1.1 單片機系統(tǒng)ATMEL公司融入Flash存儲器技術(shù)推出的A

11、T89系列單片機。這個系列單片機的最大特點就是在片內(nèi)含有FLASH存儲器，并且是以8031為核心構(gòu)成的。所以，它和8051系列單片機是兼容的。本次設(shè)計采用了以AT89S52為核心的單片機系統(tǒng)。它將完成脈沖的讀取與傳送。AT89S52主要性能：8KB可改編程序Flash存儲器（可經(jīng)受1000次的寫入/擦除）。全靜態(tài)工作：0Hz33MHz。3級加密程序存儲器。256字節(jié)內(nèi)部RAM。32條可編程I/O線。3個16位定時器/計數(shù)器。8個中斷源。全雙工UART串行通道。低功耗空閑和掉電模式掉電后中斷可喚醒看門狗定時器雙數(shù)據(jù)指針掉電標(biāo)識符AT89S52的功能特性描述：AT89S52是一種低功耗、高性能的C

12、MOS 8位微控制器，片內(nèi)帶有一個8KB的可編程Flash存儲器，使用了ATMEL公司的高密度非易失性存儲器技術(shù)制造,與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。另外，AT89S52可降至0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式。空閑模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。單片機AT89S52的封裝方式有雙列直插封裝(DIP)方式和方形封裝方式。對于雙列直插封裝方式，AT89S52引腳排列如圖3-1所示：圖3-1 系統(tǒng)時鐘和復(fù)位電路3.1.2 硬件系統(tǒng)的主電路設(shè)

13、計風(fēng)速風(fēng)向儀的主電路設(shè)計主要有（1）系統(tǒng)時鐘電路設(shè)計；（2）系統(tǒng)復(fù)位電路設(shè)計；（3）電源電路設(shè)計u 系統(tǒng)時鐘電路設(shè)計系統(tǒng)時鐘電路的設(shè)計如圖3-1所示。對于時間要求不是很高的系統(tǒng)，只要按圖進(jìn)行設(shè)計就能使系統(tǒng)可靠起振，并穩(wěn)定運行，但由于圖中的C1、C2電容起著系統(tǒng)時鐘頻率微調(diào)和穩(wěn)定的作用，因此，在實際應(yīng)用中一定要注意正確選擇參數(shù)，一般在530pF。u 系統(tǒng)復(fù)位電路設(shè)計智能系統(tǒng)一般有開關(guān)復(fù)位和上電復(fù)位電路。復(fù)位電路的實現(xiàn)通常有兩種方式：即專用監(jiān)控電路和RC復(fù)位電路。前者電路實現(xiàn)簡單，成本低，但復(fù)位可靠性相對較低；后者成本較高，復(fù)位可靠性高，尤其是高可靠重復(fù)復(fù)位。對于復(fù)位要求高的場合，大多采用這種方式

14、。本系統(tǒng)采用的是RC復(fù)位電路。RC復(fù)位電路的實質(zhì)是一階充放電電路，現(xiàn)結(jié)合圖3-1所示，說明這種復(fù)位電路的特點。系統(tǒng)按鍵按下時該電路提供有效的復(fù)位信號RST（高電平），同時電容被短路放電；按鍵松開時，VCC對電容充電，充電電流在電阻上，RST依然為高電平，仍然復(fù)位，充電完成后，電容相當(dāng)于開路，RST為低電平，正常工作。u 電源電路的設(shè)計在整個單片機系統(tǒng)中，電源的設(shè)計是需要首先考慮，這決定了系統(tǒng)式采用是單電源方案還是多電源方案，系統(tǒng)的功耗有無特殊規(guī)定等。不同的電源方案決定了整個系統(tǒng)的方案和器件選擇。單片機的電源設(shè)計包含3個內(nèi)容，一方面是如何降低電源的功耗;二是如何設(shè)計外圍電路和單片機對不同電源電壓

15、的需要，即電源分配方案的選擇；三是如何對電源進(jìn)行管理和監(jiān)控。本文主要介紹第二部分內(nèi)容，如何降低電源功耗其實也是電源管理和監(jiān)控部分的主要內(nèi)容。設(shè)計電源首先要解決供電電流，估計供電電源的壽命，確定系統(tǒng)的電源結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)的總電流包括器件電流，分立元件電流和漏電流等，消耗電流I的計算公式為f(V為電壓，C為電容，f為頻率)電流的大小主要取決于系統(tǒng)的硬件情況，包括元件耗電，漏電等。本文的電源設(shè)計除主要考慮到系統(tǒng)的供電外還考慮到電源的方便性，所以本文采用的是市電供電方式，解決了電池供電的麻煩，但是市電所帶來的問題主要有電壓過高且不穩(wěn)定，市電是交流電，沒辦法直接使用，所以本文設(shè)計了專用的電源電路，原理如圖3-

16、2： 圖3-2 電源設(shè)計原理圖 為了給系統(tǒng)提供可靠的電流，變壓器選用220V-12V-2A的變壓器，整流采用二極管全橋整流方式，將負(fù)向電流整合成正向，為了整流安全，二極管中流過的最大電流應(yīng)大于流過的平均電流，二極管的反向電壓峰值應(yīng)比二極管在電路中承受的最高反向電壓大一倍左右，因此可以選用2C12D二極管。濾波電路的電容器較大，所以一般采用電解電容器，其具有極性，選擇時還要考慮耐壓。穩(wěn)壓電路主要靠穩(wěn)壓芯片完成對電源的穩(wěn)壓，為了將測量系統(tǒng)和傳感器的電源分開，本文采用了兩片7805芯片，輸出的電壓均能滿足系統(tǒng)的需要。電源電路如圖3-3：圖3-3 電源電路圖3.1.3 光電編碼器的選擇編碼器是將信號或

17、數(shù)據(jù)進(jìn)行編制、轉(zhuǎn)換為可用以通訊、傳輸和存儲的信號形式的設(shè)備。編碼器把角位移或直線位移轉(zhuǎn)換成電信號，前者成為碼盤，后者稱碼尺按照讀出方式編碼器可以分為接觸式和非接觸式兩種接觸式采用電刷輸出，電刷接觸導(dǎo)電區(qū)或絕緣區(qū)來表示代碼的狀態(tài)是“1”還是“0”；非接觸式的接受敏感元件是光敏元件以透光區(qū)和不透光區(qū)來表示代碼的狀態(tài)是“1”還是“0”，通過“1”和“0”的二進(jìn)制編碼來將采集來的物理信號轉(zhuǎn)換為機器碼可讀取的電信號用以通訊、傳輸和儲存。光電編碼器，是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。這是目前應(yīng)用最多的傳感器，光電編碼器是由光柵盤和光電檢測裝置組成。光柵盤是在一定直徑的

18、圓板上等分地開通若干個長方形孔。由于光電碼盤與電動機同軸，電動機旋轉(zhuǎn)時，光柵盤與電動機同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出若干脈沖信號，其原理示意圖如圖3-4所示；通過計算每秒光電編碼器輸出脈沖的個數(shù)就能反映當(dāng)前電動機的轉(zhuǎn)速。圖3-4 光電編碼器原理圖按照工作原理編碼器可分為增量式和絕對式兩類。增量式編碼器是將位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號，再把這個電信號轉(zhuǎn)變成計數(shù)脈沖，用脈沖的個數(shù)表示位移的大小。絕對式編碼器的每一個位置對應(yīng)一個確定的數(shù)字碼，因此它的示值只與測量的起始和終止位置有關(guān)，而與測量的中間過程無關(guān)。由于增量式編碼器的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，除可以直接測量角位移，還常用于測轉(zhuǎn)軸速度

19、，所以風(fēng)速測量裝置采用增量式編碼器；絕對式編碼器可以實現(xiàn)“斷電記憶”功能，測量唯一只和首尾位置有關(guān)系，并且可以單圈自動清零，也可以多圈測量，故本文選用絕對式編碼器測量風(fēng)向。3.1.4 觸發(fā)器施密特觸發(fā)器是MOS觸發(fā)器的一種，主要應(yīng)用于波形變換，將三角波、正弦波等波形變成矩形波；脈沖波整形，將不規(guī)則的波形經(jīng)過施密特觸發(fā)器整形后獲得理想矩形脈沖；脈沖鑒幅，能將幅度不同的不規(guī)則的脈沖信號按觸發(fā)器預(yù)設(shè)值進(jìn)行輸出。常用型號74LS18,7414,74HC14等，本文采用74HC14和74ALS04進(jìn)行脈沖變化。74HC14引腳圖和內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3-5,其真值表如表3.1。圖3-5 74HC14引腳圖表3

20、.1 真值表：Y=/AInput輸入output輸出AYLHHL3.1.5 光電耦合器光耦合器是一種通過輸入端發(fā)光二極管發(fā)光，控制輸出光電管導(dǎo)通，即利用光耦合方式傳送數(shù)字信息的特殊器件，最大特點是能將輸入和輸出兩部分隔離開來。在電子計算機與外圍設(shè)備相連的情況下，會出現(xiàn)感應(yīng)噪聲，接地回路噪聲等問題，為了使干擾不能傳入計算機，以便提高系統(tǒng)的可靠性，所以使用光電耦合器將輸入信號與計算機隔開，單片機和計算機的情況一樣，都要抗干擾，并且外圍的設(shè)備可能以為某些原因發(fā)生短路等情況，為了不影響單片機的工作，保護單片機，也要將單片機與外圍設(shè)備隔開，所以本文采用6N137光電耦合器經(jīng)輸入信號與單片機進(jìn)行隔離。隔離

21、原理如圖3-6：圖3-6 光電耦合傳輸原理圖3.1.6 顯示器件在單片機系統(tǒng)中，目前應(yīng)用較多的顯示器主要有LED和LCD。LED是一種通過控制半導(dǎo)體發(fā)光二極管來顯示文字、圖形、圖像等各種信息的顯示屏幕，在智能儀表中應(yīng)用較多。則LCD為液晶顯示器，其特點是功耗極低，但亮度較小，成本較高，常在便攜式或低功耗的系統(tǒng)中使用。綜合考慮，本文選擇LED顯示器來實現(xiàn)其功能。LED數(shù)碼管是由七段發(fā)光線段組成，每條線段可以是一個或幾個發(fā)光二極管。其結(jié)構(gòu)如圖3-7所示。只要使不同段的發(fā)光二極管或小數(shù)點發(fā)光，可改變所顯示的數(shù)字或字母。LED七段數(shù)碼管根據(jù)其內(nèi)部LED的連接方法不同可分成共陰極和共陽極兩種接法。由于發(fā)

22、光二極管通常需要幾個或幾十個毫安培的驅(qū)動電流才能發(fā)光，因此每個顯示模塊必須用一個七位的驅(qū)動器才能正常工作。驅(qū)動電路也可以用集成電路驅(qū)動器，現(xiàn)在常用帶譯碼器的驅(qū)動器。此外，由于要顯示的數(shù)字為BCD碼，而七段數(shù)碼管的顯示模型為七段代碼，所以在顯示之前必須把BCD碼轉(zhuǎn)換成七段代碼。圖3-7 LED顯示器LED顯示器有數(shù)碼管和點陣單片機系統(tǒng)常用七段數(shù)碼管，按掃描方式分為靜態(tài)掃描和動態(tài)掃描，動態(tài)掃描實現(xiàn)LED輪流顯示，利用視覺暫留現(xiàn)象，得到顯示的靜態(tài)效果，其優(yōu)點是使用硬件少，節(jié)省線路空間，本文采用動態(tài)掃描方式，選用共YA陽接法的LED，具體型號可選用SR20系列等。顯示原理見圖3-8圖3-8 顯示原理圖

23、3.2 硬件系統(tǒng)設(shè)計3.2.1 硬件系統(tǒng)框圖風(fēng)速風(fēng)向儀的硬件系統(tǒng)包括單片機系統(tǒng)，測風(fēng)速部分，測風(fēng)向部分以及顯示部分，風(fēng)速風(fēng)向儀的硬件系統(tǒng)框圖如圖3-9：圖3-9 硬件系統(tǒng)框圖3.2.2 風(fēng)速采集概述風(fēng)速采集部分采用數(shù)字式風(fēng)速測量方法，風(fēng)帶動主軸旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速信號由頻率式轉(zhuǎn)速傳感器光電編碼器產(chǎn)生，它將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成電脈沖信號，經(jīng)過放大整形后，獲得相同頻率的方波信號，通過測量方波的頻率F或周期T，測得轉(zhuǎn)速的大小，在乘以風(fēng)速測向杯的半徑大小即得風(fēng)速大小。1） 測量方法介紹轉(zhuǎn)速測量方法可以主要分為3類：u 機械rpm轉(zhuǎn)速測量通過機械測量傳感器采集數(shù)據(jù)，是最古老的rpm轉(zhuǎn)速測量方法。傳感器采集到的轉(zhuǎn)速資料，還要

24、通過儀器內(nèi)部的電子分析。這種測量方法仍被應(yīng)用，但大多數(shù)用于20至10000rpm的低轉(zhuǎn)速測量。這種測量方法在測量過程中依賴于接觸壓力，其最大的缺點是加載運動不連續(xù)。另外，機械轉(zhuǎn)頻閃法測量rpm轉(zhuǎn)速不可應(yīng)用于細(xì)微物體，如果轉(zhuǎn)動率過高，易發(fā)生滑走情況。u 采用反射原理的電力轉(zhuǎn)速測量法（光學(xué)rpm轉(zhuǎn)速測量法）測量儀器發(fā)射出的紅外線經(jīng)固定在待測目標(biāo)上的反射條反射后，即攜帶上有關(guān)轉(zhuǎn)速信息。測量儀器接收反射波后，經(jīng)過處理即可得到轉(zhuǎn)速。這種測量方法雖然要比機械rpm測量法先進(jìn)，但是并非所有持待測目標(biāo)上都可以安裝反射條。u 頻閃rpm轉(zhuǎn)速測量法按照頻閃原理，當(dāng)高速閃光的頻率和目標(biāo)的rpm轉(zhuǎn)速（移動）同步時，在

25、觀察者的眼中，目標(biāo)是靜靜止的。同其它的測量方法如機械法或光學(xué)傳感器法直比，頻閃原理的優(yōu)點顯而易見：這種方法可以用于測量小型目標(biāo)或不便觸及部位的rpm，而不需要在待測目標(biāo)上固定反射條。例如，如用于生產(chǎn)過程測量時，便不需中止。測量范圍：100至20000rpm。除了測量rpm轉(zhuǎn)速外，頻閃測量法還可用于振動分析和動作監(jiān)控。對于不同形式的測量方法其測量范圍如圖3-10所示：圖3-10 不同形式的測量范圍目前，在以光電編碼器構(gòu)成的測速系統(tǒng)中，常用的數(shù)字式轉(zhuǎn)速測量方法主要有三種，分別是M法（頻率法）、T法（周期法）、M/T法（頻率周期法）。M法是在既定的檢測時間內(nèi)，測量所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速脈沖信號的個數(shù)來確定轉(zhuǎn)速

26、，比較適合于高速場合；T法是測量相鄰兩個轉(zhuǎn)速脈沖信號的時間來確定轉(zhuǎn)速，適合速度比較低的場合；M/T法是同時測量檢測時間和在此時間內(nèi)的轉(zhuǎn)速脈沖信號的個數(shù)來確定轉(zhuǎn)速。2) 測量方法比較T法適合速度比較低的場合，當(dāng)轉(zhuǎn)速較高時其準(zhǔn)確性較差；而M法其性能特點正好與T法相反，比較適合于高速場合，M/T法則是前兩種方法的結(jié)合，在整個速度范圍內(nèi)都有較好的準(zhǔn)確性，但對于低速，該方法需要較長的檢測時間才能保證結(jié)果的準(zhǔn)確性。三種方法的各項性能比較如表3.2所示：表3.2 測量方法比較方法項目M法T法M/T法單位被測速度60m1/PTg60fc/Pm260fcm1/Pm2rpm檢測時間TgTtach60/nP(60/

27、nP)(nPTg/601)s分辨率60/PTgnP/(60fcnP)n/(m21)精度e1/m1e(1/m2)(e/m1(1/m2)表3.2 中，m1、m2：檢測時間間隔內(nèi)的脈沖計數(shù)值（分別對應(yīng)M、T法）；T為規(guī)定的檢測時間間隔；P為圓光柵編碼器每轉(zhuǎn)一圈發(fā)出的轉(zhuǎn)速脈沖信號的個數(shù)；fc為法中已知頻率值（填充被測頻率相鄰兩個脈沖的間隔）；n是電機每分鐘的轉(zhuǎn)速；Ttach為圓光柵測速脈沖周期；e是圓光柵編碼器的制造誤差。 由表3.2可知：從測速精度來看，若要求高精度測速，M法中應(yīng)計數(shù)值m較大，當(dāng)檢測時間Tg選定后（一般不應(yīng)過長，以保證測量條件不變且速度快，實現(xiàn)測量快速性），只有被測轉(zhuǎn)速n較高或圓光柵

28、編碼器每轉(zhuǎn)一圈發(fā)出的轉(zhuǎn)速脈沖信號個數(shù)P較多，才能使m1較大。對于P給定情況，只有n大時，m1才大?？梢奙法適于高速測量。經(jīng)類似分析可知法適于低速測量，考慮高速和低速時的綜合性能M/T法最好。從檢測時間來看，M法的檢測時間與轉(zhuǎn)速無關(guān)，T法的檢測時間隨著轉(zhuǎn)速的增加而減小，若M/T法犧牲一點分辨率，則可以使檢測時間與M法幾乎相同。因此，從綜合效果看M/T法是較好的測速方法。從計算方法來看，M法與T法較為簡單，而M/T法的計算較為復(fù)雜。3） 測量方案選定對于一個轉(zhuǎn)速檢測系統(tǒng)來說，其關(guān)鍵在于能夠使測速結(jié)果在整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的準(zhǔn)確性和分辨率為最佳，并滿足快速的動態(tài)響應(yīng)要求。為此，將速度范圍分為兩部分，分別采

29、用兩種方式進(jìn)行檢測：u 方式1 對應(yīng)于低速段，采用T法，其原理如圖3-11所示。圖3-11 方式1原理圖Tn 采樣周期； Te 編碼器輸出脈沖的周期；M2 Tn期間所計時脈沖數(shù)假設(shè)時鐘頻率為f,編碼器每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)為P，則對應(yīng)的實際轉(zhuǎn)速n為 n=60fc/PM2u 方式2 對應(yīng)于高速段采用M法，相應(yīng)原理如圖3-12所示。圖3-12 方式2原理圖Tg 規(guī)定的檢測時間；M1 規(guī)定檢測時間內(nèi)的脈沖數(shù)假設(shè)編碼器每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)為P，轉(zhuǎn)速為n,風(fēng)杯半徑為R則對應(yīng)的實際風(fēng)速V為V=60nM1/PTg 測速電路如圖3-13圖3-13 測速電路3.2.3 風(fēng)向電路設(shè)計測風(fēng)向采用風(fēng)帶動風(fēng)向標(biāo)旋轉(zhuǎn)并帶動主軸，可以使用機械式

30、測量或者傳感測量，機械式測量方法比較落后，精確度也很低，幾乎沒有智能化，所以現(xiàn)在已經(jīng)很少采用。傳感器測量采用各種方向傳感器進(jìn)行方向測量的一種方法，按其信號輸出方式可以分為光電式，電阻式等，本文選用絕對式光電編碼器，其輸出的信號可以是BCD碼，可以直接被單片機接受，靈敏度也很高較之電阻式傳感器使用更方便（由于這個原因，本文實物部分可能與設(shè)計有不同）。而且絕對式編碼器有一個零位參考點，風(fēng)向要求單圈測量，范圍在0-360°內(nèi)，所以可以用零位參考點對每圈的測量結(jié)果進(jìn)行復(fù)位，輸出復(fù)位信號到單片機，即使斷電或者其他原因引起測量滯后也沒有影響，因為他的測量結(jié)果只與前后的位置有關(guān)。絕對式編碼器的精度

31、與它的位數(shù)有關(guān)，也就是他的輸出信號線的多少，精度計算公式為F=360°/2*（其中*為位數(shù)）測風(fēng)向電路如圖3-14:圖3-14 測風(fēng)向電路3.2.4 顯示電路的設(shè)計本次設(shè)計，采用發(fā)光二極管顯示器。七段LED有共陰極與共陽極兩種。為了在七段LED上顯示字母或數(shù)字，必須將其轉(zhuǎn)換可通過硬件譯碼或軟件來實現(xiàn)。本系統(tǒng)的輸出部分就是LED顯示驅(qū)動。驅(qū)動電路的主要作用是將從單片機傳送出來的脈沖進(jìn)行功率驅(qū)動，以便于在數(shù)碼管上顯示。它由集成電路74LS47和74LS138來擔(dān)當(dāng)。74LS47是BCD-7段數(shù)碼管譯碼器/驅(qū)動器，74LS47的功能用于將BCD碼轉(zhuǎn)化成數(shù)碼塊中的數(shù)字,通過它解碼，可以直接把

32、數(shù)字轉(zhuǎn)換為數(shù)碼管的顯示數(shù)字. 3.2.5 硬件所用元件列表表3.3 元器件清單名稱數(shù)量名稱數(shù)量變壓器16N137光耦1整流二極管4增量式光電編碼器10.1uf電容3100電阻122uf電容11.2K電阻24.7uf電容3NPN9013115pf電容24位LED2晶振1AT89C521絕對式光電編碼器174HC14174LS138174HC47110K電阻182K電阻91000uf電容1開關(guān)2四 軟件系統(tǒng)的設(shè)計4.1 軟件設(shè)計概述軟件設(shè)計是基于硬件基礎(chǔ)上的，首先必須對系統(tǒng)有充分的了解，熟悉各種所用的芯片的時序以及各管腳的具體功能，還有硬件要實現(xiàn)的具體功能。合理的分配單片機的硬件資源。然后給出程序

33、的流程圖，并通過他進(jìn)行軟件的設(shè)計和調(diào)試。為了充分發(fā)揮單片機的智能化作用及降低成本，對于那些可用軟件完成又可用硬件完成的功能，盡量用軟件來完成。同時軟件設(shè)計要盡可能實現(xiàn)功能模塊化，這樣既方便于調(diào)試、鏈接，又便于移植和修改。本系統(tǒng)設(shè)計的軟件全部采用MCS51匯編語言編寫，使用模塊化結(jié)構(gòu)，它的優(yōu)點如下：(1).占用內(nèi)存單元和CPU資源少。(2).程序簡單，執(zhí)行速度快。(3).可以直接調(diào)用計算機的全部資源，并可利用計算機的專用特性。(4).能準(zhǔn)確地掌握指令的執(zhí)行時間，適用于實時控制系統(tǒng)。(5).能準(zhǔn)確的控制延時時間。用匯編語言進(jìn)行程序設(shè)計與高級語言進(jìn)行程序設(shè)計的過程是相似的。即首先對問題進(jìn)行分析，然后

34、確定算法，再根據(jù)算法畫出流程圖。根據(jù)流程圖編寫程序。但匯編語言設(shè)計有自己的特點，具體表現(xiàn)在：(1).匯編語言程序設(shè)計時，對數(shù)據(jù)的存放、寄存器和工作單元的使用等要由設(shè)計者安排。(2).匯編語言程序設(shè)計要求設(shè)計者必須對計算機的硬件結(jié)構(gòu)有較為詳細(xì)的了解。特別是對各類寄存器、端口、定時器/計數(shù)器。中斷等內(nèi)容更應(yīng)了如指掌，以便在程序設(shè)計中熟練使用。(3).匯編語言程序設(shè)計的技巧很高，且有軟硬件結(jié)合的特點。4.2 風(fēng)速測量模塊設(shè)計為了能夠在定時條件下及時進(jìn)行兩種檢測方式的轉(zhuǎn)換，以減小對速度采樣的影響，我是先按照M法進(jìn)行采樣和最后的速度計算處理，然后與我預(yù)先設(shè)定的轉(zhuǎn)速大小進(jìn)行比較判斷，若小于或等于預(yù)先設(shè)定的

35、轉(zhuǎn)速，則認(rèn)為風(fēng)速較低，采用T法測量合適，程序進(jìn)入顯示部分；若大于預(yù)先設(shè)定的轉(zhuǎn)速，說明風(fēng)速較高，還用T法測量轉(zhuǎn)速肯定是無法保證我最后的測量精度，此時應(yīng)該采用T法測量，返回重新按M法進(jìn)行采樣和最后的速度計算處理，然后程序再進(jìn)入顯示部分。其程序流程如圖4-1所示。圖4-1 測速采集模塊流程圖4.3 風(fēng)向測量模塊設(shè)計通過采集風(fēng)向數(shù)據(jù)，每100ms采集一組，20ms采集一次，共5次，完成后5次取平均值將平均值按百位，十位，個位風(fēng)別送到現(xiàn)實緩沖單元38H,37H,36H。顯示子程序?qū)@示緩沖單元的內(nèi)容送到相應(yīng)的數(shù)碼管顯示。程序分為主程序，T0中斷服務(wù)程序和T1中斷服務(wù)程序三個部分。主程序包括程序的初始化，

36、即設(shè)置T0和TI的工作方式，裝入相應(yīng)的初始值T0為20ms，T1為2ms，開放T0和T1中斷；如果完成采集任務(wù)，采集計數(shù)器R7清零為下一組數(shù)據(jù)采集做準(zhǔn)備。計算5次平均值并送入顯示緩沖單元38H,37H,36H。T0中斷服務(wù)程序包括重新裝入20ms定時初始值，采集計數(shù)器R7加1.。T1中斷服務(wù)程序包括重新裝入4ms定時處置，根據(jù)現(xiàn)實計數(shù)器R0的內(nèi)容將顯示緩沖單元送到相應(yīng)的數(shù)碼管顯示。程序流程如圖4-2（a），4-2（b）所式： 圖4-2（a） 風(fēng)向采集模塊流程圖圖4-2（b） 風(fēng)向采集模塊流程圖五 系統(tǒng)的調(diào)試5.1 硬件調(diào)試為安全起見，首先必須進(jìn)行斷電調(diào)試。確認(rèn)電源電壓是否正常。用電壓表測量接地

37、引腳跟電源引腳之間的電壓，看是否是電源電壓，例如常用的5V。接下來就是檢查復(fù)位引腳電壓是否正常。分別測量按下復(fù)位按鈕和放開復(fù)位按鈕的電壓值，看是否正確。然后再檢查晶振電路是否起振了，此，現(xiàn)在已經(jīng)很少有用外部擴ROM的了），一定要將EA引腳拉高，否則會出現(xiàn)程序亂跑的情況。如果系統(tǒng)不穩(wěn)定的話，有時是因為電源濾波不好導(dǎo)致的。在單片機的電源引腳跟地引腳之間接上一個0.1uF的電容會有所改善。如果電源沒有濾波電容的話，則需要再接一個更大濾波電容，例如220uF的。遇到系統(tǒng)不穩(wěn)定時，就可以并上電容試試（越靠近芯片越好）。5.2 軟件調(diào)試結(jié)構(gòu)化軟件的調(diào)試一般可以將重點放在分模塊調(diào)試上，統(tǒng)調(diào)是最后一環(huán)。軟件調(diào)

38、試可以采取離線調(diào)試和在線調(diào)試兩種方法。前者不需要硬件仿真器，借助于軟件仿真器即可；后者一般需要仿真系統(tǒng)的支持。但對于經(jīng)驗豐富的人來說，可以不要仿真器，直接將程序代碼燒錄到芯片，直接通電試驗，觀察關(guān)鍵現(xiàn)象。以下介紹是基于KEIL C51仿真器。調(diào)試步驟如下：1：運行MEDWIN，并選擇“模擬仿真”方式；2：新建一個項目，例如SSS；3：用文本編輯軟件，以asm為后綴名；4：將該文件通過“項目管理”“文件添加”，添加到項目文件SSS中；5：通過“項目管理”“編譯/匯編”匯編該項目；6：通過“查看”“數(shù)據(jù)區(qū)DATE”，打開片內(nèi)數(shù)據(jù)區(qū)編輯窗口；7：F8單步執(zhí)行程序到RET語句。如果正確，則說明程序正確

39、，否則，在單步執(zhí)行程序中可及時發(fā)現(xiàn)何處存在問題。致謝三年的艱苦跋涉，五個月的精心準(zhǔn)備，畢業(yè)論文終于到了劃句號的時候，心頭照例該如釋重負(fù)，但寫作過程中常常出現(xiàn)的輾轉(zhuǎn)反側(cè)和力不從心之感卻揮之不去。論文寫作的過程并不輕松，工作的壓力時時襲擾，知識的積累尚欠火候，于是，我只能一次次埋頭于圖書館中，一次次在深夜奮筆疾書。第一次花費如此長的時間和如此多的精力，完成一篇具有一定學(xué)術(shù)價值的論文，其中的艱辛與困難難以訴說，但曲終幕落后留下的滋味，值得我一生慢慢品嘗。畢業(yè)意味著一個人一個階段學(xué)習(xí)生涯的結(jié)束。在大學(xué)里，畢業(yè)論文是宣告這一事實的標(biāo)準(zhǔn)。從大一到現(xiàn)在3年的學(xué)習(xí)3年的磨練，在此刻沉淀成一篇畢業(yè)論文。通過這次

40、畢業(yè)設(shè)計，使我受到了一次用專業(yè)知識、專業(yè)技能分析和解決問題的全面系統(tǒng)的鍛煉。我學(xué)到了很多書本上學(xué)不到的實踐知識，尤其對電子硬件電路設(shè)計有了更深的理解，了解了設(shè)計一個產(chǎn)品從方案的選擇到最終產(chǎn)品的一系列的設(shè)計階段。在此有無數(shù)的感謝。感謝，我的父母。他們是我生命中永遠(yuǎn)的依靠和支持，他們無微不至的關(guān)懷，是我前進(jìn)的動力；他們的殷殷希望，激發(fā)我不斷前行。沒有他們就沒有我，我的點滴成就都來自他們。“不積跬步無以至千里”,這次畢業(yè)論文能夠最終順利完成，歸功于各位老師三年間的認(rèn)真負(fù)責(zé)，使我能夠很好的掌握專業(yè)知識，并在畢業(yè)論文中得以體現(xiàn)。也正是你們長期不懈的支持和幫助才使得我的畢業(yè)論文最終順利完成。三年，謝謝你們

41、。感謝各位評委和答辯老師！ 參考文獻(xiàn):1 李全利單片機原理及應(yīng)用技術(shù)M.高等教育出版社,20012 方嚴(yán)軍，孫健智能儀器技術(shù)及其應(yīng)用M北京化學(xué)工業(yè)出版社,20073 楊志忠，衛(wèi)樺林，郭順華數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)M高等教育出版社，2004 4 陳梓城，方勤模擬電子技術(shù)M高等教育出版社出版社，2003 5 徐愛君，彭秀華Keil Cx51 V7.0單片機高級語言編程與uvision2應(yīng)用M 電子工業(yè)出版社，20046 黃迪明軟件技術(shù)基礎(chǔ)M 電子科技大學(xué)出版社，20007 朱明方程序設(shè)計實踐指導(dǎo)M 清華大學(xué)出版社，19978 張義和，陳敵北.Protel DXP2004電路設(shè)計指南M 人民郵電出版社，20

42、06附錄1 硬件接線圖附錄2 軟件程序1 風(fēng)速處理程序： ORG 0000h SJMP 0030h ORG 0030hSTART： MOV TMOD，#15H ；初始化 MOV TH1，#0D8HMOV TL1，#0EFHMOV 43H，#0D8H ；設(shè)定Tg=50msMOV 42H，#0EFHMOV 4AH，#00H ；60000000 存入4AH到45H單元中MOV 49H，#00HMOV 48H，#03HMOV 47H，#90HMOV 46H，#87HMOV 45H，#00H主程序MAIN： JNB P1.0，$ ；有脈沖到, 開始計數(shù) SETB TR0 SETB TR1 JNB TF1

43、，$ ；定時到 JNB P1.0，$ ；等待脈沖上升沿 CLR TR0 ；停計數(shù)，存放M及Tg值 CLR TR1 MOV 31H，TH0 ；M1值 MOV 30H，TL0 MOV 41H，TH1 ；t值 MOV 40H，TL1T00： MOV R0，#40H ；T=Tg+t 的結(jié)果存在41H，40H中 MOV R1，#42H MOV R6，#02H CLR CLOOP1： MOV A，R0 ADDC A，R1 MOV R0，A INC R0 INC R1 DJNZ R6，LOOP1M法處理程序 CLR A MOV R7，#02H MOV R0，#3FHT01： MOV R1，#60 MOV R

44、2，31H ；送M 1值到31H，30H MOV R3，30HMUL0： MOV A，R3 ；計算60×M1 MOV B，R1 MUL AB ；A-L，B-H XCH A，R1 MOV R5，B MOV B，R2 MUL AB ADD A，R5 MOV R4，A CLR A ADDC A，B MOV R5，A MOV A，R5 MOV R0，A DEC R0 MOV A，R4 MOV R0，A DEC R0 MOV A，R1 MOV R0，A DEC R0 DJNZ R7，T02 ；60×M1存入3FH，3EH，3DH，P×Tg存入3CH，3BH，3AH LJMP

45、 DDIVT02： MOV R1，50H ；P=10 MOV R2，41H MOV R3，40H LJMP MUL0DDIV： MOV R0，#01E0H ；480rpm為設(shè)定值 MOV R1，#01H MOV R2，#00H ；計算n=60×M1/PT MOV R3，3FH MOV R7，3EH MOV R6，3DH MOV R4，3BH MOV R5，3AH MOV A，R1 MOV B，#10HST0： CLR C MOV A，R6 RLC A MOV R6，A MOV A，R7 RLC A MOV R7，A MOV A，R3 RLC A MOV R3，A XCH A，R2 R

46、LC A XCH A，R2 MOV F0,C CLR C SUBB A，R5 MOV R1，A MOV A，R2 SUBB A，R4 ANL C,/F0 JC ST2 MOV R2，A MOV A，R1 MOV R3，A INC R6ST2： DJNZ B，AO POP ACC MOV R1，A MOV A，R7 MOV 39H，A ；轉(zhuǎn)速n計算結(jié)果存在39H，38H中 MOV A，R6 MOV 38H，A MOV A，R1 CJNE A，39H，LP1 ；轉(zhuǎn)速值與設(shè)定值進(jìn)行比較 LJMP LP02LP1： JC LP3 MOV A，R0LP02： CJNE A，38H，LP2 LJMP SHNOWLP2： JC LP3 LJMP TF ；若小于設(shè)定值480rpm則轉(zhuǎn)到T法LP3： LJMP SHNOWT法處理程序TF： CLR A ；T法計算 MOV TH1，A MOV TL1，A MOV TH0，A MOV TL0，A JNB P1.0，$ SETB TR1 JNB P1.0，$ CLR TR1 MOV 41H，TH1 MOV 40H，TL1 ；M2值存于41H，40H中MUL2： CLR A ；計算P×M2 MOV R1，50H ；送入P值 MOV R2，41H ；M2值 MOV R3，