【正文】 情況下的平均轉(zhuǎn)速 ,也能夠用來在足夠小的時間間隔這一特定條件 下測定發(fā)動機(jī)的瞬時轉(zhuǎn)速。 轉(zhuǎn)速測量的應(yīng)用系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)、科技教育、民用電器等各領(lǐng)域的應(yīng)用極為廣泛，往往成為某一產(chǎn)品或控制系統(tǒng)的核心部分，其各種參數(shù)在不同的應(yīng)用中有其側(cè)重，但轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)作為普遍的應(yīng)用在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中，有重要的意義 [2]。 1． 3 主要內(nèi)容和存在的問題 1． 3． 1 研究的主要內(nèi)容 ，對轉(zhuǎn)速的周期測量法“ T”法、頻率測量法“ M”法以及周期頻率“ M/T”測量法，三種具體測量方法的轉(zhuǎn)速計(jì)算、各自的測量精度和誤差進(jìn)行闡述。定性地比較三種方法所針對的轉(zhuǎn)速特征，分析高、中、低轉(zhuǎn)速情 況下各自的適用狀況，從而，在保持一定的測量精度情況下，應(yīng)用“ M”法，說明轉(zhuǎn)速測量原理 [3]。 ，構(gòu)建軟件系統(tǒng)，分別對硬件系統(tǒng)的配置予以估計(jì)，使其能夠?qū)D(zhuǎn)速進(jìn)行測量。同時分析接口電路，顯示轉(zhuǎn)速。 /計(jì)數(shù)器進(jìn)行設(shè)置，設(shè)計(jì)和說明定時 /計(jì)數(shù)器在“ M”法測量中的作用和使用方法，討論測量精度的問題。 ，用 A51 匯編語言編制程序，包括主程序流程，顯示中斷程序流程。并用軟件的方法對計(jì)數(shù)和定時進(jìn)行同步，力求在不增加硬件的條件下，使同步達(dá)到滿意的效果。 Keil51 軟件的 μVision3 集成環(huán)境對系統(tǒng)對工作軟件進(jìn)行編譯、調(diào)試和仿真。 1． 3． 2 需解決的問題 1．單片機(jī)在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，中斷設(shè)置問題； 2．轉(zhuǎn)速測量及 LED顯示的實(shí)現(xiàn)； 3．鍵盤功能的實(shí)現(xiàn)； 4．軟件的調(diào)試。 2 基于單片機(jī)的轉(zhuǎn)速測量方法及原理 3 2 基于單片機(jī)的轉(zhuǎn)速測量方法及原理 轉(zhuǎn)速是工程中應(yīng)用非常廣泛的一個參數(shù)，早期模擬量的模擬處理一直是作為轉(zhuǎn)速測量的主要方法，這種測量方法在測量范圍和測量精度上，已不能適應(yīng)現(xiàn)代科技發(fā)展的要求。而隨著大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字測量系統(tǒng)得到普遍 應(yīng)用，利用單片機(jī)對脈沖數(shù)字信號的強(qiáng)大處理能力，應(yīng)用全數(shù)字化的結(jié)構(gòu)，使數(shù)字測量系統(tǒng)的越來越普及。在測量范圍和測量精度方面都有極大的提高。下面對測量系統(tǒng)進(jìn)行探討 [4]。 一般轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)有以下幾個部分構(gòu)成，轉(zhuǎn)速測量框圖如圖 所示。 圖 轉(zhuǎn)速測量框圖 1．轉(zhuǎn)速信號拾取 轉(zhuǎn)速信號拾取是整個系統(tǒng)的前端通道，目的是將外界的非電參量，通過一定方式轉(zhuǎn)換成電量，這一環(huán)節(jié)可以通過敏感元件、傳感器或測量儀表等來實(shí)現(xiàn)。 2．整形和倍頻 前向通道 中，將傳感器輸出的信號轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)輸入要求的信號。 3．單片機(jī) 單片機(jī)是整個測量系統(tǒng)的主要部分，擔(dān)負(fù)對前端脈沖信號的處理、計(jì)算、以及信號的同步，計(jì)時等任務(wù)，其次，將測量的數(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 /計(jì)數(shù)器的個數(shù)及 I/O 口線，選用 AT89C51 單片機(jī)。 4．驅(qū)動和顯示 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。 轉(zhuǎn)速 信號拾取 整形 倍頻 單 片機(jī) 顯示 接口 芯片 顯示 鍵盤 驅(qū)動電路 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 測周期法“ T法” 轉(zhuǎn)速 可以用兩脈沖產(chǎn)生的間隔寬度 TP來決定。用以采集數(shù)據(jù)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(zhuǎn)述數(shù)據(jù)， TP也可以用時鐘脈沖數(shù)來表示。對于多孔碼盤，其測量的時間只是每轉(zhuǎn)的 1/N， N 為碼盤孔數(shù)。如圖 “ T”法脈寬測量所示。 TP通過定時器測得。定時器對時基脈沖 (頻率為 fc)進(jìn)行計(jì)數(shù)定時，在 TP內(nèi)計(jì)數(shù)值若為 m2，則 計(jì)算公式為： n=60/PTp （ ） 即： n=60fc/Pm2 （ ） P為轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)一周脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖數(shù)； fc為硬件產(chǎn)生的基準(zhǔn)時鐘脈沖頻率：單位（ Hz）； n轉(zhuǎn)速單位：（轉(zhuǎn) /分）； m2時基脈沖 。 輸入脈沖 時基脈沖 圖 “ T”法脈寬測量 由 “ T”法脈寬測量可知“ T”法測量精度的誤差主要有兩個方面，一是兩脈沖 的上升沿觸發(fā)時間不一致而產(chǎn)生的；二是計(jì)數(shù)和定時起始和關(guān)閉不一致而產(chǎn)生的。因此要求脈沖的上升沿（或下降沿）陡峭和計(jì)數(shù)和定時嚴(yán)格同步。測周法在低轉(zhuǎn)速時精度較高，但隨著轉(zhuǎn)速的增加，精度變差，有小于一個脈沖的誤差存在 [5]。 測頻法“ M 法” 在一定測量時間 T 內(nèi)，測量脈沖發(fā)生器（替代輸入脈沖）產(chǎn)生的脈沖數(shù) m1來測量轉(zhuǎn)速，如圖 “ M”法測量轉(zhuǎn)速脈沖所示，設(shè)在時間 T 內(nèi)，轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過的弧度數(shù)為 Xτ ，則轉(zhuǎn)速 n 可由下式表示： n=60Xτ /2π T () 轉(zhuǎn) 軸轉(zhuǎn)過的弧度數(shù) Xτ 可用下式所示 Xτ =2π m1/p () 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 圖 “ M”法測量轉(zhuǎn)速脈沖 將（ 24）式代入（ 23）式得 轉(zhuǎn)速 n的表達(dá)式為： n=60m1/TP () n轉(zhuǎn)速單位：（轉(zhuǎn) /分）； T定時時間單位：（秒）。 在該方法中，測量精度是由于定時時間 T 和脈沖不能保證嚴(yán)格同步，以及在T內(nèi)能否正好測量外部脈沖的完整的周期，可能產(chǎn)生的 1個脈沖的量化誤差。因此，為了提 高測量精度， T要有足夠長的時間。定時時間可根據(jù)測量對象情況預(yù)先設(shè)置。設(shè)置的時間過長，可以提高精度，但在轉(zhuǎn)速較快的情況下，所計(jì)的脈沖數(shù)增大（碼盤孔數(shù)已定情況下），限制了轉(zhuǎn)速測量的量程。而設(shè)置的時間過短，測量精度會受到一定的影響 [6]。 測頻測周法 M/T 法 所謂測頻測周法，即是綜合了“ T”法和“ M”法分別對高、低轉(zhuǎn)速具有的不同精度，利用各自的優(yōu)點(diǎn)而產(chǎn)生的方法，精度位于兩者之間，如圖 “ M/T”法定時 /計(jì)數(shù)測量所示。 “ M/T”法采用三個定時 /計(jì)數(shù)器，同時對輸入脈沖、高頻脈沖（由振蕩器產(chǎn)生）、及預(yù)設(shè) 的定時時間進(jìn)行定時和計(jì)數(shù)， m1反映轉(zhuǎn)角， m2反映測速的準(zhǔn)確時間，通過計(jì)算可得轉(zhuǎn)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(fā)生器脈沖來同步，即 Td等于 m1個脈沖周期。由圖可見，從 a點(diǎn)開始，計(jì)數(shù)器對 m1和 m2計(jì)數(shù)，到達(dá) b 點(diǎn)，預(yù)定的測速時間時，計(jì)算機(jī)發(fā)出停止計(jì)數(shù)的指令，因?yàn)?TC 不一定正好等于整數(shù)個脈沖發(fā)生器脈沖周期，所以，計(jì)數(shù)器仍對高頻脈沖繼續(xù)計(jì)數(shù)，到達(dá) c 點(diǎn)時，脈沖發(fā)生器脈沖的上升沿使計(jì)數(shù)器停止，這樣，m2就代表了 m1個脈沖周期的時間 [7]。 “ M/T”法綜合了“ T”和“ M”兩種方法，轉(zhuǎn)速 計(jì)算如下： 設(shè)高頻脈沖的頻率為 fC，脈沖發(fā)生器每轉(zhuǎn)發(fā)出 P個脈沖，由式（ ）和（ ）可得 M/T 法轉(zhuǎn)速計(jì)算公式為： n=60fcm1/pm2 () 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 n轉(zhuǎn)速值。單位：（轉(zhuǎn) /分）； fc晶體震蕩頻率：單位（ Hz）； m1輸入脈沖數(shù)，反映轉(zhuǎn)角； m2時基脈沖數(shù)。 圖 “ M/T”法定時 /計(jì)數(shù)測量 通過誤差和精度分析可知， M法適合于高速測量，當(dāng)轉(zhuǎn)速越低，產(chǎn)生的誤差會越大。 T 法適合于低速測量，轉(zhuǎn)速增高，誤差增大。 M/T 這種轉(zhuǎn)速 測量方法的相對誤差與轉(zhuǎn)速 n 無關(guān)，只與晶體振蕩產(chǎn)生的脈沖有關(guān)，故可適合各種轉(zhuǎn)速下的測量。保證其測量精度的途徑是增大定時時間 T，或提高時基脈沖的頻率 fc。因此，在實(shí)際操作時往往采用一種稱變 M/T 的測量方法，即所謂變 M/T 法，在 M/T法的基礎(chǔ)上，讓測量時間 Tc 始終等于轉(zhuǎn)速輸入脈沖信號的周期之和。并根據(jù)第一次的所測轉(zhuǎn)速及時調(diào)整預(yù)測時間 Tc，兼顧高低轉(zhuǎn)速時的測量精度。基于 M法測量速度，電路和程序均較為簡單，且可以在一定的條件下滿足精度的要求，所以本設(shè)計(jì)中采用 M法進(jìn)行測量，誤差和精度的具體分析過程在此不做復(fù)述 [8]。 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 3 D U 5CH G 1 1R22 .4KR10 .2K+ 5V3 智能轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu) 本轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)有以下幾個部分構(gòu)成，如圖 轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)方框圖所示。 圖 轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)方框圖 本系統(tǒng)的硬件主要由光電傳感器、信號處理電路、單片機(jī) AT89C5鍵盤、LED 顯示等組成。如圖 ，當(dāng)測速齒盤轉(zhuǎn)動時，將會 產(chǎn)生正弦脈沖電信號，然后把信號送入放大電路、整形及三極管整形電路進(jìn)行處理，將正弦波信號轉(zhuǎn)化為TTL 電平輸出到 單片機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速計(jì)數(shù)，最后通過數(shù)碼管顯示其數(shù)值 。硬件電路圖如圖附件 1所示 [9]。 1．轉(zhuǎn)速 信號拾取的結(jié)構(gòu) 本設(shè)計(jì)中采集信號部分是通過光電傳感器來實(shí)現(xiàn)，利用測速圓盤將光信號轉(zhuǎn)變成單片機(jī)能夠處理的電信號。 測速圓盤位于紅外線發(fā)光二極管（規(guī)格 HG11）和紅外線接收三級管（規(guī)格 3DU5C）之間，采用 +5V 電壓供電，選用合適的電阻值來配合該其工作。紅外線發(fā)光二極管發(fā)出的光信號通過測速圓盤的孔，到達(dá)紅外線接收三級管表面，它將接收到的光信號轉(zhuǎn)變成電信號輸出。通過改變測速圓盤的旋轉(zhuǎn)速度來控制輸出電信號的頻率值，并將其輸出。如圖 轉(zhuǎn)速傳感器電路圖 所示。 圖 轉(zhuǎn)速傳感器電路圖 光電傳感器 信號調(diào)理電路 單片機(jī) 鍵盤 顯示 測速齒盤 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 示部分的結(jié)構(gòu) 本系統(tǒng)采用四位 LED共陽極型數(shù)碼管作為顯示部分， AT89C51單片機(jī)的 I/O口輸出特性是有較大的灌入電流能力，但只有很弱的“吐”電流的能力，因此本系統(tǒng)中選用共陽極數(shù)碼管。 P2口的 ～ 口作為數(shù)碼管的段驅(qū)動，中間通過緩沖器 74LS245 進(jìn)行數(shù)據(jù)緩沖。 74LS245 是 8 路 3 態(tài)雙向緩沖驅(qū)動 ,也叫做總線驅(qū)動門電路或線驅(qū)動 ， 主要使用在數(shù)據(jù)的雙向緩沖，常見 51的數(shù)據(jù)接口電路，使用一片 245 作為數(shù)據(jù)緩沖電路，增強(qiáng)驅(qū)動能力 。 P0口的 ～ 口通過反向驅(qū)動器 74LS04 構(gòu)成位驅(qū)動。 將所有 位的段選線相應(yīng)地并聯(lián)在一起，由一個 8位 I/O 控制，形成段選線的多路復(fù)用。而各位的共陽極分別由相應(yīng)的 I/O 線控制，實(shí)現(xiàn)各位的分時選通。由于各位的段選線并聯(lián)，段選碼的輸出對各位都是相同的。因此，同一個時刻，某一位的顯示與該位的位選線選通狀態(tài)有關(guān)，若要各位 LED能夠顯示出與本位相應(yīng)的顯示字符，就必須采用掃描顯示方式 [10]。 PC 機(jī)數(shù)據(jù)的傳輸 基于單片機(jī)的測控系統(tǒng)在獲取傳感器的數(shù)據(jù)后，還需要將所得數(shù)據(jù)傳送到 PC上。因此，本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時，做了一些考慮，在硬件設(shè)計(jì)時增加了串行通信口，采用 MAX232 電平 轉(zhuǎn)換芯片，將 PC機(jī)串行口的 RS232 電平與 AT89C51 單片機(jī)使用的 TTL 電平進(jìn)行轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)和 PC機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳送。 如圖 MAX232引腳圖 所示 、 管腳圖 所示 [11]。 圖 MAX232引腳圖 圖 AT89C51管腳圖 本設(shè)計(jì)使用的鍵盤主要為完成一個功能 — 轉(zhuǎn)速測量的啟動 /停止；我們將開關(guān)直接與 AT89C51 單片機(jī)的 接口相連，通過讀 I/O 口，判定各 I/O 線的電平 狀態(tài)，即可識別出按下的按鍵。操作員通過鍵盤可以輸入數(shù)據(jù)或指令，實(shí)現(xiàn)簡單的人機(jī)通信 [12]。 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 單片機(jī)除本身需要復(fù)位以外，外部擴(kuò)展的 I/O接口電路等也需要復(fù)位。因此，為了控制的方便，本設(shè)計(jì)中采用人工按鈕復(fù)位的方式。 AT89C51 單片機(jī)的 RST端通過 10kΩ電阻接地， 10μ 電容直接和一個接有按鍵的 200Ω電阻并聯(lián)接入電源端，上電按鈕復(fù)位電路。當(dāng)開關(guān)未按下時，由于電容的濾波作用，干擾信號不會進(jìn)入到單片機(jī)中，起到抗干擾的作用；當(dāng)按下開關(guān)一定時間就能使 RST 引腳端變?yōu)楦唠娖?，從而使單片機(jī)復(fù)位 [13]。 硬件電路中主要部件的介紹 ： 隨著智能儀表的發(fā)展，用單片機(jī)構(gòu)成的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已經(jīng)普及，該系統(tǒng)它不僅采集數(shù)據(jù)而且還能對采集到的模擬信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。AT89C51 是一款低功耗高性能的 CMOS 8bits 微處理器，它具有 4KB的可編程或擦除的閃存（ EPROM）。該器件使用 ATMEL 公司的高密度非易失性存儲器制造技術(shù)，并且與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) MCS51TM的指令系統(tǒng)和管腳配置兼容。片內(nèi)閃存的存在使程序存儲器能夠在系統(tǒng)中或者使用專門的程序燒錄器