【正文】 數(shù)字信號的強大處理能力，使得全數(shù)字測 量系統(tǒng)越來越普及，其轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)也可以用全數(shù)字化處理。 課題以單片機為中心，設計的全數(shù)字化測量轉(zhuǎn)速系統(tǒng)，在工業(yè)控制和民用電器中都有較高使用價值。并且，幾乎不需做很大改變直接就能作為單獨的使用產(chǎn)品。 ，提出測量方案，構(gòu)建硬件系統(tǒng)，分別對硬件系統(tǒng)的配置予以估計，使其能夠?qū)D(zhuǎn)速進行測 量。并用軟件的方法對計數(shù)和定時進行同步，力求在不增加硬件的條件下，使同步達到滿意的效果。 中北大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 7 頁 共 36 頁 2 基于單片機的轉(zhuǎn)速測量原理 單片機測量轉(zhuǎn)速的基本方 法 轉(zhuǎn)速是工程中應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，已不能適應現(xiàn)代科技發(fā)展的要求。 測量系統(tǒng)的構(gòu)成 一般轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)有以下幾個部分構(gòu)成，如圖 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現(xiàn)。 （ 2）通過傳感器拾取信號 由專業(yè)人員將敏感元件和相應的測量電路、傳遞機構(gòu)以適當?shù)男问街瞥刹煌?中北大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 8 頁 共 36 頁 類型、不同用處的傳感器，根據(jù)原理輸出電量。 2)直接由脈沖來反應轉(zhuǎn)軸的角度，用每轉(zhuǎn)產(chǎn)生的脈沖經(jīng)單片機處理得出轉(zhuǎn)速。而倍頻電路主要用于解決低轉(zhuǎn)速時測量精度問題。 3．單片機 單片機是整個測量系統(tǒng)的主要部分，擔負對前端脈沖信號的處理、計算、以及信號的同步，計時等任務，其次，將測量的數(shù)據(jù)經(jīng)計算后，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 [6]。本系統(tǒng)也采用數(shù)碼管作顯示。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。 中北大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 10 頁 共 36 頁 fc為硬件產(chǎn)生的基準時鐘脈沖頻率單位 Hz。 2．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。定時時間可根據(jù)測量對象情況預先設置。 同時在同一時間內(nèi)脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖數(shù) m1及內(nèi)部時鐘脈 沖 數(shù) m2來計算，公式為： n=60m1／ pm2。由圖可見，從 a點開始，計數(shù)器 對 m1和 m2 計數(shù)，到達 b 點，預定的測速時間到，計算機發(fā)出停止計數(shù)的指令，因為 TC 不一定正好等于整數(shù)個脈沖發(fā)生器脈沖周期，所以，計數(shù)器仍對高頻脈沖繼續(xù)計數(shù)，到達 c點時，脈沖發(fā)生器脈沖的上升沿使計數(shù)器停止，這樣， m2就代表了 m1 個脈沖周期的時間。 m2時基脈沖數(shù)。 “ M/T 法”測量誤差分析 由其測量原理可知。因此，在實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。由于數(shù)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(shù)值中不含177。 誤差分析： 誤差可看為兩部分產(chǎn)生： (式 ) 式中 t— 實際測量時間 — 刻度誤差 — 177。在測量時間和碼盤脈沖倍頻數(shù)確定后，確定標準時間 Tc。 轉(zhuǎn)速測量電路設計 硬件電路設計 一個單片機應用系統(tǒng)的硬件電路設計應包含有兩個部分內(nèi)容： 第一是系統(tǒng)擴展，即當單片機內(nèi)部的功能單元，如 ROM、 RAM、 I/O 口、定時/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)等容量不能滿足應用系統(tǒng)要求時，必須在片外進行擴展，選擇適當?shù)男酒?，設計相應的電路。 ⒊ 硬件結(jié)構(gòu)應與應用軟件方案統(tǒng)一考慮，軟件能實現(xiàn)的硬件功能盡可能用軟件來實現(xiàn)，但需注意的是軟件實現(xiàn)占用 CPU 的時間，而且，響應時間比硬件長。而本轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)采用“ M”法的測量方法，需一個用于對外部脈沖計數(shù)的計數(shù)器，一個用于對內(nèi)部高頻脈沖計數(shù)的定時器，用于調(diào)整、預定定時時間。 2．上電復位 89C51 的 RST 端通過電阻和電容直接和電源端相連，實現(xiàn)上電復位，理論上只要復位管腳出現(xiàn) 2個機器周期以上的高電平即可完成復位，阻容元件的時間常數(shù)可以很小，但考慮到開機時，電源有個上升過程，以及振蕩電路尚未完全起振等因素，這里選用的電阻為 1K，電容為 10u。 X5045 是集上電復位、看門狗、掉電復位、串行EEPROM 四種功能于一體的多功能芯片，當系統(tǒng)要求較高時，應采用該芯片進行復位，當然，這會使系統(tǒng)性價比有所下降。該脈沖直接加到單片機的 ，即計數(shù)器 T0 的輸入端，下降沿觸發(fā)計數(shù)。 可以使用一塊 X5045 芯片作為數(shù)據(jù)存儲，該芯片中帶有 512 字節(jié) EEPROM，可以用電擦除的方式進行改寫，改寫的次數(shù)可達 1000000 次，掉電之后數(shù)據(jù)保證40年不會丟失。 2．定時 /計數(shù)器 T1 本系統(tǒng)設計中， T1 被用于數(shù)碼管顯示及形成閘門信號，由于系統(tǒng)中用到 5位數(shù)碼管，動態(tài)顯示時，一組數(shù)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(shù)碼管顯示完畢，正好用于 20ms，這里選用 T1 的工作狀態(tài) 1。 3．定時 /計數(shù)器的方式控制字 定時 /計數(shù)器的方式控制字 TMOD，其地址為 89H，復位值 00H，不可位尋址。 GATE=1，只有 INT0/1 引腳為高電平且用指令置 TR0/1=1 時，才能啟動定時 /計數(shù)器 0/1 的工作。 M1M0=00， 13 位計數(shù)； M1M0=01， 16 位計數(shù)； M1M0=10，自動再裝入 8位計數(shù)； M1M0=11，工作于模式 3狀態(tài)。 表 定時 /計數(shù)控制寄存器 TF0、 TF1 分別為定時器 T0 和計數(shù)器 T1的溢出標志位， TR0 和 TR1 在正常情況下，都沒有溢出標志，只有當計數(shù)值或定時值超過 65536 時，才能有溢出中斷 中北大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 19 頁 共 36 頁 請求，這兩位是由硬件置位和硬件清零，不需另行設置。 程序的初始化，根據(jù)硬件電路的要求，將各硬件電路置于其規(guī)定的狀態(tài)；根據(jù)需要，設置堆棧；對定時器、計數(shù)器、串行口等設置工作狀態(tài)，預置初值等 [12]。 SpCoun EQU 57H；速度計時器單元 57H 和 58H，高位在前（ 57H 單元中） Count EQU 56H；顯示時的計數(shù)器 SpCalc bit 00h；要求計算速度的標志，該位為 1時主程序計算速度，然后清該位 Hidden EQU 10；消隱碼 ；以上分配變量 MOV SP， 5FH；設置堆棧 MOV P1， 0FFH；將 P1 置位高電平。 MOV TH1， HIGH(655364000) MOV TL1， LOW(655364000) SETB TR1 SETB ET1；開定時器 1中斷 SETB EA 中北大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 20 頁 共 36 頁 定時器 T1 中斷處理 定時計數(shù)器 T1 每 4ms 中斷一次，用以進行數(shù)碼管顯示和每 1秒讀取一次計數(shù)器 T0 中的數(shù)值。由于數(shù)碼管共有 5 位，因此，每 20ms 即可輪流點亮每個數(shù)碼管一次，利用人的視覺暫留現(xiàn)象，可以穩(wěn)定地顯示各位數(shù)碼管的值。程序中首先取顯示緩沖區(qū)初值： MOV A， DISPBUFF 該值為 5AH，加上顯示計數(shù)器的值即 5CH： ADD A， COUNT 因此將從 5CH 中取出待顯示數(shù)據(jù)： MOV R0， A MOV A， R0 圖 數(shù)碼管顯示流程圖 中北大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 22 頁 共 36 頁 然后查字表碼表，并將該字形碼送往 P0： MOV DPTR， DISPTAB MOVC A， A+DPTR MOV P0， A 因為 P0 是段驅(qū)動。 中北大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 23 頁 共 36 頁 圖 主程序流程圖 程序調(diào)試及固化 單片機應用系統(tǒng)的程序必須有調(diào)試好的應用程序，系統(tǒng)才能運行。 （ 2）有全速跟蹤調(diào)試、運行的能力開發(fā)裝 置占用單片機硬件資源少。該軟件提供了包括 C 編譯器、宏匯編、鏈接器、庫管理和一個功能強大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過 一個集成開發(fā)環(huán)境（μ Vision）將這些部分組合在一起。 （ 2）建立工程文件 點菜單 Project/New Project 出現(xiàn)對話框，給工程命名為 test 保存，在彈出的對話框選擇 CPU的型號，選擇 Atmel 公司的 89C51，確定回到主界面，在工程窗口文件頁中點 Target1/Source Group1/Add file to Group/*.asm，雙擊加入。 在調(diào)試中，可以采用單步運行對程序進行檢查，修改錯誤，并通過各參數(shù)窗口，觀察數(shù)值是否與設定值相同，如圖 2 位數(shù)碼管時的情形。 1rpm/ 177。 ～177。 1．測速范圍 程序中，采用的閘門時間是 1s， T0 的最大計數(shù)值是 65536，因此，最大的計數(shù)量應該是在 1s 內(nèi)不超過 65535，這樣，即可算出最高計數(shù)頻率。 結(jié)果分析和有待解決的問題 1．結(jié)果分析 當電路板加上 5V電源后，系統(tǒng)開始工作，用示波器觀察 NE555 產(chǎn)生的脈沖工作正常，調(diào)整電位器，顯示出脈沖數(shù)值，間接反映出轉(zhuǎn)速的數(shù)值。 （ 2）由于 M法所存在的177。 利用外部中斷的方式來同步。 設想與改進 1．串行通信 當前智能化儀表的 一個發(fā)展趨勢是給儀器增加通信接口，使得儀器具有連網(wǎng)或與上位機通信的能力，因此，本系統(tǒng)在設計時，作了這樣的一些考慮，在硬件設計時增加 RS232 串接口。 2．鍵盤編程 擬增加鍵盤部分程序，主要實現(xiàn)以下一些功能： 1）設定最高轉(zhuǎn)速 2）設定最低轉(zhuǎn)速 中北大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 29 頁 共 36 頁 3）設定光電編碼器的碼點數(shù) 4）設定其他一些工作參數(shù) 使得本儀器接能夠真正地進入實用性的階段。本系統(tǒng)采用 89C51 單片機，充分利用單片機內(nèi)部自帶的兩個 16 位定時 /計數(shù)器進行設計，較完全的開發(fā)了單片機自身的功能，接口利用了 89C51 的 P0 口具有較大的電流驅(qū)動能力的特點，未擴展驅(qū)動芯片，直接由單片機驅(qū)動，簡化了硬件電路。 3．程序調(diào)試 本系統(tǒng)進行了全面的程序設計，顯示程序、中斷服務程序和初始化程序，并對這些程序在 uVision2 軟件上進行編譯和調(diào)試，可以運行和轉(zhuǎn)換成 HEX 文件，通過編程器寫入芯片中。更深入的分析其精度和誤差。 ；出口信息：轉(zhuǎn)換后的三字節(jié)ＢＣＤ碼整數(shù)在 R R R5 中。由于本人學識淺簿，在論文的創(chuàng)作過程中，每遇到困難都是導師在理論上予以幫助和鼓