【正文】 數(shù)字信號(hào)的強(qiáng)大處理能力，使得全數(shù)字測(cè) 量系統(tǒng)越來(lái)越普及，其轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)也可以用全數(shù)字化處理。 課題以單片機(jī)為中心，設(shè)計(jì)的全數(shù)字化測(cè)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(jià)值。并且，幾乎不需做很大改變直接就能作為單獨(dú)的使用產(chǎn)品。 ，提出測(cè)量方案，構(gòu)建硬件系統(tǒng)，分別對(duì)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(cè) 量。并用軟件的方法對(duì)計(jì)數(shù)和定時(shí)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。 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 7 頁(yè) 共 36 頁(yè) 2 基于單片機(jī)的轉(zhuǎn)速測(cè)量原理 單片機(jī)測(cè)量轉(zhuǎn)速的基本方 法 轉(zhuǎn)速是工程中應(yīng)用非常廣泛的一個(gè)參數(shù)，早期模擬量的模擬處理一直是作為轉(zhuǎn)速測(cè)量的主要方法，這種測(cè)量方法在測(cè)量范圍和測(cè)量精度上，已不能適應(yīng)現(xiàn)代科技發(fā)展的要求。 測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)成 一般轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)有以下幾個(gè)部分構(gòu)成，如圖 圖 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)。 （ 2）通過(guò)傳感器拾取信號(hào) 由專(zhuān)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?中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 8 頁(yè) 共 36 頁(yè) 類(lèi)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(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。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。 3．單片機(jī) 單片機(jī)是整個(gè)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 [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(pán)，可以是單孔或多孔，對(duì)于單孔碼盤(pán)測(cè)量?jī)纱蚊}沖間的時(shí)間，就可測(cè)出轉(zhuǎn)述數(shù)據(jù)， TP也可以用時(shí)鐘脈沖數(shù)來(lái)表示。 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 10 頁(yè) 共 36 頁(yè) fc為硬件產(chǎn)生的基準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖頻率單位 Hz。 2．測(cè)頻法“ M 法” 在一定測(cè)量時(shí)間 T內(nèi)，測(cè)量脈沖發(fā)生器（替代輸入脈沖）產(chǎn)生的脈沖數(shù) m1來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)速。定時(shí)時(shí)間可根據(jù)測(cè)量對(duì)象情況預(yù)先設(shè)置。 同時(shí)在同一時(shí)間內(nèi)脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖數(shù) m1及內(nèi)部時(shí)鐘脈 沖 數(shù) m2來(lái)計(jì)算，公式為： n=60m1／ pm2。由圖可見(jiàn)，從 a點(diǎn)開(kāi)始，計(jì)數(shù)器 對(duì) m1和 m2 計(jì)數(shù)，到達(dá) b 點(diǎn)，預(yù)定的測(cè)速時(shí)間到，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(gè)脈沖發(fā)生器脈沖周期，所以，計(jì)數(shù)器仍對(duì)高頻脈沖繼續(xù)計(jì)數(shù)，到達(dá) c點(diǎn)時(shí)，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(gè)脈沖周期的時(shí)間。 m2時(shí)基脈沖數(shù)。 “ M/T 法”測(cè)量誤差分析 由其測(cè)量原理可知。因此，在實(shí)際操作時(shí)往往采用一種稱(chēng)變 M/T 的測(cè)量方法，即所謂變 M/T 法，在 M/T 法的基礎(chǔ)上，讓測(cè)量時(shí)間 Tc始終等于轉(zhuǎn)速輸入脈沖信號(hào)的周期之和。由于數(shù)字電路具有很強(qiáng)的抗干擾能力，干擾引起的測(cè)量誤差可忽略；時(shí)間基準(zhǔn)采用晶體振蕩器，誤差小可以不計(jì)；用碼盤(pán)脈沖作捕獲信號(hào)，碼盤(pán)脈 沖計(jì)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(shí)際測(cè)量時(shí)間 — 刻度誤差 — 177。在測(cè)量時(shí)間和碼盤(pán)脈沖倍頻數(shù)確定后，確定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間 Tc。 轉(zhuǎn)速測(cè)量電路設(shè)計(jì) 硬件電路設(shè)計(jì) 一個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)應(yīng)包含有兩個(gè)部分內(nèi)容： 第一是系統(tǒng)擴(kuò)展，即當(dāng)單片機(jī)內(nèi)部的功能單元，如 ROM、 RAM、 I/O 口、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)等容量不能滿足應(yīng)用系統(tǒng)要求時(shí)，必須在片外進(jìn)行擴(kuò)展，選擇適當(dāng)?shù)男酒?，設(shè)計(jì)相應(yīng)的電路。 ⒊ 硬件結(jié)構(gòu)應(yīng)與應(yīng)用軟件方案統(tǒng)一考慮，軟件能實(shí)現(xiàn)的硬件功能盡可能用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，但需注意的是軟件實(shí)現(xiàn)占用 CPU 的時(shí)間，而且，響應(yīng)時(shí)間比硬件長(zhǎng)。而本轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)采用“ M”法的測(cè)量方法，需一個(gè)用于對(duì)外部脈沖計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)器，一個(gè)用于對(duì)內(nèi)部高頻脈沖計(jì)數(shù)的定時(shí)器，用于調(diào)整、預(yù)定定時(shí)時(shí)間。 2．上電復(fù)位 89C51 的 RST 端通過(guò)電阻和電容直接和電源端相連，實(shí)現(xiàn)上電復(fù)位，理論上只要復(fù)位管腳出現(xiàn) 2個(gè)機(jī)器周期以上的高電平即可完成復(fù)位，阻容元件的時(shí)間常數(shù)可以很小，但考慮到開(kāi)機(jī)時(shí)，電源有個(gè)上升過(guò)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(fù)位、看門(mén)狗、掉電復(fù)位、串行EEPROM 四種功能于一體的多功能芯片，當(dāng)系統(tǒng)要求較高時(shí)，應(yīng)采用該芯片進(jìn)行復(fù)位，當(dāng)然，這會(huì)使系統(tǒng)性?xún)r(jià)比有所下降。該脈沖直接加到單片機(jī)的 ，即計(jì)數(shù)器 T0 的輸入端，下降沿觸發(fā)計(jì)數(shù)。 可以使用一塊 X5045 芯片作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，該芯片中帶有 512 字節(jié) EEPROM，可以用電擦除的方式進(jìn)行改寫(xiě)，改寫(xiě)的次數(shù)可達(dá) 1000000 次，掉電之后數(shù)據(jù)保證40年不會(huì)丟失。 2．定時(shí) /計(jì)數(shù)器 T1 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中， T1 被用于數(shù)碼管顯示及形成閘門(mén)信號(hào)，由于系統(tǒng)中用到 5位數(shù)碼管，動(dòng)態(tài)顯示時(shí)，一組數(shù)碼管顯示的總時(shí)間以不超過(guò) 20ms 為宜，因此，這里選擇 T1 的定時(shí)時(shí)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(shí) /計(jì)數(shù)器的方式控制字 定時(shí) /計(jì)數(shù)器的方式控制字 TMOD，其地址為 89H，復(fù)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(shí)，才能啟動(dòng)定時(shí) /計(jì)數(shù)器 0/1 的工作。 M1M0=00， 13 位計(jì)數(shù)； M1M0=01， 16 位計(jì)數(shù)； M1M0=10，自動(dòng)再裝入 8位計(jì)數(shù)； M1M0=11，工作于模式 3狀態(tài)。 表 定時(shí) /計(jì)數(shù)控制寄存器 TF0、 TF1 分別為定時(shí)器 T0 和計(jì)數(shù)器 T1的溢出標(biāo)志位， TR0 和 TR1 在正常情況下，都沒(méi)有溢出標(biāo)志，只有當(dāng)計(jì)數(shù)值或定時(shí)值超過(guò) 65536 時(shí)，才能有溢出中斷 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 19 頁(yè) 共 36 頁(yè) 請(qǐng)求，這兩位是由硬件置位和硬件清零，不需另行設(shè)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(shè)置堆棧；對(duì)定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、串行口等設(shè)置工作狀態(tài)，預(yù)置初值等 [12]。 SpCoun EQU 57H；速度計(jì)時(shí)器單元 57H 和 58H，高位在前（ 57H 單元中） Count EQU 56H；顯示時(shí)的計(jì)數(shù)器 SpCalc bit 00h；要求計(jì)算速度的標(biāo)志，該位為 1時(shí)主程序計(jì)算速度，然后清該位 Hidden EQU 10；消隱碼 ；以上分配變量 MOV SP， 5FH；設(shè)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(kāi)定時(shí)器 1中斷 SETB EA 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 20 頁(yè) 共 36 頁(yè) 定時(shí)器 T1 中斷處理 定時(shí)計(jì)數(shù)器 T1 每 4ms 中斷一次，用以進(jìn)行數(shù)碼管顯示和每 1秒讀取一次計(jì)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(diǎn)亮每個(gè)數(shù)碼管一次，利用人的視覺(jué)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(jì)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(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 22 頁(yè) 共 36 頁(yè) 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?yàn)?P0 是段驅(qū)動(dòng)。 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 23 頁(yè) 共 36 頁(yè) 圖 主程序流程圖 程序調(diào)試及固化 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的程序必須有調(diào)試好的應(yīng)用程序，系統(tǒng)才能運(yùn)行。 （ 2）有全速跟蹤調(diào)試、運(yùn)行的能力開(kāi)發(fā)裝 置占用單片機(jī)硬件資源少。該軟件提供了包括 C 編譯器、宏匯編、鏈接器、庫(kù)管理和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開(kāi)發(fā)方案，通過(guò) 一個(gè)集成開(kāi)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(diǎn)菜單 Project/New Project 出現(xiàn)對(duì)話框，給工程命名為 test 保存，在彈出的對(duì)話框選擇 CPU的型號(hào)，選擇 Atmel 公司的 89C51，確定回到主界面，在工程窗口文件頁(yè)中點(diǎn) Target1/Source Group1/Add file to Group/*.asm，雙擊加入。 在調(diào)試中，可以采用單步運(yùn)行對(duì)程序進(jìn)行檢查，修改錯(cuò)誤，并通過(guò)各參數(shù)窗口，觀察數(shù)值是否與設(shè)定值相同，如圖 2 位數(shù)碼管時(shí)的情形。 1rpm/ 177。 ～177。 1．測(cè)速范圍 程序中，采用的閘門(mén)時(shí)間是 1s， T0 的最大計(jì)數(shù)值是 65536，因此，最大的計(jì)數(shù)量應(yīng)該是在 1s 內(nèi)不超過(guò) 65535，這樣，即可算出最高計(jì)數(shù)頻率。 結(jié)果分析和有待解決的問(wèn)題 1．結(jié)果分析 當(dāng)電路板加上 5V電源后，系統(tǒng)開(kāi)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(lái)同步。 設(shè)想與改進(jìn) 1．串行通信 當(dāng)前智能化儀表的 一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)是給儀器增加通信接口，使得儀器具有連網(wǎng)或與上位機(jī)通信的能力，因此，本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)，作了這樣的一些考慮，在硬件設(shè)計(jì)時(shí)增加 RS232 串接口。 2．鍵盤(pán)編程 擬增加鍵盤(pán)部分程序，主要實(shí)現(xiàn)以下一些功能： 1）設(shè)定最高轉(zhuǎn)速 2）設(shè)定最低轉(zhuǎn)速 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 29 頁(yè) 共 36 頁(yè) 3）設(shè)定光電編碼器的碼點(diǎn)數(shù) 4）設(shè)定其他一些工作參數(shù) 使得本儀器接能夠真正地進(jìn)入實(shí)用性的階段。本系統(tǒng)采用 89C51 單片機(jī)，充分利用單片機(jī)內(nèi)部自帶的兩個(gè) 16 位定時(shí) /計(jì)數(shù)器進(jìn)行設(shè)計(jì)，較完全的開(kāi)發(fā)了單片機(jī)自身的功能，接口利用了 89C51 的 P0 口具有較大的電流驅(qū)動(dòng)能力的特點(diǎn)，未擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)芯片，直接由單片機(jī)驅(qū)動(dòng)，簡(jiǎn)化了硬件電路。 3．程序調(diào)試 本系統(tǒng)進(jìn)行了全面的程序設(shè)計(jì)，顯示程序、中斷服務(wù)程序和初始化程序，并對(duì)這些程序在 uVision2 軟件上進(jìn)行編譯和調(diào)試，可以運(yùn)行和轉(zhuǎn)換成 HEX 文件，通過(guò)編程器寫(xiě)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(xué)識(shí)淺簿，在論文的創(chuàng)作過(guò)程中，每遇到困難都是導(dǎo)師在理論上予以幫助和鼓