【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 由被測(cè)脈沖序列來(lái)同步。整個(gè)測(cè)量過(guò)程如下。 A 點(diǎn)時(shí)計(jì)數(shù)器對(duì)被測(cè)脈沖 M1 和高頻基準(zhǔn)脈沖 M2 同時(shí)計(jì)數(shù)。到達(dá) B 點(diǎn)時(shí)，預(yù)設(shè)定的測(cè)速時(shí)間 TC 已到。系統(tǒng)發(fā)出停止計(jì)數(shù)命令。而此時(shí)，由于預(yù)設(shè)定的時(shí)間 TC 不一定恰好等于整數(shù)個(gè)被測(cè)脈沖的脈沖周期。所以計(jì)數(shù)器仍對(duì)高頻基準(zhǔn)脈沖繼續(xù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。在 D 點(diǎn)被測(cè)脈沖的上升沿使計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。這樣，高頻基準(zhǔn)脈沖個(gè)數(shù) M2 所對(duì)應(yīng)的計(jì)時(shí)時(shí)間就代表了 M1 個(gè)被測(cè)脈沖周期的時(shí)間，那么該高頻基準(zhǔn)脈沖頻率為 F，傳感器每轉(zhuǎn)發(fā)過(guò) P 個(gè)脈沖，則轉(zhuǎn)速可精確求出： N=（ 60M1/P） /（ M2/F）。 由于測(cè)量過(guò)程中，從整數(shù)個(gè)被測(cè)脈沖開(kāi)始計(jì)時(shí)，整數(shù)個(gè)被測(cè)脈沖結(jié)束。記錄的是整個(gè)脈沖，從而消除了其他計(jì)數(shù)法中，正負(fù)一個(gè)被測(cè)脈沖引入的誤差 ,從而有了較高的精度。 長(zhǎng)春理工大學(xué)畢業(yè)論文 5 圖 計(jì)數(shù)脈沖時(shí)序圖 M1 為被測(cè)脈沖個(gè)數(shù) M2 為用于計(jì)數(shù)計(jì)時(shí)的高頻脈沖個(gè)數(shù) Tc 為預(yù)設(shè)定的定時(shí)時(shí)間 T 為實(shí)測(cè)到的 M1 個(gè)脈沖時(shí)間 長(zhǎng)春理工大學(xué)畢業(yè)論文 6 第三章 非接觸自動(dòng)測(cè)長(zhǎng) 測(cè)速 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 構(gòu)成應(yīng)用系統(tǒng)的基本方法 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的范圍很廣，在不同領(lǐng)域的應(yīng)用，其要求各不相同，構(gòu)成的方案也千差萬(wàn)別，沒(méi)有完全固定的方法可循。但處理問(wèn)題的基本方法大體相似。研究者接到某項(xiàng)任務(wù)后，在進(jìn)行應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，大都要經(jīng)歷以下步驟。 確定指標(biāo) 接到研制任務(wù)后，首先要進(jìn)行系統(tǒng)的需求分析，以確定系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功 能。在對(duì)系統(tǒng)的工作過(guò)程進(jìn)行深入分析之后，把系統(tǒng)最終要達(dá)到的性能指標(biāo)明確下來(lái)。 可行性研究 可行性研究的目的是分析完成這個(gè)項(xiàng)目的可能性。根據(jù)可行性研究的結(jié)論來(lái)決定系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)研制工作是否值得進(jìn)行下去。在完成這項(xiàng)工作時(shí)，查閱了國(guó)內(nèi)外的相關(guān)資料，看是否有人成功地做過(guò)類(lèi)似的系統(tǒng)。如果有，可以借鑒他們的優(yōu)點(diǎn)，若有可能對(duì)其不足之處進(jìn)行改進(jìn)。若查不到成功的實(shí)例，則作進(jìn)一步的研究，此時(shí)的重點(diǎn)要放在能否實(shí)現(xiàn)這個(gè)環(huán)節(jié)上。經(jīng)理論分析和實(shí)際調(diào)研后，若可行，就制定出開(kāi)發(fā)計(jì)劃，同時(shí)進(jìn)入總體方案設(shè)計(jì)階段。若不行，或放棄或該用其 他的控制系統(tǒng)。 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 在明確了任務(wù)、確立了指標(biāo)及可行性研究后，下一步工作就是系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)。在對(duì)應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行總體方案設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)要完成的各項(xiàng)功能，把工作重點(diǎn)放在技術(shù)難點(diǎn)上。此時(shí)，可參考國(guó)內(nèi)外類(lèi)似系統(tǒng)的技術(shù)資料，取長(zhǎng)補(bǔ)短以減少重復(fù)性勞動(dòng)，提出合理可行的技術(shù)指標(biāo)。最后擬定出性能 /價(jià)格比最高的一套方案。 總體方案確定以后，下一步的工作重點(diǎn)應(yīng)放在硬件選型及軟、硬件設(shè)計(jì)上。對(duì)于單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)而言，傳感器的選擇至關(guān)重要，對(duì)不同傳感器的選擇原則及方法，以下章節(jié)均有介紹。對(duì)系統(tǒng)中軟、硬件的 設(shè)計(jì)要明確分工，原則上要盡可能發(fā)揮單片機(jī)以軟件代替硬件的長(zhǎng)處，能夠由軟件來(lái)完成的任務(wù)，就盡可能用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，以便簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)，降低成本，提高系統(tǒng)工作的可靠性。但也應(yīng)考慮到以軟件代替硬件功能是以降低系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性為代價(jià)的因此，軟、硬件任務(wù)的劃分要根據(jù)系統(tǒng)的要求及實(shí)際情況做合理安排，全盤(pán)考慮。在確定了軟件及硬件應(yīng)完成的任務(wù)后，系統(tǒng)的大致規(guī)模及軟、硬件的基本框架就確定了。在一個(gè)大的測(cè)控系統(tǒng)研制過(guò)程中，課題組每個(gè)成員長(zhǎng)春理工大學(xué)畢業(yè)論文 7 要盡其所長(zhǎng)，避其所短，分工協(xié)作，這樣就能加快研制工作進(jìn)度，圓滿地完成工作任務(wù)。在明確了分工任務(wù)后，就各 自進(jìn)入具體的設(shè)計(jì)階段。 應(yīng)用系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)方法 硬件設(shè)計(jì)是指應(yīng)用系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)，一般來(lái)講這部分設(shè)計(jì)可分為兩大部分內(nèi)容：一是數(shù)字電路部分，二是模擬電路部分。數(shù)字電路設(shè)計(jì)即單片機(jī)系統(tǒng)的擴(kuò)展，它包括與單片機(jī)直接接口的數(shù)字電路，如存儲(chǔ)器和接口的擴(kuò)展。存儲(chǔ)器的擴(kuò)展指 EPROM、E178。PROM 和 RAM 的擴(kuò)展。接口擴(kuò)展是指串、并行接口（如 825 815 827 7219等）及其他功能器件的擴(kuò)展。這部分設(shè)計(jì)一般都能找到相關(guān)的參考資料，因此相對(duì)來(lái)講較容易一些。與模擬電路相關(guān)的電路設(shè)計(jì)包括信號(hào)放大、整形、變換、 隔離、驅(qū)動(dòng)和傳感器的選擇。這部分電路的設(shè)計(jì)相對(duì)較難把握，一旦 設(shè)計(jì)有誤，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能將產(chǎn)生嚴(yán)重影響。 考慮好硬件電路要完成的任務(wù)后，腦子里應(yīng)有一個(gè)大體的框架，畫(huà)出硬件電路的框圖，確定硬件電路的整體方案，并進(jìn)行詳細(xì)的技術(shù)分析。下一步就要畫(huà)出所有硬件的電器原理圖。在繪制原理圖過(guò)程中，所設(shè)計(jì)到的具體電路可參考他人在這方面的工作。因?yàn)樗擞眠^(guò)的電路往往具有一定的合理性，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合自己的設(shè)計(jì)目的取長(zhǎng)補(bǔ)短。當(dāng)然，有些電路還需要自己設(shè)計(jì)，完全照搬拼湊出一個(gè)硬件系統(tǒng)圖是不可靠的。 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)軟件的設(shè) 計(jì)方法 根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的分工，硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，下一步工作就是應(yīng)用系統(tǒng)的軟件編制。編制軟件離不開(kāi)硬件，對(duì)于軟件編制人員來(lái)講，在工作進(jìn)行之前要和硬件設(shè)計(jì)充分溝通，只有充分了解硬件系統(tǒng)的工作過(guò)程，才能確定軟件的任務(wù)，最終達(dá)到完美的統(tǒng)一。因此軟件設(shè)計(jì)要結(jié)合硬件進(jìn)行，其任務(wù)也是應(yīng)用系統(tǒng)研制過(guò)程中最艱巨的，其難度也比較大。對(duì)于某些較復(fù)雜的應(yīng)用系統(tǒng)，不僅要使用匯編語(yǔ)言來(lái)編程，有時(shí)還要使用高級(jí)語(yǔ)言，最常用的高級(jí)語(yǔ)言有： PL/M51 和 C51。 應(yīng)用系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主題包括兩大部分：用于管理應(yīng)用系統(tǒng)的管理程序（監(jiān)控程序）和用 于執(zhí)行具體任務(wù)的執(zhí)行程序。管理程序是應(yīng)用系統(tǒng)的管理軟件，它用來(lái)協(xié)調(diào)各執(zhí)行程序模塊和操作者的關(guān)系，在系統(tǒng)中充當(dāng)組織、指揮的角色。對(duì)于單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，管理程序和執(zhí)行程序是很難分清楚的，它們都是應(yīng)用程序所以在軟件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面： ⑴ 根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)功能要求及分配給軟件的任務(wù)，采用自上向下逐層分解的方式，把復(fù)雜的系統(tǒng)進(jìn)行合理的分解。將軟件劃分為若干個(gè)相對(duì)獨(dú)立的部分，在根據(jù)各部分的關(guān)系設(shè)計(jì)出軟件的整體框架，畫(huà)出軟件需求的框圖，要求軟件結(jié)構(gòu)清晰、簡(jiǎn)潔，流程合理。 長(zhǎng)春理工大學(xué)畢業(yè)論文 8 ⑵ 盡可能采用結(jié)構(gòu)化模塊設(shè)計(jì)，根據(jù)軟件任務(wù)導(dǎo) 出軟件模塊，得到軟件模塊結(jié)構(gòu)及各模塊之間的接口定義，要求各模塊功能單一，盡可能把各模塊之間的聯(lián)系減少到最低限度。模塊化設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是每個(gè)模塊可以單獨(dú)設(shè)計(jì)，也可以利用原有的成熟程序，這樣既便于軟件調(diào)試、鏈接，又便于移植、修改。對(duì)于復(fù)雜的應(yīng)用系統(tǒng)軟件，這一點(diǎn)是至關(guān)重要的。 ⑶ 在對(duì)各功能模塊編制前，要仔細(xì)分析模塊所要完成的功能，建立正確的數(shù)學(xué)模型，繪制出詳細(xì)的程序流程圖，這是軟件設(shè)計(jì)人員必須養(yǎng)成的習(xí)慣。 ⑷ 軟件設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮應(yīng)用系統(tǒng)的硬件環(huán)境，合理地分配系統(tǒng)資源，包括片內(nèi)、片外程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、中斷源等。根據(jù) 51 系列單片機(jī)尋址方式的特點(diǎn)，片內(nèi) RAM 的分配方式尤為重要。一般來(lái)講，片內(nèi) RAM 的 00H~07H8個(gè)單元留作 R0 和 R1 用， 20H~2FH 這 16 個(gè)單元留作各種標(biāo)志位、邏輯變量、狀態(tài)變量等。堆棧區(qū)設(shè)置要留有一定余量。最后對(duì)各功能模塊和子程序的入 /出口條件、 RAM的分配情況要列出一張分配表，以便編程時(shí)查詢。 ⑸ 無(wú)論用匯編語(yǔ)言還是用高級(jí)語(yǔ)言編程，為了使程序增加可讀性，也為日后修改程序方便，在程序的相關(guān)位置必須加上功能注釋。 ⑹軟件的抗干擾設(shè)計(jì)也是應(yīng)用系統(tǒng)軟件編程的重要組成部分。雖然在硬件設(shè)計(jì) 中采用了硬件抗干擾措施，但由于單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)往往都運(yùn)行在環(huán)境惡劣、干擾嚴(yán)重的場(chǎng)合，因此完全依靠硬件來(lái)解決抗干擾問(wèn)題往往達(dá)不到預(yù)期效果，這時(shí)還需要軟件抗干擾措施相配合，只有雙管齊下，才能使應(yīng)用系統(tǒng)運(yùn)行更加可 單片機(jī) 8051 及相關(guān)電路設(shè)計(jì) 單片機(jī)以其與通用 CPU完全不同的發(fā)展模式，為滿足工業(yè)測(cè)控功能、惡劣環(huán)境下的可靠運(yùn)行己任。在單片機(jī)技術(shù)發(fā)展過(guò)程中， Intel 公司 ８ 位單片機(jī)的發(fā)展最具典型性、完整性和兼容性，現(xiàn)以該系列為代表介紹其發(fā)展年代，其它系列可找到相類(lèi)似情況。 單片機(jī)簡(jiǎn)介 第一代單片機(jī)只是 將 CPU及其外圍計(jì)算機(jī)功能單元，如 I/O 口、定時(shí)／計(jì)數(shù)器、程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、中斷系統(tǒng)等集成在單片芯片中，其典型系列為 MCS48單片機(jī)。第一代單片機(jī)作為單片微控制器的技術(shù)探索，在取得到預(yù)計(jì)的結(jié)果后便迅速轉(zhuǎn)向第二代產(chǎn)品研究，以尋求單片機(jī)最佳的內(nèi)、外部結(jié)構(gòu)。 第二代單片機(jī)以其 SFS 管理下的模塊化結(jié)構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)的外部并行總線（ AB、 DB、CB）結(jié)構(gòu)和為構(gòu)成多機(jī)與網(wǎng)絡(luò)系的 UART 串行接口為其重要技術(shù)特征。這一代單片機(jī)為不斷完善，提高 Micro controller 的控制功能提供了一個(gè)良好的 Single Chip Microputer,但內(nèi)部功能模塊的設(shè)置還沒(méi)有超出 Microputer。 長(zhǎng)春理工大學(xué)畢業(yè)論文 9 第三代單片機(jī)則以大力發(fā)展控制功能，提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，逐步將測(cè)、控系統(tǒng)要求的外部接口電路納入片內(nèi)，以朝著真正實(shí)現(xiàn) Micro controller 所應(yīng)具備的功能為目標(biāo)。其中一些目標(biāo)首先在 MCS96 中得到了具體的實(shí)現(xiàn)，如高速 I/O 口 、 ADC、 PWM、Watchdog 等。在隨后第三代 ８ 位單片機(jī)中迅速地普及了這些技術(shù)。特別是一些大電氣商介入單片機(jī)的發(fā)展后，以其在單片機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域中的豐富經(jīng)驗(yàn)，迅速而有效地推動(dòng)了第三代單片機(jī)的形 成和發(fā)展。第三代單片機(jī)的主要特點(diǎn)是：大力發(fā)展綜合控制功能；不斷推出指令、總線兼容下不同外圍 功能的系列單片機(jī)；提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。目前各大公司都已進(jìn)入第三代單片機(jī)發(fā)展階段，其中最為典型、對(duì)我國(guó)單片機(jī)技術(shù)發(fā)展和更新影響最大的當(dāng)推 80C51 系列。 單片機(jī) 8051基本組成原理 單片機(jī)又稱(chēng)微控制器（ microcontroller）是將中央處理器（ CPU）存儲(chǔ)器、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、 IO 接口電路等部件集成在一塊芯片上的微型計(jì)算機(jī)。目前，單片機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展，在各種場(chǎng)合被廣泛應(yīng)用。單片機(jī)做為控制核心，與傳感器、執(zhí) 行機(jī)構(gòu)等結(jié)合可以組成自動(dòng)化的檢測(cè)控制系統(tǒng)，本文結(jié)合單片機(jī)的定時(shí) /計(jì)數(shù)器的端口功能，開(kāi)發(fā)一種實(shí)用的檢測(cè)裝置。 MCS51 是由美國(guó) INTEL 公司生產(chǎn)的系列單片機(jī)，其中以 8051 最為典型，由內(nèi)部總線將邏輯運(yùn)算器 ALU、累加器 A、程序計(jì)數(shù)器 PC、指令寄存器 IR、指令譯碼器 ID、控制邏輯 PLA、存儲(chǔ)器、輸入輸出口聯(lián)結(jié)成統(tǒng)一的整體，以實(shí)現(xiàn)其功能。 8051 單片機(jī)是 8 位機(jī) 32 根 I/O 線 即 4 個(gè)并口分別記做 ，集成 128K 的片內(nèi) RAM 和4K 片 內(nèi) ROM，其具有的兩個(gè) 16 位定時(shí)計(jì)數(shù)可通過(guò)編程實(shí)現(xiàn) 4 種工作模式。 頻率基準(zhǔn)源 計(jì) 數(shù) 器 中 斷 控 制 并行 I/O 串行輸入 串行輸出 長(zhǎng)春理工大學(xué)畢業(yè)論文 10 圖 8051 單片機(jī)框圖 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作 目前， MCS51 系列及具有 51 內(nèi)核的單片機(jī)以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，在智能儀表、家用電器、工業(yè)控制、數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡(luò)通信 等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。各行各業(yè)的工程技術(shù)人員正在根據(jù)自己的任務(wù)進(jìn)行單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)工作，從而改變了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法。 以前必須由模擬電路或數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)的大部分控制功能，現(xiàn)在已能由單片機(jī)通過(guò)軟件方法來(lái)實(shí)現(xiàn)了，因此使控制系統(tǒng)的性能大大提高，應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛。本章介紹