【文章內(nèi)容簡介】 使用的定時 /計數(shù)器的個數(shù)及 I/O 口線，預(yù)選用 89C51 單片機。具體工作情況在后討論 。 由于 LED 數(shù)碼管具有亮度高、可靠性好等特點，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。 LED 顯示器是用發(fā)光二極管顯示 字段的，通常使用七段構(gòu)成 “ 日 ” 字型和一只發(fā)光二極管作為小數(shù)點，稱八段數(shù)碼顯示器。其有兩種驅(qū)動方式，共陰驅(qū)動和共陽驅(qū)動，共陰驅(qū)動是各段發(fā)光二極管的陰極連在一起，并將公共端接地，在共陽結(jié)構(gòu)中，將各段發(fā)光二極管陽極連在一起，并將公共端接上 +5V 電源，顯示字符對應(yīng)字型代碼發(fā)光。 轉(zhuǎn)速測量原理 法 ( 測周期法 ) 它 是測量光電脈沖發(fā)生器所產(chǎn)生的相鄰兩個轉(zhuǎn)速脈沖信號的時間來確定轉(zhuǎn)速。相鄰兩個轉(zhuǎn)速脈沖信號時間的測量是采用對已知高頻脈沖信號進行計數(shù)來實現(xiàn)的。在極端情況下， 時間的測量會產(chǎn)生士 1 個高頻脈沖 周期， 因此 T法在被測轉(zhuǎn)速較低 ( 相鄰兩個轉(zhuǎn)速脈沖信號時間較大 ) 時， 才有較高的測量精度， 所以 T法 適合于低速測量 。所以轉(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)。 T p通過定時器測得。定時器對時基脈沖 (頻率為 fc)進行計數(shù)定時，在 Tp內(nèi)計數(shù)值若為 m2，則計算公式為： n=60/pTp (22) 東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 （論文） 課題涉及到的相關(guān)技術(shù)及原理 9 即： n=60fc/Pm2 （ 23） 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 由 理論 可知“ T”法測量精度的誤差主要有兩個方面上，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。 2. M 法 ( 測頻法 ) 在規(guī)定的檢測時間內(nèi)， 檢測光電脈沖發(fā)生器所產(chǎn)生的脈沖信號的個數(shù)來確定轉(zhuǎn)速。雖然檢測時間一定，但檢測的起止時間具有隨機性， 因此 M法測量轉(zhuǎn)速在極端情況下會產(chǎn)生士 1 個轉(zhuǎn)速脈沖的誤差。當(dāng)被測轉(zhuǎn)速較高或電機轉(zhuǎn)動一圈發(fā)出的轉(zhuǎn)速脈沖信號的個數(shù)較大時， 才有較高的測量精度， 因此 M 法適合于高速測量。在一設(shè)在時間 T內(nèi)，轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過的弧度數(shù)為 X1，則的轉(zhuǎn)速 n 可由下式表示：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 [10]。 即： n=60X1/2Tπ (24) 轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過的弧度數(shù) X1可用下式所示 X1=2π m1/p (25) 將 (25)式代入 (24)式，得轉(zhuǎn)速 n的表達式為： n=60m1 /Tp (26) n轉(zhuǎn)速單位：（轉(zhuǎn) /分 )T定時時間單位：（秒） 3. M／ T法 ( 頻率，周期法 ) 它是同時測量 檢測時間和在此檢測時間內(nèi)光電脈沖發(fā)生器所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速脈沖信號的個數(shù)來確定轉(zhuǎn)速。由于同時對兩種脈沖信號進行計數(shù)， 因此只要 “ 同時性 ” 處理得當(dāng)， M/ T法在高速和低速時都具有較高的測速精度。 “M/T” 法采用三個定時 /計數(shù)器，同時對輸入脈沖脈、高頻脈沖（由振蕩器產(chǎn)生）、及預(yù)設(shè)的定時時間進行定時和計數(shù)， m1反映轉(zhuǎn)角， m2反映測速的準(zhǔn)確時間，通過計算可得轉(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點開始，計數(shù)器對 m1和 m2計數(shù)，到達 b 點，預(yù)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東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 （論文） 課題涉及到的相關(guān)技術(shù)及原理 10 個脈沖周期的時間。 “M/T” 法綜合了 “T” 和 “M” 兩種方法，轉(zhuǎn)速計算如下：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（ 23）和（ 26）可得 M/T 法轉(zhuǎn)速計算公式為： n=60m1/Tp (27) n轉(zhuǎn)速值。單位 ：（轉(zhuǎn) /分） fc晶體震蕩頻率。單位 HZ， m2輸入脈沖數(shù)，反映轉(zhuǎn)角。 m2時基脈沖數(shù)。 誤差和精度分析 碼盤刻度誤差分析 原理上測量誤差的來源主要有碼盤刻線誤差、計數(shù)過程中的177。 1誤差、時 間基準(zhǔn)誤差、干擾造成的誤觸發(fā)引起的誤差。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(zhǔn)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。 1誤差。因此碼盤刻線 誤差和標(biāo)準(zhǔn)時間計數(shù)值中的177。 1 誤差是影響測量準(zhǔn)確度的主要因素 [11]。 誤差分析： 誤 差可看為兩部分產(chǎn)生 Ε /wt+Tc/t (27) Ε /wt刻度誤差 Tc/t 177。 1誤差 由（ 27）式可知：增大測量時間 t有利于提高測量準(zhǔn)確度。在動態(tài)性能許可的情況下，應(yīng)盡可能采用大的測量時間。通常碼盤脈沖倍頻數(shù)可以是 P 的整數(shù)倍。在測量時間和碼盤脈沖倍頻數(shù)確定后，確定標(biāo)準(zhǔn)時間 Tc。以確保測量準(zhǔn)確度為準(zhǔn)。在其他條件不變的情況下，轉(zhuǎn)速越高，碼盤刻線誤差越?。环粗?，刻線誤差越大。實際測量時間 t 隨 Tc 的增大而增大。 東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 （論文） 課題硬件電路設(shè)計 11 3 課題 硬件電路設(shè)計 硬件電路設(shè)計 硬件設(shè)計的任務(wù)是：根據(jù)總體設(shè)計要求，確定系統(tǒng)擴展所需的存儲器 I/O電路 ,A/D,D/A 電路以及有關(guān)外圍電路等，然后設(shè)計出系統(tǒng)的電路原理圖。 一個單片機應(yīng)用系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計應(yīng)包含有兩個部分內(nèi)容： 內(nèi)部 系統(tǒng)擴展，即當(dāng)單片機內(nèi)部的功能單元，如 片內(nèi) ROM、 RAM 的容量、 I/O 接 口、定時 /計數(shù)器、中斷系統(tǒng)等容量不能滿足應(yīng)用系統(tǒng)要求時， 在許多實際應(yīng)用系統(tǒng)中，還需要擴展片EPROM、 RAM、 I/O 接口以及定時器 /計數(shù)器等， 設(shè)計相應(yīng)的電路 [12]。 外部 系統(tǒng)配置，即按照系統(tǒng)功能要求配置外圍設(shè)備，如鍵盤、顯示器、打印機、 D/A、 A/D轉(zhuǎn)換器等，并設(shè)計相應(yīng)的接口電路。因此，系統(tǒng)的擴展和配置應(yīng)遵循下列原則： 盡可能選擇典型電路，并符合單片機的常規(guī)用法。 系統(tǒng)的擴展與外圍設(shè)備配置應(yīng)滿足系統(tǒng)功能的要求，并留有適當(dāng)?shù)挠嗔?，以便進行二次開發(fā)。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(yīng)時間比硬件長。單片機外接電路較多時，應(yīng)考慮其驅(qū)動能力，減少芯片功耗，降低總線負載。根據(jù)上述原則，設(shè)計系統(tǒng)如圖 31所示 [13] 電路工作原理分析 本系統(tǒng)單片機采用 Atmel 公司生產(chǎn)的 89C51 作為主控制器，用 5位 LED 數(shù)碼 PLG 脈沖整形 驅(qū)動 圖 31 測量轉(zhuǎn)速原理框圖 89C51 東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 （論文） 課題硬件電路設(shè)計 12 管作為顯示。 89C51 單片機的 I/O 口輸出特性 是有較大的灌入電流能力，其中 P0口的灌電流能力可達 20mA，完全可以用于數(shù)碼管的驅(qū)動，但只有很弱的“吐”電流的能力，因此本系統(tǒng)中選用共陽型數(shù)碼管，將 P0 口作為數(shù)碼管的段驅(qū)動，P2 口的 5 位接 5 只 PNP 型三極管構(gòu)成位驅(qū)動。這樣，省去了顯示驅(qū)動芯片，提高了性價比。 設(shè)計采用了紅外光電傳感器，進行非接觸式檢測．當(dāng)有物體擋在紅外發(fā)光二極管和高靈敏度的光電晶體管之間時，傳感器將會輸出一個低電平，而當(dāng)沒有物體擋在中間時則輸出為高電平，從而形成一個脈沖．在電動機的轉(zhuǎn)軸上安裝一個轉(zhuǎn)盤，在這個轉(zhuǎn)盤的邊沿處挖出若干個圓形過孔，把傳 感器的檢測部分放在圓孔的圓心位置．每當(dāng)轉(zhuǎn)盤隨著后輪旋轉(zhuǎn)的時候，傳感器將向外輸出脈沖．把這些脈沖通過一系列的波形整形成單片機可以識別的 高低 電平，即可算出輪子即時的轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)盤的圓孔的個數(shù)決定了測量的精度，個數(shù)越多，精度越高．這樣就可以在單位時間內(nèi)盡可能多地得到脈沖數(shù)，從而避免了因為兩個過孔之間的距離過大，而正好在過孔之間或者是在下個過孔之前停止了，造成較大的誤差．設(shè)計中轉(zhuǎn)盤的圓孔的實際個數(shù)受到技術(shù)的限制．為了達到預(yù)定的效果設(shè)計在轉(zhuǎn)盤過孔的設(shè)計上采用 11個過孔，從而留下了 1O 個同等的間距．這樣在以后的軟件設(shè)計中能 夠較為方便的計算出脈沖頻率．其中單片機單片機的 1 19 腳接晶體和兩個 27PF 的電容，這里選用振蕩頻率為 12MHZ 的晶體。 為了說明轉(zhuǎn)速測量原理，減少硬件的復(fù)雜程度和投入，在不影響分析的基礎(chǔ)上，這里使用了脈沖發(fā)生器產(chǎn)生方波來替代，并通過程序中設(shè)置，模擬碼盤每轉(zhuǎn)的線數(shù)及通過調(diào)節(jié) NE555 構(gòu)成的脈沖發(fā)生器的頻率來模擬轉(zhuǎn)速的快慢。沒有考慮波形畸變和干擾，在實際應(yīng)用中也可以用整形和抗干擾電路來調(diào)整。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)。 東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 （論文） 系統(tǒng)程序設(shè)計與實現(xiàn) 13 4 系統(tǒng)程序設(shè)計與實現(xiàn) 程序 設(shè)計過程 方案 分析 硬件電路設(shè)計完畢，即進行程序設(shè)計，在程序設(shè)計之前，首先要確定定時器的工作方式，方式控制字，確定串行口的工作模式等，下面分別討論。 系統(tǒng) 定時 /計數(shù)器 T0分析 本系統(tǒng)設(shè)計中， T0 被用于計數(shù)，我們當(dāng)然希望計數(shù)量大為好，這樣 可以獲得較大的測量范圍，因此， T0選定為工作方式 1（ 16位的計數(shù)方式），設(shè)計中，沒有使用外部控制端，僅用指令置位 /清零 TR0 來進行計數(shù)的啟動 /停止， 這樣 電路較為簡單，但精度會受到一定的影響，但在本設(shè)計中，認為采用這種方式，精度可達到要求，因此， T0采用自由計數(shù)的 方式，不用預(yù)置初值。 系統(tǒng) 定時 /計數(shù)器 T1分析 本系統(tǒng)設(shè)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。確定了定時 /計數(shù)器 T1 的定時時間以后，就要計算定時初值，本系統(tǒng)用了 12M 的晶振，恰好是一個機器周期為 1us，因此， 4ms 定時時間意味著只要計數(shù) 4000 次即可，由于定時 /計數(shù)器 T1 是向上計數(shù)，因此，要化為 16進制，并 分別送入 T1的高 8 位和低 8 位。這里，采用的 keil 匯編軟件有較強的預(yù)處理功能，能夠處理較復(fù)雜的運算，因此，程序中可寫為： MOV TH1， HIGH(655364000) MOV TL1， LOW(655364000) 這里使用了兩條指令 High 和 Low，它們的用途分別是取其后括號中數(shù)值的高 8 位和低 8 位，因此，這兩行語句的含義就是取 65536－ 4000 的高 8位和低 8位，寫成 65536－ 4000 而不是寫出其結(jié)果 61536 可以提高程序的維護性，直觀地看到定時初值。由于 80C51 單片機在中斷時，會附加延時 38個周期，在滿足一定條件的情形下，驗證這個數(shù)值是否正確，可以在進入仿真調(diào)試時通過觀察 Keil提供的有關(guān)變量看到，如果不正確，可以根據(jù)實際情況略作調(diào)整，保證定時時間為 4ms。