【正文】 可由下式表示： (式 ） 轉軸轉過的弧度數(shù) Xτ可用下式所示 ： (式 ) 將 式 式 ，得 轉速 n 的表達式為： (式 ) n轉速單位：（轉 /分 ） 中北大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 11 頁 共 36 頁 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 和脈沖的不能保證嚴格同步，以及在 T內能否正好測量外部脈沖的完整的周期，可能產生的 1個脈沖的量化誤差 [7]。定時時間可根據(jù)測量對象情況預先設置。而設置的時間過短，測量精度會受到一定的影響。 同時在同一時間內脈沖發(fā)生器產生的脈沖數(shù) m1及內部時鐘脈 沖 數(shù) m2來計算，公式為： n=60m1／ pm2。該法在高速及低速時都具有相對較高的精度。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。單 位：（轉 /分） fc晶體震蕩頻率。 m2時基脈沖數(shù)。 “ T 法”測量誤差分析 中北大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 13 頁 共 36 頁 因 m1的量化誤差也是 1個脈沖，故引起的轉速變化也可以由下式給出： (式 ) 其相對誤差為： (式 ) 所以由 式 可知，ε隨轉速減小而減小，因此。 “ M/T 法”測量誤差分析 由其測量原理可知。 因而，轉速變化為： 其相對誤差為： (式 ) 由上式可知： 這種轉速測量方法的相對誤差與轉速 n 無關，只與晶體振蕩產生的脈沖有關，故可適合各種轉速下的測量。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始終等于轉速輸入脈沖信號的周期之和。 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。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。因此碼盤刻線誤差和標準時間計數(shù)值中的177。 誤差分析： 誤差可看為兩部分產生： (式 ) 式中 t— 實際測量時間 — 刻度誤差 — 177。在動態(tài)性能許可的情況下，應盡 可能采用大的測量時間。在測量時間和碼盤脈沖倍頻數(shù)確定后，確定標準時間 Tc。 在其他條件不變的情況下，轉速越高，碼盤刻線誤差越小；反之，刻線誤差越大。 轉速測量電路設計 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容： 第一是系統(tǒng)擴展，即當單片機內部的功能單元，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。因此，系統(tǒng)的擴展和配置 中北大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 15 頁 共 36 頁 應遵循下列原則： ⒈ 盡可能選擇典型電路，并符合單片機的常規(guī)用法。 ⒊ 硬件結構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。 本系統(tǒng)由于只考慮轉速的測量與顯示，在考慮系統(tǒng)配置和擴展時，盡可能利用單片機本身的資源，以提高性價比，選擇 89C51 系列的單 片機作為系統(tǒng)的控制芯片。而本轉速測量系統(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，一個用于對內部高頻脈沖計數(shù)的定時器，用于調整、預定定時時間。 電路工作原理分析 [10] 本系統(tǒng)單片機采用 Atmel 公司生產的 89C51 作為主控制器，用 6 位 LED 數(shù)碼管作為顯示。 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。則時間常數(shù) ，這個時間常數(shù)，足以完成復位操作。 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。 3．脈沖發(fā)生器 為了說明轉速測量原理，減少硬件的復雜程度和投入，在不影響分析的基礎上，這里 使用了脈沖發(fā)生器產生方波來替代，并通過程序中設置，模擬碼盤每轉的線數(shù)及通過調節(jié) NE555 構成的脈沖發(fā)生器的頻率來模擬轉速的快慢。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)。 5．鍵盤 為使系統(tǒng)更有靈活性及有擴展性，本系統(tǒng)在設計時，預留了鍵盤部份，利用該鍵盤，可以進行設置系統(tǒng)允許的最高 /低轉速值等操作，以便在今后的工 作中對此板作進一步的開發(fā)。 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。 中北大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 17 頁 共 36 頁 3 系統(tǒng)程序設計和調試 程序設計初步 硬件電路設計完畢，即進行程序設計，在程序設計之前，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。 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。這里，采用的 keil 匯編軟件有 較強的預處理功能，能夠處理較復雜的運算，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 而不是寫出其結果 61536 可以提高程序的維護性，直觀地看到定時初值。 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。由 GATE、軟件控制位 TR0/1 和 INT0/1 共同決定定時 /計數(shù)器 0/1 的打開或關閉。 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。 C /T=1，工作于計數(shù)器方式； C /T=0 工作于定時器方式。 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)。 程序中用： MOV TMOD， 00010101B 將控制 字送入 TMOD。 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。 TR TR0 分別用于開啟 T1 和 T0 的開關位，其中 TR1 由系統(tǒng)開啟時，直接置位，打開 T1，開始定時，經(jīng)運行判斷后，打開 TR0。 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]。 DISPBUF EQU 5AH；顯示緩沖區(qū)從 5AH 開始，共 5個單元。 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 P2， 0FFH；將 P2 置位高電平，以上三行熄滅所有 LED 及數(shù)碼管。 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。這部份的程序流程圖如圖 所示。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。下面以顯示計數(shù)器值等于 2 為例，加以說明。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 是段驅動。 這種處理方法使得該程序具有很強的通用性，只要改變計數(shù)值，改變位碼表，即可用于不同位數(shù)、不同接法的數(shù)碼管驅動。