【正文】 周法與測頻法 1引言在對氣象學越加重視的今天，氣象數(shù)據(jù)的采集更顯重要。同時，風速、風力的測量在某些行業(yè)，譬如煤炭，飛機，汽車，電力等都十分重要。目前，國內(nèi)使用的風速儀，多數(shù)沿用機械傳動，靈敏度低，誤差大，對于較多的測風點常采用一個計數(shù)器測量，而野外自然風陣性變化較大，這樣會引起失真和較大誤差。 本系統(tǒng)借助傳統(tǒng)風速儀測量設(shè)備，以單片機為處理信號的工具，使風速的測量精確，及時。因此，本文設(shè)計了基于單片機的風速儀。 傳感器整形放大單片機處理輸出結(jié)果圖1 測量系統(tǒng)框圖圖中傳感器部分包括金屬圓盤和紅外光電開關(guān)。旋轉(zhuǎn)體每轉(zhuǎn)一圈紅外光電開關(guān)便可以輸出60~360個脈沖信號，該脈沖信號經(jīng)過整形放大，送給8031單片機進行處理，便可顯示結(jié)果。8031單片機在這里的作用是采樣信號脈沖，并按照一定的計算公式求得所需要的被測量。關(guān)鍵是本設(shè)計可以擴充幾個功能，使其在生產(chǎn)運用上更加方便。加入控制信號，可以選側(cè)測量的數(shù)值為瞬時速度，或者為平均速度，這樣可以進一步計算出瞬時加速度，并且可以保存一段時間的測量平均值等等。8031單片機內(nèi)含有兩個16位定時/計數(shù)器，既可以對內(nèi)部機器周期計數(shù)產(chǎn)生定時信號，也可以對外部輸入脈沖進行計數(shù)。當=1時為計數(shù)模式，當=0時為定時模式GATE：選通控制。，中斷1請求端口，低電平有效。3 技術(shù)介紹本系統(tǒng)在設(shè)計過程中需要用到8031單片機，系統(tǒng)擴展、接口技術(shù)，三總線，中斷技術(shù)等。HMOS制造工藝的MCS51單片機都采用40引腳的直插封裝（DIP方式）芯片的引腳描述：(1) 主電源引腳VCC和VSS(2) 外接晶體引腳XTAL1和XTAL2(3) 控制或與其它電源復用引腳RST/VPD、ALE/PROG、PSEN和EA/VPP (4)輸入/輸出（I/O）引腳P0、PPP3（共32根）訪問外部程序存儲器時序操作過程如下:（時序圖略）（1）在S1P2時刻產(chǎn)生ALE信號。而P2口送出的高8位地址在整個讀指令的過程中都有效，因此不需要對其進行鎖存。（3）從S3P1開始，開始有效，對外部程序存儲器進行讀操作，將選中的單元中的指令代碼從P0口讀入，S4P2時刻，失效。訪問外部數(shù)據(jù)存儲器的操作過程如下：（1）從第1次ALE有效到第2次ALE開始有效期間，P0口送出外部ROM單元的低8位地址，P2口送出外部ROM單元的高8位地址，并在有效期間，讀入外部ROM單元中的指令代碼。（3）在第2個機器周期，第1次ALE信號不再出現(xiàn)，此時也失效，并在第2個機器周期的S1P1時，信號開始有效，從P0口讀入選中RAM單元中的內(nèi)容。這樣才能完整實現(xiàn)單片機的功能。(2) 系統(tǒng)接口 微機與外設(shè)連接因速度不匹配、信號類型不同（脈沖、模擬）、傳輸方式不同（串、并）， 接口是計算機與外設(shè)信息交換的橋梁。本系統(tǒng)8031單片機系統(tǒng)的擴展接口原理圖如下： 圖2 8031單片機系統(tǒng)的擴展接口原理圖3．3 三總線概述三總線為：地址、數(shù)據(jù)、控制總線。所以就需要的連線就很多了，如果仍如同模擬電路一樣 ，在各微處理器和各器件間單獨連線線，則線的數(shù)量將多得驚人，所以在微處理機中引 入了總線的概念，各個器件共同享用連線，所有器件的8根數(shù)據(jù)線全部接到8根公用的線上，即相當于各個器件并聯(lián)起來，但僅這樣還不行，如果有兩個器件同時送出數(shù)據(jù)，一個為0，一個為1，那么，接收方接收到的究竟是什么呢？這種情況是是不允許的。器件的數(shù)據(jù)線也就被稱為數(shù)據(jù)總線，器件所有的控制線被稱：控制總線。（2）地址總線：由P2口提供高8位地址線（A8――A15），此口具有輸出鎖存的功能，能保留地址信息。由于P0口是地址、數(shù)據(jù)分時使用的通道口，所以為保存地址信息，需外加地址鎖存器鎖存低8位的地址信息。此口是雙向、輸入三態(tài)控制的通道口。 單片機與數(shù)據(jù)存儲器的連接方法和程序存儲器連接方法大致相同，簡述如下：，與程序存儲器連法相同。，主要有下列控制信號：。ALE：其連接方法與程序存儲器相同。三總線的擴展：如下圖所示：圖3 8031擴展的三總線3．4 中斷技術(shù)引發(fā)中斷請求的源頭稱為中斷源，中斷源的多少反映計算機處理中斷的能力，終端系統(tǒng)必須具備正確判斷中斷源的功能，一般有兩種識別方式：查詢終端和向量中斷。先查詢的優(yōu)先級高，后查詢的優(yōu)先級低，順序排隊。外部中斷源：：外部中斷0請求輸入端口（），低電平或負跳變激活中斷請求IE0位，當中斷請求有效，采用中斷技術(shù)一般具有以下優(yōu)點：可使多種功能或設(shè)備同時工作，只有需占用主機時才等待主機安排處理，因此大大提高了計算機系統(tǒng)的速度和主機的效率。在實際應用中注意：由于中斷的發(fā)生隨機，因而使得由中斷驅(qū)動的中斷服務程序難以把握、檢測和調(diào)試，這就要求在設(shè)計中斷中力求謹慎。MCS51系列單片機提供的5~6個中斷源中，兩個中斷請求信號由外部產(chǎn)生并輸入請求信號，稱之為外部中斷源。各中斷請求信號分別由中斷控制寄存器TCON進行控制。在禁止中斷情況下，可采用軟件查詢方式進行處理。其中斷響應為兩級控制，EA為總的中斷響應控制位，各中斷源還有相應得中斷響應控制位。而且還必須在該中斷服務程序返回前撤銷中斷請求（變?yōu)楦唠娖剑?，以免再次進入中斷而出錯。中斷響應一般分為如下幾個步驟：（1）保護斷點，即保存下一將要執(zhí)行的指令的地址，就是把這個地址送入堆棧。以上工作是由計算機自動完成的，與編程者無關(guān)。（3）執(zhí)行中斷處理程序。4 軟件設(shè)計 測頻法與測周法在軟件上為了在測量精度和相應速度兩方面都取得較好的效果，本設(shè)計采取測頻法和測周法相結(jié)合的技術(shù)。它是固定采樣閘門時間t，計算脈沖個數(shù)N，通過設(shè)定小數(shù)點位置，取得正確的顯示結(jié)果。測頻法由于閘門信號的啟閉與信號脈沖不同步，存在計數(shù)誤差。同時可以看出，若增大閘門時間t，便可以減小誤差，這樣就不能準確地測出瞬時風速。尤其是對于10Hz以下的信號，很難提高測量精度。在智能化儀器中，往往采用測周法提高對低頻信號測量精度。8031單片機定時器的時標信號就是機器周期，由系統(tǒng)晶振12分頻得到，顯然測周法的誤差是對時標的計數(shù)誤差，最大的相對計數(shù)誤差為：式中，f為被測信號的頻率，為時標信號的頻率。另外被測信號頻率越低誤差越小，被測信號頻率高時測量誤差較大。 （4）測頻法測量：將8031單片機的兩個定時/計數(shù)器分別定義：T0為定時器，T1為計數(shù)器，均為16位，即采用方式1，其方式控制字為51H。當T0開始定時計數(shù)同時，打開計數(shù)器t1，對外部脈沖技術(shù)，當T0達到定時值時，響應中斷，關(guān)計數(shù)器T1。采用單片機內(nèi)的一個定時/計數(shù)器，以單片機內(nèi)標準機器周期作為標準時間信號，被測量信號的周期作為閘門，由程序控制開關(guān)對標準時間信號進行計數(shù)。檢測到下降沿時開定時/計數(shù)器T0，當緊接著的另一個下降沿被檢測到時關(guān)T0計數(shù)。在被測信號頻率較高時，采用測頻法，閘門時間t可以選擇為2的整數(shù)次冪數(shù)，以簡化二進制除法的運算，提高系統(tǒng)得響應速度，為了保證測頻法的測量精度，程序中設(shè)計了一個計數(shù)門檻值,當閘門時間到時，若對信號脈沖計數(shù)值N,則進行測頻法計算；否則轉(zhuǎn)入測周法。程序流程圖如下圖所示：中斷入口到達設(shè)定時間N保護N賦初值關(guān)定時器檢測到下降沿開計數(shù)器下一個下降沿到，關(guān)計數(shù)器保護TE TH TL值置測頻計算標志置測周計算標志中斷返回NNYY圖6 定時/計數(shù)器中斷程序流程圖4．2 程序結(jié)構(gòu)由于雙路信號的測量完全獨立，所以下面以單路測量為例說明程序結(jié)構(gòu)，該程序包含三大任務模塊：閘門時間