基于單片機(jī)的轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳博煒

(延安大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，陜西 延安 716000)

由于電機(jī)在運(yùn)行的過(guò)程中，轉(zhuǎn)速的平穩(wěn)性很重要，而且電機(jī)在生產(chǎn)過(guò)程中要進(jìn)行檢驗(yàn)，其中轉(zhuǎn)速就是個(gè)非常重要的參數(shù)，所以要適時(shí)對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量，來(lái)檢測(cè)電機(jī)的工作情況，以及電機(jī)的質(zhì)量問(wèn)題，有效地反映電機(jī)的狀況，因此轉(zhuǎn)速測(cè)量是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，具有非常大的現(xiàn)實(shí)意義。因?yàn)楝F(xiàn)在單片機(jī)的應(yīng)用為轉(zhuǎn)速測(cè)量提供了方便有效的解決方案，所以智能化的電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量應(yīng)用非常廣泛［1］。

1 轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

基于單片機(jī)的轉(zhuǎn)速測(cè)量，所以主要功能利用傳感器將轉(zhuǎn)速信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后由AT89C51單片機(jī)接收傳感器傳來(lái)的脈沖信號(hào)，根據(jù)外部中斷，以及內(nèi)部定時(shí)器進(jìn)行記數(shù)計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)速送到LED顯示［2］。組成及框圖如圖1所示:

圖1 轉(zhuǎn)速測(cè)量框圖

2 轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)的任務(wù)是根據(jù)總體設(shè)計(jì)要求，在選擇的機(jī)型的基礎(chǔ)上，具體確定系統(tǒng)中所要使用的元器件，設(shè)計(jì)出系統(tǒng)的電路原理圖。該系統(tǒng)包括傳感器，處理電路，計(jì)數(shù)器，和顯示四部分。

傳感器將轉(zhuǎn)速信號(hào)這個(gè)非電信號(hào)轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可以接收的電信號(hào)，但是信號(hào)不能直接測(cè)量，要經(jīng)過(guò)處理電路進(jìn)行整形，然后89C51單片機(jī)通過(guò)To輸入傳感器的脈沖信號(hào)，由P0口P2口接LED，用動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)顯示。

2.1 傳感器

傳感器是轉(zhuǎn)速測(cè)量的關(guān)鍵部分，沒(méi)有它轉(zhuǎn)速信號(hào)就不能用單片機(jī)進(jìn)行計(jì)算測(cè)量，因?yàn)閭鞲衅骺梢詫⑥D(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)處理后，就可以利用單片機(jī)進(jìn)行計(jì)算得到轉(zhuǎn)速值。光電傳感器在檢測(cè)與控制中應(yīng)用非常廣泛，它基本上可以分為模擬式傳感器和脈沖式傳感器兩類。模擬式光電傳感器的作用原理是基于光電器件的光電流隨光通量而發(fā)生變化的，是光通量的函數(shù)。脈沖式光電傳感器的作用原理是光電器件的輸出僅有兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，也就是“通”與“斷”的開(kāi)光狀態(tài)，即光電器件受光照射時(shí)，有電信號(hào)輸出，光電器件不受光照射時(shí)，沒(méi)有電信號(hào)輸出［3］。根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇脈沖式光電傳感器。

這里選著SZGB－4A型光電轉(zhuǎn)速傳感器，SZGB－4A型光電轉(zhuǎn)速傳感器采用紅外光電器件結(jié)構(gòu)的小型封閉式轉(zhuǎn)速傳感器具有功耗小、壽命長(zhǎng)、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，使用時(shí)通過(guò)聯(lián)軸節(jié)與被測(cè)軸連接，當(dāng)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，將角位移轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào)，供計(jì)數(shù)器使用。具體參數(shù)如下:

(1)輸出脈沖數(shù):60脈沖(每一轉(zhuǎn))。

(2)輸出波形:方波。

(3)輸出信號(hào)幅值:高電平≈電源電壓;低電平＜ +0.5V。

(4)測(cè)速范圍:20～3000 r/min(連續(xù)使用)。(5)供電電源:DC;20mA;5±0.5V。

2.2 轉(zhuǎn)速信號(hào)處理電路

圖2 信號(hào)處理電路

轉(zhuǎn)速信號(hào)由光電傳感器轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)，但是由于傳感器的輸出信號(hào)幅值會(huì)受到外界噪聲的影響，因此輸出電壓是不穩(wěn)定的，不是理想的方波信號(hào)，所以這里要對(duì)轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行濾波處理，濾波電路圖如圖2所示。LM324系列器件為價(jià)格便宜的帶有真差動(dòng)輸入的四運(yùn)算放大器。與單電源應(yīng)用場(chǎng)合的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器相比，它們有一些顯著優(yōu)點(diǎn)。該四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的電源下，靜態(tài)電流為MC1741的靜態(tài)電流的五分之一。根據(jù)單片機(jī)TTL的需求，這里設(shè)置LM324的工作電壓正電壓為5 V，負(fù)電壓為0 V。此電路圖的工作原理是，當(dāng)LM324的正信號(hào)輸入端的電壓Ui，即傳感器輸出電壓高于LM324的負(fù)信號(hào)輸入端的電壓時(shí)，這里負(fù)信號(hào)輸入端接地為0 V，LM324的輸出信號(hào)Uo為L(zhǎng)M324的正工作電壓，即+5 V。相反的，如果Ui低于0V時(shí)，Uo為L(zhǎng)M324的負(fù)工作電壓0 V。經(jīng)過(guò)這個(gè)電路的處理后就會(huì)輸出一個(gè)和輸入信號(hào)同頻率的方波。具體的輸入信號(hào)Ui和輸出信號(hào)Uo的波形如圖3的(a)(b)所示。

圖3 (a)轉(zhuǎn)速信號(hào)處理前Ui波形(b)轉(zhuǎn)速信號(hào)處理后Uo波形

2.3 轉(zhuǎn)速的計(jì)算電路

轉(zhuǎn)速的計(jì)算是由單片機(jī)完成的，主要用到單片機(jī)的定時(shí)器和計(jì)數(shù)器。51單片機(jī)的定時(shí)計(jì)數(shù)器有4鐘工作方式，不同的工作方式有不同的工作特點(diǎn)。本次設(shè)計(jì)采用方式1，即計(jì)數(shù)寄存器的位數(shù)是16位，由THx和TLx寄存器各提供8位計(jì)數(shù)初值。方式1最大計(jì)數(shù)值為65536個(gè)脈沖，是這幾種方式中計(jì)數(shù)值最大的方式。用計(jì)數(shù)器T1計(jì)數(shù)，定時(shí)器T0定時(shí)。所以轉(zhuǎn)速信號(hào)由T1口接入，進(jìn)行測(cè)量。

單片機(jī)我們采用AT89C51。AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存貯器(FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory)的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。P0口為一個(gè)8位漏極開(kāi)路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門(mén)電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫(xiě)1時(shí)，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個(gè)TTL門(mén)電流，當(dāng)P2口被寫(xiě)“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故［4］。P2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫(xiě)時(shí)，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。RST:復(fù)位輸入［5］。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。

轉(zhuǎn)速信號(hào)的計(jì)算由單片機(jī)完成，單片機(jī)的最小系統(tǒng)包括時(shí)鐘電路和復(fù)位電路。

單片機(jī)的時(shí)鐘電路用來(lái)提供單片機(jī)內(nèi)部各種微操作的事件基準(zhǔn)。51單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)電路通常有兩種電路形式:內(nèi)部振蕩方式和外部振蕩方式。在引腳XTAL1和XTAL2外晶體振蕩器(簡(jiǎn)稱晶振)或陶瓷諧振器，就構(gòu)成了內(nèi)部振蕩方式。由于單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)高增益反相放大器，外接晶振后，就構(gòu)成了自激振蕩器，并產(chǎn)生振蕩時(shí)鐘脈沖。內(nèi)部振蕩方式如圖所示，電容C1和C2起穩(wěn)定振蕩頻率、快速起振的作用。電容一般為5至30 pF。外部振蕩方式是把已有的時(shí)鐘信號(hào)引入單片機(jī)內(nèi)，這種方式適宜用來(lái)使單片機(jī)的時(shí)鐘與外部信號(hào)保持一致。因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)不需要與外部信號(hào)保持一致，選擇內(nèi)部振蕩方式。

復(fù)位操作則使單片機(jī)的片內(nèi)電路初始化，使單片機(jī)從一種確定狀態(tài)開(kāi)始運(yùn)行。當(dāng)51單片機(jī)的復(fù)位引腳出現(xiàn)5 ms以上的高電平時(shí)，單片機(jī)就完成了復(fù)位操作。如果RST持續(xù)為高電平，單片機(jī)就處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài)，而無(wú)法執(zhí)行程序，因此要求單片機(jī)復(fù)位后能脫離復(fù)位狀態(tài)。復(fù)位操作通常也有兩種形式:上電復(fù)位、開(kāi)關(guān)復(fù)位。上電復(fù)位要求連通電源后，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作;開(kāi)關(guān)復(fù)位要求在電源接通的情況下，在單片機(jī)運(yùn)行，如果發(fā)生死機(jī)，用按鈕開(kāi)關(guān)操縱使單片機(jī)復(fù)位［6］。上電復(fù)位電路圖如圖所示，電容C=20 μF，R=10 K。單片機(jī)時(shí)鐘電路和復(fù)位電路如圖4所示。

圖4 單片機(jī)復(fù)位電路圖

2.4 轉(zhuǎn)速顯示電路

顯示電路采用 LED數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示，LED(Light－EmittingDiode)是一種外加電壓從而渡過(guò)電流并發(fā)出可見(jiàn)光的器件。LED是屬于電流控制器件，使用時(shí)必須加限流電阻。LED有共陰和共陽(yáng)兩種［7］。發(fā)光二極管的陽(yáng)極連在一起的稱為共陽(yáng)極顯示器，陰極連在一起的稱為共陰極顯示器。1位顯示器由八個(gè)發(fā)光二極管組成，其中七個(gè)發(fā)光二極管a～g控制七個(gè)筆畫(huà)(段)的亮或暗，另一個(gè)控制一個(gè)小數(shù)點(diǎn)的亮和暗［8］。LED斷碼表如下表1所示。

表2 LED段碼表

本設(shè)計(jì)采用四位一體數(shù)碼管，管腳圖如圖5所示。根據(jù)設(shè)計(jì)方案選著的是動(dòng)態(tài)現(xiàn)實(shí)，在輪流顯示過(guò)程中，每位數(shù)碼管的點(diǎn)亮?xí)r間為1～2 ms，由于人的視覺(jué)暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，盡管實(shí)際上各位數(shù)碼管并非同時(shí)點(diǎn)亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會(huì)有閃爍感，動(dòng)態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣的。轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)的顯示電路由單片機(jī)的P0口控制數(shù)碼管的字形，即P1口依次接“a～g”口。由P2口的低四位接數(shù)碼管的“1～4”口，用三極管構(gòu)成位驅(qū)動(dòng)。顯示電路圖如圖6所示。

圖5 四位一體數(shù)碼管管腳圖

圖6 顯示電路

3 轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

軟件部分主要是實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)功能和顯示功能，單片機(jī)的計(jì)數(shù)有兩種方法，一種是片外計(jì)數(shù)，一種是片內(nèi)計(jì)數(shù)。片外計(jì)數(shù)方案是采用片外專用計(jì)數(shù)芯片進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)，單片機(jī)控制片外芯片的計(jì)算過(guò)程，并在計(jì)數(shù)完畢后讀取計(jì)數(shù)值;片內(nèi)計(jì)數(shù)方案是指采用單片機(jī)的內(nèi)被計(jì)數(shù)器完成對(duì)脈沖的計(jì)數(shù)過(guò)程。

本次設(shè)計(jì)采用片內(nèi)計(jì)數(shù)的方法，設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單。使用單片機(jī)內(nèi)部的T1作為外部脈沖的計(jì)數(shù)器，每到一個(gè)脈沖將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)T1的計(jì)數(shù)，在T0定時(shí)中斷完成后，T1的中斷益處次數(shù)就是所需要計(jì)的脈沖數(shù)。

顯示部分，根據(jù)數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)方式的不同，可以分為靜態(tài)式和動(dòng)態(tài)式兩類，為了節(jié)省I/O口線，我們采用的動(dòng)態(tài)顯示方式。

采用12MHz的晶振，所以機(jī)器周期是1 μs，定時(shí)/計(jì)數(shù)器的工作方式采用方式1，即計(jì)數(shù)寄存器的位數(shù)是16位。由于定時(shí)時(shí)間小于65.5ms，計(jì)數(shù)脈沖小于65536個(gè)，所以這里我采用定時(shí)50ms，根據(jù)定時(shí)方式計(jì)數(shù)初值C=模－［t/MC］，這里t就是定時(shí)時(shí)間，MC就是機(jī)器周期。計(jì)算的初值是3CAFH。累計(jì)計(jì)數(shù)20次，計(jì)數(shù)之和就是一秒鐘內(nèi)的轉(zhuǎn)速。再計(jì)算轉(zhuǎn)速的個(gè)、十、百、千位，根據(jù)硬件電路圖，P1口控制字形，P2口的第四位控制位選，分別顯示在LED上。

51系列單片機(jī)支持3種高級(jí)語(yǔ)言，即PL/M，C和BASIC。C語(yǔ)言是一種通用的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，其代碼率高，數(shù)據(jù)類型及運(yùn)運(yùn)算豐富，并具有良好的程序結(jié)構(gòu)，適用于各種應(yīng)用程序設(shè)計(jì)，是目前使用較廣的單片機(jī)編程語(yǔ)言。應(yīng)用C51編程具有以下優(yōu)點(diǎn):(1)C51管理內(nèi)部寄存器和存儲(chǔ)器的分配、編程時(shí)，無(wú)需考慮不同存儲(chǔ)器的尋址和數(shù)據(jù)類型等細(xì)節(jié)問(wèn)題;(2)程序又若干函數(shù)組成，具有良好的模塊化結(jié)構(gòu);(3)有豐富的子程序庫(kù)可直接引用，從而大大減少用戶編程的工作量［9］。所以本次編程我選擇C語(yǔ)言。

具體的編程思路是這樣的，首先主程序是計(jì)算單位時(shí)間的轉(zhuǎn)速值，由于采用的定時(shí)時(shí)間是50 ms，計(jì)數(shù)器每次的計(jì)數(shù)值并不是單位時(shí)間的轉(zhuǎn)速值，所以將20次的計(jì)數(shù)值累加起來(lái)就是1 s鐘的計(jì)數(shù)值，也就是測(cè)得的轉(zhuǎn)速值，然后計(jì)算轉(zhuǎn)速值的各個(gè)數(shù)位，假設(shè)轉(zhuǎn)速值是f，那么千位為f1=f/1000;百位為f2=f%1000/100;十位為f3=f%100/10;個(gè)位為f4=f%10。最后調(diào)用顯示函數(shù)。

子函數(shù)包括中斷函數(shù)、計(jì)數(shù)函數(shù)、顯示函數(shù)、延遲函數(shù)。這里中斷函數(shù)要根據(jù)定時(shí)時(shí)間來(lái)編程，上邊已經(jīng)計(jì)算出定時(shí)初值為3CAF，TL0=0V3C，TH0=0XAF，當(dāng)定時(shí)開(kāi)始后50 ms就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷。計(jì)數(shù)函數(shù)首先是將計(jì)數(shù)器T1初始化，當(dāng)外部轉(zhuǎn)速信號(hào)每到一個(gè)高電平是計(jì)數(shù)器會(huì)自動(dòng)加1，當(dāng)定時(shí)時(shí)間到產(chǎn)生中斷后，計(jì)數(shù)計(jì)數(shù)值。因?yàn)檫x擇的是共陽(yáng)極數(shù)碼管，所以為選要給高電平才可以具體的代碼如下:

程序流程圖如圖7所示。

圖7 程序流程圖

4 轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)的軟、硬件調(diào)試

軟件調(diào)試用Keil軟件進(jìn)行編譯，它是一個(gè)基于32位Windows環(huán)境的應(yīng)用程序，支持C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言編程，應(yīng)用Keil進(jìn)行軟件仿真開(kāi)發(fā)的主要步驟為:編寫(xiě)源程序并保存—建立工程并添加源文件—設(shè)置工程—編譯/匯編、連接，產(chǎn)生目標(biāo)文件—程序調(diào)試［10］。

首先選擇菜單File－New…，在源程序編輯器中輸入?yún)R編語(yǔ)言或C語(yǔ)言源程序(或選擇File－Open…，直接打開(kāi)已用其它編輯器編輯好的源程序文檔)并保存，注意保存時(shí)必須在文件名后加上擴(kuò)展名.asm(.a51)或.c;然后選擇菜單 Project－New-Project…，建立新工程并保存(保存時(shí)無(wú)需加擴(kuò)展名，也可加上擴(kuò)展名.uv2);工程保存后會(huì)立即彈出一個(gè)設(shè)備選擇對(duì)話框，選擇CPU后點(diǎn)確定返回主界面。這時(shí)工程管理窗口的文件頁(yè)(Files)會(huì)出現(xiàn)“Target1”，將其前面 +號(hào)展開(kāi)，接著選擇 Source Group1，右擊鼠標(biāo)彈出快捷菜單，選擇“Add File to Group‘Source Group1’”，出現(xiàn)一個(gè)對(duì)話框，要求尋找并加入源文件(在加入一個(gè)源文件后，該對(duì)話框不會(huì)消失，而是等待繼續(xù)加入其它文件)。加入文件后點(diǎn)close返回主界面，展開(kāi)“Source Group1”前面+號(hào)，就會(huì)看到所加入的文件，雙擊文件名，即可打開(kāi)該源程序文件。緊接著對(duì)工程進(jìn)行設(shè)置，選擇工程管理窗口的 Target1，再選擇 Project－Option for Target‘Target1’(或點(diǎn)右鍵彈出快捷菜單再選擇該選項(xiàng))，打開(kāi)工程屬性設(shè)置對(duì)話框，共有8個(gè)選項(xiàng)卡，主要設(shè)置工作包括在Target選項(xiàng)卡中設(shè)置晶振頻率、在Debug選項(xiàng)卡中設(shè)置實(shí)驗(yàn)仿真板等，如要寫(xiě)片，還必須在Output選項(xiàng)卡中選中“Creat HexFi”;其它選項(xiàng)卡內(nèi)容一般可取默認(rèn)值。工程設(shè)置后按F7鍵(或點(diǎn)擊編譯工具欄上相應(yīng)圖標(biāo))進(jìn)行編譯/匯編、連接以及產(chǎn)生目標(biāo)文件。

硬件調(diào)試主要對(duì)單片機(jī)硬件電路進(jìn)行調(diào)試。在以前所學(xué)的課程當(dāng)中，主要是單片機(jī)電路的上電前和上電后的調(diào)試。

上電前的調(diào)試，主要是利用萬(wàn)用表測(cè)量電路，以確保電路中不存在短路和斷路情況，這個(gè)任務(wù)是非常重要的，關(guān)系到以下的調(diào)試，所以要認(rèn)真測(cè)量調(diào)試。特別是數(shù)碼管的管腳連接部分，注意焊接點(diǎn)，是否有漏焊虛焊顯現(xiàn)，是否有短路顯現(xiàn)，出現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)修改。

上電后的調(diào)試，這一步是在上一步確保硬件電路無(wú)短路斷路的情況下才可以上電調(diào)試的，而上電調(diào)試的目的是檢驗(yàn)電路是否接錯(cuò)，同時(shí)還要檢驗(yàn)原理是否正確。在本次課程設(shè)計(jì)中硬件比較簡(jiǎn)單，所以上電調(diào)試主要只轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)的單片機(jī)部分、數(shù)碼管部分。

5 小結(jié)

本系統(tǒng)采用的是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89C5l的P0口具有較大的電流驅(qū)動(dòng)能力的特點(diǎn)，來(lái)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。但是本文的研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，因?yàn)檗D(zhuǎn)速測(cè)量在不同的場(chǎng)合要求是不同的，有的時(shí)候要求是非常高的，在不少場(chǎng)合下對(duì)低速(如每小時(shí)一轉(zhuǎn)以下)、高速(如每分鐘數(shù)十萬(wàn)轉(zhuǎn))、穩(wěn)速(如誤差僅為萬(wàn)分之幾)和瞬時(shí)速度的精確測(cè)量有嚴(yán)格的要求。這里研究的精度不是很高，所以有待于繼續(xù)研究不同轉(zhuǎn)速的測(cè)量，并能保證較高的精度。

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