光電傳感器的轉速測量系統設計課程設計報告

1、光電傳感器的轉速測量系統設計課程設計報告 課程設計報告題 目: 光電傳感器的轉速測量系統設計 目 錄1引 言.12系統組成及工作原理.12.1轉速測量原理.12.2轉速測量的一般方法.12.3轉速測量系統組成框圖33系統硬件電路的設計.33.1脈沖產生電路設計.33.2光電轉換及信號調理電路設計43.2.1光電傳感器簡介.43.2.2光電轉換及信號調理電路設計.53.3測量系統主機部分設計73.3.1單片機73.3.2鍵盤顯示模塊設計.93.3.3串行通信模塊設計.113.3.4電源模塊設計.124系統軟件設計134.1程序模塊設計.134.2數據處理過程.154.3浮點數學運算程序165制作

2、調試.166結果分析.187參考文獻.181、引 言 隨著社會經濟的快速發(fā)展,轉速測量成為了社會生產和日常生活中重要的測量和控制對象。測速是工農業(yè)生產中經常遇到的問題,人們經常需要精確測量每秒鐘轉軸的轉速,學會對電機轉速的測量和顯示具有重要的意義。近年來,由于世界范圍內對轉速測量合理利用的日益重視,促使轉速測量技術的迅速發(fā)展,各種新型的測量儀表相繼問世并越來越多地得到應用。由于技術保密,廠家不會提供詳細電路圖和源代碼,用戶很難自行進行二次開發(fā)和改進。針對這種現狀,使用光電傳感器結合stc公司的stc 89c51型單片機設計的一種轉速測量與控制系統。stc 89c51單片機采用了cmos工藝和高

3、密度非易失性存儲器技術,而且其輸入/輸出引腳和指令系統都與mcs-51兼容,是開發(fā)該系統的適合芯片。2 、系統組成及工作原理2.1 轉速測量原理 在此采用頻率測量法,其測量原理為,在固定的測量時間內,計取轉速傳感器產生的脈沖個數,從而算出實際轉速。設固定的測量時間為tc(min),計數器計取的脈沖個數m,假定脈沖發(fā)生器每轉輸出p個脈沖,對應被測轉速為n(r/min),則fpn/60hz;另在測量時間tc內,計取轉速傳感器輸出的脈沖個數m應為 mtcf ,所以,當測得m值時,就可算出實際轉速值1: n60m/ptc r/min(1)2.2 轉速測量的一般方法 一般轉速測量系統有以下幾個部分構成,

4、轉速測量框圖如圖2-1所示。 圖2-1 轉速測量框圖1.轉速信號拾取 轉速信號拾取是整個系統的前端通道,目的是將外界的非電參量,通過一定方式轉換成電量,這一環(huán)節(jié)可以通過敏感元件、傳感器或測量儀表等來實現。方法如下:1 通過敏感元件拾取被測信號 敏感元件體積小,可以根據用戶及環(huán)境要求做成各矛頭形狀的探頭,它能將被測的物理量變換成電流、電壓,只要選擇合適的元件參數。如r、l、c設計相應的電路,便能完成這種對應關系。這種方法設計難度大,信號穩(wěn)定度差,在模擬處理系統中不宜采用。2 通過傳感器拾取信號 由專業(yè)人員將敏感元件和相應的測量電路、傳遞機構以適當的形式制成不同類型、不同用處的傳感器,根據原理輸出

5、電量。該電量可以是模擬量或數字量,現代傳感器還可以輸出開關量,用于數字邏輯電路。3 通過測量儀表拾取被測信號 目前有許多測量儀表用于各種測量中,有大信號輸出、有bcd碼輸出等,但價格昂貴,專業(yè)性強,一般不適合通用系統。通用的轉速測量系統大都采用一種俗稱“碼盤”的傳感裝置,將圓形的碼盤固定在轉軸上,碼盤上有若干規(guī)則排列的小孔,用光電偶來輸出電信號,以反映轉速對應關系,即是將轉軸的速度以脈沖形式反映出來,通常有兩種形式:1 模擬量量化后經a/d轉換,由數字量反映角度,供單片機計算處理,得出轉速。2 直接由脈沖來反應轉軸的角度,用每轉產生的脈沖經單片機處理得出轉速。2.整形和倍頻 前向通道中,從傳感

6、器輸出的信號必須轉換成單片機輸入要求的信號,由于信號調節(jié)電路與傳感器的選擇,現場干擾程度等,都會影響信號的質量。而脈沖信號的上升沿和下降沿對數字電路的觸發(fā)尤為重要,若要將轉速脈沖信號直接加到計數器或外部中斷的輸入端,并利用其上升沿來觸發(fā)進行計數,則必須要求輸入的信號有陡峭的上升沿或下降沿。處理方法上可以用觸發(fā)器電路來整形;而倍頻電路主要用于解決低轉速時測量精度問題及碼盤的刻度誤差而造成的精度下降問題。方法是在每轉中增加脈沖的個數碼盤的線程數來提高精度。但在高轉速時,由于脈沖個數的增加,限制了最高轉速測量量程,這個問題可用單片機控制來動態(tài)處理解決,兼顧高低轉速的測量精度。3.單片機 單片機是整個

7、測量系統的主要部分,擔負對前端脈沖信號的處理、計算、以及信號的同步,計時等任務,其次,將測量的數據經計算后,將得到的轉速值傳送到顯示接口中,用數碼管顯示數值。在本系統中考慮到計數的范圍、使用的定時,計數器的個數及i/o口線,預選用89c51單片機。具體工作情況在后討論。4.驅動和顯示 由于led數碼管具有亮度高、可靠性好等特點,工業(yè)測控系統中常用led數碼管作為顯示輸出。本系統也采用數碼管作顯示。 led顯示器是用發(fā)光二極管顯示字段的,通常使用七段構成“日”字型和一只發(fā)光二極管作為小數點,稱八段數碼顯示器。其有兩種驅動方式,共陰驅動和共陽驅動,共陰驅動是各段發(fā)光二極管的陰極連在一起,并將公共端

8、接地,在共陽結構中,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,顯示字符對應字型代碼發(fā)光。2.3 轉速測量系統組成框圖 系統由信號預處理電路、單片機stc 89c51、系統化led顯示模塊、串口數據存儲電路和系統軟件組成。其中信號預處理電路包含信號放大、波形變換和波形整形。對待測信號進行放大的目的是降低對待測信號的幅度要求;波形變換和波形整形電路則用來將放大的信號轉換成可與單片機匹配的ttl信號;通過對單片機的編程設置可使內部定時器t0對輸入脈沖進行計數,這樣就能精確地算出加到t0引腳的單位時間內檢測到的脈沖數;設計中轉速顯示部分采用價格低廉且使用方便的led模塊,通過相關計算方法

9、計算得到的轉速通過i2c總線放到e2prom存儲,既節(jié)省了所需單片機的口線和外圍器件,同時也簡化了顯示部分的軟件編程。系統的原理框圖如圖2.1所示。 圖2.1 系統的原理框圖3 、系統硬件電路的設計3.1 脈沖產生電路設計 設計采用了紅外光電傳感器,進行非接觸式檢測。當有物體擋在紅外光電發(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,而當沒有物體擋在中間時則輸出為高電平,從而形成一個脈沖。系統在光電傳感器收發(fā)端間加入電動機,并在電動機的轉軸上安裝一轉盤。在這個轉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。每當轉盤隨著后輪旋轉的時候,傳感器將向外輸出若干

10、個脈沖。把這些脈沖通過一系列的波形整形成單片機可以識別的ttl電平,即可算出輪子即時的轉速。 轉盤的圓孔的個數決定了測量的精度,個數越多,精度越高。這樣就可以在單位時間內盡可能多地得到脈沖數,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。設計中轉盤的圓孔的實際個數受到技術的限制。為了達到預定的效果設計在轉盤過孔的設計上采用11個過孔,從而留下了10個同等的間距。這樣在以后的軟件設計中能夠較為方便的計算出脈沖頻率。脈沖發(fā)生源的硬件結構圖如圖3.1所示。 圖3.1脈沖發(fā)生源硬件結構圖(左為正視圖,右為側視圖)3.2 光電轉換及信號調理電路設計 由

11、于系統需要將光信號轉換為電信號,因而需要使用光電傳感器并設計相應的信號調理電路,以得到符合要求的脈沖信號,送給單片機stc89c51進行計數,同時得到計數的時間,由單片機進行相關計算以得到電動機轉速。3.2.1 光電傳感器簡介 光電傳感器是采用光電元件作為檢測元件的傳感器。它首先把被測量的變化轉換成光信號的變化,然后借助光電元件進一步將光信號轉換成電信號。光電傳感器一般由光源、光學通路和光電元件三部分組成。光電檢測方法具有精度高、反應快、非接觸等優(yōu)點,而且可測參數多,傳感器的結構簡單,形式靈活多樣,因此,光電式傳感器在檢測和控制中應用非常廣泛。 由光通量對光電元件的作用原理不同所制成的光學測控

12、系統是多種多樣的,按光電元件光學測控系統輸出量性質可分二類,即模擬式光電傳感器和脈沖開關式光電傳感器。模擬式光電傳感器是將被測量轉換成連續(xù)變化的光電流,它與被測量間呈單值關系。模擬式光電傳感器按被測量檢測目標物體方法可分為透射吸收式、漫反射式、遮光式光束阻檔三大類。所謂透射式是指被測物體放在光路中,恒光源發(fā)出的光能量穿過被測物,部份被吸收后,透射光投射到光電元件上;所謂漫反射式是指恒光源發(fā)出的光投射到被測物上,再從被測物體表面反射后投射到光電元件上;所謂遮光式是指當光源發(fā)出的光通量經被測物光遮其中一部份,使投射剄光電元件上的光通量改變,改變的程度與被測物體在光路位置有關。光源是許多光電傳感器的

13、重要組成部分,要使光電傳感器很好地工作,除了合理選用光電元件外,還必須配備合適的光源。 發(fā)光二極管是一種把電能轉變成光能的半導體器件。它具有體積小、功耗低、壽命長、響應快、機械強度高等優(yōu)點,并能和集成電路相匹配。因此,廣泛地用于計算機、儀器儀表和自動控制設備中。 鎢絲燈泡是一種最常用的光源,它具有豐富的紅外線。如果選用的光電元件對紅外光敏感,構成傳感器時可加濾色片將鎢絲燈泡的可見光濾除,而僅用它的紅外線做光源,這樣,可有效防止其他光線的干擾。 激光與普通光線相比具有能量高度集中,方向性好,頻率單純、相干性好等優(yōu)點,是很理想的光源。 綜上所述,各種光源各具優(yōu)點,但從經濟與使用便利方面考慮,并考慮

14、到抗干擾性能,我們決定選用紅外光二極管做系統測量的光源。 由光源、光學通路和光電器件組成的光電傳感器在用于光電檢測時,還必須配備適當的信號調理電路。這些信號調理電路負責將光電傳感器輸出的微弱的光電信號進行放大、整形,轉換成所單片機定時計數所需要的脈沖信號。不同的光電元件,所要求的測量電路也不相同,為此設計時必須詳加考慮。3.2.2 光電轉換及信號調理電路設計 傳感器將電機的轉速信號轉變成了電脈沖信號,該信號經過lm324集成運放整形驅動,送到單片機進行脈沖計數,從而測出電動機轉速。 光電轉換部分與單片機的連接框圖如圖3.2所示。 圖3.2 光電轉換部分與單片機的連接框圖 lm324是四運放集成

15、電路,它采用14腳雙列直插塑料封裝,外形如圖所示。它的內部包含四組形式完全相同的運算放大器, 除電源共用外,四組運放相互獨立。每一組運算放大器可用圖3.3所示的符號來表示,它有5個引出腳,其中“+”、“-”為兩個信號輸入端,“v+”、“v-”為正、負電源端,“vo”為輸出端。兩個信號輸入端中,vi-(-)為反相輸入端,表示運放輸出端vo的信號與該輸入端的位相反;vi+(+)為同相輸入端,表示運放輸出端vo的信號與該輸入端的相位相同。lm324的引腳排列見圖3.4 圖3.3放大器圖 圖3.4 引腳圖 由于lm324四運放電路具有電源電壓范圍寬,靜態(tài)功耗小,可單電源使用,價格低廉等優(yōu)點,因此被廣泛

16、應用在各種電路中。 本設計計劃采用高性能集成四運放lm324來進行光電信號調理電路設計。電路采用兩級放大電路對脈沖信號進行放大,防止信號脈沖太小以至對實驗結果不產生影響。此外,還設計了有源帶通濾波器。 為了達到預定效果,對系統運用multisim 8進行模擬仿真,并利用模擬仿真結果對有關元器件進行參數設定,以使電路滿足要求。如圖3.5所示是multisim 進行電路模擬仿真示意圖及其模擬仿真結果。 圖3.5 電路模擬仿真示意圖及其模擬仿真結果 3.3 測量系統主機部分設計3.3.1 單片機 單片機是單片微型計算機(single chip microcomputer)的簡稱,是指在一塊芯片上集成

17、了中央處理器cpu、隨機存儲器ram、程序存儲器rom或eprom、定時器/計數器、中斷控制器以及串行和并行i/o接口等部件,構成一個完整的微型計算機。目前,新型單片機內還有a/d及d/a轉換器、高速輸入/輸出等部件。由于它的結構和指令功能都是按工業(yè)控制要求設計的,特別適用于工業(yè)控制及其數據處理場合,因此,確切的稱謂應是微控制器(microcontroller) 系統使用的單片機是stc 89c51型單片機。stc 89c51單片機是基于mcs-51單片機為內核的,其輸入/輸出管腳以及指令系統和mcs-51單片機是完全兼容的。其優(yōu)越的性價比使其成為頗受歡迎的8位單片機。如圖3.6是stc 89

18、c51結構框圖。stc 89c51單片機的特點: 它內部有一個8位的cpu,具有4kb的eeprom。 128字節(jié)的ram數據存儲器,21個特殊功能寄存器sfr。 4個8位并行i/o口,其中p0、p2為地址/數據線,可尋址64kb rom和64kb ram. 一個可編程全雙工串行口,具有5個中斷源。 兩個16位定時器/計數器。 計數脈沖輸入t0 t1 p0 p1 p2 p3txd rxdint0 int1 中斷輸入 圖3.6 stc 89c51結構框圖 上圖是stc 89c51單片機引腳分布圖。由圖我們可以看到,單片機的引腳除了電源、復位、時鐘接入、用戶i/o口外,其余管腳是為實現系統擴展而設

19、置的。這些引腳構成mcs-51單片機片外三總線結構,即: 地址總線(ab):地址總線寬為16位,因此,其外部存儲器直接尋址為64k字節(jié),16位地址總線由p0口經地址鎖存器提供8位地址(a0至a7);p2口直接提供8位地址。 數據總線(db):數據總線寬度為8位,由p0提供。 控制總線(cb):由p3口的第二功能狀態(tài)和4根獨立控制線reset、ea、ale、psen組成。 圖3.7 stc89c51管腳圖3.3.2 鍵盤顯示模塊設計 按鍵功能通過軟件編程設置: 按 k0為清零、復位; 按k1顯示計時時間; 按k2顯示計數脈沖數; 此按鍵電路為低電平有效,當無按鍵按下時,單片機輸入引腳p1.0、p

20、1.1、p1.2、p1.3端口均為高電平。當其中任一按鍵按下時,其對應的p1端口變?yōu)榈碗娖?在軟件中利用這個低電平設計其功能。軟件中還設置了按鍵防抖動誤觸發(fā)功能,軟件中設置定時器1 50ms中斷一次,每次中斷都對按鍵進行掃描,如果掃描到有按鍵按下,則延遲10ms,再次進行鍵掃描,若仍有按鍵按下,則按鍵為真,并從p1口讀取數據,低電平對應的即為有效按鍵。 圖3.8 按鍵電路圖 顯示部分采用價廉方便的led數碼管,圖3.9為數碼管的引腳接線圖。測量系統有8位共陽的led數碼管,表3.1為驅動led數碼管的段代碼表,1-代表對應的筆段亮,0-代表對應的筆段不亮。若需要在最右邊(s0)顯示“5”,只要

21、將從表中查得相應的段代碼寫入p0口,在將p2.0置高,p2.1-p2.7置低即可。 圖3.9 數碼管的引腳接線圖表3.1 驅動led數碼管的段代碼表數字dpecgbfa十六進制p0.7p0.6p0.5p0.4p0.3p0.2 p0.1p0.0共陰共陽010110111b74810001010014eb210101101ad523100111019d624000111101e64610111011bb4470001010115ea810111111bf409100111119f60 顯示電路如圖3.10,其電路采用動態(tài)顯示方式。電機轉速的測量結果經過譯碼, 輸出的8位并

22、行數據通過stc89c51 的并行口p0口輸出,送至7段led ,同時由p2口輸出位掃描信號以實現測量數據的動態(tài)顯示。p0口 和 p2口都是準雙向口,輸出時需要接上拉電阻。p0內部沒有上拉電阻,p2口內部有弱上拉。所以p0口外圍電路設計為低電平有效,高電平無效。要使數碼管s0-s7的其中一個亮,其對應的p2端口要置高,p2的其余端口置低。如:s0亮:p2.0置高,p2.1-p2.7置低。 系統將定時把緩沖區(qū)的數據送出,在數碼管上顯示。 圖3.10 顯示電路圖3.3.3 串行通信模塊設計 stc89 c51單片機的串行通訊接口的輸入輸出為ttl高電平為3.8v-5v,低電平為0-0.3v,這對近

23、距離通訊還可以,但當通訊距離遠時,就會因為ttl電平低,抗干擾能力弱而影響可靠性。為了提高串行通訊接口的抗干擾能力和增強可靠性,于是就出現了許多通訊標準和規(guī)程。目前,rs-232標準就是其中比較常用的一種,這樣,一方面可提高這些設備的通用性,另一方面又增強了數據傳送時的可靠性。 232電平轉換采用232芯片把ttl電平轉換成rs-232電平格式,可以用于單片機與微機通信,以及單片機與單片機之間的通信,測量系統設計了兩個db9的接口,其中一個用于isp下載器模塊的程序下載接口,稱為“isp interface”,另一個接口為單片機與其它具有rs232接口的通信端口,稱為“common port”

24、。具體的電路原理圖如圖3.11所示。 圖3.11電路原理圖3.3.4 電源模塊設計 電源模塊為系統板上其它模塊提供+5v電源以及15v電源。電源的設計有分立元件和集成穩(wěn)壓器幾種方法,目前較常用的是用集成穩(wěn)壓器來設計穩(wěn)壓電源。常用的集成穩(wěn)壓器有固定式三端穩(wěn)壓器與可調式三端穩(wěn)壓器。常用可調式集成穩(wěn)壓器有l(wèi)m317系列,它們的輸出電壓從1.25v-37伏可調,負端則為lm337等。最簡的電路外接元件只需一個固定電阻和一只電位器。其芯片內有過熱和安全工作區(qū)保護,最大輸出電流為1.5a。 系統需要設計兩個電源,其中+5v電源采用7805,電路原理圖如圖3.12所示。原理:9v的交流電壓輸入后經橋堆整流,

25、通過1000f的電解電容進行濾波,再經過集成穩(wěn)壓器7805穩(wěn)壓,c17、c19等電容對其進行濾波后,最后輸出+5v電壓。供系統板上的其它模塊使用。 圖3.12 5v電源模塊電路圖 15v電源采用lm317與lm337設計,其典型電路如圖3.13。220v的交流電壓經變壓器變?yōu)?5v交流電壓,再經橋堆整流器變?yōu)榇笮∽兓闹绷麟妷?。c1c4為濾波電容,濾除電壓中的高頻部分,使電壓趨于穩(wěn)定的直流電壓。其中l(wèi)m317和lm337構成15v直流穩(wěn)壓電源的穩(wěn)壓部分,確保在其輸出端的電壓穩(wěn)定在1.25v左右。d1d4對lm317和lm337具有短路保護作用。通過對電位器r3、r4的調節(jié)來獲得所需的電壓,即1

26、5v穩(wěn)定的直流電壓。圖3.13 15v直流穩(wěn)壓電源4 、系統軟件設計4.1程序模塊設計 軟件部分由數據處理程序、按鍵程序設計、中斷服務子程序、led顯示程序等幾個部分組成。 數據處理完成對各種測量數據的處理,如各種數據的計算、數據格式的轉換等。 按鍵程序包括按鍵防抖動處理、判鍵及修改項目等。按鍵流程圖如圖4.1所示。 定時器1服務子程序設計,流程圖如圖4.2所示。定時器1完成定時功能,定時2oms,并每隔20ms進行一次顯示,每隔1秒讀一次計數結果。單片機對在1秒內計數的值進行處理,轉換成每分鐘的速度送顯存以便顯示。 具體算法如下:主程序在對定時器、計數器、堆棧等進行初始化后即判斷標志是否為

27、1,如果為 1,說明要求對數據進行計算處理,首先將標志清零,以保證下次能正常判斷,然后進入數據處理程序,由于這里的閘門時間為 1s,而顯示要求為轉/分,因此,要將測到的數據進行轉換,轉換的方法是將測得的數據乘以60,但由于轉軸上安裝有11只孔,每旋轉一周可以得到11個脈沖,因此,要將測得的數據除以11,所以綜合起來,將測得的數據乘以5.4545即可得到每分鐘的轉速。計算得到的結果是二進制的整數,要將數據送往顯示緩沖區(qū)需要將該數轉化為bcd碼。運算得到的是壓縮bcd碼,需要將其轉換為非壓縮bcd碼,從標號cbcd開始的一段程序即作了這樣的處理。需要說明的是,這里多位二進制乘法和多位二進制到bcd

28、碼的轉換都是用了現成的成熟子程序,因此,首先將二進制數轉換為壓結合實際bcd碼,然后再轉換成非壓縮bcd碼,看似多寫了些程序,實際上這對于保證程序的質量很有好處。定時器t1用作定時發(fā)生器,在定時中斷程序中進行數碼管的動態(tài)掃描,同時產生1s的閘門信號。1s閘門信號的產生是通過一個計數器count,每次中斷時間為20ms,每計50 次即為1s,到了1s后,即清除計數器count,然后關閉作為計數器用的t0,讀出th0、tl0中的數值,分別送入spcount和spcoun+1單元,將t0中的值清空,置標志為1,要求主程序進行速度值的計算。 圖4.1 按鍵流程圖 圖4.2定時器1服務子程序流程圖4.2

29、 數據處理過程 在系統開始工作,或者完成一次頻率測量,系統軟件都進行測量初始化。測量初始化模塊設置堆棧指針sp 、工作寄存器、中斷控制和定時/ 計數器的工作方式。定時/ 計數器的工作首先被設置為計數器方式。 在對定時/ 計數器的計數寄存器清0 后,置運行控制位tr 為1 ,啟動對待測信號的計數。計數閘門由軟件延時程序實現,從計數閘門的最小值開始,也就是從測量頻率的高量程開始。計數閘門結束時tr 清0 ,停止計數。計數寄存器中的值通過16進制數到10進制數轉換程序轉換為10進制數。對10進制數的最高位進行判別,若該位不為0 ,滿足測量數據有效位數的要求,測量值和量程信息一起送到顯示模塊;若該位為

30、0 ,將計數閘門的寬度擴大10倍,重新對待測信號的計數,直到滿足測量數據有效位數的要求。 當上述測量判斷過程直到計數閘門寬度達到1s ,這時對應的頻率測量范圍為100hz - 999hz ,如果測量結果仍不具有3 位有效數字,頻率計則使用定時方法測量待測信號的周期。定時/計數器的工作這時被設置為定時器方式,在對定時/ 計數器的計數寄存器清0 后,判斷待測信號的上跳沿是否到來。待測信號的上跳沿到來后,置運行控制位tr 為1 ,以單片機工作周期為單位,啟動對待測信號的周期測量。然后判斷待測信號的下跳沿是否到來,待測信號的下跳沿到來后,運行控制位tr 清0 ,停止計數。16 位定時/ 計數器的最高計

31、數值為65535 ,這樣在待測信號的頻率較低時,定時/ 計數器將發(fā)生溢出。當產生定時/ 計數器將溢出,程序進入定時器中斷服務程序,中斷服務程序對溢出次數進行計數。待測信號的周期由3個字節(jié)組成:定時/ 計數器溢出次數、定時/ 計數器的高8 位和低8 位。信號的頻率f 與信號的周期t 之間的關系為: f 1/ t 完成信號的周期測量后,需要做一次倒數運算才能獲得信號的頻率。為提高運算精度,這里采用浮點數算術運算。浮點數用3個字節(jié)組成,第一字節(jié)最高位為數符,其余7 位為階碼;第二字節(jié)為尾數的高字節(jié);第三字節(jié)為尾數的低字節(jié)。待測信號周期的3個字節(jié)定點數首先通過截取高16 位、設置數符和計算階碼轉換為上

32、述格式的浮點數。然后浮點數算術運算對其進行處理,獲得用浮點數格式表達的信號頻率值。浮點數到bcd 碼轉換模塊把用浮點數格式表達的信號頻率值變換成測轉速的顯示格式,送到顯示模塊顯示待測信號的頻率值。4.3 浮點數學運算程序 stc89c51 系列單片機屬于微控制器,由于其cpu字長和指令功能的限制,它適用于控制領域,在信號處理方面不很擅長。在頻率計中需要完成周期到頻率的換算,為保證測量結果的準確,這里應用了浮點數數學運算。從周期到頻率的換算過程包括: 3字節(jié)定點數到浮點數的轉換、浮點數數學運算和浮點數到十進制碼的轉換。5 、制作調試 在硬件調試與制作方面,可從下面系列著手考慮。 信號盤可用一般鋼

33、板制成,這個信號盤就是發(fā)動機實驗時所用的轉盤,盤上共有11個齒,每個大孔直徑為6mm,盤中心還有一個中心孔。中心孔主要用于在固定發(fā)動機上。將信號盤與電機安裝在一起,使其隨電機轉動;傳感器固定在支架上,垂直于轉速盤,當轉速盤旋轉時,光電傳感器就輸出矩形脈沖信號,每11個脈沖對應發(fā)動機1個工作循環(huán),其中的2個寬脈沖信號配合上止點信號可精確確定上止點的位置。 此檢測裝置完全按照發(fā)動機上傳感器的實際安裝位置進行安裝。如圖5.1,將信號盤固定在電動機轉軸上,光電轉速傳感器正對著信號盤。光電轉速傳感器接有4根導線,其中黑線、黃線為電源輸入線,紅線為信號輸出線,白線為共地線。測量頭由光電轉速傳感器組成,而且

34、測量頭兩端的距離與信號盤的距離相等。測量用器件封裝后,固定裝在貼近信號盤的位置,當信號盤轉動時,光電元件即可輸出正負交替的周期性脈沖信號。信號盤旋轉一周產生的脈沖數,等于其上的孔數。因此,脈沖信號的頻率大小就反映了信號盤轉速的高低。此轉速測量裝置可以實現數字顯示,成為數字式轉速表。 圖5.1 轉速測速示意圖 lm324整形電路調試。在焊接硬件電路時需細心排除元器件和焊接等方面可能出現的故障,元器件的安裝位置出錯或引腳差錯可能導致電路短路或實現不了電路本身的功能,甚至燒壞元器件。單片機部分最容易出現的問題為元器件引腳的虛焊。 被測物理量經過傳感器變換后,往往成為電阻、電流、電壓、電感等某種電參數的變化值。為了進行信號的分析、處理、顯示和記錄,須對信號作放大、運算、分析等處理,這就引入了中間變化電路。查閱有關資料結合選用的光電傳感器相關參數,我們設計了如圖3.6所示的中間變換電路。當調制盤上的圓形孔旋轉至與光電開關的透光位置重合時,觸發(fā)器輸出高電平;當通光孔被遮住時,觸發(fā)器輸出低電平。輸出的信號經lm324電路整形調試,可以將信號源完好的整形成矩形脈沖信號。在把矩形脈沖信號輸