手持式激光轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)畢業(yè)論文

1、摘 要本文在對(duì)了解轉(zhuǎn)速測(cè)量理論與掌握單片機(jī)原理的基礎(chǔ)上，根據(jù)硬件設(shè)計(jì)，提出系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)方案，構(gòu)建軟件系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)智能轉(zhuǎn)速測(cè)量與顯示的功能。本設(shè)計(jì)根據(jù)基于stc89c52單片機(jī)的轉(zhuǎn)速測(cè)量電路，設(shè)計(jì)出一種以半導(dǎo)體激光二極管作為傳感器的激光測(cè)速儀，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、處理和顯示; 并詳細(xì)敘述了測(cè)速原理、單片機(jī)系統(tǒng)和測(cè)速誤差。對(duì)所設(shè)計(jì)的軟件系統(tǒng)通過(guò)編譯軟件keil c51 vision4對(duì)其進(jìn)行程序調(diào)試。最后，對(duì)構(gòu)建的系統(tǒng)利用設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行調(diào)試，對(duì)測(cè)量指標(biāo)進(jìn)行了分析、比較并提出改進(jìn)方案。在設(shè)計(jì)中測(cè)量方法采用m法進(jìn)行測(cè)量，單片機(jī)采用c語(yǔ)言編程。關(guān)鍵詞：激光；轉(zhuǎn)速測(cè)量；手持；非接觸式；單片機(jī)abst

2、ractin this paper, the understanding of the theory and master of rotational speed measurement based on the principle of mcu, the system program design, to build software systems, compiler, in order to achieve intelligent rotational speed measurement and display functions. in this paper, according to

3、 the tachometric survey system based on the mcu of stc89c52, i designed the laser velocity meter which using laser diode as sensor. the velocity features real-time data acquisition, data processing and display functions. the principle of velocity measurement and them measurement error of the single

4、chip computer are described. i set up them using the software of the keil vision4. at last, the builded system is setted up through circuit. the measured index were analysed and compared and the improved programmes were proposed. m method was adopt in the measuring and the language of c was adopt to

5、 computer.key words: laser, rotational speed measurement, hand-held, non-contact, mcu目錄摘 要iabstracti1緒論11.1課題研究的目的及意義11.2轉(zhuǎn)速測(cè)量在國(guó)內(nèi)的研究情況11.3主要內(nèi)容與問(wèn)題21.3.1研究的主要內(nèi)容21.3.2闡明的問(wèn)題32 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方案42.1電源方案的選擇與論證42.2顯示方案的選擇與論證52.3傳感器方案的選擇和論證63 基于單片機(jī)的轉(zhuǎn)速測(cè)量方法及原理73.1半導(dǎo)體激光二極管的工作原理和特點(diǎn)73.1.1半導(dǎo)體激光二極管的工作原理73.1.2半導(dǎo)體激光二極管的常用參數(shù)83.

6、1.3半導(dǎo)體激光二極管的特點(diǎn)93.2單片機(jī)測(cè)量轉(zhuǎn)速的方法103.3轉(zhuǎn)速測(cè)量原理113.3.1測(cè)周期法“t法”113.3.2測(cè)頻率法“m法”123.3.3測(cè)頻測(cè)周期法“m/t法”134智能轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)164.1系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)164.1.1轉(zhuǎn)速信號(hào)發(fā)射與拾取的結(jié)構(gòu)164.1.2.顯示部分的結(jié)構(gòu)184.1.3復(fù)位功能的實(shí)現(xiàn)194.2 硬件電路中主要部件的介紹204.2.1 stc89c52介紹204.2.2 1602液晶顯示屏介紹215 智能轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)235.1程序設(shè)計(jì)235.1.1工作方式及控制字設(shè)置235.1.2變量分配及程序的初始化255.1.3顯示功能的實(shí)現(xiàn)255.1.

7、2液晶的顯示275.3主程序流程285.4開(kāi)發(fā)平臺(tái)介紹295.4.1 keil c51軟件集成開(kāi)發(fā)環(huán)境295.4.2 單片機(jī)下載296結(jié)論316.1主要研究結(jié)論316.2研究展望31致 謝32參考文獻(xiàn)33附錄1：原理圖34附錄2：仿真圖 附錄3：源程序35附錄3：源程序361緒論1.1課題研究的目的及意義轉(zhuǎn)速是工程中應(yīng)用非常廣泛的一個(gè)參數(shù)，其測(cè)量方法較多，而模擬量的采集和模擬信號(hào)處理一直是轉(zhuǎn)速測(cè)量的主要方法，這種測(cè)量方技術(shù)已不能適應(yīng)現(xiàn)代科技發(fā)展的要求，在測(cè)量范圍和測(cè)量精度上，已不能滿足大多數(shù)系統(tǒng)的使用。隨著大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字系統(tǒng)測(cè)量得到普遍應(yīng)用，特別是單片機(jī)對(duì)脈沖數(shù)字信號(hào)

8、的強(qiáng)大處理能力，使得全數(shù)字量系統(tǒng)越來(lái)越普及，其轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)也可以用全數(shù)字化處理。在測(cè)量范圍和測(cè)量精度方面都有極大的提高。常用的檢測(cè)方式有機(jī)械式、光電式、霍爾式、頻閃法、高壓油管應(yīng)變法等，本課題主要是針對(duì)智能轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)的激光信號(hào)采集和軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。運(yùn)用51系列單片機(jī)設(shè)計(jì)一種全數(shù)字化測(cè)速系統(tǒng)，從提高測(cè)量精度的角度出發(fā)，分析討論其產(chǎn)生誤差的可能原因。同時(shí)從實(shí)際硬件電路出發(fā)，分析電路的工作原理，提出了修改方案和解決辦法。本課題以單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)的以半導(dǎo)體激光二極管作為光源的全數(shù)字化測(cè)量轉(zhuǎn)速系統(tǒng)，在工業(yè)控制和民用電器中都有較高使用價(jià)值。一方面它可以應(yīng)用于工業(yè)控制中的某一部分，如數(shù)控車床的電機(jī)轉(zhuǎn)速檢

9、測(cè)和控制、水泵流量控制以及需要利用轉(zhuǎn)速檢測(cè)來(lái)進(jìn)行控制的許多場(chǎng)合，如車輛的里程表、車速表等。另一方面由于該轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)采用全數(shù)字結(jié)構(gòu)，因而可以很方便的和工業(yè)控制機(jī)進(jìn)行連接，實(shí)行遠(yuǎn)程管理和控制，進(jìn)一步提高現(xiàn)代化水平。并且，幾乎不需做太多改變就能直接作為工業(yè)產(chǎn)品投入使用?？傊?，轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)的研究是一件非常有意義的課題。1.2轉(zhuǎn)速測(cè)量在國(guó)內(nèi)的研究情況轉(zhuǎn)速是能源設(shè)備與動(dòng)力機(jī)械性能測(cè)試中的一個(gè)重要的特性參量，因?yàn)閯?dòng)力機(jī)械的許多特性參數(shù)是根據(jù)它們與轉(zhuǎn)速的函數(shù)關(guān)系來(lái)確定的，例如壓縮機(jī)的排氣量、軸功率、內(nèi)燃機(jī)的輸出功率等等，而且動(dòng)力機(jī)械的振動(dòng)、管道氣流脈動(dòng)、各種工作零件的磨損狀態(tài)等都與轉(zhuǎn)速密切相關(guān)。轉(zhuǎn)速測(cè)量的方

10、法很多，測(cè)量?jī)x表的型式也多種多樣，其使用條件和測(cè)量精度也各不相同。根據(jù)轉(zhuǎn)速測(cè)量的工作方式可分為兩大類：接觸式轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x表與非接觸式轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x表。前者在使用時(shí)必須與被測(cè)轉(zhuǎn)軸直接接觸，如離心式轉(zhuǎn)速表、磁性轉(zhuǎn)速表與測(cè)速發(fā)電機(jī)等；后者在使用時(shí)不需要與被測(cè)轉(zhuǎn)軸接觸,如光電式轉(zhuǎn)速表、電子數(shù)字式轉(zhuǎn)速表、閃光測(cè)速儀等。測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的傳統(tǒng)方法是使用光電式轉(zhuǎn)速表測(cè)量。用這種方法測(cè)量時(shí),既要在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)軸上粘貼光標(biāo)紙，又要求測(cè)量人員把轉(zhuǎn)速表與光標(biāo)紙的距離控制在很近的范圍,測(cè)量十分不方便。隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展,轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x表已步入現(xiàn)代化、電子化的行列。過(guò)去曾經(jīng)使用過(guò)的接觸式測(cè)量?jī)x表, 如離心式轉(zhuǎn)速表、磁性轉(zhuǎn)速表、微

11、型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速表屬定時(shí)轉(zhuǎn)速表，均已先后受到冷落；而利用已知頻率的閃光與被測(cè)軸轉(zhuǎn)速同步的方法來(lái)測(cè)速的閃光測(cè)速儀，雖屬非接觸式儀表，目前仍有應(yīng)用,但也退居次要地位。代之而起的是非接觸式的電子與數(shù)字化的測(cè)速儀表。這類轉(zhuǎn)速儀表大多具有體積小、重量輕、讀數(shù)準(zhǔn)確、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，容易實(shí)現(xiàn)電腦熒屏顯示和打印輸出，能夠連續(xù)的反映轉(zhuǎn)速變化，既能測(cè)定轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備穩(wěn)定情況下的平均轉(zhuǎn)速,也能夠用來(lái)在足夠小的時(shí)間間隔這一特定條件下測(cè)定轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速測(cè)量的應(yīng)用系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)、科技教育、民用電器等各領(lǐng)域的應(yīng)用極為廣泛，往往成為某一產(chǎn)品或控制系統(tǒng)的核心部分，其各種參數(shù)在不同的應(yīng)用中有其側(cè)重，但轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)作為普遍的應(yīng)用在

12、國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中，有重要的意義。1.3主要內(nèi)容與問(wèn)題1.3.1研究的主要內(nèi)容1.詳細(xì)分析半導(dǎo)體激光二極管的工作原理，并對(duì)半導(dǎo)體激光二極管的特點(diǎn)進(jìn)行較深入的研究。2.詳細(xì)分析轉(zhuǎn)速的測(cè)量理論，對(duì)轉(zhuǎn)速的周期測(cè)量法“t”法、頻率測(cè)量法“m”法以及周期頻率“m/t”測(cè)量法，三種具體測(cè)量方法的轉(zhuǎn)速計(jì)算、各自的測(cè)量精度和誤差進(jìn)行闡述。定性的比較三種方法所針對(duì)的轉(zhuǎn)速特征，分析高、中、低轉(zhuǎn)速情況下各自的適用狀況，從而在保持一定的測(cè)量精度情況下，應(yīng)用“m”法，說(shuō)明轉(zhuǎn)速測(cè)量原理。3.根據(jù)單片機(jī)硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，構(gòu)建軟件系統(tǒng)，分別對(duì)硬件系統(tǒng)的配置予以估計(jì)，使其能夠?qū)D(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量。同時(shí)分析接口電路，顯示轉(zhuǎn)速。4.對(duì)單片機(jī)定

13、時(shí)/計(jì)數(shù)器進(jìn)行設(shè)置，設(shè)計(jì)和說(shuō)明定時(shí)/計(jì)數(shù)器在“m”法測(cè)量中的作用和使用方法，討論測(cè)量精度的問(wèn)題。5.根據(jù)系統(tǒng)要求設(shè)置各控制字，用c語(yǔ)言編制程序，包括主程序流程，顯示中斷程序流程。并用軟件的方法對(duì)計(jì)數(shù)和定時(shí)進(jìn)行同步，力求在不增加硬件的條件下，使同步達(dá)到滿意的效果。6.利用keil c51軟件的vision4集成環(huán)境對(duì)系統(tǒng)對(duì)軟件進(jìn)行編譯、調(diào)試,protues7.8進(jìn)行仿真。1.3.2闡明的問(wèn)題1、針對(duì)現(xiàn)行轉(zhuǎn)速測(cè)量相關(guān)產(chǎn)品及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行調(diào)研，重點(diǎn)放在非接觸式轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x、光學(xué)反射式轉(zhuǎn)速測(cè)量方法的研究上。綜合論述光學(xué)反射式轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x的原理、結(jié)構(gòu)及功能，比較國(guó)內(nèi)外相關(guān)測(cè)速產(chǎn)品的應(yīng)用方案及優(yōu)缺點(diǎn)。重點(diǎn)內(nèi)容包

14、括：采用激光反射式測(cè)速模式，以單片機(jī)為核心構(gòu)成測(cè)速及實(shí)時(shí)顯示裝置；研究激光發(fā)射，特別是反射信號(hào)的采集處理；研究轉(zhuǎn)速測(cè)量中的相關(guān)算法，選擇適合本設(shè)計(jì)的測(cè)速算法。2、從以上的方案調(diào)研論證中，分析比較各類轉(zhuǎn)速測(cè)量相關(guān)產(chǎn)品之間的優(yōu)劣，從而深入了解光學(xué)反射式轉(zhuǎn)速測(cè)量方法、電路組成及相關(guān)測(cè)速算法的特點(diǎn)，最終選擇采用激光反射式轉(zhuǎn)速測(cè)量方法，得出實(shí)用的、可行的總體設(shè)計(jì)方案。3、根據(jù)總體設(shè)計(jì)方案，對(duì)基于激光反射原理的手持式轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)，并制作硬件實(shí)物。 4、對(duì)畢業(yè)論文及設(shè)計(jì)的工作進(jìn)行總結(jié)，分析存在的問(wèn)題及不足之處，并對(duì)該方案的應(yīng)用前景進(jìn)行展望。2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方案轉(zhuǎn)速測(cè)量的方案選擇,充分考慮傳

15、感器的結(jié)構(gòu)、安裝以及測(cè)速范圍與環(huán)境條件等方面的適用性。本文設(shè)計(jì)中給出了傳感器、顯示以及電源的選擇方案，經(jīng)過(guò)查資料、構(gòu)思和自己的設(shè)計(jì)，總體電路給出了幾種設(shè)計(jì)方案，部分重要模塊也考慮了其它設(shè)計(jì)方法，經(jīng)過(guò)分析，從實(shí)現(xiàn)難度、熟悉程度、器件用量以及價(jià)格等方面綜合考慮，我們才最終選擇了一個(gè)方案。2.1電源方案的選擇與論證（1）方案一：干電池干電池又叫一次性電池，是電源家族中最原始的成員。它體積小，攜帶方便，價(jià)格低廉，供電穩(wěn)定，適用于各種對(duì)電壓電流要求不高的場(chǎng)合。但干電池的還原性能極差，雖然國(guó)內(nèi)外也曾有許多人嘗試用恒壓充電器，恒流充電器，脈動(dòng)充電器，正負(fù)脈沖充電器等等來(lái)延長(zhǎng)干電池的使用壽命，但其電能化學(xué)能的

16、可逆性仍未得到改變。（2）方案二：開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓源開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開(kāi)關(guān)管通和斷開(kāi)的時(shí)間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，開(kāi)關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制（pwm）控制ic和mosfet構(gòu)成。與線性電源相比，pwm開(kāi)關(guān)電源更為有效的工作過(guò)程是通過(guò)“斬波”，即把輸入的直流電壓斬成幅值等于輸入電壓幅值的脈沖電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)的。脈沖電源的占空比由開(kāi)關(guān)電源的控制器來(lái)調(diào)節(jié)。一旦輸出電壓被沾成交流方波，其幅值就可以通過(guò)變壓器來(lái)升高或降低。通過(guò)增加變壓器的二次繞組數(shù)就可以增加輸出的電壓值。最后這些交流波形經(jīng)過(guò)整流濾波后就得到直流輸出電壓。（3）方案選擇綜合考慮，本設(shè)計(jì)手持式的要求，所以必須選用干電池作為電

17、源，即方案一。2.2顯示方案的選擇與論證（1）方案一：數(shù)碼管顯示數(shù)碼管一種半導(dǎo)體的發(fā)光器件，它的基本組成單元是發(fā)光二極管。數(shù)碼管按段數(shù)可以分為七段數(shù)碼管和八段數(shù)碼管，多個(gè)數(shù)碼管相互組合就可以作為顯示屏，通過(guò)對(duì)數(shù)碼管不同的管腳輸入相對(duì)的電流，使得數(shù)碼管對(duì)應(yīng)的段的二極管發(fā)亮，從而顯示出數(shù)字能夠顯示時(shí)間、日期、轉(zhuǎn)速等所有可以用數(shù)字表示的參數(shù)。（2）方案二：12864液晶屏顯示12864液晶顯示屏是128*64點(diǎn)陣液晶模塊，帶中文字庫(kù)的12864液晶顯示屏是一種具有4位或8位并行、2線或3線串行的多種接口方式，它內(nèi)部包含有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的一級(jí)、二級(jí)簡(jiǎn)體中文字庫(kù)的點(diǎn)陣圖形；其顯示的分辨率是12864, 它內(nèi)部

18、有8192個(gè)16*16點(diǎn)漢字和128個(gè)168點(diǎn)ascii字符集，可以顯示84行1616點(diǎn)陣的漢字。利用該液晶屏的靈活接口方式和簡(jiǎn)單的操作指令，就可構(gòu)成全中文人機(jī)交互的圖形界面。它的另一個(gè)顯著特點(diǎn)是工作時(shí)它的功耗很低。（3）方案三：1602液晶屏顯示1602液晶顯示屏是一種字符型的液晶模塊。它具有字符發(fā)生器rom：192種58點(diǎn)字體字符，64種510點(diǎn)字體字符；具有字符發(fā)生器ram：8種58點(diǎn)字體字符，4種510點(diǎn)字體字符；它可以顯示2行16個(gè)字符，每個(gè)字符都是由58點(diǎn)陣組成的字符塊集。1602液晶屏是采用8位并行的數(shù)據(jù)接口，同時(shí)還可以選用4位并行數(shù)據(jù)方式。1602液晶屏模塊結(jié)構(gòu)不僅穩(wěn)定，工作時(shí)

19、功耗很低，而且它的使用壽命長(zhǎng)、可靠性高。（4）方案選擇:本文設(shè)計(jì)的手持式激光轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x要求顯示轉(zhuǎn)速這一數(shù)字量。數(shù)碼管的顯示方案焊接電路復(fù)雜，占用單片機(jī)管腳較多，顯示效果沒(méi)有液晶屏的顯示效果好，而且耗電量大，干電池的電量長(zhǎng)時(shí)間無(wú)法滿足其供電要求；1602液晶顯示電路連接簡(jiǎn)單，可顯示字符和數(shù)字，功耗低，價(jià)格便宜；12864液晶顯示電路連接簡(jiǎn)單，可顯示漢字、字符和數(shù)字，功耗低，但價(jià)格高出1602一倍左右。綜合考慮，本文設(shè)計(jì)的手持式激光轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x采用方案三。2.3傳感器方案的選擇和論證（1）方案一： 霍爾傳感器測(cè)量方案霍爾傳感器是利用霍爾效應(yīng)進(jìn)行工作的，其核心元件是根據(jù)霍爾效應(yīng)原理制成的霍爾元件。采用

20、霍爾傳感器在信號(hào)采樣的時(shí)候，由于其有滯回效應(yīng)，會(huì)導(dǎo)致采樣不精確，因?yàn)樗强看判愿袘?yīng)才采集脈沖的，使用時(shí)間長(zhǎng)了會(huì)出現(xiàn)磁性變小，影響脈沖的采樣精度。（2）方案二：光電傳感器轉(zhuǎn)速信號(hào)由光電傳感器拾取,使用時(shí)應(yīng)先在轉(zhuǎn)子上做好光電標(biāo)記,具體辦法可以是:將轉(zhuǎn)子表面擦干凈后用黑漆(或黑色膠布)全部涂黑,再將一塊反光材料貼在其上作為光電標(biāo)記,然后將光電傳感器(光電頭)固定在正對(duì)光電標(biāo)記的某一適當(dāng)距離處。光電頭采用低功耗高亮度led,無(wú)論黑夜還是白天,或是背景光強(qiáng)有大范圍改變都不影響接收效果。光電頭包含有前置電路，輸出05v的脈沖信號(hào)。接到單片機(jī)stc89c52的相應(yīng)管腳上，通過(guò)stc89c52內(nèi)部定時(shí)/計(jì)時(shí)器

21、t0、t1及相應(yīng)的程序設(shè)計(jì)，組成一個(gè)數(shù)字式轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)。（3）方案選擇綜合考慮，光電轉(zhuǎn)速傳感器具有采樣精確，采樣速度快，范圍廣的特點(diǎn)，關(guān)鍵是無(wú)需固定，所以選用方案二。3 基于單片機(jī)的轉(zhuǎn)速測(cè)量方法及原理3.1半導(dǎo)體激光二極管的工作原理和特點(diǎn)3.1.1半導(dǎo)體激光二極管的工作原理半導(dǎo)體激光二極管的基本結(jié)構(gòu)如圖3.1所示，垂直于pn結(jié)面的一對(duì)平行平面構(gòu)成法布里珀羅諧振腔，它們可以是半導(dǎo)體晶體的解理面，也可以是經(jīng)過(guò)拋光的平面。其余兩側(cè)面則相對(duì)粗糙，用以消除主方向外其它方向的激光作用。圖3.1 半導(dǎo)體二極管的基本結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體中的光發(fā)射通常起因于載流子的復(fù)合。當(dāng)半導(dǎo)體的pn結(jié)加有正向電壓時(shí)，會(huì)削弱pn結(jié)勢(shì)壘，

22、迫使電子從n區(qū)經(jīng)pn結(jié)注入p區(qū)，空穴從p區(qū)經(jīng)過(guò)pn結(jié)注入n區(qū)，這些注入pn結(jié)附近的非平衡電子和空穴將會(huì)發(fā)生復(fù)合，從而發(fā)射出波長(zhǎng)為的光子，其公式如下： = hc/eg (3.1)式中：h 普朗克常數(shù)；c 光速； eg 半導(dǎo)體的禁帶寬度。上述由于電子與空穴的自發(fā)復(fù)合而發(fā)光的現(xiàn)象稱為自發(fā)輻射。當(dāng)自發(fā)輻射所產(chǎn)生的光子通過(guò)半導(dǎo)體時(shí)，一旦經(jīng)過(guò)已發(fā)射的電子空穴對(duì)附近，就能激勵(lì)二者復(fù)合，產(chǎn)生新光子，這種光子誘使已激發(fā)的載流子復(fù)合而發(fā)出新光子現(xiàn)象稱為受激輻射。如果注入電流足夠大，則會(huì)形成和熱平衡狀態(tài)相反的載流子分布，即粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。當(dāng)有源層內(nèi)的載流子在大量反轉(zhuǎn)情況下，少量自發(fā)輻射產(chǎn)生的光子由于諧振腔兩端面往復(fù)反射

23、而產(chǎn)生感應(yīng)輻射，造成選頻諧振正反饋，或者說(shuō)對(duì)某一頻率具有增益。當(dāng)增益大于吸收損耗時(shí)，就可從pn結(jié)發(fā)出具有良好譜線的相干光激光。由于半導(dǎo)體激光是方向性很強(qiáng)的相干光源，經(jīng)光學(xué)透鏡準(zhǔn)直或聚焦后，光束很細(xì)，因此可用小光闌獲取直徑為0.1mm0.5mm的激光光束，用這種細(xì)的準(zhǔn)直光束可以實(shí)現(xiàn)高精度的定位控制、位置檢測(cè)、線徑測(cè)量，并可以檢測(cè)直徑小到像繡花針頭般大小的目標(biāo)。特別是將半導(dǎo)體激光束通過(guò)芯徑5mm9mm單模光纖耦合并準(zhǔn)直后，可以將檢測(cè)精度提高到微米級(jí)，像頭發(fā)絲直徑這樣大小的目標(biāo)均可輕而易舉地檢測(cè)出來(lái)。 值得一提的是，將準(zhǔn)直后的激光束通過(guò)柱面光學(xué)透鏡后，可以射出一條直線光，其線寬可做到0.5mm，如圖

24、3.2所示。采用這種線光源，可以實(shí)現(xiàn)流水作業(yè)中材料定位切割、醫(yī)學(xué)上ct檢測(cè)中目標(biāo)定位、物體的直線度、不平度檢測(cè)等，應(yīng)用十分廣泛。本設(shè)計(jì)也采用了半導(dǎo)體激光二極管作為光源。圖3.2 線狀激光光源3.1.2半導(dǎo)體激光二極管的常用參數(shù)（1）波長(zhǎng)：即激光管工作波長(zhǎng)，目前可作光電開(kāi)關(guān)用的激光管波長(zhǎng)有635nm、650nm、670nm、690nm、780nm、810nm、860nm、980nm等。（2）閾值電流ith ：即激光管開(kāi)始產(chǎn)生激光振蕩的電流，對(duì)一般小功率激光管而言，其值約在數(shù)十毫安，具有應(yīng)變多量子阱結(jié)構(gòu)的激光管閾值電流可低至10ma以下。（3）工作電流iop ：即激光管達(dá)到額定輸出功率時(shí)的驅(qū)動(dòng)電流

25、，此值對(duì)于設(shè)計(jì)調(diào)試激光驅(qū)動(dòng)電路較重要。（4）垂直發(fā)散角：激光二極管的發(fā)光帶在垂直pn結(jié)方向張開(kāi)的角度，一般在1540左右。（5）水平發(fā)散角：激光二極管的發(fā)光帶在與pn結(jié)平行方向所張開(kāi)的角度，一般在610左右。（6）監(jiān)控電流im ：即激光管在額定輸出功率時(shí)，在pin管上流過(guò)的電流。3.1.3半導(dǎo)體激光二極管的特點(diǎn)（1）照射距離長(zhǎng)半導(dǎo)體激光光源是一種相干性強(qiáng)的光源，因而方向性很強(qiáng)，用光學(xué)系統(tǒng)準(zhǔn)直后，可很容易的把發(fā)散角限制在0.2 mrad以內(nèi)，如示意圖8。激光照射的光斑大小可按下式近似計(jì)算： dl （3.2）式中，d 光斑直徑（mm）； l 檢測(cè)距離（m）； 發(fā)散角（mrad）。若一束激光投射到5

26、00m遠(yuǎn)處，可近似得光斑直徑為 100mm，可見(jiàn)光斑并不大，在此范圍內(nèi)仍有較大的能量分布，足以驅(qū)動(dòng)接收器工作。同時(shí)，采用功率較大的激光管則容易實(shí)現(xiàn)數(shù)公里遠(yuǎn)的目標(biāo)探測(cè)。（2）可實(shí)現(xiàn)高精度的定位控制和微小目標(biāo)的檢測(cè)由于半導(dǎo)體激光是方向性很強(qiáng)的相干光源，經(jīng)光學(xué)透鏡準(zhǔn)直或聚焦后，光束很細(xì)，因此可用小光闌獲取直徑為0.1mm0.5mm的激光光束，用這種細(xì)的準(zhǔn)直光束可以實(shí)現(xiàn)高精度的定位控制、位置檢測(cè)、線徑測(cè)量，并可以檢測(cè)直徑小到像繡花針頭般大小的目標(biāo)。特別是將半導(dǎo)體激光束通過(guò)芯徑5mm9mm單模光纖耦合并準(zhǔn)直后，可以將檢測(cè)精度提高到微米級(jí)，像頭發(fā)絲直徑這樣大小的目標(biāo)均可輕而易舉地檢測(cè)出來(lái)。值得一提的是，將

27、準(zhǔn)直后的激光束通過(guò)柱面光學(xué)透鏡后，可以射出一條直線光，其線寬可做到0.5mm，此外，將準(zhǔn)直的激光光束通過(guò)某種光柵片后可射出十字形激光，在檢測(cè)和定位方面亦有獨(dú)到的應(yīng)用之處。（3）適應(yīng)不同使用要求，有多種波長(zhǎng)的激光光源可供選用近一、二十年來(lái)，半導(dǎo)體激光技術(shù)取得長(zhǎng)足的發(fā)展，業(yè)已商品化的半導(dǎo)體激光管在可見(jiàn)光波段有波長(zhǎng)為635nm、650nm、670nm、690nm四種類型，在近紅外波段則有780nm、810nm、830nm、850nm、860nm、910nm、980nm等幾種。根據(jù)使用要求，可靈活選擇其中任何一種作為光電開(kāi)關(guān)的激光電源。一般來(lái)說(shuō)，若選擇可見(jiàn)光波段，則在安裝、調(diào)試、對(duì)準(zhǔn)上都比較方便，若選

28、用近紅外波段，則在安裝、調(diào)試過(guò)程中，須使用夜視儀或紅外測(cè)試卡配合進(jìn)行。當(dāng)使用波長(zhǎng)短于860nm的型號(hào)時(shí)，雖然看不見(jiàn)激光光束，但激光管窗口還能清楚看到有紅色光，即所謂有“紅暴現(xiàn)象”。因此，在作周界報(bào)警的光電發(fā)射傳感器時(shí)，宜選用無(wú)“紅暴現(xiàn)象”的910nm、980nm激光器，以免暴露目標(biāo)。有時(shí)還要考慮傳輸介質(zhì)中的損耗問(wèn)題，例如，綠色激光在水中很少被吸收，其他波段則很容易被水吸收引起激光能量嚴(yán)重衰減。因此，在水中工作時(shí)，選用532nm的綠色激光最為適宜?？傊?，今天的半導(dǎo)體激光波長(zhǎng)范圍之寬，品種之豐富，均為使用者提供了充分選擇的余地。3.2單片機(jī)測(cè)量轉(zhuǎn)速的方法轉(zhuǎn)速是工程中應(yīng)用非常廣泛的一個(gè)參數(shù)，早期模擬

29、量的模擬處理一直是作為轉(zhuǎn)速測(cè)量的主要方法，這種測(cè)量方法在測(cè)量范圍和測(cè)量精度上，已不能適應(yīng)現(xiàn)代科技發(fā)展的要求。而隨著大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字測(cè)量系統(tǒng)得到普遍應(yīng)用，利用單片機(jī)對(duì)脈沖數(shù)字信號(hào)的強(qiáng)大處理能力，應(yīng)用全數(shù)字化的結(jié)構(gòu)，使數(shù)字測(cè)量系統(tǒng)的越來(lái)越普及。在測(cè)量范圍和測(cè)量精度方面都有極大的提高。下面對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行探討。一般轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)有以下幾個(gè)部分構(gòu)成，轉(zhuǎn)速測(cè)量框圖如圖3.3所示。單片機(jī)顯示接口芯片鍵盤整形和放大驅(qū)動(dòng)電路顯示轉(zhuǎn)速信號(hào)拾取圖3.3轉(zhuǎn)速測(cè)量框圖1轉(zhuǎn)速信號(hào)拾取轉(zhuǎn)速信號(hào)拾取是整個(gè)系統(tǒng)的前端通道，目的是將外界的非電參量，通過(guò)一定方式轉(zhuǎn)換成電量，這一環(huán)節(jié)可以通過(guò)敏感元件、傳感器或測(cè)

30、量?jī)x表等來(lái)實(shí)現(xiàn)。2整形和放大前向通道中，將傳感器輸出的信號(hào)轉(zhuǎn)換成單片機(jī)輸入要求的信號(hào)。3單片機(jī)單片機(jī)是整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的主要部分，擔(dān)負(fù)對(duì)前端脈沖信號(hào)的處理、計(jì)算、以及信號(hào)的同步，計(jì)時(shí)等任務(wù)，其次，將測(cè)量的數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算后，將得到的轉(zhuǎn)速值傳送到顯示接口中，用液晶顯示器顯示數(shù)值。在本系統(tǒng)中考慮到計(jì)數(shù)的范圍、使用的定時(shí)/計(jì)數(shù)器的個(gè)數(shù)及i/o口線，選用stc89c52單片機(jī)。4驅(qū)動(dòng)和顯示液晶顯示器以其微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄超輕等諸多優(yōu)點(diǎn)，在袖珍式儀表和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中得到越來(lái)越廣泛應(yīng)用。由于本系統(tǒng)采用獨(dú)立供電的方案，所以也選用了液晶來(lái)顯示。3.3轉(zhuǎn)速測(cè)量原理3.3.1測(cè)周期法“t法”轉(zhuǎn)速可以用兩脈

31、沖產(chǎn)生的間隔寬度tp來(lái)決定。用以采集數(shù)據(jù)的碼盤，可以是單孔或多孔，對(duì)于單孔碼盤測(cè)量?jī)纱蚊}沖間的時(shí)間，就可測(cè)出轉(zhuǎn)述數(shù)據(jù)，tp也可以用時(shí)鐘脈沖數(shù)來(lái)表示。對(duì)于多孔碼盤，其測(cè)量的時(shí)間只是每轉(zhuǎn)的1/n，n為碼盤孔數(shù)。如圖3.4“t”法脈寬測(cè)量所示。tp通過(guò)定時(shí)器測(cè)得。定時(shí)器對(duì)時(shí)基脈沖(頻率為fc)進(jìn)行計(jì)數(shù)定時(shí)，在tp內(nèi)計(jì)數(shù)值若為m2，則 計(jì)算公式為： n = 60/ptp （3.3）即： n = 60fc/pm2 （3.4）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(shí)鐘脈沖頻率：?jiǎn)挝唬╤z）；n 轉(zhuǎn)速單位：（轉(zhuǎn)/分）；m2 時(shí)基脈沖。輸入脈沖 時(shí)基脈沖圖3.4 “t”法脈寬測(cè)量由 “

32、t”法脈寬測(cè)量可知“t”法測(cè)量精度的誤差主要有兩個(gè)方面，一是兩脈沖的上升沿觸發(fā)時(shí)間不一致而產(chǎn)生的；二是計(jì)數(shù)和定時(shí)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(jì)數(shù)和定時(shí)嚴(yán)格同步。測(cè)周法在低轉(zhuǎn)速時(shí)精度較高，但隨著轉(zhuǎn)速的增加，精度變差，會(huì)有小于一個(gè)脈沖的誤差存在。3.3.2測(cè)頻率法“m法”在一定測(cè)量時(shí)間t內(nèi)，測(cè)量脈沖發(fā)生器（替代輸入脈沖）產(chǎn)生的脈沖數(shù)m1來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)速，如圖3.5“m”法測(cè)量轉(zhuǎn)速脈沖所示，設(shè)在時(shí)間t內(nèi)，轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過(guò)的弧度數(shù)為x，則轉(zhuǎn)速n可由下式表示：n=60x/2t (3.5)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過(guò)的弧度數(shù)x可用下式所示x=2m1/p (3.6)圖3.5 “m”法測(cè)量轉(zhuǎn)速脈沖將（3-6

33、）式代入（3-5）式得轉(zhuǎn)速n的表達(dá)式為： n=60m1/tp (3.7)n-轉(zhuǎn)速單位：（轉(zhuǎn)/分）；t-定時(shí)時(shí)間單位：（秒）。在該方法中，由于定時(shí)時(shí)間t和脈沖不能保證嚴(yán)格同步，以及在定時(shí)時(shí)間t內(nèi)能否準(zhǔn)確測(cè)量外部脈沖的完整周期等問(wèn)題的影響，所以可能產(chǎn)生1個(gè)脈沖的量化誤差。因此，為了提高測(cè)量精度，要保證定時(shí)時(shí)間t足夠長(zhǎng)。定時(shí)時(shí)間t可根據(jù)測(cè)量對(duì)象情況預(yù)先設(shè)置。設(shè)置的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，雖然可以提高精度，但在轉(zhuǎn)速較快的情況下，所計(jì)的脈沖數(shù)增大（碼盤孔數(shù)已經(jīng)確定的情況下），限制了轉(zhuǎn)速測(cè)量的量程。而設(shè)置的時(shí)間過(guò)短，測(cè)量精度又會(huì)受到一定的影響。3.3.3測(cè)頻測(cè)周期法“m/t法”所謂測(cè)頻測(cè)周期法，即是綜合了“t”法和“m

34、”法分別對(duì)高、低轉(zhuǎn)速具有的不同精度，利用各自的優(yōu)點(diǎn)而產(chǎn)生的方法，精度位于兩者之間，如圖3.6“m/t”法定時(shí)/計(jì)數(shù)測(cè)量所示?！癿/t”法采用三個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器，同時(shí)對(duì)輸入脈沖、高頻脈沖（由振蕩器產(chǎn)生）、及預(yù)設(shè)的定時(shí)時(shí)間進(jìn)行定時(shí)和計(jì)數(shù)，m1反映轉(zhuǎn)角，m2反映測(cè)速的準(zhǔn)確時(shí)間，通過(guò)計(jì)算可得轉(zhuǎn)速值n。該法在高速及低速時(shí)都具有相對(duì)較高的精度。測(cè)速時(shí)間td由脈沖發(fā)生器脈沖來(lái)同步，即td等于m1個(gè)脈沖周期。由圖可見(jiàn)，從a點(diǎn)開(kāi)始，計(jì)數(shù)器對(duì)m1和m2計(jì)數(shù)，到達(dá)b點(diǎn)，預(yù)定的測(cè)速時(shí)間時(shí)，計(jì)算機(jī)發(fā)出停止計(jì)數(shù)的指令，因?yàn)閠c不一定正好等于整數(shù)個(gè)脈沖發(fā)生器脈沖周期，所以，計(jì)數(shù)器仍對(duì)高頻脈沖繼續(xù)計(jì)數(shù)，到達(dá)c點(diǎn)時(shí)，脈沖發(fā)生器產(chǎn)

35、生的脈沖上升沿使計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，這樣，m2就代表了m1個(gè)脈沖周期的時(shí)間?！癿/t”法綜合了“t”和“m”兩種方法，轉(zhuǎn)速計(jì)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(gè)脈沖，由式（3.4）和（3.7）可得m/t法轉(zhuǎn)速計(jì)算公式為：n=60fcm1/pm2 (3.8)n-轉(zhuǎn)速值。單位：（轉(zhuǎn)/分）；fc-晶體震蕩頻率：?jiǎn)挝唬╤z）；m1-輸入脈沖數(shù)，反映轉(zhuǎn)角；m2-時(shí)基脈沖數(shù)。圖3.6 “m/t”法定時(shí)/計(jì)數(shù)測(cè)量通過(guò)誤差和精度分析可知，m法適合于高速測(cè)量，當(dāng)轉(zhuǎn)速越低，產(chǎn)生的誤差會(huì)越大。t法適合于低速測(cè)量，轉(zhuǎn)速越大，誤差越大。m/t這種轉(zhuǎn)速測(cè)量方法的相對(duì)誤差與轉(zhuǎn)速n無(wú)關(guān)，只與晶體振蕩產(chǎn)生的脈沖有

36、關(guān)，故可適合各種轉(zhuǎn)速下的測(cè)量。保證其測(cè)量精度的途徑是增大定時(shí)時(shí)間t，或提高時(shí)基脈沖的頻率fc。在實(shí)際操作時(shí)往往采用一種稱變m/t的測(cè)量方法。所謂的變m/t法，就是在m/t法的基礎(chǔ)上，讓測(cè)量時(shí)間tc始終等于轉(zhuǎn)速輸入脈沖信號(hào)的周期之和，并根據(jù)第一次所測(cè)的轉(zhuǎn)速及時(shí)調(diào)整預(yù)測(cè)時(shí)間tc，這樣就解決了不同轉(zhuǎn)速情況下的測(cè)量精度問(wèn)題。基于m法來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)速，電路和程序均較為簡(jiǎn)單，且可以在一定的條件下滿足精度的要求，所以本設(shè)計(jì)中采用m法進(jìn)行測(cè)量，誤差和精度的具體分析過(guò)程在此不做復(fù)述。4智能轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)測(cè)速轉(zhuǎn)盤光電傳感器信號(hào)處理單片機(jī)顯示鍵盤半導(dǎo)體激光器4.1系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)本轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)有以下幾個(gè)部分構(gòu)成，如

37、圖4.1轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)方框圖所示。圖4.1 轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)方框圖本設(shè)計(jì)的硬件主要由光電傳感器、信號(hào)處理電路、單片機(jī)stc89c52、鍵盤、lcd顯示等部分組成。如圖4.1，當(dāng)測(cè)速轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，光電傳感器接收反射紙反射的激光信號(hào)，產(chǎn)生一個(gè)脈沖電信號(hào)，然后把信號(hào)送入放大電路、整形及三極管組成的整形電路進(jìn)行信號(hào)處理，將模擬波信號(hào)轉(zhuǎn)化為ttl電平輸出到單片機(jī)計(jì)數(shù)器中進(jìn)行轉(zhuǎn)速計(jì)數(shù)，最后通過(guò)液晶顯示器顯示其數(shù)值。硬件電路圖如圖附件1所示。4.1.1轉(zhuǎn)速信號(hào)發(fā)射與拾取的結(jié)構(gòu)本設(shè)計(jì)中采集信號(hào)部分是通過(guò)光電傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)，利用測(cè)速轉(zhuǎn)盤將激光信號(hào)轉(zhuǎn)變成單片機(jī)能夠處理的電信號(hào)。測(cè)速轉(zhuǎn)盤位于激光二極管和接收光電傳感器正前方，

38、采用+5v電壓供電，選用合適的電阻值來(lái)配合其工作。激光二極管發(fā)出的光信號(hào)通過(guò)反射紙，光電傳感器表面，并將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)輸出。如圖4.2轉(zhuǎn)速傳感器電路圖所示。圖4.2 轉(zhuǎn)速信號(hào)發(fā)射與接收電路圖4.1.2.顯示部分的結(jié)構(gòu)本設(shè)計(jì)中采用lcd1602液晶顯示器作為顯示部分， p0口的p0.0p0.7口作為液晶顯示器的段驅(qū)動(dòng)，使用一片10k的上拉排阻，增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力。如圖4.3所示。圖4.3 lcd1602電路圖4.1.3復(fù)位功能的實(shí)現(xiàn)單片機(jī)除本身需要復(fù)位以外，外部擴(kuò)展的i/o接口電路等也需要復(fù)位。因此，為了控制的方便，本設(shè)計(jì)中采用人工按鈕復(fù)位的方式。stc89c52單片機(jī)的rst端通過(guò)10k

39、電阻接地，10電容直接和一個(gè)接有按鍵的200電阻并聯(lián)接入電源端，組成上電按鈕復(fù)位電路。當(dāng)開(kāi)關(guān)未按下時(shí)，由于電容的濾波作用，干擾信號(hào)不會(huì)進(jìn)入到單片機(jī)中，起到抗干擾的作用；當(dāng)按下開(kāi)關(guān)一定時(shí)間就能使rst引腳端變?yōu)楦唠娖?，從而使單片機(jī)復(fù)位。如圖4.4所示圖4.4單片機(jī)復(fù)位電路4.2 硬件電路中主要部件的介紹4.2.1 stc89c52介紹stc89c52rc單片機(jī)是宏晶科技公司推出的新一代低功耗/高速/超強(qiáng)抗干擾的單片機(jī)。它的主要特性：指令代碼與傳統(tǒng)8051單片機(jī)完全兼容，另外6時(shí)鐘/機(jī)器周期和12時(shí)鐘/機(jī)器周期可以任意選擇；用戶應(yīng)用程序的空間范圍為8k字節(jié)；片上集成ram為512字節(jié)；通用32個(gè)i

40、/o口，p0需加上拉電阻；可直接通過(guò)uart串口下載用戶程序；具有eeprom功能；具有看門狗復(fù)位功能；共3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；4路外部中斷，可低電平或下降沿中斷觸發(fā)電路。stc89c52各個(gè)管腳的功能，如表4.1所示。管腳號(hào)管腳名稱管腳功能第18管腳p1.0p1.78位準(zhǔn)雙向i/o口線第9管腳rst/vpp復(fù)位引腳第1017管腳p3.0p3.78位準(zhǔn)雙向i/o口線第18、19管腳xtal1、xtal2振蕩電路的輸入端、輸出端第20管腳gnd接地線第2128管腳p2.0p2.78位準(zhǔn)雙向i/o口線第29管腳psen外部存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)第30管腳ale/prog地址鎖存允許信號(hào)第31管腳ea

41、/vpp程序存儲(chǔ)器的內(nèi)外部選通，接低電平從外部程序存儲(chǔ)器讀指令，如果接高電平則從內(nèi)部程序存儲(chǔ)器讀指令。第3239管腳p0.0p0.78位雙向i/o口線第40管腳vcc電源輸入，接5v電源表4.1 stc89c52管腳功能4.2.2 1602液晶顯示屏介紹本文采用的yb1602a液晶屏是一種字符型液晶模塊。該模塊由字符型液晶顯示屏、擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)芯片splc1oo和控制驅(qū)動(dòng)主芯片splc780c組成，再配以少量外圍阻容元件結(jié)構(gòu)件等裝配在pcb板上而成。yb1602a采用了先進(jìn)的工藝制作，使得液晶模塊結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、使用壽命長(zhǎng)和功耗低。 （1）1602液晶各個(gè)管腳的功能，如表4.2所示。管腳號(hào)管腳名稱電平管腳

42、功能1vss 0v電源地2vcc5.0v電源輸入 3v0-lcd驅(qū)動(dòng)電壓輸入4rsh/l rs=h,表示 db0-db7 為顯示數(shù)據(jù) rs=l，表示db0-db7 為指令 5r/wh/l r/w=h,數(shù)據(jù)被讀到 db9-db7 r/w=l, 數(shù)據(jù)被寫(xiě)到 db9-db7 6eh,hl 使能信號(hào) 7db0h/l 數(shù)據(jù)線 8db1h/l 數(shù)據(jù)線 9db2h/l 數(shù)據(jù)線 10db3h/l 數(shù)據(jù)線 11db4h/l 數(shù)據(jù)線 12db5h/l 數(shù)據(jù)線 13db6h/l 數(shù)據(jù)線 14db7h/l 數(shù)據(jù)線 15bla5.0v背光正極(ledkblk) 16blk0v背光負(fù)極(ledabla) 表4.2 160

43、2管腳功能圖（2）1602液晶ram地址映射lcd 16字x 2行yb1602a液晶的控制器內(nèi)部帶80x8位（80個(gè)字節(jié)）的ram緩沖區(qū)，對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖4.5所示。000102.0e0f1011.27404142.4e4f5051.67圖4.5 ram地址映射圖5 智能轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)5.1程序設(shè)計(jì)根據(jù)硬件電路設(shè)計(jì)，進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，在程序設(shè)計(jì)之前，首先要設(shè)置定時(shí)/計(jì)數(shù)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。5.1.1工作方式及控制字設(shè)置（1）定時(shí)/計(jì)數(shù)器t1本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，t1被用于計(jì)數(shù)，由于采用“m”法測(cè)速，所以要求計(jì)數(shù)量越大越好，這樣可以獲得較大的測(cè)量范圍，因此，t

44、1選定為工作方式1（16位的計(jì)數(shù)方式）。本設(shè)計(jì)中沒(méi)有使用外部控制端，僅用指令置位/清零tr1來(lái)進(jìn)行計(jì)數(shù)的啟動(dòng)/停止，這樣電路較為簡(jiǎn)單，但精度會(huì)受到一定的影響，但在本設(shè)計(jì)中，采用這種方式精度可達(dá)到要求，因此，t1采用自由計(jì)數(shù)的方式，不用預(yù)置初值。（2）定時(shí)/計(jì)數(shù)器t0定時(shí)器t0每50ms中斷一次，用以進(jìn)行l(wèi)cd顯示和每一秒讀取一次計(jì)數(shù)器t1中的數(shù)值。這里選用t0的工作狀態(tài)為0。要使t0設(shè)定正確的定時(shí)時(shí)間，首先要計(jì)算其初值，定時(shí)時(shí)間為：t = (216-t0的初值)晶振周期12 （5.1） 定時(shí)時(shí)間10ms:10ms = (216-t0的初值)1/12*10-612則： t0的初值 = 216-1

45、04因此，th0=d8， th0 = f0；確定了定時(shí)/計(jì)數(shù)器t0的定時(shí)時(shí)間以后，就要計(jì)算定時(shí)初值，本系統(tǒng)用了12m的晶振，恰好是一個(gè)機(jī)器周期為1s，因此，1ms定時(shí)時(shí)間意味著只要計(jì)數(shù)1000次即可，由于定時(shí)/計(jì)數(shù)器t0是向上計(jì)數(shù)，因此，要化為16進(jìn)制，并分別送入t0的高8位和低8位。計(jì)數(shù)程序中可寫(xiě)為：plus counter = th1*256 + tl1。這里用plus counter作為轉(zhuǎn)化為10進(jìn)制數(shù)值的數(shù)值存儲(chǔ)器，th1和tl1分別是二進(jìn)制計(jì)數(shù)值的高8位和低8位。由于stc89c52單片機(jī)在中斷時(shí)，會(huì)附加延時(shí)38個(gè)周期，在滿足一定條件的情形下，驗(yàn)證這個(gè)數(shù)值是否正確，可以在進(jìn)入仿真調(diào)試

46、時(shí)通過(guò)觀察keil提供的有關(guān)變量看到，如果不正確，可以根據(jù)實(shí)際情況略作調(diào)整，保證定時(shí)時(shí)間盡量準(zhǔn)確。（3）定時(shí)/計(jì)數(shù)器的方式控制字定時(shí)/計(jì)數(shù)器的方式控制字tmod，其地址為89h，復(fù)位值00h，不可位尋址。其8位控制。如圖5.1工作模式寄存器tmod的位定義所示。gatec/m1m0gatec/m1m0 t1 t0圖5.1 工作模式寄存器tmod的位定義圖說(shuō)明：gate：門控位。由gate、軟件控制位tr0/1和int0/1共同決定定時(shí)/計(jì)數(shù)器0/1的打開(kāi)或關(guān)閉。當(dāng)gate=0，只要用指令置tr0/1=1即可啟動(dòng)定時(shí)/計(jì)數(shù)器0/1工作。gate=1，只有int0/1引腳為高電平且用指令置tr0/

47、1=1時(shí)，才能啟動(dòng)定時(shí)/計(jì)數(shù)器0/1的工作。c/t：定時(shí)器/計(jì)數(shù)器選擇位。c/t=1，工作于計(jì)數(shù)器方式；c/t=0工作于定時(shí)器方式。m1m0：定時(shí)/計(jì)數(shù)工作模式選擇位。m1m0=00，13位計(jì)數(shù)；m1m0=01，16位計(jì)數(shù)；m1m0=10，自動(dòng)再裝入8位計(jì)數(shù)；m1m0=11，工作于模式3狀態(tài)。根據(jù)前面的描述，可以確定tmod的控制字應(yīng)為01010001b。（4）定時(shí)/計(jì)數(shù)控制寄存器tcontcon地址88h，可進(jìn)行位尋址，復(fù)位值00h。如圖5.2控制寄存器tcon的位定義圖所示。tf1 tr1 tf0 tr0 ie1 it1 ie0it0圖5.2 控制寄存器tcon的位定義圖tf0、tf1分別

48、為定時(shí)器t0和計(jì)數(shù)器t1的溢出標(biāo)志位，tr0和tr1在正常情況下，都沒(méi)有溢出標(biāo)志，只有當(dāng)計(jì)數(shù)值或定時(shí)值超過(guò)65535時(shí)，才能有溢出中斷請(qǐng)求，這兩位是由硬件置位和硬件清零，不需另行設(shè)置。可在t0和t1的溢出中斷服務(wù)程序中，以供使用。tr1、tr0分別用于開(kāi)啟t1和t0的開(kāi)關(guān)位，其中tr1由系統(tǒng)開(kāi)啟時(shí)，直接置位，打開(kāi)t1，開(kāi)始定時(shí)，經(jīng)運(yùn)行判斷后，打開(kāi)tr0。5.1.2變量分配及程序的初始化在程序開(kāi)始之前，首先進(jìn)行變量的分配，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，對(duì)定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、串行口等設(shè)置工作狀態(tài)，預(yù)置初值等。以下是程序定義變量及進(jìn)行初始化的程序行。sbit

49、rs=p27; /寄存器選擇位，將rs位定義為p2.0引腳sbit rw=p26; /讀寫(xiě)選擇位，將rw位定義為p2.1引腳sbit e=p25; /使能信號(hào)位，將e位定義為p2.2引腳sbit bf=p07; /忙碌標(biāo)志位，將bf位定義為p0.7引腳unsigned char code digit =0123456789; /定義字符數(shù)組顯示數(shù)字unsigned int v; /儲(chǔ)存電機(jī)轉(zhuǎn)速unsigned char count; /儲(chǔ)存定時(shí)器t0中斷次數(shù)bit flag; /計(jì)滿1秒鐘標(biāo)志位5.1.3顯示功能的實(shí)現(xiàn)定時(shí)/計(jì)數(shù)器t0每10ms中斷一次，用以進(jìn)行l(wèi)cd顯示和每1秒讀取一次計(jì)數(shù)器

50、t1中的數(shù)值。1 定時(shí)器t0的中斷實(shí)現(xiàn)void time0(void ) interrupt 1 using 1 /定時(shí)器t0的中斷編號(hào)為1，使用第1組工作寄存器count+; /t0每中斷1次，count加1if(count=20) /若累計(jì)滿20次，即計(jì)滿1秒鐘flag=1; /計(jì)滿1秒鐘標(biāo)志位置1count=0; /清0，重新統(tǒng)計(jì)中斷次數(shù)th0=(65536-46083)/256; /定時(shí)器t0高8位重新賦初值tl0=(65536-46083)%256; /定時(shí)器t0低8位重新賦初值 判斷count是否到達(dá)20了，如果到達(dá)20，則說(shuō)明1秒時(shí)間已到，程序?qū)㈥P(guān)閉t1計(jì)數(shù)器，然后對(duì)t1中已計(jì)得

51、的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后再去進(jìn)行顯示，否則直接轉(zhuǎn)去顯示。這部份的程序流程圖如圖5.3中斷程序子程序流程圖所示。圖5.3 中斷程序流程圖5.1.2液晶的顯示lcd顯示采用時(shí)時(shí)方式，如圖5.4 lcd顯示流程圖所示，從圖中可以看出，程序中利用了一個(gè)延時(shí)函數(shù)，在函數(shù)中由計(jì)數(shù)器自加來(lái)實(shí)現(xiàn)延時(shí)的（自加速度由晶振頻率決定）。圖5.4 lcd顯示流程圖程序如下：void display_val(unsigned int x)unsigned char i,j,k,l; /j,k,l分別儲(chǔ)存速度的百位、十位和個(gè)位i=x/1000; /取千位j=(x%1000)/100; /取百位 k=(x%100)/10; /取

52、十位 l=x%10; /取個(gè)位 writeaddress(0x02); /寫(xiě)顯示地址,將在第1行第3列開(kāi)始顯示writedata(digiti); /將千位數(shù)字的字符常量寫(xiě)入lcdwritedata(digitj); /將百位數(shù)字的字符常量寫(xiě)入lcdwritedata(digitk); /將十位數(shù)字的字符常量寫(xiě)入lcdwritedata(digitl); /將個(gè)位數(shù)字的字符常量寫(xiě)入lcd 以此規(guī)律進(jìn)行顯示，直至四位全部顯示完畢，等待下一次循環(huán)。5.3主程序流程本系統(tǒng)的主程序參考圖如圖5.5主程序流程圖所示，在完成初始化工作以后，即循環(huán)等待，每1s時(shí)間到之后，t0中斷程序?qū)?huì)讀取t1中的計(jì)數(shù)值，

53、并將其放入約定的存儲(chǔ)單元中，同時(shí)判斷是否有鍵按下，當(dāng)按鍵被按下時(shí)，主程序立即轉(zhuǎn)入計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果送入p0口，接著由lcd讀取p0口數(shù)據(jù)并顯示。圖5.5 主程序流程圖5.4開(kāi)發(fā)平臺(tái)介紹單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的程序必須有調(diào)試好的應(yīng)用程序，系統(tǒng)才能運(yùn)行。通常，單片機(jī)的開(kāi)發(fā)工具至少需要仿真軟件和編程器兩種，前者用以調(diào)試程序，后者用于將調(diào)試完成后的程序代碼寫(xiě)入單片機(jī)芯片中。5.4.1 keil c51軟件集成開(kāi)發(fā)環(huán)境隨著單片機(jī)開(kāi)發(fā)技術(shù)的不斷發(fā)展，單片機(jī)的開(kāi)發(fā)軟件也在不斷發(fā)展，keil軟件是目前流行的用于開(kāi)發(fā)51系列單片機(jī)的軟件。該軟件提供了包括c編譯器、宏匯編、鏈接器、庫(kù)管理和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的

54、完整開(kāi)發(fā)方案，通過(guò)一個(gè)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（vision）將這些部分組合在一起。運(yùn)行keil軟件需要pentium或以上的cpu，16mb或更多ram、20mb以上空閑的硬盤空間、win98、nt、win2000、winxp等操作系統(tǒng)。圖5.6 keil c51 vision4操作界面5.4.2 單片機(jī)下載由于我們大部分pc機(jī)使用的都是筆記本電腦，只有usb接口，沒(méi)有串口。因此我們要通過(guò)usb轉(zhuǎn)串口線，再通過(guò)rs232轉(zhuǎn)接下載，如果將9針頭和rs232電路焊接到設(shè)備電路板中，那樣就會(huì)占用板子的空間而且加大了焊接難度，操作十分不便。本論文特地自制了下載程序時(shí)需要通過(guò)rs232轉(zhuǎn)接板，這樣在在無(wú)線樓宇智能環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備的主機(jī)和從機(jī)電路板上只需添加四芯插座即可。這樣大大縮減了電路復(fù)雜度，同時(shí)下載更加快捷方便。單片機(jī)下載結(jié)構(gòu)方框圖，如圖5.7所示。rs232轉(zhuǎn)接板單片機(jī)pc機(jī) usb串口線 四芯線圖5.7 單片機(jī)下載結(jié)構(gòu)方框圖pc機(jī)通過(guò)usb轉(zhuǎn)串口線連接到rs232轉(zhuǎn)接板