基于光電傳感器的轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)設計_畢業(yè)設計

1、畢 業(yè) 設 計學生姓名Xxx學 號170302041院 (系)電子與電氣工程專 業(yè)Xxx題 目基于光電傳感器的轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)設計指導教師 年 月摘 要：轉(zhuǎn)速是發(fā)動機重要的工作參數(shù)之一,也是其它參數(shù)計算的重要依據(jù)。目前常用的轉(zhuǎn)速測量方法有離心式轉(zhuǎn)速表測速法、測速發(fā)電機測速法、光電碼盤測速法和霍爾元件測速法等。在對各種測速方法進行分析后提出了基于光電傳感器的轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)。詳細分析了系統(tǒng)的組成及工作原理，給出了系統(tǒng)中各硬件模塊設計方法及系統(tǒng)軟件設計方法，給出了部分程序流程圖和程序清單。該測速系統(tǒng)安裝維護方便，工作穩(wěn)定，運行可靠，具有較大的推廣應用價值。關鍵詞 ：單片機，光電轉(zhuǎn)速傳感器，轉(zhuǎn)速測量，數(shù)據(jù)處

2、理Abstract：The rotate speed is one of the important parameters for the engine, and it is also the important factor that calculates other parameters. At present there are many methods for the tachometric survey measurement. After analyze various rotate speed measurement methods, the photoelectric sens

3、or tachometric survey system is presented. The composition and the principle of the system are presented, and the design method of hardware and the software are also presented. The whole system has the bigger promotion application value.Key words：single-chip computer，photoelectric sensor，rotate spee

4、d measurement，data processing目 錄1 引 言42 系統(tǒng)組成及工作原理42.1轉(zhuǎn)速測量原理42.2轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)組成框圖43 系統(tǒng)硬件電路的設計53.1 脈沖產(chǎn)生電路設計53.2 光電轉(zhuǎn)換及信號調(diào)理電路設計6 光電傳感器簡介6 光電轉(zhuǎn)換及信號調(diào)理電路設計73.3 測量系統(tǒng)主機部分設計8 單片機8 鍵盤顯示模塊設計10 串行通信模塊設計12電源模塊設計134 系統(tǒng)軟件設計144.1 主程序設計144.2 數(shù)據(jù)處理過程164.3 浮點數(shù)學運算程序175 制作調(diào)試176 結(jié)果分析19結(jié) 論20參考文獻21致 謝221引 言轉(zhuǎn)速測量是社會生產(chǎn)和日常生活中重要的測量和控制對象。

5、近年來，由于世界范圍內(nèi)對轉(zhuǎn)速測量合理利用的日益重視，促使轉(zhuǎn)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。進行轉(zhuǎn)速測量的檢測控制，可以使用多種傳感器。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(xiàn)狀，使用光電傳感器結(jié)合STC公司的STC 89C51型單片機設計的一種轉(zhuǎn)速測量與控制系統(tǒng)。STC 89C51單片機采用了CMOS工藝和高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(tǒng)都與MCS-51兼容，是開發(fā)該系統(tǒng)的適合芯片。2 系統(tǒng)組成及工作原理2.1 轉(zhuǎn)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(nèi)，計取轉(zhuǎn)速

6、傳感器產(chǎn)生的脈沖個數(shù)，從而算出實際轉(zhuǎn)速。設固定的測量時間為Tc（min），計數(shù)器計取的脈沖個數(shù)m，假定脈沖發(fā)生器每轉(zhuǎn)輸出p個脈沖，對應被測轉(zhuǎn)速為N（r/min），則f=pN/60Hz；另在測量時間Tc內(nèi)，計取轉(zhuǎn)速傳感器輸出的脈沖個數(shù)m應為 m=Tcf ，所以，當測得m值時，就可算出實際轉(zhuǎn)速值1：N=60m/pTc (r/min)（1） 2.2 轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)組成框圖系統(tǒng)由信號預處理電路、單片機STC 89C51、系統(tǒng)化LED顯示模塊、串口數(shù)據(jù)存儲電路和系統(tǒng)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

7、將放大的信號轉(zhuǎn)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(nèi)部定時器T0對輸入脈沖進行計數(shù)，這樣就能精確地算出加到T0引腳的單位時間內(nèi)檢測到的脈沖數(shù)；設計中轉(zhuǎn)速顯示部分采用價格低廉且使用方便的LED模塊，通過相關計算方法計算得到的轉(zhuǎn)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(tǒng)的原理框圖如圖2.1所示。波形整形波形變換信 號放大器鍵盤模塊單片機數(shù)字存儲電路RS232LED 顯 示圖2.1 系統(tǒng)的原理框圖3 系統(tǒng)硬件電路的設計3.1 脈沖產(chǎn)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

8、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(tǒng)在光電傳感器收發(fā)端間加入電動機，并在電動機的轉(zhuǎn)軸上安裝一轉(zhuǎn)盤。在這個轉(zhuǎn)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(zhuǎn)盤隨著后輪旋轉(zhuǎn)的時候，傳感器將向外輸出若干個脈沖。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(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)盤的圓孔的個數(shù)決定了測量的精度，個數(shù)越多，精度越高。這樣就可以在單位時間內(nèi)盡可能多地得到脈沖數(shù)，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

9、轉(zhuǎn)盤的圓孔的實際個數(shù)受到技術的限制。為了達到預定的效果設計在轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)圖如圖3.1所示。圖3.1脈沖發(fā)生源硬件結(jié)構(gòu)圖（左為正視圖，右為側(cè)視圖）3.2 光電轉(zhuǎn)換及信號調(diào)理電路設計由于系統(tǒng)需要將光信號轉(zhuǎn)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(diào)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(shù)，同時得到計數(shù)的時間，由單片機進行相關計算以得到電動機轉(zhuǎn)速。 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(zhuǎn)換成光信號的變化

10、，然后借助光電元件進一步將光信號轉(zhuǎn)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(shù)多，傳感器的結(jié)構(gòu)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系統(tǒng)是多種多樣的，按光電元件(光學測控系統(tǒng))輸出量性質(zhì)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(zhuǎn)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

11、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(jīng)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(zhuǎn)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

12、具有豐富的紅外線。如果選用的光電元件對紅外光敏感，構(gòu)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(jīng)濟與使用便利方面考慮，并考慮到抗干擾性能，我們決定選用紅外光二極管做系統(tǒng)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?shù)男盘栒{(diào)理電路。這些信號調(diào)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(zhuǎn)換成所單片機定時計數(shù)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，

13、為此設計時必須詳加考慮。 光電轉(zhuǎn)換及信號調(diào)理電路設計傳感器將電機的轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)變成了電脈沖信號，該信號經(jīng)過LM324集成運放整形驅(qū)動，送到單片機進行脈沖計數(shù)，從而測出電動機轉(zhuǎn)速。光電轉(zhuǎn)換部分與單片機的連接框圖如圖3.2所示。LED數(shù)碼管數(shù)碼顯示譯碼器計數(shù)脈沖整形驅(qū)動LM324傳感器STC 89C51圖3.2 光電轉(zhuǎn)換部分與單片機的連接框圖LM324是四運放集成電路，它采用14腳雙列直插塑料封裝，外形如圖所示。它的內(nèi)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-

14、”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(diào)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(jié)果不產(chǎn)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(tǒng)運用MULTISIM

15、 8進行模擬仿真，并利用模擬仿真結(jié)果對有關元器件進行參數(shù)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(jié)果。圖3.5 電路模擬仿真示意圖及其模擬仿真結(jié)果3.3 測量系統(tǒng)主機部分設計 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(shù)器、中斷控制器以及串行和并行I/O接口等部件，構(gòu)成一個完整的微型計算機。目前，新型單片機內(nèi)還有A/D及D/A轉(zhuǎn)換器、高速輸入/輸出等部件。由于它的結(jié)構(gòu)和指令功能都是按工業(yè)控制要求設計

16、的，特別適用于工業(yè)控制及其數(shù)據(jù)處理場合，因此，確切的稱謂應是微控制器（Microcontroller）. 系統(tǒng)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(nèi)核的，其輸入/輸出管腳以及指令系統(tǒng)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 89C51結(jié)構(gòu)框圖。STC 89C51單片機的特點： 它內(nèi)部有一個8位的CPU，具有4KB的EEPROM。 128字節(jié)的RAM數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)線，可尋址64KB ROM和64KB RAM.

17、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(shù)器。 計數(shù)脈沖輸入 T0 T1定時/計數(shù)器 T0、T1特殊功能寄存器SFR128字節(jié)RAM4K ROM（EPROM）（8031無） 時鐘源 串行接口并行I/O接口中斷系統(tǒng)CPUP0 P1 P2 P3 TXD RXD INT0 INT1 中斷輸入圖3.6 STC 89C51結(jié)構(gòu)框圖 圖3.7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(xiàn)系統(tǒng)擴展而設置的。這些引腳構(gòu)成MCS-51單片機片外三總線結(jié)構(gòu)，即：  地址總線（AB）：地址總線寬

18、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(jīng)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(shù)據(jù)總線（DB）：數(shù)據(jù)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 鍵盤顯示模塊設計圖3.8為鍵盤電路圖，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(shù)脈沖數(shù)；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、P1.1、P1.2、P1.3端口均為高電平。當其中任一按鍵按下時

19、，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(shù)據(jù)，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(shù)碼管，圖3.9為數(shù)碼管的引腳接線圖。測量系統(tǒng)有8位共陽的LED數(shù)碼管，表3.1為驅(qū)動LED數(shù)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”，只要將從表中查得相應的段代碼寫入P0口，在將P2.0置高，P2.1-

20、P2.7置低即可。圖3.9 數(shù)碼管的引腳接線圖表3.1 驅(qū)動LED數(shù)碼管的段代碼表數(shù)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(zhuǎn)速的測量結(jié)果經(jīng)過譯碼， 輸出的8位并行數(shù)據(jù)通過STC89C51 的并行口(P0口)輸出，送至7段LED

21、，同時由P2口輸出位掃描信號以實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)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(nèi)部沒有上拉電阻，P2口內(nèi)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(shù)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(tǒng)將定時把緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)送出，在數(shù)碼管上顯示。圖3.10 顯示電路圖 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

22、。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(xiàn)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(shù)據(jù)傳送時的可靠性。232電平轉(zhuǎn)換采用MAX232芯片把TTL電平轉(zhuǎn)換成RS232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(tǒng)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“ISPInterface”，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”。具體的電路原理圖如圖3.11所示。圖3.11電路原理圖 電源模塊設計電源模塊為

23、系統(tǒng)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(diào)式三端穩(wěn)壓器。常用可調(diào)式集成穩(wěn)壓器有LM317系列，它們的輸出電壓從1.25V37伏可調(diào)，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(nèi)有過熱和安全工作區(qū)保護，最大輸出電流為1.5A。系統(tǒng)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(jīng)橋堆整流，通過1000F的電解電容進行濾波，再經(jīng)過集成穩(wěn)壓器7805穩(wěn)壓，C17、C19等電容對其進

24、行濾波后，最后輸出+5V電壓。供系統(tǒng)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(jīng)變壓器變?yōu)?#177;15V交流電壓，再經(jīng)橋堆整流器變?yōu)榇笮∽兓闹绷麟妷骸1C4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LM317和LM337構(gòu)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(diào)節(jié)來獲得所需的電壓，即±15V穩(wěn)定的直流電壓。圖3.13 ±1

25、5V直流穩(wěn)壓電源4 系統(tǒng)軟件設計4.1程序模塊設計軟件部分由數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)處理完成對各種測量數(shù)據(jù)的處理，如各種數(shù)據(jù)的計算、數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)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(shù)結(jié)果。單片機對在1秒內(nèi)計數(shù)的值進行處理，轉(zhuǎn)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(shù)器、堆棧等進行初始化后即判斷標志是否為 1，如果為 1，說明要求對數(shù)據(jù)進行計算處理，首

26、先將標志清零，以保證下次能正常判斷，然后進入數(shù)據(jù)處理程序，由于這里的閘門時間為 1s，而顯示要求為轉(zhuǎn)/分，因此，要將測到的數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換的方法是將測得的數(shù)據(jù)乘以60，但由于轉(zhuǎn)軸上安裝有11只孔，每旋轉(zhuǎn)一周可以得到11個脈沖，因此，要將測得的數(shù)據(jù)除以11，所以綜合起來，將測得的數(shù)據(jù)乘以5.4545即可得到每分鐘的轉(zhuǎn)速。計算得到的結(jié)果是二進制的整數(shù)，要將數(shù)據(jù)送往顯示緩沖區(qū)需要將該數(shù)轉(zhuǎn)化為BCD碼。運算得到的是壓縮BCD碼，需要將其轉(zhuǎn)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碼的轉(zhuǎn)換都是用了現(xiàn)成的成熟子程序，因此，首先將

27、二進制數(shù)轉(zhuǎn)換為壓結(jié)合實際BCD碼，然后再轉(zhuǎn)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(zhì)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(shù)碼管的動態(tài)掃描，同時產(chǎn)生1s的閘門信號。1s閘門信號的產(chǎn)生是通過一個計數(shù)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(shù)器Count，然后關閉作為計數(shù)器用的T0，讀出TH0、TL0中的數(shù)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 數(shù)據(jù)處理過程在系統(tǒng)開始工作，或者完成一次頻率測

28、量，系統(tǒng)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(shù)器的工作方式。定時/ 計數(shù)器的工作首先被設置為計數(shù)器方式。在對定時/ 計數(shù)器的計數(shù)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(shù)。計數(shù)閘門由軟件延時程序?qū)崿F(xiàn)，從計數(shù)閘門的最小值開始，也就是從測量頻率的高量程開始。計數(shù)閘門結(jié)束時TR 清0 ，停止計數(shù)。計數(shù)寄存器中的值通過16進制數(shù)到10進制數(shù)轉(zhuǎn)換程序轉(zhuǎn)換為10進制數(shù)。對10進制數(shù)的最高位進行判別，若該位不為0 ，滿足測量數(shù)據(jù)有效位數(shù)的要求，測量值和量程信息一起送到顯示模塊;若該位為0 ，將計數(shù)閘門的寬度擴大10倍，重新對待測信號

29、的計數(shù)，直到滿足測量數(shù)據(jù)有效位數(shù)的要求。當上述測量判斷過程直到計數(shù)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(jié)果仍不具有3 位有效數(shù)字，頻率計則使用定時方法測量待測信號的周期。定時/計數(shù)器的工作這時被設置為定時器方式，在對定時/ 計數(shù)器的計數(shù)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(shù)。16 位定時/ 計數(shù)器的最高計數(shù)值為65535 ，這樣在待測信號的頻率較低時，定

30、時/ 計數(shù)器將發(fā)生溢出。當產(chǎn)生定時/ 計數(shù)器將溢出，程序進入定時器中斷服務程序，中斷服務程序?qū)σ绯龃螖?shù)進行計數(shù)。待測信號的周期由3個字節(jié)組成:定時/ 計數(shù)器溢出次數(shù)、定時/ 計數(shù)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(shù)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(shù)算術運算。浮點數(shù)用3個字節(jié)組成，第一字節(jié)最高位為數(shù)符，其余7 位為階碼;第二字節(jié)為尾數(shù)的高字節(jié);第三字節(jié)為尾數(shù)的低字節(jié)。待測信號周期的3個字節(jié)定點數(shù)首先通過截取高16 位、設置數(shù)符和計算階碼轉(zhuǎn)換為上述格式的浮點數(shù)。然后浮點數(shù)算術運算對其進行處理，獲

31、得用浮點數(shù)格式表達的信號頻率值。浮點數(shù)到BCD 碼轉(zhuǎn)換模塊把用浮點數(shù)格式表達的信號頻率值變換成測轉(zhuǎn)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(shù)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(jié)果的準確，這里應用了浮點數(shù)數(shù)學運算。從周期到頻率的換算過程包括: 3字節(jié)定點數(shù)到浮點數(shù)的轉(zhuǎn)換、浮點數(shù)數(shù)學運算和浮點數(shù)到十進制碼的轉(zhuǎn)換。5 制作調(diào)試在硬件調(diào)試與制作方面，可從下面系列著手考慮。信號盤可用一般鋼板制成，這個信號盤就是發(fā)動機實驗時所用的轉(zhuǎn)盤，盤上共有11

32、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(zhuǎn)動；傳感器固定在支架上，垂直于轉(zhuǎn)速盤，當轉(zhuǎn)速盤旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)軸上，光電轉(zhuǎn)速傳感器正對著信號盤。光電轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速傳感器組成，而且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

33、在貼近信號盤的位置，當信號盤轉(zhuǎn)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(zhuǎn)一周產(chǎn)生的脈沖數(shù)，等于其上的孔數(shù)。因此，脈沖信號的頻率大小就反映了信號盤轉(zhuǎn)速的高低。此轉(zhuǎn)速測量裝置可以實現(xiàn)數(shù)字顯示，成為數(shù)字式轉(zhuǎn)速表。圖5.1 轉(zhuǎn)速測速示意圖LM324整形電路調(diào)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(xiàn)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?qū)崿F(xiàn)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(xiàn)的問題為元器件引腳的虛焊。被測物理量經(jīng)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(shù)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

34、算、分析等處理，這就引入了中間變化電路。查閱有關資料結(jié)合選用的光電傳感器相關參數(shù)，我們設計了如圖3.6所示的中間變換電路。當調(diào)制盤上的圓形孔旋轉(zhuǎn)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(jīng)LM324電路整形調(diào)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入單片機之前，先把矩形脈沖信號接入示波器進行調(diào)試。除了要考慮到硬件方面，對軟件調(diào)試也不能忽視。程序應該模塊化，便于修改。使用RAM或IO，必須先定義再使用，避免直接引用。將來需要調(diào)整時，只要修改定義部分就好了。寫程序要有足夠的注釋、說明文檔、流程圖、原理圖。每次修改程序，應該同步更新相關的注釋、說明文檔、流程圖、原理圖。免得下次再改時對不上號。 實驗板與PC機連接時一定要先連接串行通信電纜，然后再將其電源線插入USB借口；拆除時先斷開其電源，再斷開串行通信電纜。否則極易損壞PC機的串口。在進行軟件編程調(diào)試時需要用到單片機的集成開發(fā)環(huán)境