傳感器課程設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　目錄</b></p><p>　　1 摘要 …………………………………………………………………3</p><p>　　2 系統(tǒng)組成及工作原理 ………………………………………………4</p><p>　　2.1系統(tǒng)組成主要元件 ……………………………………………4</p><p>　　2.2轉(zhuǎn)

2、速測(cè)量原理……………………………………………………6</p><p>　　2.3轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)組成框圖…………………………………………6</p><p>　　3 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì) ………………………………………………7</p><p>　　3.1 脈沖產(chǎn)生電路設(shè)計(jì) ……………………………………………7</p><p>　　3.2 光電轉(zhuǎn)換及信

3、號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì) ………………………………8</p><p>　　3.2.1 光電傳感器簡(jiǎn)介 …………………………………………8</p><p>　　3.2.2 光電轉(zhuǎn)換及信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)……………………………9</p><p>　　3.3 測(cè)量系統(tǒng)主機(jī)部分設(shè)計(jì) ………………………………………11</p><p>　　3.3.1 單片機(jī)………

4、………………………………………………11</p><p>　　3.3.2 顯示模塊設(shè)計(jì)………………………………………………13</p><p>　　3.3.3 串行通信模塊設(shè)計(jì)…………………………………………14</p><p>　　3.3.4 電源模塊……………………………………………………15</p><p>　　4 系統(tǒng)軟件相關(guān)設(shè)計(jì) …

5、………………………………………………15</p><p>　　4.1 主程序設(shè)計(jì) ……………………………………………………15</p><p>　　4.2單片機(jī)計(jì)數(shù)程序（部分） ……………………………………16</p><p>　　4.3 數(shù)據(jù)處理過程 …………………………………………………19</p><p>　　4.4 浮點(diǎn)數(shù)學(xué)運(yùn)算程序

6、……………………………………………20</p><p>　　5 制作調(diào)試 ……………………………………………………………20</p><p>　　6 結(jié)果分析 ……………………………………………………………23</p><p>　　7 結(jié) 論…………………………………………………………………23</p><p>　　8 實(shí)用前景 ………………

7、……………………………………………23</p><p>　　9 參考文獻(xiàn) ……………………………………………………………23</p><p>　　10 致 謝 ……………………………………………………………24</p><p>　　摘 要：轉(zhuǎn)速是發(fā)動(dòng)機(jī)重要的工作參數(shù)之一,也是其它參數(shù)計(jì)算的重要依據(jù)。目前常用的轉(zhuǎn)速測(cè)量方法有離心式轉(zhuǎn)速表測(cè)速法、測(cè)速發(fā)電機(jī)測(cè)速法、光

8、電碼盤測(cè)速法和霍爾元件測(cè)速法等。在對(duì)各種測(cè)速方法進(jìn)行分析、整理后提出了基于光電傳感器的轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)。在詳細(xì)分析了系統(tǒng)的組成及工作原理后，給出了系統(tǒng)中各硬件模塊設(shè)計(jì)方法及系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方法，給出了部分程序流程圖和程序清單。該測(cè)量轉(zhuǎn)速系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：安裝維護(hù)方便，工作穩(wěn)定，運(yùn)行可靠，具有較大的推廣應(yīng)用價(jià)值。</p><p>　　關(guān)鍵詞 ：?jiǎn)纹瑱C(jī)，光電轉(zhuǎn)速傳感器，轉(zhuǎn)速測(cè)量，數(shù)據(jù)處理</p><p>

9、　　2 系統(tǒng)組成及工作原理</p><p>　　2.1系統(tǒng)組成主要元件</p><p>　　光電開關(guān)（光電傳感器）是光電接近開關(guān)的簡(jiǎn)稱，它是利用被檢測(cè)物對(duì)光束的遮擋或反射，由同步回路選通電路，從而檢測(cè)物體有無的。物體不限于金屬，所有能反射光線的物體均可被檢測(cè)。光電開關(guān)將輸入電流在發(fā)射器上轉(zhuǎn)換為光信號(hào)射出，接收器再根據(jù)接收到的光線的強(qiáng)弱或有無對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行探測(cè)。安防系統(tǒng)中常見的光電開關(guān)煙霧報(bào)

10、警器，工業(yè)中經(jīng)常用它來記數(shù)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)次數(shù)。</p><p><b>　　步進(jìn)電機(jī)</b></p><p>　　步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進(jìn)電機(jī)件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，稱為“步距角”，它

11、的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。</p><p><b>　　電源和示波器</b></p><p>　　提供+5V電源和波形輸出。</p><p><b>　　實(shí)驗(yàn)開發(fā)板</b><

12、/p><p>　　2.2 轉(zhuǎn)速測(cè)量原理</p><p>　　在此采用頻率測(cè)量法，其測(cè)量原理為，在固定的測(cè)量時(shí)間內(nèi)，計(jì)取轉(zhuǎn)速傳感器產(chǎn)生的脈沖個(gè)數(shù)，從而算出實(shí)際轉(zhuǎn)速。設(shè)固定的測(cè)量時(shí)間為Tc（min），計(jì)數(shù)器計(jì)取的脈沖個(gè)數(shù)m，假定脈沖發(fā)生器每轉(zhuǎn)輸出p個(gè)脈沖，對(duì)應(yīng)被測(cè)轉(zhuǎn)速為N（r/min），則f=pN/60Hz；另在測(cè)量時(shí)間Tc內(nèi)，計(jì)取轉(zhuǎn)速傳感器輸出的脈沖個(gè)數(shù)m應(yīng)為 m=Tcf ，所以，當(dāng)測(cè)得m值時(shí)，

13、就可算出實(shí)際轉(zhuǎn)速值：</p><p>　　N=60m/pTc (r/min)</p><p>　　2.3 轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)組成框圖</p><p>　　系統(tǒng)由信號(hào)預(yù)處理電路、單片機(jī)STC 89C51、系統(tǒng)化LED顯示模塊、串口數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路和系統(tǒng)軟件組成。其中信號(hào)預(yù)處理電路包含信號(hào)放大、波形變換和波形整形。其中，對(duì)待測(cè)信號(hào)進(jìn)行放大的目的是降低對(duì)待測(cè)信號(hào)的幅度要求；波形變

14、換和波形整形電路則用來將放大的信號(hào)轉(zhuǎn)換成可與單片機(jī)匹配的TTL信號(hào)；通過對(duì)單片機(jī)的編程設(shè)置可使內(nèi)部定時(shí)器T0對(duì)輸入脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，這樣就能精確地算出加到T0引腳的單位時(shí)間內(nèi)檢測(cè)到的脈沖數(shù)；實(shí)驗(yàn)中轉(zhuǎn)速顯示部分采用價(jià)格低廉且使用方便的LED模塊，通過相關(guān)計(jì)算方法計(jì)算得到的轉(zhuǎn)速通過總線放到E2PROM存儲(chǔ)，既節(jié)省了所需單片機(jī)的口線和外圍器件，同時(shí)也簡(jiǎn)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。</p><p>

15、　　圖2.1 系統(tǒng)的原理框圖</p><p>　　3 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1 脈沖產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)</p><p>　　設(shè)計(jì)采用了光電傳感器，進(jìn)行非接觸式檢測(cè)。當(dāng)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(shí)，傳感器將會(huì)輸出一個(gè)低電平，而當(dāng)沒有物體擋在中間時(shí)則輸出為高電平，從而形成一個(gè)脈沖。系統(tǒng)在光電傳感器收發(fā)端間加入電動(dòng)機(jī)，并在電動(dòng)機(jī)

16、的轉(zhuǎn)軸上安裝一轉(zhuǎn)盤。在這個(gè)轉(zhuǎn)盤的邊沿處粘貼若干的遮光紙板，把傳感器的檢測(cè)部分放在圓孔的圓心位置。每當(dāng)轉(zhuǎn)盤隨著輪旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，傳感器將向外輸出若干個(gè)脈沖。把這些脈沖通過一系列的波形整形成單片機(jī)可以識(shí)別的TTL電平，即可算出輪子即時(shí)的轉(zhuǎn)速。</p><p>　　轉(zhuǎn)盤上遮光板的個(gè)數(shù)決定了測(cè)量的精度，個(gè)數(shù)越多，精度越高。這樣就可以在單位時(shí)間內(nèi)盡可能多地得到脈沖數(shù)，從而避免了因?yàn)閮蓚€(gè)遮光板之間的距離過大，而正好在過遮光板之間

17、或者是在下個(gè)過遮光板之前停止了，造成較大的誤差。設(shè)計(jì)中轉(zhuǎn)盤的遮光板的實(shí)際個(gè)數(shù)受到技術(shù)的限制。為了達(dá)到預(yù)定的設(shè)計(jì)效果在轉(zhuǎn)盤設(shè)計(jì)一般采用11個(gè)遮光板，從而留下了10個(gè)同等的間距。這樣在以后的軟件設(shè)計(jì)中能夠較為方便的計(jì)算出脈沖頻率。脈沖發(fā)生源的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3.1、3.2所示。</p><p>　　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）</p><p>　　圖3.2 實(shí)物脈沖發(fā)生

18、源硬件結(jié)構(gòu)圖 </p><p>　　3.2 光電轉(zhuǎn)換及信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)</p><p>　　由于系統(tǒng)需要將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，因而需要使用光電傳感器并設(shè)計(jì)相應(yīng)的信號(hào)調(diào)理電路，以得到符合要求的脈沖信號(hào)，送給單片機(jī)STC89C51進(jìn)行計(jì)數(shù)，同時(shí)得到計(jì)數(shù)的時(shí)間，由單片機(jī)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算以得到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。</p><p>　　3.2.1 光電傳感器簡(jiǎn)介</p>&

19、lt;p>　　光電傳感器是采用光電元件作為檢測(cè)元件的傳感器。它首先把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。光電傳感器一般由光源、光學(xué)通路和光電元件三部分組成。光電檢測(cè)方法具有精度高、反應(yīng)快、非接觸等優(yōu)點(diǎn)，而且可測(cè)參數(shù)多，傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，形式靈活多樣，因此，光電式傳感器在檢測(cè)和控制中應(yīng)用非常廣泛。</p><p>　　由光通量對(duì)光電元件的作用原理不同所制成的光學(xué)測(cè)控系統(tǒng)

20、是多種多樣的，按光電元件(光學(xué)測(cè)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(guān))式光電傳感器。模擬式光電傳感器是將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成連續(xù)變化的光電流，它與被測(cè)量間呈單值關(guān)系。模擬式光電傳感器按被測(cè)量(檢測(cè)目標(biāo)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(cè)物體放在光路中，恒光源發(fā)出的光能量穿過被測(cè)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(cè)物上，再?gòu)谋粶y(cè)物

21、體表面反射后投射到光電元件上；所謂遮光式是指當(dāng)光源發(fā)出的光通量經(jīng)被測(cè)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(cè)物體在光路位置有關(guān)。 </p><p>　　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。 </p><p>　　發(fā)光二極管是一種把電能轉(zhuǎn)變成光能的半導(dǎo)體器件。它具有體積小、功耗低、壽命長(zhǎng)、響應(yīng)快

22、、機(jī)械強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，并能和集成電路相匹配。因此，廣泛地用于計(jì)算機(jī)、儀器儀表和自動(dòng)控制設(shè)備中。</p><p><b>　　鎢絲燈泡</b></p><p>　　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(duì)紅外光敏感，構(gòu)成傳感器時(shí)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。</p><p&

23、gt;　　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(diǎn)，是很理想的光源。</p><p>　　綜上所述，各種光源各具優(yōu)點(diǎn)，但從經(jīng)濟(jì)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(cè)量的光源。</p><p>　　由光源、光學(xué)通路和光電器件組成的光電傳感器在用于光電檢測(cè)時(shí)，還必須配備適當(dāng)?shù)男盘?hào)調(diào)理電路。這些信號(hào)調(diào)理電路負(fù)責(zé)將光電傳感器輸出的微弱

24、的光電信號(hào)進(jìn)行放大、整形，轉(zhuǎn)換成所單片機(jī)定時(shí)計(jì)數(shù)所需要的脈沖信號(hào)。不同的光電元件，所要求的測(cè)量電路也不相同，為此設(shè)計(jì)時(shí)必須詳加考慮。</p><p>　　3.2.2 光電轉(zhuǎn)換及信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)</p><p>　　傳感器將電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)轉(zhuǎn)變成了電脈沖信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過LM324集成運(yùn)放整形驅(qū)動(dòng)，送到單片機(jī)進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)，從而測(cè)出電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。</p><p>　　光電轉(zhuǎn)換

25、部分與單片機(jī)的連接框圖如圖3.3所示。</p><p>　　圖3.3 光電轉(zhuǎn)換部分與單片機(jī)的連接框圖</p><p>　　LM324是四運(yùn)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(yùn)算放大器， 除電源共用外，四組運(yùn)放相互獨(dú)立。每一組運(yùn)算放大器可用圖3.4所示的符號(hào)來表示，它有5個(gè)引出腳，其中“+”、“-”為兩個(gè)信號(hào)輸入端，“V+”、“V-”為正、

26、負(fù)電源端，“Vo”為輸出端。兩個(gè)信號(hào)輸入端中，Vi-（-）為反相輸入端，表示運(yùn)放輸出端Vo的信號(hào)與該輸入端的位相反;Vi+（+）為同相輸入端，表示運(yùn)放輸出端Vo的信號(hào)與該輸入端的相位相同。LM324的引腳排列見圖3.5</p><p>　　圖3.4放大器圖 圖3.5 引腳圖</p><p>　　由于LM324四運(yùn)放電路具有電源電壓范圍寬，靜態(tài)功耗小，可單電源使用，

27、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用在各種電路中。</p><p>　　本設(shè)計(jì)計(jì)劃采用高性能集成四運(yùn)放LM324來進(jìn)行光電信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)。電路采用兩級(jí)放大電路對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行放大，防止信號(hào)脈沖太小以至對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果不產(chǎn)生影響。此外，還設(shè)計(jì)了有源帶通濾波器。</p><p>　　為了達(dá)到預(yù)定效果，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)用MULTISIM 8進(jìn)行模擬仿真，并利用模擬仿真結(jié)果對(duì)有關(guān)元器件進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，以使電路滿足要求。

28、如圖3.6所示是MULTISIM 進(jìn)行電路模擬仿真示意圖及其模擬仿真結(jié)果。</p><p>　　3.3 測(cè)量系統(tǒng)主機(jī)部分設(shè)計(jì)</p><p><b>　　3.3.1 單片機(jī)</b></p><p>　　單片機(jī)是單片微型計(jì)算機(jī)（Single Chip Microcomputer）的簡(jiǎn)稱，是指在一塊芯片上集成了中央處理器CPU、隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、程

29、序存儲(chǔ)器ROM或EPROM、定時(shí)器/計(jì)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(gè)完整的微型計(jì)算機(jī)。目前，新型單片機(jī)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(shè)計(jì)的，特別適用于工業(yè)控制及其數(shù)據(jù)處理場(chǎng)合，因此，確切的稱謂應(yīng)是微控制器（Microcontroller）. </p><p>　　系統(tǒng)使用的單片機(jī)是STC 89C51型單片機(jī)。STC 89C51單

30、片機(jī)是基于MCS-51單片機(jī)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(jī)是完全兼容的。其優(yōu)越的性價(jià)比使其成為頗受歡迎的8位單片機(jī)。如圖3.7是STC 89C51結(jié)構(gòu)框圖。</p><p>　　STC 89C51單片機(jī)的特點(diǎn)： </p><p>　?、?它內(nèi)部有一個(gè)8位的CPU，具有4KB的EEPROM。</p><p>　?、?128字節(jié)的RAM數(shù)據(jù)存

31、儲(chǔ)器，21個(gè)特殊功能寄存器SFR。</p><p>　　⑶ 4個(gè)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.</p><p>　?、?一個(gè)可編程全雙工串行口,具有5個(gè)中斷源。</p><p>　?、?兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。 </p><p>　　計(jì)數(shù)脈沖輸入 T0 T1<

32、/p><p>　　P0 P1 P2 P3 TXD RXD INT0 INT1</p><p><b>　　中斷輸入</b></p><p>　　圖3.8是STC 89C51單片機(jī)引腳分布圖。由圖我們可以看到，單片機(jī)的引腳除了電源、復(fù)位、時(shí)鐘接入、用戶I/O口外，其余管腳是為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)擴(kuò)展而設(shè)置的。這些引腳構(gòu)成MCS-51單片

33、機(jī)片外三總線結(jié)構(gòu)，即：  ①地址總線（AB）：地址總線寬為16位，因此，其外部存儲(chǔ)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。  ②數(shù)據(jù)總線（DB）：數(shù)據(jù)總線寬度為8位，由P0提供。  ③控制總線（CB）：由P3口的第二功能狀態(tài)和4根獨(dú)立控制線RESET、EA、ALE、PSEN組成。</p><p>

34、　　圖3.8 STC89C51管腳圖</p><p>　　3.3.2 顯示模塊設(shè)計(jì)</p><p>　　顯示部分采用價(jià)廉方便的LED數(shù)碼管，圖3.9為數(shù)碼管的引腳接線圖。測(cè)量系統(tǒng)有8位共陽(yáng)的LED數(shù)碼管，表3.1為驅(qū)動(dòng)LED數(shù)碼管的段代碼表，1-代表對(duì)應(yīng)的筆段亮，0-代表對(duì)應(yīng)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(yīng)的段代碼寫入P0口，在將P2.0置高，P2.1-P

35、2.7置低即可。</p><p>　　圖3.9 數(shù)碼管的引腳接線圖</p><p>　　表3.1 驅(qū)動(dòng)LED數(shù)碼管的段代碼表</p><p>　　顯示電路如圖3.10，其電路采用動(dòng)態(tài)顯示方式。電機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)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 ，同時(shí)由P2口輸出位掃描信號(hào)以實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)顯示。P0口 和

36、 P2口都是準(zhǔn)雙向口，輸出時(shí)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(shè)計(jì)為低電平有效，高電平無效。要使數(shù)碼管S0-S7的其中一個(gè)亮，其對(duì)應(yīng)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。</p><p>　　系統(tǒng)將定時(shí)把緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)送出，在數(shù)碼管上顯示。</p><p>　　圖3.10 顯示電路圖</p>

37、;<p>　　3.3.3 串行通信模塊設(shè)計(jì)</p><p>　　STC89 C51單片機(jī)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(duì)近距離通訊還可以，但當(dāng)通訊距離遠(yuǎn)時(shí)，就會(huì)因?yàn)門TL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(qiáng)可靠性，于是就出現(xiàn)了許多通訊標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程。目前，RS-232標(biāo)準(zhǔn)就是其中比較常用的一種，這樣，一方面可提高這些

38、設(shè)備的通用性，另一方面又增強(qiáng)了數(shù)據(jù)傳送時(shí)的可靠性。</p><p>　　232電平轉(zhuǎn)換采用MAX232芯片把TTL電平轉(zhuǎn)換成RS－232電平格式，可以用于單片機(jī)與微機(jī)通信，以及單片機(jī)與單片機(jī)之間的通信，測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)了兩個(gè)DB9的接口，其中一個(gè)用于ISP下載器模塊的程序下載接口，稱為“ISP　Interface”，另一個(gè)接口為單片機(jī)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

39、如圖3.11所示。</p><p>　　圖3.11電路原理圖</p><p>　　3.3.4 電源模塊</p><p>　　電源模塊為實(shí)驗(yàn)臺(tái)提供的+5V電源，實(shí)物電路圖如2.1元件圖。</p><p><b>　　4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　4.1程序模塊設(shè)計(jì)&

40、lt;/b></p><p>　　軟件部分由數(shù)據(jù)處理程序、中斷服務(wù)子程序、LED顯示程序等幾個(gè)部分組成。</p><p>　　數(shù)據(jù)處理完成對(duì)各種測(cè)量數(shù)據(jù)的處理，如各種數(shù)據(jù)的計(jì)算、數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換等。</p><p>　　定時(shí)器1服務(wù)子程序設(shè)計(jì)，。定時(shí)器1完成定時(shí)功能，定時(shí)2Oms，并每隔20ms進(jìn)行一次顯示，每隔1秒讀一次計(jì)數(shù)結(jié)果。單片機(jī)對(duì)在1秒內(nèi)計(jì)數(shù)的值進(jìn)行處

41、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(duì)定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、堆棧等進(jìn)行初始化后即判斷標(biāo)志是否為 1，如果為 1，說明要求對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，首先將標(biāo)志清零，以保證下次能正常判斷，然后進(jìn)入數(shù)據(jù)處理程序，由于這里的閘門時(shí)間為 1s，而顯示要求為轉(zhuǎn)/分，因此，要將測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換的方法是將測(cè)得的數(shù)據(jù)乘以60，但由于轉(zhuǎn)軸上安裝有11個(gè)遮光板，每旋轉(zhuǎn)一周可以得到11個(gè)脈沖，因此，要將測(cè)得的數(shù)據(jù)除以11，所以綜合起來，將測(cè)

42、得的數(shù)據(jù)乘以5.4545即可得到每分鐘的轉(zhuǎn)速。計(jì)算得到的結(jié)果是二進(jìn)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(yùn)算得到的是壓縮BCD碼，需要將其轉(zhuǎn)換為非壓縮BCD碼，從標(biāo)號(hào)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(jìn)制乘法和多位二進(jìn)制到BCD碼的轉(zhuǎn)換都是用了現(xiàn)成的成熟子程序，因此，首先將二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為壓結(jié)合實(shí)際BCD碼，然后再轉(zhuǎn)換成非壓縮BCD碼，看似多寫了些程序，實(shí)際上這對(duì)于</p>

43、<p>　　4.2 單片機(jī)計(jì)數(shù)程序（部分）</p><p><b>　　如下：</b></p><p>　　ORG   0000H         LJMP  MAIN      

44、60;  ORG   0003H         LJMP  0100H         ORG   0013H         LJ

45、MP  0150H         ORG   0050HMAIN:    CLR   A         MOV   30H , A   &#

46、160;       ;初始化緩存區(qū)         MOV   31H , A         MOV   32H , A    &

47、#160;    MOV   33H , A         MOV   R6  , A         MOV   R7  , A  SETB 

48、; EA  SETB  EX0  SETB  EX1  SETB  IT0  SETB  IT1  SETB  PX1NEXT1:   ACALL HEXTOBCDD        ;調(diào)用數(shù)制轉(zhuǎn)換子程序   

49、;      ACALL DISPLAY          ;調(diào)用顯示子程序         LJMP  NEXT1       

50、60; ORG  </p><p>　　4.3 數(shù)據(jù)處理過程</p><p>　　在系統(tǒng)開始工作，或者完成一次頻率測(cè)量，系統(tǒng)軟件都進(jìn)行測(cè)量初始化。測(cè)量初始化模塊設(shè)置堆棧指針(SP) 、工作寄存器、中斷控制和定時(shí)/ 計(jì)數(shù)器的工作方式。定時(shí)/ 計(jì)數(shù)器的工作首先被設(shè)置為計(jì)數(shù)器方式。</p><p>　　在對(duì)定時(shí)/ 計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)寄存器清0 后，置運(yùn)行控制

51、位TR 為1 ，啟動(dòng)對(duì)待測(cè)信號(hào)的計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)閘門由軟件延時(shí)程序?qū)崿F(xiàn)，從計(jì)數(shù)閘門的最小值開始，也就是從測(cè)量頻率的高量程開始。計(jì)數(shù)閘門結(jié)束時(shí)TR 清0 ，停止計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)寄存器中的值通過16進(jìn)制數(shù)到10進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換程序轉(zhuǎn)換為10進(jìn)制數(shù)。對(duì)10進(jìn)制數(shù)的最高位進(jìn)行判別，若該位不為0 ，滿足測(cè)量數(shù)據(jù)有效位數(shù)的要求，測(cè)量值和量程信息一起送到顯示模塊;若該位為0 ，將計(jì)數(shù)閘門的寬度擴(kuò)大10倍，重新對(duì)待測(cè)信號(hào)的計(jì)數(shù)，直到滿足測(cè)量數(shù)據(jù)有效位數(shù)的要求。</

52、p><p>　　當(dāng)上述測(cè)量判斷過程直到計(jì)數(shù)閘門寬度達(dá)到1s ，這時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率測(cè)量范圍為100Hz - 999Hz ，如果測(cè)量結(jié)果仍不具有3 位有效數(shù)字，頻率計(jì)則使用定時(shí)方法測(cè)量待測(cè)信號(hào)的周期。定時(shí)/計(jì)數(shù)器的工作這時(shí)被設(shè)置為定時(shí)器方式，在對(duì)定時(shí)/ 計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)寄存器清0 后，判斷待測(cè)信號(hào)的上跳沿是否到來。待測(cè)信號(hào)的上跳沿到來后，置運(yùn)行控制位TR 為1 ，以單片機(jī)工作周期為單位，啟動(dòng)對(duì)待測(cè)信號(hào)的周期測(cè)量。然后判斷待測(cè)信號(hào)

53、的下跳沿是否到來，待測(cè)信號(hào)的下跳沿到來后，運(yùn)行控制位TR 清0 ，停止計(jì)數(shù)。16 位定時(shí)/ 計(jì)數(shù)器的最高計(jì)數(shù)值為65535 ，這樣在待測(cè)信號(hào)的頻率較低時(shí)，定時(shí)/ 計(jì)數(shù)器將發(fā)生溢出。當(dāng)產(chǎn)生定時(shí)/ 計(jì)數(shù)器將溢出，程序進(jìn)入定時(shí)器中斷服務(wù)程序，中斷服務(wù)程序?qū)σ绯龃螖?shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。待測(cè)信號(hào)的周期由3個(gè)字節(jié)組成:定時(shí)/ 計(jì)數(shù)器溢出次數(shù)、定時(shí)/ 計(jì)數(shù)器的高8 位和低8 位。信號(hào)的頻率f 與信號(hào)的周期T 之間的關(guān)系為:</p><p&g

54、t;<b>　　f = 1/ T</b></p><p>　　完成信號(hào)的周期測(cè)量后，需要做一次倒數(shù)運(yùn)算才能獲得信號(hào)的頻率。為提高運(yùn)算精度，這里采用浮點(diǎn)數(shù)算術(shù)運(yùn)算。浮點(diǎn)數(shù)用3個(gè)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(cè)信號(hào)周期的3個(gè)字節(jié)定點(diǎn)數(shù)首先通過截取高16 位、設(shè)置數(shù)符和計(jì)算階碼轉(zhuǎn)換為上述格式的浮點(diǎn)數(shù)。然后浮點(diǎn)數(shù)算術(shù)運(yùn)算對(duì)其進(jìn)行處

55、理，獲得用浮點(diǎn)數(shù)格式表達(dá)的信號(hào)頻率值。浮點(diǎn)數(shù)到BCD 碼轉(zhuǎn)換模塊把用浮點(diǎn)數(shù)格式表達(dá)的信號(hào)頻率值變換成測(cè)轉(zhuǎn)速的顯示格式，送到顯示模塊顯示待測(cè)信號(hào)的頻率值。</p><p>　　4.4 浮點(diǎn)數(shù)學(xué)運(yùn)算程序</p><p>　　STC89C51 系列單片機(jī)屬于微控制器，由于其CPU字長(zhǎng)和指令功能的限制，它適用于控制領(lǐng)域，在信號(hào)處理方面不很擅長(zhǎng)。在頻率計(jì)數(shù)中需要完成周期到頻率的換算，為保證測(cè)量結(jié)果的

56、準(zhǔn)確，這里應(yīng)用了浮點(diǎn)數(shù)數(shù)學(xué)運(yùn)算。從周期到頻率的換算過程包括: 3字節(jié)定點(diǎn)數(shù)到浮點(diǎn)數(shù)的轉(zhuǎn)換、浮點(diǎn)數(shù)數(shù)學(xué)運(yùn)算和浮點(diǎn)數(shù)到十進(jìn)制碼的轉(zhuǎn)換。</p><p><b>　　5 制作調(diào)試</b></p><p>　　在硬件調(diào)試與制作方面，可從下面系列著手考慮。</p><p>　　信號(hào)盤可用一般鋼板制成，這個(gè)信號(hào)盤就是發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)時(shí)所用的轉(zhuǎn)盤，盤上共有11個(gè)齒

57、，每個(gè)遮光板寬度為6mm，盤中心還有一個(gè)中心孔。中心孔主要用于在固定發(fā)動(dòng)機(jī)上。將信號(hào)盤與電機(jī)安裝在一起，使其隨電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；傳感器固定在支架上，垂直于轉(zhuǎn)速盤，當(dāng)轉(zhuǎn)速盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，光電傳感器就輸出矩形脈沖信號(hào)，每11個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)1個(gè)工作循環(huán)，其中的2個(gè)寬脈沖信號(hào)配合上止點(diǎn)信號(hào)可精確確定上止點(diǎn)的位置。</p><p>　　此檢測(cè)裝置完全按照發(fā)動(dòng)機(jī)上傳感器的實(shí)際安裝位置進(jìn)行安裝。如圖5.1，將信號(hào)盤固定在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上，光電

58、轉(zhuǎn)速傳感器正對(duì)著信號(hào)盤。光電轉(zhuǎn)速傳感器接有4根導(dǎo)線，其中黑線、黃線為電源輸入線，紅線為信號(hào)輸出線，白線為共地線。測(cè)量頭由光電轉(zhuǎn)速傳感器組成，而且測(cè)量頭兩端的距離與信號(hào)盤的距離相等。測(cè)量用器件封裝后，固定裝在貼近信號(hào)盤的位置，當(dāng)信號(hào)盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，光電元件即可輸出正負(fù)交替的周期性脈沖信號(hào)。信號(hào)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(hào)的頻率大小就反映了信號(hào)盤轉(zhuǎn)速的高低。此轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字顯示，成為數(shù)字式轉(zhuǎn)速表。</p&

59、gt;<p>　　圖5.1 轉(zhuǎn)速測(cè)速示意圖</p><p>　　LM324整形電路調(diào)試。在焊接硬件電路時(shí)需細(xì)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(cuò)或引腳差錯(cuò)可能導(dǎo)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(jī)部分最容易出現(xiàn)的問題為元器件引腳的虛焊。</p><p>　　被測(cè)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

60、化值。為了進(jìn)行信號(hào)的分析、處理、顯示和記錄，須對(duì)信號(hào)作放大、運(yùn)算、分析等處理，這就引入了中間變化電路。查閱有關(guān)資料結(jié)合選用的光電傳感器相關(guān)參數(shù)，我們?cè)O(shè)計(jì)了如圖3.6所示的中間變換電路。當(dāng)調(diào)制盤上的圓形孔旋轉(zhuǎn)至與光電開關(guān)的透光位置重合時(shí)，觸發(fā)器輸出高電平；當(dāng)通光孔被遮住時(shí)，觸發(fā)器輸出低電平。輸出的信號(hào)經(jīng)LM324電路整形調(diào)試，可以將信號(hào)源完好的整形成矩形脈沖信號(hào)。在把矩形脈沖信號(hào)輸入單片機(jī)之前，先把矩形脈沖信號(hào)接入示波器進(jìn)行調(diào)試。<

61、/p><p>　　除了要考慮到硬件方面，對(duì)軟件調(diào)試也不能忽視。</p><p>　　程序應(yīng)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(shí)，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(yīng)該同步更新相關(guān)的注釋、說明文檔、流程圖、原理圖。免得下次再改時(shí)對(duì)不上號(hào)。 實(shí)驗(yàn)板與PC機(jī)連接時(shí)一定要先連接串行通信電纜，然后

62、再將其電源線插入U(xiǎn)SB借口；拆除時(shí)先斷開其電源，再斷開串行通信電纜。否則極易損壞PC機(jī)的串口。</p><p>　　在進(jìn)行軟件編程調(diào)試時(shí)需要用到單片機(jī)的集成開發(fā)環(huán)境MedWin V2.39 軟件，編程時(shí)容易出現(xiàn)鍵盤輸入和無意的語(yǔ)法錯(cuò)誤，還有一些模塊達(dá)不到預(yù)期的功能，都要經(jīng)過調(diào)試才能排除。MedWin V2.39 軟件具有很強(qiáng)大的編程調(diào)試功能，能夠模仿仿真實(shí)際單片機(jī)的端口和內(nèi)部功能部件的狀態(tài)值。該軟件中有硬件調(diào)試和

63、軟件調(diào)試功能可以看到單片機(jī)內(nèi)存單元對(duì)應(yīng)的運(yùn)行值，外圍部件中可以顯示單片機(jī)端口，中斷、定時(shí)器1、定時(shí)器2、定時(shí)器3 還有串口對(duì)應(yīng)的運(yùn)行值。可以單步調(diào)試也可以模塊調(diào)試，最好的是可以對(duì)你所懷疑的語(yǔ)句模塊設(shè)置斷點(diǎn)。所以MedWin V2.39 具有強(qiáng)大的編譯調(diào)試功能。此系統(tǒng)將個(gè)功能模塊：主程序、數(shù)據(jù)處理程序、中斷服務(wù)子程序、LED顯示程序分開分別進(jìn)行調(diào)試，最后整體調(diào)試。編譯無誤后生成目標(biāo)代碼BIN文件。</p><p>

64、　　采用STC 單片機(jī)下載軟件STC-ISP將其下載到實(shí)驗(yàn)板的單片機(jī)中。 在最后一步點(diǎn)擊軟件STC-ISP界面中的下載按鈕之前，一定要保持實(shí)驗(yàn)板的串行通信線及電源線與PC機(jī)連接良好，并且實(shí)驗(yàn)板的電源開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)，然后點(diǎn)擊下載按鈕，再打開實(shí)驗(yàn)板電源開關(guān)，此時(shí)軟件將自動(dòng)完成程序下載。下載完畢，實(shí)驗(yàn)板上的單片機(jī)立即開始運(yùn)行。</p><p><b>　　6 結(jié)果分析</b></p>

65、<p>　　由測(cè)量原理可得次計(jì)算公式：</p><p>　　N=60m/pTc (r/min)</p><p>　　實(shí)驗(yàn)中，2分鐘，計(jì)數(shù)得的脈沖個(gè)數(shù)m為2200，則有發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為：N=2200/11*2=100（r/min）</p><p>　　至此，設(shè)計(jì)已基本完成題目中的各項(xiàng)要求，但是還是有一定的誤差，經(jīng)分析主要是由以下原因造成的：中斷處理的進(jìn)入和

66、中斷處理程序都會(huì)有一定時(shí)間的延時(shí)，從而造成時(shí)間閘門的誤差，這是造成測(cè)量誤差的一個(gè)主要因素。另外，由于電機(jī)的轉(zhuǎn)盤是手工制作的，每個(gè)遮光板之間的間隔也不是很均勻，導(dǎo)致獲得的脈沖信號(hào)頻率與實(shí)際轉(zhuǎn)速有一定的誤差。</p><p><b>　　7 結(jié) 論</b></p><p>　　所選的課程設(shè)計(jì)的題目是利用單片機(jī)STC 89C51為核心，結(jié)合光電傳感器、LM324設(shè)計(jì)電動(dòng)機(jī)

67、轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置。單片機(jī)采用定時(shí)器定時(shí)中斷的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)脈沖的測(cè)量并計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，具有較強(qiáng)的使用價(jià)值，結(jié)合實(shí)際再進(jìn)一步完善設(shè)計(jì)可以應(yīng)用于實(shí)際操作。</p><p><b>　　8 實(shí)用前景</b></p><p>　　例如：可以用于對(duì)汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量，知道當(dāng)前是否是安全運(yùn)行的，也可以通過進(jìn)一步的改進(jìn)對(duì)流體的流速進(jìn)行測(cè)量等等。該裝置簡(jiǎn)單、易操作、廉價(jià)，有很大

68、的推廣價(jià)值。</p><p><b>　　9 參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　《傳感器與檢測(cè)技術(shù)》 陳杰 黃鴻主編 高等教育出版社</p><p>　　《單片微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)大全》 王福瑞主編 北京航空航天大學(xué)出版社</p><p>　　《傳感器與應(yīng)用電路設(shè)計(jì)》趙繼文 何玉彬主編 科學(xué)出版社</p>

69、;<p>　　《單片機(jī)原理及其接口技術(shù)(第2版)》胡漢才主編 清華大學(xué)出版社</p><p><b>　　10 致謝：</b></p><p>　　最后，由衷的感謝劉軍、馮艷君老師對(duì)我的課程設(shè)計(jì)的的悉心指導(dǎo)和熱忱幫助，在方案設(shè)計(jì)、連接硬件電路和調(diào)試時(shí)過程中劉軍老師給予了詳細(xì)的指點(diǎn)，排除了不少電路故障。讓我學(xué)到了很多在理論課上學(xué)不到的知識(shí)，老師學(xué)識(shí)的廣博