傳感器課程設(shè)計

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

3、號調(diào)理電路設(shè)計 ………………………………8</p><p>　　3.2.1 光電傳感器簡介 …………………………………………8</p><p>　　3.2.2 光電轉(zhuǎn)換及信號調(diào)理電路設(shè)計……………………………9</p><p>　　3.3 測量系統(tǒng)主機部分設(shè)計 ………………………………………11</p><p>　　3.3.1 單片機………

4、………………………………………………11</p><p>　　3.3.2 顯示模塊設(shè)計………………………………………………13</p><p>　　3.3.3 串行通信模塊設(shè)計…………………………………………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 …

5、………………………………………………15</p><p>　　4.1 主程序設(shè)計 ……………………………………………………15</p><p>　　4.2單片機計數(shù)程序（部分） ……………………………………16</p><p>　　4.3 數(shù)據(jù)處理過程 …………………………………………………19</p><p>　　4.4 浮點數(shù)學運算程序

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 實用前景 ………………

7、……………………………………………23</p><p>　　9 參考文獻 ……………………………………………………………23</p><p>　　10 致 謝 ……………………………………………………………24</p><p>　　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

8、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、整理后提出了基于光電傳感器的轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)。在詳細分析了系統(tǒng)的組成及工作原理后，給出了系統(tǒng)中各硬件模塊設(shè)計方法及系統(tǒng)軟件設(shè)計方法，給出了部分程序流程圖和程序清單。該測量轉(zhuǎn)速系統(tǒng)的優(yōu)點是：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。</p><p>　　關(guān)鍵詞 ：單片機，光電轉(zhuǎn)速傳感器，轉(zhuǎn)速測量，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)的簡稱，它是利用被檢測物對光束的遮擋或反射，由同步回路選通電路，從而檢測物體有無的。物體不限于金屬，所有能反射光線的物體均可被檢測。光電開關(guān)將輸入電流在發(fā)射器上轉(zhuǎn)換為光信號射出，接收器再根據(jù)接收到的光線的強弱或有無對目標物體進行探測。安防系統(tǒng)中常見的光電開關(guān)煙霧報

10、警器，工業(yè)中經(jīng)常用它來記數(shù)機械臂的運動次數(shù)。</p><p><b>　　步進電機</b></p><p>　　步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進電機件。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度，稱為“步距角”，它

11、的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(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>　　實驗開發(fā)板</b><

12、/p><p>　　2.2 轉(zhuǎn)速測量原理</p><p>　　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)速傳感器產(chǎn)生的脈沖個數(shù)，從而算出實際轉(zhuǎn)速。設(shè)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，

13、就可算出實際轉(zhuǎn)速值：</p><p>　　N=60m/pTc (r/min)</p><p>　　2.3 轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)組成框圖</p><p>　　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。其中，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

14、換和波形整形電路則用來將放大的信號轉(zhuǎn)換成可與單片機匹配的TTL信號；通過對單片機的編程設(shè)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)；實驗中轉(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(guān)計算方法計算得到的轉(zhuǎn)速通過總線放到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。</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</p><p>　　3.1 脈沖產(chǎn)生電路設(shè)計</p><p>　　設(shè)計采用了光電傳感器，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(tǒng)在光電傳感器收發(fā)端間加入電動機，并在電動機

16、的轉(zhuǎn)軸上安裝一轉(zhuǎn)盤。在這個轉(zhuǎn)盤的邊沿處粘貼若干的遮光紙板，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。</p><p>　　轉(zhuǎn)盤上遮光板的個數(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、或者是在下個過遮光板之前停止了，造成較大的誤差。設(shè)計中轉(zhuǎn)盤的遮光板的實際個數(shù)受到技術(shù)的限制。為了達到預定的設(shè)計效果在轉(zhuǎn)盤設(shè)計一般采用11個遮光板，從而留下了10個同等的間距。這樣在以后的軟件設(shè)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、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)換及信號調(diào)理電路設(shè)計</p><p>　　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(shè)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(guān)計算以得到電動機轉(zhuǎn)速。</p><p>　　3.2.1 光電傳感器簡介</p>&

19、lt;p>　　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，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。</p><p>　　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)

20、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(guān))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(guān)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

21、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(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)變成光能的半導體器件。它具有體積小、功耗低、壽命長、響應快

22、、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(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。</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，是很理想的光源。</p><p>　　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。</p><p>　　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

24、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，為此設(shè)計時必須詳加考慮。</p><p>　　3.2.2 光電轉(zhuǎn)換及信號調(diào)理電路設(shè)計</p><p>　　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。</p><p>　　光電轉(zhuǎn)換

25、部分與單片機的連接框圖如圖3.3所示。</p><p>　　圖3.3 光電轉(zhuǎn)換部分與單片機的連接框圖</p><p>　　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3.4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、

26、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3.5</p><p>　　圖3.4放大器圖 圖3.5 引腳圖</p><p>　　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，

27、價格低廉等優(yōu)點，因此被廣泛應用在各種電路中。</p><p>　　本設(shè)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(shè)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(shè)計了有源帶通濾波器。</p><p>　　為了達到預定效果，對系統(tǒng)運用MULTISIM 8進行模擬仿真，并利用模擬仿真結(jié)果對有關(guān)元器件進行參數(shù)設(shè)定，以使電路滿足要求。

28、如圖3.6所示是MULTISIM 進行電路模擬仿真示意圖及其模擬仿真結(jié)果。</p><p>　　3.3 測量系統(tǒng)主機部分設(shè)計</p><p><b>　　3.3.1 單片機</b></p><p>　　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

29、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(shè)計的，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）. </p><p>　　系統(tǒng)使用的單片機是STC 89C51型單片機。STC 89C51單

30、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3.7是STC 89C51結(jié)構(gòu)框圖。</p><p>　　STC 89C51單片機的特點： </p><p>　?、?它內(nèi)部有一個8位的CPU，具有4KB的EEPROM。</p><p>　?、?128字節(jié)的RAM數(shù)據(jù)存

31、儲器，21個特殊功能寄存器SFR。</p><p>　?、?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.</p><p>　?、?一個可編程全雙工串行口,具有5個中斷源。</p><p>　　⑸ 兩個16位定時器/計數(shù)器。 </p><p>　　計數(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(shè)置的。這些引腳構(gòu)成MCS-51單片

33、機片外三總線結(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</p><p>　　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-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 ，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

36、 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(shè)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。</p><p>　　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。</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</p><p>　　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。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

38、設(shè)備的通用性，另一方面又增強了數(shù)據(jù)傳送時的可靠性。</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(shè)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”。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>　　電源模塊為實驗臺提供的+5V電源，實物電路圖如2.1元件圖。</p><p><b>　　4 系統(tǒng)軟件設(shè)計</b></p><p><b>　　4.1程序模塊設(shè)計&

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顯示程序等幾個部分組成。</p><p>　　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。</p><p>　　定時器1服務(wù)子程序設(shè)計，。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

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個遮光板，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

42、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</p>

43、<p>　　4.2 單片機計數(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量，系統(tǒng)軟件都進行測量初始化。測量初始化模塊設(shè)置堆棧指針(SP) 、工作寄存器、中斷控制和定時/ 計數(shù)器的工作方式。定時/ 計數(shù)器的工作首先被設(shè)置為計數(shù)器方式。</p><p>　　在對定時/ 計數(shù)器的計數(shù)寄存器清0 后，置運行控制

51、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，重新對待測信號的計數(shù)，直到滿足測量數(shù)據(jù)有效位數(shù)的要求。</

52、p><p>　　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(shè)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

53、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(wù)程序，中斷服務(wù)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(guān)系為:</p><p&g

54、t;<b>　　f = 1/ T</b></p><p>　　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(shù)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(shè)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(shù)運算對其進行處

55、理，獲得用浮點數(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。</p><p>　　4.4 浮點數(shù)學運算程序</p><p>　　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(lǐng)域，在信號處理方面不很擅長。在頻率計數(shù)中需要完成周期到頻率的換算，為保證測量結(jié)果的

56、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。</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個齒

57、，每個遮光板寬度為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。</p><p>　　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

58、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。</p&

59、gt;<p>　　圖5.1 轉(zhuǎn)速測速示意圖</p><p>　　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。</p><p>　　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

60、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(guān)資料結(jié)合選用的光電傳感器相關(guān)參數(shù)，我們設(shè)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(guān)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。<

61、/p><p>　　除了要考慮到硬件方面，對軟件調(diào)試也不能忽視。</p><p>　　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(guān)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

62、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。</p><p>　　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MedWin V2.39 軟件，編程時容易出現(xiàn)鍵盤輸入和無意的語法錯誤，還有一些模塊達不到預期的功能，都要經(jīng)過調(diào)試才能排除。MedWin V2.39 軟件具有很強大的編程調(diào)試功能，能夠模仿仿真實際單片機的端口和內(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內(nèi)存單元對應的運行值，外圍部件中可以顯示單片機端口，中斷、定時器1、定時器2、定時器3 還有串口對應的運行值?？梢詥尾秸{(diào)試也可以模塊調(diào)試，最好的是可以對你所懷疑的語句模塊設(shè)置斷點。所以MedWin V2.39 具有強大的編譯調(diào)試功能。此系統(tǒng)將個功能模塊：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行調(diào)試，最后整體調(diào)試。編譯無誤后生成目標代碼BIN文件。</p><p>

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

65、<p>　　由測量原理可得次計算公式：</p><p>　　N=60m/pTc (r/min)</p><p>　　實驗中，2分鐘，計數(shù)得的脈沖個數(shù)m為2200，則有發(fā)動機的轉(zhuǎn)速為：N=2200/11*2=100（r/min）</p><p>　　至此，設(shè)計已基本完成題目中的各項要求，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：中斷處理的進入和

66、中斷處理程序都會有一定時間的延時，從而造成時間閘門的誤差，這是造成測量誤差的一個主要因素。另外，由于電機的轉(zhuǎn)盤是手工制作的，每個遮光板之間的間隔也不是很均勻，導致獲得的脈沖信號頻率與實際轉(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)計的題目是利用單片機STC 89C51為核心，結(jié)合光電傳感器、LM324設(shè)計電動機

67、轉(zhuǎn)速測量裝置。單片機采用定時器定時中斷的方法實現(xiàn)對信號脈沖的測量并計算出發(fā)動機的轉(zhuǎn)速，具有較強的使用價值，結(jié)合實際再進一步完善設(shè)計可以應用于實際操作。</p><p><b>　　8 實用前景</b></p><p>　　例如：可以用于對汽車的發(fā)動機轉(zhuǎn)速進行測量，知道當前是否是安全運行的，也可以通過進一步的改進對流體的流速進行測量等等。該裝置簡單、易操作、廉價，有很大

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

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