單片機(jī)測(cè)速的幾種方案解析

測(cè)速是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常遇到的問(wèn)題，學(xué)會(huì)使用單片機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)測(cè)速儀表具有很重要的意義。

要測(cè)速，首先要解決是采樣的問(wèn)題。在使用模擬技術(shù)制作測(cè)速表時(shí)，常用測(cè)速發(fā)電機(jī)的方法，即將測(cè)速發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸與待測(cè)軸相連，測(cè)速發(fā)電機(jī)的電壓高低反映了轉(zhuǎn)速的高低。使用單片機(jī)進(jìn)行測(cè)速，可以使用簡(jiǎn)單的脈沖計(jì)數(shù)法。只要轉(zhuǎn)軸每旋轉(zhuǎn)一周，產(chǎn)生一個(gè)或固定的多個(gè)脈沖，并將脈沖送入單片機(jī)中進(jìn)行計(jì)數(shù)，即可獲得轉(zhuǎn)速的信息。

一、脈沖信號(hào)的獲得

可以有多種方式來(lái)獲得脈沖信號(hào)，這些方法有各自的應(yīng)用場(chǎng)合。下面逐一進(jìn)行分析。

1．霍爾傳感器

圖1 CS3020引腳圖

霍爾傳感器是對(duì)磁敏感的傳感元件，常用于開(kāi)關(guān)信號(hào)采集的有CS3020、CS3040等，這種傳感器是一個(gè)3端器件，外形與三極管相似，只要接上電源、地，即可工作，輸出通常是集電極開(kāi)路（OC）門輸出，工作電壓范圍寬，使用非常方便。如圖1所示是CS3020的外形圖，將有字面對(duì)準(zhǔn)自己，三根引腳從左向右分別是VCC、地、輸出。

使用霍爾傳感器獲得脈沖信號(hào)，其機(jī)械結(jié)構(gòu)也可以做得較為簡(jiǎn)單，只要在轉(zhuǎn)軸的圓周上粘上一粒磁鋼，讓霍爾開(kāi)關(guān)靠近磁鋼，就有信號(hào)輸出，轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，就會(huì)不斷地產(chǎn)生脈沖信號(hào)輸出。如果在圓周上粘上多粒磁鋼，可以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)一周，獲得多個(gè)脈沖輸出。在粘磁鋼時(shí)要注意，霍爾傳感器對(duì)磁場(chǎng)方向敏感，粘之前可以先手動(dòng)接近一下傳感器，如果沒(méi)有信號(hào)輸出，可以換一個(gè)方向再試。

這種傳感器不怕灰塵、油污，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用廣泛。

2．光電傳感器

光電傳感器是應(yīng)用非常廣泛的一種器件，有各種各樣的形式，如透射式、反射式等，基本的原理就是當(dāng)發(fā)射管光照射到接收管時(shí)，接收管導(dǎo)通，反之關(guān)斷。以透射式為例，如圖2所示，當(dāng)不透光的物體擋住發(fā)射與接收之間的間隙時(shí)，開(kāi)關(guān)管關(guān)斷，否則打開(kāi)。為此，可以制作一個(gè)遮光葉片如圖3所示，安裝在轉(zhuǎn)軸上，當(dāng)扇葉經(jīng)過(guò)時(shí)，產(chǎn)生脈沖信號(hào)。當(dāng)葉片數(shù)較多時(shí)，旋轉(zhuǎn)一周可以獲得多個(gè)脈沖信號(hào)。

圖2 光電傳感器的原理圖

圖3 遮光葉片

3．光電編碼器

光電編碼器的工作原理與光電傳感器一樣，不過(guò)它已將光電傳感器、電子電路、碼盤等做成一個(gè)整體，只要用連軸器將光電傳感器的軸與轉(zhuǎn)軸相連，就能獲得多種輸出信號(hào)。它廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、回轉(zhuǎn)臺(tái)、伺服傳動(dòng)、機(jī)器人、雷達(dá)、軍事目標(biāo)測(cè)定等需要檢測(cè)角度的裝置和設(shè)備中。如圖4所示，是某光電編碼器的外形。

圖4 成品光電編碼器

二、硬件連接

測(cè)速的方法決定了測(cè)速信號(hào)的硬件連接，測(cè)速實(shí)際上就是測(cè)頻，因此，頻率測(cè)量的一些原則同樣適用于測(cè)速。

通常，可以用計(jì)數(shù)法、測(cè)脈寬法和等精度法來(lái)進(jìn)行測(cè)試。所謂計(jì)數(shù)法，就是給定一個(gè)閘門時(shí)間，在閘門時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)輸入的脈沖個(gè)數(shù)；測(cè)脈寬法是利用待測(cè)信號(hào)的脈寬來(lái)控制計(jì)數(shù)門，對(duì)一個(gè)高精度的高頻計(jì)數(shù)信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。由于閘門與被測(cè)信號(hào)不能同步，因此，這兩種方法都存在±1誤差的問(wèn)題，第一種方法適用于信號(hào)頻率高時(shí)使用，第二種方法則在信號(hào)頻率低時(shí)使用。等精度法則對(duì)高、低頻信號(hào)都有很好的適應(yīng)性。

這里為簡(jiǎn)化討論，僅采用計(jì)數(shù)法來(lái)進(jìn)行測(cè)試。

圖5所示是測(cè)速器的電路圖，由六位數(shù)碼管和測(cè)速接口組成。其中T0處接的只畫(huà)了一只CS3020組成的霍爾傳感器接線圖，如果采用光電傳感器接口也是一樣的，讀者可自行畫(huà)出接線圖。

圖5 測(cè)速計(jì)電路原理圖

三、軟件編程

　　測(cè)量轉(zhuǎn)速，使用霍爾傳感器，被測(cè)軸安裝有12只磁鋼，即轉(zhuǎn)軸每轉(zhuǎn)一周，產(chǎn)生12個(gè)脈沖，要求將轉(zhuǎn)速值（轉(zhuǎn)/分）顯示在數(shù)碼管上。

　　程序如下：

　　DISPBUF EQU 5AH ;顯示緩沖區(qū)從5AH開(kāi)始

　　SecCoun EQU 59H

　　SpCoun EQU 57H ;速度計(jì)時(shí)器單元57H和58H，高位在前（57H單元中）

　　Count EQU 56H ;顯示時(shí)的計(jì)數(shù)器

　　SpCalc bit 00h ;要求計(jì)算速度的標(biāo)志

　　Hidden EQU 16 ;消隱碼

　　ORG 0000H

　　AJMP START

　　ORG 1BH

　　JMP TIMER1 ;定時(shí)中斷1入口

　　ORG 30H

　　START: MOV SP,#5FH ;設(shè)置堆棧

　　MOV P1,#0FFH

　　MOV P0,#0FFH

　　MOV P2,#0FFH ;初始化，所有顯示器、LED滅

　　MOV TMOD,#00010101B ;定時(shí)器T1工作于方式1，定時(shí)器0工作方式1 MOV TH1,#HIGH(65536-4000)

　　MOV TL1,#LOW(65536-4000)

　　SETB TR1

　　SETB ET1 ;開(kāi)定時(shí)器1中斷

　　SETB EA

　　LOOP: JNB SpCalc,LOOP ;如果未要求計(jì)算，轉(zhuǎn)本身循環(huán)

　　;標(biāo)號(hào)：ＭＵＬＤ功能：雙字節(jié)二進(jìn)制無(wú)符號(hào)數(shù)乘法

　　;入口條件：被乘數(shù)在R2、R3中，乘數(shù)在R6、R7中。

　　;出口信息：乘積在R2、R3、R4、R5中。

　　;影響資源：PSW、A、B、R2～R7堆棧需求：２字節(jié)

　　MOV R2,SpCoun

　　MOV R3,SpCoun+1

　　MOV R6,#0

　　MOV R7,#5 ;測(cè)得的數(shù)值是每秒計(jì)數(shù)值，轉(zhuǎn)為每分轉(zhuǎn)速（每一轉(zhuǎn)測(cè)12次，故乘5而非60）

　　CALL MULD

　　;標(biāo)號(hào)：ＨＢ２功能：雙字節(jié)十六進(jìn)制整數(shù)轉(zhuǎn)換成雙字節(jié)ＢＣＤ碼整數(shù)

　　;入口條件：待轉(zhuǎn)換的雙字節(jié)十六進(jìn)制整數(shù)在R6、R7中。

　　;出口信息：轉(zhuǎn)換后的三字節(jié)ＢＣＤ碼整數(shù)在R3、R4、R5中。

　　;影響資源：PSW、A、R2～R7堆棧需求：２字節(jié)

　　MOV A,R4

　　MOV R6,A

　　MOV A,R5

　　MOV R7,A ;將乘得的結(jié)果送R6R準(zhǔn)備轉(zhuǎn)換，這里結(jié)果不可能超過(guò)2字節(jié)

　　CALL HB2

　　CBCD:

　　MOV DISPBUF,R3 ;最高位

　　MOV A,R4 ;

　　ANL A,#0F0H ;去掉低4位

　　SWAP A ;將高4位切換到低4位

　　MOV DISPBUF+1,A

　　MOV A,R4

　　ANL A,#0FH

　　MOV DISPBUF+2,A

　　MOV A,R5

　　ANL A,#0F0H

　　SWAP A

　　MOV DISPBUF+3,A

　　MOV A,R5

　　ANL A,#0FH

　　MOV DISPBUF+4,A

　　CLR SpCalc ;清計(jì)算標(biāo)志

　　JMP LOOP

　　;主程序到此結(jié)束

　　TIMER1: PUSH ACC;ACC入棧

　　PUSH PSW ;PSW入棧

　　SETB RS0 ;工作區(qū)1

　　JNB TR0,SETTR0 ;如果T0未運(yùn)行，則開(kāi)啟T0

　　JMP GO1

　　SETTR0:

　　SETB TR0

　　GO1:

　　INC SecCoun ;秒計(jì)數(shù)器加1

　　MOV A,SecCoun

　　CJNE A,#251,Go2 ;如果未到1s則轉(zhuǎn)

　　CLR TR0 ;1ｓ到了，則停止T0的運(yùn)行

　　MOV SpCoun,TH0

　　MOV SpCoun+1,TL0 ;讀取計(jì)數(shù)值

　　CLR A

　　MOV TH0,A

　　MOV TL0,A ;清計(jì)數(shù)器

　　SETB SpCalc ;要求主程序計(jì)算速度

　　MOV SecCoun,#0 ;清秒計(jì)數(shù)器

　　Go2:

　　INC COUNT;用于顯示的計(jì)數(shù)器

　　MOV A,COUNT

　　CLR C

　　SUBB A,#6

　　JZ N1

　　JMP N2

　　N1: MOV COUNT,#0

　　N2: MOV A,#DISPBUF

　　ADD A,COUNT

　　MOV R0,A ;指向當(dāng)前要顯示的顯示緩沖區(qū)

　　MOV A,@R0 ;取第一個(gè)待顯示數(shù)

　　MOV DPTR,#DISPTAB ;字形表首地址

　　MOVC A,@A+DPTR ;取字形碼

　　MOV P0,A ;將字形碼送P0位（段口）

　　MOV A,COUNT

　　MOV DPTR,#BitTab ;字位表首地址

　　MOVC A,@A+DPTR

　　ORL P2,#11111100B

　　ANL P2,A

　　MOV TH1,#HIGH(65536-4000)

　　MOV TL1,#LOW(65536-4000)

　　POP PSW

　　POP ACC

　　RETI

　　BitTab: DB7Fh,0BFH,0DFH,0EFH,0F7H,0FBH

　　DISPTAB:DB0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H,90H,88H,83H,0C6H,0A1H,86H,8EH,0FFH

　　……其他數(shù)學(xué)運(yùn)算程序（略）

　　四、程序分析

　　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SpCalc是否為1，如果為1，說(shuō)明要求對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，首先將SpCalc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12只磁鋼，每旋轉(zhuǎn)一周可以得到12個(gè)脈沖，因此，要將測(cè)得的數(shù)據(jù)除以12，所以綜合起來(lái)，將測(cè)得的數(shù)據(jù)乘以5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(kāi)始的一段程序即作了這樣的處理。需要說(shuō)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)于保證程序的質(zhì)量很有好處。

　　定時(shí)器T1用作4ms定時(shí)發(fā)生器，在定時(shí)中斷程序中進(jìn)行數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)掃描，同時(shí)產(chǎn)生1s的閘門信號(hào)。1s閘門信號(hào)的產(chǎn)生是通過(guò)一個(gè)計(jì)數(shù)器Count，每次中斷時(shí)間為4ms，每計(jì)250次即為1s，到了1s后，即清除計(jì)數(shù)器Count，然后關(guān)閉作為計(jì)數(shù)器用的T0，讀出TH0、TL0中的數(shù)值，分別送入SpCoun和SpCoun+1單元，將T0中的值清空，置SpCalc標(biāo)志為1，要求主程序進(jìn)行速度值的計(jì)算。這里還有一個(gè)細(xì)節(jié)，用作1s閘門信號(hào)產(chǎn)生的Count每次中斷都會(huì)加1，而T0卻有一個(gè)周期是被關(guān)閉的，因此，計(jì)數(shù)值是251而不是250。

　　看完這一部份內(nèi)容以后，請(qǐng)讀者自行完成以下工作：

　　1.試用測(cè)脈寬法測(cè)試速度（提示：80C51單片機(jī)內(nèi)部有高精度信號(hào)源，而其計(jì)數(shù)器又具有門控特性），注意硬件設(shè)計(jì)要略作更改。

　　2.查找等精度測(cè)量原理，試設(shè)計(jì)等精度測(cè)量的硬件設(shè)計(jì)并編寫相應(yīng)軟件。