基于PIC16F877單片機(jī)的簡(jiǎn)易測(cè)速計(jì)設(shè)計(jì)方案

0 引言

隨著微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，單片機(jī)在汽車、通信、辦公自動(dòng)化、工業(yè)控制、高級(jí)玩具、家用電器等方面都得到了廣泛的應(yīng)用。如果將Proteus 作為單片機(jī)系統(tǒng)仿真工具，則不用制作電路板，而可以使用Proteus 進(jìn)行系統(tǒng)虛擬實(shí)現(xiàn)，這樣不僅能完成所需功能設(shè)計(jì)驗(yàn)證，還能降低硬件成本的耗用，從而縮短整個(gè)設(shè)計(jì)周期，從根本上提高了電子產(chǎn)品的開發(fā)效率。

測(cè)速是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常遇到的問題，基于單片機(jī)的各種優(yōu)勢(shì)，將單片機(jī)應(yīng)用于測(cè)速系統(tǒng)，具有很重要的意義。而對(duì)于測(cè)速技術(shù)，首先要解決的就是采樣問題。在使用模擬技術(shù)制作測(cè)速設(shè)備時(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;而使用單片機(jī)進(jìn)行測(cè)速，則可以使用簡(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)，最終計(jì)算出單位時(shí)間內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)，即可獲得轉(zhuǎn)速的相關(guān)信息。本文將基于PIC16F877 單片機(jī)的捕捉功能來完成脈沖計(jì)數(shù)，利用軟件編程實(shí)現(xiàn)相關(guān)物理關(guān)系的轉(zhuǎn)換，最終得出齒輪線速度，并顯示在數(shù)碼管上。

1 測(cè)速計(jì)原理

1.1 CCP1 捕捉功能

PIC16F877 單片機(jī)中有兩個(gè)CCP 模塊，其構(gòu)造基本相同，分別記為CCP1 和CCP2.每個(gè)CCP 模塊可以任意配置為捕捉(Capture)、比較(Compare) 和脈寬調(diào)制(PWM)3 個(gè)功能模式之一。

CCP1 的捕捉模式具有如下三個(gè)功能：其一是可以捕捉RC2/CPP1引腳出現(xiàn)的跳變并保存當(dāng)時(shí)TMR1計(jì)數(shù)寄存器內(nèi)容;其二是具有預(yù)分頻器，可以實(shí)現(xiàn)每1 個(gè)脈沖、每4 個(gè)脈沖或16 個(gè)脈沖捕捉一次;其三是捕捉時(shí)間能產(chǎn)生中斷。

1.2 CCP 測(cè)速計(jì)原理

在捕捉模式下，單片機(jī)可以捕捉引腳電平變化時(shí)刻的時(shí)間值，即引腳輸入脈沖上升沿或下降沿出現(xiàn)時(shí)刻的精確時(shí)間值。

PIC16F877 的CCP1 模塊工作于捕捉模式時(shí)，當(dāng)特定的跳變沿出現(xiàn)時(shí)，TMR1 定時(shí)器的計(jì)數(shù)值會(huì)立即復(fù)制到CCPR1H 和CCPR1L 中并產(chǎn)生中斷信號(hào)，通過在中斷服務(wù)程序中讀取這個(gè)16 位計(jì)數(shù)值。當(dāng)使用CCP1 模塊的捕捉功能實(shí)現(xiàn)相鄰兩次上升沿時(shí)間間隔的測(cè)量時(shí)，此時(shí)間間隔就是輸入信號(hào)的周期g-Period.由于主頻是4 MHz, 即每個(gè)指令周期為1 μs, 將預(yù)分頻比設(shè)置為1:1,測(cè)得周期結(jié)果單位為微秒級(jí)。所以最終測(cè)得的速度值speed 通過以下公式得出：

speed=(1M*60s*0.01m*pi)/g_Period

其中，pi 為圓周率值;0.01m 為被測(cè)對(duì)象齒輪的直徑，通過物理方法測(cè)得。

speed=(1M*60s*0.01m*pi)/g_Period

其中，pi 為圓周率值;0.01m 為被測(cè)對(duì)象齒輪的直徑，通過物理方法測(cè)得。

2 功能實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

測(cè)速計(jì)功能的實(shí)現(xiàn)可由基于PIC16F877 的主控制模塊、顯示模塊、齒輪和光電傳感器構(gòu)成的被測(cè)模塊等幾部分構(gòu)成。

通過單片機(jī)的RC2/CCP1 引腳分別連接被測(cè)模塊和測(cè)量子模塊，在Proteus 軟件仿真時(shí)，分別由信號(hào)發(fā)生器SG1 和頻率計(jì)作為硬件設(shè)備連接。SG1 用來模擬被測(cè)模塊產(chǎn)生信號(hào)，F(xiàn)1 采用頻率計(jì)方式運(yùn)行，用來顯示當(dāng)前信號(hào)頻率，用來做參考值與顯示模塊數(shù)據(jù)，即測(cè)速計(jì)測(cè)速結(jié)果值進(jìn)行比較，以驗(yàn)證測(cè)速計(jì)測(cè)速結(jié)果的正確與否。各模塊之間的連接關(guān)系如圖1 所示。

2.2 方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

該簡(jiǎn)易速度計(jì)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)主要基于PIC16F877 的CCP 模塊功能，這里我們首先將PIC16F877 的CCP1 配置為捕捉模式，預(yù)分頻比設(shè)置為1:1,每個(gè)上升沿觸發(fā)。

當(dāng)捕捉到跳變后CPP1 中斷標(biāo)志位置位，直接采用中斷方式進(jìn)行處理，即在中斷服務(wù)子程序中處理相關(guān)寄存器的數(shù)值或狀態(tài)變化，計(jì)算并儲(chǔ)存相關(guān)物理量，以上設(shè)置均由軟件編程來完成。

2.2 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

該簡(jiǎn)易速度計(jì)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)主要基于PIC16F877 的CCP 模塊功能，這里我們首先將PIC16F877 的CCP1 配置為捕捉模式，預(yù)分頻比設(shè)置為1:1,每個(gè)上升沿觸發(fā)。

當(dāng)捕捉到跳變后CPP1 中斷標(biāo)志位置位，直接采用中斷方式進(jìn)行處理，即在中斷服務(wù)子程序中處理相關(guān)寄存器的數(shù)值或狀態(tài)變化，計(jì)算并儲(chǔ)存相關(guān)物理量，以上設(shè)置均由軟件編程來完成。

3 功能仿真

3.1 Proteus 下仿真電路的搭建

要在Proteus下完成測(cè)速計(jì)功能的仿真，首先應(yīng)在其界面新建設(shè)計(jì)文件并搭建仿真電路圖，本例的測(cè)速計(jì)功能電路圖如圖4 所示。

在Proteus 軟件下進(jìn)行仿真時(shí)，庫里各電子模塊本身集成有驅(qū)動(dòng)功能，故各模塊與單片機(jī)之間只需要用連接線簡(jiǎn)易連接即可，而無需外加任何驅(qū)動(dòng)電路。但是，實(shí)際制作電路版時(shí)，還是需外加各模塊的驅(qū)動(dòng)電路，并考慮各器件之間的間距，以避免電磁干擾。

3.2 功能仿真

在 PIC 系列單片機(jī)的專用開發(fā)環(huán)境MPLAB IDE 8.90 下分別完成各個(gè)模塊的代碼編寫，編譯運(yùn)行后，用調(diào)試工具Proteus VSM加載Proteus 軟件下建立好的設(shè)計(jì)文件，并運(yùn)行，其結(jié)果如圖5 所示。

3.3 仿真結(jié)果分析

如上圖5 所示，當(dāng)信號(hào)頻率配置為3 000 Hz 時(shí)，仿真結(jié)果即測(cè)速計(jì)的速度顯示為5 660 m/s, 且以速度值為中心， 小范圍內(nèi)上下波動(dòng)。而經(jīng)過理論計(jì)算的速度值約為5 655 m/s,與仿真值基本相同。事實(shí)上，經(jīng)過連續(xù)測(cè)量n 個(gè)周期后求平均值的辦法，其理論值與仿真值之間的誤差會(huì)明顯減小。

4 結(jié)語

本文提出了一種基于PIC16F877 單片機(jī)捕捉功能實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)易測(cè)速計(jì)設(shè)計(jì)方案，經(jīng)過Proteus 軟件下的仿真驗(yàn)證，該設(shè)計(jì)方案基本符合預(yù)期結(jié)果。方案中的整個(gè)測(cè)速計(jì)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單方便、成本低、測(cè)速誤差較小、易于實(shí)現(xiàn)，在模塊化后，可作為一個(gè)集成測(cè)速模塊直接應(yīng)用于其他設(shè)計(jì)當(dāng)中。