基于PIC單片機的測速系統設計

0 引言

在現代工業(yè)測量系統中, 位移量和轉速的測量是關(guān)鍵環(huán)節。早期的測量系統, 雖然技術(shù)比較成型, 但一般是采用分立元件構成的, 其結果是測量精度低, 穩定性差, 成本高, 抗干擾能力差等。隨著(zhù)電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展, 測量系統也逐步向智能化轉化。本文利用PIC單片機實(shí)現了轉速的實(shí)時(shí)測量，通過(guò)推導多倍周期法的測量誤差算法，得出了一種有效的確定多倍周期法中周期倍數 N的方法，使之在高、低速測量時(shí)均有很小的誤差。本設計硬件結構設計簡(jiǎn)單，測量速度快，精度高，運行可靠，可以滿(mǎn)足人們愈來(lái)愈高的對速度準確性和實(shí)時(shí)性的要求。

1 系統主要性能特點(diǎn)

（1） 硬件結構設計簡(jiǎn)單，測量速度快，精度高，運行可靠。

（2） 采用帶有EEPROM的PIC單片機，設計了簡(jiǎn)單可靠的掉電保護功能。

（3） 兩種測量模式：測轉速和測速度（測速度時(shí)要預先通過(guò)按鍵輸入轉盤(pán)的周長(cháng)）。

（4） 有上下限報警功能，適用于對速度或轉速有限制的場(chǎng)合。

（5） 有3個(gè)獨立的按鍵，可方便的設置上下限報警值、測量模式以及轉盤(pán)周長(cháng)。

2 系統硬件設計

圖（1） 系統體系結構

PIC16F874A是由美國Microchip公司生產(chǎn)的8位 Flash型單片機,具有低功能、低工作電壓、高性能、高速度、全靜態(tài)、較強的引腳直接驅動(dòng)能力等特點(diǎn)。由于采用哈佛(Harvard)雙總線(xiàn)和兩級指令流水線(xiàn)結構,使指令執行和取指操作同步進(jìn)行,因而可達到很高的執行速度。該系列單片機只有35條單字節指令,除跳轉指令是2周期指令外,其它指令都是單周期指令。這與其它的8位單片機相比節省了1/2的程序空間,并且具有4∶1的速度優(yōu)勢。PIC16F874A有4K×14的程序存儲器,192個(gè)字節的通用寄存器,128字節的EEPROM，33個(gè)Ｉ/Ｏ口,3個(gè)定時(shí)/計數器及2個(gè)捕捉/比較/ＰＷＭ模塊,2個(gè)串行口,Ａ/Ｄ轉換器具有5路模擬量輸入端, 還有時(shí)鐘、復位、看門(mén)狗定時(shí)器等。由于該單片機具有非常豐富的資源，使硬件電路得到簡(jiǎn)化,從而降低成本。

2．1 信號輸入電路

在此部分電路設計時(shí)采用的器件是夏普公司生產(chǎn)的OPTC光斷續器，事實(shí)上用其他的器件也是可以的，只要能產(chǎn)生讓單片機檢測到的脈沖信號就可以了。該光斷續器將發(fā)光部分的GaAs紅外發(fā)光二極管和感光部分的光電二極管以及信號處理電路（放大器，施密特觸發(fā)器及穩壓電路等）集成在一塊芯片上。這種光斷續器具有下列特點(diǎn)：

（1） 體積小，可靠性高；

（2） 外圍電路少；

（3） 能與TTL 、LSTTL、CMOS器件直接連接；

（4） 工作電壓范圍大（Vcc=4.5­—16V）

2．2 掉電保護電路

單片機在工作時(shí)，困某種原因造成突然掉電，將會(huì )丟失數據存儲器(RAM)里的數據，沖掉前期工作的所有信息。雖然單片機主電源里有太容量濾波電容器，當掉電時(shí)，單片機靠貯存在電容器里的能量，一般能維持工作1Oms左右。為此，要求一旦市電發(fā)生瞬問(wèn)斷電時(shí)，必須要在小于 10ms的時(shí)間內將RAM中的數據及時(shí)的轉存到EEPROM數據寄存器中，在下次上電工作時(shí)將數據從EEPROM中調出來(lái)確保單片機系統能正常運行。由于在PIC16F874A單片機中集成了128個(gè)字節的EEPROM這就使得保護電路非常簡(jiǎn)單，具體電路見(jiàn)圖（2）。其工作原理如下： PIC單片機B口的RB4—RB7引腳在設為輸入模式下，當輸入電平由高到低或者由低到高發(fā)生電平變化時(shí)，可以使單片機產(chǎn)生中斷，這就是通常所說(shuō)的引腳狀態(tài)變化中斷。當12V電源電壓在正常范圍內時(shí)，單片機RB4引腳的電平為高電平；而當12V電源被切斷時(shí)，由于二極管D1的單向導通性阻止了濾波電容C3 的回路，使得RB4引腳上的分壓迅速的下降到足以觸發(fā)RB4引腳內部電路發(fā)生電平反轉，引發(fā)中斷，在中斷程序中完成對需要保護的數據燒寫(xiě)到EEPROM 中。在燒寫(xiě)的瞬間，單片機的工作電源依靠電源濾波電容維持即可夠用。

3 檢測方法和誤差處理

通常對于轉速或速度的測量可轉化為對信號頻率(或周期)的檢測，對信號頻率的檢測最常采用的三種方法是：記數法、周期法和多倍周期法。其中記數法適合測高頻，測低頻時(shí)所需時(shí)間較長(cháng)故誤差較大；周期法適合測低頻，測高頻信號時(shí)要求的參考脈沖的頻率高故誤差大；這兩種方法共同的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現比較簡(jiǎn)單。而多倍周期法在一定程度上可以解決高低頻之間的矛盾，但實(shí)現相對困難。因為多倍周期法要預先確定一個(gè)恰當的倍數N，而N的預先確定是比較困難的。如果N確定不當，同樣會(huì )使檢測的時(shí)間增長(cháng)或高頻時(shí)有較大的誤差。在實(shí)際設計中，本文對多倍周期法進(jìn)行了一定的改進(jìn)，并提出了一個(gè)簡(jiǎn)單確定N 的算法，即可自動(dòng)地確定恰當的N，又可滿(mǎn)足高低頻信號的檢測要求。

多倍周期法由周期法改進(jìn)而來(lái)，周期法在測量信號的周期時(shí)，由一個(gè)固定頻率的參考脈沖作為加法計數器的時(shí)鐘信號。在被測信號一個(gè)周期的開(kāi)始啟動(dòng)加法計數器；然后，到這個(gè)周期的結束停止計數，假設這時(shí)候計數器的值為M ，參考脈沖的周期為T(mén)m ，則M、Tm 與被測信號周期T有如下的關(guān)系：

T = M * Tm 轉速 n = 60/T = 60／(M * Tm) (轉／min)

在這一節只討論轉速的檢測方法和誤差處理，因為轉速和速度的檢測方法和誤差處理是相似的。轉速n與速度v的關(guān)系為：v = n * L/ 60 (米/秒) （其中L為轉盤(pán)周長(cháng)）

一個(gè)Tm 周期對應的轉速為： n／M = 60／(M * M * Tm)

根據圖(3)所示，最大的誤差有2 * n／M,即最大誤差 = 2 * n／M = 120／(M * M * Tm)。

圖（3）參考脈沖信號與被檢測信號之間的關(guān)系

這樣就得到了為什么周期法適合于測量低頻信號的原因。從誤差關(guān)系式可看出，當n大時(shí)，則誤差大；當n小時(shí)，則誤差小。，從上式也可得到減少誤差n 的兩個(gè)方法：一個(gè)是增加M；另一個(gè)是增加Tm。對于一臺確定的檢測儀而言，Tm是一個(gè)固定的常數。這樣只有增加M值。但是，對于一個(gè)轉速n，一個(gè)周期內的M也是一個(gè)相對固定的值。因此，要增加M值就只有增加檢測的周期數,即由一個(gè)周期內的測量擴大到多個(gè)周期的測量。如果假設N個(gè)周期內的計數值為Mn，則有：

可見(jiàn)這兩式是相互矛盾的。要減少誤差就必須增加N，而這時(shí)測量時(shí)間就相應增加；要減少測量時(shí)間就要減少N，而這時(shí)的誤差就相應增加。顯然，要預先確定一個(gè)恰當的N值是比較困難的。因為，不同的轉速對應不同的N值。

針對N值難以確定這個(gè)問(wèn)題，本文采取了一種比較合理的確定N值的方法。對于單片機而言，它的計數器的位數是有限的，假設為P位。對一個(gè)轉速n而言，當計數器達到滿(mǎn)刻度時(shí)，對應的誤差是最小的。因此，為使檢測的誤差最小，就可以以計數器是否達到滿(mǎn)刻度為標準來(lái)確定一個(gè)轉速n 對應的N值。假設單片機指令執行周期為T(mén)m,計數器溢出時(shí)間為T(mén)n,檢測到的信號次數為N，此時(shí)的轉速為n，就有如下關(guān)系式：

Tn = ( ) Tm 誤差： n = 120／[( )( ) Tm／N]

轉速： n = 60N/ ( ) Tm (轉／min)

從n與N的關(guān)系式中可以看出，這時(shí)侯不同的n有不同的N值。為求計數器達到滿(mǎn)刻度時(shí)的N值，具體做法是：用單片機的計數器1來(lái)計時(shí)，再用軟件設計一個(gè)計數器對被測信號進(jìn)行計數。當計數器1溢出以后，取該計數器的值就可計算得到要求的N值。這樣就不要象通常的多倍周期法那樣，預先確定一個(gè)N值。

4 測速算法與系統實(shí)現程序

本文采用PIC單片機實(shí)現測速系統，在PIC中檔系列單片機中，定時(shí)器TMR1是一個(gè)標準配置，它是一個(gè)16位的定時(shí)器/計數器。如圖（2）所示，我們將檢測信號輸入到單片機INT端。利用定時(shí)器1的定時(shí)和INT的中斷功能來(lái)實(shí)現測量。

4．1 主程序流程圖見(jiàn)圖（4）

（1）初始化程序：初始化定時(shí)器1、INT1及各輸入輸出口設置，清顯示緩沖區等。

（2) 按鍵掃描程序：當掃描到有按鍵按下時(shí)做出相應的響應，用來(lái)設置上下限報警值、測量模式以及被測轉盤(pán)周長(cháng)。

（3) 測量值比較與報警：用顯示緩沖區的值與預設在EEPROM中的上下限報警值逐個(gè)比較，當大于上限值或小于下限值時(shí)報警。

（4）顯示程序：將顯示緩沖區的BCD碼經(jīng)查表譯碼后送七段數碼管顯示。

4．2 中斷服務(wù)程序流程圖見(jiàn)圖（5）

（1）中斷類(lèi)型判斷：當TMR1中斷時(shí)，計數器1溢出次數W =W+1；當INT中斷時(shí)，被檢測信號周期數N =N+1；當RB4電平變化中斷時(shí)，保存需要掉電保護的數據到EEPROM中；

（2）轉速n的計算公式為：，其中Tm為指令執行周期；速度的計算公式為：v=n*L/60(米/秒)其中L為轉輪周長(cháng)。

圖（5）中斷程序流程圖

周期；速度的計算公式為：v =n*L/60(米/秒) 其中L為轉輪周長(cháng)。

圖（4）系統主流程圖

5 結語(yǔ)

本文介紹了一種利用單片機為核心器件實(shí)現高精度轉速和速度測量的系統。經(jīng)過(guò)對測速系統的誤差分析，論證了該方法的可行性和實(shí)用性，并成功的利用該系統實(shí)現了對卷?yè)P機速度的測量，測試中各項功能正常，運行可靠，使用方便，效果好，達到了設計的要求。

本文作者創(chuàng )新：采用了以單片機定時(shí)器溢出為準來(lái)確定多倍周期法倍數N的方法，成功的解決了倍數N難以確定的難點(diǎn)；設計了測轉速和測速度兩種測量模式，有上下限報警功能使得該系統具有更加廣泛的應用前景。

參考文獻：

[1]姜慶明、楊旭、甘永梅、王曉鈺、王兆安。一種基于光電編碼器的高精度測速和測加速度方法［J］。微計算機信息，2004，6：48-50。

[2]張明峰。PIC單片機入門(mén)與實(shí)踐。北京航空航天大學(xué)出版社，2004年第1版。