基于PIC单片机的测速系统设计

作者：时间：2012-01-07来源：网络收藏

0 引言

在现代工业测量系统中, 位移量和转速的测量是关键环节。早期的测量系统, 虽然技术比较成型, 但一般是采用分立元件构成的, 其结果是测量精度低, 稳定性差, 成本高, 抗干扰能力差等。随着电子技术和计算机技术的发展, 测量系统也逐步向智能化转化。本文利用PIC单片机实现了转速的实时测量，通过推导多倍周期法的测量误差算法，得出了一种有效的确定多倍周期法中周期倍数 N的方法，使之在高、低速测量时均有很小的误差。本设计硬件结构设计简单，测量速度快，精度高，运行可靠，可以满足人们愈来愈高的对速度准确性和实时性的要求。

1 系统主要性能特点

（1）硬件结构设计简单，测量速度快，精度高，运行可靠。

（2）采用带有EEPROM的PIC单片机，设计了简单可靠的掉电保护功能。

（3）两种测量模式：测转速和测速度（测速度时要预先通过按键输入转盘的周长）。

（4）有上下限报警功能，适用于对速度或转速有限制的场合。

（5）有3个独立的按键，可方便的设置上下限报警值、测量模式以及转盘周长。

2 系统硬件设计

图（1）系统体系结构

PIC16F874A是由美国Microchip公司生产的8位 Flash型单片机,具有低功能、低工作电压、高性能、高速度、全静态、较强的引脚直接驱动能力等特点。由于采用哈佛(Harvard)双总线和两级指令流水线结构,使指令执行和取指操作同步进行,因而可达到很高的执行速度。该系列单片机只有35条单字节指令,除跳转指令是2周期指令外,其它指令都是单周期指令。这与其它的8位单片机相比节省了1/2的程序空间,并且具有4∶1的速度优势。PIC16F874A有4K×14的程序存储器,192个字节的通用寄存器,128字节的EEPROM，33个Ｉ/Ｏ口,3个定时/计数器及2个捕捉/比较/ＰＷＭ模块,2个串行口,Ａ/Ｄ转换器具有5路模拟量输入端, 还有时钟、复位、看门狗定时器等。由于该单片机具有非常丰富的资源，使硬件电路得到简化,从而降低成本。

2．1 信号输入电路

在此部分电路设计时采用的器件是夏普公司生产的OPTC光断续器，事实上用其他的器件也是可以的，只要能产生让单片机检测到的脉冲信号就可以了。该光断续器将发光部分的GaAs红外发光二极管和感光部分的光电二极管以及信号处理电路（放大器，施密特触发器及稳压电路等）集成在一块芯片上。这种光断续器具有下列特点：

（1）体积小，可靠性高；

（2）外围电路少；

（3）能与TTL 、LSTTL、CMOS器件直接连接；

（4）工作电压范围大（Vcc=4.5—16V）

2．2 掉电保护电路

单片机在工作时，困某种原因造成突然掉电，将会丢失数据存储器(RAM)里的数据，冲掉前期工作的所有信息。虽然单片机主电源里有太容量滤波电容器，当掉电时，单片机靠贮存在电容器里的能量，一般能维持工作1Oms左右。为此，要求一旦市电发生瞬问断电时，必须要在小于 10ms的时间内将RAM中的数据及时的转存到EEPROM数据寄存器中，在下次上电工作时将数据从EEPROM中调出来确保单片机系统能正常运行。由于在PIC16F874A单片机中集成了128个字节的EEPROM这就使得保护电路非常简单，具体电路见图（2）。其工作原理如下： PIC单片机B口的RB4—RB7引脚在设为输入模式下，当输入电平由高到低或者由低到高发生电平变化时，可以使单片机产生中断，这就是通常所说的引脚状态变化中断。当12V电源电压在正常范围内时，单片机RB4引脚的电平为高电平；而当12V电源被切断时，由于二极管D1的单向导通性阻止了滤波电容C3 的回路，使得RB4引脚上的分压迅速的下降到足以触发RB4引脚内部电路发生电平反转，引发中断，在中断程序中完成对需要保护的数据烧写到EEPROM 中。在烧写的瞬间，单片机的工作电源依靠电源滤波电容维持即可够用。

3 检测方法和误差处理

通常对于转速或速度的测量可转化为对信号频率(或周期)的检测，对信号频率的检测最常采用的三种方法是：记数法、周期法和多倍周期法。其中记数法适合测高频，测低频时所需时间较长故误差较大；周期法适合测低频，测高频信号时要求的参考脉冲的频率高故误差大；这两种方法共同的优点是实现比较简单。而多倍周期法在一定程度上可以解决高低频之间的矛盾，但实现相对困难。因为多倍周期法要预先确定一个恰当的倍数N，而N的预先确定是比较困难的。如果N确定不当，同样会使检测的时间增长或高频时有较大的误差。在实际设计中，本文对多倍周期法进行了一定的改进，并提出了一个简单确定N 的算法，即可自动地确定恰当的N，又可满足高低频信号的检测要求。

多倍周期法由周期法改进而来，周期法在测量信号的周期时，由一个固定频率的参考脉冲作为加法计数器的时钟信号。在被测信号一个周期的开始启动加法计数器；然后，到这个周期的结束停止计数，假设这时候计数器的值为M ，参考脉冲的周期为Tm ，则M、Tm 与被测信号周期T有如下的关系：

T = M * Tm 转速 n = 60/T = 60／(M * Tm) (转／min)

在这一节只讨论转速的检测方法和误差处理，因为转速和速度的检测方法和误差处理是相似的。转速n与速度v的关系为：v = n * L/ 60 (米/秒) （其中L为转盘周长）

一个Tm 周期对应的转速为： n／M = 60／(M * M * Tm)

根据图(3)所示，最大的误差有2 * n／M,即最大误差 = 2 * n／M = 120／(M * M * Tm)。

图（3）参考脉冲信号与被检测信号之间的关系

这样就得到了为什么周期法适合于测量低频信号的原因。从误差关系式可看出，当n大时，则误差大；当n小时，则误差小。，从上式也可得到减少误差n 的两个方法：一个是增加M；另一个是增加Tm。对于一台确定的检测仪而言，Tm是一个固定的常数。这样只有增加M值。但是，对于一个转速n，一个周期内的M也是一个相对固定的值。因此，要增加M值就只有增加检测的周期数,即由一个周期内的测量扩大到多个周期的测量。如果假设N个周期内的计数值为Mn，则有：

可见这两式是相互矛盾的。要减少误差就必须增加N，而这时测量时间就相应增加；要减少测量时间就要减少N，而这时的误差就相应增加。显然，要预先确定一个恰当的N值是比较困难的。因为，不同的转速对应不同的N值。

针对N值难以确定这个问题，本文采取了一种比较合理的确定N值的方法。对于单片机而言，它的计数器的位数是有限的，假设为P位。对一个转速n而言，当计数器达到满刻度时，对应的误差是最小的。因此，为使检测的误差最小，就可以以计数器是否达到满刻度为标准来确定一个转速n 对应的N值。假设单片机指令执行周期为Tm,计数器溢出时间为Tn,检测到的信号次数为N，此时的转速为n，就有如下关系式：

Tn = ( ) Tm 误差： n = 120／[( )( ) Tm／N]

转速： n = 60N/ ( ) Tm (转／min)

从n与N的关系式中可以看出，这时侯不同的n有不同的N值。为求计数器达到满刻度时的N值，具体做法是：用单片机的计数器1来计时，再用软件设计一个计数器对被测信号进行计数。当计数器1溢出以后，取该计数器的值就可计算得到要求的N值。这样就不要象通常的多倍周期法那样，预先确定一个N值。

4 测速算法与系统实现程序

本文采用PIC单片机实现测速系统，在PIC中档系列单片机中，定时器TMR1是一个标准配置，它是一个16位的定时器/计数器。如图（2）所示，我们将检测信号输入到单片机INT端。利用定时器1的定时和INT的中断功能来实现测量。

4．1 主程序流程图见图（4）

（1）初始化程序：初始化定时器1、INT1及各输入输出口设置，清显示缓冲区等。

（2) 按键扫描程序：当扫描到有按键按下时做出相应的响应，用来设置上下限报警值、测量模式以及被测转盘周长。

（3) 测量值比较与报警：用显示缓冲区的值与预设在EEPROM中的上下限报警值逐个比较，当大于上限值或小于下限值时报警。

（4）显示程序：将显示缓冲区的BCD码经查表译码后送七段数码管显示。

4．2 中断服务程序流程图见图（5）

（1）中断类型判断：当TMR1中断时，计数器1溢出次数W =W+1；当INT中断时，被检测信号周期数N =N+1；当RB4电平变化中断时，保存需要掉电保护的数据到EEPROM中；