单片机测速的几种方案解析

测速是工农业生产中经常遇到的问题，学会使用单片机技术设计测速仪表具有很重要的意义。

要测速，首先要解决是采样的问题。在使用模拟技术制作测速表时，常用测速发电机的方法，即将测速发电机的转轴与待测轴相连，测速发电机的电压高低反映了转速的高低。使用单片机进行测速，可以使用简单的脉冲计数法。只要转轴每旋转一周，产生一个或固定的多个脉冲，并将脉冲送入单片机中进行计数，即可获得转速的信息。

一、脉冲信号的获得

可以有多种方式来获得脉冲信号，这些方法有各自的应用场合。下面逐一进行分析。

1．霍尔传感器

图1 CS3020引脚图

霍尔传感器是对磁敏感的传感元件，常用于开关信号采集的有CS3020、CS3040等，这种传感器是一个3端器件，外形与三极管相似，只要接上电源、地，即可工作，输出通常是集电极开路（OC）门输出，工作电压范围宽，使用非常方便。如图1所示是CS3020的外形图，将有字面对准自己，三根引脚从左向右分别是VCC、地、输出。

使用霍尔传感器获得脉冲信号，其机械结构也可以做得较为简单，只要在转轴的圆周上粘上一粒磁钢，让霍尔开关靠近磁钢，就有信号输出，转轴旋转时，就会不断地产生脉冲信号输出。如果在圆周上粘上多粒磁钢，可以实现旋转一周，获得多个脉冲输出。在粘磁钢时要注意，霍尔传感器对磁场方向敏感，粘之前可以先手动接近一下传感器，如果没有信号输出，可以换一个方向再试。

这种传感器不怕灰尘、油污，在工业现场应用广泛。

2．光电传感器

光电传感器是应用非常广泛的一种器件，有各种各样的形式，如透射式、反射式等，基本的原理就是当发射管光照射到接收管时，接收管导通，反之关断。以透射式为例，如图2所示，当不透光的物体挡住发射与接收之间的间隙时，开关管关断，否则打开。为此，可以制作一个遮光叶片如图3所示，安装在转轴上，当扇叶经过时，产生脉冲信号。当叶片数较多时，旋转一周可以获得多个脉冲信号。

图2 光电传感器的原理图

图3 遮光叶片

3．光电编码器

光电编码器的工作原理与光电传感器一样，不过它已将光电传感器、电子电路、码盘等做成一个整体，只要用连轴器将光电传感器的轴与转轴相连，就能获得多种输出信号。它广泛应用于数控机床、回转台、伺服传动、机器人、雷达、军事目标测定等需要检测角度的装置和设备中。如图4所示，是某光电编码器的外形。

图4 成品光电编码器

二、硬件连接

测速的方法决定了测速信号的硬件连接，测速实际上就是测频，因此，频率测量的一些原则同样适用于测速。

通常，可以用计数法、测脉宽法和等精度法来进行测试。所谓计数法，就是给定一个闸门时间，在闸门时间内计数输入的脉冲个数；测脉宽法是利用待测信号的脉宽来控制计数门，对一个高精度的高频计数信号进行计数。由于闸门与被测信号不能同步，因此，这两种方法都存在±1误差的问题，第一种方法适用于信号频率高时使用，第二种方法则在信号频率低时使用。等精度法则对高、低频信号都有很好的适应性。

这里为简化讨论，仅采用计数法来进行测试。

图5所示是测速器的电路图，由六位数码管和测速接口组成。其中T0处接的只画了一只CS3020组成的霍尔传感器接线图，如果采用光电传感器接口也是一样的，读者可自行画出接线图。

图5 测速计电路原理图

三、软件编程

　　测量转速，使用霍尔传感器，被测轴安装有12只磁钢，即转轴每转一周，产生12个脉冲，要求将转速值（转/分）显示在数码管上。

　　程序如下：

　　DISPBUF EQU 5AH ;显示缓冲区从5AH开始

　　SecCoun EQU 59H

　　SpCoun EQU 57H ;速度计时器单元57H和58H，高位在前（57H单元中）

　　Count EQU 56H ;显示时的计数器

　　SpCalc bit 00h ;要求计算速度的标志

　　Hidden EQU 16 ;消隐码

　　ORG 0000H

　　AJMP START

　　ORG 1BH

　　JMP TIMER1 ;定时中断1入口

　　ORG 30H

　　START: MOV SP,#5FH ;设置堆栈

　　MOV P1,#0FFH

　　MOV P0,#0FFH

　　MOV P2,#0FFH ;初始化，所有显示器、LED灭

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

　　MOV TL1,#LOW(65536-4000)

　　SETB TR1

　　SETB ET1 ;开定时器1中断

　　SETB EA

　　LOOP: JNB SpCalc,LOOP ;如果未要求计算，转本身循环

　　;标号：ＭＵＬＤ功能：双字节二进制无符号数乘法

　　;入口条件：被乘数在R2、R3中，乘数在R6、R7中。

　　;出口信息：乘积在R2、R3、R4、R5中。

　　;影响资源：PSW、A、B、R2～R7堆栈需求：２字节

　　MOV R2,SpCoun

　　MOV R3,SpCoun+1

　　MOV R6,#0

　　MOV R7,#5 ;测得的数值是每秒计数值，转为每分转速（每一转测12次，故乘5而非60）

　　CALL MULD

　　;标号：ＨＢ２功能：双字节十六进制整数转换成双字节ＢＣＤ码整数

　　;入口条件：待转换的双字节十六进制整数在R6、R7中。

　　;出口信息：转换后的三字节ＢＣＤ码整数在R3、R4、R5中。

　　;影响资源：PSW、A、R2～R7堆栈需求：２字节

　　MOV A,R4

　　MOV R6,A

　　MOV A,R5

　　MOV R7,A ;将乘得的结果送R6R准备转换，这里结果不可能超过2字节

　　CALL HB2

　　CBCD:

　　MOV DISPBUF,R3 ;最高位

　　MOV A,R4 ;

　　ANL A,#0F0H ;去掉低4位

　　SWAP A ;将高4位切换到低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 ;清计算标志

　　JMP LOOP

　　;主程序到此结束

　　TIMER1: PUSH ACC;ACC入栈

　　PUSH PSW ;PSW入栈

　　SETB RS0 ;工作区1

　　JNB TR0,SETTR0 ;如果T0未运行，则开启T0

　　JMP GO1

　　SETTR0:

　　SETB TR0

　　GO1:

　　INC SecCoun ;秒计数器加1

　　MOV A,SecCoun

　　CJNE A,#251,Go2 ;如果未到1s则转

　　CLR TR0 ;1ｓ到了，则停止T0的运行

　　MOV SpCoun,TH0

　　MOV SpCoun+1,TL0 ;读取计数值

　　CLR A

　　MOV TH0,A

　　MOV TL0,A ;清计数器

　　SETB SpCalc ;要求主程序计算速度

　　MOV SecCoun,#0 ;清秒计数器

　　Go2:

　　INC COUNT;用于显示的计数器

　　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 ;指向当前要显示的显示缓冲区

　　MOV A,@R0 ;取第一个待显示数

　　MOV DPTR,#DISPTAB ;字形表首地址

　　MOVC A,@A+DPTR ;取字形码

　　MOV P0,A ;将字形码送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

　　……其他数学运算程序（略）

　　四、程序分析

　　主程序在对定时器、计数器、堆栈等进行初始化后即判断标志SpCalc是否为1，如果为1，说明要求对数据进行计算处理，首先将SpCalc标志清零，以保证下次能正常判断，然后进入数据处理程序，由于这里的闸门时间为1s，而显示要求为转/分，因此，要将测到的数据进行转换，转换的方法是将测得的数据乘以60，但由于转轴上安装有12只磁钢，每旋转一周可以得到12个脉冲，因此，要将测得的数据除以12，所以综合起来，将测得的数据乘以5即可得到每分钟的转速。计算得到的结果是二进制的整数，要将数据送往显示缓冲区需要将该数转化为BCD码。运算得到的是压缩BCD码，需要将其转换为非压缩BCD码，从标号CBCD开始的一段程序即作了这样的处理。需要说明的是，这里多位二进制乘法和多位二进制到BCD码的转换都是用了现成的成熟子程序，因此，首先将二进制数转换为压结合实际BCD码，然后再转换成非压缩BCD码，看似多写了些程序，实际上这对于保证程序的质量很有好处。

　　定时器T1用作4ms定时发生器，在定时中断程序中进行数码管的动态扫描，同时产生1s的闸门信号。1s闸门信号的产生是通过一个计数器Count，每次中断时间为4ms，每计250次即为1s，到了1s后，即清除计数器Count，然后关闭作为计数器用的T0，读出TH0、TL0中的数值，分别送入SpCoun和SpCoun+1单元，将T0中的值清空，置SpCalc标志为1，要求主程序进行速度值的计算。这里还有一个细节，用作1s闸门信号产生的Count每次中断都会加1，而T0却有一个周期是被关闭的，因此，计数值是251而不是250。

　　看完这一部份内容以后，请读者自行完成以下工作：

　　1.试用测脉宽法测试速度（提示：80C51单片机内部有高精度信号源，而其计数器又具有门控特性），注意硬件设计要略作更改。

　　2.查找等精度测量原理，试设计等精度测量的硬件设计并编写相应软件。