賈玉鳳+宋成祥

摘 要 本文以STC89CS52單片機(jī)為核心給出了風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量系統(tǒng)的硬件及軟件設(shè)計(jì)方案，系統(tǒng)的硬件分為電源部分，風(fēng)速采集部分，風(fēng)向采集部分，單片機(jī)部分等；軟件部分的設(shè)計(jì)采用模塊編程，并且詳細(xì)介紹了光電編碼技術(shù)在風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量中的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】單片機(jī) 光電編碼器 LED 測(cè)量

1 設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求在單片機(jī)的控制下完成風(fēng)速風(fēng)向的采樣工作，并根據(jù)不同的風(fēng)速，采用M法和T法進(jìn)行計(jì)算，并顯示測(cè)量的風(fēng)速，根據(jù)風(fēng)向的情況自動(dòng)測(cè)量并顯示。本次設(shè)計(jì)的電路主要有風(fēng)速風(fēng)向采集電路，STC89CS52單片機(jī)系統(tǒng)，顯示電路，復(fù)位電路，軟件設(shè)計(jì)包括基本采集模塊，系統(tǒng)模塊，顯示模塊等設(shè)計(jì)，大致設(shè)計(jì)的思路如圖1所示。

風(fēng)速風(fēng)向儀的硬件系統(tǒng)包括單片機(jī)系統(tǒng)，測(cè)風(fēng)速部分，測(cè)風(fēng)向部分以及顯示部分，風(fēng)速風(fēng)向儀的硬件系統(tǒng)框圖如圖2。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 主程序流程圖

STC89C52單片機(jī)使用經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核，但做了很多的改進(jìn)使得芯片具有傳統(tǒng)51單片機(jī)不具備的功能。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。首先是要對(duì)STC89C52進(jìn)行初始化。初始化內(nèi)容包括定時(shí)器、中斷系統(tǒng)及各個(gè)單元內(nèi)容的初始化。然后進(jìn)入到主程序中，開始對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行采樣、處理這里是程序設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

2.2 轉(zhuǎn)速測(cè)量方法

轉(zhuǎn)速測(cè)量方法可以主要分為三類：

2.2.1 機(jī)械rpm轉(zhuǎn)速測(cè)量

通過機(jī)械測(cè)量傳感器采集數(shù)據(jù)，是最古老的rpm轉(zhuǎn)速測(cè)量方法。傳感器采集到的轉(zhuǎn)速資料，還要通過儀器內(nèi)部的電子分析。這種測(cè)量方法仍被應(yīng)用，但大多數(shù)用于20至10000rpm的低轉(zhuǎn)速測(cè)量。這種測(cè)量方法在測(cè)量過程中依賴于接觸壓力，其最大的缺點(diǎn)是加載運(yùn)動(dòng)不連續(xù)。另外，機(jī)械轉(zhuǎn)頻閃法測(cè)量rpm轉(zhuǎn)速不可應(yīng)用于細(xì)微物體，如果轉(zhuǎn)動(dòng)率過高，易發(fā)生滑走情況。

2.2.2 采用反射原理的電力轉(zhuǎn)速測(cè)量法（光學(xué)rpm轉(zhuǎn)速測(cè)量法）

測(cè)量?jī)x器發(fā)射出的紅外線經(jīng)固定在待測(cè)目標(biāo)上的反射條反射后，即攜帶上有關(guān)轉(zhuǎn)速信息。測(cè)量?jī)x器接收反射波后，經(jīng)過處理即可得到轉(zhuǎn)速。這種測(cè)量方法雖然要比機(jī)械rpm測(cè)量法先進(jìn)，但是并非所有持待測(cè)目標(biāo)上都可以安裝反射條。

2.2.3 頻閃rpm轉(zhuǎn)速測(cè)量法

按照頻閃原理，當(dāng)高速閃光的頻率和目標(biāo)的rpm轉(zhuǎn)速（移動(dòng)）同步時(shí)，在觀察者的眼中，目標(biāo)是靜靜止的。同其它的測(cè)量方法如機(jī)械法或光學(xué)傳感器法直比，頻閃原理的優(yōu)點(diǎn)顯而易見：這種方法可以用于測(cè)量小型目標(biāo)或不便觸及部位的rpm，而不需要在待測(cè)目標(biāo)上固定反射條。例如，如用于生產(chǎn)過程測(cè)量時(shí)，便不需中止。測(cè)量范圍：100至20000rpm。除了測(cè)量rpm轉(zhuǎn)速外，頻閃測(cè)量法還可用于振動(dòng)分析和動(dòng)作監(jiān)控。

對(duì)于不同形式的測(cè)量方法其測(cè)量范圍如圖3所示。

目前，在以光電編碼器構(gòu)成的測(cè)速系統(tǒng)中，常用的數(shù)字式轉(zhuǎn)速測(cè)量方法主要有三種，分別是M法（頻率法）、T法（周期法）、M/T法（頻率/周期法）。M法是在既定的檢測(cè)時(shí)間內(nèi)，測(cè)量所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)的個(gè)數(shù)來確定轉(zhuǎn)速，比較適合于高速場(chǎng)合；T法是測(cè)量相鄰兩個(gè)轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)的時(shí)間來確定轉(zhuǎn)速，適合速度比較低的場(chǎng)合；M/T法是同時(shí)測(cè)量檢測(cè)時(shí)間和在此時(shí)間內(nèi)的轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)的個(gè)數(shù)來確定轉(zhuǎn)速。

2.3 測(cè)量方法比較

T法適合速度比較低的場(chǎng)合，當(dāng)轉(zhuǎn)速較高時(shí)其準(zhǔn)確性較差；而M法其性能特點(diǎn)正好與T法相反，比較適合于高速場(chǎng)合，M/T法則是前兩種方法的結(jié)合，在整個(gè)速度范圍內(nèi)都有較好的準(zhǔn)確性，但對(duì)于低速，該方法需要較長(zhǎng)的檢測(cè)時(shí)間才能保證結(jié)果的準(zhǔn)確性。三種方法的各項(xiàng)性能比較如表1所示：

表1 中，m1、m2：檢測(cè)時(shí)間間隔內(nèi)的脈沖計(jì)數(shù)值（分別對(duì)應(yīng)M、T法）；T為規(guī)定的檢測(cè)時(shí)間間隔；P為圓光柵編碼器每轉(zhuǎn)一圈發(fā)出的轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)的個(gè)數(shù)；fc為T法中已知頻率值（填充被測(cè)頻率相鄰兩個(gè)脈沖的間隔）；n是電機(jī)每分鐘的轉(zhuǎn)速；Ttach為圓光柵測(cè)速脈沖周期；e是圓光柵編碼器的制造誤差。

由表1可知：從測(cè)速精度來看，若要求高精度測(cè)速，M法中應(yīng)計(jì)數(shù)值m較大，當(dāng)檢測(cè)時(shí)間Tg選定后（一般不應(yīng)過長(zhǎng)，以保證測(cè)量條件不變且速度快，實(shí)現(xiàn)測(cè)量快速性），只有被測(cè)轉(zhuǎn)速n較高或圓光柵編碼器每轉(zhuǎn)一圈發(fā)出的轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)個(gè)數(shù)P較多，才能使m1較大。對(duì)于P給定情況，只有n大時(shí)，m1才大。可見M法適于高速測(cè)量。經(jīng)類似分析可知T法適于低速測(cè)量，考慮高速和低速時(shí)的綜合性能M/T法最好。

從檢測(cè)時(shí)間來看，M法的檢測(cè)時(shí)間與轉(zhuǎn)速無關(guān)，T法的檢測(cè)時(shí)間隨著轉(zhuǎn)速的增加而減小，若M/T法犧牲一點(diǎn)分辨率，則可以使檢測(cè)時(shí)間與M法幾乎相同。因此，從綜合效果看M/T法是較好的測(cè)速方法。

從計(jì)算方法來看，M法與T法較為簡(jiǎn)單，而M/T法的計(jì)算較為復(fù)雜。

2.4 轉(zhuǎn)速測(cè)量方案選定

對(duì)于一個(gè)轉(zhuǎn)速檢測(cè)系統(tǒng)來說，其關(guān)鍵在于能夠使測(cè)速結(jié)果在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的準(zhǔn)確性和分辨率為最佳，并滿足快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求。為此，將速度范圍分為兩部分，分別采用兩種方式進(jìn)行檢測(cè)：對(duì)應(yīng)于低速段，采用T法。

2.5 風(fēng)向測(cè)量方案選定

測(cè)風(fēng)向采用風(fēng)帶動(dòng)風(fēng)向標(biāo)旋轉(zhuǎn)并帶動(dòng)主軸，可以使用機(jī)械式測(cè)量或者傳感測(cè)量，機(jī)械式測(cè)量方法比較落后，精確度也很低，幾乎沒有智能化，所以現(xiàn)在已經(jīng)很少采用。傳感器測(cè)量采用各種方向傳感器進(jìn)行方向測(cè)量的一種方法，按其信號(hào)輸出方式可以分為光電式，電阻式等，本文選用絕對(duì)式光電編碼器，其輸出的信號(hào)可以是BCD碼，可以直接被單片機(jī)接受，靈敏度也很高較之電阻式傳感器使用更方便（由于這個(gè)原因，本文實(shí)物部分可能與設(shè)計(jì)有不同）。而且絕對(duì)式編碼器有一個(gè)零位參考點(diǎn)，風(fēng)向要求單圈測(cè)量，范圍在0-360°內(nèi)，所以可以用零位參考點(diǎn)對(duì)每圈的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行復(fù)位，輸出復(fù)位信號(hào)到單片機(jī)，即使斷電或者其他原因引起測(cè)量滯后也沒有影響，因?yàn)樗臏y(cè)量結(jié)果只與前后的位置有關(guān)。絕對(duì)式編碼器的精度與它的位數(shù)有關(guān)，也就是他的輸出信號(hào)線的多少，精度計(jì)算公式為

3 系統(tǒng)的調(diào)試

3.1 硬件調(diào)試

為安全起見，首先必須進(jìn)行斷電調(diào)試。確認(rèn)電源電壓是否正常。用電壓表測(cè)量接地引腳跟電源引腳之間的電壓，看是否是電源電壓，例如常用的5V。接下來就是檢查復(fù)位引腳電壓是否正常。分別測(cè)量按下復(fù)位按鈕和放開復(fù)位按鈕的電壓值，看是否正確。然后再檢查晶振電路是否起振了，此，現(xiàn)在已經(jīng)很少有用外部擴(kuò)ROM的了），一定要將EA引腳拉高，否則會(huì)出現(xiàn)程序亂跑的情況。如果系統(tǒng)不穩(wěn)定的話，有時(shí)是因?yàn)殡娫礊V波不好導(dǎo)致的。在單片機(jī)的電源引腳跟地引腳之間接上一個(gè)0.1uF的電容會(huì)有所改善。如果電源沒有濾波電容的話，則需要再接一個(gè)更大濾波電容，例如220uF的。遇到系統(tǒng)不穩(wěn)定時(shí)，就可以并上電容試試（越靠近芯片越好）。

3.2 軟件調(diào)試

結(jié)構(gòu)化軟件的調(diào)試一般可以將重點(diǎn)放在分模塊調(diào)試上，統(tǒng)調(diào)是最后一環(huán)。軟件調(diào)試可以采取離線調(diào)試和在線調(diào)試兩種方法。前者不需要硬件仿真器，借助于軟件仿真器即可；后者一般需要仿真系統(tǒng)的支持。但對(duì)于經(jīng)驗(yàn)豐富的人來說，可以不要仿真器，直接將程序代碼燒錄到芯片，直接通電試驗(yàn)，觀察關(guān)鍵現(xiàn)象。以

參考文獻(xiàn)

[1]方嚴(yán)軍，孫健.智能儀器技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

[2]楊志忠，衛(wèi)樺林，郭順華.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2004.

[3]陳梓城，方勤.模擬電子技術(shù)[M].北京：高等教育出版社出版社，2003.

作者單位

1.濟(jì)南職業(yè)學(xué)院 山東省濟(jì)南市 250000

2.山東科學(xué)院 山東省濟(jì)南市 250014endprint

摘 要 本文以STC89CS52單片機(jī)為核心給出了風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量系統(tǒng)的硬件及軟件設(shè)計(jì)方案，系統(tǒng)的硬件分為電源部分，風(fēng)速采集部分，風(fēng)向采集部分，單片機(jī)部分等；軟件部分的設(shè)計(jì)采用模塊編程，并且詳細(xì)介紹了光電編碼技術(shù)在風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量中的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】單片機(jī) 光電編碼器 LED 測(cè)量

1 設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求在單片機(jī)的控制下完成風(fēng)速風(fēng)向的采樣工作，并根據(jù)不同的風(fēng)速，采用M法和T法進(jìn)行計(jì)算，并顯示測(cè)量的風(fēng)速，根據(jù)風(fēng)向的情況自動(dòng)測(cè)量并顯示。本次設(shè)計(jì)的電路主要有風(fēng)速風(fēng)向采集電路，STC89CS52單片機(jī)系統(tǒng)，顯示電路，復(fù)位電路，軟件設(shè)計(jì)包括基本采集模塊，系統(tǒng)模塊，顯示模塊等設(shè)計(jì)，大致設(shè)計(jì)的思路如圖1所示。

風(fēng)速風(fēng)向儀的硬件系統(tǒng)包括單片機(jī)系統(tǒng)，測(cè)風(fēng)速部分，測(cè)風(fēng)向部分以及顯示部分，風(fēng)速風(fēng)向儀的硬件系統(tǒng)框圖如圖2。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 主程序流程圖

STC89C52單片機(jī)使用經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核，但做了很多的改進(jìn)使得芯片具有傳統(tǒng)51單片機(jī)不具備的功能。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。首先是要對(duì)STC89C52進(jìn)行初始化。初始化內(nèi)容包括定時(shí)器、中斷系統(tǒng)及各個(gè)單元內(nèi)容的初始化。然后進(jìn)入到主程序中，開始對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行采樣、處理這里是程序設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

2.2 轉(zhuǎn)速測(cè)量方法

轉(zhuǎn)速測(cè)量方法可以主要分為三類：

2.2.1 機(jī)械rpm轉(zhuǎn)速測(cè)量

通過機(jī)械測(cè)量傳感器采集數(shù)據(jù)，是最古老的rpm轉(zhuǎn)速測(cè)量方法。傳感器采集到的轉(zhuǎn)速資料，還要通過儀器內(nèi)部的電子分析。這種測(cè)量方法仍被應(yīng)用，但大多數(shù)用于20至10000rpm的低轉(zhuǎn)速測(cè)量。這種測(cè)量方法在測(cè)量過程中依賴于接觸壓力，其最大的缺點(diǎn)是加載運(yùn)動(dòng)不連續(xù)。另外，機(jī)械轉(zhuǎn)頻閃法測(cè)量rpm轉(zhuǎn)速不可應(yīng)用于細(xì)微物體，如果轉(zhuǎn)動(dòng)率過高，易發(fā)生滑走情況。

2.2.2 采用反射原理的電力轉(zhuǎn)速測(cè)量法（光學(xué)rpm轉(zhuǎn)速測(cè)量法）

測(cè)量?jī)x器發(fā)射出的紅外線經(jīng)固定在待測(cè)目標(biāo)上的反射條反射后，即攜帶上有關(guān)轉(zhuǎn)速信息。測(cè)量?jī)x器接收反射波后，經(jīng)過處理即可得到轉(zhuǎn)速。這種測(cè)量方法雖然要比機(jī)械rpm測(cè)量法先進(jìn)，但是并非所有持待測(cè)目標(biāo)上都可以安裝反射條。

2.2.3 頻閃rpm轉(zhuǎn)速測(cè)量法

按照頻閃原理，當(dāng)高速閃光的頻率和目標(biāo)的rpm轉(zhuǎn)速（移動(dòng)）同步時(shí)，在觀察者的眼中，目標(biāo)是靜靜止的。同其它的測(cè)量方法如機(jī)械法或光學(xué)傳感器法直比，頻閃原理的優(yōu)點(diǎn)顯而易見：這種方法可以用于測(cè)量小型目標(biāo)或不便觸及部位的rpm，而不需要在待測(cè)目標(biāo)上固定反射條。例如，如用于生產(chǎn)過程測(cè)量時(shí)，便不需中止。測(cè)量范圍：100至20000rpm。除了測(cè)量rpm轉(zhuǎn)速外，頻閃測(cè)量法還可用于振動(dòng)分析和動(dòng)作監(jiān)控。

對(duì)于不同形式的測(cè)量方法其測(cè)量范圍如圖3所示。

目前，在以光電編碼器構(gòu)成的測(cè)速系統(tǒng)中，常用的數(shù)字式轉(zhuǎn)速測(cè)量方法主要有三種，分別是M法（頻率法）、T法（周期法）、M/T法（頻率/周期法）。M法是在既定的檢測(cè)時(shí)間內(nèi)，測(cè)量所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)的個(gè)數(shù)來確定轉(zhuǎn)速，比較適合于高速場(chǎng)合；T法是測(cè)量相鄰兩個(gè)轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)的時(shí)間來確定轉(zhuǎn)速，適合速度比較低的場(chǎng)合；M/T法是同時(shí)測(cè)量檢測(cè)時(shí)間和在此時(shí)間內(nèi)的轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)的個(gè)數(shù)來確定轉(zhuǎn)速。

2.3 測(cè)量方法比較

T法適合速度比較低的場(chǎng)合，當(dāng)轉(zhuǎn)速較高時(shí)其準(zhǔn)確性較差；而M法其性能特點(diǎn)正好與T法相反，比較適合于高速場(chǎng)合，M/T法則是前兩種方法的結(jié)合，在整個(gè)速度范圍內(nèi)都有較好的準(zhǔn)確性，但對(duì)于低速，該方法需要較長(zhǎng)的檢測(cè)時(shí)間才能保證結(jié)果的準(zhǔn)確性。三種方法的各項(xiàng)性能比較如表1所示：

表1 中，m1、m2：檢測(cè)時(shí)間間隔內(nèi)的脈沖計(jì)數(shù)值（分別對(duì)應(yīng)M、T法）；T為規(guī)定的檢測(cè)時(shí)間間隔；P為圓光柵編碼器每轉(zhuǎn)一圈發(fā)出的轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)的個(gè)數(shù)；fc為T法中已知頻率值（填充被測(cè)頻率相鄰兩個(gè)脈沖的間隔）；n是電機(jī)每分鐘的轉(zhuǎn)速；Ttach為圓光柵測(cè)速脈沖周期；e是圓光柵編碼器的制造誤差。

由表1可知：從測(cè)速精度來看，若要求高精度測(cè)速，M法中應(yīng)計(jì)數(shù)值m較大，當(dāng)檢測(cè)時(shí)間Tg選定后（一般不應(yīng)過長(zhǎng)，以保證測(cè)量條件不變且速度快，實(shí)現(xiàn)測(cè)量快速性），只有被測(cè)轉(zhuǎn)速n較高或圓光柵編碼器每轉(zhuǎn)一圈發(fā)出的轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)個(gè)數(shù)P較多，才能使m1較大。對(duì)于P給定情況，只有n大時(shí)，m1才大?？梢奙法適于高速測(cè)量。經(jīng)類似分析可知T法適于低速測(cè)量，考慮高速和低速時(shí)的綜合性能M/T法最好。

從檢測(cè)時(shí)間來看，M法的檢測(cè)時(shí)間與轉(zhuǎn)速無關(guān)，T法的檢測(cè)時(shí)間隨著轉(zhuǎn)速的增加而減小，若M/T法犧牲一點(diǎn)分辨率，則可以使檢測(cè)時(shí)間與M法幾乎相同。因此，從綜合效果看M/T法是較好的測(cè)速方法。

從計(jì)算方法來看，M法與T法較為簡(jiǎn)單，而M/T法的計(jì)算較為復(fù)雜。

2.4 轉(zhuǎn)速測(cè)量方案選定

對(duì)于一個(gè)轉(zhuǎn)速檢測(cè)系統(tǒng)來說，其關(guān)鍵在于能夠使測(cè)速結(jié)果在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的準(zhǔn)確性和分辨率為最佳，并滿足快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求。為此，將速度范圍分為兩部分，分別采用兩種方式進(jìn)行檢測(cè)：對(duì)應(yīng)于低速段，采用T法。

2.5 風(fēng)向測(cè)量方案選定

測(cè)風(fēng)向采用風(fēng)帶動(dòng)風(fēng)向標(biāo)旋轉(zhuǎn)并帶動(dòng)主軸，可以使用機(jī)械式測(cè)量或者傳感測(cè)量，機(jī)械式測(cè)量方法比較落后，精確度也很低，幾乎沒有智能化，所以現(xiàn)在已經(jīng)很少采用。傳感器測(cè)量采用各種方向傳感器進(jìn)行方向測(cè)量的一種方法，按其信號(hào)輸出方式可以分為光電式，電阻式等，本文選用絕對(duì)式光電編碼器，其輸出的信號(hào)可以是BCD碼，可以直接被單片機(jī)接受，靈敏度也很高較之電阻式傳感器使用更方便（由于這個(gè)原因，本文實(shí)物部分可能與設(shè)計(jì)有不同）。而且絕對(duì)式編碼器有一個(gè)零位參考點(diǎn)，風(fēng)向要求單圈測(cè)量，范圍在0-360°內(nèi)，所以可以用零位參考點(diǎn)對(duì)每圈的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行復(fù)位，輸出復(fù)位信號(hào)到單片機(jī)，即使斷電或者其他原因引起測(cè)量滯后也沒有影響，因?yàn)樗臏y(cè)量結(jié)果只與前后的位置有關(guān)。絕對(duì)式編碼器的精度與它的位數(shù)有關(guān)，也就是他的輸出信號(hào)線的多少，精度計(jì)算公式為

3 系統(tǒng)的調(diào)試

3.1 硬件調(diào)試

為安全起見，首先必須進(jìn)行斷電調(diào)試。確認(rèn)電源電壓是否正常。用電壓表測(cè)量接地引腳跟電源引腳之間的電壓，看是否是電源電壓，例如常用的5V。接下來就是檢查復(fù)位引腳電壓是否正常。分別測(cè)量按下復(fù)位按鈕和放開復(fù)位按鈕的電壓值，看是否正確。然后再檢查晶振電路是否起振了，此，現(xiàn)在已經(jīng)很少有用外部擴(kuò)ROM的了），一定要將EA引腳拉高，否則會(huì)出現(xiàn)程序亂跑的情況。如果系統(tǒng)不穩(wěn)定的話，有時(shí)是因?yàn)殡娫礊V波不好導(dǎo)致的。在單片機(jī)的電源引腳跟地引腳之間接上一個(gè)0.1uF的電容會(huì)有所改善。如果電源沒有濾波電容的話，則需要再接一個(gè)更大濾波電容，例如220uF的。遇到系統(tǒng)不穩(wěn)定時(shí)，就可以并上電容試試（越靠近芯片越好）。

3.2 軟件調(diào)試

結(jié)構(gòu)化軟件的調(diào)試一般可以將重點(diǎn)放在分模塊調(diào)試上，統(tǒng)調(diào)是最后一環(huán)。軟件調(diào)試可以采取離線調(diào)試和在線調(diào)試兩種方法。前者不需要硬件仿真器，借助于軟件仿真器即可；后者一般需要仿真系統(tǒng)的支持。但對(duì)于經(jīng)驗(yàn)豐富的人來說，可以不要仿真器，直接將程序代碼燒錄到芯片，直接通電試驗(yàn)，觀察關(guān)鍵現(xiàn)象。以

參考文獻(xiàn)

[1]方嚴(yán)軍，孫健.智能儀器技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

[2]楊志忠，衛(wèi)樺林，郭順華.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2004.

[3]陳梓城，方勤.模擬電子技術(shù)[M].北京：高等教育出版社出版社，2003.

作者單位

1.濟(jì)南職業(yè)學(xué)院 山東省濟(jì)南市 250000

2.山東科學(xué)院 山東省濟(jì)南市 250014endprint

摘 要 本文以STC89CS52單片機(jī)為核心給出了風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量系統(tǒng)的硬件及軟件設(shè)計(jì)方案，系統(tǒng)的硬件分為電源部分，風(fēng)速采集部分，風(fēng)向采集部分，單片機(jī)部分等；軟件部分的設(shè)計(jì)采用模塊編程，并且詳細(xì)介紹了光電編碼技術(shù)在風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量中的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】單片機(jī) 光電編碼器 LED 測(cè)量

1 設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求在單片機(jī)的控制下完成風(fēng)速風(fēng)向的采樣工作，并根據(jù)不同的風(fēng)速，采用M法和T法進(jìn)行計(jì)算，并顯示測(cè)量的風(fēng)速，根據(jù)風(fēng)向的情況自動(dòng)測(cè)量并顯示。本次設(shè)計(jì)的電路主要有風(fēng)速風(fēng)向采集電路，STC89CS52單片機(jī)系統(tǒng)，顯示電路，復(fù)位電路，軟件設(shè)計(jì)包括基本采集模塊，系統(tǒng)模塊，顯示模塊等設(shè)計(jì)，大致設(shè)計(jì)的思路如圖1所示。

風(fēng)速風(fēng)向儀的硬件系統(tǒng)包括單片機(jī)系統(tǒng)，測(cè)風(fēng)速部分，測(cè)風(fēng)向部分以及顯示部分，風(fēng)速風(fēng)向儀的硬件系統(tǒng)框圖如圖2。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 主程序流程圖

STC89C52單片機(jī)使用經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核，但做了很多的改進(jìn)使得芯片具有傳統(tǒng)51單片機(jī)不具備的功能。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。首先是要對(duì)STC89C52進(jìn)行初始化。初始化內(nèi)容包括定時(shí)器、中斷系統(tǒng)及各個(gè)單元內(nèi)容的初始化。然后進(jìn)入到主程序中，開始對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行采樣、處理這里是程序設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

2.2 轉(zhuǎn)速測(cè)量方法

轉(zhuǎn)速測(cè)量方法可以主要分為三類：

2.2.1 機(jī)械rpm轉(zhuǎn)速測(cè)量

通過機(jī)械測(cè)量傳感器采集數(shù)據(jù)，是最古老的rpm轉(zhuǎn)速測(cè)量方法。傳感器采集到的轉(zhuǎn)速資料，還要通過儀器內(nèi)部的電子分析。這種測(cè)量方法仍被應(yīng)用，但大多數(shù)用于20至10000rpm的低轉(zhuǎn)速測(cè)量。這種測(cè)量方法在測(cè)量過程中依賴于接觸壓力，其最大的缺點(diǎn)是加載運(yùn)動(dòng)不連續(xù)。另外，機(jī)械轉(zhuǎn)頻閃法測(cè)量rpm轉(zhuǎn)速不可應(yīng)用于細(xì)微物體，如果轉(zhuǎn)動(dòng)率過高，易發(fā)生滑走情況。

2.2.2 采用反射原理的電力轉(zhuǎn)速測(cè)量法（光學(xué)rpm轉(zhuǎn)速測(cè)量法）

測(cè)量?jī)x器發(fā)射出的紅外線經(jīng)固定在待測(cè)目標(biāo)上的反射條反射后，即攜帶上有關(guān)轉(zhuǎn)速信息。測(cè)量?jī)x器接收反射波后，經(jīng)過處理即可得到轉(zhuǎn)速。這種測(cè)量方法雖然要比機(jī)械rpm測(cè)量法先進(jìn)，但是并非所有持待測(cè)目標(biāo)上都可以安裝反射條。

2.2.3 頻閃rpm轉(zhuǎn)速測(cè)量法

按照頻閃原理，當(dāng)高速閃光的頻率和目標(biāo)的rpm轉(zhuǎn)速（移動(dòng)）同步時(shí)，在觀察者的眼中，目標(biāo)是靜靜止的。同其它的測(cè)量方法如機(jī)械法或光學(xué)傳感器法直比，頻閃原理的優(yōu)點(diǎn)顯而易見：這種方法可以用于測(cè)量小型目標(biāo)或不便觸及部位的rpm，而不需要在待測(cè)目標(biāo)上固定反射條。例如，如用于生產(chǎn)過程測(cè)量時(shí)，便不需中止。測(cè)量范圍：100至20000rpm。除了測(cè)量rpm轉(zhuǎn)速外，頻閃測(cè)量法還可用于振動(dòng)分析和動(dòng)作監(jiān)控。

對(duì)于不同形式的測(cè)量方法其測(cè)量范圍如圖3所示。

目前，在以光電編碼器構(gòu)成的測(cè)速系統(tǒng)中，常用的數(shù)字式轉(zhuǎn)速測(cè)量方法主要有三種，分別是M法（頻率法）、T法（周期法）、M/T法（頻率/周期法）。M法是在既定的檢測(cè)時(shí)間內(nèi)，測(cè)量所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)的個(gè)數(shù)來確定轉(zhuǎn)速，比較適合于高速場(chǎng)合；T法是測(cè)量相鄰兩個(gè)轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)的時(shí)間來確定轉(zhuǎn)速，適合速度比較低的場(chǎng)合；M/T法是同時(shí)測(cè)量檢測(cè)時(shí)間和在此時(shí)間內(nèi)的轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)的個(gè)數(shù)來確定轉(zhuǎn)速。

2.3 測(cè)量方法比較

T法適合速度比較低的場(chǎng)合，當(dāng)轉(zhuǎn)速較高時(shí)其準(zhǔn)確性較差；而M法其性能特點(diǎn)正好與T法相反，比較適合于高速場(chǎng)合，M/T法則是前兩種方法的結(jié)合，在整個(gè)速度范圍內(nèi)都有較好的準(zhǔn)確性，但對(duì)于低速，該方法需要較長(zhǎng)的檢測(cè)時(shí)間才能保證結(jié)果的準(zhǔn)確性。三種方法的各項(xiàng)性能比較如表1所示：

表1 中，m1、m2：檢測(cè)時(shí)間間隔內(nèi)的脈沖計(jì)數(shù)值（分別對(duì)應(yīng)M、T法）；T為規(guī)定的檢測(cè)時(shí)間間隔；P為圓光柵編碼器每轉(zhuǎn)一圈發(fā)出的轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)的個(gè)數(shù)；fc為T法中已知頻率值（填充被測(cè)頻率相鄰兩個(gè)脈沖的間隔）；n是電機(jī)每分鐘的轉(zhuǎn)速；Ttach為圓光柵測(cè)速脈沖周期；e是圓光柵編碼器的制造誤差。

由表1可知：從測(cè)速精度來看，若要求高精度測(cè)速，M法中應(yīng)計(jì)數(shù)值m較大，當(dāng)檢測(cè)時(shí)間Tg選定后（一般不應(yīng)過長(zhǎng)，以保證測(cè)量條件不變且速度快，實(shí)現(xiàn)測(cè)量快速性），只有被測(cè)轉(zhuǎn)速n較高或圓光柵編碼器每轉(zhuǎn)一圈發(fā)出的轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)個(gè)數(shù)P較多，才能使m1較大。對(duì)于P給定情況，只有n大時(shí)，m1才大?？梢奙法適于高速測(cè)量。經(jīng)類似分析可知T法適于低速測(cè)量，考慮高速和低速時(shí)的綜合性能M/T法最好。

從檢測(cè)時(shí)間來看，M法的檢測(cè)時(shí)間與轉(zhuǎn)速無關(guān)，T法的檢測(cè)時(shí)間隨著轉(zhuǎn)速的增加而減小，若M/T法犧牲一點(diǎn)分辨率，則可以使檢測(cè)時(shí)間與M法幾乎相同。因此，從綜合效果看M/T法是較好的測(cè)速方法。

從計(jì)算方法來看，M法與T法較為簡(jiǎn)單，而M/T法的計(jì)算較為復(fù)雜。

2.4 轉(zhuǎn)速測(cè)量方案選定

對(duì)于一個(gè)轉(zhuǎn)速檢測(cè)系統(tǒng)來說，其關(guān)鍵在于能夠使測(cè)速結(jié)果在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的準(zhǔn)確性和分辨率為最佳，并滿足快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求。為此，將速度范圍分為兩部分，分別采用兩種方式進(jìn)行檢測(cè)：對(duì)應(yīng)于低速段，采用T法。

2.5 風(fēng)向測(cè)量方案選定

測(cè)風(fēng)向采用風(fēng)帶動(dòng)風(fēng)向標(biāo)旋轉(zhuǎn)并帶動(dòng)主軸，可以使用機(jī)械式測(cè)量或者傳感測(cè)量，機(jī)械式測(cè)量方法比較落后，精確度也很低，幾乎沒有智能化，所以現(xiàn)在已經(jīng)很少采用。傳感器測(cè)量采用各種方向傳感器進(jìn)行方向測(cè)量的一種方法，按其信號(hào)輸出方式可以分為光電式，電阻式等，本文選用絕對(duì)式光電編碼器，其輸出的信號(hào)可以是BCD碼，可以直接被單片機(jī)接受，靈敏度也很高較之電阻式傳感器使用更方便（由于這個(gè)原因，本文實(shí)物部分可能與設(shè)計(jì)有不同）。而且絕對(duì)式編碼器有一個(gè)零位參考點(diǎn)，風(fēng)向要求單圈測(cè)量，范圍在0-360°內(nèi)，所以可以用零位參考點(diǎn)對(duì)每圈的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行復(fù)位，輸出復(fù)位信號(hào)到單片機(jī)，即使斷電或者其他原因引起測(cè)量滯后也沒有影響，因?yàn)樗臏y(cè)量結(jié)果只與前后的位置有關(guān)。絕對(duì)式編碼器的精度與它的位數(shù)有關(guān)，也就是他的輸出信號(hào)線的多少，精度計(jì)算公式為

3 系統(tǒng)的調(diào)試

3.1 硬件調(diào)試

為安全起見，首先必須進(jìn)行斷電調(diào)試。確認(rèn)電源電壓是否正常。用電壓表測(cè)量接地引腳跟電源引腳之間的電壓，看是否是電源電壓，例如常用的5V。接下來就是檢查復(fù)位引腳電壓是否正常。分別測(cè)量按下復(fù)位按鈕和放開復(fù)位按鈕的電壓值，看是否正確。然后再檢查晶振電路是否起振了，此，現(xiàn)在已經(jīng)很少有用外部擴(kuò)ROM的了），一定要將EA引腳拉高，否則會(huì)出現(xiàn)程序亂跑的情況。如果系統(tǒng)不穩(wěn)定的話，有時(shí)是因?yàn)殡娫礊V波不好導(dǎo)致的。在單片機(jī)的電源引腳跟地引腳之間接上一個(gè)0.1uF的電容會(huì)有所改善。如果電源沒有濾波電容的話，則需要再接一個(gè)更大濾波電容，例如220uF的。遇到系統(tǒng)不穩(wěn)定時(shí)，就可以并上電容試試（越靠近芯片越好）。

3.2 軟件調(diào)試

結(jié)構(gòu)化軟件的調(diào)試一般可以將重點(diǎn)放在分模塊調(diào)試上，統(tǒng)調(diào)是最后一環(huán)。軟件調(diào)試可以采取離線調(diào)試和在線調(diào)試兩種方法。前者不需要硬件仿真器，借助于軟件仿真器即可；后者一般需要仿真系統(tǒng)的支持。但對(duì)于經(jīng)驗(yàn)豐富的人來說，可以不要仿真器，直接將程序代碼燒錄到芯片，直接通電試驗(yàn)，觀察關(guān)鍵現(xiàn)象。以

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作者單位

1.濟(jì)南職業(yè)學(xué)院 山東省濟(jì)南市 250000

2.山東科學(xué)院 山東省濟(jì)南市 250014endprint