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基于PIC16F877单片机的简易测速计设计方案

2017-08-09 11:30:11 [导读] 随着微电子技术的迅猛发展,单片机在汽车、通信、办公自动化、工业控制、高级玩具、家用电器等方面都得到了广泛的应用。如果将Proteus 作为单片机系统仿真工具,则不用制作电路板,而可以使用Proteus 进行系统虚拟实现,这样不仅能完成所需功能设计验证,还能降低硬件成本的耗用,从而缩短整个设计周期,从根本上提高了电子产品的开发效率。
0 引言 随着微电子技术的迅猛发展,单片机在汽车、通信、办公自动化工业控制、高级玩具、家用电器等方面都得到了广泛的应用。如果将Proteus 作为单片机系统仿真工具,则不用制作电路板,而可以使用Proteus 进行系统虚拟实现,这样不仅能完成所需功能设计验证,还能降低硬件成本的耗用,从而缩短整个设计周期,从根本上提高了电子产品的开发效率。 测速是工农业生产中经常遇到的问题,基于单片机的各种优势,将单片机应用于测速系统,具有很重要的意义。而对于测速技术,首先要解决的就是采样问题。在使用模拟技术制作测速设备时,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;而使用单片机进行测速,则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,最终计算出单位时间内的脉冲个数,即可获得转速的相关信息。本文将基于PIC16F877 单片机的捕捉功能来完成脉冲计数,利用软件编程实现相关物理关系的转换,最终得出齿轮线速度,并显示在数码管上。 1 测速计原理 1.1 CCP1 捕捉功能 PIC16F877 单片机中有两个CCP 模块,其构造基本相同,分别记为CCP1 和CCP2.每个CCP 模块可以任意配置为捕捉(Capture)、比较(Compare) 和脉宽调制(PWM)3 个功能模式之一。 CCP1 的捕捉模式具有如下三个功能:其一是可以捕捉RC2/CPP1引脚出现的跳变并保存当时TMR1计数寄存器内容;其二是具有预分频器,可以实现每1 个脉冲、每4 个脉冲或16 个脉冲捕捉一次;其三是捕捉时间能产生中断。 1.2 CCP 测速计原理 在捕捉模式下,单片机可以捕捉引脚电平变化时刻的时间值,即引脚输入脉冲上升沿或下降沿出现时刻的精确时间值。 PIC16F877 的CCP1 模块工作于捕捉模式时,当特定的跳变沿出现时,TMR1 定时器的计数值会立即复制到CCPR1H 和CCPR1L 中并产生中断信号,通过在中断服务程序中读取这个16 位计数值。当使用CCP1 模块的捕捉功能实现相邻两次上升沿时间间隔的测量时,此时间间隔就是输入信号的周期g-Period.由于主频是4 MHz, 即每个指令周期为1 μs, 将预分频比设置为1:1,测得周期结果单位为微秒级。所以最终测得的速度值speed 通过以下公式得出: speed=(1M*60s*0.01m*pi)/g_Period 其中,pi 为圆周率值;0.01m 为被测对象齿轮的直径,通过物理方法测得。 speed=(1M*60s*0.01m*pi)/g_Period 其中,pi 为圆周率值;0.01m 为被测对象齿轮的直径,通过物理方法测得。 2 功能实现 2.1 系统设计框图 测速计功能的实现可由基于PIC16F877 的主控制模块、显示模块、齿轮和光电传感器构成的被测模块等几部分构成。 通过单片机的RC2/CCP1 引脚分别连接被测模块和测量子模块,在Proteus 软件仿真时,分别由信号发生器SG1 和频率计作为硬件设备连接。SG1 用来模拟被测模块产生信号,F1 采用频率计方式运行,用来显示当前信号频率,用来做参考值与显示模块数据,即测速计测速结果值进行比较,以验证测速计测速结果的正确与否。各模块之间的连接关系如图1 所示。  
2.2 方案设计与实现 该简易速度计的设计实现主要基于PIC16F877 的CCP 模块功能,这里我们首先将PIC16F877 的CCP1 配置为捕捉模式,预分频比设置为1:1,每个上升沿触发。 当捕捉到跳变后CPP1 中断标志位置位,直接采用中断方式进行处理,即在中断服务子程序中处理相关寄存器的数值或状态变化,计算并储存相关物理量,以上设置均由软件编程来完成。  
2.3 设计与实现 该简易速度计的设计实现主要基于PIC16F877 的CCP 模块功能,这里我们首先将PIC16F877 的CCP1 配置为捕捉模式,预分频比设置为1:1,每个上升沿触发。 当捕捉到跳变后CPP1 中断标志位置位,直接采用中断方式进行处理,即在中断服务子程序中处理相关寄存器的数值或状态变化,计算并储存相关物理量,以上设置均由软件编程来完成。  
3 功能仿真 3.1 Proteus 下仿真电路的搭建 要在Proteus下完成测速计功能的仿真,首先应在其界面新建设计文件并搭建仿真电路图,本例的测速计功能电路图如图4 所示。  
在Proteus 软件下进行仿真时,库里各电子模块本身集成有驱动功能,故各模块与单片机之间只需要用连接线简易连接即可,而无需外加任何驱动电路。但是,实际制作电路版时,还是需外加各模块的驱动电路,并考虑各器件之间的间距,以避免电磁干扰。 3.2 功能仿真 在 PIC 系列单片机的专用开发环境MPLAB IDE 8.90 下分别完成各个模块的代码编写,编译运行后,用调试工具Proteus VSM加载Proteus 软件下建立好的设计文件,并运行,其结果如图5 所示。 3.3 仿真结果分析  
如上图5 所示,当信号频率配置为3 000 Hz 时,仿真结果即测速计的速度显示为5 660 m/s, 且以速度值为中心, 小范围内上下波动。而经过理论计算的速度值约为5 655 m/s,与仿真值基本相同。事实上,经过连续测量n 个周期后求平均值的办法,其理论值与仿真值之间的误差会明显减小。 4 结语 本文提出了一种基于PIC16F877 单片机捕捉功能实现的简易测速计设计方案,经过Proteus 软件下的仿真验证,该设计方案基本符合预期结果。方案中的整个测速计设计简单方便、成本低、测速误差较小、易于实现,在模块化后,可作为一个集成测速模块直接应用于其他设计当中。
[整理编辑:鸿运国际]
标签:  单片机[13]    系统仿真[1]    微电子[1]
 
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