引言

隨著微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，單片機在汽車、通信、辦公自動化、工業(yè)控制、高級玩具、家用電器等方面都得到了廣泛的應(yīng)用。如果將Proteus作為單片機系統(tǒng)仿真工具，則不用制作電路板，而可以使用Proteus進行系統(tǒng)虛擬實現(xiàn)，這樣不僅能完成所需功能設(shè)計驗證，還能降低硬件成本的耗用，從而縮短整個設(shè)計周期，從根本上提高了電子產(chǎn)品的開發(fā)效率。

測速是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常遇到的問題，基于單片機的各種優(yōu)勢，將單片機應(yīng)用于測速系統(tǒng)，具有很重要的意義。而對于測速技術(shù)，首先要解決的就是采樣問題。在使用模擬技術(shù)制作測速設(shè)備時，常用測速發(fā)電機的方法，即將測速發(fā)電機的轉(zhuǎn)軸與待測軸相連，測速發(fā)電機的電壓高低反映了轉(zhuǎn)速的高低;而使用單片機進行測速，則可以使用簡單的脈沖計數(shù)法。只要轉(zhuǎn)軸每旋轉(zhuǎn)一周，產(chǎn)生一個或固定的多個脈沖，并將脈沖送入單片機中進行計數(shù)，最終計算出單位時間內(nèi)的脈沖個數(shù),即可獲得轉(zhuǎn)速的相關(guān)信息。本文將基于PIC16F877單片機的捕捉功能來完成脈沖計數(shù)，利用軟件編程實現(xiàn)相關(guān)物理關(guān)系的轉(zhuǎn)換，最終得出齒輪線速度，并顯示在數(shù)碼管上。

1測速計原理

CCP1捕捉功能

PIC16F877單片機中有兩個CCP模塊，其構(gòu)造基本相同，分別記為CCP1和CCP2。每個CCP模塊可以任意配置為捕捉(Capture).比較(Compare)和脈寬調(diào)制(PWM)3個功能模式之一。

CCP1的捕捉模式具有如下三個功能：其一是可以捕捉RC2/CPP1引腳出現(xiàn)的跳變并保存當時TMR1計數(shù)寄存器內(nèi)容;其二是具有預(yù)分頻器，可以實現(xiàn)每1個脈沖、每4個脈沖或16個脈沖捕捉一次；其三是捕捉時間能產(chǎn)生中斷。

CCP測速計原理

在捕捉模式下，單片機可以捕捉引腳電平變化時刻的時間值，即引腳輸入脈沖上升沿或下降沿出現(xiàn)時刻的精確時間值。PIC16F877的CCP1模塊工作于捕捉模式時，當特定的跳變沿出現(xiàn)時，TMR1定時器的計數(shù)值會立即復(fù)制到CCPR1H和CCPR1L中并產(chǎn)生中斷信號，通過在中斷服務(wù)程序中讀取這個16位計數(shù)值。當使用CCP1模塊的捕捉功能實現(xiàn)相鄰兩次上升沿時間間隔的測量時，此時間間隔就是輸入信號的周期g_Period。由于主頻是4MHz,即每個指令周期為1us,將預(yù)分頻比設(shè)置為1:1，測得周期結(jié)果單位為微秒級。所以最終測得的速度值speed通過以下公式得出：

speed=（1M*60s*0.01m*pi）/g_Period

其中，pi為圓周率值；0.01m為被測對象齒輪的直徑，通過物理方法測得。

2功能實現(xiàn)2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

測速計功能的實現(xiàn)可由基于PIC16F877的主控制模塊、顯示模塊、齒輪和光電傳感器構(gòu)成的被測模塊等幾部分構(gòu)成。通過單片機的RC2/CCP1引腳分別連接被測模塊和測量子模塊，在Proteus軟件仿真時，分別由信號發(fā)生器SG1和頻率計作為硬件設(shè)備連接。SG1用來模擬被測模塊產(chǎn)生信號，F(xiàn)1采用頻率計方式運行，用來顯示當前信號頻率，用來做參考值與顯示模塊數(shù)據(jù)，即測速計測速結(jié)果值進行比較，以驗證測速計測速結(jié)果的正確與否。各模塊之間的連接關(guān)系如圖1所示。

2.2設(shè)計與實現(xiàn)

該簡易速度計的設(shè)計實現(xiàn)主要基于PIC16F877的CCP模塊功能，這里我們首先將PIC16F877的CCP1配置為捕捉模式,預(yù)分頻比設(shè)置為1:1，每個上升沿觸發(fā)。

當捕捉到跳變后CPP1中斷標志位置位，直接采用中斷方式進行處理，即在中斷服務(wù)子程序中處理相關(guān)寄存器的數(shù)值或狀態(tài)變化，計算并儲存相關(guān)物理量，以上設(shè)置均由軟件編程來完成。

本設(shè)計軟件編程部分統(tǒng)一在PIC系列單片機的專用開發(fā)環(huán)境MPLABIDE8.90下完成，程序代碼釆用C語言編寫。系統(tǒng)主程序流程如圖2所示，圖3所示是系統(tǒng)中的中斷服務(wù)程序運行流程。

3功能仿真

3.1Proteus下仿真電路的搭建

要在Proteus下完成測速計功能的仿真，首先應(yīng)在其界面新建設(shè)計文件并搭建仿真電路圖，本例的測速計功能電路圖如圖4所示。

在Proteus軟件下進行仿真時，庫里各電子模塊本身集成有驅(qū)動功能，故各模塊與單片機之間只需要用連接線簡易連接即可，而無需外加任何驅(qū)動電路。但是，實際制作電路版時,還是需外加各模塊的驅(qū)動電路，并考慮各器件之間的間距，以避免電磁干擾。

3.2功能仿真

在PIC系列單片機的專用開發(fā)環(huán)境MPLABIDE8.90下分別完成各個模塊的代碼編寫，編譯運行后，用調(diào)試工具ProteusVSM加載Proteus軟件下建立好的設(shè)計文件，并運行,其結(jié)果如圖5所示。

圖5仿真結(jié)果圖

3.3仿真結(jié)果分析

如圖5所示，當信號頻率配置為3000Hz時，仿真結(jié)果即測速計的速度顯示為5660m/s,且以速度值為中心，小范圍內(nèi)上下波動。而經(jīng)過理論計算的速度值約為5655m/s,與仿真值基本相同。事實上，經(jīng)過連續(xù)測量n個周期后求平均值的辦法，其理論值與仿真值之間的誤差會明顯減小。

4結(jié)語

基于PIC16F877單片機捕捉功能實現(xiàn)的簡易測速計，經(jīng)過Proteus軟件下的仿真驗證，基本符合預(yù)期結(jié)果。整個測速計設(shè)計簡單方便、成本低、測速誤差較小、易于實現(xiàn)，在模塊化后，可作為一個集成測速模塊直接應(yīng)用于其他設(shè)計當中。

20211023_617412378605f__基于PIC16F877單片機的簡易測速計設(shè)計與仿真