0 引言

隨著微電子技術的迅猛發(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計驗證，還能降低硬件成本的耗用，從而縮短整個設計周期，從根本上提高了電子產品的開發(fā)效率。

測速是工農業(yè)生產中經常遇到的問題，基于單片機的各種優(yōu)勢，將單片機應用于測速系統(tǒng)，具有很重要的意義。而對于測速技術，首先要解決的就是采樣問題。在使用模擬技術制作測速設備時，常用測速發(fā)電機的方法，即將測速發(fā)電機的轉軸與待測軸相連，測速發(fā)電機的電壓高低反映了轉速的高低;而使用單片機進行測速，則可以使用簡單的脈沖計數(shù)法。

只要轉軸每旋轉一周，產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的脈沖個數(shù)，即可獲得轉速的相關信息。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)相關物理關系的轉換，最終得出齒輪線速度，并顯示在數(shù)碼管上。

1 測速計原理

1.1 CCP1 捕捉功能

PIC16F877 單片機中有兩個CCP 模塊，其構造基本相同，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)寄存器內容;其二是具有預分頻器，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生中斷。

1.2 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)值會立即復制到CCPR1H 和CCPR1L 中并產生中斷信號，通過在中斷服務程序中讀取這個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4 MHz, 即每個指令周期為1 μs, 將預分頻比設置為1:1,測得周期結果單位為微秒級。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。

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)設計框圖

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成的被測模塊等幾部分構成。

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備連接。SG1 用來模擬被測模塊產生信號，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)，即測速計測速結果值進行比較，以驗證測速計測速結果的正確與否。各模塊之間的連接關系如圖1 所示。

2.2 方案設計與實現(xiàn)

該簡易速度計的設計實現(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，預分頻比設置為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，即在中斷服務子程序中處理相關寄存器的數(shù)值或狀態(tài)變化，計算并儲存相關物理量，以上設置均由軟件編程來完成。

2.2 設計與實現(xiàn)

該簡易速度計的設計實現(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，預分頻比設置為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，即在中斷服務子程序中處理相關寄存器的數(shù)值或狀態(tài)變化，計算并儲存相關物理量，以上設置均由軟件編程來完成。

3 功能仿真

3.1 Proteus 下仿真電路的搭建

要在Proteus下完成測速計功能的仿真，首先應在其界面新建設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，而無需外加任何驅動電路。但是，實際制作電路版時，還是需外加各模塊的驅動電路，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MPLAB IDE 8.90 下分別完成各個模塊的代碼編寫，編譯運行后，用調試工具Proteus VSM加載Proteus 軟件下建立好的設計文件，并運行，其結果如圖5 所示。

3.3 仿真結果分析

如上圖5 所示，當信號頻率配置為3 000 Hz 時，仿真結果即測速計的速度顯示為5 660 m/s, 且以速度值為中心， 小范圍內上下波動。而經過理論計算的速度值約為5 655 m/s,與仿真值基本相同。事實上，經過連續(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 結語

本文提出了一種基于PIC16F877 單片機捕捉功能實現(xiàn)的簡易測速計設計方案，經過Proteus 軟件下的仿真驗證，該設計方案基本符合預期結果。方案中的整個測速計設計簡單方便、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用于其他設計當中。