基于ＰＩＣ１６Ｆ８７３的紅外數字轉速表的設計

摘 要：針對普通轉速表存在體積大、精度低等問題。給出以單片機為核心的紅外轉速表的組成系統結構及設計方法。論述信號檢測、數據保護、時間讀取、參數選擇和以PIC16F873單片機為核心實現轉速、日歷時鐘等電路的組成原理及程序設計分析。該系統可通過功能擴展廣泛應用到其他領域。

關鍵詞：PIC16F873;轉速表;日歷時鐘;程序設計

中圖分類號：TP368.1;TP274 文獻標識碼：B 文章編號：1004373X(2008)1617703

Design of Infrared and Digital Tachometer Based on PIC16F873

ZUO Cuihong

(Weihai Vocational College，Weihai，264210，China)

Abstract：In view of the shortcomings of big volume，bad accuracy and so forth of common tachometer，a systematic structure and designing method for infrared and digital tachometer centering on single chip computer are presented.Signal detection，protection of data，time controlling and the choice of parameters are discussed.On the basis of PIC16F873，circuit principle for rotational speed and calendar clocks can be realized.By functional enlargement，this system can also be used in other fields.

Keywords：PIC16F873;tachometer;calendar clock;program design

關于里轉速表的設計已經有很多可供參考，但大部分都是由機械式或模擬數字電路來實現的，存在著體積大、精度低、不直觀、功耗大、功能少等缺點。 由于單片機具有體積小、控制功能強等特點，故它在控制方面得到了廣泛的應用。本紅外數字轉速控制系統就以PIC16F873單片機為核心來實現，由于利用了單片機內部的E.2PROM，使系統電路簡單可靠，而且該系統還具有功能多、功耗小、直觀準確、可顯示時間、轉速等優點。

該轉速控制系統包括:信號檢測、數據處理、輸出顯示和其他4部分。 這4部分通過對單片機各功能引腳編程協調工作。其完成對信號的輸入、處理、輸出及保護，最終實現對轉速的檢測控制。

1 硬件系統的設計

1.1 PIC16F873 簡介

美國Microchip Technology公司推出的PIC16F87X中檔系列單片機。該單片機內含有A/D，PWM，E.2PROM等豐富的接口模塊和FLASH程序存儲器。由于采用在線串行編程、低壓編程技術。其內部自帶電荷泵升壓電路。因而實現讀寫操作時不需外加高電壓;同時PIC16F873具有IAP功能?？蓪崿F在應用中編程。PIC16F87X還可以方便地在線多次編程調試。特別適用于在產品的開發階段使用。具有實用、低價、周期短、指令集小、低功耗、高速度、功能強和簡單易學等特點。

該系統以PIC16F873單片機為核心。與其他的檢測和控制元件等相結合來達到目的。單片機采用PIC16F873芯片。將檢測到的脈沖信號經過一定的處理送到CPU中，然后使用適當的算法對信號脈沖進行數據處理。再經過轉化之后送至輸出部分。達到顯示的目的。為節省能源該系統應在低功耗條件下工作，所以對單片機采用了凍結運行方式。該方式的具體運行情況是：當有轉動脈沖信號或按鍵輸入時就以中斷的形式喚醒CPU工作，平時沒有脈沖信號或按鍵中斷。CPU則處于凍結方式。因此大大降低了系統的功耗。其具體結構見圖1。

1.2 系統信號檢測

轉速系統的信號檢測有很多種方法。每一種都有它自己的特點。紅外數字轉速表采用的紅外線探頭有直射式和反射式2種。直射式探頭、發光管和受光管在被測物的兩邊，發光發出的光線直接照射到受光管上，當被測物運動時，阻擋光線，產生計數信號，這種探頭經常用作光電計數器。反射探頭、發光管和受光管在被測物的同側，當探頭接近物體時，接收到紅外光的脈沖信號，用它測轉速比較方便。

測量轉速的探頭根據測量距離可以采用透鏡系統，也可以不采用透鏡系統。當被測物體距探頭15 cm以內，無需采用透鏡。在設計探頭時，可以采用小功率發光管5GL和光敏受光管3DU5C。不加透鏡接收反射光的探頭組裝時2管并列放置，2個管子的中心夾角很小，使他們在100~150 mm處相交。這種探頭靠近物體上漫反射的光線工作，對全黑物體的接收靈敏度很低，對白色物體和鏡面反射物體接收最靈敏，還能接收到其他顏色的發射光，但相應的探頭距離要近些。

測量轉速的探頭經常采用透鏡系統。根據光學的折射反射原理發射管和接收管都固定在探測架上，通過透鏡聚焦。在探測架中間用半透膜使發射的紅外線向轉動物體折射，而且又能使從轉動物體反射回來的紅外線通過半透膜射向接收管，半透膜上最好涂一層只能透過膜個單色波長的物質，或用單色性很好的濾色玻璃片制作。使它只能通過固定波長的紅外線（例如0.93 μm），這樣對抗散射光的干擾更有利。

為了提高紅外線的反射能力，通常在轉動物體上貼上一小片紅外線反射紙，這樣發射效果極好。有時用鏡面、鋁箔、潔白平面的紙、白油漆等也能提高反射性能。當轉動物體轉到使反射紙恰好對著從發光管發出的紅外線時，接收管接收到光信號，從單位時間內收到的光信號的次數便可測出轉速。

在測量遠距離轉動物體時，可用中功率或大功率發光二極管（HL系列發光二極管），還可以采用砷化鎵單異質結激光二極管（如2EJD系列），這種管子的峰值波長為0.930 μm，輸出功率為2~10 W，額定工作電流為15~45 A，發射距離超過十幾米。相應的接收管仍可采用硅光三極管3DU5C。

在此，接收管檢測到的轉速信號經過整形后再輸入單片機的RB4。

1.3 輸出顯示

該系統采用16位雙行LCD液晶顯示器。同時顯示轉速、日歷時鐘，并對顯示器進行電源供電控制以達到節能的目的。

1.4 掉電數據保護

考慮到系統如果掉電數據將丟失，為了使CPU 中所產生的數據能夠在系統上電復位時能繼續使用，需對該數據進行保存。PIC16F873單片機內部的E.2PROM，其擦寫周期壽命一般都能達到10萬次以上。

掉電、程序保護采用PIC16F873單片機內部的看門狗。用其來檢測系統是否有掉電或供電電源電壓是否達到標準值。以達到保護的目的。

1.5 時間的讀取

當CPU將系統檢測到的脈沖信號進行計算時，需要用到時間變量來求轉速等值。這里采用內部具有秒、分、時、星期、日、月、年的美國Dallas 半導體公司生產的DS1302 日歷時鐘芯片完成。 它經過一個簡單的串行接口與微處理器通信。 實時時鐘/ 日歷提供秒、分、時、日、周、月和年等信息。 對于小于31天的月，月末的日期自動進行調整，還包括了閏年校正的功能。 時鐘的運行可以采用24 h 或帶AM(上午) / PM(下午) 的12 h 格式。 使用串行通信，僅需3根線:RST(復位)；I/O(數據線)；SCL K(串行時鐘)。簡化了與微處理器的通信，數據可以以每次1個字節或多達31 字節的多字節的形式傳送至時鐘RAM 或從其中送出。

程序可以對DS1302 進行初始化設置。并可控制時鐘的起動/ 停止。 在芯片上電時，RST必須是低電平，當有VCC電源供電時，可以對電池充電?？蛇x擇1～4個二極管，1～8 kΩ 的充電電阻，以控制充電的強弱。DS1302芯片原理如圖2所示。

通過把RST驅動至高電平來啟動所有的數據傳送，RST輸入有兩種功能。首先，RST接通控制邏輯。允許地址/ 命令序列送入移位寄存器。其次，RST提供了中止單字節或多字節數據傳送的手段。

2 軟件系統的設計

由于該系統主要用電池供電，考慮到經濟上的可行性，必須盡可能降低電路功耗，故把光電信號的輸入方式設成外部中斷1輸入，并且在軟件上將該系統設置成凍結方式。這時到CPU 內部去的時鐘信號被門控電路所封鎖，CPU進入凍結狀態。但內部時鐘信號仍繼續供給中斷系統。定時器和串行口、CPU狀態被完整保存。如程序狀態字( PSW) 、累加器(A)及所有其他寄存器均保留凍結前的狀態，各端口引腳也仍保持凍結前的邏輯狀態。當外部中斷到來時。引起硬件對PCON位清“0”，從而結束凍結運行方式。

系統軟件采用模塊化結構設計，以PICC語言為編程工具，注意有效地利用單片機硬件資源。由于采用模塊化技術，使系統程序更加簡潔，占用內存容量少。主程序工作流程見圖3。

為了實現系統功能，每次上電后首先對顯示器、DS1302及中斷口和定時器初始化，然后顯示日歷時鐘。當有鍵按下時CPU 進行鍵盤中斷處理，依功能鍵分類判斷是否修改時鐘，并進行相應的功能處理；當有轉速信號進入時CPU 也將進行相應的中斷處理，否則系統經過所設定的ns后自動進入凍結狀態。下面給出中斷處理程序流程圖(見圖4)。

3 結 語

本設計給出了單片機控制的紅外數字轉速表的設計方法、原理、信號檢測、數據保護及時間讀取等問題。該系統可應用在自行車、摩托車汽車以及電機上等需要轉速測量的場合，并可通過功能擴展廣泛應用到其他領域。

參 考 文 獻

［1］樊尚春.傳感器技術及其應用［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2004.

［2］單成祥.傳感器的理論與設計基礎及其應用［M］.北京:國防工業出版社，1999.

［3］吳興惠，王彩君.傳感器與信號處理［M］.北京:電子工業出版社，1998.

［4］雷思孝，李伯成，雷向莉.單片機原理及實用技術(凌陽16位單片機原理及應用)［M］.西安:西安電子科技大學出版社，2004.

［5］羅亞非.凌陽十六位單片機應用基礎［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2003.

［6］何立民.單片機應用技術選編［M］.北京:北京航空航天大學出版社，1998.

［7］王福瑞.單片微機測控系統設計大全［M］.北京:北京航空航天大學出版社，1999.

［8］胡漢才.單片機原理及其接口技術［M］.北京:清華大學出版社，1996.

［9］何信龍，李雪銀.PIC16F87X 快速上手［M］.北京：清華大學出版社，2002.

［10］李學海.PIC單片機實用教程\\.北京:北京航空航天大學出版社，2002.

作者簡介 左翠紅 女，1966年出生，副教授/高級工程師。主要研究方向為電子學與信息系統。