基于PIC16F873的红外数字转速表的设计
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摘 要：针对普通转速表存在体积大、精度低等问题。给出以单片机为核心的红外转速表的组成系统结构及设计方法。论述信号检测、数据保护、时间读取、参数选择和以pic16f873单片机为核心实现转速、日历时钟等电路的组成原理及程序设计分析。该系统可通过功能扩展广泛应用到其他领域。
关键词：PIC16F873;转速表;日历时钟;程序设计
中图分类号：TP368.1;TP274 文献标识码：B 文章编号：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
关于里转速表的设计已经有很多可供参考，但大部分都是由机械式或模拟数字电路来实现的，存在着体积大、精度低、不直观、功耗大、功能少等缺点。 由于单片机具有体积小、控制功能强等特点，故它在控制方面得到了广泛的应用。本红外数字转速控制系统就以PIC16F873单片机为核心来实现，由于利用了单片机内部的E.2PROM，使系统电路简单可靠，而且该系统还具有功能多、功耗小、直观准确、可显示时间、转速等优点。
该转速控制系统包括:信号检测、数据处理、输出显示和其他4部分。 这4部分通过对单片机各功能引脚编程协调工作。其完成对信号的输入、处理、输出及保护，最终实现对转速的检测控制。
1 硬件系统的设计
1.1 PIC16F873 简介
美国Microchip Technology公司推出的PIC16F87X中档系列单片机。该单片机内含有A/D，PWM，E.2PROM等丰富的接口模块和FLASH程序存储器。由于采用在线串行编程、低压编程技术。其内部自带电荷泵升压电路。因而实现读写操作时不需外加高电压;同时PIC16F873具有IAP功能。可实现在应用中编程。PIC16F87X还可以方便地在线多次编程调试。特别适用于在产品的开发阶段使用。具有实用、低价、周期短、指令集小、低功耗、高速度、功能强和简单易学等特点。
该系统以PIC16F873单片机为核心。与其他的检测和控制元件等相结合来达到目的。单片机采用PIC16F873芯片。将检测到的脉冲信号经过一定的处理送到CPU中，然后使用适当的算法对信号脉冲进行数据处理。再经过转化之后送至输出部分。达到显示的目的。为节省能源该系统应在低功耗条件下工作，所以对单片机采用了冻结运行方式。该方式的具体运行情况是：当有转动脉冲信号或按键输入时就以中断的形式唤醒CPU工作，平时没有脉冲信号或按键中断。CPU则处于冻结方式。因此大大降低了系统的功耗。其具体结构见图1。
1.2 系统信号检测
转速系统的信号检测有很多种方法。每一种都有它自己的特点。红外数字转速表采用的红外线探头有直射式和反射式2种。直射式探头、发光管和受光管在被测物的两边，发光发出的光线直接照射到受光管上，当被测物运动时，阻挡光线，产生计数信号，这种探头经常用作光电计数器。反射探头、发光管和受光管在被测物的同侧，当探头接近物体时，接收到红外光的脉冲信号，用它测转速比较方便。
测量转速的探头根据测量距离可以采用透镜系统，也可以不采用透镜系统。当被测物体距探头15 cm以内，无需采用透镜。在设计探头时，可以采用小功率发光管5GL和光敏受光管3DU5C。不加透镜接收反射光的探头组装时2管并列放置，2个管子的中心夹角很小，使他们在100~150 mm处相交。这种探头靠近物体上漫反射的光线工作，对全黑物体的接收灵敏度很低，对白色物体和镜面反射物体接收最灵敏，还能接收到其他颜色的发射光，但相应的探头距离要近些。
测量转速的探头经常采用透镜系统。根据光学的折射反射原理发射管和接收管都固定在探测架上，通过透镜聚焦。在探测架中间用半透膜使发射的红外线向转动物体折射，而且又能使从转动物体反射回来的红外线通过半透膜射向接收管，半透膜上最好涂一层只能透过膜个单色波长的物质，或用单色性很好的滤色玻璃片制作。使它只能通过固定波长的红外线（例如0.93 μm），这样对抗散射光的干扰更有利。
为了提高红外线的反射能力，通常在转动物体上贴上一小片红外线反射纸，这样发射效果极好。有时用镜面、铝箔、洁白平面的纸、白油漆等也能提高反射性能。当转动物体转到使反射纸恰好对着从发光管发出的红外线时，接收管接收到光信号，从单位时间内收到的光信号的次数便可测出转速。
在测量远距离转动物体时，可用中功率或大功率发光二极管（HL系列发光二极管），还可以采用砷化镓单异质结激光二极管（如2EJD系列），这种管子的峰值波长为0.930 μm，输出功率为2~10 W，额定工作电流为15~45 A，发射距离超过十几米。相应的接收管仍可采用硅光三极管3DU5C。
在此，接收管检测到的转速信号经过整形后再输入单片机的RB4。
1.3 输出显示
该系统采用16位双行LCD液晶显示器。同时显示转速、日历时钟,并对显示器进行电源供电控制以达到节能的目的。
1.4 掉电数据保护
考虑到系统如果掉电数据将丢失，为了使CPU 中所产生的数据能够在系统上电复位时能继续使用，需对该数据进行保存。PIC16F873单片机内部的E.2PROM，其擦写周期寿命一般都能达到10万次以上。
掉电、程序保护采用PIC16F873单片机内部的看门狗。用其来检测系统是否有掉电或供电电源电压是否达到标准值。以达到保护的目的。
1.5 时间的读取
当CPU将系统检测到的脉冲信号进行计算时,需要用到时间变量来求转速等值。这里采用内部具有秒、分、时、星期、日、月、年的美国Dallas 半导体公司生产的DS1302 日历时钟芯片完成。 它经过一个简单的串行接口与微处理器通信。 实时时钟/ 日历提供秒、分、时、日、周、月和年等信息。 对于小于31天的月,月末的日期自动进行调整,还包括了闰年校正的功能。 时钟的运行可以采用24 h 或带AM(上午) / PM(下午) 的12 h 格式。 使用串行通信,仅需3根线:RST(复位)；I/O(数据线)；SCL K(串行时钟)。简化了与微处理器的通信,数据可以以每次1个字节或多达31 字节的多字节的形式传送至时钟RAM 或从其中送出。
程序可以对DS1302 进行初始化设置。并可控制时钟的起动/ 停止。 在芯片上电时,RST必须是低电平,当有VCC电源供电时,可以对电池充电。可选择1～4个二极管,1～8 kΩ 的充电电阻,以控制充电的强弱。DS1302芯片原理如图2所示。
通过把RST驱动至高电平来启动所有的数据传送,RST输入有两种功能。首先，RST接通控制逻辑。允许地址/ 命令序列送入移位寄存器。其次，RST提供了中止单字节或多字节数据传送的手段。
2 软件系统的设计
由于该系统主要用电池供电，考虑到经济上的可行性，必须尽可能降低电路功耗，故把光电信号的输入方式设成外部中断1输入，并且在软件上将该系统设置成冻结方式。这时到CPU 内部去的时钟信号被门控电路所封锁，CPU进入冻结状态。但内部时钟信号仍继续供给中断系统。定时器和串行口、CPU状态被完整保存。如程序状态字( PSW) 、累加器(A)及所有其他寄存器均保留冻结前的状态，各端口引脚也仍保持冻结前的逻辑状态。当外部中断到来时。引起硬件对PCON位清“0”,从而结束冻结运行方式。
系统软件采用模块化结构设计，以PICC语言为编程工具，注意有效地利用单片机硬件资源。由于采用模块化技术，使系统程序更加简洁，占用内存容量少。主程序工作流程见图3。
为了实现系统功能，每次上电后首先对显示器、DS1302及中断口和定时器初始化，然后显示日历时钟。当有键按下时CPU 进行键盘中断处理，依功能键分类判断是否修改时钟，并进行相应的功能处理；当有转速信号进入时CPU 也将进行相应的中断处理，否则系统经过所设定的ns后自动进入冻结状态。下面给出中断处理程序流程图(见图4)。
3 结 语
本设计给出了单片机控制的红外数字转速表的设计方法、原理、信号检测、数据保护及时间读取等问题。该系统可应用在自行车、摩托车汽车以及电机上等需要转速测量的场合，并可通过功能扩展广泛应用到其他领域。
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作者简介 左翠红 女，1966年出生，副教授/高级工程师。主要研究方向为电子学与信息系统。