0 引言

　　隨著微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，單片機(jī)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(jī)系統(tǒng)仿真工具，則不用制作電路板，而可以使用Proteus 進(jìn)行系統(tǒng)虛擬實(shí)現(xiàn)，這樣不僅能完成所需功能設(shè)計(jì)驗(yàn)證，還能降低硬件成本的耗用，從而縮短整個設(shè)計(jì)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(jī)的各種優(yōu)勢，將單片機(jī)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(jī)的方法，即將測速發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸與待測軸相連，測速發(fā)電機(jī)的電壓高低反映了轉(zhuǎn)速的高低；而使用單片機(jī)進(jìn)行測速，則可以使用簡單的脈沖計(jì)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(jī)中進(jìn)行計(jì)數(shù)，最終計(jì)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(jī)的捕捉功能來完成脈沖計(jì)數(shù)，利用軟件編程實(shí)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(jì)原理

　　1.1 CCP1 捕捉功能

　　PIC16F877 單片機(jī)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(dāng)時TMR1計(jì)數(shù)寄存器內(nèi)容；其二是具有預(yù)分頻器，可以實(shí)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。

　　1.2 CCP 測速計(jì)原理

　　在捕捉模式下，單片機(jī)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(dāng)特定的跳變沿出現(xiàn)時，TMR1 定時器的計(jì)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(jì)數(shù)值。當(dāng)使用CCP1 模塊的捕捉功能實(shí)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(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。

　　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(shí)現(xiàn)

　　2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

　　測速計(jì)功能的實(shí)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(jī)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(jì)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(jì)方式運(yùn)行，用來顯示當(dāng)前信號頻率，用來做參考值與顯示模塊數(shù)據(jù)，即測速計(jì)測速結(jié)果值進(jìn)行比較，以驗(yàn)證測速計(jì)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 方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　該簡易速度計(jì)的設(shè)計(jì)實(shí)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(dāng)捕捉到跳變后CPP1 中斷標(biāo)志位置位，直接采用中斷方式進(jìn)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(jì)算并儲存相關(guān)物理量，以上設(shè)置均由軟件編程來完成。

　　2.3 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　該簡易速度計(jì)的設(shè)計(jì)實(shí)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(dāng)捕捉到跳變后CPP1 中斷標(biāo)志位置位，直接采用中斷方式進(jìn)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(jì)算并儲存相關(guān)物理量，以上設(shè)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(jì)功能的仿真，首先應(yīng)在其界面新建設(shè)計(jì)文件并搭建仿真電路圖，本例的測速計(jì)功能電路圖如圖4 所示。

　　在Proteus 軟件下進(jìn)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(jī)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(shí)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(jī)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(yùn)行后，用調(diào)試工具Proteus VSM加載Proteus 軟件下建立好的設(shè)計(jì)文件，并運(yùn)行，其結(jié)果如圖5 所示。

　　3.3 仿真結(jié)果分析

　　如上圖5 所示，當(dāng)信號頻率配置為3 000 Hz 時，仿真結(jié)果即測速計(jì)的速度顯示為5 660 m/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(jì)算的速度值約為5 655 m/s，與仿真值基本相同。事實(shí)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

　　本文提出了一種基于PIC16F877 單片機(jī)捕捉功能實(shí)現(xiàn)的簡易測速計(jì)設(shè)計(jì)方案，經(jīng)過Proteus 軟件下的仿真驗(yàn)證，該設(shè)計(jì)方案基本符合預(yù)期結(jié)果。方案中的整個測速計(jì)設(shè)計(jì)簡單方便、成本低、測速誤差較小、易于實(shí)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(jì)當(dāng)中。