摘 要 在工程實踐中 ,經常會遇到各種需要測量轉速的場合，例如在發動機、電動機、卷揚機、機床主軸等旋轉設備的試驗、運轉和控制中，常需要分時或連續測量和顯示其轉速及瞬時轉速。要測速，首先要解決是采樣問題。在使用模技術制作測速表時，常用測速發電機的方法，即將測速發電機的轉軸與待測軸相連，測速發電機的電壓高低反映了轉速的高低。為了能精確地測量轉速外 ,還要保證測量的實時性 ,要求能測得瞬時轉速方法。因此轉速的測試具有重要的意義。 關鍵詞 ： 電動機 單片機 傳感器 1 目錄 1 概述 3 1.1 本課題設計的目的和 意義 3 1.2 數字式轉速測量系統的發展背景 3 2 單片機 4 2.1 單 片機 AT89C51 介紹 4 3 系統方案提出和論證（傳感器的選擇） 8 3.1 方案一 霍爾傳感器測量方案 8 3.2 方案二 光電傳感器 9 4 轉速測量系統的原理 11 4.1 轉速測量方法 11 4.2 轉速測量原理 12 5 系統硬件設計 14 5.1 轉速信號采集 14 5.2 轉速信號處理電路設計 16 5.3 最小系統的設計 18 5.3.1 復位電路（圖 4.8） 18 5.3.2 晶振電路 21 5.3.3 最小系統的仿真 22 6 顯示部分設計 23 7 系統軟件設計 26 7.1 主程序初始化 26 7.2 主程序流程圖程序流程圖 27 總 結 29 致謝 30 參考文獻 31 2 1.概述 1.1 本設計課題的目的和意義 在工程實踐中 ,經常會遇到各種需要測量轉速的場合 , 例如在發動機、電動機、卷揚機、機床主軸等旋轉設備的試驗、運轉和控制中 ,常需要分時或連續測量和顯示其轉速及瞬時轉速。要測速，首先要解決是采樣問題。在使用模技術制作測速表時，常用測速發電機的方法，即將測速發電機的轉軸與待測軸相連，測速發電機的電壓高低反映了轉速的高低。為了能精確地測量轉速外 ,還要保證測量的實時性 ,要求能測得瞬時轉速方法。因此轉速的測試具有重要的意 義。 這次設計內容包含知識全面，對傳感器測量發電機轉速的不同的方法及原理設計有較多介紹，在測量系統中能學到關于測量轉速的傳感器采樣問題，單片機部分的內容，顯示部分等各個模塊的通信和聯調。全面了解單片機和信號放大的具體內容。進一步鍛煉我們在信號采集，處理，顯示發面的實際工作能力。 1.2 數字式轉速測量系統的發展背景 目前國內外測量電機轉速的方法很多，按照不同的理論方法，先后產生過模擬測速法 (如離心式轉速表、用電機轉矩或者電機電樞電動勢計算所得 )、同步測速法 (如機械式或閃光式頻閃測速儀 )以及計數測速法。計數測速法又可分為機械式定時計數法和電子式定時計數法。傳統的電機轉速檢測多采用測速發電機或光電數字脈沖編碼器，也有采用電磁式 (利用電磁感應原理或可變磁阻的霍爾元件等 )、電容式 (對高頻振蕩進行幅值調制或頻率調制 )等，還有一些特殊的測速器是利用置于旋轉體內的放射性材料來發生脈沖信號其中應用最廣的是光電式，光電式測系統具有低慣性、低噪聲、高分辨率和高精度的優點加之激光光源、光柵、光學碼盤、 CCD 器件、光導纖維等的相繼出現和成功應用，使得光電傳感器在檢測和控制領域得到了廣泛的應用。 3 而采用光電 傳感器的電機轉速測量系統測量準確度高、采樣速度快、測量范圍寬和測量精度與被測轉速無關等優點，具有廣闊的應用前景。 2 單片機 2.1 單片機 AT89C51 介紹 AT89C51是一種帶 4K字節閃爍可編程可擦除只讀存儲器（ FPEROM Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能 CMOS8 位微處理器，俗稱單片機。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業標準的 MCS-51 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲 器組合在單個芯片中， ATMEL 的 AT89C51 是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統提供了一種靈活性高且價廉的方案。 圖 2.1 是常用的一種單片機，型號為 AT89C51，它將計算機的功能都集成到這個芯片內部去了，就這么一個小小的芯片就能構成一臺小型的電腦，因此叫做單片機。 圖 2.1 AT89C51 芯片 它有 40 個管腳，分成兩排，每一排各有 20 個腳 ， 其中左下角標有箭頭的為第 1 腳，然后按逆時針方向依次為第 2 腳、第 3 腳第 40 腳 。 在 40 個管腳中，其中有 32 個腳可用于各種控制，比如控制 小燈的亮與滅、控制電機的正轉與反轉、控制電梯的升與降等，這 32 個腳叫做單片機的“端口”，在單片機技術中，每個端口都有一個特定的名字，比如第一腳的那個端口叫做“ P1.0”。 4 AT89C51管腳分布 VCC：供電電壓 ， GND：接地 。 P0 口： P0 口為一個 8 位漏級開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門電流。當P1口的管腳第一次寫 1時，被定義為高阻輸入。 P0能夠用于外部 程序數據存儲器，它可以被定義為數據 /地址的第八位。在 FIASH編程時， P0 口作為原碼輸入口，當 FIASH 進行校驗時， P0 輸出原碼，此時 P0 外部必須被拉高 。 P1 口： P1 口是一個內部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 口緩沖器能接收輸出 4TTL 門電流。 P1 口管腳寫入 1 后，被內部上拉為高，可用作輸入， P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。在 FLASH 編程和校驗時， P1口作為第八位地址接收。 P2 口： P2 口為一個內部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 口緩沖器可接收，輸出 4 個 TTL 門電流，當 P2 口被寫 “1” 時，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時， P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內部上拉的緣故。 P2 口當用于外部程序存儲器或 16 位地址外部數據存儲器進行存取時， P2 口輸出地址的高八位。在給出地址 “1” 時，它利用內部上拉優勢，當對外部八位地址數據存儲器進行讀寫時， P2口輸出其特殊功能寄存器 5 的內容。 P2口在 FLASH 編程和校驗時接收高八位地址信號和控制 信號。 P3口： P3口管腳是 8個帶內部上拉電阻的雙向 I/O口，可接收輸出 4個 TTL門電流。當 P3 口寫入 “1” 后，它們被內部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平， P3口將輸出電流（ ILL）這是由于上拉的緣故。 P3口也可作為 AT89C51 的一些特殊功能口 。 P3口管腳備選功能 ： P3.0 RXD（串行輸入口） P3.1 TXD（串行輸出口） P3.2 /INT0（外部中斷 0） P3.3 /INT1（外部中斷 1） P3.4 T0（記時器 0外部輸入） P3.5 T1（記時器 1外部輸入） P3.6 /WR（外部數據存儲器寫選通） P3.7 /RD（外部數據存儲器讀選通） P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。 RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持 RST腳兩個機器周期的高電平時間。 ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節。在 FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時， ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈 沖信號，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數據存儲器時，將跳過一個 ALE脈沖。如想禁止 ALE 的輸出可在 SFR8EH地址上置 0。此時， ALE 只有在執行 MOVX， MOVC 指令是 ALE 才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執行狀態 ALE禁止，置位無效。 PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次 /PSEN有效。但在訪問外部數據存儲器時，這兩次有效的 /PSEN信號將不出現。 EA/VPP：當 /EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（ 0000H-FFFFH），不管是否有內部程序存儲器。注意加密方式 1時， /EA 將內部鎖定為 RESET；當 /EA端保持高電平時，此間內部 6 程序存儲器。在 FLASH編程期間，此引腳也用于施加 12V 編程電源（ VPP）。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。 3振蕩器特性： XTAL1和 XTAL2 分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅動器件 ， XTAL2 應不接。有余輸入至內部時鐘信號要通過一個二分頻觸發器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。 4芯片擦除： 整個 PEROM 陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合，并保持 ALE 管腳處于低電平 10ms 來完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫 “1” 且在任何非空存儲字節被重復編程以前，該操作必須被執行。 此外， AT89C51 設有穩態邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下， CPU 停止工作。但 RAM，定時器，計數器，串 口和中斷系統仍在工作。在掉電模式下，保存 RAM的內容并且凍結振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個硬件復位為止。 7 3 系統方案提出和論證 （傳感器的選擇） 轉速測量的方案選擇 ,一般要考慮傳感器的結構、安裝以及測速范圍與環境條件等方面的適用性 ;再就是二次儀表的要求 ,除了顯示以外還有控制、通訊和遠傳方面的要求。本 說明書中 給出兩種轉速測量方案 ， 經過我 和伙伴 查資料、構思和自己的設計，總體電路我們有兩套設計方案，部分重要模塊也考慮了其它設計方法，經過分析，從實現難度、熟悉程度、器 件用量等方面綜合考慮，我們才最終選擇了一個方案。下面就看一下我們對兩套設計方案 的簡要說明。 3.1 方案一： 霍爾傳感器測量方案 霍爾傳感器是利用霍爾效應進行工作的？其核心元件是根據霍爾效應原理制成的霍爾元件。本文介紹一種泵驅動軸的轉速采用霍爾轉速傳感器測量。霍爾轉速傳感器的結構原理圖如圖 3.1, 霍爾轉速傳感器的接線圖如圖 3.2 。 傳感器的定子上有 2 個互相垂直的繞組 A 和 B, 在繞組的中心線上粘有霍爾片 HA 和 HB ,轉子為永久磁鋼 ,霍爾元件 HA 和 HB 的激勵電機分別與繞組A 和 B 相連 ,它們的霍爾 電極串聯后作為傳感器的輸出。 圖 3.1 霍爾轉速傳感器的結構原理圖 8 方案 霍爾轉速傳感器的接線圖 缺點：采用霍爾傳感器在信號采樣的時候，會出現采樣不精確，因為它是靠磁性感應才采集脈沖的，使用時間長了會出現磁性變小，影響脈沖的采樣精度。 3.2 方案二： 光電傳感器 整個測量系統的組成框圖如圖 3.2所示。從圖中可見 ,轉子由一直流調速電機驅動 ,可實現 大轉速范圍內的無級調速。轉速信號由光電傳感器拾取 ,使用時應先在轉子上做好光電標記 ,具體辦法可以是 :將轉子表面擦干凈后用黑漆 (或黑色膠布 ) 全部涂黑 ,再將一塊反光材料貼在其上作為光電標記 ,然后將光電傳感器 (光電頭 ) 固定在正對光電標記的某一適當距離處。光電頭采用低功耗高亮度 LED ,光源為高可靠性可見紅光 ,無論黑夜還是白天 ,或是背景光強有大范圍改變都不影響接收效果。光電頭包含有前置電路，輸出0 5V的脈沖信號。接到單片機 89C51的相應管腳上，通過 89C51 內部定時 /計時器 T0、 T1及相應的程序設計，組成一個 數字式轉速測量系統。 9 圖 3.2 測量系統的組成框圖 優點：這種方案使用光電轉速傳感器具有采樣精確，采樣速度快，范圍廣的特點。 綜上所述，方案二使用光電傳感器來作為本設計的最佳選擇方案。 10 4 轉速測量系統的原理 4.1 轉 速 測 量方法 轉速是指作圓周運動的物體在單位時間內所轉過的圈數 ,其大小及變化往往意味著機器設備運轉的正常與否 ,因此 ,轉速測量一直是工業領域的一個重要問題。按照不同的理論方法 ,先后產生過模擬測速法 (如離心式轉速表 ) 、 同步測速法 (如機械式或閃光式頻閃測速儀 ) 以及計數測速法。計數測速法又可分為機械式定時計數法和電子式定時計數法。本文介紹的采用單片機和光電傳感器組成的高精度轉速測量系統 ,其轉速測量方法采用的就是電子式定時計數法。 對轉速的測量實際上是對轉子旋轉引起的周期脈沖信號的頻率進行測量。在頻率的工程測量中 ,電子式定時計數測量頻率的方法一般有三種 ： 測頻率法 :在一定時間間隔 t 內 ,計數被測信號的重復變化次數 N ,則被測信號的頻率 fx 可表示為 f x =Nt(1) 測周期法 :在被測信號的一個周期內 ,計數時鐘脈沖數 m0 ,則被測信號頻率 fx = fc/ m0 ,其中 , fc 為時鐘脈沖信號頻率。 多周期測頻法 :在被測信號 m1 個周期內 , 計數時鐘脈沖數 m2 ,從而得到被測信號頻率 fx ,則 fx 可以表示為 fx =m1 fcm2, m1 由測量準確度確定。 電子式定時計數法測量頻率時 ,其測量準確度主要由兩項誤差來決定 :一項是時基誤差 ;另一項是量化 1 誤差。當時基誤差小于量化 1 誤差一個或兩個數量級時 ,這時測量準確度主要由量化 1 誤差來確定。對于測頻率法 ,測量相對誤差為 ： Er1 =測量誤差值實際測量值 100 % =1N 100 % (2) 由此可見 ,被測信號頻率越高 , N 越大 , Er1 就越小 ,所以測頻率法適用于高頻信號 (高轉速信號 ) 的測量。對于測周期法 ,測量相對誤差為 ： Er2 =測量誤差值實際測量值 100 % =1m0 100 % (3) 對于給定的時鐘脈沖 fc , 當被測信號頻率越低時 ,m0 越大 , Er2就越小 ,所以測周期法適用于低頻信號 (低轉速信號 ) 的測量。對于多周期測頻法 ,測量相對誤差為 ： Er3 =測量誤差值實際測量值 100%=1m2 100 % (4) 11 從上式可知 ,被測脈沖信號周期數 m1 越大 , m2 就越大 ,則測量精度就越高。它適用于高、低頻信號 (高、低轉速信號 ) 的測量。但隨著精度和頻率的提高 , 采樣周期將大大延長 ,并且判斷 m1 也要延長采樣周期 ,不適合實時測量。 根據以上的討論 ,考慮到實際應用中需要測量的轉速范圍很寬 ,上述的轉速測量方法難以滿足要求 ,因此 ,研究高精度的轉速測量方法 ,以同時適用于高、低轉速信號的測量 ,不僅具有重要的理論意義 ,也是實際生產中的需要。 4.2 轉速測量原理 一般的轉速長期測量系統是預先在軸上安裝一個有 60 齒的測速齒盤 ,用變磁阻式或電渦流式傳感器獲得一轉 60 倍轉速脈沖 ,再用測頻的辦法實現轉速測量。而臨時性轉速測量系統 ,多采用光電傳感器 ,從轉軸上預先粘貼的一個標志上獲得一轉一個轉速脈沖 ,隨后利用電子倍頻器和測頻方法實現轉速測量。不論長期或臨時轉速測量 ,都可以在微處理器的參與下 ,通過測量轉軸上預留的一轉一齒的鑒相信號或光電信號的周期 ,換算出轉軸的頻率或轉速。即通過速度傳感器 ,將轉速信號變為電脈沖 ,利用微機在單位時間內對脈沖進行計數 ,再經過軟件計算獲得轉速數據。即 : n=N/ (mT) (1) n 轉速、單位 :轉 / 分鐘 ; N 采樣時間內所計脈沖個數 ; T 采樣時間、單位 :分鐘 ; m 每旋轉一周所產生的脈沖個數 (通常指測速碼盤的齒數 ) 。 如果 m=60, 那么 1 秒鐘內脈沖個數 N 就是轉速 n, 即 : n=N/ (mT) =N/60 1/60=N (2) 通常 m 為 60。 在對轉速波動較快系統或要求動態特性好而精度高的轉速測控系統中 ,調節周期一般很短 ,相應的采樣周期需取得很小 ,使得脈沖當量增高 ,從而導致整個系統測量精度降低 ,難以滿足測控要求。提高采樣速率通常就要減小采樣時間T, 而 T 的減小 會使采到的脈沖數值 N 下降 ,導致脈沖當量 (每個脈沖所代表的轉速 ) 增高 ,從而使得測量精度變得粗糙。通過增加測速碼盤的齒數可以提高精度 ,但是碼盤齒數的增加會受到加工工藝的限制 ,同時會使轉速測量脈沖的頻率增高 ,頻率的提升又會受到傳感器中光電器或磁敏器或磁電器件最高工作頻率 12 的限制。凡此種種因素限制了常規智能轉速測量方法的使用范圍。而采用本文所提出的定時分時雙頻率采樣法 ,可在保證采樣精度的同時 ,提高采樣速率 ,充分發揮微機智能測速方法的優越性及靈活性。 系統原理圖 各部分模塊的功能： 傳感器 ：用來對信號的采樣。 放大、整形電路：對傳感器送過來的信號進行放大和整形，在送入單片機進行數據的處理轉換。 單片機：對處理過的信號進行轉換成轉速的實際值，送入 LED LED 顯示：用來對所測量到的轉速進行顯示。 13 5 系統硬件設計 隨著 超大規模集成電路技術提高，尤其是單片機應用技術以及功能強大，價格低廉的顯著特點，是全數字化測量轉度系統得一廣泛應用。出于單片機在測量轉速方面具有體積小、性能強、成本低的特點，越來越受到企業用 戶的青睞。對測量轉速系統的硬件和編程進行研究，設計出一種以單片機為主的轉速測量系統，保證了測量精度。 5.1 轉速信號采集 在設計中采用光電傳感器采集信號，這種傳感器是把旋轉軸的轉速變為相應頻率的脈沖，然后用測量電路測出頻率，由頻率值就可知道所側轉素值。這種測量方法具有傳感器結構簡單、可靠、測量精度高的特點。是目前常用的一種測量轉速的方法。 從光源發出的光通過測速齒盤上的齒槽照射到光電元件上，使光電元件感光。測速齒盤上有 30 個齒槽，當測速齒槽旋轉一周，光敏元件就能感受與開孔數相等次數的光次數。對于被測電機的轉速在 0 3600r/min 的來說 ,每轉一周產生 30 個電脈沖信號 ,因此 ,傳感器輸出波形的頻率的大小為： 0Hz f 1800Hz (1) 測速齒盤裝在發射光源 (紅外線發光二極管 )與接收光源的裝置 (紅外線接收二極管 )之間 ,紅外線發光二極管 (規格 IR3401)負責發出光信號 ,紅外線接 收三極管 (規格 3DU12)負責接收發出的光信號 ,產生電信號 ,每轉過一個齒 ,光的明暗變化經歷了一個正弦周期 ,即產生了正弦脈沖電信號。 圖 5.1 所示為轉速傳感器電路，由于紅外光不可見，無法用肉眼識別發光信號是否在工作，故將紅外線的輸出回路串接了一個普通光電二極管作為判別光源發生回路是否為通路。所選用的紅外二極管 IR3401，在正向工作電流為20mA 時 ,其導通電壓為 1.2 1.5V,所選用的發光二極管的正向壓降一般為1.5 2.0V,電流為 10 20mA。 R 的計算公式為： R1=(12V-Ud1-Ud2)/I1 計算得： Rmin=425； Rmin=465。設定中所選阻值為 430（ Rmin RRmax）。 14 轉速傳感器輸出電壓幅度在 0 1.6mV 呈正弦波變化 ,由此可見 ,紅外線接收三極管的光信號轉化為電信號的電壓 Uo很微弱 (一般為 mV量級 ),需要進行信號處理 . 圖 5.1 轉速傳感器電路圖 （ 1） 光電傳感器是應用非常廣泛的一種器件，有各種各樣的形式，如透射式、反射式等，基本的原理就是當發射管光照射到接收管時，接收管導通，反之關斷。以透射式為 例，如圖 5.1 所示，當不透光的物體擋住發射與接收之間的間隙時，開關管關斷，否則打開。為此，可以制作一個遮光葉片如圖 5.2 所示，安裝在轉軸上，當扇葉經過時，產生脈沖信號。當葉片數較多時，旋轉一周可以獲得多 個脈沖信號 。 圖 5.2 光電傳感器的原理圖 圖 5.3 遮光葉片 （ 2） 選用的傳感器型號為 SZGB-3（單向） 15 SZGB-3 型 傳感器 特點 介紹如下 ： 1)供單向計數器使用，測量轉 速和線速度 . 2)采用密封結構性能穩定 . 3）光源用紅外發光管，功耗小，壽命長 . 4) SZGB-3, 20 電源電壓為 12V DC SZGB-3 型 傳感器主要性能介紹如下 ： SZGB-3.型光電轉速傳感器，使用時通過連軸節與被測轉軸連接，當轉軸旋轉時，將轉角位移轉換成電脈沖信號，供二次儀表計數使用。 1） 輸出脈沖數： 60 脈沖（每一轉） 2)輸出信號幅值： 50r/min 時 300mV 3)測速范圍 :50-5000r/min 4)使用時間 :可連續使用 ,使用中勿需加潤滑油 5)工作環境 :溫度 -10 40 ,相 對濕度 85%無腐蝕性氣體 5.2 轉速信號處理電路設計 轉速信號處理電路包括信號放大電路 、整形及三極管整形電路。由于產生的電壓信號很小，所以要進行放大處理，一般要放大至少 1000 倍（ 60dB） ，然后在進行信號處理工作。信號放大裝置選用運算放大器 TL084 作為放大電壓放大元件，采用兩級放大電路，每一級都采用反向比例運算電路如圖 4.4.設計的電壓放大倍數為 3000倍。其中第一級放大倍數為 30，第二級放大倍數為 100.放大后電壓變化范圍為 0 4.8V。 TL084采用 12V雙電源供電 ，由于電源的供電電壓在一定范圍內有副值上的波動，形成干擾信號。為起到消除干擾，實現濾波作用，故供電電源兩端需接 10UF的電容接地，電容選擇金屬化聚丙已烯膜電容。兩級運放放大所采用的供電電源均采用此接法。 16 信號處理電路圖 整形電路的主要作用是將正弦波信號轉化為方波脈沖信號，正弦波信號電壓的最大幅值約為 4.8V，最小幅值為 0V。整形電路設計的是一種滯回電壓比較器，它具有慣性，起到抗干擾的作用。從而向輸入端輸入的滯回比較器。在整形電路的輸入端接一個電容 C7（ 103），起到的作用是阻止其他信號的干擾，并且將放大 的信號進行濾波，解耦。 R11 和 R17 是防止電路短路，起到保護電路的作用。 一次整形后的信號基本上為 5V 的電平的脈沖信號，在脈沖計數時，常用的是 +5V 的脈沖信號。如果直接采用 -5V 的脈沖計數，會增加電路的復雜性，故一般不直接使用，而是先進行二次整形。 第二次用三極管整形電路，當輸出為 -5V 的信號時，三極管 VT2（ 8050）的基 -射極和電阻 R18組成并聯電路電流經過 R18.R17,三極管 VT2處于反向偏置狀態，所以， VT2 的集 -射極未接通，故處于截止狀態。電源回路由 R19，三極管VT2 的集 -射極組成，采用單電 源 +12V 供電，由于集射極截止，處于斷路狀態，故輸出電壓 U0為 +12V。當第一次整形輸出為 +5V的信號時，三極管 VT2基 -射極處于正向偏置狀態，有電流 I 通過，故此時三極管的集 -射極處于通路狀態。電源電流流經電阻 R19，三極管的集 -射極到地端，由于集 -射極導通時的電阻很小，可以忽略不計。電源電壓主要在 R19 上，其輸出電壓約為 0V。綜上所述，三極管整形的電路的輸入關系是：信號為 -5V時， U0=+12V；信號為 +5V 時， U0=0V。 17 5.3 最小系統的設計 5.3.1 復位電路（圖 5.3.1） ： MCS-51 單片機復位電路 是指 單片機的初始化操作。單片機啟運運行時，都需要先復位，其作用是使 CPU 和系統中其他部件處于一個確定的初始狀態，并從這個狀態開始工作。因而，復位是一個很重要的操作方式。但單片機本身是不能自動進行復位的，必須配合相應的外部電路才能實現。 圖 5.3.1復位電路 復位 功能 ： 復位電路的基本功能是：系統上電時提供復位信號，直至系統電源穩定后，撤銷復位信號。為可靠起見，電源穩定后還要經一定的延時才撤銷復位信號，以防電源開關或電源插頭分 -合過程中引起的抖動而影響復位。 單片機的 復位是由 外部的復位電路來實現的。片內復位電路是復位引腳 RST通過一個斯密特觸發器與復位電路相連，斯密特觸發器用來抑制噪聲，它的輸出在每個機器周期的 S5P2，由復 位電路采樣一次。復位電路通常采用上電自動復位（如圖 5.3.1 (a)）和按鈕復位 (如圖 5.3.1(b)兩種方式。 18 圖 5.3.1 RC 復位電路 單片機復位后的狀態 : 單片機的復位操作使單片機進入初始化狀態，其中包括使程序計數器 PC0000H，這表明程序從 0000H 地址單元開始執行。單片機冷啟動后，片內 RAM為隨機值，運行中的復位操作不改變 片內 RAM 區中的內容， 21 個特殊功能寄存器復位后的狀態為確定值，見 表 1。 值得指出的是，記住一些特殊功能寄存器復位后的主要狀態，對于了解單片機的初態，減少應用程序中的初始化部分是十分必要的。 說明：表 5.3.1 中符號 *為隨機狀態 ： 19 表 5.3.1 寄存器復位后狀態 表 特殊功能寄存器 初始狀態 特殊功能寄存器 初始狀態 A B PSW 00H 00H 00H TMOD TCON TH0 00H 00H 00H SP DPL DPH P0 P3 IP IE 07H 00H 00H FFH *00000B 0*00000B TL0 TH1 TL1 SBUF SCON PCON 00H 00H 00H 不定 00H 0*B PSW 00H，表明選寄存器 0 組為工作寄存器組； SP 07H，表明堆棧指針指向片內 RAM 07H 字節單元，根據堆棧操作的先加后壓法則，第一個被壓入的內容寫入到 08H 單元中； Po-P3 FFH，表明已向各端口線寫入 1，此時，各端口既可用于輸入又可用 于輸出 。 IP 00000B，表明各個中斷源處于低優先級； IE 000000B，表明各個中斷均被關斷； 系統復位是任何微機系統執行的第一步，使整個控制芯片回到默認的硬件狀態下。 51 單片機的復位是由 RESET 引腳來控制的，此引腳與高電平相接超過 24個振蕩周 期后， 51 單片機即進入芯片內部復位狀態，而且一直在此狀態下等待，直到 RESET 引腳轉為低電平后，才檢查 EA 引腳是高電平或低電平，若為高電平則執行芯片內部的程序代碼，若為低電平便會執行外部程序。 51 單片機在系統復位時，將其內部的一些重要寄存器設置 為特定的值，至于內部 RAM 內部的數據則不變。 20 5.3.2 晶振電路 晶振 （圖 4.10） 是晶體振蕩器的簡稱，在電氣上它可以等效成一個電容和一個電阻并聯再串聯一個電容的二端網絡，電工學上這個網絡有兩個諧振點，以頻率的高低分其中較低的頻率是串聯諧振，較高的頻率是并聯諧振。 AT89C51 單片機內部有一個用于構成振蕩器的高增益反相放大器。引腳XTAL1 和 XTAL2 分別是此放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與作為反饋元件的片外晶體諧振器一起構成一個自激振蕩器。外接晶體諧振器以及電容 C1和C2構成并聯諧振電路 ，接在放大器的反饋回路中。對外接電容的值雖然沒有嚴格的要求，但電容的大小會影響震蕩器頻率的高低、震蕩器的穩定性、起振的快速性和溫度的穩定性。因此，此系統電路的晶體振蕩器的值為 12MHz，電容應盡可能的選擇陶瓷電容，電容值約為 30 F。在焊接刷電路板時，晶體振蕩器和電容應盡可能安裝得與單片機芯片靠近，以減少寄生電容，更好地保證震蕩器穩定和可靠地工作。 晶體振蕩電路如圖 3-6： 晶振有一個重要的參數，那就是負載電容值，選擇與負載電容值相等的并聯電容，就可以得到晶振標稱的諧振頻率。 圖 4.10晶振電路 21 5.3.3 最小系統的仿真 最小系統的仿真 圖 4.11 圖 4.11 最小系統的仿真 22 6 顯示部分設計 (1)許多電子產品上都有跳動的數碼來指示電器的工作狀態，其實數碼管顯示的數碼均是由八個發光二極管構成的。每段上加上合適的電壓，該段就點亮。 LED 數碼有共陽和共陰兩種，把這些 LED 發光二極管的正極接到一塊（一般是拼成一個 8 字加一個小數點）而作為一個引腳，就叫共陽的，相反的，就叫共陰的，那么 應用時這個腳就分別的接 VCC 和 GND。再把多個這樣的 8 字裝在一起就成了多位的數碼管了。 實物如圖 6 圖 6 數碼管 共陽型 （圖 4.13） 就是八個發光管的正極都連在一起 ，作為一條引線 .AG段用于顯示數字 ,字符的筆畫 ,（ dp 顯示小數點），每一段控制 AGdp 的亮與來。 內部結構 : 共陽型 LCD 共陰型 （圖 4.14） 就是七個發光管的負極都連在一起 ，作為一條引線。 AG段用于顯示數字 ,字符的筆畫 ,（ dp 顯示小數點），每一段控制 AGdp 的亮與來 . 內部結構 : 23 共陰型 LCD 數碼管要正常顯示，就要用驅動電路來驅動數碼管的各個段碼，從而顯示出我們要的數字，因此根據數碼管的驅動方式的不同，可以分為靜態式和動態式兩類。 靜態顯示驅動：靜態驅動也稱直流驅動。靜態驅動是指每個數碼管的每一個段碼都由一個單片機的 I/O 端口進行驅動，或者使用如 BCD 碼二 -十進制譯碼器譯碼進行驅動。靜態驅動的優點是編程簡單，顯示亮度高，缺點是占用 I/O端口多，如驅動 5 個數碼管靜態顯示則需要 58 40 根 I/O 端口來驅動，要知道一個 89S51 單片機可用的 I/O 端口才 32 個 呢：），實際應用時必須增加譯碼驅動器進行驅動，增加了硬件電路的復雜性。 動態顯示驅動：數碼管動態顯示接口是單片機中應用最為廣泛的一種顯示方式之一，動態驅動是將所有數碼管的 8 個顯示筆劃 a,b,c,d,e,f,g,dp的同名端連在一起，另外為每個數碼管的公共極 COM 增加位選通控制電路，位選通由各自獨立的 I/O 線控制，當單片機輸出字形碼時，所有數碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個數碼管會顯示出字形，取決于單片機對位選通 COM 端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數碼管的選通控制打開，該位就顯示出字形，沒有 選通的數碼管就不會亮。通過分時輪流控制各個數碼管的的 COM 端，就使各個數碼管輪流受控顯示，這就是動態驅動。在輪流顯示過程中，每位數碼管的點亮時間為 1 2ms，由于人的視覺暫留現象及發光二極管的余輝效應，盡管實際上各位數碼管并非同時點亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩定的顯示數據，不會有閃爍感，動態顯示的效果和靜態顯示是一樣的，能夠節省大量的 I/O 端口，而且功耗更低。 (2)段碼表 表 6-2 為 LED 段碼表 24 表 6-2 LED段碼表 顯示字符 共陰極段選碼 共陽極段選碼 顯示字符 共陰極段選 碼 共陽極段選碼 0 1 2 3 4 3FH 06H 5BH 4FH 66H C0H F9H A4H B0H 99H 5 6 7 8 9 6DH 7DH 07H 7BH 6FH 92H 82H F8H 80H 90H （ 3）動態顯示仿真（圖 6.15） 圖 6.15 動態顯示仿真圖 25 7 系統軟件設計 硬件電路完成以后，進行系統軟件設計。首先要分析系統對軟件的要求，然后進行軟件的總體的設計，包括程序的總體設計和對程序的模塊化設計。按整 體功能分為多個不同的模塊，單獨設計、編程、調試，然后將各個模塊裝配聯調，組成完整的軟件。 根據設計的要求，單片機的任務是：內部進行計數，在計算出速度后顯示。軟件編程用 C 語言完成的，需要能掌握 C 語言，還要熟練 AT89C51 單片機。從程序流程圖、編寫程序、編譯，到最后的調試，是很復雜的。下面作簡單介紹：系統軟件主程序的功能是完成系統的初始化、顯示程序。 7.1 主程序初始化 （ 1） .定時器的初始化 AT89C51 有兩個定時器 /計數器 T0 和 T1，每個定時器 /計數器均可設置成為16 位，也可以設置成為 13 位進行定時或計數。計數器的功能是對 T0 或 T1 外來脈沖的進行計數，外部輸入脈沖負跳變時，計數器進行加 1。 定時功能是通過計數器的計數來實現的，每個機器周期產生 1 個計數脈沖，即每個機器周期計數器加 1，因此定時時間等于計數個數乘以機器周期。定時器工作時，每接收到 1 個計數脈沖（或機器周期）則在設定的初值基礎上自動加 1，當所有位都位 1 時，再加 1 就會產生溢出，將向 CPU 提出定時器溢出中斷身請。當定時器采用不同的工作方式和設置不同的初值時，產生溢出中斷的定時值和計數值將不同，從而可以適應不同的定時或計數控制。 定時器有 4 種工作方式：方式 0、方式 2、方式 2 和方式 3，在此對工作方式不做具體介紹。 工作方式寄存器 TMOD 的設定： GATE C/T M1- M0 GATE C/T M1 M0 TMOD 各位的含義如下： GATE： 門控位，用于控制定時 /計數器的啟動是否受外部中斷請求信號的影響 。 C/T：定時或計數方式選擇位，當 C/T=1 時工作于計數方式；當 C/T=0 時工作 26 于定時方式。 M1、 M0 為工作方式選擇位 ，用于對 T0 的四種工作方式， T1 的三種工作方式進行選擇，選擇情況如下表 5-1： M1M0=00 為方 式 0;M1M0=01 為方式 1； 表 5-1 M1、 M0 為工作方式選擇位 MO M1 工作方式 方式說明 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 2 3 13 位定時 /計數器 16 位定時 /計數器 8 位自動重置定時 /計數器 兩個 8 位定時 /計數器（只有 T0 有） （ 2） 中斷允許控制 MCS-51 單片機中沒有專門的開中斷和關中斷指令，對各個中斷源的允許和屏蔽是由內部的中斷允許寄存器 IE 的各位來控制的。中斷允許寄存器 IE 的字節地址為 A8H，可以進行