任務１延時控制任務２脈寬調制調速任務３計數測量知識點◎定時器/計數器的工作原理；◎定時器/計數器中斷相關寄存器的設置；◎T0、T1在不同方式下定時的初始值計算；◎定時器/計數器中斷服務程序的執行過程。技能點◎能編寫定時器/計數器中斷的初始化程序；◎能編寫定時器/計數器中斷的服務程序；◎能將定時器/計數器用于實現定時。任務１延時控制在機電控制系統中，經常需要對時間進行精確控制。單片機系統常采用定時中斷來實現精確定時，并可極大地提高工作效率。本任務是要使用AT89S51單片機實現閥門的延時關閉，具體控制要求為：按下按鍵后打開閥門并開始計時，定時3s，時間到后再關閉閥門。任務提出根據任務目標，以單片機為控制核心并負責延時任務，按鍵作為系統輸入，閥門及其驅動電路作為系統輸出部分，整個系統的結構框圖如圖所示。任務分析閥門延時控制系統框圖系統的結構非常簡單，但本任務功能的關鍵是要實現精確定時3s。要完成3s的定時，可以采用循環指令延時的方式，但在這種方案中，單片機在定時期間，不能進行其他操作，利用率極低；也可以采用依靠執行其他任務來達到延時的方式，但這種方案中，執行任務的耗時與期望定時的時間不盡相同，因此不能實現精確定時。為了解決精確定時與執行其他任務之間的矛盾，常采用單片機“定時器/計數器”定時中斷的方式來實現精確定時。采用定時中斷時，定時的任務是由定時器硬件單獨完成的，而單片機就可以正常地執行其他程序，只有當定時時間到了，才中斷正在執行的程序，轉去執行中斷服務程序，中斷服務程序執行完成后，自動回到斷點，繼續執行被中斷的程序。一、定時器/計數器簡介在8051系列單片機中有兩個可編程的定時器/計數器，分別叫T0和T1。在8052系列單片機中，除了上述兩個定時器/計數器外，還有一個定時器/計數器T2，它的功能更強大一些。它們既可以編程作為定時模式，也可以編程作為計數器使用。T2和T1還可以作為串口的波特率發生器。相關知識定時器/計數器實質上就是一個加1計數器，而且定時器也是以計數方式工作，只是它對固定頻率的脈沖計數，由于脈沖周期固定，因此由計數值可以計算出定時時間。當定時器/計數器工作于定時器方式時，它對具有固定時間間隔的內部機器周期進行計數，每個機器周期使寄存器的值加1。定時器/計數器的工作方式是由特殊功能寄存器TMOD控制的。定時器/計數器與TMOD和TCON的工作關系如圖所示，圖中TMOD控制定時器/計數器的工作方式，TCON控制定時器/計數器的啟動、停止，當計數溢出時，啟動中斷。通過TMOD和TCON兩個寄存器的設置，實現其對定時器/計數器的控制。圖中以T0為例，T1與T0的工作控制方式相同。定時器/計數器的工作關系圖二、定時器/計數器的模式控制寄存器TMOD模式控制寄存器TMOD是對定時器T0和定時器T1的計數方式和計數器控制方式進行設置的寄存器，低4位用于T0，高4位用于T1。TMOD位于內部特殊寄存器區的89H單元，TMOD寄存器的8位控制功能如下所示：1．GATE：定時器動作開關控制位，也稱門控位2．

定時器/計數器模式選擇位3．M1、M0：定時工作方式選擇位三、定時器/計數器的工作方式1．方式0定時器/計數器工作方式0的結構圖2．方式1定時器/計數器工作方式1的結構圖其3．方式2定時器/計數器工作方式2的結構圖4．方式3定時器/計數器T0工作方式3的結構圖四、定時器/計數器中斷的實現過程在外部中斷模塊中已介紹過中斷控制寄存器TCON，TCON的低4位用于外部中斷控制，而TCON的高4位則用于定時器/計數器的啟動和中斷申請，TCON位于內部特殊功能寄存器區的88H單元，高四位的功能如下所示：為了說明定時器/計數器中斷時各寄存器的設置和工作過程，圖給出了定時器/計數器T0中斷設置和工作示意圖。定時器/計數器中斷設置和工作示意圖五、定時器/計數器的初始化設置定時器/計數器的初始化是非常重要的，初始化編程格式如下所示：TMOD=方式字；

//選擇定時器的工作方式THx=高八位初始值；//裝入Tx時間常數，x為0或1TLx=低八位初始值；ETx=1；

//開Tx中斷EA=1；

//總中斷允許，如果有其他中斷，可共用本條指令TRx=1；

//啟動Tx定時器六、定時器/計數器中斷服務程序的編寫在對定時器/計數器初始化設置好后，當達到定時時間或計數次數時，CPU會執行定時器/計數器的中斷服務程序。因此在編寫中斷服務程序時，應該完成此時相應的操作處理，根據不同的任務，具體的操作處理也不相同，但通常情況下需要重置定時器/計數器的初值（工作方式2除外），以完成下一輪定時或計數的任務。一、硬件設計本任務主要實現閥門的延時關閉，單片機檢測按鍵輸入信號，當按下按鍵時打開閥門并開始計時，定時3s，時間到后再關閉閥門。故系統硬件電路由單片機最小系統、按鍵、閥門及其驅動電路組成。在本任務中選擇AT89S51單片機芯片為系統控制芯片，其參數選擇原則見相關說明，選擇系統晶振頻率為12MHz。任務實施本任務中單片機應用系統的硬件電路如圖所示。延時控制系統電路原理圖二、軟件設計根據任務分析和硬件電路原理，采用外部中斷的方式檢測按鍵，定時中斷的任務是實現3s定時，因此主程序只需要完成對外部中斷和定時中斷的初始化設置，主程序的流程圖如圖a所示。當檢測到按鍵按下時，進入外部中斷0的服務程序，此時，單片機輸出信號，控制開啟閥門和點亮LED指示燈，并且啟動定時器定時。外部中斷0的服務程序框圖如圖b所示。延時控制程序框圖a）主程序流程圖

b）外部中斷0服務程序流程圖c）定時中斷0服務程序流程圖三、Proteus仿真參照前面任務介紹的方法和步驟進行Proteus仿真。注意：在Proteus中，RTE24005F元件是一個繞組工作電壓為5V的電磁繼電器模型。繼電器控制的對象是220V交流電驅動的電燈，用以替代閥門。在仿真時，當按下啟動按鍵后，電燈和LED指示燈點亮，保持3s后，自動關閉，實現了任務要求。如圖所示是延時控制仿真效果圖。延時控制仿真效果圖任務2

脈寬調制調速知識點◎脈寬調制的基本原理；◎脈寬調制的用途和實現方法。技能點◎能熟練編寫定時器/計數器中斷的初始化程序；◎能熟練編寫定時器/計數器中斷的服務程序；◎能使用PWM控制外部設備。在機電控制系統中，廣泛采用脈寬調制技術來驅動各類模擬器件，如電動機調速、照明調光等。要實現脈寬調制除了可采用專用的集成電路外，還可以采用程序控制單片機定時器及通用IO端口來實現。任務提出本任務是使用AT89S51單片機通過脈寬調制技術控制直流電動機的轉速。具體控制要求如下：1．用按鍵調節驅動直流電動機的脈沖寬度，以改變直流電動機的轉速；2．電動機從靜止到全速運行分為11個擋位（0~10擋）。直流電動機是一個模擬元件，而單片機的輸出是數字信號。要實現單片機對直流電動機轉速的控制，可以采用數/模轉換電路進行D/A轉換；也可以采用無須進行數/模轉換的脈寬調制方式實現。根據任務目標，以單片機為控制核心并負責脈寬調制任務，按鍵作為系統輸入，改變單片機輸出脈沖的寬度實現對直流電動機速度的調節。任務分析脈寬調制的輸出就是不同寬度的脈沖，也就是單片機改變輸出的高低電平的時間。單片機的引腳負載能力極弱，需要功率驅動電路對單片機的輸出信號進行放大后，再驅動直流電動機。整個系統的硬件結構框圖如圖所示。脈寬調制調速系統框圖一、脈寬調制的基本原理脈沖寬度調制（PulseWidthModulation），簡稱脈寬調制（PWM），是利用數字信號輸出對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術。這種技術廣泛應用于功率控制、測量和通信等領域。脈寬調制就是輸出一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖，用這些脈沖來代替所需要的波形。按一定的規則對各脈沖的寬度進行調制，既可改變輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率，這就是PWM控制技術。相關知識PWM的優點之一是從處理器到被控系統信號都是數字形式的，無須進行數模轉換。讓信號保持為數字形式可將噪聲影響降到最小。噪聲只有在強到足以將邏輯1改變為邏輯0或將邏輯0改變為邏輯1時，才能對數字信號產生影響。對噪聲抵抗能力的增強是PWM相對于模擬控制的另外一個優點，而且這也是會將PWM用于通信的主要原因。從模擬信號轉向PWM可以極大地延長通信距離。在接收端，通過適當的RC或LC網絡可以濾除調制高頻方波并將信號還原為模擬形式。二、定時器在脈寬調制中的應用在單片機應用系統中要實現PWM控制，需要依靠定時器來實現。具體的實現方式可以利用定時器定時一個單位時間，每隔單位時間在定時中斷服務程序中去判斷是否已達到電平需要保持的時間，從而輸出對應的高低電平，實現脈寬調制。另一種實現方式是根據高低電平需要保持的時間來確定定時器定時的時間，并在定時中斷服務程序中將電平取反輸出，兩種方法實現的方式不同，但實際效果是一致的。一、硬件設計本任務主要用脈寬調制的方式實現用按鍵控制直流電動機的轉速，電動機從靜止到全速運行分為多個擋位。整個系統硬件電路由單片機最小系統、按鍵、直流電動機及其驅動電路組成。在本任務中選擇AT89S51單片機芯片為系統控制芯片，其參數選擇原則見相關說明，選擇系統晶振頻率為12MHz。任務實施單片機輸出控制信號不能直接驅動電動機，需要外接H橋電路等驅動直流電動機。為了簡化電動機驅動電路，在本任務中選擇3V直流電動機，且采用分立元件構成的H橋電路。在實際應用系統中可采用如L298等H橋集成電路，也可以根據需要采用由功率MOS管構成的H橋電路，來驅動高電壓、大電流的直流電動機。根據硬件電路和元器件的選擇，本任務中單片機實現脈沖寬度調速的硬件電路如圖所示。脈寬調制調速電路原理圖二、軟件設計本任務主要實現脈寬調制調速，采用外部中斷的方式檢測換擋按鍵，定時中斷的方式用固定定時和軟件計數實現脈寬控制，因此主程序只需要完成對外部中斷和定時中斷的初始化設置，主程序的流程圖如圖所示。脈寬調制調速程序框圖a）主程序流程圖

b）外部中斷0服務程序流程圖c）定時中斷0服務程序流程圖三、Proteus仿真1.打開ProteusISIS軟件，繪制Proteus仿真電路，如圖所示。仔細檢查，保證線路連接無誤。2.在Keil軟件開發環境下，創建項目，編輯源程序，編譯生成HEX文件，并裝載到Proteus虛擬仿真硬件電路中AT89C51芯片中。3.運行ProteusISIS軟件，仔細觀察運行結果，如果有不完全符合設計要求的情況，調整源程序并重復步驟1、2，直至完全符合本項目提出的各項設計要求。脈寬調制調速仿真電路圖任務３計數測量知識點◎光電傳感器、磁電傳感器的測量原理；◎計數值的設定方法。技能點◎能熟練編寫定時器/計數器中斷的初始化程序和服務程序；◎能利用定時器/計數器編程實現計數。在機電控制系統中，經常需要對脈沖信號進行檢測和計數，如對電動機轉速或機械行程進行測量、對產品數量進行計數等。本任務是使用AT89S51單片機實現對產品的計數、顯示及裝箱控制，具體控制要求為：1．用按鍵設定每箱的計件數量并顯示；2．對產品數量進行計數并顯示；3．當計件數達到設定值時操作裝箱。任務提出用單片機實現對脈沖計數，可以利用外部中斷對脈沖進行軟件計數，也可以利用單片機的定時器/計數器對脈沖進行硬件計數。本任務選用單片機的定時器/計數器對產品計數，當計數值達到按鍵所設定計件數量時，進行裝箱操作處理，并將計數值重置，開始再次重新計數。在開始計件數之前，首先需要對每箱的計件數量使用按鍵進行設定，在設定計件數量和計件狀態時，都需要將對應的數據顯示出來。任務分析根據任務目標，以單片機為控制核心并負責計件任務，傳感器及其產生的計數脈沖與按鍵作為系統輸入部分，數碼顯示電路與裝箱操作的驅動電路作為系統輸出部分，整個系統的結構框圖如圖所示。計件裝箱系統框圖一、光電傳感器、磁電傳感器測量原理計數脈沖的獲取可以采用光電檢測傳感器、霍爾器件等方式。在產品傳送帶的兩側可安裝一個紅外發光二極管和一個紅外傳感器。傳送帶上的產品會阻隔發光二極管發出的光線，因此另一邊的傳感器就接收到有無光的信號，經過整形放大形成電脈沖，實現光電檢測。相關知識霍爾傳感器的磁場由磁鋼提供，所以霍爾傳感器和磁鋼需要配對使用。在霍爾傳感器檢測轉速的應用中，在非磁材料的圓盤邊上粘貼一塊磁鋼，將霍爾傳感器固定在圓盤外緣附近。圓盤每轉動一圈，霍爾傳感器便輸出一個脈沖。通過單片機測量產生脈沖的頻率就可以得出圓盤的轉速。霍爾傳感器具有體積小、響應速度快的特點，適合應用在高轉速場合。二、計數值設定方法當定時器/計數器工作在計數狀態時，對來自P3.4或P3.5引腳輸入的脈沖信號進行計數。若單片機的工作頻率fOSC＝12MHz，工作在計數狀態下的T0，最大計數值為fOSC/24，因此T0能計數的脈沖最大計數頻率為12MHz/24=500kHz。對于頻率大于此值的脈沖，需要在計數前面加上分頻器，分頻后再進行計數。本任務中要求對傳送帶上的產品計數，其脈沖頻率遠小于500kHz，所以無須分頻。若應用中需要得到脈沖的計數值，可將定時器/計數器的初始值賦為0。同時，由于定時器/計數器的最大計數值為65536，若需要計數的值很大，完全有可能產生溢出，對此，采用與定時3s類似的方法，使用軟件來記錄計數器有幾次溢出。若溢出了A次，最后一次的計數值為B，則脈沖的計數值為：count=A×65536+B若應用中需要對一個已知計數次數的脈沖計數，則可將定時器/計數器的初始值設定為這個已知計數次數，例如計數2000次的計數器初始值設為：TH0=（65536-2000）/256；TL0=（65536-2000）%256；一、硬件設計本任務主要用單片機的定時器/計數器對產品計數，當計數值達到按鍵所設定的計件數量時，進行裝箱操作處理，按鍵對每箱的計件數量進行設定，將對應的數據顯示出來。故整個系統硬件電路由單片機最小系統、功能按鍵、傳感器檢測及脈沖輸出電路、顯示電路和裝箱操作驅動電路組成。任務實施在本任務中選擇AT89S51單片機芯片為系統控制芯片，其參數選擇原則見相關說明，選擇系統晶振頻率為12MHz。1．輸入部分系統控制按鍵設有兩個，一個作為每箱的計件數量設定按鍵，每按下一次按鍵，計件數加1，長按一定時間則清零。另一個按鍵作為啟動按鍵，使系統切換到運行狀態，開始計件。2．輸出部分顯示模塊可以采用數碼管、液晶等多種顯示形式和電路，在本任務中采用共陽數碼管動態顯示電路，其顯示原理及驅動程序原理在中已詳細介紹。計件裝箱系統電路原理圖二、軟件設計本任務主要實現計件裝箱操作，根據任務分析和硬件電路原理，在系統的軟件設計上，分為兩個狀態：第一個是設置狀態。第二個是運行狀態。本系統用到了兩個外部中斷和兩個定時器/計數器，因此主程序還需要完成對外部中斷和定時中斷的初始化設置，主程序的流程圖如圖所示。主程序流程圖連接至P3.2的按鍵功能是設置每箱的產品數量。連接至P3.3的按鍵功能是啟動運行。進入運行狀態后的動態顯示是利用定時中斷完成的，每500μs時間到就會進入定時中斷