基于光電傳感器的奔跑速度檢測系統(tǒng)設(shè)計

1、TN79.1 畢業(yè)設(shè)計說明書奔跑速度檢測系統(tǒng)電路設(shè)計 院（系）名稱信息工程學(xué)院 專業(yè)名稱測控技術(shù)與儀器 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 2013年 5 月 10 日奔跑速度檢測系統(tǒng)電路設(shè)計摘 要隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，單片機(jī)在測量系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。速度是一個系統(tǒng)經(jīng)常需要測量、控制和保持的量，速度是否達(dá)到要求，決定著生產(chǎn)及工業(yè)過程是否產(chǎn)生相應(yīng)的效果。速度的測量方法有許多種，但在不同的應(yīng)用環(huán)境下，相應(yīng)的測量方法有它自己的特點和誤差。因此對單片機(jī)速度測量系統(tǒng)的研究有著重要的目的和意義。本設(shè)計采用AT89C51單片機(jī)作為主要控制核心，應(yīng)用光電傳感器采集信號，經(jīng)過單片機(jī)定時計數(shù)并運用一個算法測量出奔跑物體的行

2、駛速度，最終用4位LED數(shù)碼管顯示其測量結(jié)果，硬件電路簡單，軟件功能完善，測量速度快、精度高，成本低等特點，充分發(fā)揮了單片機(jī)的控制功能，與所學(xué)知識緊密結(jié)合，學(xué)以致用，有很高的的使用價值。關(guān)鍵詞：單片機(jī)，速度測量，光電傳感器，LEDRunning Speed Measurement System DesignAuthor: Li qinhaiTutor:Yang quanjiu AbstractWith the continuous development of information technology, single-chip microcomputer has been widely u

3、sed in the measurement system. Speed is a systems often need to measure, control and maintain, Speed whether meet the requirements, determine the production and industrial processes produce corresponding results.Speed measurement method has many kinds, but in different application environment, the c

4、orresponding measurement method has its own characteristics and error. So the study of microcontroller velocity measurement system has important purpose and meaning. This design USES AT89C51 as the main control core, using photoelectric sensors to collect signal, through single chip microcomputer ti

5、mer counter and use an algorithm to measure the car speed, eventually with four LED digital tube display the measurement results, has high practical value. This article is give full play to the advantages of the performance of the single chip microcomputer, introduces the basic principle of the spee

6、d measuring method, implementation steps and the hardware and software design, hardware circuit is simple, software function is perfect, fast measurement speed, high precision, low cost etc.Key words: single chip microcomputer; Velocity measurement; Photoelectric sensor; The LED目 錄1 緒論1.1 奔跑速度檢測系統(tǒng)的發(fā)

7、展背景及現(xiàn)狀從人類開始研究物體運動，速度就成為人們測量的對象。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，測量速度的科技手段也在日新月異，為人類的研究自然帶來更大的自由。速度是物理學(xué)中的一個重要的概念。在運動學(xué)中速度是描述物體運動快慢的物理量，定義為位移隨著時間的變化率。通過對平均速度和瞬時速度的測定，可以了解物體的運動狀態(tài)和運動規(guī)律。在傳統(tǒng)的測速方法中，多基于對奔跑物體電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行測量，并由一定的公式轉(zhuǎn)換出奔跑物體的速度，這里面按照不同的理論方法，先后產(chǎn)生過模擬測速法(如離心式轉(zhuǎn)速表、用電機(jī)轉(zhuǎn)矩或者電機(jī)電樞電動勢計算所得)、同步測速法(如機(jī)械式或閃光式頻閃測速儀)以及計數(shù)測速法。計數(shù)測速法又可分為機(jī)械式定時計

8、數(shù)法和電子式定時計數(shù)法。傳統(tǒng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測多采用測速發(fā)電機(jī)或光電數(shù)字脈沖編碼器1，也有采用電磁式(利用電磁感應(yīng)原理或可變磁阻的霍爾元件等)、電容式(對高頻振蕩進(jìn)行幅值調(diào)制或頻率調(diào)制)等，還有一些特殊的測速器是利用置于旋轉(zhuǎn)體內(nèi)的放射性材料來發(fā)生脈沖信號。其中應(yīng)用最廣的是光電式，光電式測系統(tǒng)具有低慣性、低噪聲、高分辨率和高精度的優(yōu)點加之激光2光源、光柵、光學(xué)碼盤、CCD器件、光導(dǎo)纖維等的相繼出現(xiàn)和成功應(yīng)用，使得光電傳感器在檢測和控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。本課題中采用技術(shù)成熟的光電傳感器來直接測量奔跑物體的奔跑速度，采用光電傳感器進(jìn)行奔跑速度測量，準(zhǔn)確度高、采樣速度快、測量范圍寬和測量精度與被測轉(zhuǎn)速

9、無關(guān)等優(yōu)點，具有廣闊的應(yīng)用前景。速度測量目前主要運用在汽車行業(yè)，如今的汽車工業(yè)正是朝著智能化，數(shù)字化發(fā)展，人們享受速度所帶來的高效率同時，卻要面對安全的巨大陰影，甚至有些人對汽車產(chǎn)生恐懼，在高速行駛的汽車上，什么事情都有可能發(fā)生。超速，簡言之，速度的控制成為汽車智能化控制的關(guān)鍵，真正的“主動型安全裝置”應(yīng)該是對速度的檢測，據(jù)說英法兩國已經(jīng)研究出一種電子儀器，能夠接收速度檢測信號，從而使汽車保持在一定的安全速度之下，已經(jīng)成功地運用在一些家庭轎車和出租車上。在20世紀(jì)60年代，汽車上僅有機(jī)油壓力傳感器、油量傳感器和水溫傳感器，它們與儀表或指示燈連接。進(jìn)入70年代后，為了治理排放，又增加了一些傳感器

10、來幫助控制汽車的動力系統(tǒng)，因為同期出現(xiàn)的催化轉(zhuǎn)換器、電子點火和燃油噴射裝置需要這些傳感器來維持一定的空燃比以控制排放。目前見到的許多關(guān)于汽車車速與控制類文獻(xiàn)中，以研究無刷直流電機(jī)較多，采用光電式傳感器電機(jī)的重要元件?；魻杺鞲衅鞯能囁贆z測裝置由CD板控制3，能夠做出電機(jī)加速，減速的動作，還能夠精確測速電機(jī)的轉(zhuǎn)速，來控制電機(jī)的工作情況等多種功能。在2004年上海大眾智能設(shè)備有限公司也推出一種汽車智能速度檢測系統(tǒng)，管理者可以用事先設(shè)定的方法強制約束汽車只能在規(guī)定的速度范圍內(nèi)行駛。它由微電腦控制儀和智能機(jī)械手兩部分組成?？梢酝ㄟ^微電腦控制儀來事先設(shè)定速度，比如在高架上，先設(shè)定最高速度為60公里。當(dāng)汽車

11、不超過60公里/小時，控制儀不啟動機(jī)械手，司機(jī)駕車如常，當(dāng)汽車速度接近60公里時，控制儀的微電腦立即啟動機(jī)械手對汽車的油門踩桿準(zhǔn)確地強制地提升45厘米。當(dāng)你想繼續(xù)加速時，由于油門位置被限制，你無法踩動，使汽車速度被控制汽車由于慣性速度保持在臨界值。當(dāng)慣性過去，汽車速度小于60公里臨界值時，控制儀即指令機(jī)械手放松汽車油門，這時駕駛員又可以踩下油門加速，汽車又駕駛?cè)绯酢ＴO(shè)置控制儀的限制值，可以用程序設(shè)定也可以用IC卡設(shè)；可以只設(shè)定一個值，也可以根據(jù)不同的路況，有多個檔位供設(shè)定；還可以接受信號切換設(shè)定（即接受道路速度無線信號切換或電子地圖信號切換）。該產(chǎn)品控制車速靈敏精確，速度誤差小于5控速時汽車行

12、駛平穩(wěn)，乘客不易察覺。汽車智能速度控制器的安裝十分巧妙，除了機(jī)械手的鋼絲位置固定在油門踩板上以外，機(jī)械手和控制儀可以隱蔽安裝而且做到不打洞安裝。該產(chǎn)品的開發(fā)成功，為建立自動化道路速度檢測控制系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。目前，速度檢測系統(tǒng)已經(jīng)在汽車行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，預(yù)計今后的智能控制系統(tǒng)會朝著更可靠、性能更穩(wěn)定、更高端的方向發(fā)展。1.2 本課題的目的和意義在工業(yè)發(fā)展過程中，經(jīng)常會遇到各種需要測量的速度的場合，例如在汽車、機(jī)床、傳送機(jī)等設(shè)備運轉(zhuǎn)和控制中，需要分時或連續(xù)的測量和顯示其速度及瞬時速度情況。隨著社會機(jī)械工業(yè)發(fā)展的趨勢，對速度檢測要求的精度越來越高，很多方面，奔跑速度的精確檢測，關(guān)系到一系列系統(tǒng)的工業(yè)

13、設(shè)計，所以這就需要設(shè)計一套奔跑速度檢測系統(tǒng)。要測速，首先要解決信號采樣的問題，采樣效果的好壞關(guān)系到后續(xù)顯示及控制，光電傳感器由于其精度高、反應(yīng)快、非接觸性等優(yōu)點，所以本課題設(shè)計中的中間環(huán)節(jié)就是光電式傳感電路的設(shè)計；本課題主要采用嵌入式技術(shù)，由單片機(jī)和探測、信號采集、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)顯示、與通信等環(huán)節(jié)組成的電路構(gòu)成整個光電傳感電路系統(tǒng)。1.3 本課題設(shè)計的主要內(nèi)容本設(shè)計主要內(nèi)容由以下三大部分組成：1、信號的采集。這部分主要是用光電傳感器采集奔跑物體的信號，并將采集的信號傳給單片機(jī)。2、單片機(jī)數(shù)據(jù)處理4。這部分主要是使用51系列單片機(jī)采用適當(dāng)?shù)乃惴▉砭幊炭焖贉?zhǔn)確地對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)運算并

14、得出結(jié)果。此部分是本設(shè)計的重點和難點。3、LED數(shù)字顯示。這部分主要是對測得的結(jié)果通過4位LED數(shù)碼管顯示給用戶。本奔跑速檢測系統(tǒng)有以下幾個部分構(gòu)成，如圖1.1奔跑速度測量系統(tǒng)方框圖所示。顯示單片機(jī)信號調(diào)理電路光電傳感器奔跑物體圖1.1 速度檢測系統(tǒng)方框圖本系統(tǒng)的硬件主要由光電傳感器、信號處理電路、單片機(jī)AT89C51、LED顯示等組成。如圖1.1，當(dāng)奔跑物體通過光電傳感器的時候，將會產(chǎn)生脈沖電信號，然后把信號送入三極管放大電路及CC40106芯片整形電路進(jìn)行處理，將處理過的信號傳給單片機(jī)，通過對單片機(jī)進(jìn)行編程、運算，最后通過數(shù)碼管顯示其數(shù)值。2 奔跑速度檢測系統(tǒng)原理本系統(tǒng)中，兩對光電對射管布

15、置在奔跑物體通過的路徑上，當(dāng)奔跑物體經(jīng)過光電管Q1，Q2時，則擋住了光線，光電管Q1，Q2產(chǎn)生一個上升或下降沿，以光電管Q1的上升沿或下降沿作為單片機(jī)計數(shù)器的啟動脈沖，啟動計時器開始計時，光電管Q2的上升沿或下降沿作為單片機(jī)計數(shù)器的停止脈沖，計數(shù)器停止計時（本設(shè)計為高電平觸發(fā)）。此時，得到計數(shù)器的計時值n。將值n傳送處理中心，已知單片機(jī)的機(jī)器周期為T，可通過編程5計算出奔跑物體在定距離S內(nèi)的平均速度V，為V=S/nT其中S為兩個對射型光電管之間的距離。如圖2.1所示奔跑物體光敏電阻單片機(jī)定時器啟動定時器停止發(fā)光二極管Q2發(fā)光二極管Q1光敏電阻圖2.1奔跑速度測量系統(tǒng)原理圖3 系統(tǒng)方案提出和論證

16、目前科研生產(chǎn)中采用的速度測量方法可以分為兩類：直接測量法和間接測量法兩大類。直接測量法是通過某種測量原理或效應(yīng)直接獲得速度量，如多普勒測速儀、空間濾波測速等。這種方法最大的優(yōu)點是反應(yīng)快、可測量瞬時速度，但設(shè)備成本高，且易受外圍環(huán)境的影響，比如大氣物理環(huán)境限制。間接測量法是測量目標(biāo)的移動距離和時間，通過計算得到速度量，如光電測速、光柵測速、磁柵測速和圖像測速等，用于測量奔跑物體的速度。本課題設(shè)計中采用間接測量法，并提出兩種方案：方案一以AT89C516為核心的計數(shù)電路，使用AT89C51單片機(jī)，電路簡單需要編寫程序，可通過編程實現(xiàn)各種各樣的算術(shù)算法和邏輯控制，而且體積小，硬件實現(xiàn)簡單，安裝方便，

17、可實現(xiàn)數(shù)碼顯示和按鍵設(shè)定等多種功能。采用對射型光電傳感器，將紅外發(fā)光管與光電接收管相對安放，每當(dāng)物體通過一次，紅外光就被遮擋一次，光電接收管的輸出電壓就發(fā)生一次變化，這個變化的信號通過放大處理后形成計數(shù)脈沖，通過光電隔離耦合并行輸入AT89C51，通過軟件控制計算并用LED加以顯示，便可實現(xiàn)對奔跑物體速度的測量。方案二以CD4518為核心的計數(shù)電路，采用CD4518組成8421同步十進(jìn)制計數(shù)器，其計數(shù)是由光檢測和接收電路檢測到信號在傳送到脈沖發(fā)生器CD4518，由D4518轉(zhuǎn)化成電信號然后在分別傳送到各個二十進(jìn)制計數(shù)器BCD碼，由BCD碼七段譯碼器轉(zhuǎn)換至數(shù)碼管LED，而電源部分是由220 V交

18、流電經(jīng)變壓器T降壓、橋式整流、電容濾波、7809穩(wěn)壓后為整個電路提供+5V穩(wěn)壓工作電壓。方案選擇：選用方案一是因為方案二在控制方式上難以實現(xiàn)復(fù)雜的控制過程，而且在其計數(shù)顯示部分就需要幾個芯片，還需要采用CD4543驅(qū)動LED的配接電路，而方案一的基于AT89C51單片機(jī)電路簡單，其軟硬件實現(xiàn)起來較為容易，而且可實現(xiàn)多種功能。4 系統(tǒng)的硬件設(shè)計4.1 光電傳感器介紹 光電傳感器工作原理光電傳感器的基本工作原理是光電效應(yīng)，光電效應(yīng)一般有外光電效應(yīng)、光導(dǎo)效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)。光照在照在光電材料上，材料表面的電子吸收的能量，若電子吸收的能量足夠大是，電子會克服束縛脫離材料表面而進(jìn)入外界空間，從而改變光電

19、子材料的導(dǎo)電性，這種現(xiàn)象成為外光電效應(yīng)根據(jù)愛因斯坦的光電子效應(yīng)，光子是運動著的粒子流，每種光子的能量為hv，由此可見不同頻率的光子具有不同的能量，光波頻率越高，光子能量越大。假設(shè)光子的全部能量交給光子，電子能量將會增加，增加的能量一部分用于克服正離子的束縛，另一部分轉(zhuǎn)換成電子能量。根據(jù)能量守恒定律： （4.1）式中，M為電子質(zhì)量，v為電子逸出的初速度，A微電子所做的功。由上式可知，要使光電子逸出陰極表面的必要條件是Hv>A。由于不同材料具有不同的逸出功，因此對每一種陰極材料，入射光都有一個確定的頻率限，當(dāng)入射光的頻率低于此頻率限時，不論光強多大，都不會產(chǎn)生光電子發(fā)射，此頻率限稱為“紅限”

20、。相應(yīng)的波長為式中，c為光速，A為逸出功。當(dāng)受到光照射時，吸收電子能量，其電阻率降低的導(dǎo)電現(xiàn)象稱為光導(dǎo)效應(yīng)。它屬于內(nèi)光電效應(yīng)。當(dāng)光照在半導(dǎo)體上是，若電子的能量大與半導(dǎo)體禁帶的能級寬度，則電子從價帶躍遷到導(dǎo)帶，形成電子，同時，價帶留下相應(yīng)的空穴。電子、空穴仍留在半導(dǎo)體內(nèi)，并參與導(dǎo)電在外電場作用下形成的電流。除金屬外，多數(shù)絕緣體和半導(dǎo)體都有光電效應(yīng)，半導(dǎo)體尤為顯著。 光電傳感器光電傳感器是通過把光強度的變化轉(zhuǎn)換成電信號的變化來實現(xiàn)控制的，它的基本結(jié)構(gòu)如下圖，它首先把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化，然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。光電傳感器一般由光源，光學(xué)通路和光電元件三部分組成。光電檢

21、測方法具有精度高，反應(yīng)快，非接觸等優(yōu)點，而且可測參數(shù)多，傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，形式靈活多樣，因此，光電式傳感器在檢測7和控制中應(yīng)用非常廣泛。圖4.1 光電傳感器結(jié)構(gòu)圖光電傳感器一般由三部分構(gòu)成，它們分為：發(fā)送器、接收器和檢測電路8，發(fā)送器對準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射光束，發(fā)射的光束一般來源于半導(dǎo)體光源，發(fā)光二極管(LED)、激光二極管及紅外發(fā)射二極管。光束不間斷地發(fā)射，或者改變脈沖寬度。接收器有光電二極管、光電三極管、光電池組成。在接收器的前面，裝有光學(xué)元件如透鏡和光圈等。在其后面是檢測電路，它能濾出有效信號和應(yīng)用該信號。光電傳感器是一種依靠被測物與光電元件和光源之間的關(guān)系，來達(dá)到測量目的的，因此光電傳感器的光源

22、扮演著很重要的角色，光電傳感器的電源要是一個恒光源，電源穩(wěn)定性的設(shè)計至關(guān)重要，電源的穩(wěn)定性直接影響到測量的準(zhǔn)確性，常用光源有以下幾種：1、發(fā)光二極管 是一種把電能轉(zhuǎn)變成光能的半導(dǎo)體器件。廣泛地用于計算機(jī)、儀器儀表和自動控制設(shè)備中。2、絲燈泡 這是一種最常用的光源，它具有豐富的紅外線。3、激光 激光與普通光線相比具有能量高度集中，方向性好，頻率單純、相干性好等優(yōu)點，是很理想的光源。 光電傳感器的類型及工作方式1、槽型光電傳感器把一個光發(fā)射器和一個接收器面對面地裝在一個槽的兩側(cè)的是槽形光電。發(fā)光器能發(fā)出紅外光或可見光，在無阻情況下光接收器能收到光。但當(dāng)被檢測物體從槽中通過時，光被遮擋，光電開關(guān)便動

23、作。輸出一個開關(guān)控制信號，切斷或接通負(fù)載電流，從而完成一次控制動作。槽形開關(guān)的檢測距離因為受整體結(jié)構(gòu)的限制一般只有幾厘米。2、對射型光電傳感器若把發(fā)光器和收光器分離開，就可使檢測距離加大。由一個發(fā)光器和一個收光器組成的光電開關(guān)就稱為對射分離式光電開關(guān)，簡稱對射式光電開關(guān)。它的檢測距離可達(dá)幾米乃至幾十米。使用時把發(fā)光器和收光器分別裝在檢測物通過路徑的兩側(cè)，檢測物通過時阻擋光路，收光器就動作輸出一個開關(guān)控制信號。3、反光板型光電開關(guān)把發(fā)光器和收光器裝入同一個裝置內(nèi)，在它的前方裝一塊反光板，利用反射原理完成光電控制作用的稱為反光板反射式(或反射鏡反射式)光電開關(guān)。正常情況下，發(fā)光器發(fā)出的光被反光板反

24、射回來被收光器收到；一旦光路被檢測物擋住，收光器收不到光時，光電開關(guān)就動作，輸出一個開關(guān)控制信號。4、擴(kuò)散反射型光電開關(guān)它的檢測頭里也裝有一個發(fā)光器和一個收光器，但前方?jīng)]有反光板。正常情況下發(fā)光器發(fā)出的光收光器是找不到的。當(dāng)檢測物通過時擋住了光，并把光部分反射回來，收光器就收到光信號，輸出一個開關(guān)信號。根據(jù)本設(shè)計的要求，本設(shè)計選擇使用對射型光電傳感器PM12。 PM12光電傳感器PM12光電傳感器是采用光電元件作為檢測元件的傳感器。光電傳感器一般由光源、光學(xué)通路和光電元件三部分組成。圖4.2中光電器件為光敏電阻，光敏電阻是一種均質(zhì)半導(dǎo)體光電器件，也稱光電管，其是用光電導(dǎo)效應(yīng)制成的。當(dāng)沒有光照時

25、，光敏電阻的阻值很大；當(dāng)它受到紅外光照射時，其阻值急劇減小。因此，將光敏電阻接入電路中，就可使電路中的電流在光照前后有很大變化，根據(jù)光照變化量進(jìn)而引起光敏電阻阻值變化，最終使輸出電壓發(fā)生變化，促使單片機(jī)作出相應(yīng)的動作。圖4.2 PM12光電傳感器4.2 信號處理電路的設(shè)計光電對射管Q1、Q2分別接入AT89C51的外部中斷0和1引腳相連，Q1和Q2均為對射式光電管（無遮斷時導(dǎo)通，遮斷時截止）。INT0和INT1均設(shè)置下降沿觸發(fā)。在INT0中斷處理程序中，啟動AT89C51內(nèi)計數(shù)器T0開始計數(shù)，在INT1中斷處理程序中，計數(shù)器T0停止計數(shù)。計數(shù)值暫存于單片機(jī)寄存器內(nèi)，為后續(xù)處理提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)。電

26、路圖如圖4.3所示：圖4.3 整形放大電路圖如圖所示，當(dāng)奔跑物體通過傳感器Q1、Q2時，傳感器將其產(chǎn)生的電壓信號傳給下級的三極管，然后通過三極管放大，經(jīng)過施密特觸發(fā)器CC40106芯片進(jìn)行整形，產(chǎn)生一個矩形方波脈沖，傳給單片機(jī)計數(shù)。4.3 單片機(jī)AT89C51介紹AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位C

27、PU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(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。圖4.4是常用的一種單片機(jī)9，型號為AT89C51，它將計算機(jī)的功能都集成到這個芯片內(nèi)部去了，就這么一個小小的芯片就能構(gòu)成一臺小型的電腦，因此叫做單片機(jī)。圖4.4 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(biāo)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(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)、控制電梯的升與降等，這32個腳叫做單片機(jī)的“端口”，在單片機(jī)技術(shù)中，每個

28、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”。AT89C51單片機(jī)的功能：1、主要特性：（1） 與MCS-51 兼容 （2） 4K字節(jié)可編程閃爍存儲器 （3） 壽命：1000寫/擦循環(huán)（4） 數(shù)據(jù)保留時間：10年（5） 全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz（6） 三級程序存儲器鎖定（7） 128*8位內(nèi)部RAM（8） 32可編程I/O線（9） 兩個16位定時器/計數(shù)器（10） 5個中斷源 （11） 可編程串行通道（12） 低功耗的閑置和掉電模式（13） 片內(nèi)振蕩器和時鐘電路 2、管腳說明10（圖4.5）：圖4.5 AT89C51管腳分布（1） VCC：供電電壓，（2） GND：接地。（

29、3） 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(dāng)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(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。（4） P1口：P1口是一個內(nèi)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(nèi)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(nèi)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。 （5） P2口：P2口為一個內(nèi)部上拉

30、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(dāng)P2口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)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(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)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(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)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。 （6） P3口：P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平

31、，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。 （7） P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口。（8） P3口管腳備選功能：（9） P3.0 RXD（串行輸入口）（10） P3.1 TXD（串行輸出口）（11） P3.2 /INT0（外部中斷0）（12） P3.3 /INT1（外部中斷1）（13） P3.4 T0（記時器0外部輸入）（14） P3.5 T1（記時器1外部輸入）（15） P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）（16） P3.7 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）（17） P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。（18） R

32、ST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要保持RST腳兩個機(jī)器周期的高電平時間。（19） ALE/PROG：當(dāng)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(jié)。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(dāng)用作外部數(shù)據(jù)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(zhí)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(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。（20） PSE

33、N：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(jī)器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。（21） EA/VPP：當(dāng)/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(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。（22） XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。（23） 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

34、輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)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(qū)動器件，XTAL2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)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(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。此外，AT89C51設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)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(shù)器，

35、串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存RAM的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個硬件復(fù)位為止。4.4 最小系統(tǒng)的設(shè)計 復(fù)位電路MCS-51 單片機(jī)復(fù)位電路是指單片機(jī)的初始化操作。單片機(jī)啟運運行時，都需要先復(fù)位，其作用是使CPU和系統(tǒng)中其他部件處于一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作。因而，復(fù)位是一個很重要的操作方式。但單片機(jī)本身是不能自動進(jìn)行復(fù)位的，必須配合相應(yīng)的外部電路才能實現(xiàn)。復(fù)位電路圖如圖4.6圖4.6 復(fù)位電路1、復(fù)位功能： 復(fù)位電路的基本功能是：系統(tǒng)上電時提供復(fù)位信號，直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后，撤銷復(fù)位信號。為可靠起見，電源穩(wěn)定后還要經(jīng)一定的延時才撤銷復(fù)

36、位信號，以防電源開關(guān)或電源插頭分-合過程中引起的抖動而影響復(fù)位。單片機(jī)的復(fù)位是由外部的復(fù)位電路來實現(xiàn)的。片內(nèi)復(fù)位電路是復(fù)位引腳RST通過一個斯密特觸發(fā)器與復(fù)位電路相連，斯密特觸發(fā)器用來抑制噪聲，它的輸出在每個機(jī)器周期的S5P2，由復(fù)位電路采樣一次。復(fù)位電路通常采用上電自動復(fù)位（如圖4.7(a)）和按鈕復(fù)位(如圖4.7 (b)兩種方式。 (a) 上電復(fù)位電路 (b) 按鍵復(fù)位電路圖圖4.7 復(fù)位電路圖2、單片機(jī)復(fù)位后的狀態(tài)：單片機(jī)的復(fù)位操作使單片機(jī)進(jìn)入初始化狀態(tài)，其中包括使程序計數(shù)器PC0000H，這表明程序從0000H地址單元開始執(zhí)行。單片機(jī)冷啟動后，片內(nèi)RAM為隨機(jī)值，運行中的復(fù)位操作不改變

37、片內(nèi)RAM區(qū)中的內(nèi)容，21個特殊功能寄存器復(fù)位后的狀態(tài)為確定值，見表4.1。值得指出的是，記住一些特殊功能寄存器復(fù)位后的主要狀態(tài)，對于了解單片機(jī)的初態(tài)，減少應(yīng)用程序中的初始化部分是十分必要的。說明：表4.1中符號*為隨機(jī)狀態(tài)：PSW00H，表明選寄存器0組為工作寄存器組； SP07H，表明堆棧指針指向片內(nèi)RAM 07H字節(jié)單元，根據(jù)堆棧操作的先加后壓法則，第一個被壓入的內(nèi)容寫入到08H單元中；Po-P3FFH，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(yōu)先級；IE0××00000B

38、，表明各個中斷均被關(guān)斷；系統(tǒng)復(fù)位是任何微機(jī)系統(tǒng)執(zhí)行的第一步，使整個控制芯片回到默認(rèn)的硬件狀態(tài)下。51單片機(jī)的復(fù)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(jī)即進(jìn)入芯片內(nèi)部復(fù)位狀態(tài)，而且一直在此狀態(tài)下等待，直到RESET引腳轉(zhuǎn)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(zhí)行芯片內(nèi)部的程序代碼，若為低電平便會執(zhí)行外部程序。51單片機(jī)在系統(tǒng)復(fù)位時，將其內(nèi)部的一些重要寄存器設(shè)置為特定的值，至于內(nèi)部RAM內(nèi)部的數(shù)據(jù)則不變。 晶振電路晶振（圖4.8）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(lián)再串聯(lián)一個電容的二端網(wǎng)絡(luò)，電工學(xué)上這個網(wǎng)絡(luò)有兩個諧

39、振點，以頻率的高低分其中較低的頻率是串聯(lián)諧振，較高的頻率是并聯(lián)諧振。AT89C51單片機(jī)內(nèi)部有一個用于構(gòu)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(gòu)成一個自激振蕩器。外接晶體諧振器以及電容C1和C2構(gòu)成并聯(lián)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(yán)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(wěn)定性、起振的快速性和溫度的穩(wěn)定性。因此，此系統(tǒng)電路的晶體振蕩器的值為12MHz，電容應(yīng)盡可能的選擇陶瓷電容，電容值約為30F。在焊接刷電路板時，晶體振蕩器和電容應(yīng)盡可能安裝得與單片機(jī)芯片靠近，

40、以減少寄生電容，更好地保證震蕩器穩(wěn)定和可靠地工作。晶體振蕩電路如圖4.8：晶振有一個重要的參數(shù)，那就是負(fù)載電容值，選擇與負(fù)載電容值相等的并聯(lián)電容，就可以得到晶振標(biāo)稱的諧振頻率。圖4.8 晶振電路4.5 LED顯示部分電路設(shè)計4.5.1 LED基本結(jié)構(gòu)LED是發(fā)光二極管顯示器的縮寫。LED由于結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、與單片機(jī)接口方便等優(yōu)點而得到廣泛應(yīng)用。LED顯示器是由若干個發(fā)光二極管組成顯示字段的顯示器件。在單片機(jī)中使用最多的是七段數(shù)碼顯示器。LED七段數(shù)碼顯示器由8個發(fā)光二極管組成顯示字段，其中7個長條形的發(fā)光二極管排列成“日”字形，另一個圓點形的發(fā)光二極管在顯示器的右下角作為顯示小數(shù)點用，其通

41、過不同的組合可用來顯示各種數(shù)字。LED引腳排列如下圖4.9所示。圖4.9 LED引腳排列4.5.2 LED顯示器的選擇在應(yīng)用系統(tǒng)中，設(shè)計要求不同，使用的LED顯示器的位數(shù)也不同，因此就生產(chǎn)了位數(shù)，尺寸，型號不同的LED顯示器供選擇，在本設(shè)計中，選擇4位一體的數(shù)碼型LED顯示器，簡稱“4-LED”。本系統(tǒng)中前一位顯示電壓的整數(shù)位，即個位，后兩位顯示速度的小數(shù)位。4-LED顯示器引腳如圖4.10所示，是一個共陰極接法的4位LED數(shù)碼顯示管，其中a，b，c，e，f，g為4位LED各段的公共輸出端，1、2、3、4分別是每一位的位數(shù)選端，dp是小數(shù)點引出端，4位一體LED數(shù)碼顯示管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是由4個單獨

42、的LED組成，每個LED的段輸出引腳在內(nèi)部都并聯(lián)后，引出到器件的外部。圖4.10 4位LED引腳對于這種結(jié)構(gòu)的LED顯示器，它的體積和結(jié)構(gòu)都符合設(shè)計要求，由于4位LED陰極的各段已經(jīng)在內(nèi)部連接在一起，所以必須使用動態(tài)掃描方式（將所有數(shù)碼管的段選線并聯(lián)在一起，用一個I/O接口控制）顯示。4.5.3 LED譯碼方式譯碼方式是指由顯示字符轉(zhuǎn)換得到對應(yīng)的字段碼的方式，對于LED數(shù)碼管顯示器，通常的譯碼方式有硬件譯碼和軟件譯碼方式兩種。硬件譯碼是指利用專門的硬件電路來實現(xiàn)顯示字符碼的轉(zhuǎn)換。軟件譯碼就是編寫軟件譯碼程序，通過譯碼程序來得到要顯示的字符的字段碼，譯碼程序通常為查表程序。本設(shè)計系統(tǒng)中為了簡化硬

43、件線路設(shè)計，LED譯碼采用軟件編程來實現(xiàn)。由于本設(shè)計采用的是共陰極LED，其對應(yīng)的字符和字段碼如下表4.2所示。顯示字符共陰極字段碼03FH106H25BH34FH466H56DH67DH707H87FH96FH4.5.4 LED顯示器與單片機(jī)接口設(shè)計由于單片機(jī)的并行口不能直接驅(qū)動LED顯示器，所以，在一般情況下，必須采用專用的驅(qū)動電路芯片，使之產(chǎn)生足夠大的電流，顯示器才能正常工作。如果驅(qū)動電路能力差，即負(fù)載能力不夠時，顯示器亮度就低，而且驅(qū)動電路長期在超負(fù)荷下運行容易損壞，因此，LED顯示器的驅(qū)動電路設(shè)計是一個非常重要的問題。為了簡化奔跑速度檢測電路設(shè)計，在LED驅(qū)動電路的設(shè)計上，采用三極管

44、對輸入位選端的電壓進(jìn)行放大，加大位選端口k1/k2/k3/k4的驅(qū)動能力，使得LED能按正常的亮度顯示出數(shù)字。電路圖如圖4.11所示。圖4.11 LED與單片機(jī)接口間的設(shè)計5 系統(tǒng)軟件設(shè)計硬件電路完成以后，進(jìn)行系統(tǒng)軟件設(shè)計。首先要分析系統(tǒng)對軟件的要求，然后進(jìn)行軟件的總體的設(shè)計，包括程序的總體設(shè)計和對程序的模塊化設(shè)計。按整體功能分為多個不同的模塊，單獨設(shè)計、編程、調(diào)試，然后將各個模塊裝配聯(lián)調(diào)，組成完整的軟件。根據(jù)設(shè)計的要求，單片機(jī)的任務(wù)是：內(nèi)部進(jìn)行計數(shù)，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(jī)。從程序流程圖、編寫程序、編譯，到最后的調(diào)試，是很復(fù)雜

45、的。下面作簡單介紹：系統(tǒng)軟件主程序的功能是完成系統(tǒng)的初始化、顯示程序。5.1 主程序初始化1、定時器的初始化AT89C51有兩個定時器/計數(shù)器T0和T1，每個定時器/計數(shù)器均可設(shè)置成為16位，也可以設(shè)置成為13位進(jìn)行定時或計數(shù)。計數(shù)器的功能是對T0或T1外來脈沖的進(jìn)行計數(shù)，外部輸入脈沖負(fù)跳變時，計數(shù)器進(jìn)行加1。定時功能是通過計數(shù)器的計數(shù)來實現(xiàn)的，每個機(jī)器周期產(chǎn)生1個計數(shù)脈沖，即每個機(jī)器周期計數(shù)器加1，因此定時時間等于計數(shù)個數(shù)乘以機(jī)器周期。定時器工作時，每接收到1個計數(shù)脈沖（或機(jī)器周期）則在設(shè)定的初值基礎(chǔ)上自動加1，當(dāng)所有位都位1時，再加1就會產(chǎn)生溢出，將向CPU提出定時器溢出中斷身請。當(dāng)定時器

46、采用不同的工作方式和設(shè)置不同的初值時，產(chǎn)生溢出中斷的定時值和計數(shù)值將不同，從而可以適應(yīng)不同的定時或計數(shù)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TMOD12的設(shè)定：GATEC/TM1-M0GATEC/TM1M0TMOD各位的含義如下：GATE：門控位，用于控制定時/計數(shù)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(shù)方式選擇位，當(dāng)C/T=1時工作于計數(shù)方式；當(dāng)C/T=0時工作于定時方式。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(jìn)行選擇，選擇情況如下表5.1：M1M0=00為方式0；M1M0=01

47、為方式1；表5.1 M1、M0為工作方式選擇位MOM1工作方式方式說明00110101012313位定時/計數(shù)器16位定時/計數(shù)器8位自動重置定時/計數(shù)器兩個8位定時/計數(shù)器（只有T0有）2、中斷允許控制MCS-51單片機(jī)中沒有專門的開中斷和關(guān)中斷指令，對各個中斷源的允許和屏蔽是由內(nèi)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(jié)地址為A8H，可以進(jìn)行位尋址。表5.2 中斷位尋址表IED7D6D5D4D3D2D1D0（A8H）EAET2ESET1EX1ET0EX0EA：中斷允許總控位。EA=0，屏蔽所有的中斷請求；EA=1，開放中斷。ET2：定時器/計數(shù)器T2的溢出中斷允許位ES

48、：串行口中斷允許位。ET1：定時器/計數(shù)器T1的溢出中斷允許位。EX1：外部中斷 INT1的中斷允許位。ET0：定時器/計數(shù)器T0的溢出中斷允許位。EX0：外部中斷 INT0的中斷允許位。5.2 主程序流程圖程序流程圖1、主程序流程圖5.1圖5.1流程圖2、顯示子程序流程圖5.2圖5.2顯示子程序流程圖總結(jié)采用單片機(jī)與光電傳感器技術(shù)來實現(xiàn)測速的測量，可以快速測量顯示速度，可以提高速度測量的精確度，本設(shè)計簡單易于用于工業(yè)等領(lǐng)域，且成本低廉，適合大規(guī)模生產(chǎn)，技術(shù)性要求較低。對于單片機(jī)與光電傳感器領(lǐng)域，技術(shù)研究非常完善，技術(shù)相對成熟，問題解決能力要求不高，對原有的各種性能特性無明顯的要求，能夠與其他

49、設(shè)備相互整合，因而具有較寬的應(yīng)用范圍和廣闊的應(yīng)用的前景。基于單片機(jī)的速度測量系統(tǒng)，具有硬件電路簡單，程序簡單和運算速度快，測速范圍廣，抗干擾性能好的特點。本課題由于能力的限制，在以下幾個問題上面有待進(jìn)一步改進(jìn)：1、在設(shè)計的信號處理電路中經(jīng)過濾波，能夠進(jìn)一步減少誤差，是測速精度得到提高。2、多套光電傳感器的運用可以進(jìn)一步提高測速精度以及準(zhǔn)確度。3、本課題沒有考慮報警環(huán)節(jié)設(shè)計。4、這個課題沒有進(jìn)行仿真，如果進(jìn)行仿真，本設(shè)計會更完美。致謝經(jīng)過幾個月的忙碌，本次畢業(yè)設(shè)計已經(jīng)接近尾聲，通過這次學(xué)校組織的畢業(yè)設(shè)計,端正了自己學(xué)習(xí)的態(tài)度,鍛煉了自己獨立動手的能力，在此，我要感謝每一個幫助過我的人。首先,我要感謝的是我的導(dǎo)師楊全玖老師。楊老師平日里工作繁多，但在我做畢業(yè)設(shè)計的每個階段，都給予我悉心的指導(dǎo)和幫助。每次我都是通過郵件以及電話詳細(xì)詢問論文設(shè)計所用到的一些技術(shù)問題，楊老師總是及時回復(fù)給予解答，另外，他的治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)和科學(xué)研究的精神也是我永遠(yuǎn)學(xué)習(xí)的榜樣，并將積極影響我今后的學(xué)習(xí)和工作。再次，我要感謝的是我的同學(xué)*和在我畢業(yè)設(shè)計期間，他們給了我不