数字式红外测速系统设计说明

1、数字式红外测速系统设计53 / 58摘   要本文提出了基于单片机的红外测速系统的硬件电路和软件实现。本文设计的系统实现转速的非接触测量，运用红外测速技术，采用主动测速方式，红外发射管连续向被测物体发射红外光，当被测物转过一圈后，红外接收管收到通过过孔的红外光，通过电路形成负脉冲，触发单片机的外部中断，利用单片机得以实现计数和速度显示的功能。在文章的最后给出了系统流程图和程序，并对程序进行了仿真，通过仿真证明本次设计方案切实可行。该系统具有成本低，体积小，运行稳定，硬件电路简单，功能强，可靠性高等特点。关键词： 51单片机；速度测量； 定时器； 红外技术； Viper22A

2、ABSTRACTThis paper puts forward speed system based on single chip infrared hardware circuit and software realization. The paper presents the design of the system realizes speed, using infrared non-contact measurement speed technology, using active speed way, infrared tubes to object to be tested for

3、 infrared radiation, when was launched after a lap around analyte, infrared receiving tube had received through the infrared, through the circuit holes formed the negative pulse, triggering the single-chip microcomputer and external interruption, using single chip computer implemented count and spee

4、d shows function. At the end of the article presented system, and flow chart and procedures for program is simulated,and simulation results proved that the design scheme is feasible.The system has low cost, small volume, stable operation, hardware circuit is simple, high reliability, the function is

5、 strong characteristic. Keywords: 51SCM; Speed measures； timer； Infrared Technique； Viper22A目  录摘   要IABSTRACTII第一章引言11.1 课题背景21.2 数字红外测速系统发展趋势21.3 数字红外测速系统系统基本原理4第二章数字式红外测速系统总体方案论证52.1 系统设计原则52.2 控制系统方案论证52.3 显示部分方案论证62.4 红外检测部分方案论证72.5 电源部分方案论证7第三章数字红外测速系统硬件设计83.1 系统工作原理83.1.1

6、AT89S52单片机简介93.1.2 MCU部分接口电路133.2 红外调制发射电路143.2.1 集成电路NE555简介143.2.2 红外调制发射电路设计163.3 红外接收电路163.4 LED数码显示电路173.4.1 LED数码管简介173.4.2LED数码管接口电路183.5复位与时钟193.6 电源电路设计203.6.1开关电源的分类203.6.2 开关电源原理213.6.3 VIPerX2A芯片简介223.6.4 分流基准源TL431简介253.6.5 开关电源电路设计26第四章系统软件设计284.1 主程序流程图284.2 延时函数294.3 数码显示函数304.4 51单片

7、机的定时器314.4.1 定时器寄存器配置314.4.2 定时器相关控制函数设计34第五章 软件调试与系统仿真36结束语38致39参考文献40附录41附录-1 AT89S52头文件41附录-2 数字红外测速系统原理图50附录-3 数字红外测速系统程序51第一章 引言现代科学技术的不断发展极推动了不同学科间的交叉与渗透 ，导致了工程领域的技术革命与改造。在机械工程领域，由于微电子技术和计算机技术的迅速发展与向机械工业的渗透所形成的机电一体化，使机械工业的产品机构、功能与构成、技术结构、生产方式与管理体系都发生了巨大变化，使工业生产由“机械电气化”迈入了“机电一体化”为特征的发展阶段。现代科学技术

8、与复杂的自动控制系统和信息处理理论和技术的提高，光电信号变换与检测技术的不断涌现，综合性自动化，智能化光电系统得到进一步发展，形成了包括光学，精密机械，电子学和计算机的高度知识集中的新科学光学精密机械电子学。这种跨学科的边缘科学就是光电技术。如今光电技术已广泛应用农业、工业、文教、卫生、国防、科研和家庭生活等领域。因此，光电检测技术是光电技术的核心与重要组成部分。光电检测技术是一种非接触测量的高新技术，它通过光电检测器件接收光信号，并转换成电信号，再由检测电路提取出有用的信号，经过一定的变换接口输入微型计算机运算处理，最后显示出所需要的数据。因此光电检测技术是现代检测技术的最重要手段和方法。是

9、计量检测技术的一个重要发展方向。随着科学技术的“信息时代”和不断发展的到来，传感器技术得到了广泛的应用，需求越来越迫切，对其性能要求越来越高。了解并掌握各类传感器的基本结构、工作原理与特性是非常重要。 传感器主要应用于各种控制和测量系统，它性能好坏直接影响到系统的性能。所以必须掌握各类传感器的结构、原理与其性能指标，懂得传感器经过适当的接口电路调整才能满足信号的处理、显示和控制的要求，只有通过对传感器应用实例的原理和智能传感器实例进行分析了解，才能将传感器和信息通信与信息处理结合起来，适应传感器的生产、研制、开发和应用。在另一方面，传感器的被测信号非常广泛，它来自于各个应用领域，每个领域都为了

10、改革生产力和提高工效，各自都在开发研制适合自己应用的传感器，于是种类繁多的新型传感器与传感器系统也就不断涌现出来。测量转子速度的方法很多，但多数比较复杂1。目前，测量转速的方法主要有四种2：机械式、电磁式、光电式和激光式。机械式主要利用离心力原理，通过一个随轴转动的固定质量重锤带动自由轴套上下运动，根据不同转速对应不同轴套位置获得测量结果原理简单直接，不需额外电器设备，适用于精度要求不高、接触式的转速测量场合。电磁式系统由电磁传感器和安装在轴上的齿盘组成，主轴转动带动齿盘旋转，齿牙通过传感器时引起电路磁阻变化，经过放大整形后形成脉冲，通过脉冲得到转速值。由于受齿盘加工精度、齿牙最小分辨间隔、电

11、路最大计数频率等限制，测量精度不能保证。光电式结构类似于电磁式结构，把旋转齿盘换作光电编码盘或黑白相间的反射条纹，把电磁传感器换作光电接收器，通过对反射回来的光脉冲信号计数得到测量结果。由于受条纹最小分辨间隔、电路最大计数频率等限制，测量精度不能保证，所测转速值和电磁式一样为两个计数脉冲间距的平均值。激光测速技术(LDV)是一种正在发展中的测速技术，通过激光多普勒效应获得转动体的瞬时角速度，理论上具有很高的瞬时转速测量精度，但目前实际产品精度不够高，并且价格昂贵，在实际使用上受到限制。1.1 课题背景测速技术在日常生活中的应用非常广泛，如汽车行驶速度的测量、电机转速的测量。按照不同的分类方法，

12、测速方法可以分为周向测量和径向测量、主动式测量和被动式测量、接触式测量和非接触式测量。过去常用测速机、脉冲发生器、模拟变换器等测速方法，由于易受外界凶素的影响，所以常受到测量精度和测量场合的限制。现在常用的测速技术有超声波测速、霍尔元件测速、红外测速和激光测速。相比之下红外测速可以实现非接触、主动式的测量，这种测量方式不从被测物体吸取能量，不破坏现场环境，另外使用红外光可以避免可见光的影响，从而增加了系统的抗干扰能力。本文介绍了一种用于周向速度测量的简易系统，被测轴每转动一圈，红外光电传感器的接收端便产生一个负脉冲，利用这个脉冲来触发单片机的外部中断，单片机在中断信号到来时计数器自动加1，每过

13、lS，单片机取出计数器数值，这个值就是被测轴在1S转过的圈数，也就是被测物的转速，通过单片机处理，然后用数码管显示。1.2 数字红外测速系统发展趋势随着科学技术的不断提高，单片机技术日益成熟，其强大的功能已被人们深刻认识。人们已经越来越习惯于用单片机来开发测速系统。进入21世纪后，数字测速系统正朝着高精度、高可靠性与安全性的方向迅速发展。目前按现有产品的主要构成元件分类，可分为晶体管式、集成电路路式和单片机式。晶体管式所采用的元件主要是晶体管，有的晶体管式转速测量仪设有记忆电路，其数码管无闪烁现象，显示效果较好，而且测量速度较高。顾名思义集成电路式转速测量仪，所采用的元件是集成电路元件。由于集

14、成电路具有重量轻、体积小、功耗小等优点，而且集成电路元件设有显示电路，这使得转速测量仪实现小型化。而单片机的出现使得这种仪表的设计变得更加灵活。 单片机是一种集CPU（Central Process Unit）、RAM、ROM、定时器计数器、以与输入输出（IO）接口电路等主要计算机部件于一块芯片上。这使得这种转速测量仪的硬件设计变得更加简单，功能的实现变得更加灵活。它共有111条指令，能寻址ROM64KB、片具有数据存储区RAM128byte，可扩展RAM至64KB。工作频率633MHz指令执行速度快，使得其应用于各种精密仪表，设计非常灵活。这使得在扩大测量围、提高测量精度、扩展功能、缩小体积

15、、降低成本等方面都可使转速测量仪达到一个新的水平。现有的相当一部分数字式转速测量仪的微处理器是单片机。在用单片机设计转速测量仪而言，单片机机式，又称微电脑式或智能式转速测量仪。这种转速测量仪在八十年代中期得到较快的发展。其主要元件采用单片机。如国产IZSH一2型、SZSB型和日本真空公司的DT一105型，DT一205型，EE一1型，EE一2型转速表就是这种类型。微机，尤其是单片微机的应用，在扩大测量围、提高测量精度、扩展功能以与缩小体积，降低成本等方面均可使转速表提高到一个新的水平。手持式转速测量仪的传感器和显示仪是装置在同一壳体的。这种转速表体积很小，可以用手拿着进行临时性的测量。如国产SZ

16、G一20型，XSZ-140型，DSZ84-11型，FC一53l型、Zl1型、IZSH一1，2型和日本小野测器公司的TM-2000型，HT系列转速测量仪就属于这种类型。为了缩小体积，手持式转速测量仪的主要元件采用单片机，其显示器件常用LCD数字显示屏，其电源采用五号普通电池或钮扣电池，其传感器多用光电计数式传感器。其中红外数字转速仪是一种以单片机为核心元件的非接触式，光电传感的转速计量仪器。它由光源、光电盘、光敏二极管、检波放大电路与数显装置等组成。光电盘随转轴一同转动,光敏二极管将光电盘透射来的光信号转换为电信号,然后通过计数脉冲的频率,即可在数显装置上读出旋转轴的转速。目前我国的转速计量技术

17、与发达国家相比，在精度上与发达国家还有一定的差距。国家质量监督局的文件显示，目前在我国工业领域应用的高精度转速计量仪器中，90%的转速测量仪的测量准确度只能达到0.1%左右，而在发达国家的测量精度能达到0.05%。可想而知，两者测量精度的不一样，会在产品的质量上产生什么样的结果。同样由于机械式转速测量仪的精度上和测量方式上远远比不上光电式转速测量仪，所以采用红外数字转速测量仪是转速测量仪器发展的一种不可避免的趋势。1.3 数字红外测速系统系统基本原理在被测物的叶轮上开有小孔。红外光电传感器的发射电路发出信号驱动红外发光二极管发射红外光，通过叶轮转盘小孔，红外接收管接收到发射信号后，将红外光电传

18、感器测得的脉冲信号送入脉冲检测电路。检测电路由定时器/计数器和相应的逻辑电路组成，它实现了高精度的数字测速。此脉冲信号送到计数器/定时器计算个数，如果轮轴上开有一个小孔一个脉冲信号既说明一个轮轴旋转一周。在系统中，由定时器产生高频脉冲，用来作为计时的标准脉冲。在对被测脉冲个数计数的同时，对标准脉冲也同时进行计数，标准脉冲个数反映了测量时间。通过计算，被测脉冲个数除以标准脉冲个数（时间）所得结果，既为测量物品时的速度值。便通过单片机处理，然后用数码管显示。该方法不受转速高低的限制，在高速和低速时都能获得较高的测量精度。本文将传感器理论与单片机实际应用有机结合，详细地讲述了利用红外对管在测速系统中

19、的应用与红外测速的原理过程。本设计系统主要包括电源电路，红外发射信号调制电路，频率捕捉模块，数据处理，温度显示模块等部分。文中对每个部分功能、实现过程作了详细介绍。整个系统的核心是实现转速测量，完成了课题所有要求。第二章 数字式红外测速系统总体方案论证2.1 系统设计原则数字是红外测速系统的设计一般应遵循以下几个原则：（1）可靠性和稳定性：考虑技术先进的同时，应确保系统可靠稳定的运行。（2） 实用性和先进性：所设计的数字是红外测速系统应该在体现实用的原则下，尽可能的采用先进的技术和方法，力求物尽其用，不虚设浪费。（3）可扩展性和易维护性：为了适应用户要求，必须充分考虑系统的升级能力和扩展能力。

20、同时系统应便于维护，尽可能的降低系统的运行和维护费用。（4）具有高性能价格比，能够做到物有所值，追求物超所值。2.2 控制系统方案论证本设计系统主要包括电源电路，红外发射信号调制电路，频率捕捉模块，数据处理，速度显示模块等部分。其系统总体框图如图2-1所示：主控制器速度显示红外发射红外接收系统电源图2-1 红外测速系统框图方案一：可采用ALTERA公司的FLEX10K系列PLD器件。设计起来结构清晰，各个模块，从硬件上设计起来相对简单，控制与显示的模块间的连接也会比较方便。但是考虑到本设计的特点，EDA在功能扩展上比较受局限，而且EDA占用的资源也相对多一些。从成本上来讲，用可编程逻辑器件来设

21、计也没有什么优势。方案二：采用MSP430系列单片机是一个16位的超低功耗单片机。它具有独特的时钟系统设计，其各系列都集成了看门狗（WDT）、模拟比较器A、定时器A0（Timer_A0）、定时器A1（Timer_A1）、定时器B0（Timer_B0）、UART、SPI、I2C、硬件乘法器、液晶驱动器、10位/12位ADC、16位- ADC、DMA、I/O端口、基本定时器（Basic Timer）、实时时钟（RTC）和USB控制器等若干外围模块。采用了精简指令集（RISC）结构，具有丰富的寻址方式、简洁的 27 条核指令以与大量的模拟指令；大量的寄存器以与片数据存储器都可参加多种运算；还有高效的

22、查表处理指令。这些特点保证了可编制出高效率的源程序。它能在25MHz晶体的驱动下，实现40ns的指令周期。16位的数据宽度、40ns的指令周期以与多功能的硬件乘法器（能实现乘加运算）相配合，能实现数字信号处理的某些算法（如 FFT 等）。方案三：采用ATMEL公司的51系列单片机。AT89S52 是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非 易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完 全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于 常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统 可编程Fla

23、sh，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提 供高灵活、超有效的解决方案。 经过比较和筛选和综合考虑，数字红外测速系统这个设计不太复杂,只用到了定时器资源。不必用MSP43016位单片机或PLD逻辑器件来完成，采用51单片机既能够实现既定功能，而且性价比高。2.3 显示部分方案论证方案一：如果显示数据较多，采用8段数码管虽操作比液晶显示来说略显繁琐，但本系统显示要求不是太高，而且选用数码管经济实惠。方案二：采用液晶显示方式。液晶显示效果出众，可以运用菜单项来方便操作，比较简单。经过综合考虑，由于该系统现实要求不高，仅需显示三位数字，且单片机也恰有三组I/O口余留，使用数码管显示比液晶显示

24、更加方便，也更节约成本，所以最后我们选择数码管显示方案。2.4 红外检测部分方案论证方案一：直接采用红外光电对管进行发射和接收成本极低，但容易收到外界光的干扰，影响测量系统的稳定性。方案二：将红外发射信号经过调制在发射出去，再由专门的集成接收芯片进行采集。这样一来不仅大大提高了系统稳定性，增强了抗干扰能力，而且降低了发射功率。经过综合考虑，我采用方案二将红外信号进行调制后再发射，再用集成芯片进行接收。2.5 电源部分方案论证方案一：采用线性电源。线性稳压直流电源的特点是：输出电压比输入电压低；反应速度快，输出纹波较小；工作产生的噪声低；效率较低(现在经常看的LDO就是为了解决效率问题而出现的)

25、；发热量大（尤其是大功率电源），间接地给系统增加热噪声。方案二：采用开关电源。开关型稳压电源采用功率半导体器件作为开关，通过控制开关的占空比调整输出电压。以功率晶体管（GTR）为例，当开关管饱和导通时，集电极和发射极两端的压降接近零，在开关管截止时，其集电极电流为零，所以其功耗小，效率可高达70%95%。而功耗小，散热器也随之减小，同时开关型稳压电源直接对电网电压进行整流滤波调整，然后由开关调整管进行稳压，不需要电源变压器；此外，开关工作频率在几十千赫，滤波电容器、电感器数值较小。因此开关电源具有重量轻，体积小等特点。经过综合考虑，由于本系统对电源要求不高，为了降低功耗，减小电源体积和降低热噪

26、声，我采用开关电源为系统供电。第三章 数字红外测速系统硬件设计3.1 系统工作原理本数字红外测速系统主要由系统电源电路、AT89S52单片机、红外发射调制电路、红外接收电路和显示电路等部分组成。如图3-1所示。图3-1 数字红外测速系统原理图系统工作原理:开关电源部分由220V整流、滤波后输出300V直流电压，通过在控制极（可控硅）上加上脉冲信号来完成功率极导通和截止，通过开关变压器传到次级，再通过变压比将电压升高或降低，供各个电路工作。振荡脉冲的负半周到来，电源调整管的基极、或可控硅的控制极电压低于原来的设置电压，电源调整管截止，300V电源被关断，开关变压器次级没电压，这时各电路所需的工作

27、电压，就靠次级本路整流后的滤波电容放电来维持。待到下一个脉冲的周期正半周信号到来时，重复上一个过程。红外测速部分由NE555连续发射调制信号，红外光电传感器的发射电路发出信号驱动红外发光二极管发射红外光，通过叶轮转盘小孔，红外接收管接收到发射信号后，将红外光电传感器测得的脉冲信号送入AT89S52的计数器进行计数。再经过MCU进行一定的计算便可以得出所测的速率。本数字红外测速系统主要由AT89S52单片机、红外调制发射电路、红外接收电路和显示电路等部分组成。3.1.1 AT89S52单片机简介 AT89S52 是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash 存储器

28、。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统 可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提 供高灵活、超有效的解决方案。 AT89S52具有以下标准功能： 8k字节Flash，256字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16 位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口， 片晶振与时钟电路。另外，AT89S52 可降至0Hz 静态逻 辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CP

29、U 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。 1、 AT89S52主要性能 与MCS51单片机产品兼容； 8K字节在系统可编程Flash存储器； 1000次擦写周期； 全静态操作：0Hz33MHz； 三级加密程序存储器； 32个可编程I/O口线； 三个16位定时器/计数器； 八个中断源； 全双工UART串行通道； 低功耗空闲和掉电模式； 掉电后中断可唤醒； 看门狗定时器； 双数据指针； 掉电标识符。2、  部结构和引脚说明AT89S52外形结构如图3-2所示：图

30、3-2 AT89S52外形结构图P0 口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻 辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。 当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下， P0不具有部上拉电阻。 在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验 时，需要外部上拉电阻。 P1 口：P1 口是一个具有部上拉电阻的8 位双向I/O 口，p1 输出缓冲器能驱动4 个 TTL 逻辑电平。对P1 端口写“1”时，部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入 口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由

31、于部电阻的原因，将输出电流（IIL）。 此外，P1.0和P1.1分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和定时器/计数器2 的触发输入（P1.1/T2EX）。 在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。 引脚号第二功能： P1.0 T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出 P1.1 T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制） P1.5 MOSI（在系统编程用） P1.6 MISO（在系统编程用） P1.7 SCK（在系统编程用） P2 口：P2 口是一个具有部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P2 输出缓冲器能驱动4 个 TTL 逻辑电平。对P

32、2 端口写“1”时，部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入 口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于部电阻的原因，将输出电流（IIL）。 在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX DPTR） 时，P2 口送出高八位地址。在这种应用中，P2 口使用很强的部上拉发送1。在使用 8位地址（如MOVX RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的容。 在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。 P3 口：P3 口是一个具有部上拉电阻的8 位双向I/O 口，p3 输出缓冲器能驱动4 个 TTL 逻辑电平。对P3 端口写“1”时，部上拉电阻

33、把端口拉高，此时可以作为输入 口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于部电阻的原因，将输出电流（IIL）。 P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。 在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。 端口引脚 第二功能： P3.0 RXD(串行输入口) P3.1 TXD(串行输出口) P3.2 INTO(外中断0) P3.3 INT1(外中断1) P3.4 TO(定时/计数器0) P3.5 T1(定时/计数器1) P3.6 WR(外部数据存储器写选通) P3.7 RD(外部数据存储器读选通) 此外，P3口还接收一些用于FLASH闪存编程和程序校验的控制信号。 R

34、ST：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将是单片机复位。 ALE/PROG：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。对FLASH存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机

35、执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。 PSEN：程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89S52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。 EA/VPP：外部访问允许，欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时部会锁存EA端状态。如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行部程序存储器的指令。FLASH存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使

36、用12V编程电压Vpp。 XTAL1：振荡器反相放大器和部时钟发生电路的输入端。 XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。3.1.2 MCU部分接口电路其数字红外测速系统主控MCU部分与外围部分接口电路如图3-3所示：图3-3 主控MCU接口电路为了能够充分利用单片机资源，又能使系统工作更加可靠。频率显示采用静态数码管显示方案。这样既充分利用了单片机的I/O口，又使得显示不至于闪烁。其数码管个位接单片机口，十位接单片机P0口，百位接单片机P1口。频率输入就单片机定时器/计数器T1,即15脚。3.2 红外调制发射电路3.2.1 集成电路NE555简介NE555 (Timer IC)大约在1971年

37、由Signetics Corporation发布，在当时是唯一非常快且商业化的Timer IC，在往后的30年来非常普遍被使用，且延伸出许多的应用电路。 NE555是属于555系列的计时IC的其中的一种型号，555系列IC的接脚功能与运用都是相容的，只是型号不同的因其价格不同其稳定度、省电、可产生的振荡频率也不大一样；而555是一个用途很广且相当普遍的计时IC，只需少数的电阻和电容，便可产生数位电路所需的各种不同频率之脉波讯号。 NE555的特点有： 1.只需简单的电阻器、电容器，即可完成特定的振荡延时作用。其延时围极广，可由几微秒至几小时之久。 2.它的操作电源围极大，可与TTL，CMOS等

38、逻辑闸配合，也就是它的输出准位与输入触发准位，均能与这些逻辑系列的高、低态组合。 3.其输出端的供给电流大，可直接推动多种自动控制的负载。 4.它的计时精确度高、温度稳定度佳，且价格便宜。 NE555引脚位配置与部结构如图3-4所示： 图3-4 NE555引脚与结构图Pin 1 (接地) -地线(或共同接地) ，通常被连接到电路共同接地。Pin 2 (触发点) -这个脚位是触发NE555使其启动它的时间周期。触发信号上缘电压须大于2/3 VCC，下缘须低于1/3 VCC 。Pin 3 (输出) -当时间周期开始555的输出输出脚位，移至比电源电压少1.7伏的高电位。周期的结束输出回到O伏左右的

39、低电位。于高电位时的最大输出电流大约200 mA 。Pin 4 (重置) -一个低逻辑电位送至这个脚位时会重置定时器和使输出回到一个低电位。它通常被接到正电源或忽略不用。Pin 5 (控制) -这个接脚准许由外部电压改变触发和闸限电压。当计时器经营在稳定或振荡的运作方式下,这输入能用来改变或调整输出频率。Pin 6 (重置锁定) - Pin 6重置锁定并使输出呈低态。当这个接脚的电压从1/3 VCC电压以下移至2/3 VCC以上时启动这个动作。 Pin 7 (放电) -这个接脚和主要的输出接脚有一样的电流输出能力，当输出为ON时为LOW，对地为低阻抗，当输出为OFF时为HIGH，对地为高阻抗。

40、Pin 8 (V +) -这是555个计时器IC的正电源电压端。供应电压的围是+4.5伏特(最小值)至+16伏特(最大值)。参数功能特性： 供应电压4.5-18V 供应电3-6 mA 输出电225mA (max) 上升/下时间100 ns3.2.2 红外调制发射电路设计红外发光二极管采用脉冲直流驱动；由NE555定时器构成多谐振荡器，提供频率f为38KHz、占空比为1/3的矩形波，驱动红外二极管D_FA；R3为二极管限流电阻。这种电路不仅降低了太、外界灯光等干扰源的影响，而且降低了系统功耗。接收部分采用专用接收集成电路，其工作中心频率与发射部分红外光频率一样。其红外发射装置的驱动电路如图3-5

41、所示：图3-5 红外发射装置的驱动电路3.3 红外接收电路红外接收电路如图3-6所示，为了使系统稳定可靠工作，设计采用一体化红外接收头1838，为了进一步降低外界干扰，在接收头的供电脚上加上了一个47UF滤波电容，电脚和电源之间接入了1000欧电阻。 图3-6 红外接收电路3.4 LED数码显示电路3.4.1 LED数码管简介LED显示器件是通过发光二极管显示字段的器件。在单片机控制系统中常用的是由7段LED数码管，它的显示块中有8个发光二极管，7个发光二极管组成字符“8”，1个发光二极管构成小数点，因此有人称7段LED数码管为8段显示器。LED数码管的管脚配置如图3-7所示。图3-7 LED

42、数码管管脚配置LED数码管有共阴极和共阳极两类，如图3-8所示。共阴极LED数码管的发光二极管的阴极共地，如图3-8（a）和图3-7，当某个发光二极管的阳极电压为高电平时，二极管发光；而共阳极LED数码管是发光二极管的阳极共接，即将图3-7的管脚3和管脚8都接到5V，共阳极数码管如图3-8（b），当某个二极管的阴极电压为低电平时，二极管发光。图3-8 两类LED数码管3.4.2 LED数码管接口电路为了实时稳定显示当前速度，引入了三个数码管。单片机测得当前速度，控制数码管的相应管脚，便可以数字形式显示来。由于本系统只需显示三位，而单片机也有三组I/O口余留，从产品性价比考虑我们采用三位共阳数码

43、管静态显示方式。三个数码管的8段分别连接单片机P0、P1、P2口。当控制端为高电平时，数码管阴极和地断开，该数码管对应段选不亮；当控制端为低电平时，数码管阴极和地接通，该数码管对应段选点亮。显示电路如图3-9所示。图3-9 显示电路3.5复位与时钟复位对于一个系统正常运行来说很重要，各个单元要进入正常工作状态，需要可靠的复位。所有的微控制器都有一个复位逻辑，它将微控制器初始化某个确定状态，这个复位逻辑需要一个复位信号才能工作，一些微控制器在上电时刻会自动产生复位信号，但大多数微控制器需要外部输入这个信号，这个信号的稳定性和可靠性对系统的影响非常的大。一般情况下，有上电复位和手动复位。复位电路可

44、以采用简单的阻容复位，这个电路成本低廉。其电路如图3-10所示。图3-10 复位电路时钟电路如图3-11所示。XIN和XOUT分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片振荡器。石晶振荡和瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XOUT应不接。图3-11 时钟电路3.6 电源电路设计随着电子技术的高速发展，电子设备与人们的工作生活关系日益密切，电子设备都离不开可靠的电源，开关电源正在走向大众化、微型化。开关电源将逐步取代变压器在生活中的应用，低功率微型开关电源的应用要首先体现在数显表、智能电表、手机充电器等方面。3.6.1开关电源的分类开关电源可分为AC/DC和DC/DC两大类，也

45、有AC/AC DC/AC 如逆变器 DC/DC变换器现已实现模块化，且设计技术与生产工艺在国外均已成熟和标准化，并已得到用户的认可，但AC/DC的模块化，因其自身的特性使得在模块化的进程中，遇到较为复杂的技术和工艺制造问题。以下分别对两类开关电源的结构和特性作以阐述。自激式是无须外加信号源能自行振荡，自激式完全可以把它看作是一个变压器反馈式振荡电路。 它激式完全依赖于外部维持振荡，在实际应用中自激式应用比较广泛。根据激励信号结构分类；可分为脉冲调宽和脉冲调幅两种，脉宽调制是控制信号的宽度，也就是频率，脉冲调幅控制信号的幅度，两者的作用一样都是使振荡频率维持在某一围，达到稳定电压的效果。变压器的

46、绕组一般可以分成三种类型，一组是参与振荡的初级绕组，一组是维持振荡的反馈绕组，还有一组是负载绕组。3.6.2 开关电源原理在线性电源中，功率晶体管工作在线性模式，与线性电源不同，PWM开关电源功率晶体管是工作在导通和关断的状态，在这两种状态中，加在功率晶体管上的伏-安乘积是很小的，功率器件上的伏安乘积就是功率半导体器件上所产生的损耗。 与线性电源相比，开关电源更为有效的工作过程是通过“斩波”，把输入的直流电压斩成幅值等于输入电压幅值的脉冲电压。脉冲的占空比由开关电源控制器来调节。一旦输入电压被斩成交流方波，其幅值就便可通过变压器来升高或降低。通过增加变压器的二次绕组数就可以增加输出的电压组数。

47、最后这些交流波形经过整流滤波后就得到直流输出电压。 控制器的主要目的是保持输出电压稳定，它的工作过程与线性形式的控制器很类似。也就是说控制器的功能块、电压参考和误差放大器，可以设计成与线性调节器一样。它的不同之处在于，误差放大器的输出在驱动功率管之前要经过一个电压/脉冲宽度转换单元。 开关电源有两种主要的工作方式：正激式变换和升压式变换。尽管它们各部分的布置差别很小，但是工作过程相差很大，在特定的应用场合下各有优点。开关电源的主要电路是由输入电磁干扰滤波器（EMI）、整流滤波电路、功率变换电路、PWM控制器电路、输出整流滤波电路组成。辅助电路有输入过欠压保护电路、输出过欠压保护电路、输出过流保

48、护电路、输出短路保护电路等。开关电源的电路组成方框图如图3-12所示：图3-12 开关电源电路组成方框图3.6.3 VIPerX2A芯片简介VIPerX2A是一个单封装的产品，在同一颗芯片上整合了一个专用电流式PWM控制器和一个高压功率场效应MOS 晶体管。这种方法可以减少组件数量，降低系统成本，简化电路板设计。因此，这个产品家族广泛用于离线开关式电源。此外，该系列产品还采用微型的SMD 封装 (SO-8)。VIPer 系列的待机功耗（小于1W）符合使和能源之星等节能标准。VIPerx2A产品采用ST 的VIPower M0-3 高压专利技术，M0-3 高压技术利用一个P 型掩埋层的方法，允许

49、在同一颗芯片上集成低压系统（PWM）和电流垂直流动的功率级，MO-3 技术示意图如图3-13所示。图3-13 MO-3 技术示意图VIPerX2A产品有以下一般特性: 自动热关断 高压启动电流源 输入交流电压围85-265Vac 输出1-12V 输出2-5V/400mA( 连接输出1 的线性稳压器) 纹波电流<50mA 连续电流 输出电流（12V 和5V） 600mA 峰值电流，小于5 分钟 待机功耗<1W 防止输出短路导致击穿故障的打嗝（HICCUP）模式 保证低负载条件下低功耗的突发模式VIPer M0-3 技术还可用于开发最小击穿电压为730V 的功率场效应MOS 晶体管。表

50、3-1说明了该产品在不同的封装和工作条件下的功率处理能力。表3-1 在不同的封装和工作条件下的功率处理能力宽压围（85-265V）宽压围（85-265V）单电源电压围（180-265V）单电源电压围（180-265V）SO-8DIPSO-8DIPVIPer12A5W8W8W13WVIPer22A7W12W12W20W其结构框图如图3-14所示：图3-14 VIPer22A结构框图不难看出功率级是由含有一个快速比较器的电流式结构驱动的，驱动电流来自 NMO Ssense 和feed-back (FB) 两个引脚。比较器输出连接到消隐时间模块，以确保导通时间最短。只需一个外部振荡器，即可将开关频率

51、固定在60kHz，从而不再需要其它的外部组件。其它的部模块是部电源稳压器和过热检测器，前者在VDD 引脚上能够支持45V，后者在170°C （典型值）时提供热关断功能。该产品的系统控制是一个电流模式结构，在这个结构中，N-MOS 感应电流和FB 电流汇合在电阻器R2 上。电阻R2上的电压取决于这个电流值的大小，然后，这个电压值与一个部固定的参考电压 (0.23V)比较。比较器的输出用于驱动场效应MOS 晶体管，因此，开关频率取决于反馈电流和Id 电流值的大小。在这个应用中，反馈回路的实现方法是通过一个光耦合器利用输出电压驱动这个FB 引脚，以保证输入出输出之间的绝缘。监视VDD 电压

52、的是一个磁滞比较器，它能够管理启动电流生成器。事实上，只要VDD 电压值大于VDDON 的电压值，比较器就会导通，并给VDD 电容器充电。一旦达到这个条件，功率场效应MOS 晶体管就立即开始开关操作。突发模式工作原理是跳过一样的开关周期，以便在负载减弱时降低功耗。3.6.4分流基准源TL431简介仪器公司（TI）生产的TL431是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从Vref（2.5V）到36V围的任何值。该器件的典型动态阻抗为0.2，在很多应用中可以用它代替齐纳二极管，例如，数字电压表，运放电路、可调压电源，开关电源等等。该器件的符号如图3-1

53、5所示。图3-15 TL431的符号3个引脚分别为：阴极（CATHODE）、阳极（ANODE）和参考端（REF）。TL431的具体功能可以用如图3-16的功能模块示意。图3-16 TL431功能模块示意图 由图可以看到，VI是一个部的2.5V基准源，接在运放的反相输入端。由运放的特性可知，只有当REF端（同相端）的电压非常接近VI（2.5V）时，三极管中才会有一个稳定的非饱和电流通过，而且随着REF端电压的微小变化，通过三极管 图1 的电流将从1到100mA变化。当然，该图绝不是TL431的实际部结构，所以不能简单地用这种组合来代替它。但如果在设计、分析应用TL431的电路时，这个模块图对开启

54、思路，理解电路都是很有帮助的，本文的一些分析也将基于此模块而展开。3.6.5开关电源电路设计在一次侧，整流桥D1和C1构成桥式整流电容滤波电路，将220V交流电转换为约310V直流电，R101为限流保护电阻，可以减少开机时浪涌电流，并可作保险丝用。其开关电源整流电路如图3-17所示：图3-17 开关电源整流电路变压器T在高频下工作，故体积比工频电源变压器小得多。Nl为初级绕组，N2为次级绕组，N3为VIPer22A与Vcc偏置绕组。开关变压器采用El9磁芯，Nl为l35匝(电感值为2mH，漏感为60H)，N2为23匝，N3为9匝。在二次侧，VIPer22A和开关变压器的初级绕组N1构成反激式开

55、关电源电路，D5、R2、C3构成吸收回路，D6、C4为提供VIPer22A工作电源（约15V/DC）的辅助电源电路。D7（FR107快恢复二极管）、C102、C103构成二次侧整流滤波电路；R103、C105为吸收回路，R112和D8为假负载和输出指示；R105为电流取样电阻与Q1构成限流电路，C8为慢启动电容，防止启动时输出电容的冲击电流产生误动作；R110、R111为电压取样电阻与U3（TL431为2.5V基准电压电路）构成5V稳压电路； PC817为光耦芯片，现实电气隔离和反馈控制，R107为其限流电阻，R106为TL431的偏置电阻。输出电流和电压两个控制回路经光耦器PC817反馈到V

56、IPer22A的FB（3）脚，控制PWM 占空比，当输出电流大于0.3A或输出电压超过5V时，流过TL431和PC817（1/2）脚的电流（IFB）将增加，则式中：R2=200欧，IdMOSFET的工作电流将减小。其DC-DC开关电源原理图如图3-18所示：图3-18 DC-DC开关电源原理图第四章 系统软件设计控制程序采用C语言模块化结构。主要包括主程序、定时器计数器处理程序、中断服务程序和数码显示控制程序等部分。4.1 主程序流程图主程序主要完成相关中断初始化、调用显示、判断中断类型和执行相应中断服务程序等功能。此红外测速系统通过定时器T1（P3.5）对外部转速频率信号采集，设置定时器T0每50ms产生一次中断，满20次即为一秒，定时器T0启动时计数器T1随即启动，当外部信号出现一个由“1”到