非接触测长测速仪的设计

1、非接触测长测速仪的设计 摘要;在实际工业生产中,传统的接触式的长度速度测量方法,会因为机械磨损,尘埃等原因影响系统的正常工作。针对此不足本文以MCS-51系列单片机中的8051芯片为核心，采用光电传感器件，设计了一种新型的长度测量仪，具有长度测量，速度测量，数据显示，定时报警，等功能。由于单片机价格低廉，可靠性高等特点，完全能满足新型非接触自动测长仪的要求。因此，以它作为微控制器，提高了整机的性能价格比。具有成本低，体积小，硬件电路简单，功能强，可靠性高等特点。加之运用了码拨盘输入、LED数字显示器，使整个装置的记数，显示，控制一气呵成，形成了集成度高，运行可靠，操作安全的智能化测量系统。关键

2、词：长度测量 速度测量 非接触 8051单片机 光电传感器ABSTRACT In actual industrial production ,the traditional contact-type length measures the method, the meeting is worn and torn. Because of machinery ,such reasons as the dust ,etc, influence the normal work of the system. Direct against this insufficient this text Israe

3、l 8051 chips in the MCS-51 series one-chip computer are cores, design a kind of new-type length measuring apparatus. Length is measured , the data show , reporting to the police ,timing ,wait for the function. Have with low costs, mall, hardware circuit simple, the function is strong, the high chara

4、cteristic of dependability .In addition application keyboard, LED display, make whole numeration of device , show, control and accomplish without any letup, it is high to form the integrated level, it is reliable to run, operate the intelligent control system of the security.Keywords: length measure

5、s measures Dont keep in touch 8051one-chip computer Photoelectric sensor 目 录摘 要IABSTRACTII第一章 绪 论- 1 -1.1 引 言- 1 -1.2 非接触自动测长测速仪的发展概述- 1 -1.2.1 什么是非接触自动测量- 1 -1.2.2 非接触自动测长测速仪的应用前景- 2 -1.3 论文研究的目的和内容- 2 -第二章 非接触自动测长测速仪系统原理概述- 3 -2.1 非接触自动测长测速系统基本原理- 3 -2.1.1 非接触自动测长测速系统特点和技术指标- 3 -2.1.2 非接触自动测长测速系统基

6、本组成- 3 -2.2 非接触自动测长系统基本原理- 3 -第三章 非接触自动测长测速系统硬件设计- 6 -3.1 构成应用系统的基本方法- 6 -3.1.1 确定指标- 6 -3.1.2 可行性研究- 6 -3.2 系统总体方案设计- 6 -3.2.1 应用系统硬件的设计方法- 7 -3.2.2 单片机应用系统软件的设计方法- 7 -3.3 单片机8051及相关电路设计- 8 -单片机简介- 8 -3.3.2 单片机8051基本组成原理- 9 -3.3.3 单片机应用系统的设计工作- 10 -3.4 计数功能的结构与原理- 11 -3.5 时钟电路- 11 -3.6 复位电路- 12 -第四

7、章 单片机及其扩展接口芯片- 14 -4.1 可编程并行I/O接口芯片8255- 14 -4.1.1 地址锁存芯片74LS373- 15 -4.1.2 外部存储器的扩展- 16 -4.2 键盘/显示器接口- 16 -第五章 应用系统软件的设计方法- 18 -5.1 主程序- 18 -5.2 INT1中断服务程序- 19 -5.3 功能块程序- 19 -5.4 显示子程序- 20 -第六章 传感器的概述- 21 -6.1 传感器概述- 21 -6.2 选择传感器的总原则- 21 -6.2.1 根据测控对象与测控环境确定传感器的类型- 21 -6.2.2 传感器灵敏度的选择- 22 -6.2.3

8、传感器频率响应性- 22 -6.2.4 传感器线性范围- 22 -6.2.5 传感器稳定性- 22 -6.2.6 传感器精度的选择- 23 -6.3 红外光电传感器- 23 -6.4 红外线光电开关- 23 -6.5 对射式光电开关原理- 24 -结 论- 25 -参 考 文 献- 26 -致 谢- 27 -附 录- 28 -第一章 绪 论1.1 引 言 随着现代科学技术的不断发展，极大地推动了不同学科的交叉与渗透 ，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及其向机械工业的渗透所形成的机电一体化，使机械工业的技术结构、产品机构、功能与构成、生产方式及

9、管理体系发生了巨大变化，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。现代科学技术以及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，综合性的自动化，智能化的光电系统得到进一步发展，形成了自己包括光学，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工业，农业，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和重要组成部分。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，再由检测电路提取有用的信号，经过A/D

10、变换接口输入微型计算机运算处理，最后显示除所需要的数据。因此光电检测技术是现代检测技术的最重要手段和方法。是计量检测技术的一个重要发展方向。1.2 非接触自动测长测速仪的发展概述 什么是非接触自动测量非接触自动测量是指在机构的主功能、动力功能、信息处理功能和控制功能上引进电子技术，将机械装置与电子化设计及软件结合起来所构成的系统的总称。随着科学技术的发展，还将被赋予新的内容。但其基本特征可概括为：是从系统的观点出发，综合运用机械技术、微电子技术、自动控制技术、计算机技术、信息技术、传感测控技术、电力电子技术、接口技术、信息变换技术以及软件编程技术等群体技术，根据系统功能目标优化组织目标，合理配

11、置与布局各功能单元，在多功能、高质量、高可靠性、高效率、低能耗的意义上实现特定功能价值，并使整个系统处于最优化的系统工程技术。 非接触自动测长测速仪的应用前景近十多年来我国光纤，钢丝线，电缆，纺织机械行业的自动化水平有了明显的提高，在新型机械设备上普遍采用了自动化技术。这项技术的内容包含了先进的信息处理和控制技术，即以计算机为核心，单片机、人机界面、现场总线等组成的控制系统。先进的驱动技术，有变频调速，交流伺服，步进电机等；检测传感技术和执行机构等。例如新型光纤缠绕机，这类机器均采用了自动化技术，其特点是： （1）采用先进光电元件和传感技术，实现非接触测量，避免了传统的机械接触式测量带来的误差

12、。（2）采用计算机软件来完成线型材料的长度计算，转速，数据显示。（3）体积小巧，结构紧凑，系统稳定，能适合各种设备和工业环境的测量。1.3 论文研究的目的和内容现代机械应用了自动化测量技术后机构简化，性能改善，质量提高，操作方便，提升了设备的档次和水平.采用单片机控制测量后的效果表现为： (1) 简化了复杂的传统机械式测量结构，取消了接触式测量装置。(2) 应用键盘输入人机界面，操作十分方便。(3) 可以测量长度，测量速度，记录长度，定时报警。测量误差：±0.1CM（100）米。(4) 数字显示测量结果数据。(5) 机器生产效率有较明显的提高。由于单片机价格低廉，功能强大，稳定性好，

13、此技术有很好的应用前景。非接触自动化测量装置在国产机械设备上的广泛应用，推动了国产机器的机电一体化发展，缩小了与国外的差距。第二章 非接触自动测长测速仪系统原理概述2.1 非接触自动测长测速系统基本原理 非接触自动测长测速系统特点和技术指标本文研究的非接触自动测长测速仪，系统采用8051单片机做控制，传感器采用红外发光二极管，利用反射条，由光敏三极管接收。此为非接触方式测量。同时，在叶轮上贴反射条，使用方便，性能价格比高。采用8051单片机进行实时控制，不仅可以测长，还可输入数据，数字显示，定时报警，测量速度。比以往单一的接触式测长仪器功增强了。具有以下主要功能：（1）测量长度。（2）测量速度

14、。（3） 100米，200米，300米的设置停机.（4）记录长度，定时报警。（5）测量误差：±0.1CM（100）米。（6）数字显示测量结果。 非接触自动测长测速系统基本组成非接触自动测长测速仪由传感部分电路及信号处理电路组成。原理框图如下： 图2.1 硬件原理框图2.2 非接触自动测长测速系统基本原理在被测物（如电缆）的叶轮上贴有反射条。当红外光电传感器的发射电路发出的信号驱动红外发光二极管发射红外光时，被反射纸条反射回，由光敏三极管接受，并转换为电脉冲信号作为光电敏感的接收电路的输入信号。红外光电传感器测得的脉冲信号送如脉冲检测电路。检测电路由定时器/计数器和相应的逻辑电路组成，

15、它实现了高精度的数字测量长度。 当红外光电传感器的发射电路发出的信号驱动红外发光二极管发射红外光时，照向轮轴。被其上的反射纸条反射回，由光敏三极管接受，并转换为电脉冲信号作为光电敏感的接收电路的输入信号。此脉冲信号送到计数器/定时器计算个数，一个脉冲信号既为一个轮轴旋转一周的周长。通过计算，轮轴半径乘以2得到周长的长度，就是我们所测的物品的长度。在将脉冲信号的个数求和，就得到了被测物品的实际长度。速度的测量：在系统中，由定时器产生高频脉冲M2，用来作为计时的标准脉冲。在对被测脉冲个数M1计数的同时，对标准脉冲M2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M1（长度）除以

16、标准脉冲个数（时间）所得结果，既为测量物品时的速度值。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。预设定的测量时间TC由被测脉冲序列来同步。整个测量过程如下。A点时计数器对被测脉冲M1和高频基准脉冲M2同时计数。到达B点时，预设定的测速时间TC已到。系统发出停止计数命令。而此时，由于预设定的时间TC不一定恰好等于整数个被测脉冲的脉冲周期。所以计数器仍对高频基准脉冲继续进行计数。在D点被测脉冲的上升沿使计数器停止计数。这样，高频基准脉冲个数M2所对应的计时时间就代表了M1个被测脉冲周期的时间，那么该高频基准脉冲频率为F，传感器每转发过P个脉冲，则转速可精确求出：N=（60M1

17、/P）/（M2/F）。由于测量过程中，从整数个被测脉冲开始计时，整数个被测脉冲结束。记录的是整个脉冲，从而消除了其他计数法中，正负一个被测脉冲引入的误差,从而有了较高的精度。 图2.2 计数脉冲时序图M1 为被测脉冲个数M2 为用于计数计时的高频脉冲个数Tc 为预设定的定时时间T 为实测到的M1个脉冲时间 第三章 非接触自动测长测速系统硬件设计3.1 构成应用系统的基本方法单片机应用系统的范围很广，在不同领域的应用，其要求各不相同，构成的方案也千差万别，没有完全固定的方法可循。但处理问题的基本方法大体相似。研究者接到某项任务后，在进行应用系统设计时，大都要经历以下步骤。 确定指标接到研制任务后

18、，首先要进行系统的需求分析，以确定系统要实现的功能。在对系统的工作过程进行深入分析之后，把系统最终要达到的性能指标明确下来。 可行性研究可行性研究的目的是分析完成这个项目的可能性。根据可行性研究的结论来决定系统的开发研制工作是否值得进行下去。在完成这项工作时，查阅了国内外的相关资料，看是否有人成功地做过类似的系统。如果有，可以借鉴他们的优点，若有可能对其不足之处进行改进。若查不到成功的实例，则作进一步的研究，此时的重点要放在能否实现这个环节上。经理论分析和实际调研后，若可行，就制定出开发计划，同时进入总体方案设计阶段。若不行，或放弃或该用其他的控制系统。3.2 系统总体方案设计在明确了任务、确

19、立了指标及可行性研究后，下一步工作就是系统总体方案的设计。在对应用系统进行总体方案设计时，应根据应用系统要完成的各项功能，把工作重点放在技术难点上。此时，可参考国内外类似系统的技术资料，取长补短以减少重复性劳动，提出合理可行的技术指标。最后拟定出性能/价格比最高的一套方案。总体方案确定以后，下一步的工作重点应放在硬件选型及软、硬件设计上。对于单片机测控系统而言，传感器的选择至关重要，对不同传感器的选择原则及方法，以下章节均有介绍。对系统中软、硬件的设计要明确分工，原则上要尽可能发挥单片机以软件代替硬件的长处，能够由软件来完成的任务，就尽可能用软件来实现，以便简化电路结构，降低成本，提高系统工作

20、的可靠性。但也应考虑到以软件代替硬件功能是以降低系统的实时性为代价的因此，软、硬件任务的划分要根据系统的要求及实际情况做合理安排，全盘考虑。在确定了软件及硬件应完成的任务后，系统的大致规模及软、硬件的基本框架就确定了。在一个大的测控系统研制过程中，课题组每个成员要尽其所长，避其所短，分工协作，这样就能加快研制工作进度，圆满地完成工作任务。在明确了分工任务后，就各自进入具体的设计阶段。 应用系统硬件的设计方法硬件设计是指应用系统的电路设计，一般来讲这部分设计可分为两大部分内容：一是数字电路部分，二是模拟电路部分。数字电路设计即单片机系统的扩展，它包括与单片机直接接口的数字电路，如存储器和接口的扩

21、展。存储器的扩展指EPROM、E²PROM和RAM的扩展。接口扩展是指串、并行接口（如8255、8155、8279、7219等）及其他功能器件的扩展。这部分设计一般都能找到相关的参考资料，因此相对来讲较容易一些。与模拟电路相关的电路设计包括信号放大、整形、变换、隔离、驱动和传感器的选择。这部分电路的设计相对较难把握，一旦设计有误，对整个系统的性能将产生严重影响。考虑好硬件电路要完成的任务后，脑子里应有一个大体的框架，画出硬件电路的框图，确定硬件电路的整体方案，并进行详细的技术分析。下一步就要画出所有硬件的电器原理图。在绘制原理图过程中，所设计到的具体电路可参考他人在这方面的工作。因为

22、他人用过的电路往往具有一定的合理性，在此基础上，结合自己的设计目的取长补短。当然，有些电路还需要自己设计，完全照搬拼凑出一个硬件系统图是不可靠的。 单片机应用系统软件的设计方法根据系统设计的分工，硬件系统设计完成后，下一步工作就是应用系统的软件编制。编制软件离不开硬件，对于软件编制人员来讲，在工作进行之前要和硬件设计充分沟通，只有充分了解硬件系统的工作过程，才能确定软件的任务，最终达到完美的统一。因此软件设计要结合硬件进行，其任务也是应用系统研制过程中最艰巨的，其难度也比较大。对于某些较复杂的应用系统，不仅要使用汇编语言来编程，有时还要使用高级语言，最常用的高级语言有：PL/M-51和C51。

23、应用系统的软件设计主题包括两大部分：用于管理应用系统的管理程序（监控程序）和用于执行具体任务的执行程序。管理程序是应用系统的管理软件，它用来协调各执行程序模块和操作者的关系，在系统中充当组织、指挥的角色。对于单片机应用系统来说，管理程序和执行程序是很难分清楚的，它们都是应用程序所以在软件设计时应考虑以下几个方面： 根据应用系统功能要求及分配给软件的任务，采用自上向下逐层分解的方式，把复杂的系统进行合理的分解。将软件划分为若干个相对独立的部分，在根据各部分的关系设计出软件的整体框架，画出软件需求的框图，要求软件结构清晰、简洁，流程合理。 尽可能采用结构化模块设计，根据软件任务导出软件模块，得到软

24、件模块结构及各模块之间的接口定义，要求各模块功能单一，尽可能把各模块之间的联系减少到最低限度。模块化设计的优点是每个模块可以单独设计，也可以利用原有的成熟程序，这样既便于软件调试、链接，又便于移植、修改。对于复杂的应用系统软件，这一点是至关重要的。 在对各功能模块编制前，要仔细分析模块所要完成的功能，建立正确的数学模型，绘制出详细的程序流程图，这是软件设计人员必须养成的习惯。 软件设计时要充分考虑应用系统的硬件环境，合理地分配系统资源，包括片内、片外程序存储器、数据存储器、定时器/计数器、中断源等。根据51系列单片机寻址方式的特点，片内RAM的分配方式尤为重要。一般来讲，片内RAM的00H07

25、H8个单元留作R0和R1用，20H2FH这16个单元留作各种标志位、逻辑变量、状态变量等。堆栈区设置要留有一定余量。最后对各功能模块和子程序的入/出口条件、RAM的分配情况要列出一张分配表，以便编程时查询。 无论用汇编语言还是用高级语言编程，为了使程序增加可读性，也为日后修改程序方便，在程序的相关位置必须加上功能注释。软件的抗干扰设计也是应用系统软件编程的重要组成部分。虽然在硬件设计中采用了硬件抗干扰措施，但由于单片机测控系统往往都运行在环境恶劣、干扰严重的场合，因此完全依靠硬件来解决抗干扰问题往往达不到预期效果，这时还需要软件抗干扰措施相配合，只有双管齐下，才能使应用系统运行更加可3.3 单

26、片机8051及相关电路设计单片机以其与通用CPU完全不同的发展模式，为满足工业测控功能、恶劣环境下的可靠运行己任。在单片机技术发展过程中，Intel公司位单片机的发展最具典型性、完整性和兼容性，现以该系列为代表介绍其发展年代，其它系列可找到相类似情况。单片机简介第一代单片机只是将CPU及其外围计算机功能单元，如I/O口、定时计数器、程序存储器、数据存储器、中断系统等集成在单片芯片中，其典型系列为MCS-48单片机。第一代单片机作为单片微控制器的技术探索，在取得到预计的结果后便迅速转向第二代产品研究，以寻求单片机最佳的内、外部结构。第二代单片机以其SFS管理下的模块化结构、标准的外部并行总线（A

27、B、DB、CB）结构和为构成多机与网络系的UART 串行接口为其重要技术特征。这一代单片机为不断完善，提高Micro controller的控制功能提供了一个良好的Single Chip Microcomputer,但内部功能模块的设置还没有超出Microcomputer。第三代单片机则以大力发展控制功能，提高系统运行的可靠性，逐步将测、控系统要求的外部接口电路纳入片内，以朝着真正实现Micro controller所应具备的功能为目标。其中一些目标首先在MCS-96中得到了具体的实现，如高速I/O口、ADC、PWM、Watchdog等。在随后第三代位单片机中迅速地普及了这些技术。特别是一些大

28、电气商介入单片机的发展后，以其在单片机应用领域中的丰富经验，迅速而有效地推动了第三代单片机的形成和发展。第三代单片机的主要特点是：大力发展综合控制功能；不断推出指令、总线兼容下不同外围功能的系列单片机；提高系统运行的可靠性。目前各大公司都已进入第三代单片机发展阶段，其中最为典型、对我国单片机技术发展和更新影响最大的当推80C51系列。 单片机8051基本组成原理单片机又称微控制器（microcontroller）是将中央处理器（CPU）存储器、定时器/计数器、IO接口电路等部件集成在一块芯片上的微型计算机。目前，单片机技术飞速发展，在各种场合被广泛应用。单片机做为控制核心，与传感器、执行机构等

29、结合可以组成自动化的检测控制系统，本文结合单片机的定时/计数器的端口功能，开发一种实用的检测装置。MCS51是由美国INTEL公司生产的系列单片机，其中以8051最为典型，由内部总线将逻辑运算器ALU、累加器A、程序计数器PC、指令寄存器IR、指令译码器ID、控制逻辑PLA、存储器、输入输出口联结成统一的整体，以实现其功能。8051单片机是8位机32根I/O线 即4个并口分别记做，集成128K的片内RAM和4K片内ROM，其具有的两个16位定时计数可通过编程实现4种工作模式。频率基准源 计 数 器 中 断 控 制 并行I/O 串行输入 串行输出 图3.1 8051单片机框图 单片机应用系统的设

30、计工作目前，MCS-51系列及具有51内核的单片机以其独特的优点，在智能仪表、家用电器、工业控制、数据采集、网络通信等领域得到广泛的应用。各行各业的工程技术人员正在根据自己的任务进行单片机应用系统的开发设计工作，从而改变了传统控制系统的设计思想和设计方法。 以前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分控制功能，现在已能由单片机通过软件方法来实现了，因此使控制系统的性能大大提高，应用领域更加广泛。本章介绍用单片机构成应用系统的基本方法，软、硬件设计方法以及应用系统的调试方法，使用户能快速完成单片机应用系统的设计工作。系统中的单片机8051用来实现定时、记数，逻辑控制，长度计算，与微机通讯等工作。82

31、55为可编程的并行I/O接口芯片。8051通过P1.0口启动脉冲检测电路。测量结束后，8255通过8051的中断引脚INT1向8051单片机申请中断。在相应得中断服务子程序中，8051读取脉冲数量值，通过计算求得周长，既我们所测得长度。并将结果保存，显示，分析。8051的P0口作为地址/数据复用口。通过74LS373八位锁存器实现地址锁存。P2口为高八位地址口，系统扩展后2764EPROM作为程序存储器。根据设计要求，单片机应用系统主要包括：（1）8051单片机 （2）时钟复位电路（3）显示器，键盘，定时报警接口电路；（4）外部存储器的扩展电路；主要电路介绍如下： 3.4 计数功能的结构与原理

32、 MCS-51的单片机内有两个16位可编程的定时/计数器T0和T1，它们具有四种工作方式，分别为模式0、1、2、3。其控制字和状态均在相应的特殊功能寄存器中，通过对控制寄存器的编程，就可方便地选择适当的工作方式。MCS-51单片机内部的定时/计数器的结构如下图所示，定时器T0特性功能寄存器TL0（低8位）和TH0（高8位）构成，定时器T1由特性功能寄存器TL1（低8位）和TH1（高8位）构成。特殊功能寄存器TMOD控制定时寄存器的工作方式，TCON则用于控制定时器T0和T1的启动和停止计数，同时管理定时器T0和T1的溢出标志等。程序开始时需对TL0、TH0、TL1和TH1进行初始化编程，以定义

33、它们的工作方式和控制T0和T1的计数。 由程序设置M0，M1的值以选择单片机的工作方式，如M1=0、M0=1时，工作在工作模式1此时T0、T1的功能时相同的，用户可以任意选择。工作模式1与0的区别时计数器的位数不同。工作模式0时13位计数器，工作模式1是16位计数器，TLX（8位）、THX（8位）作为16位寄存器，计数值从0开始，计到0FFFFH后，再加1，计数器则被溢出复位，并将溢出标志位TFX置1。 图3.2 单片机内部计数器加减计数的硬件图3.5 时钟电路8051单片机的时钟信号通常用两种电路形式得到：内部振荡方式和外部振荡方式。在引脚XTAL1和XTAL2外接晶体振荡器(简称晶振)或陶

34、瓷谐振器，就构成了内部振荡方式。由于单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。内部振荡方式的外部电路如下图所示。 图3.3 内部震荡方式 图中，电容器Col，C02起稳定振荡频率、快速起振的作用，其电容值一般在5-30pF。晶振频率的典型值为12MH2，采用6MHz的情况也比较多。内部振荡方式所得的时钟情号比较稳定，实用电路中使用较多。外部振荡方式是把外部已有的时钟信号引入单片机内。这种方式适宜用来使单片机的时钟与外部信号保持同步。外部振荡方式的外部电路如下图所示。 图3.4 外部震荡方式由上图可见，外部振荡信号由XTAL2引入，XTAL1接地。为了

35、提高输入电路的驱劝能力，通常使外部信号经过一个带有上拉电阻的TTL反相门后接入XTAL2。3.6 复位电路当MCS-5l系列单片机的复位引脚RST(全称RESET)出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。如果RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。根据应用的要求，复位操作通常有两种基本形式：上电复位和上电或开关复位。上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。常用的上电复位电路如下图A中左图所示。图中电容C1和电阻R1对电源十5V来说构成微分电路。上电后，保持RST一段高电平时间，由于单片机内的等效电阻的作用，不用图中电阻R1，也能达到上电复位的操作功能，如下图(A)中右图所

36、示。 图3.5 上电复位 图3.6 上电或开关电路上电或开关复位要求电源接通后，单片机自动复位，并且在单片机运行期间，用开关操作也能使单片机复位。常用的上电或开关复位电路如上图(B)所示。上电后，由于电容C3的充电和反相门的作用，使RST持续一段时间的高电平。当单片机已在运行当中时，按下复位键K后松开，也能使RST为一段时间的高电平，从而实现上电或开关复位的操作。根据实际操作的经验，下面给出这两种复位电路的电容、电阻参考值。上图3.5中：Cl10-30uF，R11kO上图3.6中：C：1uF，RllkO，R210kO第四章 单片机及其扩展接口芯片4.1 可编程并行I/O接口芯片8255 825

37、5是Intel公司生产的可编程的并行I/O接口芯片，它具有3个8位的并行I/O口，三种工作方式，可通过编程改变其功能，因而使用灵活方便，通用性强，可作为单片机与多种外围设备连接时的中间接口电路。8255引脚功能如下：RESET:复位输入线，当该输入端外于高电平时，所有内部寄存器（包括控制寄存器）均被清除，所有I/O口均被置成输入方式。CS:片选信号线，当这个输入引脚为低电平时，表示芯片被选中，允许8255与CPU进行通讯。RD:读信号线，当这个输入引脚为低电平时，允许8255通过数据总线向CPU发送数据或状态信息，即CPU从8255读取信息或数据。WR:写入信号，当这个输入引脚为低电平时，允许

38、CPU将数据或控制字写入8255。D0D7:三态双向数据总线，8255与CPU数据传送的通道，当CPU 执行输入输出指令时，通过它实现位数据的读/写操作，控制字和状态信息也通过数据总线传送。PA0PA7:端口A输入输出线，一个位的数据输出锁存器/缓冲器， 一个位的数据输入锁存器。PB0PB7:端口B输入输出线，一个位的I/O锁存器， 一个位的输入输出缓冲器。PC0PC7:端口C输入输出线，一个位的数据输出锁存器/缓冲器， 一个位的数据输入缓冲器。端口C可以通过工作方式设定而分成个位的端口， 每个位的端口包含一个位的锁存器，分别与端口A和端口B配合使用，可作为控制信号输出或状态信号输入端口。PA

39、3- 1 40 -PA4 PA2- 2 39 -PA5 PA1- 3 38 -PA6 PA0- 4 37 -PA7 RD- 5 36 -WR CS- 6 35 -RESET GND- 7 34 -D0 A1- 8 33 -D1 A0- 9 32 -D2 PC7- 10 31 -D3 PC6- 11 30 -D4 PC5- 12 29 -D5 PC4- 13 28 -D6 PC0- 14 27 -D7 PC1- 15 26 -VCC PC2- 16 25 -PB7 PC- 17 24 -PB6 PB0- 18 23 -PB5 PB1- 19 22 -PB4 PB2- 20 21 -PB3 A1、

40、A0:端口地址总线，8255中有端口A、B、C和一个内部控制字寄存器，共个端口，由A0、A1输入地址信号来寻址。 地址锁存芯片74LS37374LS373由8个三态输出的锁存器组成。可应用于总线结构的系统，当锁存器使能端（LE）为高电平时，触发电路对数据呈现透明（数据异步变化），当LE为低电平时，锁存满足建立时间数据。当输出使能端（OE）为低电平时，数据出现在总线上。当OE为高电平时总线输出处于高阻态。其功能表如表3.1，真值表如表3.2 表4.1 功能表 表 4.2 真值表 外部存储器的扩展在P0口送出的低8位地址时，地址由信号ALE的下降沿控制锁存到锁存器中，高5位由P2.0P2.4提供，

41、锁存器采用74LS373锁存器，控制端直接与ALE相连。则程序存储器读选通信号PSEN控制EPROM2764的输出允许端OE。2764引脚的功能为： Ao A12 为地址线 ； DoD7为数据输出线 ； CE为片选；OE为输出允许 ； PGM为编程脉冲端 ； Vpp 为编程电压端； Vcc 为5v ； GND 为接地 图4.1 外部存储器扩展4.2 键盘/显示器接口为使接口硬件尽可能少，设计时，仅用一片8255I/O接口芯片完成智能化仪表的键盘输入，LED输出的接口任务。将8255的PC口用作显示自选通和键盘扫描输出，PB口用作显示字段及小数点的输出，8051外部中断INTO用作键盘响应输入，

42、PA口用作外接打印机的输出。设计7位LED显示器作为仪表的显示输出。8255的PA口定义为输出口，其中低四位PA0PA3输出显示数据的BCD码，并经MC1413 BCD驱动译码器译码后送LED的段码端，PB4作为测量结果的小数点位经驱动器后接LED的小数点发光段；PB5作为极性控制位单独控制一个发光二极管以显示测量结果的正负。8255的PC口定义为输出口，PC0PC5分别控制6位LED的位选通，实现动态扫描方式显示。BCD码拨盘输入接口。在一些单片机应用系统中有时需要输入少量的控制参数，如标度变换、配比等。这时使用码拨盘输入较为可靠方便。这种数据输入具有不可变性，更改也极为方便。拨盘种类很多，

43、作为人机借口使用的最方便的拨盘是十进制输入，BCD码输出的BCD码拨盘。这种拨盘为四片BCD码拨盘拼接的4个十进制输入码拨盘组。每片拨盘由10个位置，从09，每个位置有数字显示。因此每片代表一位十进制数。需要机位，就选择几片BCD码拨盘。 表4.3 BCD码拨盘的输入输出状态第五章 应用系统软件的设计方法整个系统的软件由三部分组成，既主程序，INT1中断服务程序，功能块程序5.1 主程序主程序为本仪器的监测程序。在程序运行中，必须首先对系统进行初始化，清各工作单元，置计数器及标志位初值，开中断，启动计数器等工作。（1）8051各个I/O口的初始化。 图5.1 主程序流程图（2）串行口的初化。

44、5.2 INT1中断服务程序在INT1中断服务程序中。8051读取8255各通道计数值，计算出长度值，送显示器显示。INT1中断服务程序流程图如下： 图5.2 INT1中断服务程序流程图5.3 功能块程序仪器通过拨盘输入数据，可随时得到用户所需的结果，这就要用到功能程序块。功能程序块包括：显示、拨盘输入，清零等功能块。显示功能块的作用是根据用户的需要转入相应的入口参数，再经过码之转换，送至显示缓冲区中。拨盘输入程序：本程序将读入的4位BCD码按千、百、十、个依次存放在8051片内RAM的30H33H单元中，每个地址单元的高4位为0，低4位为BCD码。程序如下：RDS： MOV Ro,#30HM

45、OV R2, #7FHMOV R3, #04HLOOP: MOV A ,R2MOV P1,AMOV A,P1ANL A,#0FHMOV Ro,A INC RoMOV A,R2RR AMOV R2,ADJNZ R3,LOOPRED5.4 显示子程序通用显示子程序的功能是将显示缓冲区中的字码转换成段码送入显示器中，显示各种字型。几乎所有程序中都要用到这一程序，因此称之为通用显示子程序，以便与显示功能块相区别。 图 5.3 显示子程序流程图第六章 传感器的概述6.1 传感器概述信息处理技术取得的进展以及微处理器和计算机技术的高速发展，都需要在传感器的开发方面有相应的进展。微处理器现在已经在测量和控制

46、系统中得到了广泛的应用。随着这些系统能力的增强，作为信息采集系统的前端单元，传感器的作用越来越重要。传感器已成为自动化系统和机器人技术中的关键部件，作为系统中的一个结构组成，其重要性变得越来越明显。 最广义地来说，传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。国际电工委员会国际电工的定义为：“传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号”。按照Gospel等的说法是：“传感器是包括承载体和电路连接的敏感元件”，而“传感器系统则是组合有某种信息处理(模拟或数字)能力的传感器”。传感器是传感器系统的一个组成部分，它是被测量信号输入的第一道关口。 进入传感器的信号

47、幅度是很小的，而且混杂有干扰信号和噪声。为了方便随后的处理过程，首先要将信号整形成具有最佳特性的波形，有时还需要将信号线性化，该工作是由放大器、滤波器以及其他一些模拟电路完成的。在某些情况下，这些电路的一部分是和传感器部件直接相邻的。成形后的信号随后转换成数字信号，并输入到微处理器。在介绍光电传感器的选择之前，首先介绍在测控系统中选择传感器的总原则，本原则适用于各种传感器的选择。6.2 选择传感器的总原则现代传感器在原则和结构上千差万别，如何根据具体的测控目的、测控对象以及测控环境合理地选择传感器，是单片机测控系统首先要解决的问题。当传感器选定之后，与之相配套的测控电路也就可以确定了。测控结果

48、的成败，在很大程度上取决于传感器的选择是否合理。作为单片机测控系统前向通道的关键部件，在选择传感器时应考虑以下几方面： 根据测控对象与测控环境确定传感器的类型首先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分析多方面的因素之后才能确定。因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选择，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量对象的特点和传感器的使用条件综合考虑以下一些具体问题：传感器的量程；被测位置对传感器体积的要求；测量方式为接触式还是非接触式；传感器信号的引出是有线还是无线；是购买传感器还是自行研制传感器以及价格因素等。在综合考虑上述因素之后就能确定选择何种类型的传感器，然后再考虑传感器

49、的具体性能指标。 传感器灵敏度的选择通常情况下，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。因为灵敏度越高，与被测量变化无关的外界噪声越容易混入，噪声被放大系统放大后会影响测量精度。因此，要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽量减少从外界引入的干扰信号。另外，某些传感器的灵敏度是有方向性的。当被测量是单向量，而且对其方向性要求较高，则应选择其他方向灵敏度小的传感器；如果被测量是多维向量，则要求传感器的交叉灵敏度越小越好。 传感器频率响应性传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，传感器的频率响应好，可测的信号频率范围就宽，传感器的输出信号必须在允许的频率范围内保持不失真，实际上传感器的响

50、应总有一定的延迟，希望延迟时间越短越好。 传感器线性范围传感器的线性范围是指输出信号与输入量呈正比的范围。从理论上讲，在此范围内灵敏度应保持定值。传感器的线性范围越宽，其量程越大，并且能保证一定的测量精度。在选择传感器时，当传感器的种类确定之后首先要看其量程是否满足要求。实际上任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性度也是相对的。当所要求测量精度比较低时，在一定的范围内，可将非线性误差较小的传感器近似看作线性，这样就给测量带来极大的方便。 传感器稳定性传感器使用一段时间以后，其性能保持不变化的能力称为稳定性。影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外，主要是传感器的使用环境。因此，要使传感器具

51、有良好的稳定性，传感器必须要有较强的环境适应能力。在选择传感器之前，首先应对其使用环境进行调查，并根据具体的使用环境选择合适的传感器，或采取适当措施以减小环境的影响。传感器的稳定性有定量指标，在超过使用期后，在使用前应重新进行标定，以确定传感器的性能是否发生变化。对于某些要求传感器能长期使用而又不能轻易更换或标定的场合，所选择的传感器稳定性要求更严格，要能够经受住长时间考验。 传感器精度的选择精度是传感器的一个重要的性能指标，它是关系到整个测控系统测量精度的一个重要环节。传感器的精度越高，其价格越昂贵，因此，传感器的精度只要能满足整个测控系统的精度要求就可以了，不必选的过高。这样就可以在满足同一测量目的的诸多传感器中选择比较便宜和简单的传感器。如果测量结果是供定性分析的，选择重复精度高的传感器即可，不宜选择绝对量值精度高的传感器；如果是为了定量分析，必须获得精度的测量值，就需选择精度等级能满足要求的传感器。对某些特殊使用场合，无法选到合适的传感器，则需自行设计制造传感器。自制传感器的性能应满足使用要求。6.3 红外光电传感器红外线属于一种电磁射线，其特性等同于无线电或X射线。人眼可见的光波是380nm-780nm，发射波长为780nm-1mm