基于单片机的数字测速仪设计说明

1、 工学院鹿山学院毕业设计（论文）题 目：基于单片机的数字测速仪设计系 别：专业班级：姓 名：学 号：指导教师：职 称：二一一 年 五 月 二十五 日31 / 34摘 要转速是各类电机运行过程中的一个重要监测量，测速装置在机车控制系统中占有非常重要的地位。本文介绍了一种基于AT89C51单片机的光电传感器转速测量系统的设计。系统采用对射式光电传感器产生与齿轮相对应的脉冲信号，使用AT89C51单片机采样脉冲信号并计算每分钟脉冲信号的数目，即电机对应的转速值，最终系统通过LCD实时显示电机的转速值。经过软硬件系统的搭建，本系统满足设计要求，且结构简单、实用。系统在降低测速器成本，提高测速稳定性与可

2、靠性等方面有一定价值，具有广泛的应用前景。关键词：转速测量；单片机；光电传感器ABSTRACTRotational Speed is an important parameter for motor.The speed detector is improtant that locomotive of Control System. A photoelectric speed measuring system which based on the MCU of AT89C51 was designed in this paper. The opposite-type photoelectric

3、were used to generate pulse signal corresponding to the gears. The AT89C51 was used to sample the pulse signal and calculate the amount of the pulse signal per minute which is the value of the motor speed. The value of the motor will be displayed real-time by LCD. Through the hardware and the softwa

4、re implementing, the system meets the design demands. Its simple and practical. It will have a broad prospects because of reducing the cost of the speed detector and improving the stability and reliability of measurement .Keywords: Speed Measurement ；SCM；Photoelectric目录摘 要IABSTRACTII第1章 绪论11.1 课题背景意

5、义11.2 转速测量方法现状11.3 设计任务与方案2第2章 系统器件介绍32.1 AT89C51单片机32.1.1 定时器/计数器的结构42.1.2 定时/计数器的控制52.1.3 中断控制62.2 光电传感器72.2.1 光电开关的工作原理72.2.2 光电开关的分类72.2.3 光电开关的特点82.3 字符型显示芯片LCD160292.3.1 LCD1602主要特性92.3.2 LCD1602引脚定义9第3章 硬件系统设计113.1 测速信号采集与其处理113.1.1 转速测量原理113.1.2 检测装置安装113.1.3 信号处理电路123.1.4 同步控制电路133.2 单片机处理电

6、路设计143.2.1 复位电路143.2.2 定时器与计数器的设置153.3 显示部分15第4章 软件设计174.1 编程语言的选用174.2 程序设计流程图18第5章 系统仿真与电路实现225.1 系统仿真225.1.1 程序编译225.1.2 电路仿真225.2 仿真效果235.2.1 信号处理电路仿真结果235.2.2 整体仿真结果24本文总结26参考文献27致 28第1章 绪论1.1 课题背景意义转速是能源设备与动力机械性能测试中的一个重要的特性参量，因为动力机械的许多特性参数是根据它们与转速的函数关系来确定的，例如压缩机的排气量、轴功率、燃机的输出功率等等，而且动力机械的振动、管道气

7、流脉动、各种工作零件的磨损状态等都与转速密切相关。光电传感器是以光电器件作为转换元件的传感器。它可用于检测直接引起光量变化的非电量，也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量。光电式传感器具有非接触、响应快、性能可等特点，因此在工业自动化装置和机器人中获得广泛应用。1.2 转速测量方法现状目前国外常用的转速测量方法有离心式转速表测速法、测速发电机测速法、闪光测速法、光电码盘测速法和霍尔元件测速法。(1) 离心式转速表测速法离心式转速表是利用离心原理制成的测速仪表，可以直接读出转速。测转速时，转速表的端头要插入电机转轴的中心孔，插入前，应注意清除中心孔中的油污，并使转速表的轴与电机的轴保持同心，不

8、可上下左右偏斜，否则易将表轴扭坏，并影响准确读数，而且转速表要间歇使用，以减少磨损和发热。如果要改变量程，还要将转速表取出停转后再改变量程。(2) 测速发电机测速法测速发电机测转速时，测速发电机连接到被测电机的轴端，将被测电机的机械转速变换为电压信号输出E=CeFn，在输出端接一个刻度以转速为单位的电压表，即可读出转速。(3) 闪光测速法闪光测速法是利用可调脉冲频率的专用电源施加于闪光灯上，将闪光灯的灯光照到电机转动部分(可在电机端轴上粘贴一标记纸片)，当调整脉冲频率使黑色扇形片静止不动时，此时脉冲的频率是与电机转动的转速是同步的。若脉冲频率为f，则电机的转速为n=60f(rmin) 。(4)

9、 光电码盘测速法光电码盘测速法是通过测出转速信号的频率或周期来测量电机转速的一种无接触测速法。光电码盘安装在转子端轴上，随着电机的转动，光电码盘也跟着一起转动，如果有一个固定光源照射在码盘上，则可利用光敏元件来接收到的光的次数就是码盘的编码数。若编码数为60，测量时间为t，测量到的脉冲数为N，则n=N/t。(5) 霍尔元件测速法霍尔元件测速法是利用霍尔开关元件测转速的。霍尔开关元件含稳压电路、霍尔电势发生器、放大器、施密特触发器和输出电路。输出电平与TTL电平兼容，在电机转轴上装一个圆盘，圆盘上装若干对小磁钢，小磁钢越多，分辨率越高，霍尔开关固定在小磁钢附近，当电机转动时，每当一个小磁钢转过霍

10、尔开关，霍尔开关便输出一个脉冲，计算出单位时间的脉冲数，即可确定旋转体的转速。在这五种测速方法中，离心式转速表测速法和测速发电机测速法所用的都是现成的测速仪表，容易得到。但转速表或测速机都要与电机同轴连接，一方面增加了电机机组安装难度，另一方面有些微电机功率很小，转速表或测速机消耗的功率占了微电机大部分，更有甚者微电机甚至拖不动这些仪表，所以对微特电机的测速，这二种方法不适用。霍尔元件测速法和光电码盘测速法的测速方法基本类似，都是在转轴上装一个很轻巧的传感器，将电机的转动信号通过磁(霍尔元件)或光(光电码盘)转换为电脉冲，从而通过计算电脉冲的个数来测速。闪光测速法目前实际应用不广泛，主要是光源

11、的问题。本课题设计采用光电码盘测速法。1.3 设计任务与方案本文针对电机的转速进行测量，以单片机为核心对光电开关产生的数字信号进行运算，从而测得电机的转速，然后用LCD把电机的转速显示出来。即通过光电开关将电机的转数转换成0，1的数字量，只要转轴每旋转一周，产生一个或固定的多个脉冲，并将脉冲送入单片机中进行计数和计算，就可获得转速的信息。系统主要由AT89C51单片机处理系统、直流电机、光电转换、放大电路和单稳整形电路、显示系统等几个部分组成，如图1.1:图1.1 系统组成框图第2章 系统器件介绍2.1 AT89C51单片机引脚功能 图2.1 AT89C51引脚图VCC : 电源GND : 地

12、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于部电阻的原因，将输出电流（IIL）。此外，P1

13、.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），具体如下表所示。在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。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P2 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

14、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，p2 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AT89C51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。引脚号第二功能如表2-1。表2-1P3.0RXD（串行输入）P3.1TXD（串行输出）P3.

15、2INT0（外部中断0）P3.3INT1（外部中断1）P3.4T0（定时器0外部输入）P3.5T1（定时器1外部输入）P3.6WR（外部数据存储器写选通）P3.7RD（外部数据存储器写选通）RST: 复位输入。晶振工作时，RST脚持续2 个机器周期高电平将使单片机复位。PSEN:外部程序存储器选通信号（PSEN）是外部程序存储器选通信号。EA/VPP:访问外部程序存储器控制信号。为使能从0000H 到FFFFH的外部程序存储器读取指令，EA必须接GND。为了执行部程序指令，EA应该接VCC。在flash编程期间，EA也接收12伏VPP电压。XTAL1:振荡器反相放大器和部时钟发生电路的输入端。

16、XTAL2:振荡器反相放大器的输出端。2.1.1 定时器/计数器的结构定时/计数器的实质是加1计数器（16位），由高8位和低8位两个寄存器组成。TMOD是定时/计数器的工作方式寄存器，确定工作方式和功能；TCON是控制寄存器，控制T0、T1的启动和停止与设置溢出标志。定时/计数器结构如图2.2所示： 图2.2 定时/计数器结构2.1.2 定时/计数器的控制AT89C51单片机定时/计数器的工作由两个特殊功能寄存器控制。TMOD用于设置其工作方式；TCON用于控制其启动和中断申请9。（1）工作方式寄存器TMOD工作方式寄存器TMOD用于设置定时/计数器的工作方式，低四位用于T0，高四位用于T1。

17、其格式如下：表2-2 TOMD的格式位号D7D6D5D4D3D2D1D0符号GATEC/TM1M0GATEC/TM1M0定时器T1定时器T0GATE：门控位。GATE0时，以运行控制位TRX(X=0，1)来启动定时/计数器运行；GATA1时，设置TR0或TR1为1，同时相对应的外部中断引脚也为高电平时，才能启动定时/计数器工作；C/T计数器模式和定时器模式选择位C/T=1时，选择计数器模式，计数器对外部输入引脚T0（P3.4）或T1（P3.5）的外部脉冲计数；C/T=0时，选择定时器模式。M1M0：工作方式设置位。定时/计数器有四种工作方式，由M1M0进行设置。表2-3 M1M0的格式M1 M

18、0工作方式功 能00工作方式013位计数器01工作方式116位计数器10工作方式2自动再装入8位计数器11工作方式3定时器0：分成两个8位计数器定时器1：停止计数（2）控制寄存器TCONTCON的低4位用于控制外部中断,已在前面介绍。TCON的高4位用于控制定时/计数器的启动和中断申请。其格式如下：表2-4 TCON的格式TCOND7D6D5D4D3D2D1D0TF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT0TF1（TCON.7）：T1溢出中断请求标志位。T1计数溢出时由硬件自动置TF1为1。CPU响应中断后TF1由硬件自动清0。T1工作时，CPU可随时查询TF1的状态。所以，TF1可用作查询

19、测试的标志。TF1也可以用软件置1或清0，同硬件置1或清0的效果一样。TR1（TCON.6）：T1运行控制位。TR1置1时，T1开始工作；TR1置0时，T1停止工作。TR1由软件置1或清0。所以，用软件可控制定时/计数器的启动与停止。TF0（TCON.5）：T0溢出中断请求标志位，其功能与TF1类同。TR0（TCON.4）：T0运行控制位，其功能与TR1类同。2.1.3 中断控制CPU对中断系统所有中断以与某个中断源的开放和屏蔽是由中断允许寄存器IE控制的。表2-5 IE的格式IED7D6D5D4D3D2D10EAESET1EX1ET0EX0 EX0(IE.0)，外部中断0允许位； ET0(I

20、E.1)，定时/计数器T0中断允许位； EX1(IE.2)，外部中断0允许位； ET1(IE.3)，定时/计数器T1中断允许位； ES（IE.4)，串行口中断允许位； EA (IE.7)， CPU中断允许（总允许）位。2.2 光电传感器目前，光电开关已被用作物位检测、液位控制、产品计数、宽度判别、速度检测、定长剪切、孔洞识别、信号延时、自动门传感、色标检出、冲床和剪切机以与安全防护等诸多领域。此外，利用红外线的隐蔽性，还可在银行、仓库、商店、办公室以与其它需要的场合作为防盗警戒之用。光电开关把发射端和接收端之间光的强弱变化转化为电流的变化以达到探测的目的。由于光电开关输出回路和输入回路是电隔离

21、的（即电缘绝），所以它可以在许多场合得到应用。光电传感器具有线性度好、分辨率高、噪音小和精度高、无触点、无机械碰撞、响应快、控制精度高，而且能识别色标等优点，在此我们选择光电转速传感器来进行转速的检测。2.2.1 光电开关的工作原理本课题中使用的光电开关是根据光敏二极管工作原理制造的一种感应接收光强度变化的器件，当它发出的光被目标反射或阻断时，则接收器感应出相应的电信号。它包含调制光源，由光敏元件等组成的光学系统、放大器、开关或模拟量输出装置，其工作原理如图2.3 所示。光电式传感器由独立且相对放置的光发射器和收光器组成。当目标通过光发射器和收光器之间并阻断光线时，传感器输出信号。它是效率最高

22、、最可靠的检测装置。槽形（U形）光电开关是对射式的变形，其优点是无须调整光轴。图2.3 光电传感器原理图2.2.2 光电开关的分类（1）漫反射式光电开关：它是一种集发射器和接收器于一体的传感器，当有被检测物体经过时，物体将光电开关发射器发射的足够量的光线反射到接收器，于是光电开关就产生了开关信号。当被检测物体的表面光亮或其反光率极高时，漫反射式的光电开关是首选的检测模式（2）镜反射式光电开关：它亦集发射器与接收器于一体，光电开关发射器发出的光线经过反射镜反射回接收器，当被检测物体经过且完全阻断光线时，光电开关就产生了检测开关信号。（3）对射式光电开关：它包含了在结构上相互分离且光轴相对放置的发

23、射器和接收器，发射器发出的光线直接进入接收器，当被检测物体经过发射器和接收器之间且阻断光线时，光电开关就产生了开关信号。当检测物体为不透明时，对射式光电开关是最合适的检测装置（4）槽式光电开关：它通常采用标准的U字型结构，其发射器和接收器分别位于U型槽的两边，并形成一光轴，当被检测物体经过U型槽且阻断光轴时，光电开关就产生了开关量信号。槽式光电开关比较适合检测高速运动的物体，并且它能分辨透明与半透明物体,使用安全可靠（5）光纤式光电开关：它采用塑料或玻璃光纤传感器来引导光线，可以对距离远的被检测物体进行检测。通常光纤传感器分为对射式和漫反射式。 本文课题设计采用对射式光电开关。2.2.3 光电

24、开关的特点MGK系列光电开关是现代微电子技术发展的产物，是HGK系列红外光电开关的升级换代产品。与以往的光电开关相比具有自己显著的特点：（1）具有自诊断稳定工作区指示功能，可与时告知工作状态是否可靠；（2）对射式、反射式、镜面反射式光电开关都有防止相互干扰功能，安装方便；（3）对ES外同步（外诊断）控制端的进行设置可在运行前预检光电开关是否正常工作。并可随时接受计算机或可编程控制器的中断或检测指令，外诊断与自诊断的适当组合可使光电开关智能化；（4）响应速度快，高速光电开关的响应速度可达到0.1ms，每分钟可进行30万次检测操作，能检出高速移动的微小物体；（5）采用专用集成电路和先进的SMT表面

25、安装工艺，具有很高的可靠性；（6）体积小（最小仅203112mm）、重量轻，安装调试简单，并具有短路保护功能。2.3 字符型显示芯片LCD16022.3.1 LCD1602主要特性LCD1602为液晶显示器。由于LCD的控制必须使用专用的驱动电路，且LCD面板的接线需要采用特殊技巧，再加上LCD面板十分脆弱，因此一般不会单独使用，而是将LCD面板、驱动与控制电路组合成LCM模块一起使用。LCM是一种很省电的电子设备，常被应用于数字或单片机控制系统中，在全国大学生设计竞赛中使用频率也很高。字符型1602LCM通常采用日立公司生产的控制器HD44780作为LCM的控制芯片。字符型LCM的特点：（1

26、）具有字符型发生器ROM。可显示192个5*7点阵字符，LCM显示的数字和字母部分的码值，刚好与ASCLL码中的数字和字母一样，所以在需要的显示数字和字母时，只需要向LCM送入ASCLL码即可。（2）具有64B的自定义字符RAM，可自行定义8个5*7点阵字符。（3）具有80B的数据显示存储器。2.3.2 LCD1602引脚定义字符型1602LCM通常有16个引脚，也有少数有14个引脚，当选用14个引脚的LCM时，该LCM没有背光，1602型LCM的16个引脚定义如下：表2-6 LCD1602引脚定义引脚号符 号状 态功 能1Vss电源地2Vdd+5V逻辑电源3V0液晶驱动电源（用于调节对比度）

27、4RS输入寄存器选择（=1：数据；=0：指令）5R/W输入读、写操作选择（=1：读；=0：写）6E输入使能信号7DB0三态数据总线（最低位LSB）8DB1三态数据总线9DB2三态数据总线10DB3三态数据总线11DB4三态数据总线12DB5三态数据总线13DB6三态数据总线14DB7三态数据总线（最高位MSB）15E1背光电源线16E2背光电源地线第3章 硬件系统设计3.1 测速信号采集与其处理本设计中采用对射式光电传感器测量电机转速。当不透光的物体挡住发射与接收之间的间隙时，开关管关断，反之打开。可以制作一个遮光叶片，安装在电机转轴上，当叶片转动时，光电开关产生脉冲信号。当叶片数较多时，旋转

28、一周可以获得多个脉冲信号。 假设系统采用10个叶片，在一分钟的产生了10000脉冲，则电机的转速就为1000r/min。图3.1 信号采集示意图3.1.1 转速测量原理转速闭环控制系统中，电机转速作为反馈量构成闭环控制，转速测量的精度对控制系统性能的影响是不言而喻的。光电码盘是目前广泛采用的测速手段。它具有精度高、线性度好的优点。采用光电码盘测速时，常用的测速方法有M法、T法和M/T法。其中M/T法兼顾高低转速，是综合性能最佳的一种。在此采用M/T测量法，其测量原理为，在固定的测量时间，计取转速传感器发生的脉冲个数（即频率），从而算出实际转速。设固定的测量时间T （min），计数器计取的脉冲个

29、数m1，假定脉冲发生器每转输出p个脉冲，对应被测转速为N（r/min），就可算出实际转速值N = 60m1/ pT。本检测装置中发动机的转速传感器信号盘安装在曲轴上，工作时传感器输出信号经整形后可得到相应的方波脉冲信号。3.1.2 检测装置安装此检测装置按照发动机上传感器的实际安装位置进行安装。如图3.2，将信号盘固定在电动机转轴上，光电转速传感器正对着信号盘。光电转速传感器接有4根导线，用于连接发光二极管和光敏三极管。测量头由光电转速传感器组成，而且测量头两端的距离与信号盘的距离相等。测量用器件封装后，固定装在贴近信号盘的位置，当信号盘转动时，光电元件即可输出正负交替的周期性脉冲信号。信号盘

30、旋转一周产生的脉冲数，等于其上的齿数。因此，脉冲信号的频率大小就反映了信号盘转速的高低。该装置的优点是输出信号的幅值与转速无关，而且可测转速围大，一般为1r/s104 r/s以上，精确度高。图3.2 转速测量装置3.1.3 信号处理电路由于电机每次转动的时候，光线每次透过光电码盘的小孔照射光传感器都使光传感器产生一个电信号，但是因为光电信号较弱，而且产生的脉冲波形不整，所以会影响单片机对信号的处理。 图3.3 信号处理电路光传感器信号放大后的信号单稳整形信号图3.4 信号处理效果如图3.3，Q1为光感三极管，当无光源照射时，Q1工作在截止区（Q1截止），Q2工作在饱和区（Q2导通），555定时

31、器TR引脚为低电平；当有光源照射时，Q1工作在饱和区（Q1导通），Q2工作在截止区（Q2截止），555定时器的TR引脚为5V电平。两个三极管导通和截止过程产生的信号通过555定时器构成的单稳态整形电路，整形为标准的方波脉冲并由Q端输出。信号处理效果如图3.4。该电路特点是只要输入电压达到三极管的工作电压，通过三极管的导通和截止，保证了向555定时器输入的波形在0-5V之间跳变，免去了对三极管放大电压的计算。3.1.4 同步控制电路在计数时会出现如图3.5所示的脉冲丢失情况。第一个丢失的情况是由于开始检测时的脉冲宽度已经小于机器周期T；第二个丢失的脉冲是由于脉冲的负跳变在定时之外。定时时间出现脉

32、冲丢失，将会引起测量精度的降低。为解决图3.5的脉冲丢失现象，可以采用双D触发器与门控位GATE的配合使用实现计数开始和脉冲上升沿同步控制。如图3.6。定时 定时时间输入脉冲丢失 丢失图3.5 脉冲丢失现象图3.6 同步控制电路与单片机的连接 单片机的GATE=1：由外部引脚信号P3.2（INT0）或P3.3（INT1）的高电平和TR0或TR1的状态的组合分别启动定时器/计数器T0或T1。本设计采用引脚P3.2（INT0）/P3.3（INT1)分别和TR0/TR1的组合状态启动定时器0/计数器1（TR0和TR1在程序中被置1，等待外部中断引脚的高电平信号到来）。图3.6中，由双D触发器构成边沿

33、触发器。初始状态，P1.6输出高电平，保证触发器的Q端可以时刻输出高电平，P1.7输出低电平，使双D触发器处于复位状态（复位为低电平触发），双D触发器向P3.2和P3.3引脚输出低电平，关闭定时器0和计数器1；开始计数时，P1.7输出高电平，D触发器取消复位状态，信号XH经过触发器保证上升沿到来时，同时启动定时器0和计数器1。3.2 单片机处理电路设计单片机各功能部件的运行都是以时钟控制信号为基准，有条不紊地一拍一拍地工作。因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。本设计中此采用部时钟方式，如图3.7所示，以石英晶体振荡器和两个片电容组成外部振荡源。片的高

34、增益反相放大器通过XTAL1、XTAL2外接，作为反馈元件的片外晶体振荡器与电容组成的并联谐振回路构成一个自激振荡器，向部时钟电路提供振荡时钟。振荡器的频率取决于晶振的振荡频率，振荡频率围为1.212MHz。工程应用时通常采用6MHz或12MHz。图中X1为12MHz，电容C2、C4为33pF，它们一起构成此单片机的自激振荡器。3.2.1 复位电路单片机的RST引脚为复位（Reset）端。当单片机振荡器工作时，该引脚上出现持续两个机器周期的低电平，就可以实现系统复位，使单片机回到初始状态。如图3.8所示，本设计采用手动复位，用一个电容与一个10K电阻串联组成，电阻接VCC，电容接地，RESET

35、脚接在它们中间，RC选择10uF，按键与200R电阻串联，在电容两端并联，就成了按键复位电路，未上电时，RST端为高电平，只要按下这个按键，RST端转换为低电平，经过两个机器周期后，单片机就能复位。 图3.7 晶振 图3.8 复位电路3.2.2 定时器与计数器的设置根据设计选用定时方式1比较合适。方式1是16位计数结构的工作方式，计数器由TH0的全部8位和TL0的全部8位构成，器逻辑电路和工作情况与方式0完全一样，所不同的只是组成计数器的位数。方式1的计数围和定时围： 当定时器/计数器在方式1下做计数器用时，其计数围是1-65536（216）。 当定时器/计数器在方式1下做定时器用时，其定时时

36、间计算公式为：Td=(216-X)*Tosc*12式中，Td为定时时间，X为计数初值，Tosc为晶振周期。3.3 显示部分1602字符型LCM与单片机的连接主要由两种：直接访问方式连接和间接控制方式连接。直接访问方式连接由于构成三总线的结构，所以在软件控制上比较简单，用通过访问外部地址的方式就能访问LCM，但是，在使用这种连接方式时需要注意单片机的控制总线时序和地址总线时序必须要与LCM所需要的时序相匹配否则无法访问。间接控制方式连接是利用HD44780所具的4位数据总线功能简化电路接口的一种连接方式。但是由于LCM本身为速度较慢的器件，每一次数据传输大概需要几十微秒至几毫秒的时间，如采用间接

37、控制方式访问，每传输一个字节的数据需要访问2次LCM，这将占用大量的时间，使CPU变得繁忙，甚至影响CPU处理其他数据的传输速度。在实际中常采用如图3.9所示电路。采用这种连接方式不能构成三总线的结构，所以不能通过地址形式直接访问，而是需要通过LCM的方式进行数据的传输，同时由于数据总线使用了8条，所以在数据传输的时间上与直接访问的时间一样，速度较间接控制方式提高了一倍，缩短了CPU对LCM的访问时间。又因为单片机的输出电流较低，所以需外接上拉电阻。图3.9 LCM电路第4章 软件设计4.1 编程语言的选用本设计中采用的处理器是AT89C51单片机，由此可采用面向MCS-51的程序设计语言，包

38、括ASM51汇编语言和C51高级语言，这两种语言各有特点。汇编语言更接近机器语言，常用来编制与系统硬件相关的程序，如访问I/O端口、中断处理程序、实时控制程序、实时通信程序等；而数学运算程序则适合用C51高级语言编写，因为用高级语言编写运算程序可提高编程效率和应用程序的可靠性。 C语言是一种通用的计算机程序设计语言，在国际上十分流行，它即可用来编写计算机系统程序，也可以用来编写一般的应用程序。以前计算机的系统软件主要是用汇编语言编写的，对于单片机应用系统来说更是如此。由于汇编语言程序的可读性和可移植性都较差，采用汇编语言编写单片机应用程序的周期长，而且调试和排错也比较困难。C语言具有很好的可移

39、植性和硬件控制能力，表达和运算能力也较强。它具有以下特点：（1）语言简洁，使用方便灵活。（2）可移植性好。（3）表达能力强。（4）表达方式灵活。（5）可进行架构化程序设计。（6）可以直接操作计算机硬件。（7）生成的目标代码质量高。为了提高编制计算机系统和应用程序的效率，改善程序的可读性和可移植性，在此采用高级语言编程。4.2 程序设计流程图本设计采用计数程序采集脉冲，定时程序产生中断，通过LCD显示器显示转速值。 图4.1 总体流程图程序说明：GATA1时，设置TR0或TR1为1，同时相对应的外部中断引脚也为高电平时，才能启动定时/计数器工作。通过对定时器/计数器门控位GATE和TR的设置，使

40、外部中断引脚的高电平控制定时器/计数器的开启。P1.6引脚接D触发器的D端，它的高电平使双D触发器在上升沿到达时始终保持高电平的输出。P1.7引脚接双D触发器的复位端（低电平有效），它为低电平时复位双D触发器，双D触发器输出低电平，关闭定时器/计数器0和1。图4.2 定时器流程图程序说明：通过对定时器0的门控位GATE的置1，使定时器0的启动可以由INT0（P3.2）引脚的高电平状态开启。定时器0的定时时间为50ms，运行20次可以得到1s的定时时间。定时1s时间到时向P1.7引脚输出低电平信号，P1.7引脚接双D触发器的复位端 （低电平复位），复位后触发器向P3.2和P3.3引脚输出低电平，

41、关闭定时器0/计数器1。将定时1s时间到的信号（timeflag=1）送给主程序。图4.3 计数器流程图程序说明：通过对计数器1的门控位GATE的置1，使计数器1的启动可以由INT1（P3.3）引脚的高电平状态开启。定时1s时间到，定时器复位双D触发器，使双D触发器的输出端向P3.3引脚输出低电平，关闭计数器1。将计数到的脉冲个数，送入主程序处理。图4.4 液晶显示器流程图程序说明：向LCD输入数据，逐步经过判忙程序分别输入命令函数和写入数据函数，并显示。第5章 系统仿真与电路实现5.1 系统仿真系统结合Keil uVersion3.0，通过Proteus来仿真。5.1.1 程序编译与以往的8

42、0C51单片机不同，AT89C51具有在线调试和下载功能，它由支持AT89C51的开发工具包Keil uVersion2.0开发系统来提供。也就是说，在用户系统保留AT89C51的情况下，通过开发系统与AT89C51的串行接口通信，直接对用户系统进行调试，并在调试完成后将调试好的程序下载到AT89C51中。Keil uVersion3.0开发系统提供四项功能：编译、下载、调试和模拟，分别由Keil uVersion2.0提供的编译器、在线串行下载器、调试器和模拟器来实现。Keil uVersion2.0编译器可在Windows操作系统下直接使用，编译C语言源程序，并生成16进制文件和列表文件。

43、调试器采用Windows系统，允许用户使用AT89C51的UART串行接口在芯片上调试代码执行。在典型调试对话中，调试器提供对片所有外围设备的访问、单步和设置断点的代码执行控制方式。模拟器采用Windows系统，能完全模拟AT89C51的所有功能。模拟器使用简单，结合了许多标准调试特征，包括多断点、单步以与代码执行跟踪等能力。同样伟福仿真器是国较好的仿真器之一，它能够仿真的CPU品种多、功能强。通过更换仿真头POD，可以对不同的CPU进行仿真。可仿真51系列，196系列，PIC系列，飞利蒲公司的552、LPC764、DALLAS320，华邦438等51增强型CPU。由于伟福编译过程没有Keil

44、 uVersion2.0那么繁琐，能对程序进行直接编译，省去了建立和设置工程等步骤，使用方便、快捷。所以本设计以Keil uVersion2.0为基础，运用伟福来编译程序。5.1.2 电路仿真仿真部分运用Proteus仿真软件来实现，Proteus 软件是一款强大的单片机仿真软件，它除了具有和其他工具一样的原理编辑、印制电路板（PCB）自动或人工布线与电路仿真外，最大的特色是其电路仿真是交互的、可视化的。对于单片机学习和开发帮助极大。Proteus ISIS 是英国Labcenter 公司开发的电路分析与实物仿真软件。它运行于Windows操作系统上，可以仿真、分析(SPICE)各种模拟器件和

45、数字集成电路，包括单片机。通过Proteus可以绘制硬件原理图，并设置元件参数；为单片机与其程序以与外部接口电路的仿真提供可能，验证设计的可行性与合理性；还可以为连接实际的硬件电路做好准备；如有必要时，可以利用它来设计电路板。5.2 仿真效果将设计好的电路，通过proteus进行仿真，把设定好的输入参数和电路仿真实现的数据进行对比，验证电路设计的可行性。5.2.1 信号处理电路仿真结果因为电机的转速通过光感元件后，表现为一定频率的脉冲波形，所以，可以通过proteus的仿真功能，给信号处理电路输入一定周期的非标准方波脉冲信号，再通过仿真示波器，检测信号处理电路的输出波形是否达到，信号处理电路预

46、期的放大、整形功能。如图5.1。由波形发生器向光敏三极管Q1输入一定频率的脉冲以代表光电码盘转动时产生的脉冲，示波器D端检测输入信号，A端检测信号处理电路的输出波形。设定输入幅值为1.5V，频率为3KHz的正弦波如图5.2，示波器检测到的值如图5.3。图5.1 信号处理电路的仿真检测图5.2 波形发生器参数设定图5.3 示波器检测到的参数仿真结论：通过向信号处理电路输入幅值为1.5V，频率为3KHz的正弦波（绿色波形），检测到信号处理电路输出波形（黄色波形）的幅值为大约5V的标准方波；信号处理电路理论上达到要求。5.2.2 整体仿真结果整体仿真如图5.4。输入参数如图5.2。图5.4 整体仿真

47、图 整体仿真结论：在输入幅值为1.5V，频率为3KHz的正弦波后，LCD显示1800M/min。通过程序计算：count=TH1*256+TL1;count=count*60/100;程序中：count为计数得到的波形脉冲；100为电机旋转每周产生的脉冲数；count*60/100得到了电机每分钟转动的圈数；因为输入为3KHz；所以通过计算得到1800M/min；仿真得到的结果与计算值完全符合，设计的电路在理论上可行。设计达到要求。本文总结本设计采用光电开关测速法，利用对射式光电开关采集转速信号，通过信号处理电路得到适合的脉冲后，输入单片机进行处理、计算，得出实际的转速值，辅以LCD显示。此系

48、统实现了设计的要求：(1)光电开关与电机转换平台简单适用；(2)采集电路能实时采集转速信息；(3)单片机处理系统运算快速简单，程序可读性强，条理分明，能形成独立模块以便于其他类似系统的计算；(4)LCD为主体的人机界面能准确显示速度值；存在问题：（1） 系统选择位数最多的定时/计数器工作方式1（为16位），但仍有其局限性。此计数器的最大计数脉冲数为63336（216），若每秒钟计算一次，则当1秒外部脉冲的输入数超过65536个时，计数器会溢出，从而产生中断，使得测出的转速值小于实际的转速值。根据计算方法（若转盘齿数为100），Vmax=65536*60s/100=39321r/min，所以本系

49、统不能测量围不能超过此值。（2） 通过T1计数时，单片机每读取一个脉冲至少需要3个机器周期的时间来完成。本系统采用的晶振为12MHz，所以一个机器周期Tcy=12/f=1us。若要使单片机准确读取外部脉冲，则脉冲的输入周期不能超过3us。如此可计算(转盘齿数为100)，系统能测量的转速需低于：Vmax=60s/(3us*100)=200000r/min。（3） 光电开关的反应速度也会对转速测量值的大小产生影响。若转速过快，则光电开关来不与处理，这样会造成测速不准，甚至测不出数值。改进方法：（1）采用时钟频率更高、定时/计数器位数更多的单片机来处理脉冲，现某些高速单片机可达到40MHz的处理速度

50、，可以大大提高测速围。（2）应用反应速度更快的传感器来做光电开关。现在高速光电开关的响应速度可达到0.1ms，每分钟可进行30万次检测操作，这样就能检出高速转动的微小物体。综上所述，本装置结构简单、实用，在降低测速器成本，提高测速稳定性与可靠性等方面有一定价值，可以达到一般测速的测量标准，具有广泛的前景。参考文献1 马西自动检测技术M机械工业，2001:210-2302 雷思孝，育长单片机系统设计与工程应用M.电子科技大学，2005:79-853 雷玉堂.光电检测技术（第2版）M.中国计量，2009:254-2594 郭培源，付扬.光电检测技术与应用M.航空航天大学出版，2006:221-22

51、45 道德.单片机接口技术（C51版）M.中国水利水电，2007:112-1156 汪云.基于霍尔传感器的转速检测装置J.传感器技术2003，22(10):45-47 7 路明.C语言程序设计M.邮电大学，2005:1-78 徐玮，徐富军，建良.C51单片机高效入门M.机械工业，2006.43-459 王为青，程国钢.单片机Keil Cx51应用开发技术M.人民邮电，2007:31-3810 林志琦，郎建军，会杰，佟大鹏.基于Proteus的单片机可视化软硬件仿真M.航空航天大学出版，2006:1-511 丁英丽. 智能光电计数系统的设计J. 计量与测试技术, 2004,5(2): 313212 照章，朱湘临.光电测速传感器与其信号调理电路J.传感技术, 2002，1（8）;53-5513 Car systems integrate more f