电子系统设计与调试课程设计基于51单片机的转速表系统设计本科论文

`武汉理工大学《电子系统设计与调试》课程设计说明书PAGEPAGE1武汉理工大学《电子系统设计与调试》课程设计说明书目录1.前言 12智能转速表的系统设计 12.1系统硬件设计 12.1.1方案选择 12.1.2仪器各部分组成 22.2系统软件设计 33设计原理 53.1转速计算及误差分析 53.2转速测量 63.2.1门控方式计数 63.2.2中断方式计数 73.3串行显示接口 74软件程序的设计 84.11s定时 84.2T1计数程序 84.3频率数据采集 94.4进制转换 104.5数码显示 135软件设计总体程序 156总程序调试 217心得体会 21参考文献 221.前言单片微型计算机简称单片机，又称为微控制器（MCU）是20世纪70年代中期发展起来的一种面向控制的大规模集成电路模块，具有功能强、体积小、可靠性高、价格低廉等特点，在工业控制、数据采集、智能仪表、机电一体化、家用电器等领域得到了广泛的应用，极大的提高了这些领域的技术水平和自动化程度。单片机在我国大规模的应用已有十余年历史，单片机技术的研究和推广正方兴未艾。MSC-51系列单片机是国内目前应用最广泛的一种8位单片机之一。经过20多年的推广与发展，51系列单片机形成了一个规模庞大、功能齐全、资源丰富的产品群。随着嵌入式系统、片上系统等概念的提出和普遍应用，MCS-51系列单片机的发展又进入了一个新的阶段。我们使用的89C51单片机是目前各大高校及市场上应用最广泛的单片机型.其内部包含:一个8位的CPU;4K的程序存储空间ROM;128字节的RAM数据存储器;两个16位的定时/计数器;可寻址64KB外部数据存储器和64KB外部程序存储器空间的控制电路;32条可编程的I/O线;具有两个优先级嵌套的中断结构的5个中断源。本次课程设计便是设计一个基于89C51单片机转速表系统。要求进行电路硬件设计和系统软件编程，硬件电路要求动手制作并能够完成系统硬件和软件调试。2智能转速表的系统设计2.1系统硬件设计2.1.1方案选择由于单片机所具有的特性，它特别适用于各种智能仪器仪表，家电等领域中，可以减少硬件以减轻仪表的重量，便于携带和使用，同时也可能低存本，提高性能价格之比。该转速表选用MCS-51系列单片机的8031芯片，外部扩展4KBEPROM和8155作为显示器的接口。该系统的整体结构框图见下图2.1所示：图2.1智能转速表总结构流程图2.1.2仪器各部分组成（1）传感器传感器为红外光电式传感器。其中一个发光二极管发出红外波长的光，可不受室内自然光的影响，此光照到旋转物体上反射回后，被光敏三极管接收。光敏三极管接受到此信号后，经放大，整形转换为矩形脉冲信号送入MCS-51单片机的外部中断输入端INTO和INT1上。（2）键盘键盘由功能键，数字键，存入键，取出键，单双键路选择键，启动停止键等组成。为了减少键的数目，以减少故障率，采用了一键多用的复用键方案，但软件相对复杂一些。键盘于8031的P1口直接相连，以加快对键盘的扫描速度。也可以用8155等芯片作为键盘的输入接口，但扫描速度比前者慢一些。（3）显示器8个LED数码管作显示器，它通过可编程并行I/O接口芯片8155与8031相连。8155的A口通过反相驱动(75452或7406)作为显示器位选口；B口通过同相驱动器(7407)作显示器段选口。在进行不同测量时，除在LED显示器上以英文字母提示外，在运行过程中还以不同的发光二极管指示测量的内容。发光二极管由8155的C口驱动。（4）程序存储器系统的监控程序和运算处理程序存放在外接4K字节的EPROM2732中。（5）数据存储器数据存储器由8031片内的低128字节和8155内部256字节的RAM组成.8031的内部RAM主要用于堆栈，工作寄存器，显示缓冲器，各测量参数的计算缓冲器和标致位等。而8155内部的RAM除上部4个单元外，全部用于存放转速和线速度值，其存储空间划分如图2-2所示，共分为三组，每组84个单元，可存入42个16位二进制数据，即42个4位16进制数据。如下图2.1为外部RAM存储器空间划分图。图2.1外部RAM存储器空间划分2.2系统软件设计系统监控程序的主程序流程框图见图2.2系统软件采用模块式结构，由主程序及多个功能模块子程序组成，可使程序清楚，易编易读，便于调试和修改。图2.2监控主程序流程图主程序的任务是对8031单片机初始化，如设置堆栈，预置各定时器的控制字，初始化显示缓冲区，8155的初始化，设置标致位，清内存等；然后显示开机初始化状态，扫描键盘，根据按下键的功能各自的功能操作。3设计原理3.1转速计算及误差分析根据转速,周期,频率之间的关系可知:(3-1)(3-2)(3-3)式中,n—被测转速,r/min;T－转速信号周期,s;f－转速信号频率,Hz;－计算计数脉冲的周期，又称时基，.将式(3-3)代入式(6-1)，可得：(3-4)用十六进制数表示，为：式中N已存入75H,74H,73H单元。利用除法子程序,即可求出转速。下面计算系统得相对误差。分别对式(3-1)和(3-3)求微分(3-5)(3-6)将式(3-6代入(3-5)，可得：(3-7)式中，为量化误差，个计数脉冲，又已知时基，故(3-8)由式(3-8)可知，相对误差与频率成正比，即相对误差随转速得升高而升高。因此，为了提高测量精度，高转速时需要连续测量数个周期。本系统中为4个周期，即测得的N为4个周期内的总和，所以(3-9)(3-10)用十六进制数表示，为,对式(3-9)进行微分得：.因此，可求出高速测量时的相对误差为。同样，代入，个计数脉冲，则:(3-11)将式(3-11)与式(3-8)比较可知，采用多周期测量相对精度大大提高。若设置系统的临界转速为3662r/min，其对应的每周期计数脉冲个数为。开机时,首先按低转速测量,然后判断转速n是高于还是低于3662r/min。若低与此临界值，则仍然低转速测量，若高于它，便主动转入高转速测量，即连续测量4个周期.这样，就可以实现量程自动切换。3.2转速测量由式(3-4)和(3-10)可知，只要能够求出脉冲个数N，即可求出转速。为了得到计数脉冲，可以采用门控方式的硬件计数方法，也可以采用中断方式的软件计数方法。3.2.1门控方式计数由8031定时器/计数器T0工作原理可知，当其工作在计数方式，只要T0引脚上有负跳变,计数器就加1。CPU在每个机器周期的状态时，采样T0，所以需要2个机器周期才能识别一个T0的负跳变，即T0的周期至少应该等于2倍机器周期。若晶振频率为6MHz，6分频后得到ALE信号，故ALE信号周期为，机器周期为。由此可知,最低计数脉冲周期为，可由ALE信号经74LS74中的两个D触发器4分频后取得。为了保证精度，要求8031内部计数器0与的上跳沿同步，此时开始计数，在的下跳沿停止计数。图3.1门控脉冲与计数脉冲为了实现此功能，可以利用51单片机特有的定时器门控工作方式，通过指令MOVTHOD，#1DH来设置定时器/计数器的工作方式。这里使定时器/计数器0工作于16位技术方式，并由门脉冲进行控制。只有当为高电平时，且运行控制位时，计数器0才开始工作。一旦转为低电平，计数器0即刻停止计数。3.2.2中断方式计数高转速时，为了连续测量4个输入脉冲周期，可以采用中断方式计数。在初始化或前一次测量结果时，单片机禁止”外部中断0”和”定时器0”溢出中断。设置”外部中断0”为负跳沿触发方式，设定”计数器0”为非门控计数方式，然后等待中断。外部中断负脉冲一到，立刻启动”计数器0”对T0的计数脉冲进行计数。计到4个测量周期时，停止”计数器0”工作，禁止外”中断”，恢复测量周期常数3，并将计得的脉冲数存入相应的单元。门控方式和中断方式计数，有效的解决了精度测量输入脉冲周期和高低量程自动切换问题，测得计数脉冲个数后，即可转入计算转速n子程序，计算结果得BCD吗存入相应的4个存储单元，以备显示。3.3串行显示接口51单片机的I/O口串行口为全双工接口，串行工作在方式0时，外接移位寄存器，可将串口转换成8位并口。其显示的速率为,即，可以满足显示器稳定显示。串行数据的接受/发送均通过RXD，而由TXD输出移位脉冲。在串口上外接4片移位寄存器74LS64作为8位显示器的静态显示口。变串行输入为并行输出，经缓冲器接至数码管。4软件程序的设计4.11s定时本次设计选用定时器T0完成定时功能，选用方式1时最多也只能定时，显然不能满足定时1的要求，可以用下面这种方法解决：采用T0定时10，连续循环定时100次即可完成1定时，用一个计数单元20H存放循环的次数，每一次循环20H单元自减1，当20H单元为零时则1定时到时。定时器T0初始化程序如下：MOVIE,#8AH;开放T0、T1中断MOVTMOD,#51H;T0定时，T1计数，都工作于方式一MOV20H,#100;100*10ms=1sSETBTR01s定时程序如下：T0INT:DJNZ20H,NEXTNEXT:MOVTH0,#0DCH;1s还未到则置初值继续定时MOVTL0,#00HEXIT:RETI4.2T1计数程序设计中T1采用计数功能，需要注意的一个问题是，输入的待测时钟信号的频率最高可以达到460800Hz，但计数器最多只能计数65536次，显然需要对计数单元进行扩展，扩展的思路是除了计数器T1的TH1和TL1用于计数外，再选用一个计数单元23H，每当计数器T1溢出回零时产生中断，中断程序执行23H单元自增1，这样，当一秒到时时采集的计数数据，23H单元存放的是数据的最高位，TH1存放的是数据的次高位，TL1存放的是数据的最低位。当然，这里所说的“最高位”“次高位”以及“最低位”都是针对十六进制而言的。计数器T1初始化程序如下：MOVIE,#8AH;开放T0、T1中断MOVTMOD,#51H;T0定时，T1计数，都工作于方式一MOVTH1,#00HMOVTL1,#00H;计数初值为零SETBTR1根据流程图设计的计数程序如下：MOV21H,#0MOV22H,#0MOV23H,#0 ;此三个单元存放采集到的频率T1INT:INC23H;计数器溢出则23H单元自增1RETI4.3频率数据采集到1定时时，存储计数器T1以及扩充计数单元23H记录的数据即为输入时钟信号的频率，为了保证记录的频率精确度，到1定时后应立即停止T1的计数，因为指令的执行也需要时间，并且待测的时钟信号频率越高，指令执行所需要的时间就越不能忽略，这里采用的指令为CLRTR1。数据采集程序如下：CLRTR0MOV22H,TH1;1s定时到则采集数据MOV21H,TL1AJMPEXIT4.4进制转换从计数器采集到的频率数据是十六进制的，如果直接把这些数据送给数码管显示显然很不直观，因此需要把这些数据向十进制转换。转换的算法有两种，第一种算法的思想是对该十六进制数除以100，商为百位，余数再除以10，再得到的商为十位，余数为个位。这种算法虽然程序的编写非常简单，但是它的局限性也非常明显，即它只能对不大于两位的十六进制数进行转换，对于大于两位的十进制数则无能为力。这次设计的频率计频率范围远不止两位十六进制数就能记得下，所以这里采用第二种方法。第二种方法算法的编程实现非常复杂，但是可以对任意长度的十六进制数向十进制转换。这种算法的基本思路是：第一步将最高位的高半字节提出来，除以10，把商存储起来，余数与最高位的低半字节组合成一个字节，再除以10，再存储商，余数以此类推，直到最后一次计算得到的余数即为十进制数的个位；第二步把第一步存储的商组合成一个字节，依次除以10，仍然把每次得到的商存储起来，以此类推最后一次得到的余数即为十进制数的十位；以后也是以此类推得到十进制数的百位、千位……以上算法必须要注意的一个为题是，每次得到的余数与低位的半字节组合成一个字节时，余数必须放在该字节的高半字节，否则计算错误。该本次频率计系待测的时钟信号的最高频率为460800Hz，对应的十六进制数为70800H，这里就以70800H转换为十进制数为例来说明这种算法。第一步：用7H除以10，商0H余7H，把商0存储在24H单元，余数7H与下一个字节08H的高半字节0H组合成一个字节70H。70H除以10，商BH余2H，把商BH存储在25H单元，余数2H与8H组合成一个字节28H。28H除以10，商4H余0H，把商4H存储在26H单元，余数0H与0H组合成一个字节00H。00H除以10，商0H余0H，把商0H存储在27H单元，余数0H与0H组合成一个字节00H。00H除以10，商0H余0H，把商0H存储在28H单元，余数0即为所需十进制数的个位。第二步：把存储在24H与25H单元的商组合成一个字节0BH。0BH除以10，同第一步，存储商，余数与下一个商组合成一个字节，再除以10，一次类推得到十进制数的十位0。第三步：方法同第二步，得到十进制数的百位8。第四步：方法同第三步，得到十进制数的千位0。第五步：方法同第四步，得到十进制数的万位6和十万位4。最后得到了十进制数460800。图4.3详细的展示了这种进制转换算法的过程。这种算法的编程实现如下，转换后的十进制数由低到高依次存放再50H—60H单元中。ZHUANHUAN:;向十进制转换MOVA,23HMOVB,#0AHDIVABMOV24H,A;存储第一位商;MOVA,BMOV30H,22HANL30H,#0F0HADDA,30HSWAPAMOVB,#0AHDIVABMOV25H,A;存储第二位商;MOVA,BSWAPAANL22H,#0FHADDA,22HMOVB,#0AHDIVABMOV26H,A;存储第三位商;MOVA,BMOV30H,21HANL30H,#0F0HADDA,30HSWAPAMOVB,#0AHDIVABMOV27H,A;存储第四位商;MOVA,BSWAPAANL21H,#0FHADDA,21HMOVB,#0AHDIVABMOV28H,A;存储第五位商MOV50H,B;存储十进制数个位;;;;;;;;;;;;;;;;;MOVA,24HSWAPAADDA,25HMOVB,#0AHDIVABMOV24H,A;存储第一位商;MOVA,BSWAPAADDA,26HMOVB,#0AHDIVABMOV25H,A;存储第二位商;MOVA,BSWAPAADDA,27HMOVB,#0AHDIVABMOV26H,A;存储第三位商;MOVA,BSWAPAADDA,28HMOVB,#0AHDIVABMOV27H,A;存储第四位商MOV51H,B;存储十进制数十位;;;;;;;;;;;;;;;;;MOVA,24HSWAPAADDA,25HMOVB,#0AHDIVABMOV24H,A;存储第一位商;MOVA,BSWAPAADDA,26HMOVB,#0AHDIVABMOV25H,A;存储第二位商;MOVA,BSWAPAADDA,27HMOVB,#0AHDIVABMOV26H,A;存储第三位商MOV52H,B;存储十进制数百位;;;;;;;;;;;;;;;;;MOVA,24HSWAPAADDA,25HMOVB,#0AHDIVABMOV24H,A;存储第一位商;MOVA,BSWAPAADDA,26HMOVB,#0AHDIVABMOV25H,A;存储第二位商MOV53H,B;存储十进制数千位;;;;;;;;;;;;;;;;;MOVA,24HSWAPAADDA,25HMOVB,#0AHDIVABMOV54H,B;存储十进制数万位MOV55H,A;存储十进制数十万位4.5数码显示将采集到的频率转换为十进制数后，还不能直接将这些数送给数码显示，因为七段LED数码管内部由7个条形发光二极管和一个小圆点发光二极管组成，根据各管的亮暗组合成字符。本次设计所给数码管十进制数显示代码如下所示。表4.1LED十进制字形显示代码表0FC1600FC1602DA3F24665B66BE7E08FE9E6将十进制数转换为相应的LED显示的代码，最容易实现的编程方法就是查表，因数码管最多只需要显示六位，只需要查六次表就可以了。编写的程序如下：MOVR0,#50HMOVR1,#5FHMOVDPTR,#TABNEXT3:MOVA,@R0MOVCA,@A+DPTRINCR0INCR1MOV@R1,A;把即将数码管显示的数据送入以60H为首的单元DJNZR2,NEXT3TAB:DB0FCH,60H,0DAH,0F2H,66H,0B6H,0BEH,0E0H,0FEH,0F6H得到十进制数的LED显示代码以后，就可以把这些代码送入数码管显示了，方法是50单片机先通过通信的方式把显示代码发送给数码管管理芯片ZLG7290相应的显示区域，就可以通过数码管显示频率了。51单片机通过通信传送数据的过程如图5.5所示。具体程序实现如下：NUMBYTEQU5DHSLAEQU5EHMTDEQU5FHSCLEQUP1.0SDAEQUP1.1MOVMTD,#10H;字节数据发送MOVNUMBYT,#09HMOVSLA,#70HLCALLWRNBYTWRNBYT:PUSHPSWWRNBYT1:MOVPSW,#18hCALLSTAMOVA,SLACALLWRBCALLCACKJBF0,WRNBYTMOVR0,#MTDMOVR5,NUMBYTWRDA:MOVA,@R0LCALLWRBLCALLCACKJBF0,WRNBYT1INCR0DJNZR5,WRDALCALLSTOPPOPPSWRETWRB:MOVR7,#8WLP:RLCAJCWR1CLRSDASETBSCLNOPNOPNOPNOPCLRSCLDJNZR7,WLPRETWR1:SETBSDASETBSCLNOPNOPNOPNOPCLRSCLCLRSDADJNZR7,WLPRETCACK:;应答位检查SETBSDASETBSCLNOPNOPMOVC,SDAMOVF0,CCLRSCLNOPNOPRETSTA:SETBSDA;发送起始位SETBSCLNOPNOPNOPNOPCLRSDANOPNOPNOPNOPCLRSCLRETSTOP:CLRSDA;发送停止位SETBSCLNOPNOPNOPNOPSETBSDANOPNOPNOPNOPCLRSCLRETI5软件设计总体程序各单元子程序已经设计完毕，将各子程序通过适当的指令链接起来，总程序的第一部分为T0、T1初始化，第二部分为1定时，第三部分为计数，第四部分为采集频率，第五福分为进制转化，第六部分为数码显示，这几部分构成了转速表软件系统的总体程序，如下所示：NUMBYTEQU5DHSLAEQU5EHMTDEQU5FHSCLEQUP1.0SDAEQUP1.1ORG0000HAJMPSTARTORG000BH;T0中断入口AJMPT0INTORG001BH;T1中断入口AJMPT1INTORG0030HSTART:MOVSP,#70HMOVIE,#8AH;开放T0、T1中断MOVTMOD,#51H;T0定时，T1计数MOVTH0,#0DCHMOVTL0,#00H;定时10msMOV20H,#100;100*10ms=1sMOVTH1,#00HMOVTL1,#00HMOV21H,#0MOV22H,#0MOV23H,#0;存放采集到的频率SETBTR1SETBTR0WAIT:AJMPWAIT;等待中断T1INT:INC23H;计数器溢出则23H单元自增1RETIT0INT:;定时10ms产生中断DJNZ20H,NEXT1CLRTR1CLRTR0MOV22H,TH1;1s时间到则采集数据MOV21H,TL1ACALLDISPLAYAJMPEXITNEXT1:MOVTH0,#0DCH;继续定时MOVTL0,#00HEXIT:RETIDISPLAY:MOVR0,#60HMOVR1,#08H;对60H-67H单元清零NEXT2:MOV@R0,#0INCR0DJNZR1,NEXT2ZHUANHUAN:;进制转换MOVA,23HMOVB,#0AHDIVABMOV24H,A;存储第一位商;MOVA,BMOV30H,22HANL30H,#0F0HADDA,30HSWAPAMOVB,#0AHDIVABMOV25H,A;存储第二位商;MOVA,BSWAPAANL22H,#0FHADDA,22HMOVB,#0AHDIVABMOV26H,A;存储第三位商;MOVA,BMOV30H,21HANL30H,#0F0HADDA,30HSWAPAMOVB,#0AHDIVABMOV27H,A;存储第四位商;MOVA,BSWAPAANL21H,#0FHADDA,21HMOVB,#0AHDIVABMOV28H,A;存储第五位商MOV50H,B;存储十进制数个位;;;;;;;;;;;;;;;;;MOVA,24HSWAPAADDA,25HMOVB,#0AHDIVABMOV24H,A;存储第一位商;MOVA,BSWAPAADDA,26HMOVB,#0AHDIVABMOV25H,A;存储第二位商;MOVA,BSWAPAADDA,27HMOVB,#0AHDIVABMOV26H,A;存储第三位商;MOVA,BSWAPAADDA,28HMOVB,#0AHDIVABMOV27H,A;存储第四位商MOV51H,B;存储十进制数十位;;;;;;;;;;;;;;;;;MOVA,24HSWAPAADDA,25HMOVB,#0AHDIVABMOV24H,A;存储第一位商;MOVA,BSWAPAADDA,26HMOVB,#0AHDIVABMOV25H,A;存储第二位商;MOVA,BSWAPAADDA,27HMOVB,#0AHDIVABMOV26H,A;存储第三位商MOV52H,B;存储十进制数百位;;;;;;;;;;;;;;;;;MOVA,24HSWAPAADDA,25HMOVB,#0AHDIVABMOV24H,A;存储第一位商;MOVA,BSWAPAADDA,26HMOVB,#0AHDIVABMOV25H,A;存储第二位商MOV53H,B;存储十进制数千位;;;;;;;;;;;;;;;;;MOVA,24HSWAPAADDA,25HMOVB,#0AHDIVABMOV54H,B;存储十进制数万位MOV55H,A;存储十进制数十万位PINBI:;将高位的0屏蔽不显示MOVR3,#0MOVR0,#55HST2:MOVA,@R0JZST1AJMPSHUMAST1:INCR3DECR0AJMPST2SHUMA:MOVA,#6CLRCSUBBA,R3MOVR2,A;将需要显示的位数存入R2MOVR0,#50HMOVR1,#5FHMOVDPTR,#TABNEXT3:MOVA,@R0MOVCA,@A+DPTRINCR0INCR1MOV@R1,ADJNZR2,NEXT3MOVMTD,#10HMOVNUMBYT,#09HMOVSLA,#70HLCALLWRNBYTRETWRNBYT:PUSHPSWWRNBYT1:MOVPSW,#18hCALLSTAMOVA,SLACALLWRBCALLCACKJBF0,WRNBYTMOVR0,#MTDMOVR5,NUMBYTWRDA:MOVA,@R0LCALLWRBLCALLCACKJBF0,WRNBYT1INCR0DJNZR5,WRDALCALLSTOPP