非接觸測長測速儀的設計

1、非接觸測長測速儀的設計 摘要;在實際工業(yè)生產(chǎn)中,傳統(tǒng)的接觸式的長度速度測量方法,會因為機械磨損,塵埃等原因影響系統(tǒng)的正常工作。針對此不足本文以MCS-51系列單片機中的8051芯片為核心，采用光電傳感器件，設計了一種新型的長度測量儀，具有長度測量，速度測量，數(shù)據(jù)顯示，定時報警，等功能。由于單片機價格低廉，可靠性高等特點，完全能滿足新型非接觸自動測長儀的要求。因此，以它作為微控制器，提高了整機的性能價格比。具有成本低，體積小，硬件電路簡單，功能強，可靠性高等特點。加之運用了碼撥盤輸入、LED數(shù)字顯示器，使整個裝置的記數(shù)，顯示，控制一氣呵成，形成了集成度高，運行可靠，操作安全的智能化測量系統(tǒng)。關鍵

2、詞：長度測量 速度測量 非接觸 8051單片機 光電傳感器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 Speed measures Dont keep in touch 8051one-chip computer Photoelectric sensor 目 錄摘 要IABSTRACTII第一章 緒 論- 1 -1.1 引 言- 1 -1.2 非接觸自動測長測速儀的發(fā)展概述- 1 -什么是非接觸自動測量- 1 -非接觸自動測長測速儀的應用前景- 2 -1.3 論文研究的目的和內容- 2 -第二章 非接觸自動測長測速儀系統(tǒng)原理概述- 3 -2.1 非接觸自動測長測速系統(tǒng)基本原理- 3 -非接觸自動測長測速系統(tǒng)特點和技術指標- 3 -非接觸自動測長測速系統(tǒng)基本組成- 3 -2.2 非接觸自動測

6、長系統(tǒng)基本原理- 3 -第三章 非接觸自動測長測速系統(tǒng)硬件設計- 6 -3.1 構成應用系統(tǒng)的基本方法- 6 -確定指標- 6 -可行性研究- 6 -3.2 系統(tǒng)總體方案設計- 6 -應用系統(tǒng)硬件的設計方法- 7 -單片機應用系統(tǒng)軟件的設計方法- 7 -3.3 單片機8051及相關電路設計- 8 -單片機簡介- 8 -單片機8051基本組成原理- 9 -單片機應用系統(tǒng)的設計工作- 10 -3.4 計數(shù)功能的結構與原理- 11 -3.5 時鐘電路- 11 -3.6 復位電路- 12 -第四章 單片機及其擴展接口芯片- 14 -4.1 可編程并行I/O接口芯片8255- 14 -地址鎖存芯片74L

7、S373- 15 -外部存儲器的擴展- 16 -4.2 鍵盤/顯示器接口- 16 -第五章 應用系統(tǒng)軟件的設計方法- 18 -5.1 主程序- 18 -5.2 INT1中斷服務程序- 19 -5.3 功能塊程序- 19 -5.4 顯示子程序- 20 -第六章 傳感器的概述- 21 -6.1 傳感器概述- 21 -6.2 選擇傳感器的總原則- 21 -根據(jù)測控對象與測控環(huán)境確定傳感器的類型- 21 -傳感器靈敏度的選擇- 22 -傳感器頻率響應性- 22 -傳感器線性范圍- 22 -傳感器穩(wěn)定性- 22 -傳感器精度的選擇- 23 -6.3 紅外光電傳感器- 23 -6.4 紅外線光電開關- 2

8、3 -6.5 對射式光電開關原理- 24 -結 論- 25 -參 考 文 獻- 26 -致 謝- 27 -附 錄- 28 -第一章 緒 論1.1 引 言 隨著現(xiàn)代科學技術的不斷發(fā)展，極大地推動了不同學科的交叉與滲透 ，導致了工程領域的技術革命與改造。在機械工程領域，由于微電子技術和計算機技術的迅速發(fā)展及其向機械工業(yè)的滲透所形成的機電一體化，使機械工業(yè)的技術結構、產(chǎn)品機構、功能與構成、生產(chǎn)方式及管理體系發(fā)生了巨大變化，使工業(yè)生產(chǎn)由“機械電氣化”邁入了“機電一體化”為特征的發(fā)展階段?，F(xiàn)代科學技術以及復雜的自動控制系統(tǒng)和信息處理理論和技術的提高，光電信號變換與檢測技術的不斷涌現(xiàn)，綜合性的自動化，智能

9、化的光電系統(tǒng)得到進一步發(fā)展，形成了自己包括光學，精密機械，電子學和計算機的高度知識集中的新科學光學精密機械電子學。這種跨學科的邊緣科學就是光電技術。如今光電技術已廣泛應用工業(yè)，農(nóng)業(yè)，文教，衛(wèi)生，國防，科研和家庭生活等領域。因此，光電檢測技術是光電技術的核心和重要組成部分。光電檢測技術是一種非接觸測量的高新技術，它通過光電檢測器件接收光信號，并轉換成電信號，再由檢測電路提取有用的信號，經(jīng)過A/D變換接口輸入微型計算機運算處理，最后顯示除所需要的數(shù)據(jù)。因此光電檢測技術是現(xiàn)代檢測技術的最重要手段和方法。是計量檢測技術的一個重要發(fā)展方向。1.2 非接觸自動測長測速儀的發(fā)展概述 什么是非接觸自動測量非接

10、觸自動測量是指在機構的主功能、動力功能、信息處理功能和控制功能上引進電子技術，將機械裝置與電子化設計及軟件結合起來所構成的系統(tǒng)的總稱。隨著科學技術的發(fā)展，還將被賦予新的內容。但其基本特征可概括為：是從系統(tǒng)的觀點出發(fā)，綜合運用機械技術、微電子技術、自動控制技術、計算機技術、信息技術、傳感測控技術、電力電子技術、接口技術、信息變換技術以及軟件編程技術等群體技術，根據(jù)系統(tǒng)功能目標優(yōu)化組織目標，合理配置與布局各功能單元，在多功能、高質量、高可靠性、高效率、低能耗的意義上實現(xiàn)特定功能價值，并使整個系統(tǒng)處于最優(yōu)化的系統(tǒng)工程技術。 非接觸自動測長測速儀的應用前景近十多年來我國光纖，鋼絲線，電纜，紡織機械行業(yè)

11、的自動化水平有了明顯的提高，在新型機械設備上普遍采用了自動化技術。這項技術的內容包含了先進的信息處理和控制技術，即以計算機為核心，單片機、人機界面、現(xiàn)場總線等組成的控制系統(tǒng)。先進的驅動技術，有變頻調速，交流伺服，步進電機等；檢測傳感技術和執(zhí)行機構等。例如新型光纖纏繞機，這類機器均采用了自動化技術，其特點是： （1）采用先進光電元件和傳感技術，實現(xiàn)非接觸測量，避免了傳統(tǒng)的機械接觸式測量帶來的誤差。（2）采用計算機軟件來完成線型材料的長度計算，轉速，數(shù)據(jù)顯示。（3）體積小巧，結構緊湊，系統(tǒng)穩(wěn)定，能適合各種設備和工業(yè)環(huán)境的測量。1.3 論文研究的目的和內容現(xiàn)代機械應用了自動化測量技術后機構簡化，性能

12、改善，質量提高，操作方便，提升了設備的檔次和水平.采用單片機控制測量后的效果表現(xiàn)為： (1) 簡化了復雜的傳統(tǒng)機械式測量結構，取消了接觸式測量裝置。(2) 應用鍵盤輸入人機界面，操作十分方便。(3) 可以測量長度，測量速度，記錄長度，定時報警。測量誤差：0.1CM（100）米。(4) 數(shù)字顯示測量結果數(shù)據(jù)。(5) 機器生產(chǎn)效率有較明顯的提高。由于單片機價格低廉，功能強大，穩(wěn)定性好，此技術有很好的應用前景。非接觸自動化測量裝置在國產(chǎn)機械設備上的廣泛應用，推動了國產(chǎn)機器的機電一體化發(fā)展，縮小了與國外的差距。第二章 非接觸自動測長測速儀系統(tǒng)原理概述2.1 非接觸自動測長測速系統(tǒng)基本原理 非接觸自動測

13、長測速系統(tǒng)特點和技術指標本文研究的非接觸自動測長測速儀，系統(tǒng)采用8051單片機做控制，傳感器采用紅外發(fā)光二極管，利用反射條，由光敏三極管接收。此為非接觸方式測量。同時，在葉輪上貼反射條，使用方便，性能價格比高。采用8051單片機進行實時控制，不僅可以測長，還可輸入數(shù)據(jù)，數(shù)字顯示，定時報警，測量速度。比以往單一的接觸式測長儀器功增強了。具有以下主要功能：（1）測量長度。（2）測量速度。（3） 100米，200米，300米的設置停機.（4）記錄長度，定時報警。（5）測量誤差：0.1CM（100）米。（6）數(shù)字顯示測量結果。 非接觸自動測長測速系統(tǒng)基本組成非接觸自動測長測速儀由傳感部分電路及信號處理

14、電路組成。原理框圖如下： 圖2.1 硬件原理框圖2.2 非接觸自動測長測速系統(tǒng)基本原理在被測物（如電纜）的葉輪上貼有反射條。當紅外光電傳感器的發(fā)射電路發(fā)出的信號驅動紅外發(fā)光二極管發(fā)射紅外光時，被反射紙條反射回，由光敏三極管接受，并轉換為電脈沖信號作為光電敏感的接收電路的輸入信號。紅外光電傳感器測得的脈沖信號送如脈沖檢測電路。檢測電路由定時器/計數(shù)器和相應的邏輯電路組成，它實現(xiàn)了高精度的數(shù)字測量長度。 當紅外光電傳感器的發(fā)射電路發(fā)出的信號驅動紅外發(fā)光二極管發(fā)射紅外光時，照向輪軸。被其上的反射紙條反射回，由光敏三極管接受，并轉換為電脈沖信號作為光電敏感的接收電路的輸入信號。此脈沖信號送到計數(shù)器/定

15、時器計算個數(shù)，一個脈沖信號既為一個輪軸旋轉一周的周長。通過計算，輪軸半徑乘以2得到周長的長度，就是我們所測的物品的長度。在將脈沖信號的個數(shù)求和，就得到了被測物品的實際長度。速度的測量：在系統(tǒng)中，由定時器產(chǎn)生高頻脈沖M2，用來作為計時的標準脈沖。在對被測脈沖個數(shù)M1計數(shù)的同時，對標準脈沖M2也同時進行計數(shù)，標準脈沖個數(shù)反映了測量時間。通過計算，被測脈沖個數(shù)M1（長度）除以標準脈沖個數(shù)（時間）所得結果，既為測量物品時的速度值。該方法不受轉速高低的限制，在高速和低速時都能獲得較高的測量精度。預設定的測量時間TC由被測脈沖序列來同步。整個測量過程如下。A點時計數(shù)器對被測脈沖M1和高頻基準脈沖M2同時計

16、數(shù)。到達B點時，預設定的測速時間TC已到。系統(tǒng)發(fā)出停止計數(shù)命令。而此時，由于預設定的時間TC不一定恰好等于整數(shù)個被測脈沖的脈沖周期。所以計數(shù)器仍對高頻基準脈沖繼續(xù)進行計數(shù)。在D點被測脈沖的上升沿使計數(shù)器停止計數(shù)。這樣，高頻基準脈沖個數(shù)M2所對應的計時時間就代表了M1個被測脈沖周期的時間，那么該高頻基準脈沖頻率為F，傳感器每轉發(fā)過P個脈沖，則轉速可精確求出：N=（60M1/P）/（M2/F）。由于測量過程中，從整數(shù)個被測脈沖開始計時，整數(shù)個被測脈沖結束。記錄的是整個脈沖，從而消除了其他計數(shù)法中，正負一個被測脈沖引入的誤差,從而有了較高的精度。 圖2.2 計數(shù)脈沖時序圖M1 為被測脈沖個數(shù)M2 為

17、用于計數(shù)計時的高頻脈沖個數(shù)Tc 為預設定的定時時間T 為實測到的M1個脈沖時間 第三章 非接觸自動測長測速系統(tǒng)硬件設計3.1 構成應用系統(tǒng)的基本方法單片機應用系統(tǒng)的范圍很廣，在不同領域的應用，其要求各不相同，構成的方案也千差萬別，沒有完全固定的方法可循。但處理問題的基本方法大體相似。研究者接到某項任務后，在進行應用系統(tǒng)設計時，大都要經(jīng)歷以下步驟。 確定指標接到研制任務后，首先要進行系統(tǒng)的需求分析，以確定系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能。在對系統(tǒng)的工作過程進行深入分析之后，把系統(tǒng)最終要達到的性能指標明確下來。 可行性研究可行性研究的目的是分析完成這個項目的可能性。根據(jù)可行性研究的結論來決定系統(tǒng)的開發(fā)研制工作是否

18、值得進行下去。在完成這項工作時，查閱了國內外的相關資料，看是否有人成功地做過類似的系統(tǒng)。如果有，可以借鑒他們的優(yōu)點，若有可能對其不足之處進行改進。若查不到成功的實例，則作進一步的研究，此時的重點要放在能否實現(xiàn)這個環(huán)節(jié)上。經(jīng)理論分析和實際調研后，若可行，就制定出開發(fā)計劃，同時進入總體方案設計階段。若不行，或放棄或該用其他的控制系統(tǒng)。3.2 系統(tǒng)總體方案設計在明確了任務、確立了指標及可行性研究后，下一步工作就是系統(tǒng)總體方案的設計。在對應用系統(tǒng)進行總體方案設計時，應根據(jù)應用系統(tǒng)要完成的各項功能，把工作重點放在技術難點上。此時，可參考國內外類似系統(tǒng)的技術資料，取長補短以減少重復性勞動，提出合理可行的技

19、術指標。最后擬定出性能/價格比最高的一套方案?？傮w方案確定以后，下一步的工作重點應放在硬件選型及軟、硬件設計上。對于單片機測控系統(tǒng)而言，傳感器的選擇至關重要，對不同傳感器的選擇原則及方法，以下章節(jié)均有介紹。對系統(tǒng)中軟、硬件的設計要明確分工，原則上要盡可能發(fā)揮單片機以軟件代替硬件的長處，能夠由軟件來完成的任務，就盡可能用軟件來實現(xiàn)，以便簡化電路結構，降低成本，提高系統(tǒng)工作的可靠性。但也應考慮到以軟件代替硬件功能是以降低系統(tǒng)的實時性為代價的因此，軟、硬件任務的劃分要根據(jù)系統(tǒng)的要求及實際情況做合理安排，全盤考慮。在確定了軟件及硬件應完成的任務后，系統(tǒng)的大致規(guī)模及軟、硬件的基本框架就確定了。在一個大的

20、測控系統(tǒng)研制過程中，課題組每個成員要盡其所長，避其所短，分工協(xié)作，這樣就能加快研制工作進度，圓滿地完成工作任務。在明確了分工任務后，就各自進入具體的設計階段。 應用系統(tǒng)硬件的設計方法硬件設計是指應用系統(tǒng)的電路設計，一般來講這部分設計可分為兩大部分內容：一是數(shù)字電路部分，二是模擬電路部分。數(shù)字電路設計即單片機系統(tǒng)的擴展，它包括與單片機直接接口的數(shù)字電路，如存儲器和接口的擴展。存儲器的擴展指EPROM、EPROM和RAM的擴展。接口擴展是指串、并行接口（如8255、8155、8279、7219等）及其他功能器件的擴展。這部分設計一般都能找到相關的參考資料，因此相對來講較容易一些。與模擬電路相關的電

21、路設計包括信號放大、整形、變換、隔離、驅動和傳感器的選擇。這部分電路的設計相對較難把握，一旦設計有誤，對整個系統(tǒng)的性能將產(chǎn)生嚴重影響?？紤]好硬件電路要完成的任務后，腦子里應有一個大體的框架，畫出硬件電路的框圖，確定硬件電路的整體方案，并進行詳細的技術分析。下一步就要畫出所有硬件的電器原理圖。在繪制原理圖過程中，所設計到的具體電路可參考他人在這方面的工作。因為他人用過的電路往往具有一定的合理性，在此基礎上，結合自己的設計目的取長補短。當然，有些電路還需要自己設計，完全照搬拼湊出一個硬件系統(tǒng)圖是不可靠的。 單片機應用系統(tǒng)軟件的設計方法根據(jù)系統(tǒng)設計的分工，硬件系統(tǒng)設計完成后，下一步工作就是應用系統(tǒng)的

22、軟件編制。編制軟件離不開硬件，對于軟件編制人員來講，在工作進行之前要和硬件設計充分溝通，只有充分了解硬件系統(tǒng)的工作過程，才能確定軟件的任務，最終達到完美的統(tǒng)一。因此軟件設計要結合硬件進行，其任務也是應用系統(tǒng)研制過程中最艱巨的，其難度也比較大。對于某些較復雜的應用系統(tǒng)，不僅要使用匯編語言來編程，有時還要使用高級語言，最常用的高級語言有：PL/M-51和C51。應用系統(tǒng)的軟件設計主題包括兩大部分：用于管理應用系統(tǒng)的管理程序（監(jiān)控程序）和用于執(zhí)行具體任務的執(zhí)行程序。管理程序是應用系統(tǒng)的管理軟件，它用來協(xié)調各執(zhí)行程序模塊和操作者的關系，在系統(tǒng)中充當組織、指揮的角色。對于單片機應用系統(tǒng)來說，管理程序和執(zhí)

23、行程序是很難分清楚的，它們都是應用程序所以在軟件設計時應考慮以下幾個方面： 根據(jù)應用系統(tǒng)功能要求及分配給軟件的任務，采用自上向下逐層分解的方式，把復雜的系統(tǒng)進行合理的分解。將軟件劃分為若干個相對獨立的部分，在根據(jù)各部分的關系設計出軟件的整體框架，畫出軟件需求的框圖，要求軟件結構清晰、簡潔，流程合理。 盡可能采用結構化模塊設計，根據(jù)軟件任務導出軟件模塊，得到軟件模塊結構及各模塊之間的接口定義，要求各模塊功能單一，盡可能把各模塊之間的聯(lián)系減少到最低限度。模塊化設計的優(yōu)點是每個模塊可以單獨設計，也可以利用原有的成熟程序，這樣既便于軟件調試、鏈接，又便于移植、修改。對于復雜的應用系統(tǒng)軟件，這一點是至關

24、重要的。 在對各功能模塊編制前，要仔細分析模塊所要完成的功能，建立正確的數(shù)學模型，繪制出詳細的程序流程圖，這是軟件設計人員必須養(yǎng)成的習慣。 軟件設計時要充分考慮應用系統(tǒng)的硬件環(huán)境，合理地分配系統(tǒng)資源，包括片內、片外程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、定時器/計數(shù)器、中斷源等。根據(jù)51系列單片機尋址方式的特點，片內RAM的分配方式尤為重要。一般來講，片內RAM的00H07H8個單元留作R0和R1用，20H2FH這16個單元留作各種標志位、邏輯變量、狀態(tài)變量等。堆棧區(qū)設置要留有一定余量。最后對各功能模塊和子程序的入/出口條件、RAM的分配情況要列出一張分配表，以便編程時查詢。 無論用匯編語言還是用高級語言編程

25、，為了使程序增加可讀性，也為日后修改程序方便，在程序的相關位置必須加上功能注釋。軟件的抗干擾設計也是應用系統(tǒng)軟件編程的重要組成部分。雖然在硬件設計中采用了硬件抗干擾措施，但由于單片機測控系統(tǒng)往往都運行在環(huán)境惡劣、干擾嚴重的場合，因此完全依靠硬件來解決抗干擾問題往往達不到預期效果，這時還需要軟件抗干擾措施相配合，只有雙管齊下，才能使應用系統(tǒng)運行更加可3.3 單片機8051及相關電路設計單片機以其與通用CPU完全不同的發(fā)展模式，為滿足工業(yè)測控功能、惡劣環(huán)境下的可靠運行己任。在單片機技術發(fā)展過程中，Intel公司位單片機的發(fā)展最具典型性、完整性和兼容性，現(xiàn)以該系列為代表介紹其發(fā)展年代，其它系列可找到

26、相類似情況。單片機簡介第一代單片機只是將CPU及其外圍計算機功能單元，如I/O口、定時計數(shù)器、程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、中斷系統(tǒng)等集成在單片芯片中，其典型系列為MCS-48單片機。第一代單片機作為單片微控制器的技術探索，在取得到預計的結果后便迅速轉向第二代產(chǎn)品研究，以尋求單片機最佳的內、外部結構。第二代單片機以其SFS管理下的模塊化結構、標準的外部并行總線（AB、DB、CB）結構和為構成多機與網(wǎng)絡系的UART 串行接口為其重要技術特征。這一代單片機為不斷完善，提高Micro controller的控制功能提供了一個良好的Single Chip Microcomputer,但內部功能模塊的設置還沒

27、有超出Microcomputer。第三代單片機則以大力發(fā)展控制功能，提高系統(tǒng)運行的可靠性，逐步將測、控系統(tǒng)要求的外部接口電路納入片內，以朝著真正實現(xiàn)Micro controller所應具備的功能為目標。其中一些目標首先在MCS-96中得到了具體的實現(xiàn)，如高速I/O口、ADC、PWM、Watchdog等。在隨后第三代位單片機中迅速地普及了這些技術。特別是一些大電氣商介入單片機的發(fā)展后，以其在單片機應用領域中的豐富經(jīng)驗，迅速而有效地推動了第三代單片機的形成和發(fā)展。第三代單片機的主要特點是：大力發(fā)展綜合控制功能；不斷推出指令、總線兼容下不同外圍功能的系列單片機；提高系統(tǒng)運行的可靠性。目前各大公司都已

28、進入第三代單片機發(fā)展階段，其中最為典型、對我國單片機技術發(fā)展和更新影響最大的當推80C51系列。 單片機8051基本組成原理單片機又稱微控制器（microcontroller）是將中央處理器（CPU）存儲器、定時器/計數(shù)器、IO接口電路等部件集成在一塊芯片上的微型計算機。目前，單片機技術飛速發(fā)展，在各種場合被廣泛應用。單片機做為控制核心，與傳感器、執(zhí)行機構等結合可以組成自動化的檢測控制系統(tǒng)，本文結合單片機的定時/計數(shù)器的端口功能，開發(fā)一種實用的檢測裝置。MCS51是由美國INTEL公司生產(chǎn)的系列單片機，其中以8051最為典型，由內部總線將邏輯運算器ALU、累加器A、程序計數(shù)器PC、指令寄存器I

29、R、指令譯碼器ID、控制邏輯PLA、存儲器、輸入輸出口聯(lián)結成統(tǒng)一的整體，以實現(xiàn)其功能。8051單片機是8位機32根I/O線 即4個并口分別記做，集成128K的片內RAM和4K片內ROM，其具有的兩個16位定時計數(shù)可通過編程實現(xiàn)4種工作模式。頻率基準源 計 數(shù) 器 中 斷 控 制 并行I/O 串行輸入 串行輸出 圖3.1 8051單片機框圖 單片機應用系統(tǒng)的設計工作目前，MCS-51系列及具有51內核的單片機以其獨特的優(yōu)點，在智能儀表、家用電器、工業(yè)控制、數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡通信等領域得到廣泛的應用。各行各業(yè)的工程技術人員正在根據(jù)自己的任務進行單片機應用系統(tǒng)的開發(fā)設計工作，從而改變了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的設計

30、思想和設計方法。 以前必須由模擬電路或數(shù)字電路實現(xiàn)的大部分控制功能，現(xiàn)在已能由單片機通過軟件方法來實現(xiàn)了，因此使控制系統(tǒng)的性能大大提高，應用領域更加廣泛。本章介紹用單片機構成應用系統(tǒng)的基本方法，軟、硬件設計方法以及應用系統(tǒng)的調試方法，使用戶能快速完成單片機應用系統(tǒng)的設計工作。系統(tǒng)中的單片機8051用來實現(xiàn)定時、記數(shù)，邏輯控制，長度計算，與微機通訊等工作。8255為可編程的并行I/O接口芯片。8051通過P1.0口啟動脈沖檢測電路。測量結束后，8255通過8051的中斷引腳INT1向8051單片機申請中斷。在相應得中斷服務子程序中，8051讀取脈沖數(shù)量值，通過計算求得周長，既我們所測得長度。并將

31、結果保存，顯示，分析。8051的P0口作為地址/數(shù)據(jù)復用口。通過74LS373八位鎖存器實現(xiàn)地址鎖存。P2口為高八位地址口，系統(tǒng)擴展后2764EPROM作為程序存儲器。根據(jù)設計要求，單片機應用系統(tǒng)主要包括：（1）8051單片機 （2）時鐘復位電路（3）顯示器，鍵盤，定時報警接口電路；（4）外部存儲器的擴展電路；主要電路介紹如下： 3.4 計數(shù)功能的結構與原理 MCS-51的單片機內有兩個16位可編程的定時/計數(shù)器T0和T1，它們具有四種工作方式，分別為模式0、1、2、3。其控制字和狀態(tài)均在相應的特殊功能寄存器中，通過對控制寄存器的編程，就可方便地選擇適當?shù)墓ぷ鞣绞?。MCS-51單片機內部的定時

32、/計數(shù)器的結構如下圖所示，定時器T0特性功能寄存器TL0（低8位）和TH0（高8位）構成，定時器T1由特性功能寄存器TL1（低8位）和TH1（高8位）構成。特殊功能寄存器TMOD控制定時寄存器的工作方式，TCON則用于控制定時器T0和T1的啟動和停止計數(shù)，同時管理定時器T0和T1的溢出標志等。程序開始時需對TL0、TH0、TL1和TH1進行初始化編程，以定義它們的工作方式和控制T0和T1的計數(shù)。 由程序設置M0，M1的值以選擇單片機的工作方式，如M1=0、M0=1時，工作在工作模式1此時T0、T1的功能時相同的，用戶可以任意選擇。工作模式1與0的區(qū)別時計數(shù)器的位數(shù)不同。工作模式0時13位計數(shù)器

33、，工作模式1是16位計數(shù)器，TLX（8位）、THX（8位）作為16位寄存器，計數(shù)值從0開始，計到0FFFFH后，再加1，計數(shù)器則被溢出復位，并將溢出標志位TFX置1。 圖3.2 單片機內部計數(shù)器加減計數(shù)的硬件圖3.5 時鐘電路8051單片機的時鐘信號通常用兩種電路形式得到：內部振蕩方式和外部振蕩方式。在引腳XTAL1和XTAL2外接晶體振蕩器(簡稱晶振)或陶瓷諧振器，就構成了內部振蕩方式。由于單片機內部有一個高增益反相放大器，當外接晶振后，就構成了自激振蕩器并產(chǎn)生振蕩時鐘脈沖。內部振蕩方式的外部電路如下圖所示。 圖3.3 內部震蕩方式 圖中，電容器Col，C02起穩(wěn)定振蕩頻率、快速起振的作用，

34、其電容值一般在5-30pF。晶振頻率的典型值為12MH2，采用6MHz的情況也比較多。內部振蕩方式所得的時鐘情號比較穩(wěn)定，實用電路中使用較多。外部振蕩方式是把外部已有的時鐘信號引入單片機內。這種方式適宜用來使單片機的時鐘與外部信號保持同步。外部振蕩方式的外部電路如下圖所示。 圖3.4 外部震蕩方式由上圖可見，外部振蕩信號由XTAL2引入，XTAL1接地。為了提高輸入電路的驅勸能力，通常使外部信號經(jīng)過一個帶有上拉電阻的TTL反相門后接入XTAL2。3.6 復位電路當MCS-5l系列單片機的復位引腳RST(全稱RESET)出現(xiàn)2個機器周期以上的高電平時，單片機就執(zhí)行復位操作。如果RST持續(xù)為高電平

35、，單片機就處于循環(huán)復位狀態(tài)。根據(jù)應用的要求，復位操作通常有兩種基本形式：上電復位和上電或開關復位。上電復位要求接通電源后，自動實現(xiàn)復位操作。常用的上電復位電路如下圖A中左圖所示。圖中電容C1和電阻R1對電源十5V來說構成微分電路。上電后，保持RST一段高電平時間，由于單片機內的等效電阻的作用，不用圖中電阻R1，也能達到上電復位的操作功能，如下圖(A)中右圖所示。 圖3.5 上電復位 圖3.6 上電或開關電路上電或開關復位要求電源接通后，單片機自動復位，并且在單片機運行期間，用開關操作也能使單片機復位。常用的上電或開關復位電路如上圖(B)所示。上電后，由于電容C3的充電和反相門的作用，使RST持

36、續(xù)一段時間的高電平。當單片機已在運行當中時，按下復位鍵K后松開，也能使RST為一段時間的高電平，從而實現(xiàn)上電或開關復位的操作。根據(jù)實際操作的經(jīng)驗，下面給出這兩種復位電路的電容、電阻參考值。上圖3.5中：Cl10-30uF，R11kO上圖3.6中：C：1uF，RllkO，R210kO第四章 單片機及其擴展接口芯片4.1 可編程并行I/O接口芯片8255 8255是Intel公司生產(chǎn)的可編程的并行I/O接口芯片，它具有3個8位的并行I/O口，三種工作方式，可通過編程改變其功能，因而使用靈活方便，通用性強，可作為單片機與多種外圍設備連接時的中間接口電路。8255引腳功能如下：RESET:復位輸入線，

37、當該輸入端外于高電平時，所有內部寄存器（包括控制寄存器）均被清除，所有I/O口均被置成輸入方式。CS:片選信號線，當這個輸入引腳為低電平時，表示芯片被選中，允許8255與CPU進行通訊。RD:讀信號線，當這個輸入引腳為低電平時，允許8255通過數(shù)據(jù)總線向CPU發(fā)送數(shù)據(jù)或狀態(tài)信息，即CPU從8255讀取信息或數(shù)據(jù)。WR:寫入信號，當這個輸入引腳為低電平時，允許CPU將數(shù)據(jù)或控制字寫入8255。D0D7:三態(tài)雙向數(shù)據(jù)總線，8255與CPU數(shù)據(jù)傳送的通道，當CPU 執(zhí)行輸入輸出指令時，通過它實現(xiàn)位數(shù)據(jù)的讀/寫操作，控制字和狀態(tài)信息也通過數(shù)據(jù)總線傳送。PA0PA7:端口A輸入輸出線，一個位的數(shù)據(jù)輸出鎖

38、存器/緩沖器， 一個位的數(shù)據(jù)輸入鎖存器。PB0PB7:端口B輸入輸出線，一個位的I/O鎖存器， 一個位的輸入輸出緩沖器。PC0PC7:端口C輸入輸出線，一個位的數(shù)據(jù)輸出鎖存器/緩沖器， 一個位的數(shù)據(jù)輸入緩沖器。端口C可以通過工作方式設定而分成個位的端口， 每個位的端口包含一個位的鎖存器，分別與端口A和端口B配合使用，可作為控制信號輸出或狀態(tài)信號輸入端口。PA3- 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

39、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、A0:端口地址總線，8255中有端口A、B、C和一個內部控制字寄存器，共個端口，由A0、A1輸入地址信號來尋址。 地址鎖存芯片74LS37374LS373由8個三態(tài)輸出的鎖存器組成。可應用于總線結構的系統(tǒng)，當鎖存器使能端（LE）為高電平時，

40、觸發(fā)電路對數(shù)據(jù)呈現(xiàn)透明（數(shù)據(jù)異步變化），當LE為低電平時，鎖存滿足建立時間數(shù)據(jù)。當輸出使能端（OE）為低電平時，數(shù)據(jù)出現(xiàn)在總線上。當OE為高電平時總線輸出處于高阻態(tài)。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 外部存儲器的擴展在P0口送出的低8位地址時，地址由信號ALE的下降沿控制鎖存到鎖存器中，高5位由P2.0P2.4提供，鎖存器采用74LS373鎖存器，控制端直接與ALE相連。則程序存儲器讀選通信號PSEN控制EPROM2764的輸出允許端OE。2764引腳的功能為： Ao A12 為地址線 ； DoD7為數(shù)據(jù)輸出線 ； CE為片選；OE為輸出允許 ； PG

41、M為編程脈沖端 ； Vpp 為編程電壓端； Vcc 為5v ； GND 為接地 圖4.1 外部存儲器擴展4.2 鍵盤/顯示器接口為使接口硬件盡可能少，設計時，僅用一片8255I/O接口芯片完成智能化儀表的鍵盤輸入，LED輸出的接口任務。將8255的PC口用作顯示自選通和鍵盤掃描輸出，PB口用作顯示字段及小數(shù)點的輸出，8051外部中斷INTO用作鍵盤響應輸入，PA口用作外接打印機的輸出。設計7位LED顯示器作為儀表的顯示輸出。8255的PA口定義為輸出口，其中低四位PA0PA3輸出顯示數(shù)據(jù)的BCD碼，并經(jīng)MC1413 BCD驅動譯碼器譯碼后送LED的段碼端，PB4作為測量結果的小數(shù)點位經(jīng)驅動器后

42、接LED的小數(shù)點發(fā)光段；PB5作為極性控制位單獨控制一個發(fā)光二極管以顯示測量結果的正負。8255的PC口定義為輸出口，PC0PC5分別控制6位LED的位選通，實現(xiàn)動態(tài)掃描方式顯示。BCD碼撥盤輸入接口。在一些單片機應用系統(tǒng)中有時需要輸入少量的控制參數(shù)，如標度變換、配比等。這時使用碼撥盤輸入較為可靠方便。這種數(shù)據(jù)輸入具有不可變性，更改也極為方便。撥盤種類很多，作為人機借口使用的最方便的撥盤是十進制輸入，BCD碼輸出的BCD碼撥盤。這種撥盤為四片BCD碼撥盤拼接的4個十進制輸入碼撥盤組。每片撥盤由10個位置，從09，每個位置有數(shù)字顯示。因此每片代表一位十進制數(shù)。需要機位，就選擇幾片BCD碼撥盤。

43、表4.3 BCD碼撥盤的輸入輸出狀態(tài)第五章 應用系統(tǒng)軟件的設計方法整個系統(tǒng)的軟件由三部分組成，既主程序，INT1中斷服務程序，功能塊程序5.1 主程序主程序為本儀器的監(jiān)測程序。在程序運行中，必須首先對系統(tǒng)進行初始化，清各工作單元，置計數(shù)器及標志位初值，開中斷，啟動計數(shù)器等工作。（1）8051各個I/O口的初始化。 圖5.1 主程序流程圖（2）串行口的初化。 5.2 INT1中斷服務程序在INT1中斷服務程序中。8051讀取8255各通道計數(shù)值，計算出長度值，送顯示器顯示。INT1中斷服務程序流程圖如下： 圖5.2 INT1中斷服務程序流程圖5.3 功能塊程序儀器通過撥盤輸入數(shù)據(jù)，可隨時得到用戶

44、所需的結果，這就要用到功能程序塊。功能程序塊包括：顯示、撥盤輸入，清零等功能塊。顯示功能塊的作用是根據(jù)用戶的需要轉入相應的入口參數(shù)，再經(jīng)過碼之轉換，送至顯示緩沖區(qū)中。撥盤輸入程序：本程序將讀入的4位BCD碼按千、百、十、個依次存放在8051片內RAM的30H33H單元中，每個地址單元的高4位為0，低4位為BCD碼。程序如下：RDS： MOV Ro,#30HMOV 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 顯示

45、子程序通用顯示子程序的功能是將顯示緩沖區(qū)中的字碼轉換成段碼送入顯示器中，顯示各種字型。幾乎所有程序中都要用到這一程序，因此稱之為通用顯示子程序，以便與顯示功能塊相區(qū)別。 圖 5.3 顯示子程序流程圖第六章 傳感器的概述6.1 傳感器概述信息處理技術取得的進展以及微處理器和計算機技術的高速發(fā)展，都需要在傳感器的開發(fā)方面有相應的進展。微處理器現(xiàn)在已經(jīng)在測量和控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。隨著這些系統(tǒng)能力的增強，作為信息采集系統(tǒng)的前端單元，傳感器的作用越來越重要。傳感器已成為自動化系統(tǒng)和機器人技術中的關鍵部件，作為系統(tǒng)中的一個結構組成，其重要性變得越來越明顯。 最廣義地來說，傳感器是一種能把物理量或化

46、學量轉變成便于利用的電信號的器件。國際電工委員會國際電工的定義為：“傳感器是測量系統(tǒng)中的一種前置部件，它將輸入變量轉換成可供測量的信號”。按照Gospel等的說法是：“傳感器是包括承載體和電路連接的敏感元件”，而“傳感器系統(tǒng)則是組合有某種信息處理(模擬或數(shù)字)能力的傳感器”。傳感器是傳感器系統(tǒng)的一個組成部分，它是被測量信號輸入的第一道關口。 進入傳感器的信號幅度是很小的，而且混雜有干擾信號和噪聲。為了方便隨后的處理過程，首先要將信號整形成具有最佳特性的波形，有時還需要將信號線性化，該工作是由放大器、濾波器以及其他一些模擬電路完成的。在某些情況下，這些電路的一部分是和傳感器部件直接相鄰的。成形后

47、的信號隨后轉換成數(shù)字信號，并輸入到微處理器。在介紹光電傳感器的選擇之前，首先介紹在測控系統(tǒng)中選擇傳感器的總原則，本原則適用于各種傳感器的選擇。6.2 選擇傳感器的總原則現(xiàn)代傳感器在原則和結構上千差萬別，如何根據(jù)具體的測控目的、測控對象以及測控環(huán)境合理地選擇傳感器，是單片機測控系統(tǒng)首先要解決的問題。當傳感器選定之后，與之相配套的測控電路也就可以確定了。測控結果的成敗，在很大程度上取決于傳感器的選擇是否合理。作為單片機測控系統(tǒng)前向通道的關鍵部件，在選擇傳感器時應考慮以下幾方面： 根據(jù)測控對象與測控環(huán)境確定傳感器的類型首先要考慮采用何種原理的傳感器，這需要分析多方面的因素之后才能確定。因為，即使是測

48、量同一物理量，也有多種原理的傳感器可供選擇，哪一種原理的傳感器更為合適，則需要根據(jù)被測量對象的特點和傳感器的使用條件綜合考慮以下一些具體問題：傳感器的量程；被測位置對傳感器體積的要求；測量方式為接觸式還是非接觸式；傳感器信號的引出是有線還是無線；是購買傳感器還是自行研制傳感器以及價格因素等。在綜合考慮上述因素之后就能確定選擇何種類型的傳感器，然后再考慮傳感器的具體性能指標。 傳感器靈敏度的選擇通常情況下，在傳感器的線性范圍內，希望傳感器的靈敏度越高越好。因為靈敏度越高，與被測量變化無關的外界噪聲越容易混入，噪聲被放大系統(tǒng)放大后會影響測量精度。因此，要求傳感器本身應具有較高的信噪比，盡量減少從外

49、界引入的干擾信號。另外，某些傳感器的靈敏度是有方向性的。當被測量是單向量，而且對其方向性要求較高，則應選擇其他方向靈敏度小的傳感器；如果被測量是多維向量，則要求傳感器的交叉靈敏度越小越好。 傳感器頻率響應性傳感器的頻率響應特性決定了被測量的頻率范圍，傳感器的頻率響應好，可測的信號頻率范圍就寬，傳感器的輸出信號必須在允許的頻率范圍內保持不失真，實際上傳感器的響應總有一定的延遲，希望延遲時間越短越好。 傳感器線性范圍傳感器的線性范圍是指輸出信號與輸入量呈正比的范圍。從理論上講，在此范圍內靈敏度應保持定值。傳感器的線性范圍越寬，其量程越大，并且能保證一定的測量精度。在選擇傳感器時，當傳感器的種類確定

50、之后首先要看其量程是否滿足要求。實際上任何傳感器都不能保證絕對的線性，其線性度也是相對的。當所要求測量精度比較低時，在一定的范圍內，可將非線性誤差較小的傳感器近似看作線性，這樣就給測量帶來極大的方便。 傳感器穩(wěn)定性傳感器使用一段時間以后，其性能保持不變化的能力稱為穩(wěn)定性。影響傳感器長期穩(wěn)定性的因素除傳感器本身結構外，主要是傳感器的使用環(huán)境。因此，要使傳感器具有良好的穩(wěn)定性，傳感器必須要有較強的環(huán)境適應能力。在選擇傳感器之前，首先應對其使用環(huán)境進行調查，并根據(jù)具體的使用環(huán)境選擇合適的傳感器，或采取適當措施以減小環(huán)境的影響。傳感器的穩(wěn)定性有定量指標，在超過使用期后，在使用前應重新進行標定，以確定傳

51、感器的性能是否發(fā)生變化。對于某些要求傳感器能長期使用而又不能輕易更換或標定的場合，所選擇的傳感器穩(wěn)定性要求更嚴格，要能夠經(jīng)受住長時間考驗。 傳感器精度的選擇精度是傳感器的一個重要的性能指標，它是關系到整個測控系統(tǒng)測量精度的一個重要環(huán)節(jié)。傳感器的精度越高，其價格越昂貴，因此，傳感器的精度只要能滿足整個測控系統(tǒng)的精度要求就可以了，不必選的過高。這樣就可以在滿足同一測量目的的諸多傳感器中選擇比較便宜和簡單的傳感器。如果測量結果是供定性分析的，選擇重復精度高的傳感器即可，不宜選擇絕對量值精度高的傳感器；如果是為了定量分析，必須獲得精度的測量值，就需選擇精度等級能滿足要求的傳感器。對某些特殊使用場合，無法選到合適的傳感器，則需自行設計制造傳感器。自制傳感器的性能應滿足使用要求。6.3 紅外光電傳感器紅外線屬于一種電磁射線，其特性等同于無線電或X射線。人眼可見的光波是380nm-780