【正文】 硬件上設(shè)計(jì)起來(lái)相對(duì)簡(jiǎn)單，控制與顯示的模塊間的連接也會(huì)比較方便。但是考慮到本設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，EDA在功能擴(kuò)展上比較受局限，而且EDA占用的資源也相對(duì)多一些。從成本上來(lái)講，用可編程邏輯器件來(lái)設(shè)計(jì)也沒(méi)有什么優(yōu)勢(shì)。方案二：采用MSP430系列單片機(jī)是一個(gè)16位的超低功耗單片機(jī)。它具有獨(dú)特的時(shí)鐘系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其各系列都集成了看門狗（WDT）、模擬比較器A、定時(shí)器A0（Timer_A0）、定時(shí)器A1（Timer_A1）、定時(shí)器B0（Timer_B0）、UART、SPI、I2C、硬件乘法器、液晶驅(qū)動(dòng)器、10位/12位ADC、16位ΣΔ ADC、DMA、I/O端口、基本定時(shí)器（Basic Timer）、實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）和USB控制器等若干外圍模塊。采用了精簡(jiǎn)指令集（RISC）結(jié)構(gòu)，具有豐富的尋址方式、簡(jiǎn)潔的 27 條內(nèi)核指令以及大量的模擬指令；大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器都可參加多種運(yùn)算；還有高效的查表處理指令。這些特點(diǎn)保證了可編制出高效率的源程序。它能在25MHz晶體的驅(qū)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)40ns的指令周期。16位的數(shù)據(jù)寬度、40ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能實(shí)現(xiàn)乘加運(yùn)算）相配合，能實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理的某些算法（如 FFT 等）。 方案三：采用ATMEL公司的51系列單片機(jī)。AT89S52 是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲(chǔ)器。使用Atmel 公司高密度非 易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51 產(chǎn)品指令和引腳完 全兼容。片上Flash允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于 常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng) 可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提 供高靈活、超有效的解決方案。 經(jīng)過(guò)比較和篩選和綜合考慮，數(shù)字紅外測(cè)速系統(tǒng)這個(gè)設(shè)計(jì)不太復(fù)雜,只用到了定時(shí)器資源。不必用MSP43016位單片機(jī)或PLD邏輯器件來(lái)完成，采用51單片機(jī)既能夠?qū)崿F(xiàn)既定功能，而且性價(jià)比高。 顯示部分方案論證方案一：如果顯示數(shù)據(jù)較多，采用8段數(shù)碼管雖操作比液晶顯示來(lái)說(shuō)略顯繁瑣，但本系統(tǒng)顯示要求不是太高，而且選用數(shù)碼管經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。方案二：采用液晶顯示方式。液晶顯示效果出眾，可以運(yùn)用菜單項(xiàng)來(lái)方便操作，比較簡(jiǎn)單。經(jīng)過(guò)綜合考慮，由于該系統(tǒng)現(xiàn)實(shí)要求不高，僅需顯示三位數(shù)字，且單片機(jī)也恰有三組I/O口余留，使用數(shù)碼管顯示比液晶顯示更加方便，也更節(jié)約成本，所以最后我們選擇數(shù)碼管顯示方案。 紅外檢測(cè)部分方案論證方案一：直接采用紅外光電對(duì)管進(jìn)行發(fā)射和接收成本極低，但容易收到外界光的干擾，影響測(cè)量系統(tǒng)的穩(wěn)定性。方案二：將紅外發(fā)射信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)制在發(fā)射出去，再由專門的集成接收芯片進(jìn)行采集。這樣一來(lái)不僅大大提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性，增強(qiáng)了抗干擾能力，而且降低了發(fā)射功率。經(jīng)過(guò)綜合考慮，我采用方案二將紅外信號(hào)進(jìn)行調(diào)制后再發(fā)射，再用集成芯片進(jìn)行接收。 電源部分方案論證方案一：采用線性電源。線性穩(wěn)壓直流電源的特點(diǎn)是：輸出電壓比輸入電壓低；反應(yīng)速度快，輸出紋波較小；工作產(chǎn)生的噪聲低；效率較低(現(xiàn)在經(jīng)常看的LDO就是為了解決效率問(wèn)題而出現(xiàn)的)；發(fā)熱量大（尤其是大功率電源），間接地給系統(tǒng)增加熱噪聲。方案二：采用開(kāi)關(guān)電源。開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電源采用功率半導(dǎo)體器件作為開(kāi)關(guān)，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)的占空比調(diào)整輸出電壓。以功率晶體管（GTR）為例，當(dāng)開(kāi)關(guān)管飽和導(dǎo)通時(shí)，集電極和發(fā)射極兩端的壓降接近零，在開(kāi)關(guān)管截止時(shí)，其集電極電流為零，所以其功耗小，效率可高達(dá)70%~95%。而功耗小，散熱器也隨之減小，同時(shí)開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電源直接對(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行整流濾波調(diào)整，然后由開(kāi)關(guān)調(diào)整管進(jìn)行穩(wěn)壓，不需要電源變壓器；此外，開(kāi)關(guān)工作頻率在幾十千赫，濾波電容器、電感器數(shù)值較小。因此開(kāi)關(guān)電源具有重量輕，體積小等特點(diǎn)。經(jīng)過(guò)綜合考慮，由于本系統(tǒng)對(duì)電源要求不高，為了降低功耗，減小電源體積和降低熱噪聲，我采用開(kāi)關(guān)電源為系統(tǒng)供電。第三章 數(shù)字紅外測(cè)速系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)工作原理本數(shù)字紅外測(cè)速系統(tǒng)主要由系統(tǒng)電源電路、AT89S52單片機(jī)、紅外發(fā)射調(diào)制電路、紅外接收電路和顯示電路等部分組成。如圖31所示。圖31 數(shù)字紅外測(cè)速系統(tǒng)原理圖系統(tǒng)工作原理: 開(kāi)關(guān)電源部分由220V整流、濾波后輸出300V直流電壓，通過(guò)在控制極（可控硅）上加上脈沖信號(hào)來(lái)完成功率極導(dǎo)通和截止，通過(guò)開(kāi)關(guān)變壓器傳到次級(jí)，再通過(guò)變壓比將電壓升高或降低，供各個(gè)電路工作。振蕩脈沖的負(fù)半周到來(lái)，電源調(diào)整管的基極、或可控硅的控制極電壓低于原來(lái)的設(shè)置電壓，電源調(diào)整管截止，300V電源被關(guān)斷，開(kāi)關(guān)變壓器次級(jí)沒(méi)電壓，這時(shí)各電路所需的工作電壓，就靠次級(jí)本路整流后的濾波電容放電來(lái)維持。待到下一個(gè)脈沖的周期正半周信號(hào)到來(lái)時(shí)，重復(fù)上一個(gè)過(guò)程。紅外測(cè)速部分由NE555連續(xù)發(fā)射調(diào)制信號(hào)，紅外光電傳感器的發(fā)射電路發(fā)出信號(hào)驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)光二極管發(fā)射紅外光，通過(guò)葉輪轉(zhuǎn)盤小孔，紅外接收管接收到發(fā)射信號(hào)后，將紅外光電傳感器測(cè)得的脈沖信號(hào)送入AT89S52的計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)。再經(jīng)過(guò)MCU進(jìn)行一定的計(jì)算便可以得出所測(cè)的速率。本數(shù)字紅外測(cè)速系統(tǒng)主要由AT89S52單片機(jī)、紅外調(diào)制發(fā)射電路、紅外接收電路和顯示電路等部分組成。 AT89S52單片機(jī)簡(jiǎn)介 AT89S52 是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲(chǔ)器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng) 可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提 供高靈活、超有效的解決方案。 AT89S52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM， 32 位I/O 口線，看門狗定時(shí)器，2 個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè)16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口， 片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。另外，AT89S52 可降至0Hz 靜態(tài)邏 輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU 停止工作，允許RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。 AT89S52主要性能　　★ 與MCS★51單片機(jī)產(chǎn)品兼容； 　★ 8K字節(jié)在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器； 　　★ 1000次擦寫(xiě)周期； 　　★ 全靜態(tài)操作：0Hz★33MHz； 　　★ 三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器； 　　★ 32個(gè)可編程I/O口線； 　　★ 三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器； 　　★ 八個(gè)中斷源； 　　★ 全雙工UART串行通道； 　　★ 低功耗空閑和掉電模式； 　　★ 掉電后中斷可喚醒； 　　★ 看門狗定時(shí)器； 　　★ 雙數(shù)據(jù)指針； 　　★ 掉電標(biāo)識(shí)符。 內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳說(shuō)明AT89S52外形結(jié)構(gòu)如圖32所示：圖32 AT89S52外形結(jié)構(gòu)圖P0 口：P0口是一個(gè)8位漏極開(kāi)路的雙向I/O口。作為輸出口，每位能驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL邏 輯電平。對(duì)P0端口寫(xiě)“1”時(shí)，引腳用作高阻抗輸入。 當(dāng)訪問(wèn)外部程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P0口也被作為低8位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用。在這種模式下， P0不具有內(nèi)部上拉電阻。 在flash編程時(shí)，P0口也用來(lái)接收指令字節(jié)；在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)。程序校驗(yàn) 時(shí)，需要外部上拉電阻。 P1 口：P1 口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，p1 輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4 個(gè) TTL 邏輯電平。對(duì)P1 端口寫(xiě)“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入 口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。 此外，（）和定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2 的觸發(fā)輸入（）。 在flash編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口接收低8位地址字節(jié)。 引腳號(hào)第二功能： 　　 T2（定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T2的外部計(jì)數(shù)輸入），時(shí)鐘輸出 　　 T2EX（定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T2的捕捉/重載觸發(fā)信號(hào)和方向控制） 　　 MOSI（在系統(tǒng)編程用） 　　 MISO（在系統(tǒng)編程用） 　　 SCK（在系統(tǒng)編程用） P2 口：P2 口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，P2 輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4 個(gè) TTL 邏輯電平。對(duì)P2 端口寫(xiě)“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入 口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。 在訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或用16位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（例如執(zhí)行MOVX @DPTR） 時(shí)，P2 口送出高八位地址。在這種應(yīng)用中，P2 口使用很強(qiáng)的內(nèi)部上拉發(fā)送1。在使用 8位地址（如MOVX @RI）訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P2口輸出P2鎖存器的內(nèi)容。 在flash編程和校驗(yàn)時(shí)，P2口也接收高8位地址字節(jié)和一些控制信號(hào)。 P3 口：P3 口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，p3 輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4 個(gè) TTL 邏輯電平。對(duì)P3 端口寫(xiě)“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入 口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。 P3口亦作為AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。 在flash編程和校驗(yàn)時(shí)，P3口也接收一些控制信號(hào)。 端口引腳 第二功能： 　　 RXD(串行輸入口) 　　 TXD(串行輸出口) 　　 INTO(外中斷0) 　　 INT1(外中斷1) 　　 TO(定時(shí)/計(jì)數(shù)器0) 　　 T1(定時(shí)/計(jì)數(shù)器1) 　　 WR(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通) RD(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通) 此外，P3口還接收一些用于FLASH閃存編程和程序校驗(yàn)的控制信號(hào)。 RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時(shí)，RST引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平將是單片機(jī)復(fù)位。 ALE/PROG：當(dāng)訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。一般情況下，ALE仍以時(shí)鐘振蕩頻率的1/6輸出固定的脈沖信號(hào)，因此它可對(duì)外輸出時(shí)鐘或用于定時(shí)目的。要注意的是：每當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)將跳過(guò)一個(gè)ALE脈沖。對(duì)FLASH存儲(chǔ)器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（PROG）。如有必要，可通過(guò)對(duì)特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中的8EH單元的D0位置位，可禁止ALE操作。該位置位后，只有一條MOVX和MOVC指令才能將ALE激活。此外，該引腳會(huì)被微弱拉高，單片機(jī)執(zhí)行外部程序時(shí)，應(yīng)設(shè)置ALE禁止位無(wú)效。 PSEN：程序儲(chǔ)存允許（PSEN）輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)，當(dāng)AT89S52由外部程序存儲(chǔ)器取指令（或數(shù)據(jù)）時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期兩次PSEN有效，即輸出兩個(gè)脈沖，在此期間，當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，將跳過(guò)兩次PSEN信號(hào)。 EA/VPP：外部訪問(wèn)允許，欲使CPU僅訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器（地址為0000HFFFFH），EA端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被編程，復(fù)位時(shí)內(nèi)部會(huì)鎖存EA端狀態(tài)。如EA端為高電平（接Vcc端），CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器的指令。FLASH存儲(chǔ)器編程時(shí)，該引腳加上+12V的編程允許電源Vpp，當(dāng)然這必須是該器件是使用12V編程電壓Vpp。 XTAL1：振蕩器反相放大器和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生電路的輸入端。 XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。 MCU部分接口電路其數(shù)字紅外測(cè)速系統(tǒng)主控MCU部分與外圍部分接口電路如圖33所示：圖33 主控MCU接口電路 為了能夠充分利用單片機(jī)資源，又能使系統(tǒng)工作更加可靠。頻率顯示采用靜態(tài)數(shù)碼管顯示方案。這樣既充分利用了單片機(jī)的I/O口，又使得顯示不至于閃爍。其數(shù)碼管個(gè)位接單片機(jī)口，十位接單片機(jī)P0口，百位接單片機(jī)P1口。頻率輸入就單片機(jī)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T1,即15腳。 紅外調(diào)制發(fā)射電路 集成電路NE555簡(jiǎn)介 NE555 (Timer IC)大約在1971年由Signetics Corporation發(fā)布，在當(dāng)時(shí)是唯一非?？烨疑虡I(yè)化的Timer IC，在往后的30年來(lái)非常普遍被使用，且延伸出許多的應(yīng)用電路。 NE555是屬于555系列的計(jì)時(shí)IC的其中的一種型號(hào)，555系列IC的接腳功能及運(yùn)用都是相容的，只是型號(hào)不同的因其價(jià)格不同其穩(wěn)定度、省電、可產(chǎn)生的振蕩頻率也不大相同；而555是一個(gè)用途很廣且相當(dāng)普遍的計(jì)時(shí)IC，只需少數(shù)的電阻和電容，便可產(chǎn)生數(shù)位電路所需的各種不同頻率之脈波訊號(hào)。 NE555的特點(diǎn)有： 　　、電容器，即可完成特定的振蕩延時(shí)作用。其延時(shí)范圍極廣，可由幾微秒至幾小時(shí)之久。 　　，可與TTL，CMOS等邏輯閘配合，也就是它的輸出準(zhǔn)位及輸入觸發(fā)準(zhǔn)位，均能與這些邏輯系列的高、低態(tài)組合。 　　，可直接推動(dòng)多種自動(dòng)控制的負(fù)載。 　　、溫度穩(wěn)定度佳，且價(jià)格便宜。 　　NE555引腳位配置及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖34所示： 　　圖34 NE555引腳及結(jié)構(gòu)圖Pin 1 (接地) 地線(或共同接地) ，通常被連接到電路共同接地。Pin 2 (觸發(fā)點(diǎn)) 這個(gè)腳位是觸發(fā)NE555使其啟動(dòng)它的時(shí)間周期。觸發(fā)信號(hào)上緣電壓須大于2/3 VCC，下緣須低于1/3 VCC 。Pin 3 (輸出) 當(dāng)時(shí)間周期開(kāi)始555的輸出輸出腳位。周期的結(jié)束輸出回到O伏左右的低電位。于高電位時(shí)的最大輸出電流大約200 mA 。Pin 4 (重置) 一個(gè)低邏輯電位送至這個(gè)腳位時(shí)會(huì)重置定時(shí)器和使輸出回到一個(gè)低電位。它通常被接到正電源或忽略不用。Pin 5 (控制) 這個(gè)接腳準(zhǔn)許由外部電壓改變觸發(fā)和閘限電壓。當(dāng)計(jì)時(shí)器經(jīng)營(yíng)在穩(wěn)定或振蕩的運(yùn)作方式下,這輸入能用來(lái)改變或調(diào)整輸出頻率。Pin 6 (重置鎖定) Pin 6重置鎖定并使輸出呈低態(tài)。當(dāng)這個(gè)接腳的電壓從1/3 VCC電壓以下移至2/3 VCC以上時(shí)啟動(dòng)這個(gè)動(dòng)作。 　Pin 7 (放電) 這個(gè)接腳和主要的輸出接腳有相同的電流輸出能力，當(dāng)輸出為ON時(shí)為L(zhǎng)OW，對(duì)地為低阻抗，當(dāng)輸出為OFF時(shí)為HIGH，對(duì)地為高阻抗。Pin 8 (V +) 這是555個(gè)計(jì)時(shí)器IC的正電源電壓端。供應(yīng)電壓的范圍是+(最小值)至+16伏特(最大值)。參數(shù)功能特性：＊