【正文】 1 基于 MCS51 單片機(jī)的里程表的設(shè)計(jì) 前言 汽車是現(xiàn)代生活中不可或缺的一種重要交通工具，傳統(tǒng)的指針式的里程表伴隨著汽車的誕生就一直為人們接受，不過，新生事物不會(huì)因傳統(tǒng)的存在而停止它前進(jìn)的步伐，數(shù)碼科技在今天已滲透到工業(yè)，農(nóng)業(yè)，民用等產(chǎn)品的點(diǎn)點(diǎn)滴滴。新概念的車速里程表最直觀的變化就是用大屏幕的液晶取代指針式表盤，直接用數(shù)字顯示時(shí)速，里程，以及其他一些諸如油耗、時(shí)鐘、環(huán)境溫度等參數(shù)。直觀的呈現(xiàn)給使用者。 由于單片機(jī)體積小，可以把它做到產(chǎn)品的內(nèi)部，取代老式機(jī)械零件，縮小產(chǎn)品體積，增強(qiáng)功能，實(shí)現(xiàn)智能化。因此廣泛的被 用在智能產(chǎn)品中。 Intel 公司的 MCS51系列單片機(jī)在近年來廣泛流行， 即介紹一種基于 MCS51 單片機(jī)的里程表的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。 本課題設(shè)計(jì) 先對里程表設(shè)計(jì)中所需設(shè)備作了詳細(xì)介紹，對設(shè)計(jì)中存在的問題進(jìn)行了說明；對硬件和軟件部分的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)作了認(rèn)真的分析；給出了系統(tǒng)的建模過程及相應(yīng)的系統(tǒng)模型，在 Lab2021p 仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行了仿真，并對仿真結(jié)果進(jìn)行了分析。 1 系統(tǒng)概述 本系統(tǒng)由信號采集處理模塊、單片機(jī) 803系統(tǒng)化 LCD 顯示模塊、系統(tǒng)軟件組成。其中信號采集處理模塊以霍爾傳感器為核心器件，將不同的 轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的脈沖信號，并送到單片機(jī)的 T1 引腳；對單片機(jī)進(jìn)行設(shè)置，使內(nèi)部的定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 timer0工作在定時(shí)狀態(tài)， timer1 工作在計(jì)數(shù)狀態(tài)，利用內(nèi)部定時(shí)器 T0 對脈沖輸入引腳 T1進(jìn)行控制，這樣就能精確地檢測到設(shè)定時(shí)間內(nèi)加到 T1 引腳的脈沖數(shù)，一個(gè)脈沖即代表著車子前進(jìn)一個(gè)輪長，對脈沖數(shù)進(jìn)行處理就可得到里程和速度的數(shù)據(jù)；將數(shù)據(jù)送到 LCD 顯示模塊進(jìn)行顯示。該系統(tǒng)原理框圖如圖所示。 系統(tǒng)軟件包括單片機(jī)和液晶模塊的初始化模塊、液晶模塊的寫數(shù)據(jù)／命令子模塊、頻率測量模塊、速度里程計(jì)算模塊、速度和里程顯示數(shù)據(jù) LCD 字庫顯示模塊等。 圖 11 系統(tǒng)原理框圖 脈沖信號 單片機(jī) LCD 2 2 基本原理與設(shè)計(jì)方案 元器件簡介 霍爾傳感器簡介 霍耳效應(yīng) ： 1879 年 . 霍爾發(fā)現(xiàn)，如果對位于磁場 (B)中的導(dǎo)體 (d)施加一個(gè)電壓(v)，該磁場的方向垂直于所施加電壓的方向，那么則在既與磁場垂直又和所施加電流方向垂直的方向上會(huì)產(chǎn)生另一個(gè)電壓 (UH)，人們將這個(gè)電壓叫做霍爾電壓，產(chǎn)生這種現(xiàn)象被稱為霍爾效應(yīng)。 霍爾效應(yīng)從本質(zhì)上講是運(yùn)動(dòng)的帶電粒子在磁場中受洛侖茲力作用而引起的偏轉(zhuǎn)。當(dāng)帶電粒子（電子或空穴） 被約束在固體材料中，這種偏轉(zhuǎn)就導(dǎo)致在垂直電流和磁場的方向上產(chǎn)生正負(fù)電荷的積累，從而形成附加的橫向電場。 通有電流 I 的金屬或半導(dǎo)體板置于磁感強(qiáng)度為 B 的均勻磁場中，磁場 方向和電流方向垂直，在金屬板的第三對表面間就顯示出橫向電勢差 U H 的現(xiàn)象稱為霍耳效應(yīng)。 U H 就稱為霍耳電勢差。 實(shí)驗(yàn)測定，霍耳電勢差的大小，和電流 I 及磁感強(qiáng)度 B成正比 ， 而與板的厚度 d 成反比 霍爾轉(zhuǎn)速傳感器： 霍爾 轉(zhuǎn)速 傳感器的外形圖和與磁場的作用關(guān)系 下 圖所示。磁場由磁鋼提供，所以霍爾傳感器和磁鋼需要配對使用 。 霍爾傳感 器檢測轉(zhuǎn)速示意圖如 下 圖 。在非磁材料的圓盤邊上粘貼一塊磁鋼，霍爾傳感器固定在圓盤外緣附近。圓盤每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，霍爾傳感器便輸出一個(gè)脈沖。通過單片機(jī)測量產(chǎn)生脈沖的頻率就可以得出圓盤的轉(zhuǎn)速。 霍爾電流傳感器本身已經(jīng)存在濾波電路，輸出無須再加裝濾波，可直接供單片機(jī)的0～ 5V 的 AD 采集或 直接送到單片機(jī)的中斷輸入引腳 ，信號非常穩(wěn)定，而且抗干擾能力很強(qiáng) 。 霍爾電流傳感器反應(yīng)速度一般在 7微妙，不用考慮單片機(jī)循環(huán)判斷的時(shí)間 。 若在圓盤上貼上多塊磁鋼，則圓盤每轉(zhuǎn)一圈，輸出的脈沖信號將相應(yīng)增加，單位時(shí)間內(nèi)測到的脈沖數(shù)將增 多，測出的轉(zhuǎn)速也將更加精細(xì)。本設(shè)計(jì)建模時(shí)采用一個(gè)圓盤上貼一個(gè)磁鋼進(jìn)行模擬。實(shí)際制作中可以貼上多塊磁鋼，即可以克服因車輪轉(zhuǎn)速太慢而在設(shè)定時(shí)間內(nèi)測不到脈沖的問題。 3 圖 霍爾 轉(zhuǎn)速 傳感器的外形圖 圖 霍爾傳感器檢測轉(zhuǎn)速示意圖 AT89C51 芯片簡介 AT89C51 是一個(gè)低電壓，高性能 CMOS 8 位單片機(jī)，片內(nèi)含 4k bytes 的可反復(fù)擦寫的 Flash 只讀程序存儲(chǔ)器和 128 bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM），器件采用 ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8 位中央處理器和 Flash 存儲(chǔ)單元，內(nèi)置功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的 AT89C51 提供了高性價(jià)比的解決方案。 4 AT89C51 是一個(gè)低功耗高性能單片機(jī)， 40個(gè)引腳， 32 個(gè)外部雙向輸入 /輸出（ I/O）端口，同時(shí)內(nèi)含 2個(gè)外中斷口， 2 個(gè) 16 位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器 ， 2個(gè)全雙工串行通信口，AT89C51 可以按照常規(guī)方 法進(jìn)行編程，也可以在線編程。其將通用的微處理器和 Flash存儲(chǔ)器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的 Flash存儲(chǔ)器可有效地降低開發(fā)成本。 AT89C51具有如下功能特性： ★ 兼容 MCS— 51指令系統(tǒng) ； ★ 32 個(gè)雙向 I/O 口 ； ★ 兩個(gè) 16 位可編程定時(shí) /計(jì)數(shù)器 ； ★ 1 個(gè)串行中 斷； ★ 兩個(gè)外部中斷源 ； ★ 4k 可反復(fù)擦寫 (1000 次） Flash ROM； ★ 128x8bit 內(nèi)部 RAM； ★ 6 個(gè)中斷源 ； ★ 低功耗空閑和掉電模式 ； ★ 軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能 。 圖 AT89C51芯片 液晶顯示模塊 SED1520 芯片介紹 本 課題 仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 采 用 的液晶 顯示 屏 內(nèi) 置 控制器 為 SED1520， 點(diǎn) 陣 為 122 32， 需要 兩 片 SED1520組成 ，由 E E2分 別 選 通 ，以 控制顯示 屏的 左 右 兩 半 屏。 圖 形液晶 顯示模 塊 有 兩種 連 接 方 式。 一 種為直接 訪 問 方 式， 一 種為 間 接 控制方 式。本 設(shè)計(jì) 采 用 直接 控 5 制方 式。直接 控制方 式 就是將 液晶 顯示 模 塊 的接 口 作 為 存儲(chǔ)器 或 I／ O 設(shè) 備 直接 掛 在 計(jì)算 機(jī) 總線 上 。 計(jì) 算 機(jī)通 過地址 譯 碼控制 E1和 E2的 選 通 ； 讀 ／寫 操 作 信號 R／ W由 地址線 A1控制 ； 命令 /數(shù)據(jù) 寄 存器 選擇 信號 AO 由 地址線 A0控制 。 實(shí) 際 電 路 如 圖 所 示 。 地址 映 射 如 下 （地址 中 的 X由 LCDCS決 定 ，可 參見 地址 譯 碼部 分 說明 ） 表 地址映射 0X000H 0X001H 0X002H 0X003H 0X004H 0X005H 0X006H 0X007H 寫 E1指令 寫 E1數(shù)據(jù) 讀 E1狀態(tài) 讀 E1數(shù)據(jù) 寫 E2指令 寫 E2數(shù)據(jù) 讀 E2狀態(tài) 讀 E2數(shù)據(jù) 圖 液晶屏顯示控制電路 SED1520 芯片介紹 SED1520液晶顯示驅(qū)動(dòng)器是一種點(diǎn)陣圖形式液晶顯示驅(qū)動(dòng)器，它可直接與 8位微處理器相連，集行、 列驅(qū)動(dòng)器于一體，因此使用起來十分方便，作為內(nèi)藏式控制器被廣泛應(yīng)用于點(diǎn)陣數(shù)較少的液晶顯示模塊。 SED1520的特性 內(nèi)置顯示 RAM區(qū) RAM容量為 2560（ 32行 80列）位。 RAM中的 1位數(shù)據(jù)控制液晶屏上， 具有 16個(gè)行驅(qū)動(dòng)口和 16個(gè)列驅(qū)動(dòng)口 ， 并可級聯(lián)兩個(gè) SED1520實(shí)現(xiàn) 32行驅(qū)動(dòng)。 可直接與 80系列微處理器相連，亦可直接與 68系列微處理器相連。驅(qū)動(dòng)占空 比為 1／ 16或 1／ 32?？? 6 以與 SED1520配合使用，以便擴(kuò)展列驅(qū)動(dòng)口數(shù)目。 SED1520指令與顯示 RAM結(jié)構(gòu) SED1520 指令系統(tǒng)比較簡單，共 13 條，除讀狀態(tài)指令、讀顯示 RAM 數(shù)據(jù)指令外，其他指令均為寫操作，并且讀寫指令均為單字節(jié)指令。在送出每條指令時(shí)，必須進(jìn)行控制器狀態(tài)檢測，狀態(tài)字節(jié)的含義如下： D7： 1/0，模塊忙 /準(zhǔn)備就緒； D5： 1/0，模塊顯示關(guān) /開； D4： 1/0，模塊復(fù)位 /正常； D3D0：未用 ； 在指令使用中，關(guān)鍵要分清顯示行 、列設(shè)置和顯示頁面設(shè)置的關(guān)系。單片 SED1520可驅(qū)動(dòng) 6116 液晶屏，其內(nèi)部顯示 RAM 相對于 COM0 每 8 行為一個(gè)顯示頁面。 本設(shè)計(jì)所用的字符液晶模塊由兩塊 SED1520 級聯(lián)驅(qū)動(dòng)，其中一個(gè)工作在主工作方式下，另一個(gè)工作在從方式下，主工作方式 SED1520 負(fù)責(zé)上半屏 16 行的驅(qū)動(dòng)和左半屏的 61 列驅(qū)動(dòng)，從工作方式的 SED1520 則負(fù)責(zé)下半屏 16 行的驅(qū)動(dòng)和右半屏的 61 列驅(qū)動(dòng)，使能信號 E E2用來區(qū)分具體控制的是那一片 SED1520。這樣兩 片 SED1520 級聯(lián) 可驅(qū)動(dòng) 12232 圖形點(diǎn)陣液晶顯示屏 ， 可完成圖形顯示 ， 也可 顯示七個(gè)半（ 1616 點(diǎn)陣）漢字。 圖 圖形點(diǎn)陣液晶顯示屏 設(shè)計(jì)方法 51 單片機(jī)定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器的基本結(jié)構(gòu)及工作原理 單片機(jī)內(nèi)部設(shè)有兩個(gè) 16 位的可編程定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器?？删幊痰囊馑际侵钙涔δ埽ㄈ绻ぷ鞣绞健⒍〞r(shí)時(shí)間、啟動(dòng)方式等）均可由指令來確定和改變。在定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器中除了有兩個(gè) 16位的計(jì)數(shù)器之外 ， 還有兩個(gè)特殊功能寄存器（控制寄存器和方式寄存器）。 7 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器的結(jié)構(gòu)如下 圖 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器的結(jié)構(gòu) 從上面定時(shí)器 /計(jì) 數(shù)器的結(jié)構(gòu)圖中我們可以看出 ， 16 位的定時(shí) /計(jì)數(shù)器分別由兩個(gè) 8位專用寄存器組成 ， 即 :T0 由 TH0 和 TL0 構(gòu)成 。T1 由 TH1 和 TL1 構(gòu)成。其訪問地址依次為 8AH8DH。每個(gè)寄存器均可單獨(dú)訪問。這些寄存器是用于存放定時(shí)或計(jì)數(shù)初值的。此外 ， 其內(nèi)部還有一個(gè) 8位的定時(shí)器方式寄存器 TMOD 和一個(gè) 8位的定時(shí)控制寄存器 TCON。這些寄存器之間是通過內(nèi)部總線和控制邏輯電路連接起來的。 TMOD 主要是用于選定定時(shí)器的工作方式 。TCON 主要是用于控制定時(shí)器的啟動(dòng)停止 ， 此外 TCON 還可以保存 T0、 T1的溢出和中斷標(biāo)志。當(dāng)定時(shí)器工作在 計(jì)數(shù)方式時(shí) ， 外部事件通過引腳 T0（ ）和 T1（ ）輸入。 定時(shí)計(jì)數(shù)器的原理 16位的定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)加 1 計(jì)數(shù)器 ， 其控制電路受軟件控制、切換。當(dāng)定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器為定時(shí)工作方式時(shí) ， 計(jì)數(shù)器的加 1 信號由振蕩器的 12 分頻信號產(chǎn)生 ，即每過一個(gè)機(jī)器周期 ， 計(jì)數(shù)器加 1， 直至計(jì)滿溢出為止。顯然 ， 定時(shí)器的定時(shí)時(shí)間與系統(tǒng)的振蕩頻率有關(guān)。因一個(gè)機(jī)器周期等于 12 個(gè)振蕩周期 ， 所以計(jì)數(shù)頻率 osc12/1fcount ? 。如果晶振為 12MHz， 則計(jì)數(shù)周期為 : ? ? us112/1z6^1012/1T ???? H 。這是最短的定時(shí)周期。若要延長定時(shí)時(shí)間 ， 則需要改變定時(shí)器的初值 ， 并要適當(dāng)選擇定時(shí)器的長度（如 8位、 13 位、 16 位等）。當(dāng)定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器為計(jì)數(shù)工作方式時(shí) ， 通過引腳 T0 和 T1 對外部信號計(jì)數(shù) ， 外部脈沖的下降沿將觸發(fā)計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)器在每個(gè)機(jī)器周期的 8 S5P2 期間采樣引腳輸入電平。若一個(gè)機(jī)器周期采樣值為 1， 下一個(gè)機(jī)器周期采樣值為 0，則計(jì)數(shù)器加 1。此后的機(jī)器周期 S3P1 期間 ， 新的計(jì)數(shù)值裝入計(jì)數(shù)器。所以檢測一個(gè)由 1至 0 的跳變需要兩個(gè)機(jī)器周期 ， 故外部事件的最高計(jì)數(shù)頻率為振蕩頻率的 1/24。例如 ，如果選用 12MHz 晶振 ， 則最高計(jì)數(shù)頻率為 。雖然對外部輸入信號的占空比無特殊要求 ， 但為了確保某給定電平在變化前至少被采樣一次 ， 外部計(jì)數(shù)脈沖的高電平與低電平保持時(shí)間 在一個(gè)機(jī)器周期以上。 當(dāng) CPU 用軟件給定時(shí)器設(shè)置了某種工作方式之后 ， 定時(shí)器就會(huì)按設(shè)定的工作方式獨(dú)立運(yùn)行 ， 不再占用 CPU的操作時(shí)間 ， 除非定時(shí)器計(jì)滿溢出 ， 才可能中斷 CPU 當(dāng)前操作。CPU 也可以重新設(shè)置定時(shí)器工作方式 ， 以改變定時(shí)器的操作。由此可見 ， 定時(shí)器是單片機(jī)中效率高而且工作靈活的部件。 控制寄存器 定時(shí)器／計(jì)數(shù)器 T0 和 T1 有 2個(gè) 控制寄存器 TMOD 和 TCON， 它們分別用來設(shè)置各個(gè)定時(shí)器／計(jì)數(shù)器的工作方式 ， 選擇定時(shí)或計(jì)數(shù)功能 ， 控制啟動(dòng)運(yùn)行 ， 以及作為運(yùn)行狀態(tài)的標(biāo)志等。其中 ， TCON 寄存器中另有 4位用于中斷系統(tǒng)。 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器方式寄存器 TMOD 定時(shí)器方式控制寄存器 TMOD 在特殊功能寄存器中 ， 字節(jié)地址為 89H， 無位地址。 TMOD的格式如下圖所示。 表 TMOD的格式 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 GATE C\T M1 M0 GATE C\T M1 M0 控制定時(shí)器 T1 控制定時(shí)器 T0 GATE：門控位。 GATE=0 時(shí)，定時(shí)器由軟件控制位 TR0 或