【正文】 了諸多建設(shè)性建議，并在百忙之中三閱其稿。通過(guò)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，使我近一步熟悉了一個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程，通過(guò)查閱大量的資料、反復(fù)論證可行性、反復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)、最終實(shí)現(xiàn)了整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程。系統(tǒng)在硬件設(shè)計(jì)上也充分考慮了可擴(kuò)展性，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的修改程序，很容易實(shí)現(xiàn)功能的擴(kuò)展。只有深入地了解光電傳感器的工作原理，才能更好的設(shè)計(jì)測(cè)速電路。給出了硬件和軟件的設(shè)計(jì)方案 并通過(guò)仿真軟件進(jìn)行仿真 。 在 PROTEUS 繪制好原理圖后，調(diào)入已編譯好的 目標(biāo)代碼 文件： *.HEX， 如圖 421 圖 421 調(diào)入目標(biāo)代碼文件 本設(shè)計(jì)以經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路的脈沖信號(hào)為輸入信號(hào)，借由信號(hào)發(fā)生器模擬轉(zhuǎn)盤向單片機(jī)輸送信號(hào)，在 Frequency 欄設(shè)定一個(gè)頻率如圖 422 圖 422：頻率設(shè)置界面 南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 第 22 頁(yè) 共 30 頁(yè) 22 經(jīng)過(guò) 10s 得出轉(zhuǎn)圈數(shù)，模擬結(jié)果如圖 423 圖 423：模擬結(jié)果 圖中用方波發(fā)生器模擬光電開關(guān)產(chǎn)生脈沖（頻率為 10Hz，約 1ms產(chǎn)生一個(gè)脈沖），由 ，由單片機(jī)控制 T1進(jìn)行計(jì)數(shù)，同時(shí)定時(shí)器 T0每 10ms產(chǎn)生中斷對(duì)數(shù)碼管進(jìn)行刷新，當(dāng)中斷 100次（即 10s）后，對(duì)計(jì)數(shù)脈沖進(jìn)行計(jì)算處理，得出轉(zhuǎn)速，并用數(shù)碼管顯 示。它是目前最好的仿真單片機(jī)及外圍器件的工具。 南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 第 21 頁(yè) 共 30 頁(yè) 21 電路 的仿真 仿真部分運(yùn)用 Proteus 仿真軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)， Proteus 軟件是英國(guó) Labcenter electronics 公司出版的 EDA 工具軟件。打開項(xiàng)目選項(xiàng)窗口，轉(zhuǎn)到 Output 選項(xiàng)頁(yè)，選擇編譯輸出的路徑，設(shè)置編譯輸出生成的文件名決定是否要?jiǎng)?chuàng)建 HEX 文件，選中它就可以輸出 HEX 文件到指定路徑中。編譯的程序生成一個(gè) .hex 的文件用于芯片燒寫。選“ Add File to Group Source Group1 ”彈南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 第 20 頁(yè) 共 30 頁(yè) 20 出文件窗口，選擇剛剛保存的文件，按 Add 按鈕，關(guān)閉文件窗口，程序文件已加到項(xiàng)目中了。因是新文件所以保存時(shí)會(huì)彈出文件操作窗口，把第一個(gè)程序命名為 保存在項(xiàng)目所在的目錄中，這時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)程序單詞有了不同的顏 色，說(shuō)明 KEIL 的匯編語(yǔ)法檢查生效了。如果沒(méi)有現(xiàn)成的程序，那么就要新建一個(gè)程序文件。 圖 42 Create New Project 對(duì)話框 南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 第 19 頁(yè) 共 30 頁(yè) 19 選擇所要的單片機(jī)，這里我們選用 Atcml 公司的 AT89C52。通過(guò) Project 菜單中的 New Project 命令建立項(xiàng)目文件，過(guò)程如 圖 41。 首先運(yùn)行 KEIL51 軟件，按下面的步驟建立一個(gè)項(xiàng)目。此部分要反復(fù)進(jìn)行多次才能完全調(diào)試出來(lái)。 以下 便是各程序流程圖以及單片機(jī)程序。 根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，單片機(jī)的 任務(wù)是：內(nèi)部進(jìn)行計(jì)數(shù)，在計(jì)算出速度后顯示。首先要分析系統(tǒng)對(duì)軟件的要求，然后進(jìn)行軟件的總體設(shè)計(jì)，包括程序的總體設(shè)計(jì)和對(duì)程序的模塊化設(shè)計(jì)。 對(duì)于圖 214 中的 4 位顯示器，在 AT89C52RAM 存貯器中設(shè)置 4 個(gè)顯示緩沖器單元 30H－ 34H，分別存放 4 位顯示器的顯示數(shù)據(jù)，AT89C52 的 P2 口掃描輸出總是只在一位為低電平，即 4 位顯示器中僅有一位公共陰極為低電平，其它位為高電平， AT89C52 的 P0 口相應(yīng)位（陰極為低）的顯示數(shù)據(jù)的段數(shù)據(jù)，使該位顯示出一個(gè)字符，其它們 為暗，依次地改變 P2 口輸出為高的位， P0 口輸出對(duì)應(yīng)的段數(shù)據(jù)， 4 位顯示器就顯示出由緩沖器中顯示數(shù)據(jù)所確定的字符。 4 位共陰極顯示器和 AT89C52的接口邏輯如圖 214 所示。若顯示器的位數(shù)不大于 8 位，則控制顯示器公共極電位只需 8 位口（稱為掃描口），控制各位顯示器所顯示的字形也需一個(gè) 8 位口（稱為段數(shù)據(jù)口）。顯示器的亮度既與導(dǎo)通電流有關(guān)，也與點(diǎn)亮?xí)r間和間隔時(shí)間的比例有關(guān)。 南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 第 13 頁(yè) 共 30 頁(yè) 13 11A21Y32A42Y53A63Y7G N D84Y94A105Y115A126Y136A14V C C7047 圖 213 7407管腳的結(jié)構(gòu) 顯示方式 ： 為了節(jié)省 I/O口線，我們采用的動(dòng)態(tài)顯示方式。才能顯示出正確的數(shù)字來(lái)，如圖 212所示，為七 段數(shù)碼管的管腳圖。 1 位顯示器由八個(gè)發(fā)光二極管組成，其中七個(gè)發(fā)光二極管 a~g 控制七個(gè)筆畫（段）的亮或暗，另一個(gè)控制一個(gè)小數(shù)點(diǎn)的亮和暗，這種筆畫式的 七段顯示器能顯示的字符較少，字符的開頭有些失真，但控制簡(jiǎn)單，使用方便。 顯示器結(jié)構(gòu) ： 常用的七段顯示器的結(jié)構(gòu)如圖 211 所示。 LED是屬于電流控制器件，使用時(shí)必須加限流電阻。為可靠起見(jiàn)，電源穩(wěn)定后還要經(jīng)一定的延時(shí)才撤銷復(fù)位信號(hào)，以防電源開關(guān)或電源插頭分 合過(guò)程中引起的抖動(dòng)而影響復(fù)位。 晶振有一個(gè)重要的參數(shù)，那就是負(fù)載電容值，選擇與負(fù)載電容值相等的并聯(lián)電容，就可以得到晶振標(biāo)稱的諧振頻率。由于晶體自身的特性致使這兩個(gè)頻率的距離相當(dāng)?shù)慕咏?，在這個(gè)極窄的頻率范圍內(nèi)，晶振等效為一個(gè)電感，所以只要晶振的兩端并聯(lián)上合適的電容它就會(huì)組成并聯(lián)諧振電路。 圖 28 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 晶振電路部分 晶體振蕩器，簡(jiǎn)稱晶振。對(duì)待測(cè)信號(hào)進(jìn)行放大的目的是降低 待測(cè)信號(hào)的幅度要求；波形變換和波形整形電路則用來(lái)將放大的信號(hào)轉(zhuǎn)換成可與單片機(jī) 匹配 的 TTL 信號(hào)；通過(guò) 對(duì) 單片機(jī)的 編程 設(shè)置可使內(nèi)部定時(shí)器 T0 對(duì)輸入脈沖進(jìn)行 計(jì)數(shù) ，這樣 就 能精確地算出加到南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 第 10 頁(yè) 共 30 頁(yè) 10 T0 引腳的單位時(shí)間內(nèi)檢測(cè)到的脈沖數(shù)；設(shè)計(jì)中 轉(zhuǎn)速顯示部分 采用 價(jià)格低廉且使用方便的 LED 模塊，通過(guò) 相關(guān)計(jì)算方法計(jì)算 得 到 的 轉(zhuǎn)速通過(guò) I2C 總線 放到 E2PROM存儲(chǔ)，既節(jié)省了所需單片機(jī)的口線和外圍器件，同時(shí)也簡(jiǎn)化了顯示部分的軟件編程。 圖 27 電路模擬仿真示意圖及其模擬仿真結(jié)果 硬件電路的設(shè)計(jì) 系統(tǒng)由信號(hào)預(yù)處理電路、單片機(jī) AT89C5系統(tǒng)化 LED 顯示模塊、串口數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路和系統(tǒng)軟件組成。 為了達(dá)到預(yù)定效果，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)用 MULTISIM 8 進(jìn)行模擬仿真，并利用模擬仿真結(jié)果對(duì)有關(guān)元器件進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，以使電路滿足要求。電路采用兩級(jí)放大電路對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行放大，防止信號(hào)脈沖太小以至對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果不產(chǎn)生影響。 U0U+UU iU i+(反相輸入端）(同相輸入端） 圖 25 放大器圖 圖 26 引腳圖 由于 LM324 四運(yùn)放電路具有電源電壓范圍寬，靜態(tài)功耗小，可單電源使用，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用在各種電路中。Vi+（ +）為同相輸入端，表示運(yùn)放輸出端 Vo 的信號(hào)與該輸入端的相位相同。每一組運(yùn)算放大器可用圖 24 所示的符號(hào)來(lái)表示，它有 5 個(gè)引出腳，其中“ +”、“ ”為兩個(gè)信號(hào)輸入端，“ V+”、“ V”為正、負(fù)電源端，“ Vo”為輸出端。 圖 24光電轉(zhuǎn)換部分與單片機(jī)的連接框圖 LM324 是四運(yùn)放集成電路，它采用 14 腳雙列直插塑料封裝，外形如圖所示。 傳感器將電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)轉(zhuǎn)變成了電脈沖信號(hào)，該信號(hào)經(jīng) 過(guò) LM324 集成運(yùn)放 整形驅(qū)動(dòng)，送到單片機(jī)進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)，從而測(cè)出電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。它可以在與光軸 0 到 25 的范圍改變發(fā)射角，使光束幾乎 是從一根發(fā)射線，經(jīng)過(guò)反射后，還是從這根反射線返回。 三角反射板是結(jié)構(gòu)牢固的發(fā)射裝置。在其后面是檢測(cè)電路，它能濾出有效信號(hào)和應(yīng)用該信號(hào)。接收器有光電二極管、光電三極管、光電池組成。 原理如圖 23 圖 23 光電傳感器原理圖 發(fā)送器對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射光束，發(fā)射的光束一般來(lái)源于半導(dǎo)體光源，發(fā)光二極管(LED)、激光二極管及紅外發(fā)射二極管。 光電傳感器工作原理（紅外線光電傳感器原理） 光電傳感器是通過(guò)把光強(qiáng)度的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)控制的。這些信號(hào)調(diào)理電路負(fù)責(zé)將光電傳感器輸出的微弱的光電信號(hào)進(jìn)行放大、整形，轉(zhuǎn)換成所單片機(jī)定時(shí)計(jì)數(shù)所需要的脈沖信號(hào)。 由光源、光學(xué)通路和光為此設(shè)計(jì)時(shí)必須詳加考慮。 激光與普通光線相比具有能量高度集中，方向性好，頻率單純、相干性好等優(yōu)點(diǎn)，是很理想的光源。 鎢絲燈泡是一種最常用的光源，它具有豐富的紅外線。它具有體積小、功耗低、壽命長(zhǎng)、響應(yīng)快、機(jī)械強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，并能和集成電路相匹配。 光源是許多光電傳感器的重要組成部分，要使光電傳感器很好地工作，除了合理選用光電元件外，還必須配備合適的光源。模擬式光電傳感器按被測(cè)量 (檢測(cè)目標(biāo)物體 )方法可分為透射 (吸收 )式、漫反射式、遮光式 (光束阻檔 )三大類。 由光通量對(duì)光電元件的作用原 理不同所制成的光學(xué)測(cè)控系統(tǒng)是多種多樣的，按光電元件 (光學(xué)測(cè)控系統(tǒng) )輸出量性質(zhì)可分二類，即模擬式光電傳感器和脈沖(開關(guān) )式光電傳感器。光電傳感器一般由光源、光學(xué)通路和光電元件三部分組成。 光電式傳感器 光電式傳感器的介紹 光電傳感器是采用光電元件作為檢測(cè)元件的傳感器。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件， XTAL2南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 第 6 頁(yè) 共 30 頁(yè) 6 應(yīng)不接。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。 XTAL2：來(lái)自反向振蕩器的輸出。在 FLASH 編程期間，此引腳也用于施加 12V 編程電源（ VPP）。 /EA/VPP ：當(dāng) /EA 保 持 低 電 平 時(shí) ， 則 在 此 期 間 外 部 程 序 存儲(chǔ)器（ 0000HFFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次 /PSEN 有效。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) ALE 禁止，置位無(wú)效。此時(shí)， ALE 只有在執(zhí)行 MOVX， MOVC 指令是 ALE 才起作用。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過(guò)一個(gè) ALE 脈沖。在平時(shí)， ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率 的 1/6。 ALE/PROG：當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的低位字節(jié)。 RST：復(fù)位輸入。當(dāng) P3 口寫入 “1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。P2 口在 FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。 P2 口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)， P2 口輸出地址的高八位。并因此作為輸入時(shí)， P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。在 FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)， P1 口作為低八位地址接收。 P1 口 ： P1 口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 口緩沖器能接收輸出 4TTL 門電流。 P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的低八位。 GND：接地 P0 口 ： P0 口為一個(gè) 8 位漏級(jí)開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門電流。掉電方式保存 RAM 中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。同時(shí)， AT89C52 可降至 0Hz 的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式。 AT89C52 單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS51 指令集和輸出管腳相兼容。 AT89C2051 是一種帶 2K 字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的單片機(jī)。目前單片機(jī)的種類有很多，例如 Motorola 單片機(jī)、 MDT20XX 系列單片機(jī)、 8051 單片機(jī)由于他們功能偏向和面向的服務(wù)對(duì)象不同，所以并不適用 于 本設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)所采用的單片機(jī)為 ATMAL 的增強(qiáng)型 51 系列的 AT89C52，因?yàn)槠渲噶詈?jiǎn)單、易學(xué)易懂、外圍電路簡(jiǎn)單、性能成熟穩(wěn)定、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，所以成為本設(shè)計(jì)首選單片機(jī)。 南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 第 2 頁(yè) 共 30 頁(yè) 2 第 2 章系統(tǒng)硬件電路的設(shè) 計(jì) 單片機(jī) 單片機(jī)的介紹 單片機(jī)是單片機(jī)系統(tǒng)的核心部分，是一種數(shù)字集成電路芯片，是指集成在一塊芯片上的微型計(jì)算機(jī)。本設(shè)計(jì)便是運(yùn)用AT89C52 單片機(jī)控制智能化轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量，并可以和 PC 機(jī)進(jìn)行 通信，顯示電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并觀察電機(jī)運(yùn)行的基本狀況，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中精度控制。由于伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不斷朝著數(shù)字化智能化方向發(fā)展，因此轉(zhuǎn)速的控制成為在工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。傳感器是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和控制的首要環(huán)節(jié)。為工業(yè)進(jìn)步做出貢獻(xiàn) 。但其也有一定的缺點(diǎn)，比如易受外界光干擾等。 這也使其在檢測(cè)和控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。計(jì)數(shù)測(cè)速法又分為機(jī)械式定時(shí)計(jì)數(shù)法和電子式定時(shí)計(jì)數(shù)法。 目前國(guó)內(nèi)外測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速的方法普遍 是利用交流或直流測(cè)速發(fā)電機(jī) ,與被測(cè)旋轉(zhuǎn)體同軸安裝 ,測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出電壓經(jīng)整流濾波 ,由電位器滑動(dòng)點(diǎn)傳出信號(hào) ,這種方法屬于接觸式直接轉(zhuǎn)速測(cè)量 ,存在著易受電磁干擾和體積