基于MCS-51单片机的车辆测速仪的设计与制作.doc

毕业设计说明书(论文) 作作 者者: 学学 号：号： 系系： 专专 业业: 题题 目目:基于 MCS-51 单片机 的车辆测速仪的设计与制作 指导者：指导者： (姓 名) (专业技术职务) 评阅者：评阅者： (姓 名) (专业技术职务) 年 月 毕业设计（论文）评语 学生姓名： 班级、学号 题 目： 基于 MCS-51 单片机的车辆测速仪的设计与制作 综合成绩： 指导者评语： 指导者(签字)： 年 月 日 毕业设计（论文）评语 评阅者评语： 评阅者(签字)： 年 月 日 答辩委员会（小组）评语： 答辩委员会（小组）负责人(签字)： 年 月 日 毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文）中中文文摘摘要要 雷达测速仪是利用多普勒原理测量车辆速度的。根据多普勒原理，当雷达把 信号发射到运动车辆上时，将会反射回一个与车辆速度成比例的回波信号，回波 信号经过处理后得到一个频率的变化值，这个变化值就是多普勒频率，再根据多 普勒效应公式就可以得到车辆行驶速度。不论驶近的车辆还是远离的车辆都会产 生频率变化，因此，任何行驶方向的车辆都会被测量到速度。 本文是基于MCS-51单片机的车辆测速仪的设计，系统以AT89C52单片机为处理 控制核心，设计了频率计，实现了信号频率的测量，并根据多普勒效应，将频率 转换为速度，最后采用系统化LCD显示模块实时显示所测速度的车辆测速仪的设计 方案以及系统软件。 关键词 单片机 频率 多普勒效应 LCD 毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文）外外文文摘摘要要 TitleTitle The Design and Production of Vehicle Speedometer Based on the MCS-51 MCU AbstractAbstract Radar speed gun is using doppler principle of measurement speed. According to the doppler principle, when radar signal to the launch vehicle movement, will be reflected back to a vehicle speed and in proportion of the echo signal, echo signal is processed get a frequency changes value, the value of this change is doppler frequency, again according to the doppler effect formula can get vehicle speed. No matter the approaching vehicle or away from vehicles will have a change in frequency, therefore, any driving direction of the vehicle will be measured speed. This paper is based on the MCS-51 MCU vehicles speedometer design, system to AT89C52 MCU as processing control core,design the frequency meter, realize the signal frequency measurement,and according to the doppler effect, the frequency conversion for speed, finally through the systematic LCD display module real-time display the speed of the vehicle speedometer design program and system software. Keywords MCU Frequency Doppler Effect LCD 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 页 共 页 目 次 1 绪论 .1 1.1 课题的背景与意义 .1 1.2 单片机发展概况 .2 1.3 主要研究内容 .3 2 雷达测速仪原理 .4 2.1 车辆测速技术简介 .4 2.2 多普勒效应 .5 2.3 多普勒信号的提取 .6 3 系统硬件设计思想以及原理框图 .8 3.1 方案论证 .8 3.2 系统总体设计框图 .8 3.3 单片机 AT89C52 介绍 .8 3.4 复位电路 11 3.5 晶振电路 13 3.6 放大整形电路 14 3.7 数据显示 15 4 系统软件设计 21 4.1 测频方法的选择 21 4.2 主程序流程图 23 4.3 中断服务子程序流程图 25 4.4 1602 液晶初始化流程图27 5 系统仿真及调试 28 5.1 Proteus .28 5.2 Keil C51 29 5.3 仿真与调试的步骤 29 5.4 功能的检测 30 5.5 仿真结果 32 结 论 .34 致 谢 .35 参 考 文 献 36 附录 .37 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 0 页 共 43 页 1 1 绪论绪论 1.11.1 课题的背景与意义课题的背景与意义 随着雷达技术的发展，雷达的任务不仅是测量目标的距离、方位和仰角，而且 还包括测量目标的速度，以及从回波中获取更多有关目标的信息。飞机、导弹、人 造卫星、各种舰艇、车辆、兵器、炮弹以及建筑物、山川、云雨等等，都可能作为 雷达的探测目标，这要根据雷达用途而定1。 二次大战后，特别是 20 世纪 70 年代以来，雷达技术有了迅速的发展，雷达已 在军事的各个方面获得应用。这些技术成果也同时在民用雷达方面发挥着日益增长 的作用。交通测速雷达作为民用雷达的一个重要应用，目前广泛用于道路交通巡逻， 车流速度检测等方面，特别是在交通管制方面起着重要的作用。 多年来，超速行驶一直是导致交通事故的主要原因之一。为了减少由于超速引 起的交通事故与违章现象，必须采取有效手段，严肃治理违章超速行驶，使司机严 格按道路限速规定要求行驶，为此对行进中车辆进行实时的检测，对违章超速车辆 进行处理，警告驾驶员按章行车时十分必要的。及时地对违章超速司机进行处罚， 也可以对广大驾驶员起到教育、警示作用，使他们能够自觉地遵守交通法规，减少 以至杜绝超速行为，最终达到减少交通事故，增加交通安全性的目的2。国内取缔 违规超速大多数是以雷达测速仪辅助于照相设备(俗称电子眼)为工具。在新交通法 出台后，公安交管部门有了更加明确的对行车超速者进行处罚的依据，故雷达测速 仪开始普及起来。 在电子测量中，频率的测量精确度是非常高的。利用计数法测量频率具有精确 度高、测量迅速、使用方便、容易实现测量过程自动化等一系列突出优点，已成为 目前频率测量的重要方法。在单片机正朝着高性能和多品种方向发展趋势将是进一 步向着 CMOS 化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几 个方面发展的今天，单片机应用的重要意义还在于，它从根本上改变了传统的控制 系统设计思想和设计方法。从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能，现 在已能用单片机通过软件方法来实现了。这种软件代替硬件的控制技术也称为微控 制技术，是传统控制技术的一次革命。本设计根据雷达测速原理，测得多普勒频率 的变化，最终测得行车的速度。由于单片内部含有稳定度较高的标准频率源、定时 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 1 页 共 43 页 计数器等硬件，能非常方便地对外部信号或标准频率信号进行计数，并且可以进 行计数的逻辑控制及数据储存运算等，考虑到单片机的诸多优点，所以本设计采用 单片机为处理控制核心。 1.21.2 单片机发展概况单片机发展概况 1970 年微型计算机研制成功后，随后就出现了单片机。美国 Inter 公司在 1971 年推出了 4 位单片机 4004；1972 年推出了雏形 8 位单片机 8008。特别是在 1976 年 推出 MCS-48 单片机以后的三十年中，单片机的发展和其相关的技术经历了数次的更 新换代。其发展速度大约每三四年要更新一代、集成度增加一倍、功能翻一番。 尽 管单片机出现的历史并不长，但以 8 位单片机的推出为起点，那么，单片机的发展 大致可分为四个阶段3。 第一阶段（1976 年-1978 年）：初级单片机阶段。以 Inter 公司 MCS-48 为代表。 这个系列的单片机内集成有 8 位 CPU、I/O 接口、8 位定时器/计数器，寻址范围不大 于 4K 字节，简单的中断功能，无串行接口。 第二阶段（1978 年-1982 年）：单片机完善阶段。在这一阶段推出的单片机其 功能有较大的加强，能够应用于更多的场合。这个阶段的单片机普遍带有串行 I/O 口、有多级中断处理系统、16 位定时器/计数器，片内集成的 RAM、ROM 容量加大， 寻址范围可达 64K 字节。一些单片机片内还集成了 A/D 转换接口。这类单片机的典 型代表有 Inter 公司的 MCS-51、Motorola 公司的 6801 和 Zilog 公司的 Z8 等。 第三阶段（1982 年-1992 年）：8 位单片机巩固发展及 16 位高级单片机发展阶 段。在此阶段，尽管 8 位单片机的应用已广泛普及，但为了更好满足测控系统的嵌 入式应用的要求，单片机集成的外围接口电路有了更大的扩充。这个阶段单片机的 代表为 8051 系列。许多半导体公司和生产厂以 MCS-51 的 8051 为内核，推出了满足 各种嵌入式应用的多种类型和型号的单片机。 第四阶段（1993 年-现在）：百花齐放阶段。现阶段单片机发展的显著特点是百 花齐放、技术创新，以满足日益增长的广泛需求。其主要方面有： （1）单片嵌入式系统的应用是面对最底层的电子技术应用，从简单的玩具、小 家电；到复杂的工业控制系统、智能仪表、电器控制；以及发展到机器人、个人通 信信息终端、机顶盒等。因此，面对不同的应用对象，不断推出适合不同领域要求 的，从简易性能到多全功能的单片机系列。 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 2 页 共 43 页 （2）大力发展专用型单片机。早期的单片机是以通用型为主的。由于单片机设 计生产技术的提高、周期缩短、成本下降，以及许多特定类型电子产品，如家电类 产品的巨大的市场需求能力，推动了专用单片机的发展。在这类产品中采用专用单 片机，具有低成本、资源有效利用、系统外围电路少、可靠性高的优点。因此专用 单片机也是单片机发展的一个主要方向。 （3）致力于提高单片机的综合品质。采用更先进的技术来提高单片机的综合品 质，如提高 I/O 口的驱动能力；增加抗静电和抗干扰措施；宽（低）电压低功耗等。 1.31.3 主要研究内容主要研究内容 本设计是一个基于多普勒效应的简易的车辆测速仪的设计。它采用 AT89C52 单 片机作为处理控制核心，设计了频率计，实现信号频率测量，再通过多普勒效应实 现频率与速度的转换，最终以 LCD 实时显示所测速度，测量精度达到一定的要求， 具有一定的实用性。 1.3.1 技术指标： 1) 速度测量范围：10-150Km小时； 2) 显示测量结果，4 位有效数字。 1.3.2 本文内容包括： 1) 第一章 简述了课题的背景和意义以及单片机发展概况。 2) 第二章 介绍了车辆测速的几种方法及其优、缺点，雷达测速的原理。 3) 第三章 车辆测速仪系统的硬件设计。该硬件设计主要从芯片功能、具体电路、 工作原理等方面进行说明和介绍。 4) 第四章 系统软件设计。 5) 第五章 仿真和调试。 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 3 页 共 43 页 2 2 雷达测速仪原理雷达测速仪原理 2.12.1 车辆测速技术简介车辆测速技术简介 在“超速”已经成为公路杀手的今天，高速公路测量汽车行使的速度，然后对 超速驾驶的司机进行吊证和罚款，无疑对减少交通事故的发生起到积极的作用，那 么交通中有哪几种测量汽车行使速度的方法呢？ 目前，车辆测速技术主要有地感线圈测速、激光测速、雷达测速、视频测速四 种。 地感线圈测速技术利用电磁感应原理，当有车辆经过地感线圈区域时，线圈磁 通量发生变化，输入触发信号，提示有车经过，因此可以在公路路面一定距离上设 置两个地感线圈区域，通过监测出车辆经过这两个区域的时间差，即可计算出车辆 速度。但是地感线圈要预先在确定的公路位置铺设，因此现在地感线圈多用在固定 地点的车辆监控系统中，如电子警察的超速/闯红灯违章监控。地感线圈施工量大、 周期长、维护难、变更麻烦，而且地感线圈受路面车辆压后线圈容易损坏。所以， 以地感线圈为代表的固定式测速产品的失效较快4。 激光测速是采用激光测距的原理，即对被测物体进行两次有特定时间间隔的激 光测距，取得在该时段内被测物体的移动距离，从而得到该被测物体的移动速度。 激光测距是通过对被测物体发射激光光束，并接收该激光光束的反射波，记录该时 间差，来确定被测物体与测试点的距离。激光测速具有以下几个特点：由于该激光 光束基本为射线，相对于雷达测速有效距离远；测速精度高，误差1 公里；对测量 偏差角度要求高，导致测速成功率低、难度大；鉴于激光测速的原理，激光测速只 能在静止状态下应用。在静止状态下使用时，司机很容易发现有检测，因此达不到 预期目的。并且激光测速仪价格昂贵5。 雷达测速是应用多普勒效应，通过多普勒频移计算目标的速度。雷达测速系统 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 4 页 共 43 页 一般要求测量偏差角度应小于 10 度。雷达测速多应用于移动式车载超速监控系统。 移动测速采用的测速设备的功率都较小，不如固定测速设备探测距离远。雷达测速 准确，测速快，可移动测速等优点，得到广泛应用，其缺点是成本较高，不能用于 多车测速，抗电子干扰性差。 视频测速技术是利用车辆图像中车辆的二维位置以及预先测定的一些参数计算 出车辆的实际三维位置，若在一个固定时间间隔内拍摄两幅图像，则可以根据两幅 图像计算出车辆的实际三维位置得到车辆在此固定时间间隔内的位移，从而进一步 确定车辆速度。视频测速系统成本低，抗电子干扰，可用于移动和固定场合，但是 它的测速精度低，且需预先进行测速系统中参数测量，并且国内技术还不太成熟。 视频测速、地感线圈测速等非电波测速方式，这些方法在实际应用中只占了很 少的比例（ 5% 以下） 。 由于雷达测速的准确、快速、可移动等优点，本设计是采用以多普勒效应为基 础的雷达测速仪的设计。 2.22.2 多普勒效应多普勒效应 多普勒效应是指当发射源和接收者之间有相对径向运动时，接收到的信号频率 将发生变化6。这一物理现象首先在声学上由物理学家克里斯顿多普勒于 1842 年 发现。1930 年左右开始将这一规律运用到电磁波范围。雷达应用的日益广泛及对其 性能要求的提高，推动了利用多普勒效应来改善雷达工作质量的进程。 本系统采用的是连续波雷达，故以雷达发射连续波的情况为例，来说明当目标 与雷达有相对运动时，雷达接收信号的特征。为方便计算，设目标为理想“点” ，即 目标尺寸远小于雷达分辨单元。 这时发射信号可表示为 (2.1) )cos()( 0 Ats 式中，为发射角频率；为初相；A 为振幅。 0 在雷达发射站处接收到由目标反射的回波信号为 )(tSr (2.2) )(cos)()( 0 rrr ttkAttksts 式中为回波滞后于发射信号的时间，其中 R 为目标和雷达站间的距离；c 为cRtr2 电磁波传播速度，在自由空间传播时它等于光速；k 为回波的衰减系数。 如果目标固定不动，则距离 R 为常数。回波与发射信号之间有固定相位差 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 5 页 共 43 页 (2.3) rcRftr2)/2(/22 00 它是电磁波往返于雷达与目标之间所产生的相位滞后。 当目标与雷达之间有相对运动时，则距离 R 随间变化。设目标以匀速相对于雷 达运动，则在 t 时刻，目标与雷达间的距离为 )(tR (2.4) tvRtR r 0 )( 式中，R0为 t=0 时的距离；Vr为目标相对于雷达的径向运动速度。 式(2.2.2)说明，在 t 时刻接收到的波形 Sr(t)上的某点，是在 t-tr时刻发射的。 由于通常雷达和目标间的相对运动速度 Vr远小于电磁波速度 c，故时延 tr可近似写 为 (2.5) )( 2)(2 0 tvR cc tR t rr 回波信号比起发射信号来，高频相位差 (2.6) )( 2 2)( 2 0000 tvRtvR c t rrr 是时间 t 的函数，在径向速度为常数时，产生频率差为 r v (2.7) r t d v d d f 2 2 1 这就是多普勒频率，它正比于相对运动的速度而反比于工作波长。当目标靠近雷 达时，多普勒频率为正值，接收信号频率高于发射信号频率；而当目标远离雷达时， 多普勒频率为负值，接收信号频率低于发射信号频率7。 多普勒频率可以直观地解释为：振荡源发射的电磁波以恒速 c 传播，如果接收 者相对于振荡源是不动的，则它在单位时间内收到的振荡数目与振荡源发出的相同， 即二者频率相等。如果振荡源与接收者之间有相对接近的运动，则接收者在单位时 间内收到的振荡数目要比它不动时多一些，也就是接收频率增高；当二者做背向运 动时，结果相反。 2.32.3 多普勒信号的提取多普勒信号的提取 由于回波信号的多普勒频移 fd正比于径向速度，而反比与发射波长，即 (2.8) r r d v c fv f 0 2 2 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 6 页 共 43 页 (2.9) c v f f rd 2 0 多普勒频移的相对值正比于目标速度与光速之比，fd的正负值取决于目标运动 的方向。在多数情况下，多普勒频率处于音频范围。雷达工作频率 f0与目标回波信 号频率 fr两者相差百分比是很小的。因此要从接收信号中提取多普勒频率需要采用 差拍的方法，即设法取出 f0 和 fr的差值 fd。 连续波雷达中，要取出收发信号的频率的差频，可以在接收机检波器输入端引 入发射信号作为基准电压，在检波器输出端即可得到收发频率的差频电压，即多普 勒频率电压。这时的基准电压通常称为想干电压，而完成差频比较的检波器成为想 干检波器。相干检波器就是一种相位检波器，在其输入端除了加基准电压外，还有 需要鉴别其差频率或相对相位的信号电压。 图 2.1（a）（c）画出了连续波雷达的原理性组成框图、获取多普勒频率的差 拍矢量图及各主要点的频谱图。 （a）组成框图 （b）多普勒频率差拍矢量 （c）频谱图 图 2.1 连续波雷达原理框图 发射机产生频率为 f0的等幅连续波高频振荡，其中绝大部分能量从发射天线辐 射到空间，很少部分能量耦合到接收机输入端作为基准电压。混合的发射信号和接 收信号经过放大后，在相位检波器的输出端取出其差拍电压，隔除其中的直流分量， 得到多普勒频率信号送到终端指示器。 在检波器中，还可能产生多种和差组合频率，可用低通滤波器取出所需要的多 普勒频率 fd送到终端指示（例如单片机） ，即可测得目标的径向速度值。 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 7 页 共 43 页 本设计中由于采用 Protues 软件做的硬件原理图，由于 Protues 功能的限制无 法仿真高频发射和接收以及混频，所以只能用信号发生器代替混频器的输出。雷达 的工作波长是整机的主要参数，它的选择将影响到诸如发射功率、接收灵敏度、天 线尺寸等众多因素，因而在全面权衡之后，本设计中所选用的雷达发射信号的波长 为 8mm，这样雷达发射频率比较高，发射天线也相对较小，重量较轻。 3 3 系统硬件设计思想以及原理框图系统硬件设计思想以及原理框图 3.13.1 方案论证方案论证 雷达测速首要解决的就是多普勒频率。在本方案中，由于 proteus 软件无法仿 真雷达信号的发射与接收，根据设计需要采用信号发生器模拟多普勒频率，频率经 过放大整形后，通过单片机设计的频率计测得其大小，再根据多普勒效应公式得到 车辆运动速度，最后用 LCD 实时显示出来。 3.23.2 系统总体设计框图系统总体设计框图 信号 发生器 放大 电路 波形转 换电路 AT89C52 单片机 图 3.1 系统硬件结构图 晶振电路 复位电路 LCD 显示模块 通信接口 3.33.3 单片机单片机 AT89C52AT89C52 介绍介绍 AT89C52 是一个低电压，高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 8k bytes 的可反复擦 写的 Flash 只读程序存储器和 256 bytes 的随机存取数据存储器（RAM） ，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 MCS-51 指令系统，片内置 通用 8 位中央处理器和 Flash 存储单元，AT89C52 单片机在电子行业中有着广泛应用 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 8 页 共 43 页 8。 图 3.2 AT89C52 芯片 3.3.1 AT89C52 管脚介绍 AT89C52 为 8 位通用微处理器，采用工业标准的 C51 内核，在内部功能及管脚 排布上与通用的 8xc52 相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。功能包括对会聚 主 IC 内部寄存器、数据 RAM 及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚 测试图控制，红外遥控信号 IR 的接收解码及与主板 CPU 通信等。主要管脚有： XTAL1（19 脚）和 XTAL2（18 脚）为振荡器输入输出端口，外接 12MHz 晶振。 RST/Vpd（9 脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。VCC（40 脚）和 VSS（20 脚）为供电端口，分别接+5V 电源的正负端。P0P3 为可编程通用 I/O 脚， 其功能用途由软件定义，在本设计中，P0 端口（3239 脚）被定义为 N1 功能控制 端口，分别与 N1 的相应功能管脚相连接，13 脚定义为 IR 输入端，10 脚和 11 脚定 义为 I2C 总线控制端口，分别连接 N1 的 SDAS（18 脚）和 SCLS（19 脚）端口，12 脚、27 脚及 28 脚定义为握手信号功能端口，连接主板 CPU 的相应功能端，用于当 前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能。 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 9 页 共 43 页 图 3.3 AT89C52 管脚分布图 VCC：供电电压。 GND：接地。 P0 口是一组 8 位漏极开路型双向 I/O 口， 也即地址/数据总线复用口。作为输 出口用时，每脚以吸收电流的方式驱动 8 个 TTL 逻辑门电路，对端口 P0 写“1”时， 可作为高阻抗输入端用。 在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低 8 位）和 数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。 在 Flash 编程时，P0 口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验 时，要求外接上拉电阻。 P1 口是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， P1 的输出缓冲级可驱动（吸 收或输出电流）4 个 TTL 逻辑门电路。对端口写“1” ，通过内部的上拉电阻把端口 拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引 脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。 与 AT89C51 不同之处是，P1.0 和 P1.1 还可分别作为定时/计数器 2 的外部计 数输入（P1.0/T2）和输入（P1.1/T2EX） ，参见表 1。Flash 编程和程序校验期间， P1 接收低 8 位地址。P1.0 和 P1.1 的第二功能如表 3.1 所示： 表 3.1 引脚号功能特性 P1.0 T2，时钟输出 P1.1 T2EX（定时/计 数 1 器 2） P2 口是一个带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 的输出缓冲级可驱动 （吸收或输出电流）4 个 TTL 逻辑门电路。对端口 P2 写“1” ，通过内部的上拉电 阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻， 某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。 在访问外部程序存储器或 16 位地址的外部数据存储器（例如执行 MOVX DPTR 指令）时，P2 口送出高 8 位地址数据。在访问 8 位地址的外部数据存储器（如执 行 MOVX RI 指令）时，P2 口输出 P2 锁存器的内容。Flash 编程或校验时，P2 亦 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 10 页 共 43 页 接收高位地址和一些控制信号。 P3 口是一组带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口。P3 口输出缓冲级可驱动 （吸收或输出电流）4 个 TTL 逻辑门电路。对 P3 口写入“1”时，它们被内部上拉 电阻拉高并可作为输入端口。此时，被外部拉低的 P3 口将用上拉电阻输出电流 （IIL） 。 P3 口除了作为一般的 I/O 口线外，更重要的用途是它的第二功能。 P3 口还接收一些用于 Flash 闪速存储器编程和程序校验的控制信号。 RST 复位输入。当振荡器工作时，RST 引脚出现两个机器周期以上高电平将使单 片机复位。 ALE/PROG 当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉 冲用于锁存地址的低 8 位字节。一般情况下，ALE 仍以时钟振荡频率的 1/6 输出固 定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外 部数据存储器时将跳过一个 ALE 脉冲。对 Flash 存储器编程期间，该引脚还用于输 入编程脉冲（PROG） 。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的 8EH 单元 的 D0 位置位，可禁止 ALE 操作。该位置位后，只有一条。 MOVX 和 MOVC 指令能将 ALE 激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外 部程序时，应设置 ALE 禁止位无效。 PSEN 程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当 AT89C52 由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次 PSEN 有效，即输出两个 脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次 PSEN 信号。 EA/VPP 外部访问允许。欲使 CPU 仅访问外部程序存储器（地址为 0000H FFFFH） ，EA 端必须保持低电平（接地） 。需注意的是：如果加密位 LB1 被编程，复 位时内部会锁存 EA 端状态。如 EA 端为高电平（接 Vcc 端） ，CPU 则执行内部程序存 储器中的指令。 Flash 存储器编程时，该引脚加上+12V 的编程允许电源 Vpp，当然这必须是该 器件是使用 12V 编程电压 Vpp。 3.3.2 振荡器特性 XTAL1 和 XTAL2 分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内 振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2 应不接。 有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 11 页 共 43 页 任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。 3.3.3 芯片擦除 整个 PEROM 阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持 ALE 管脚处于低电平 10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非 空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。 此外，AT89C52 设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种 软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU 停止工作，但 RAM、定时器、计数器、串 口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存 RAM 的内容并且冻结振荡器，禁止所 用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。 3.43.4 复位电路复位电路 MCS-51 单片机复位电路是指单片机的初始化操作。单片机启运运行时，都需要 先复位，其作用是使 CPU 和系统中其他部件处于一个确定的初始状态，并从这个状 态开始工作。因而，复位是一个很重要的操作方式。但单片机本身是不能自动进行 复位的，必须配合相应的外部电路才能实现。本设计中的复位电路： 图 3.4 复位电路 1) 复位功能： 复位电路的基本功能是：系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤 销复位信号。为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以防电 源开关或电源插头分-合过程中引起的抖动而影响复位。 单片机的复位是由外部的复位电路来实现的。片内复位电路是复位引脚 RST 通 过一个斯密特触发器与复位电路相连，斯密特触发器用来抑制噪声，它的输出在每 个机器周期的 S5P2，由复位电路采样一次。复位电路通常采用上电自动复位（如图 3.5 (a)）和开关复位(如图 3.5(b)两种方式9。 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 12 页 共 43 页 图 3.5 RC 复位电路 2) 单片机复位后的状态: 单片机的复位操作使单片机进入初始化状态，其中包括使程序计数器 PC0000H，这表明程序从 0000H 地址单元开始执行。单片机冷启动后，片内 RAM 为 随机值，运行中的复位操作不改变片内 RAM 区中的内容，21 个特殊功能寄存器复位 后的状态为确定值，见表 3.2。 值得指出的是，记住一些特殊功能寄存器复位后的主要状态，对于了解单片机 的初态，减少应用程序中的初始化部分是十分必要的。 说明：表 3.2 中符号*为随机状态。 表 3.2 寄存器复位后状态表 特殊功能寄存器初始状态特殊功能寄存器初始状态 A B PSW 00H 00H 00H TMOD TCON TH0 00H 00H 00H SP DPL DPH P0P3 IP IE 07H 00H 00H FFH *00000B 0*00000B TL0 TH1 TL1 SBUF SCON PCON 00H 00H 00H 不定 00H 0*B PSW00H，表明选寄存器 0 组为工作寄存器组； SP07H，表明堆栈指针指向 片内 RAM 07H 字节单元，根据堆栈操作的先加后压法则，第一个被压入的内容写入 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 13 页 共 43 页 到 08H 单元中；Po-P3FFH，表明已向各端口线写入 1，此时，各端口既可用于输入 又可用于输出 。IP00000B，表明各个中断源处于低优先级； IE000000B，表明各个中断均被关断； 系统复位是任何微机系统执行的第一 步，使整个控制芯片回到默认的硬件状态下。 51 单片机的复位是由 RESET 引脚来控制的，此引脚与高电平相接超过 24 个振荡 周期后，51 单片机即进入芯片内部复位状态，而且一直在此状态下等待，直到 RESET 引脚转为低电平后，才检查 EA 引脚是高电平或低电平，若为高电平则执行芯 片内部的程序代码，若为低电平便会执行外部程序。51 单片机系统在复位时，将其 内部的一些重要寄存器设置为特定的值，至于内部 RAM 的数据则不变。 3.53.5 晶振电路晶振电路 晶振是晶体振荡器的简称，在电气上它可以等效成一个电容和一个电阻并联再 串联一个电容的二端网络，电工学上这个网络有两个谐振点，以频率的高低分其中 较低的频率是串联谐振，较高的频率是并联谐振。 AT89C52 单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器。这个放大器与 作为反馈元件的片外晶体谐振器一起构成一个自激振荡器。引脚 XTAL1 和 XTAL2 分 别是此放大器的输入端和输出端，使用外部振荡器时，外部振荡信号应直接加到 XTAL1，而 XTAL2 悬空。内部方式时，时钟发生器对振荡脉冲二分频，如晶振为 12MHz，时钟频率就为 6MHz。晶振的频率可以在 1MHz-24MHz 内选择。电容取 30PF 左 右，两个电容取值都是相同的，没有相同电容的情况下，可以用两个相差不大电容 代替，但不能相差太大，这样会导致谐振不平衡，容易造成停振或者干脆不起振10。 系统的电路设计是采用的内部方式，即利用芯片内部的振荡电路。外接晶体谐振器 以及电容 C1 和 C2 构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。对外接电容的值 虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响震荡器频率的高低、震荡器的稳定性、 起振的快速性和温度的稳定性。在焊接刷电路板时，晶体振荡器和电容应尽可能安 装得与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，更好地保证震荡器稳定和可靠地工作。 本设计中的晶体振荡电路如图 3.6 所示： 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 14 页 共 43 页 图 3.6 晶体振荡电路 晶振有一个重要的参数，那就是负载电容值，选择与负载电容值相等的并联电 容，就可以得到晶振标称的谐振频率。 3.63.6 放大整形电路放大整形电路 在测待测信号时，须将待测信号放大整形才能使用计数器计数，本设计所采用的 放大整形电路如下图所示： 图 3.7 放大整形电路 本设计的放大电路采用低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路 OP07。由于 OP07 具有非常低的输入失调电压（对于 OP07A 最大为 25V） ，所以 OP07 在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07 同时具有输入偏置电流低 （OP07A 为2nA）和开环增益高（对于 OP07A 为 300V/mV）的特点，这种低失调、 高开环增益的特性使得 OP07 特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号 等方面。 整形电路采用“555”定时器接成的施密特触发器对放大后的周期波进行变换， 使其输出矩形方波传给单片机。待测信号经过放大整形电路后得到一个待测信号的 脉冲信号，然后通过单片机计数器计数，可测得所需要的频率值。 3.73.7 数据显示数据显示 3.7.1 显示模块选型 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 15 页 共 43 页 单片机系统中常用的显示器有：发光二极管 LED 显示器、液晶 LCD 显示器等。 在这里由于单片机测速系统比较简单，所以只考虑 LED 静态、动态显示器和 LCD 显 示器。LED 显示器工作方式有两种静态显示方式和动态显示方式。 方案一、LED 静态显示器。 静态显示的特点是每个数码管的段选必须接一个 8 位数据线来保持显示字形码。 当送入一次字形码后，显示字形可一直保持，直到送入新字形码为止。这种方法的 优 点是占用 CPU 时间少，显示便于监测和控制。缺点是硬件电路比较复杂，成本较高。 方案二、LED 动态显示器。 动态显示的特点是将所有位数码管的段选线并联在一起，由位选线控制是哪一 位数码管有效。这样一来，就没有必要每一位数码管配一个锁存器，从而大大地简 化了硬件电路。选亮数码管采用动态扫描显示。所谓动态扫描显示即轮流向各位数 码管送出字形码和相应的位选，利用发光管的余辉和人眼视觉暂留作用，使人的感 觉好像各位数码管同时都在显示。动态显示的亮度比静态显示要差一些，所以在选 择限流电阻时应略小于静态显示电路中的11。 方案三、用液晶显示器 LCD 显示信息。 LCD 显示器工作原理就是利用液晶的物理特性；通电时排列变得有序，使光线容 易通过；不通电时排列混乱，阻止光线通过，说简单点就是让液晶如闸门般地阻隔 或让光线穿透。LCD 的优点主要包括实时显示、低功耗、散热小、体积小、电路简单、 图像还原精确、字符显示锐利等。 考虑到 LCD 显示车速度的实时性与直观性，本设计选用 LCD 作为显示模块。 3.7.2 液晶显示原理 液晶显示的原理是利用液晶的物理特性， 通过电压对其显示区域进行控制，有 电就有显示，这样即可以显示出图形。液晶显示器具有厚度薄、适用于大规模集成 电路直接驱动、易于实现全彩色显示的特点，目前已经被广泛应用在便携式电脑、 数字摄像机、PDA 移动通信工具等众多领域。 3.7.3 液晶显示器的分类 液晶显示的分类方法有很多种，通常可按其显示方式分为段式、字符式、点阵 式等。除了黑白显示外，液晶显示器还有多灰度有彩色显示等。如果根据驱动方式 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 16 页 共 43 页 来分，可以分为静态驱动（Static） 、单纯矩阵驱动（Simple Matrix）和主动矩阵 驱动（Active Matrix）三种12。 3.7.4 液晶显示器各种图形的显示原理 1）线段的显示 点阵图形式液晶由 MN 个显示单元组成，假设 LCD 显示屏有 64 行，每行有 128 列，每 8 列对应 1 字节的 8 位，即每行由 16 字节，共 168=128 个点组成，屏上 6416 个显示单元与显示 RAM 区 1024 字节相对应，每一字节的内容和显示屏上相应 位置的亮暗对应。例如屏的第一行的亮暗由 RAM 区的 000H00FH 的 16 字节的内 容决定，当（000H）=FFH 时，则屏幕的左上角显示一条短亮线，长度为 8 个点；当 （3FFH）=FFH 时，则屏幕的右下角显示一条短亮线；当（000H）=FFH， （001H） =00H， （002H）=00H，（00EH）=00H， （00FH）=00H 时，则在屏幕的顶部显示一 条由 8 段亮线和 8 条暗线组成的虚线。这就是 LCD 显示的基本原理。 2）字符的显示 用 LCD 显示一个字符时比较复杂，因为一个字符由 68 或 88 点阵组成，既 要找到和显示屏幕上某几个位置对应的显示 RAM 区的 8 字节，还要使每字节的不同 位为“1” ，其它的为“0” ，为“1”的点亮，为“0”的不亮。这样一来就组成某个 字符。但由于内带字符发生器的控制器来说，显示字符就比较简单了，可以让控制 器工作在文本方式，根据在 LCD 上开始显示的行列号及每行的列数找出显示 RAM 对 应的地址，设立光标，在此送上该字符对应的代码即可。 3）汉字的显示 汉字的显示一般采用图形的方式，事先从微机中提取要显示的汉字的点阵码 （一般用字模提取软件） ，每个汉字占 32B，分左右两半，各占 16B，左边为 1、3、5右边为 2、4、6根据在 LCD 上开始显示的行列号及每行的列数可找 出显示 RAM 对应的地址，设立光标，送上要显示的汉字的第一字节，光标位置加 1， 送第二个字节，换行按列对齐，送第三个字节直到 32B 显示完就可以 LCD 上得 到一个完整汉字。 3.7.5 1602 字符型 LCD 简介 字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式 LCD，目前 常用 16*1，16*2，20*2 和 40*2 行等的模块。 1602LCD 分为带背光和不带背光两种，基控制器大部分为 HD44780，带背光的比 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 17 页 共 43 页 不带背光的厚，是否带背光在应用中并无差别。 1602LCD 采用标准的 14 脚（无背光）或 16 脚（带背光）接口，各引脚接口说明 如表 3.3 所示: 表 3.3 引脚接口说明 编号符号引脚说明编号符号引脚说明 1VSS 电源地 9D2 数据 2VDD 电源正极 10D3 数据 3VL 液晶显示偏压 11D4 数据 4RS 数据/命令选择 12D5 数据 5R/W 读/写选择 13D6 数据 6E 使能信号 14D7 数据 7D0 数据 15BLA 背光源正极 8D1 数据 16BLK 背光源负极 第 1 脚：VSS 为地电源。 第 2 脚：VDD 接 5V 正电源。 第 3 脚：VL 为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最 高，对比度过高时会产生“鬼影” ，使用时可以通过一个 10K 的电位器调整对比度。 第 4 脚：RS 为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。 第 5 脚：R/W 为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当 RS 和 R/W 共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当 RS 为低电平 R/W 为高电平时可 以读忙信号，当 RS 为高电平 R/W 为低电平时可以写入数据。 第 6 脚：E 端为使能端，当 E 端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。 第 714 脚：D0D7 为 8 位双向数据线。 1602 液晶模块的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。 表 3.4 1602 液晶模块内部的控制器共有 11 条控制指令 序号指令RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D0 1清显示0000000001 2光标返回000000001* 3 置输入模 式 00 00 0 001I/DS 4显示开/关0000001DCB 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 18 页 共 43 页 控制 5 光标或字 符移位 000001S/CR/L* 6置功能00001DLNF* 7 置字符发 生存贮器 地址000 1 字符 发生 存贮 器地 址 8 置数据存 贮器地址 001 显示 数据 存贮 器地 址 9 读忙标志 或地址01BF 计数 器地 址 10 写数到 CGRAM 或 DDRAM） 10 要写 的数 据内 容 11 从 CGRAM 或 DDRAM 读数 11 读出 的数 据内 容 （说明：表 3.4 中 1 为高电平、 0 为低电平） 1602 的驱动程序 11 条指令: （1）void Clear_display(); /清显示屏指令 （2）void Return_home(); /光标归位指令 （3）void Entry_mode_set(); /输入模式设置指令 （4）void Dis