毕业设计（论文）-单片机手动光电脉冲发生器监测系统设计.doc

单片机手动光电脉冲发生器监测系统设计摘 要光电脉冲发生器是一种以高精度计量圆光栅作为检测元件并集光、机、电于一体的数字测角传感器,它采用光电转换技术可将机械轴的角位置信息转换成相应的电脉冲或数字量输出,因而可实现对角度、位移、速度和其它机械物理量的测量。是目前常用的测量角度精度较高的传感器件，在某些自动测试系统中是不可缺少的传感元件，是目前应用最多的传感器。具有体积小，精度高，工作可靠,接口数字化等优点。它广泛应用于数控机床、回转台、伺服传动、机器人、雷达、军事目标测定等需要检测角度的装置和设备中。在位置控制系统中，由于用手摇光电脉冲发生器既可能正转，也可能反转，所以要对其输出的脉冲进行计数，要求相应的计数器既能实现加计数，又能实现减计数，即进行可逆计数。其计数的方法有多种，包括纯粹的软件计数和硬件计数8。本此设计首先对这两种常用的计数方法进行了分析，对其优缺点进行了对比，最后选用了一种新的计数方法，从波形分析入手,提出一种基于纯软件编程的方法，即将手动光电脉冲发生器与AT89C51单片机连接，利用AT89C51单片机内部的中断，实现对光电脉冲发生器输出脉冲的加减可逆计数，并将转换的数字显示在与单片机相连的MAX7219数码管上。这种设计既节省了硬件资源，又能得到较高的计数频率。通过这个设计可以实现由单片机对手动光电脉冲发生器的监测，即实现对角度、位移等物理量的测量。该方法不仅使用方便、测量准确，而且成本较低，在自动测试系统中经常采用这种测量方法。关 键 词：手动光电脉冲发生器，单片机，加减计数，传感器，监测SCM PHOTELECTRIC PULSE GENERATOR MANUAL MONITORING SYSTEM DESIGNABSTRACTPhotoelectric pulse generator is a high-precision measurement to grating as a round-detection devices and optical, mechanical, electrical integration in the digital angle measurement sensors, using photoelectric conversion technology could be mechanical shaft angle location information into the appropriate power Pulse or digital output, thus achieving the point of view, displacement, velocity and other mechanical physical measurement. Is the common point of high precision measurement sensors, in some automatic test system is indispensable in the sensor, is the largest number of sensor applications. Have a lot of advantages like small volume, high accuracy, reliability, digital interface and so on. It widely used in CNC machine tools, turret, serve drive, robotics, radar and military targets, such as the need of detection angle of the installations and equipment. In the position control system, using hand because both photoelectric pulse generator may be transferred, it may reverse, so to the pulse of its output to count for the corresponding counter not only to achieve and count, can achieve by counting , That is reversible count. There are a lot of ways for counting, including simply counting software and hardware count. The design of this first count of the two commonly used methods for analysis, its advantages and disadvantages compared with the final choice of a new counting method, from the start waveform analysis, a pure software-based programming approach, Photoelectric forthcoming manual pulse generator connected with the AT89C51 SCM, using SCM AT89C51 internal disruption, and the photoelectric pulse generator output pulse of plus or minus reversible count, and conversion of digital display with the monolithic MAX7219-connected digital pipe. This design not only save the hardware resource, can be counted a higher frequency. Through this design can be achieved by the MCU to manually monitor the photoelectric pulse generator, to achieve the point of view, displacement, such as physical measurement. This method not only easy to use, measure accurately, but also lower costs in the auto-testing system frequently used in this measurement method.KEY WORDS：photoelectric manual pulse generator，single-chip microcomputer，reversible counting，sensors，monitoring 目 录前 言1第1章 绪论21.1 单片机的发展概况21.1.1 CPU的发展21.1.2 片内存储器的发展31.1.3 片内输入输出接口功能41.2 光电编码器的发展概况51.2.1 光电编码器的概述51.2.2 光电编码器的发展历程51.3 国内外同类研究的概述71.3.1 单片机的概述71.3.2 光电脉冲发生器的概述81.4 本课题研究的依据与意义81.5 本课题完成的主要工作9第2章 单片机手动光电脉冲发生器监测系统硬件设计102.1 AT89C51单片机的性能分析102.1.1 AT89C51单片机的主要性能参数102.1.2 AT89C51单片机的标准功能112.1.3 AT89C51单片机的外形及其管脚功能112.1.4 AT89C51单片机的主要优点142.2 手动光电脉冲发生器的工作原理142.2.1 手动光电脉冲发生器产品说明152.2.2 手动光电脉冲发生器的内部电路162.2.3 手动光电脉冲发生器的工作原理172.2.4 手动光电脉冲发生器的主要优点182.3 手动光电脉冲发生器输出脉冲的几种计数方法182.3.1 用软件实现脉冲的鉴相与计数192.3.2 用硬件实现脉冲的鉴相与计数192.3.3 用单片机内部计数器实现计数202.4 本次设计的硬件接口电路212.4.1 硬件连接说明212.4.2 硬件连接电路22第3章 单片机手动光电脉冲发生器监测系统软件设计233.1 软件设计分析233.2 软件设计的鉴相原理和计数原理233.2.1 脉冲鉴相原理233.2.2 脉冲计数原理243.3 编程过程分析243.3.1 软件编程流程图253.3.2 主要编程分析25第4章 实验结果和误差分析264.1 系统调试264.2 误差分析26结 论27参考文献29致谢30附录31前 言1970年微处理器研制成功之后，随着就出现了单片机 (即单片的微型计算机)。1971年美国Intel公司生产的4位单片机4004和1972年生产的雏型8位单片机8008，特别是1976年9月Intel公司的MCS-48单片机问世以来，在短短的十几年间，经历了多次更新换代，其发展速度大约每二、三年要更新一代、集成度增加一倍、功能翻一番。发展速度之快、应用范围之广已达到了惊人的地步。它已渗透到生产和生活的各个领域，可谓无孔不入。单片机应用的意义绝不限于它的功能，以及所带来的经济效益上。更重要的意义在于，单片机的应用正从根本上改变着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控制功能，现在已能使用单片机通过软件方法实现了，这种以软件取代硬件并能提高系统性能的控制技术，称之为微控制技术。这标志着一种全新概念的建立。随者单片机应用技术的推广普及，微控制技术必将不断发展，日益完善，更加充实。光电脉冲发生器是一种以高精度计量圆光栅作为检测元件并集光、机、电于一体的数字测角传感器,它采用光电转换技术可将机械轴的角位置信息转换成相应的电脉冲或数字量输出,因而可实现对角度、位移、速度和其它机械物理量的测量。是目前常用的测量角度精度较高的传感器件，在某些自动测试系统中是不可缺少的传感元件，是目前应用最多的传感器。具有体积小，精度高，工作可靠,接口数字化等优点。它广泛应用于数控机床、回转台、伺服传动、机器人、雷达、军事目标测定等需要检测角度的装置和设备中。本设计从光电脉冲发生器发出的波形分析入手,提出一种基于纯软件编程的方法，即将手动光电脉冲发生器与AT89C51单片机连接，利用AT89C51单片机内部的中断，实现对光电脉冲发生器输出脉冲的加减可逆计数，并将转换的数字量显示在与单片机相连的7219数码管上。这种设计既节省了硬件资源，又能得到较高的计数频率。通过这个设计可以实现由单片机对手动光电脉冲发生器的监测，即实现对角度、位移等物理量的测量。该方法不仅使用方便、测量准确，而且成本较低，在自动测试系统中经常采用这种测量方法。第1章 绪论1.1 单片机的发展概况自1976年9月Intel公司推出MCS-48单片机以来，有关公司都争相推出各自的单片机。如GI公司推出PIC1650系列单片机，Rockwell公司推出了与6502微处理器兼容的R6500系列单片机。1978年下半年Motorola公司推出M6800系列单片机，Zilog公司相继推出Z8单片机系列。1980年Intel公司在MCS-48系列基础上又推出了高性能的MCS-51系列单片机。这类单片机均带有串行I/O口，定时器/计数器为16位，片内存储容量（RAM，ROM）都相应增大，并有优先级中断处理功能，单片机的功能、寻址范围都比早期的扩大了，它们是当时单片机应用的主流产品。1982年Mostek公司和Intel公司先后又推出了性能更高的16位单片机MK68200和MCS-96系列，NS公司和NEC公司也分别在原有8位单片机的基础上推出了16位单片机HPC16040和PD783系列。1987年Intel公司又宣布了性能比8096高两倍的CMOS型80C196，1988年推出带EPROM的87C196单片机。由于16位单片机推出的时间较迟、价格昂贵、开发设备有限等多种原因，至今还未得到广泛应用。而8位单片机已能满足大部分应用的需要，因此，在推出16位单片机的同时，高性能的新型8位单片机也不断问世。目前国际市场上8位、16位单片机系列已有很多，但是，在国内使用较多的系列是Intel公司的产品，其中又以MCS-51系列单片机应用尤为广泛，二十几年经久不衰，而且还在更进一步发展完善，价格越来越低，性能越来越好。1.1.1 CPU的发展增加CPU的字长或提高时钟频率均可提高CPU的数据处理能力和运算速度。CPU的字长目前有8位、16位和32位。时钟频率高达20MHz的单片机也已出现。还有的8位单片机其算术逻辑运算部件（ALU）却是16位，内部采用16位数据总线。如NEC公司的PD7800系列的8位单片机，Mitsubishi公司的M37700系列单片机，它们的数据处理能力和速度比一般8位单片机强，如PD7800系列单片机作一次16位乘以16位的乘法用3.2s。16位除以8位的除法用3.0s。32位除以16位的除法用8.3s。另外，单片机内部采用双CPU结构能大大提高处理能力，如Rockwell公司的R6500/21和R65C29单片机。由于片内有两个CPU能同时工作，可能更好地处理外围设备的中断请求，克服了单CPU在多重高速中断响应时的失效问题。同时，由于双CPU可以共享存储器和I/O接口的资源，因此，还可更好地解决信息通信问题。如Intel公司的8044，它的内部实际上是8051和SIU通信处理机组成，由SIU来管理SDLC的通信，这样既加快了通信处理的速度，同时，还减轻了8051的处理负担。1.1.2 片内存储器的发展(1).扩大存储容量早期单片机的片内存储器，一般RAM为64128字节，ROM为1K2K字节，寻址范围为4K字节。新型单片机片内RAM为256字节，ROM多达16K字节。如Intel公司的8052，片内ROM为8K字节。通用仪器公司的70120片内ROM容量为12K字节。片内ROM容量最大的是日立公司的MC6301Y为16K字节。新型单片机的寻址范围可扩大到64K字节，甚至128K字节（其中随机存储器RAM容量为64K字节，只读存储器ROM容量64K字节）。这类单片机有Intel公司的MCS-51系列和Zilog公司的Z8601，Z8603，Z8611，Z8681等。内部ROM分可擦除和一次性可编程（OTP）两种，前者价高，技术开发时使用，后者价低，开发成功后，一次性固化在产品上使用，须注意的是一次性固化在产品上使用的必须是成熟产品，否则会造成经济损失。如PIC系列。(2).片内EPROM开始E2PROM化早期单片机内ROM有的采用可擦式的只读存储器EPROM，然而EPROM必须要高压编程，紫外线擦除，给使用带来不便。近年来，推出的电擦除可编程只读存储器E2PROM可在正常工作电压下进行读写，并能在断电的情况下，保持信息不丢失。因此，有些厂家已开始用E2PROM替代原来的片内EPROM。如TI公司和Seeq公司的72710（1K字节E2PROM），72720（2K字节E2PROM），Motorola公司的68HC11A2（2K字节E2PROM），68HC805C4（4K字节的E2PROM），TEXAS仪器公司的77C82（8K字节E2PROM）。由于写入E2ROM的数据能永久保存，因此，有些厂家已开始将E2PROM用作片内ROM，甚至用作片内通用寄存器。这样就可省去备用电池了。(3).闪速存储器随着CMOS工艺的改进和提高，闪速存储器在不断发展和完善，应用越来越广，容量越来越大，价格越来越低，闪存技术在各个领域得到应用。如ATMEL公司将闪存技术应用到单片机中，生产出了带闪速存储器的AT89系列。对一些小系统，外部可以不用扩展存储芯片，从而使得只用单片机就能构成一个完整的控制系统。PIC系列也有带闪的存储芯片。(4).串行存储器I/O总线的快速发展，使得串行数据存储器在容量和存储速度上有了很大的提高，由于它体积小，口线少，价格低，从而也得到了广泛的应用。(5).片内程序的保密措施为了使片内EPROM（或E2PROM）内容不被复制，一些厂家对片内EPROM（或E2PROM）采用加锁技术。如：Intel公司8X252，加锁后的EPROM（或E2PROM）中的程序只能供片内CPU读取，不能从片外读取，否则必须先开锁，开锁时，CPU先自动擦除EPROM（或E2PROM）中的信息，从而达到程序保密的目的。1.1.3 片内输入输出接口功能最初的单片机，片内只有并行输入/输出接口、定时器/计数器，它们的功能较弱，实际应用中往往需要通过特殊的接口扩展功能，从而也增加了应用系统结构的复杂性。近年来，新型单片机内的接口，无论从类型和数量上都有很大的发展。这不仅大大提高了单片机的功能，而且使系统的总体结构也大大简化了。例如，有些单片机的并行I/O口，能直接输出大电流和高电压，可直接用于驱动荧光显示管（VFD）、液晶显示器（LCD）和数码显示管（LED）等，应用系统中就不再需要外部驱动电路。再如有些单片机，片内含有A/D转换器，在一些实时控制系统中可省掉外部A/D转换器。目前，在单片机中已出现的各类型新型接口有数十种：如A/D转换器、D/A转换器、DMA控制器、CRT控制器、LCD驱动器、LED驱动器、VFD驱动器、正弦波发生器、声音发生器、字符发生器、波特率发生器、锁相环、频率合成器、脉宽调制器等等。虽然一个单片机内只含若干种接口，但其功能却比初期的单片机强得多。因此，用它可作为高速主机（80286/80386）的通用外设接口。例如以UPI-452中的128字节的FIFO作为高速主机与慢速外设传送数据的缓冲器，然后通过UPI-452的DMA控制器进行快速数据传送。1.2 光电编码器的发展概况1.2.1 光电编码器的概述手动光电脉冲发生器是的光电编码器的一种。光电编码器是一种以高精度计量圆光栅作为检测元件并集光、机、电于一体的数字测角传感器,它采用光电转换技术可将机械轴的角位置信息转换成相应的电脉冲或数字量输出。光电编码器以其高精度、高分辨率和高可靠性而被广泛用于各种角度、速度和其它机械物理量的测量。光电编码器是一种集光、机、电为一体的数字检测装置。作为一次光电传感检测元件的光电编码器，具有精度高、响应快、抗干扰能力强、性能稳定可靠等显著的优点。按结构形式可分为直线式编码器和旋转式编码器两种类型。旋转编码器主要由光栅、光源、检读器、信号转换电路、机械传动等部分组成。从光电编码器的输出信号种类来划分，可分为增量式和绝对值式两大类，其中绝对值式又分为单圈和多圈两种7。近年来,随着计算机技术、光通信以及光电子器件的发展,光电编码器的研制水平进一步提高,新产品不断出现,技术更加完善,尤其在欧美、日本等一些发达国家,其产品不仅技术性能好,而且成本较低,种类齐全,处于领先水平。由于光电编码器具有高精度、高分辨力、低能耗、非接触测量及输出稳定等优点,因而在现代的军事、航天、机器人工业1.2.2 光电编码器的发展历程 (1).从接近开关与光电开关到旋转编码器工业控制中的定位，接近开关、光电开关的应用已经相当成熟了，而且很好用。可是，随着工业控制的不断发展，对精确定位的要求越来越高，选用旋转编码器的应用优点就更加突出了。信息化：除了定位，控制室还知道被控器件的具体位置。柔性化：定位可以在控制室柔性调整。现场安装的方便、安全和长寿：拳头大小的一个旋转编码器，可以测量从几个微米到几百米的距离，n个工位。只要解决旋转编码器的安全安装问题，就可以避免诸多接近开关、光电开关在现场机械安装麻烦以及容易被撞坏和遭高温、水气困扰等问题。由于是光电码盘，无机械损耗，只要安装位置准确，其使用寿命往往很长。多功能化：除了定位，还可以远传当前位置，换算运动速度，对于变频器、步进电机等的应用尤为重要。经济化：对于多个控制工位，只需一个旋转编码器的成本，安装、维护、损耗成本降低，使用寿命增长，其经济化逐渐突显出来。(2).从增量式编码器到绝对式编码器旋转增量式编码器转动时输出脉冲，通过计数设备来知道其位置，当编码器不动或停电时，依靠计数设备的内部记忆来记住位置。这样，当停电后，编码器不能有任何的移动；当来电工作时，编码器输出脉冲过程中，也不能有干扰而丢失脉冲，不然，计数设备记忆的零点就会偏移，而且这种偏移的量是无从知道的，只有错误的生产结果出现后才能知道。解决的方法是增加参考点，编码器每经过参考点，将参考位置修正进计数设备的记忆位置。在参考点以前，是不能保证位置的准确性的。为此，在工业控制中就有每次操作先找参考点，开机找零等方法。比如，打印机扫描仪的定位就是用的增量式编码器原理，每次开机，都能听到噼哩啪啦的一阵响，它在找参考零点，然后才工作。这样的方法对有些工业控制项目比较麻烦，甚至不允许开机找零(开机后就要知道准确位置)，于是就有了绝对编码器的出现。绝对编码器编码盘上有许多道刻线，每道刻线依次以2线、4线、8线、16线编排，这样在编码器的每一个位置，通过读取每道刻线的通、暗，获得一组从2的零次方到2的n-1次方的唯一的2进制编码(格雷码)，这就称为绝对编码器。这样的编码器是由编码盘的机械位置决定的，它不受停电、干扰的影响。绝对编码器由机械位置决定的每个位置的唯一性，它无需记忆，无需找参考点，而且不用一直计数，什么时候需要知道位置，什么时候就去读取它的位置。这样，编码器的抗干扰特性、数据的可靠性大大提高了。由于绝对编码器在定位方面明显地优于增量式编码器，已经越来越多地应用于工业控制定位中。(3).从单圈绝对式编码器到多圈绝对式编码器旋转单圈绝对式编码器，以转动中测量编码盘各道刻线，以获取唯一的编码，当转动超过360时，编码又回到原点，这样就不符合绝对编码唯一的原则，这样的编码器只能用于旋转范围360以内的测量，称为单圈绝对式编码器。如果要测量旋转超过360范围，就要用到多圈绝对式编码器。编码器生产厂家运用钟表齿轮机械的原理，当中心码盘旋转时，通过齿轮传动另一组码盘(或多组齿轮，多组码盘)，在单圈编码的基础上再增加圈数的编码，以扩大编码器的测量范围，这样的绝对编码器就称为多圈式绝对编码器。它同样是由机械位置确定编码，每个位置编码唯一不重复，而无需记忆。另一个优点是由于测量范围大，实际使用往往富裕较多这样在安装时不需费劲找零点，将某一中间位置作为起始点就可以了，大大简化了安装调试难度。多圈式绝对编码器在长度定位方面的优势明显，已经越来越多地应用于工控定位中。绝对型旋转编码器的机械安装有高速端安装、低速端安装、辅助机械装置安装等多种形式。1.3 国内外同类研究的概述1.3.1 单片机的概述AT89C51单片机是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压,高性能CMOS8位微处理器,俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造,与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中,ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器,AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案15。1.3.2 光电脉冲发生器的概述光电脉冲发生器以其高精度、高分辨力、高频响以及体积小、重量轻、结构简单、可实现数字量输出等综合技术优势在现代精密测量与控制设备中得到了广泛应用，是工业控制中比较理想的测量位移、角度和速度等物理量的传感器。光电脉冲发生器是一种集光、机、电为一体的数字检测装置。作为光电传感检测元件的光电脉冲发生器，具有精度高、响应快、抗干扰能力强、性能稳定可靠等显著的优点。随着光电科学的发展，采用新原理、应用新技术的各类新型光电脉冲发生器将会不断出现，并向着小型化、智能化和集成化的方向发展，以满足各个领域多种应用场合的需要。光电脉冲发生器主要由光栅、光源、检读器、信号转换电路、机械传动等部分组成。从光电脉冲发生器的输出信号种类来划分，可分为增量式和绝对值式两大类。光电脉冲发生器最适合数控机床的零点补正及信号分割，光电脉冲发生器使用起来非常方便。可有效遥控 X、Y、Z轴的动作方向及倍率放大。驱动器输出抗干扰能力强，可长距离传输。近年来,随着计算机技术、光通信以及光电子器件的发展, 光电脉冲发生器的研制水平进一步提高,新产品不断出现,技术更加完善,尤其在欧美、日本等一些发达国家,其产品不仅技术性能好,而且成本较低,种类齐全,处于领先水平。由于光电脉冲发生器具有高精度、高分辨力、低能耗、非接触测量及输出稳定等优点,因而广泛应用在现代的军事、航天、机器人工业1.4 本课题研究的依据与意义光电脉冲发生器是一种以高精度计量圆光栅作为检测元件并集光、机、电于一体的数字测角传感器,它采用光电转换技术可将机械轴的角位置信息转换成相应的电脉冲或数字量输出,因而可实现对角度、位移、速度和其它机械物理量的测量。是目前常用的测量角度精度较高的传感器件，在某些自动测试系统中是不可缺少的传感元件，是目前应用最多的传感器。具有体积小，精度高，工作可靠,接口数字化等优点。它广泛应用于数控机床、回转台、伺服传动、机器人、雷达、军事目标测定等需要检测角度的装置和设备中。在位置控制系统中，由于用手摇光电脉冲发生器既可能正转，也可能反转，所以要对其输出的脉冲进行计数，要求相应的计数器既能实现加计数，又能实现减计数，即进行可逆计数。其计数的方法有多种，包括纯粹的软件计数和硬件计数。本此设计首先对这两种常用的计数方法进行了分析，对其优缺点进行了对比，最后选用了一种新的计数方法，从波形分析入手,提出一种基于纯软件编程的方法，即将手动光电脉冲发生器与AT89C51单片机连接，利用AT89C51单片机内部的中断，实现对光电脉冲发生器输出脉冲的加减可逆计数，并将转换的数字量显示在与单片机相连的7219数码管上。这种设计既节省了硬件资源，又能得到较高的计数频率。通过这个设计可以实现由单片机对手动光电脉冲发生器的监测，即实现对角度、位移等物理量的测量。该方法不仅使用方便、测量准确，而且成本较低，在自动测试系统中经常采用这种测量方法。1.5 本课题完成的主要工作本课题从分析手动光电脉冲发生器发出的波形入手,提出一种基于纯软件编程的方法，即将手动光电脉冲发生器与AT89C51单片机连接，利用AT89C51单片机内部的中断进行软件编程，实现对光电脉冲发生器输出脉冲的加减可逆计数，并将转换的数字量显示在与单片机相连的7219数码管上。这种设计既节省了硬件资源，又能得到较高的计数频率。通过这个设计可以实现由单片机对手动光电脉冲发生器的监测，即实现对角度、位移等物理量的测量。该方法不仅使用方便、测量准确，而且成本较低，在自动测试系统中经常采用这种测量方法。第2章 单片机手动光电脉冲发生器监测系统硬件设计2.1 AT89C51单片机的性能分析AT89C51是美国ATMEL公司生产的一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器和128 bytes 的随机存取数据（RAM）的低电压，高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位中央处理器（CPU）和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案15。AT89C51单片机系统具有设计简单、性能可靠、功耗低等优点，它为用户预留下足够的软硬件资源，可供用户进行再开发应用，该系统除内部已有的4K FLASH存储器外，还可以扩展选址64K ROM区和64K RAM区，供用户使用，用户在系统开发时，可以将自己的数据块和程序段、数据表，以若干控制子程序、数据块形式存放于AT89C51单片机的扩展ROM或RAM区中，以便系统工作时重复使用和反复调用。2.1.1 AT89C51单片机的主要性能参数与MCS-51产品指令系统完全兼容 4K字节可重擦写Flash闪速存储器 1000次擦写周期数据保留时间为10年全静态工作0Hz-24MHz三级加密程序存储器128*8字节内部RAM32个可编程I/O线2个16位定时器/计数器5个中断源 可编程串行UART通道低功耗的空闲和掉电模式片内振荡器和时钟电路2.1.2 AT89C51单片机的标准功能AT89C51提供以下标准功能：4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16为定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双口串行通信口，片内振荡器及时钟电路，同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式，空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作，掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位15。2.1.3 AT89C51单片机的外形及其管脚功能AT89C51单片机常见的封装是PDIP形，外形如图2-1：图2-115 AT89C51的PDIP封装外形AT89C51单片机的管脚功能如下15：VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口是一组8位漏级开路双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”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：P1口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P1口的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对P1端口写入“1”时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口用。作输入口用时，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（ILL）。Flash编程和程序校验期间，P1口接收低8位地址。P2口：P2口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P2口的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对P2端口写入“1”时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口用。作输入口用时，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（ILL）。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MOVXDPIR）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（例如执行MOVXPI指令）时，P2口线上的内容（也即特殊功能寄存器（SFR）区中R2寄存器的内容），在整个访问期间不改变。Flash编程和程序校验期间，P2口亦接收高位地址和其它控制信号。P3口：P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P3口的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对P3端口写入“1”时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口用。作输入口用时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（ILL）。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，即也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示： 端口管脚 备选功能 P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断0） P3.3 /INT1（外部中断1） P3.4 T0（定时/记时器0） P3.5 T1（定时/记时器0） P3.6 /WR（外部数据存储器写选通） P3.7 /RD（外部数据存储器读选通） 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。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。 /PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指令期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。2.1.4 AT89C51单片机的主要优点(1).内部含Flash存储器 因此在系统的开发过程中可以十分容易进行程序的修改，这就大大缩短了系统的开发周期。同时，在系统工作过程中，能有效地保存一些数据信息，即使外界电源损坏也不影响到信息的保存。 (2).和80C51插座兼容 89系列单片机的引脚是和80C51一样的，所以，当用89系列单片机取代80C51时，可以直接进行代换。这时，不管采用40引脚亦或44引脚的产品，只要用相同引脚的89系列单片机取代80C51的单片机即可。 (3).静态时钟方式 89系列单片机采用静态时钟方式，所以可以节省电能，这对于降低便携式产品的功耗十分有用。 (4).错误编程亦无废品产生 一般的OTP产品，一旦错误编程就成了废品。而89系列单片机内部采用了Flash存储器，所以，错误编程之后仍可以重新编程，直到正确为止，故不存在废品。 (5).可进行反复系统试验 用89系列单片机设计的系统，可以反复进行系统试验；每次试验可以编入不同的程序，这样可以保证用户的系统设计达到最优。而且随用户的需要和发展，还可以进行修改，使系统不断能追随用户的最新要求。2.2 手动光电脉冲发生器的工作原理光电脉冲发生器是一种以高精度计量圆光栅作为检测元件并集光、机、电于一体的数字测角传感器,它采用光电转换技术可将机械轴的角位置信息转换成相应的电脉冲或数字量输出。光电脉冲发生器以其高精度、高分辨力、高频响以及体积小、重量轻、结构简单、可实现数字量输出等综合技术优势在现代精密测量与控制设备中得到了广泛应用，是工业控制中比较理想的测量位移、角度和速度等物理量的传感器。在某些自动测试系统中是不可缺少的传感元件，是目前应用最多的传感器。它广泛应用于数控机床、回转台、伺服传动、机器人、雷达、军事目标测定等需要检测角度的装置和设备中。随着光电科学的发展，采用新原理、应用新技术的各类新型光电脉冲发生器将会不断出现，并向着小型化、智能化和集成化的方向发展，以满足各个领域多种应用场合的需要。2.2.1 手动光电脉冲发生器产品说明(1).电气型号及其参数16产品型号LGF性能代号003电源电压50.25V（交流成分1%以下）消耗电流160输出方式长线驱动器输出电压VH2.5V,VL0.5V上升/下降时间0.1us响应频率05kHz每转输出脉冲数100允许最大机械转数600r/min正常机械转数200r/min刻度盘寿命3*100000转（200r/min以下）使用温度0+60重量约270g(2).输出波形与信号位置精度手动光电脉冲发生器输出波形与信号位置精度如图2-2：图2-216 手动光电脉冲发生器输出波形与信号位置精度(3).外形图手动光电脉冲发生器的外形图如图2-3：图2-316 手动光电脉冲发生器的外形图2.2.2 手动光电脉冲发生器的内部电路在手动光电脉冲发生器中，光源和接收电路在编码盘的两边，电路原理图如图2-4：图2-412 手动光电脉冲发生器内部电路原理图从电路原理图上我们可以看出，当光被遮挡的时候，输出端为高电平;反之，当光能透过时，输出端则为低电平。这样我们就可以根据输出的脉冲的个数而知道编码器轴所旋转的角度了。在结构上，A盘和B盘相错，输出波形上则相差1/4周期。当编码器顺时针旋转时，B相先于A相1/4个周期;而逆时针旋转时，A相则先于B相1/4个周期。Z相为零位脉冲，用来校准12。2.2.3 手动光电脉冲发生器的工作原理 光电脉冲发生器通过内部两个光敏接受管转化其角度码盘的时序和相位关系，得到其角度码盘的角度位移量增加（正方向）或减少（负方向）。手动光电脉冲发生器的工作原理图如图2-5：图2-5 手动光电脉冲发生器的工作原理图A,B两点对应两个光敏接受管，A,B两点间距为 S2 ,角度码盘的光栅间距分别为S0和S1。当角度码盘以某个速度匀速转动时，那么可知输出波形图中的S0：S1：S2比值与实际图的S0：S1：S2比值相同，同理角度码盘以其他的速度匀速转动时，输出波形图中的S0：S1：S2比值与实际图的S0：S1：S2比值仍相同。如果角度码盘做变速运动，把它看成为多个运动周期（在下面定义）的组合，那么每个运动周期中输出波形图中的S0：S1：S2比值与实际图的S0：S1：S2比值仍相同。通过输出波形图可知每个运动周期的时序如表2-1所示：表2-1 周期时序表顺时针运动逆时针运动A B1 10 10 01 0A B1 11 00 00 1把当前的A,B输出值保存起来，与下一个A,B输出值做比较，可轻易得出角度码盘的运动方向.如果光栅格S0S1时，也就是S0和S1弧度夹角相同，且S2等于S0的1/2，那么可得到此次码盘运动位移角度为S0弧度夹角的1/2，除以所消耗时间，得此次码盘运动位移角速度。若S0等于S1时，且S2等于S0的1/2时，1/4个运动周期就可以得到运动方向和位移角度，如果S0不等于S1，S2不等于S0的1/2，那么要1个运动周期才可以得到运动方向和位移角度了。2.2.4 手动光电脉冲发生器的主要优点 手动光电脉冲发生器的主要优点是高精度、高分辨力、高频响以及体积小、重量轻、结构简单、无接触无磨损，可实现数字量输出；寿命长，安装随意，接口形式丰富，价格合理；同一品种既可检测角度位移，又可在机械转换装置帮助下检测直线位移。在接合数字电路特别是单片机后，增量式光电脉冲发生器在角度测量和角速度测量中较绝对式光电脉冲发生器更具有廉价和简易的优势。技术成熟，多年前已在国内外得到广泛应用。2.3 手动光电脉冲发生器输出脉冲的几种计数方法由于在位置控制系统中，手动光电脉冲发生器既可以正转，又可以反转，所以要求计数器既能实现加计数，又能实现减计数。相应的计数方法可以用软件实现，也可以用硬件实现，还可以利用AT89C51单片机内部的计数器实现对手动光电脉冲发生器输出脉冲的加减可逆计数。下面就对这几种计数方法做一些简单的介绍8。2.3.1 用软件实现脉冲的鉴相与计数手动光电脉冲发生器输出的A向脉冲接到单片机的外部中断INT0，B向脉冲接到I/O端口P1.4，如图2所示。当系统工作时，首先要把INT0设置成下降沿触发，并开相应中断。当有效脉冲触发中断时，执行中断处理程序，判别B脉冲是高电平还是低电平。若是高电平，则手动光电脉冲发生器正转，加1计数；若是低电平，则手动光电脉冲发生器反转，减1计数8。 2.3.2 用硬件实现脉冲的鉴相与计数硬件计数在执行速度上有软件计数不可比拟的优势，通常采用多个可预置4位双时钟加减计数器74LS193级联组成的加减计数电路。如图2-8所示，P0、P1、P2、P3为计数器的4位预置数据端，与数据输入锁存器相接；QA、QB、QC、QD为计数器的4位数据输出端，与数据输出缓冲器相接；MR为清零端，与上电清零脉冲相接；PL为预置允许端，由译码控制电路触发；CU为加脉冲输入端，CD为减脉冲输入端；TCU为进位输出端；TCD为借位输出端。 图2-88 加减计数芯片74LS193当CU和CD中一个输入脉冲时，另一个必须处于高电平，才能进行计数工作。而从手动光电脉冲发生器直接输出的A、B两路脉冲不符合要求，不能直接接到计数器的输