毕业设计（论文）-基于单片机的转速测量系统设计

黄石理工学院毕业设计（论文） 0 黄石理工学院毕业设计（论文）任务书 毕业设计（论文）题目：基于单片机的转速测量系统设计 教学院：电气学院 专业班级：07 应用电子技术 1 班 学生姓名： 学号： 指导教师： 1毕业设计（论文）的主要内容 转速是工程中应用非常广泛的一个参数，其测量方法较多，而模拟量的采集转速是工程中应用非常广泛的一个参数，其测量方法较多，而模拟量的采集 和模拟处理一直是转速测量的主要方法，这种测量方法已不能适应现代科技发展和模拟处理一直是转速测量的主要方法，这种测量方法已不能适应现代科技发展 的要求，在测量范围和测量精度上，已不能满足大多数系统的使用。随着大规模的要求，在测量范围和测量精度上，已不能满足大多数系统的使用。随着大规模 及超大规模集成电路技术的发展，数字系统测量得到普遍应用，特别是单片机对及超大规模集成电路技术的发展，数字系统测量得到普遍应用，特别是单片机对 脉冲数字信号的强大处理能力，使得全数字测量系统越来越普及，其转速测量系脉冲数字信号的强大处理能力，使得全数字测量系统越来越普及，其转速测量系 统也可以用全数字化处理。统也可以用全数字化处理。 本设计要求以单片机为中心，设计的全数字化测量转速系统，可以应用于电本设计要求以单片机为中心，设计的全数字化测量转速系统，可以应用于电 机转速检测和控制、车辆的里程表、车速表等机转速检测和控制、车辆的里程表、车速表等。 2毕业设计（论文）的要求 查阅有关资料，熟悉转速的数字化测量原理，提出自己的测量方案 根据单片机系统的设计原则，构建硬件系统并完成相应的软件设计 3进度安排 毕业设计（论文）各阶段名称起 止 日 期 1 收集技术资料制订计划 2010、3、10 2010、3、25 2系统分析和总体设计2010、3、26 2010、4、10 3系统硬件、软件设计2010、4、11 2010、4、20 4整理数据、写毕业论文、答辩2010、4、21 2010、5、30 4其他情况说明 5主要参考文献见附录 黄石理工学院毕业设计（论文） 1 摘 要 在控制领域中,经常需要进行各种角度、位移量的测量。当前，世界上正面临 着一场新的技术革命，这场革命的重要基础之一就是测量技术。测量技术的发展 给人类社会和国民经济的各个部门及各个领域带来了巨大的、广泛的、深刻的变 化，带动着传统工业和其他新兴产业的更新和变革，是当今人类社会发展的强大 动力。 本设计为码盘转速测量系统，用来测量来自外部的不同的转速值。实现转速 的实时测量，显示。具体应用 AT80C51 单片机为核心，旋转编码器实时轴转速测 量，同时以八位串行段码式 LCD 显示模块显示。旋转编码器输出 4.25V，8 位二进 制自然码送入单片机处理经过计算处理，再查表转换为 10 进制数，送 LCD 模块显 示。 本文从转速测量原理入手，详细阐述了转速测量系统的工作过程，以及硬件 电路的设计、显示效果。本文吸收了硬件软件化的思想，实现了题目要求的功能。 关键词：转速测量，旋转编码器，单片机，LCD 显示模块 黄石理工学院毕业设计（论文） 2 Abstract In the control field, a variety of angles and displacement measurements often need to be carried out. At present, the world is facing a new technological revolution; one of the most important bases of the revolution is measurement. The development of measurement technology brings extensive，tremendous and profound changes to human society and all sectors of the national economy, changes the traditional industries and other emerging industries, becomes todays strongest driving force for development of human society . The encoder speed measurement system is designed to measure a different speed from the outside values，to achieve real-time speed measurement and display. Specific application use AT80C51 microcontroller as its core, rotary encoder measures real-time shaft speed, in both 8 serial Segment type LCD display module display. Rotary encoder output a 4.25V, 8-bit binary natural code into the MCU processed and computed, and then look-up table converts to 10 decimal number, sent to LCD display module. In this paper, detailed working process of speed measurement system is started with principle of speed measurement, and hardware circuit design and display. This paper has absorbed the idea of hardware and software to achieve with the subject required functionality. Key words: rotational speed measurement, rotary encoder, microcontroller, LCD display module 黄石理工学院毕业设计（论文） 3 目 录 第一章第一章 绪论绪论.1 1.1 国内外转速测量技术简介 .1 1.2 课题研究目的和意义 .2 第二章第二章 原理说明及方案选择原理说明及方案选择.2 2.1 转速测量理论的简要介绍.2 2.2 方案选择.3 2.3 方案原理.4 2.4 转速测量参数及电路参数分析.5 2.4.1MCS-51 的定时器/计数器简介 .5 2.4.2 定时器模式选择位 .6 第三章第三章 硬件电路的设计硬件电路的设计.7 3.1 单片机的选择.7 3.1.1 80C51 的介绍 .10 3.2 旋转编码器的选择.13 3.2.1 PALD6615-256-C05E 简介 .13 3.2.2 PALD6615-256-C05E 编码器的应用 .14 第四章第四章 显示部分显示部分.16 4.1 LED 显示器 .16 4.2 LCD 显示器 .16 4.2.1 LCD 的分类及特点 .17 4.2.2 笔段式 LCD 液晶显示器的驱动 .17 4.2.3 LCD 显示模块 LCDM（Liquid Crystal Display Module）.17 4.3 LCD 显示器的驱动接口 .18 结论结论.20 黄石理工学院毕业设计（论文） 4 谢辞谢辞.21 参考文献参考文献.22 附录一附录一 系统电路图系统电路图.23 附录二附录二 程序清单程序清单.24 黄石理工学院毕业设计（论文） 5 第 1 章 绪论 1.1 国内外转速测量技术简介1 测量角位移的数字编码器，它具有分辨能力强、测量精度高和工作可靠等优 点，是测量轴转角位置的一种最常用的位移传感器。 光电轴角编码器通常按照光栅码盘团的编码方式进行分类。目前常用的类型 为增量式光电轴角编码器和绝对光电轴角编码器。 光栅式光电编码器正向着高分辨力的方向发展。如日本尼康公司生产的 2HR32400 轴角编码器, 每转可输出1296万个脉冲(0.1),可谓日本的最高分辨力。 我国在光电轴角编码器的开发方面上也已经取得了长足的进展,1985年航天部一院 计量站研制的精密数显转台,分辨力0.01;1995年中科院长春光机所和中国计量 科学研究院联合研制出的角度基准,分辨力0.001,精度P+V=0.05(误差修正后);成 都光电所研制的JC21精密测角仪的增量式光电轴角编码器分辨力达到了0.02,测 角精度R0.042。 随着科学技术的发展，形形色色的转速测量仪不断出现。它们的结构不同， 性能各异。至今没有系统的分类方法，在这里只按测量原理和主要元件性质进行 分类说明。按照测量原理主要分为测频法、测周法两种基本的方法，以此提高测 量精度。由于电子计数器所特有的1 个数的误差的存在，应根据转速脉冲频率 的大小恰当选择测量方法。所谓测频法就是测量转速脉冲频率的方法，它用基准 时间信号发生电路的脉冲来控制计数门的开闭，在单位时间内对来自转速传感器 的脉冲进行计数。所谓测周法就是测量转速脉冲周期的方法。它用传感器的脉冲 来控制计数门的开闭，在转速脉冲周期内对基准时间信号发生电路的脉冲进行计 数，然后按 f=1/T 公式换算成转速脉冲的频率。 目前按现有产品的主要构成元件分类，可分为晶体管式、集成电路式和单片 机式。晶体管式所采用的元件主要是晶体管，有的晶体管式转速测量仪设有记忆 电路，其数码管无闪烁现象，显示效果较好，而且测量速度较高。顾名思义集成 电路式转速测量仪，所采用的元件是集成电路元件。由于集成电路具有重量轻、 黄石理工学院毕业设计（论文） 6 体积小、功耗小等优点，而且集成电路元件内设有显示电路，这使得转速测量仪 实现小型化。单片机的出现使得这种仪表的设计变得更加灵活3。 1.2 课题研究目的和意义 转速是工程中应用非常广泛的一个参数，其测量方法较多，而模拟量的采集 和模拟处理一直是转速测量的主要方法，这种测量方法已不能适应现代科技发展 的要求，在测量范围和测量精度上，已不能满足大多数系统的使用。随着大规模 及超大规模集成电路技术的发展，数字系统测量得到普遍应用，特别是单片机对 脉冲数字信号的强大处理能力，使得全数字测量系统越来越普及，其转速测量系 统也可以用全数字化处理。在测量范围和测量精度方面都有极大的提高。因此， 本课题的目的是：对各种测量转速的基本方法予以分析，针对不同的应用环境， 利用单片机设计一种全数字化测速系统，从提高测量精度的角度出发，分析讨论 其产生误差的可能原因，为今后的实际使用提供借鉴。并从实际硬件电路出发， 分析电路工作原理和软件流程，根据仿真情况提出修改方案和解决办法。课题以 单片机为中心，设计的全数字化测量转速系统，在工业控制和民用电器中都有较 高使用价值。其可以应用于工业控制中的某一部分，如数控车床的电机转速检测 和控制、水泵流量控制以及需要利用转速检测来进行控制的许多场合。如车辆的 里程表、车速表等。其次该转速测量系统由于采用全数字化结构，因而可以很方 便的和工业控制计算机进行连接，实行远程管理和控制，进一步提高现代化水平。 并且，几乎不需做很大改变直接就能作为单独的使用产品。总之，转速测量系统 的研究是一件非常有意义的课题。 第二章 原理说明及方案选择 2.1 转速测量理论的简要介绍 转速测量的应用系统在工业生产、科技教育、民用电器等各领域的应用极为 广泛，往往成为某一产品或控制系统的核心部分，其各种参数在不同的应用中有 其侧重，但转速测量系统作为普遍的应用在国民经济发展中，有重要的意义。 转速测量的方法有很多，根据工作原理可分为计数式、模拟式、同步式。计 黄石理工学院毕业设计（论文） 7 数式方法是用某种方式读出一定时间内的总转数;模拟式方法是测出由瞬时转速引 起的某种物理量的变化;同步式是用利用已知的频率与旋转体的旋转同步来测量转 速。 一般的转速测试可用机械式转速表、发电机式转速表以及频闪式转速表，但 在有些情况下，其测量精度，瞬时稳定度不能满足更高的要求，因此，在测量方 法和传感器的选择上显得尤为重要。常用的传感器种类有光电传感器、电磁式传 感器、电容式传感器等，而测量方法上有测量转速周期、转速频率等。如表 2-1 所示 表 2-1 各种测速方法比较5 形式测量方法适用范围特点备注 机械式通过齿轮转动数字轮中、低速简单、价 廉 光电式来自被测旋转体上的光 线使光电管产生电脉冲 中、高速数字式 计数式 电磁式利用磁电转换器将转速 变换成电脉冲 中、高速数字式 机械式利用离心力与转速成平 方成正比的关系 中、低速简单 发电机式利用电机电流或交流电 压与转速成正比关系 高速可远距离 指示 测速发 电机 模拟式 电容式利用电容充、放电与转 速成正比的关系 中、高速 机械式转动带槽的圆盘，观察 旋转体的同步关系 中速 同步式 闪光式用已知频率闪光测出旋 转体同步的频率 中、高速 2.2 方案选择 就转速测量原理而言，大体可分为二大类，一是用单位时间内测得物体的旋 黄石理工学院毕业设计（论文） 8 转角度来计算速度，例如在单位时间内，累计转速传感器发出的 N 个脉冲，即为 该单位时间的速度。这种以测量频率来实现测量转速的方法，称测频法。即“M” 法;另一类是在给定的角位移距离内，通过测量这一角位移的时间来进行测速的方 法，称测周法，即“T”法，如给定的角位移 AO，传感器便发出一个电脉冲周期， 以晶体震荡频率而产生的标准脉冲来度量这一周期时间，再经换算可得转速。 这两种测速方法各有优缺点， “M”法一般用于高速测量，在转速较低时，测 量误差较大，而且，检测装置对转速分辨能力也变差;而“T”法一般用于低速侧 量，速度越低测量精度越高，但在测量高转速时，误差较大。 从测速设备的工作性质考虑，本设计使用测频法，即“M”法。 2.3 方案原理 在一定测量时间 T 内，测量脉冲发生器(替代输入脉冲)产生的脉冲数 m1，来 测量转速。如图 2-1 所示 图 2-1 “M”法测量转速脉冲 设在时间 T 内，转轴转过的弧度数为 X，则的转速 n 可由下式表示： n=60X/2T (2-1) 转轴转过的弧度数 X，可用下式所示 X=2m1/p (2-2) 将(2-1)式代入(2-2)式，得 转速 n 的表达式为: n=60m1/Tp (2-3) n转速单位: (转/分) T定时时间单位:(秒) 在该方法中，测量精度是由于定时时间 T 和脉冲的不能保证严格同步，以及 在 T 内能否正好测量外部脉冲的完整的周期，可能产生的 1 个脉冲的量化误差。 黄石理工学院毕业设计（论文） 9 因此，为了提高测量精度，T 要有足够长的时间。定时时间可根据测量对象情况 预先设置。设置的时间过长，可以提高精度，但在转速较快的情况下，所计的脉 冲数增大(码盘孔数已定情况下)，限制了转速测量的量程。而设置的时间过短， 测量精度会受到一定的影响。 2.4 转速测量参数及电路参数分析 选定方案中 m1的值为旋转编码器前后两次读数之差，定时时间初步选定为 100ms。 2.4.1MCS-512.4.1MCS-51 的定时器的定时器/ /计数器简介计数器简介 2 个 16 位的定时/计数器，有多种工作方式。 定时/计数器工作在定时模式时，计数脉冲信号来自单片机的内部，计数速率 是晶振频率的 1/12，当计数器启动后，每个机器周期计数器自动加 1。定时/计数 器工作在计数模式时，计数器对外部脉冲进行计数，计数器计 P3.4(T0 脚） P3.5(T1 脚）负每产生一次负跳变，计数器自动加 1。如图 2-2 图 2-2 TMOD 寄存器用于定时/计数的操作方式及工作模式指令格式。 2.4.2 定时器模式选择位 C/T0，定时器模式，每一个机器周期计数器自动加 1。 黄石理工学院毕业设计（论文） 10 C/T1，计数器模式，在单片机 T0 引脚上每发生一次负跳变，计数器自动加 1。 GATE0，定时/计数器工作不受外部控制。 GATE1，定时/计数器 T0 的起停受 INT0 引脚的控制。 1.计算计数初始值 因为系统的晶振频率为 fosc=12MHz，则机器周期 Tm=12/fosc=1s。 设计数初始值为 X： X=216-td/Tm=216-1105/1=15535 则（TH0）=00111100B3CH，（TL0）=10101111B=AFH 2.设置工作方式 方式 0：M1M0=01； 定时器模式：C/T=1； 定时/计数器启动不受外部控制： GATE=0； 因此，（TMOD）=05H。 关于测速电路的参数，本次设计采用了如下方案： AT80C51 单片机属于 CMOS 型 8 位单片机，其在片内的振荡器电路由晶体控制 的单极线性反相器组成，同 HMOS 型所用方法一样，要求用晶体控制的感性阻抗方 波振荡器，但也存在一些差别，其一为 80C51 可在软件的控制下关闭振荡器，其 二为 80C51 的内部时钟电路由 XTAL2 引脚上的信号来驱动。本次设计中的振荡器 可用晶体作为感性电抗与外部电容组成并联共振槽路。晶体的特性与电容值的大 小（C1、C2）并不严格，高质量的晶体对任何频率都可取用 30pF 的电容，对于廉 价应用中，可采用陶瓷共振器，这时 C1、C2 一般取 47pF；这里选取频率 12MHZ 晶振，电容 C1、C2 为 30pF。看门狗电路电路参见图 2-3 黄石理工学院毕业设计（论文） 11 图 2-3 MAX813L 看门狗电路 图中，电阻 R1 和 R2 分压产生 1.25V 电源门限值。当此脚的电压低于 1.25V 时，即电源电压低于额定值时，PFO 将产生一个脉冲信号，可以用于向 CPU 发出 中断申请，使 CPU 完成应急处理。此功能可完成电源电压的监测。 P1.0 喂狗信号，在软件的编制中通过对 P1.0 的位操作向 MAX813L 的看门狗 输入端输入一个负脉冲。如果程序出现“跑飞”现象，程序将不能正常运行，这 个定时发出的脉冲也得不到保障。当单片机超过 1.6 秒未向 MAX813L 的看门狗 输入端发脉冲信号，MAX813L 内部的定时器将会强制将 WDO 拉到低电平，这个 低电平通过 MR 产生复位信号。单片机复位后从初始状态开始运行，从而保证系 统的可靠性，起到了看门狗的作用。 此电路同时兼有上电复位和按键复位功能。 第三章 硬件电路的设计 3.1 单片机的选择 随着大规模集成电路（LSI）制造技术的飞速发展，单片机也随之迅猛发展， 其发展历史大致分为三个阶段： 第一阶段（1976 年1978 年）：初级单片微处理器阶段。以 Intel 公司的 MCS-48 为代表。此系列的单片机具有 8 位 CPU，并行 I/O 端口，8 位时序同步计 数器，寻址范围不大于 4KB，但是没有串行口。 黄石理工学院毕业设计（论文） 12 第二阶段（1978 年现在）：高性能单片机微处理器阶段，如 Intel 公司 MCS-5，Motorola 公司的 6801 和 Zilog 公司的 Z8 等，该类型单片机具有串行 I/O 端口，有多种中断处理系统，16 位时序同步计数器，RAM，ROM 容量加大，寻 址范围可达 64KB，有的芯片甚至还有 A/D 转换接口。由于该系列单片机应用领 域极其广泛，各公司正大力改进其结构与性能。 第三阶段（1982 年现在）：8 位单片机，经处理器改良型及 16 位单片机微 处理器阶段。 在本次设计中，有多种型号的单片机可供选择，具体型号如 89C2051，89C51，89C52，80C51，89S52 单片机都可以较好地完成本次设计的要 求，因此设计者选用了近来应用较为广泛的 80C51 型单片机。 一个单片机应用系统的硬件电路设计应包含有两个部分内容: 第一是系统扩展，即当单片机内部的功能单元，如 ROM、RAM、I/O 口、定 时/计数器、中断系统等容量不能满足应用系统要求时，必须在片外进行扩展，选 择适当的芯片，设计相应的电路。 第二是系统配置，即按照系统功能要求配置外围设备，如键盘、显示器、打 印机、D/A、A/D 转换器等，并设计相应的接口电路。因此，系统的扩展和配置 应遵循下列原则6: 1.尽可能选择典型电路，并符合单片机的常规用法。 2.系统的扩展与外围设备配置应满足系统功能的要求，并留有适当的余量， 以便进行二次开发。 3.硬件结构应与应用软件方案统一考虑，软件能实现的硬件功能尽可能用 软件来实现，但需注意的是软件实现占用 CPU 的时间，而且，响应时间 比硬件长。 4.单片机外接电路较多时，应考虑其驱动能力，减少芯片功耗，降低总线负 载。 根据上述原则，设计系统如图 3-1 所示: 黄石理工学院毕业设计（论文） 13 主程序 初始化，各寄 存器清 0 设定定时器初 值，100ms 读取编码器第 一个读数 读取编码器第 二个读数 将前后两读数相减， 乘系数，计算出转速 值将 2 进制转换为 10 进制 送 LCD 模 块显示 延时 喂狗 定时 100ms 到？ 等待 Y N 结束 图 3-1 单片机系统测量转速原理框图 程序框图如图 3-2 所示： 黄石理工学院毕业设计（论文） 14 图 3-2 程序框图 3.1.1 80C51 的介绍6 80C51 是美国 ATMEL 公司生产的低功耗，高性能 CMOS8 位单片机，片内含 4kbytes 的可系统编程的 Flash 只读程序存储器,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 8051 指令系统及引脚。它集 Flash 程序存储器 既可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用 8 位微处理器于单片芯片中， ATMEL 公司的功能强大，低价位 AT80C51 单片机可为您提供许多高性价比的应用 场合，可灵活应用于各种控制领域。AT80C51 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 IO 口线，看门狗（WDT），两个数据指 针，两个 16 位定时计数器，一个 5 向量两级中断结构，一个全双工串行通信口， 片内振荡器及时钟电路。同时，AT80C51 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。 主要性能参数： 与 MCS-51 产品指令系统完全兼容 4k 字节在系统编程（ISP）Flash 闪速存储器 1000 次擦写周期 4.05.5V 的工作电压范围 黄石理工学院毕业设计（论文） 15 全静态工作模式：0Hz33MHz 三级程序加密锁 1288 字节内部 RAM 32 个可编程 IO 口线 2 个 16 位定时计数器 6 个中断源 全双工串行 UART 通道 低功耗空闲和掉电模式 中断可从空闲模唤醒系统 看门狗（WDT）及双数据指针 掉电标识和快速编程特性 灵活的在系统编程（ISP 字节或页写模式） 图 3-3 80C51 芯片引脚图 Vcc：电源电压 GND：地 P0 口：P0 口是一组 8 位漏极开路型双向 I0 口，也即地址数据总线复 用口。作为输出口用时，每位能驱动 8 个 TTL 逻辑门电路，对端口写“l”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 F1ash 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：Pl 是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 IO 口，Pl 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“l”，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）。 Flash 编程和程序校验期间，Pl 接收低 8 位地址。 表 3-1 P1 口引脚功能表 端口引脚第二功能 P1.5MOSI（用于 ISP 编程） P1.6MISO（用于 ISP 编程） 黄石理工学院毕业设计（论文） 16 P1.7SCK（用于 ISP 编程） P2 口：P2 是一个带有内部上拉电阻的 8 位双向 IO 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 MOVXDPTR 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 MOVXRi 指令）时，P2 口线上的内容（也即特殊功能寄存器（SFR）区中 P2 寄 存器的内容），在整个访问期间不改变。 Flash 编程或校验时，P2 亦接收高位地址和其它控制信号7。 P3 口：P3 口是一组带有内部上拉电阻的 8 位双向 I0 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“l”时，它们 被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。作输入端时，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 I0 口线外，更重要的用途是它的第二功能，如下表 所示： 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。 表 3-2 P3 口引脚功能表 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。WDT 溢出将使该引脚输出高电平，设置 SFR AUXR 的 DISRT0 端口引脚第二功能 P3.0RXD（串行输入口） P3.1TXD（串行输出口） P3.2（外中断 0）0INT P3.3 （外中断 1）1INT P3.4T0（定时计数器 0 外部输入） P3.5T1（定时计数器 1 外部输入） P3.6（外部数据存储器写选通）WR P3.7（外部数据存储器读选通）RD 黄石理工学院毕业设计（论文） 17 位（地址 8EH）可打开或关闭该功能。DISRT0 位缺省为 RESET 输出高电平打开状 态。 ALE：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允PROG 许）输出脉冲用于锁存地址的低 8 位字节。即使不访问外部存储器，ALE 仍以时 钟振荡频率的 16 输出固定的正脉冲信号，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 F1ash 存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。8 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 M0VX 和 M0VC 指令 ALE 才会被激活。 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 无效。 ：程序储存允许（）输出是外部程序存储器的读选通信号，PSENPSEN 当 AT89S51 由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次有PSEN 效，即输出两个脉冲。当访问外部数据存储器，没有两次有效的信号。PSEN EAVPP：外部访问允许。欲使 CPU 仅访问外部程序存储器（地址为 0000HFFFFH），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。 F1ash 存储器编程时，该引脚加上+12V 的编程电压 Vpp。 XTALl：振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。 XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。 3.2 旋转编码器的选择 码盘分为绝对式编码器和增量编码器两种，前者能直接给出与角位置相对应 的数字码；后者利用计算系统将旋转码盘产生的脉冲增量针对某个基准数进行加 减以求得角位移9。 本次设计采用实验室提供的长春三峰 PALD6615-256-C05E 光电轴角编码器。 3.2.1 PALD6615-256-C05E 简介 该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 黄石理工学院毕业设计（论文） 18 组成。光栅面上刻有节距相等的辐射状透光缝隙，相邻两个透光缝隙之间代表一 个增量周期；分别用两个光栅面感光。由于两个光栅面具有 90的相位差，因此 将该输出输入数字加减计算器，就能以分度值来表示角度10。 如图 3-3 所示 图 3-3 PALD6615-256-C05E 旋转编码器外观 表 3-3 机械参数 电源电压 DC（V） 输出形式输出码制放大整形分割数 电压自然二进制码有50.5 电流自然二进制码有 256 表 3-4 机械参数 允许轴负载允许最大机械转数启动力矩（25） 径向轴向 200r/min1.510-2Nm100N10N 表3-5 环境参数 黄石理工学院毕业设计（论文） 19 工作环境储存温度耐振动耐冲击构造防护等级重量 -20+50-30+7030m/ S2 （10200Hz） （X、Y、Z三 个方向各2小 时） 30m/ S2 （X、Y、Z 三个方向 各2次） 防尘IP540.9KG（电 缆除外） 3.2.2 PALD6615-256-C05E 编码器的应用 近十几年来，光电编码器发展为一种成熟的多规格、高性能的系列工业化产 品，在数控机床、机器人、雷达、光电经纬仪、地面指挥仪、高精度闭环调速系 统、伺服系统等诸多领域中得到了广泛的应用 下表为PALD6615-256-C05E编码器的接线表 表3-6 接线表 航空插头脚 位 电缆颜色输出功能备注 1浅蓝色八位2进制码的第1位 最低位单圈基础码（每转脉 冲） 2深蓝色八位2进制码的第1位 3紫色八位2进制码的第1位 4橙色八位2进制码的第1位 5灰色八位2进制码的第1位 6绿色八位2进制码的第1位 7黄色八位2进制码的第1位 8浅紫色八位2进制码的第1位 17红色编码器电源DC5V 18黑色编码器0V 黄石理工学院毕业设计（论文） 20 19白色清0（用于0位设定）外部输入530V正脉 冲 其余脚空脚 第四章 显示部分 在单片机系统中，常用的显示器有：发光二极管显示器，简称 LED；液晶显 示器，简称 LCD；荧光管显示器。 4.1 LED 显示器 LED 电子显示屏是由几万 -几十万个半导体发光二极管像素点均匀排列组 成。利用不同的材料可以制造不同色彩的LED 像素点。目前应用最广的是红 色、绿色、黄色。而蓝色和纯绿色LED 的开发已经达到了实用阶段。 LED 显示屏（LED panel）：LED 就是 light emitting diode，发光二极管 的英文缩写，简称 LED。它是一种通过控制半导体发光二极管的显示方式，用 来显示文字、图形、图像、动画、行情、视频、录像信号等各种信息的显示屏 幕。 LED 显示块是由发光二极管显示字段组成的显示器，有 7 段和“米”字段之 分，这种显示块有共阳极和共阴极两种。 LED 显示器有静态显示和动态显示。但 是，LED 显示位数增多时，静态显示就无法适应。动态显示时，LED 的二极管从导 通到发光要有一定的延时，导通时间太小，发光太弱人眼无法看清，但也不能太 大，因为毕竟要受限于临界闪烁频率，而且此时间越长，占用 CPU 时间也越多， 另外，显示位增多，也将占用大量的 CPU 时间，因此动态实质是以牺牲 CPU 空间 换取时间和能耗减少。 LED 显示屏可以显示变化的数字、文字、图形和图像；不仅可以用于室内环 境还可以用于室外环境，具有投影仪、电视墙、液晶显示屏无法比拟的优点。 黄石理工学院毕业设计（论文） 21 LED 之所以受到广泛重视而得到迅速发展，是与它本身所具有的优点分不开 的。这些优点概括起来是：亮度高、工作电压低、功耗小、小型化、寿命长、耐 冲击和性能稳定。LED 的发展前景极为广阔，目前正朝着更高亮度、更高耐气候 性、更高的发光密度、更高的发光均匀性，可靠性、全色化方向发展。 4.2 LCD 显示器 液晶显示器简称 LCD（Liquid Crystal Diodes）是利用液晶经过处理后能够改变 光线传输方向的特性，达到显示字符或者图形的目的。其特点是体积小、重量轻、 功耗极低、显示内容丰富等特点，在单片机应用系统中有着日益广泛的应用。 4.2.1 LCD 的分类及特点 分类：笔段式和点阵式（可分为字符型和图像型） 。 4.2.2 笔段式 LCD 液晶显示器的驱动 在 LCD 的公共极（一路为背电极）加上恒定的交变方波信号，通过控制段极 的电压变化，在 LCD 两极间产生所需的零电压或二倍幅值的交变电压，以达到 LCD 亮、灭的控制。在笔段式 LCD 的段电极与背电极间施加周期地改变极性的电 压（通常为 4V 或 5V） ，可使该段呈黑色。 4.2.3 LCD 显示模块 LCDM（Liquid Crystal Display Module） 在实际应用中，用户很少直接设计 LCD 显示器驱动接口，一般是直接使用专 用的 LCD 显示驱动器和 LCD 显示模块 LCDM 。 LCDM 是把 LCD 显示屏、背景光源、线路板和驱动集成电路等部件构造成一个 整体，作为一个独立部件使用。其特点是功能较强、易于控制、接口简单，在单 片机系统中应用较多。其内部结构如下页图所示。LCDM 一般带有内部显示 RAM 和 字符发生器，只要输入 ASCII 码就可以进行显示。如图 4-1 图 4-1 LCD 模块外观 黄石理工学院毕业设计（论文） 22 图 4-2 液晶显示器基本结构 液晶显示器 LCD 是一种极低功耗显示器，其应用特别广泛。目前常用的 LCD 是根据液晶的扭曲-向列效应原理制成的。这是一种电场效应，夹在两块导电玻璃 电极之间的液晶经过一定处理后，其内部的分子呈 90的扭曲，这种液晶具有旋 光特性。当线形偏振光通过液晶层时，偏振面回旋转 90。当给玻璃电极加上电 压后，在电场的作用下液晶的扭曲结构消失，其旋光作用也随之消失，偏振光便 可以直接通过。当去掉电场后液晶分子又恢复其扭曲结构。把这样的液晶放在两 个偏振之间，改变偏振片的相对位置就可得到黑底白字或白底黑字的显示形式。 LCD 的响应时间为毫秒级，域值电压为 320V，功耗为 5100mW/cm2. LCD 常采用交流驱动，通常采用异或门把显示控制信号和显示频率信号合并 为交变的驱动信号。当显示控制电极山上波形与公共电极上的方波相位相反时， 则为显示状态。显示控制信号由 C 端输入，高电平为显示状态。显示频率信号是 一个方波。当异或门的 C 端为低电平时，输出端 B 的电位与 A 端相反，LCD 两端 呈现交替变化的电压，LCD 显示。常用的扭曲-向列型 LCD，其驱动电压范围是 36V。由于 LCD 是容性负载，工作频率越高消耗的功率越大。而且显示频率升高， 对比度会变差，当频率升高到临界高频以上时，LCD 就不能显示了，所以 LCD 宜 采用低频工作。 LCD 的驱动方式分为静态和时分割驱动两种。不同的 LCD 显示器要采用不同 的驱动方式。静态驱动方式的 LCD 每个显示器的每个字段都要引出电极，所有显 示器的公共电极连在一起后引出。显然显示位数越多，引出线也越多，相应的驱 动电路也越多，故适用于显示位数较少的场合。时分割驱动方式实际上是用矩阵 驱动法来驱动字符显示。字段引线相当于行引线，公共电极相当于列引线，字符 的每一个字段相当于矩阵的一个点。 分时驱动是常用的时分割驱动方法。分时驱动常采用偏压法。 黄石理工学院毕业设计（论文） 23 4.3 LCD 显示器的驱动接口 驱动接口分为静态驱动和时分割驱动两种接口形式。 静态 LCD 驱动接口的功能是将要显示的数据通过译码器译为显示码，再变为 低频的交变信号，送到 LCD 显示器。译码方式有硬件译码和软件译码两种，硬件 译码采用译码器，软件译码由单片机查表的方法完成。 LCD 显示器采用 4N07。4N07 的工作电压为 36V，阈值电压为 1.5V，工作频 率为 50200Hz，采用静态工作方式，译码驱动器采用 MC14543。MC14543 是带锁 存器的 CMOS 型译码驱动器，可以将输入的 BCD 码数据转换为 7 段显示码输出。驱 动方式由 PH 端控制，在驱动 LCD 时，PH 端输入显示方波信号。LD 是内部锁存器 选通端，LD 为高电平时，允许 AD 端输入 BCD 码数据，LD 为低电平时，锁存输 入数据。BI 端是消隐控制，BI 为高电平时消隐，即输出端 ag 输出信号的相位 与 PH 端相同。 LCD 的时分割驱动接口通常采用专门的集成电路芯片来实现。MC145000 和 MC145001 是较为常用的一种 LCD 专用驱动芯片。MC145000 是主驱动器，MC145001 是从驱动器。主、从驱动器都采用串行数据输入，一片主驱动器可带多片从驱动 器。主驱动器可以驱动 48 个显示字段或点阵，每增加一片从驱动器可以增加驱动 44 个显示字段或点阵。驱动方式采用 1/4 占空系数的 1/3 偏压法。 MC145000 的 B1B4端是 LCD 背电极驱动端，接 LCD 的背电极，即公共电极 COM1COM4。MC145000 的 F1F12和 MC145001 的 F1F11端是正面电极驱动器，接 LCD 的字段控制端。对于 7 段字符 LCD，B1接 a 和 f 字段的背电极，B2接 b 和 g 的 背电极，B3接 e 和 c 的背电极，B4接 d 和 Dp的背电极。F1接 d、e、c、f 和 g 的 正面电极，F2接 a、b、c 和 DP的正面电极。DIN 端是串行数据输入端。DCLK 是移 位时钟输入端。在 DIN 端数据有效期间，DCLK 端的一个负跳变，可以把数据移入 移位寄存器的最高序号位，即 MC145000 的第 48 位或 MC145001 的第 44 位，并且 使移位寄存器原来的数据向低序号移动一位。MC145000 的最低位移入 MC145001 的最高位。串行数据由单片机 80C31 的 P3.0 端送出。首先送出 MC145001 的第一 位数据，最后送出 MC145000 的第 48 位数据。数据“1”使对应的字段显示， “0” 为不显示。MC145000 内部显示寄存器各位与显示矩阵的对应关系如表 4-10 所示。 MC145001 与 MC145000 的区别只是少了 F12端对应的一列，其它对应关系都一样。 黄石理工学院毕业设计（论文） 24 MC145000 带有系统时钟电路，在 OSC IN 和 OSC OUT 之间接一个电阻即可产 生 LCD 显示所需要的时钟信号。这个时钟信号由 OSC OUT 端输出，接到个片 MC145001 的 OSC IN 端。时钟频