单片机的薄膜谐振式水位传感器的高度测量用频率计的设计与制作

摘 要本文介绍了一种以单片机(AT89C51)为核心与薄膜谐振式水位传感器配套使用的液位高度测量用频率计的设计与制作。还介绍了谐振式水位传感器的新型传感原理,传感器的结构,数字振荡电路的特点，阐述了水位与频率的对应关系。薄膜谐振式水位传感器内置三点式水位传感器振荡电路，该振荡电路的固有频率随水位的变化而变化，通过检测该振荡电路的固有频率来判定水位的高低。该频率计直接利用单片机内部的计数器对薄膜谐振式水位传感器的频率脉冲信号进行计数，然后利用单片机的定时功能实现对频率的检测，最后通过 LED 动态显示电路显示数值。在设计中应用了单片机的运算和控制功能，满足测量的精度要求，该频率测量仪器测量误差小于10Hz 测频性能稳定可靠，可单独使用，也可方便嵌入系统中。该频率计具有结构简单、价格低、精度高、操作简单、并且降低产品的成本,有利于新产品的设计与研制、等特点。随着单片机应用技术的发展，越来越多的测量仪器都采用单片机作为系统进行设计，应用单片机进行系统设计时系统结构简单、控制方便、硬件设计需要外围器件较少，软件设计可采用汇编语言编程，汇编语言具有编程方便、运算效率高、占用内存少等优点。关键词： 液位检测；频率测量；传感器；单片机AbstractThis paper presents the design and fabrication of a Microprocessor (AT89C51)based film resonant with the water level sensor supporting the use of the liquid level measurement frequencymeter.The principle of new resonator water level sensor is mainly introduced.The internal structure of this Sensor and the characteristic of numeral oscillation circuit are analyze dindetails.There ationship between frequently and water level is expounded.Films resonant water level sensor built-in three-point level sensor oscillation circuit.The oscillator circuit changed with the natural frequency of the water level. By detecting the oscillation circuit natural frequency to determine the level of water. The frequencymeter use the Microprocessor internal counter to counting the film resonant frequency of the water level sensor pulse,then Microprocessor regular function to achieve frequency testing, final adoption of LED display circuit dynamic numerical show.Application of the design of the 89C51 operation and control functions，Meet the required precision measurement，The error of the frequency measurement instrument is less than 10Hz，Performance measurement frequency stability and reliability,Also it can be used alone, and easily embedded in the system. The frequency- meter also has a simple structure, low cost, high accuracy and simple operation,reduce the cost of the product and facilitate the design and development of new product and so on. With the development of the Microprocessor technology, a growing number of measuring instruments are used as a single chip computer system design. Microprocessor system design is simple, easy to control, hardware design requires fewer external components, Software Design use assembly language programming, because assembly language with high computational efficiency and low memory consume.Keywords: Water Level Measurement； Frequency Measurement； Sensors；MicroprocessorI目 录1 绪论. .11.1 选题的目的及意义 .11.2 频率测量仪器的现状及发展 .11.3 频率计的设计内容及要求 .22 薄膜谐振式水位传感器应用.32.1 薄膜谐振式水位传感器概述 .32.1.1 薄膜谐振式水位传感器的结构 .32.1.2 水位传感器的工作原理 .32.2 薄膜谐振式水位传感器的功能简介 .42.2.1 水位检 测 .42.2.2 水位与频率关系的对 应 .43 频率计总体方案设计.63.1 方案论证与比较 .63.1.1 方案一 .63.1.2 方案二 .73.2 方案选择 .74 频率计硬件分析与设计.84.1 频率计系统的组成与基本工作原理 .84.1.1 系统组成 .84.1.2 系统设计原理 .84.1.3 测频原理 .94.2 AT89C51 单片机在本系统中的应用 .94.2.1 AT89C51 简介 .94.2.2 AT89C51 器件的基本结构 .114.2.3 AT89C51 的定时器/计数器 .134.2.4 AT89C51 外围电路设计 .144.3 地址锁存器 74LS373 介绍 .144.4 八路反相缓冲器 74LS240 应用 .154.5 显示电路 .164.5.1 显示电路设计 .164.5.2 单片机驱动数码管原理 .174.6 硬件总电路图 .175 软件设计.18II5.1 主程序设计 .185.2 中断服务子程序设计 .195.3 显示子程序设计 .206 运行与调试.216.1 硬件调试 .216.2 软件程序调试 .226.2.1 MedWin 仿真软件简介 .226.2.2 汇编语言程序的仿真调试 .226.3 系统联调 .237 结论与展望.257.1 结论 .257.2 展望 .25谢辞.26参考文献.27附录 1.28程序清单 .28附录 2.33硬件总电路图 .3311 绪论1.1 选题的目的及意义频率测量仪器在生产和科研的各个部门都有使用，也是某些大型系统的重要组成部分；利用单片机的定时计数功能设计的信号频率测量仪，可单独使用，也可方便嵌入系统中。实现频率测量有专用的频率测量仪器，但不易用于特殊场合。本文介绍了一种以单片机为核心构成的与薄膜谐振式水位传感器配套使用的专用频率计。该频率计直接用单片机的计数器对薄膜谐振式水位传感器的频率脉冲计数，然后利用单片机的定时功能，从而实现频率的检测。在一些特殊场合只需要用到一般测量用频率计就可以，但市场上出售的大多都是多功能频率计，且价格较高，使用起来成本较高。为此，需要设计用于固定场合的专用频率计。本设计介绍一种与薄膜谐振式水位传感器配套使用的频率计。利用薄膜谐振式水位传感器来检测容器内液位高度是一般液位高度检测方法之一。目前，在全自动洗衣机中多使用薄膜谐振式水位传感器来检测桶内的水位，薄膜谐振式水位传感器内置三点式水位传感器振荡电路，该振荡电路的固有频率随水位的变化而变化，通过检测该振荡电路的频率来判定水位的高低 。该频率计根据频率计的基8本原理，本文设计方案的基本思想是一种基于单片机 AT89C51 制作的频率计的设计方法，用汇编语言对单片机编程，实现了闸门控制信号、计数电路、锁存电路、位选电路、段选电路、显示电路等。测频一直以来都是电子和通讯系统工作的重要手段之一，高精度的频率测量仪和频率发生器有着广泛的市场前景。传统的频率测量仪器都是采用的是在低频段采用测周法，再高频段采用测频法，其精度往往会随着被测频率的下降而下降。频率信号抗干扰性强，易于传输，可以达到较高确度的测量,所以在测控系统中，测频方法的研究越来越受到重视。多种非频率量的传感信号要转化为频率量进行测量。由于单片机内部含有稳定度较高的频率源、定时/计数器等硬件，能很方便的对外部信号或标准信号进行计数，并且可以进行计数的逻辑控制以及数据存储运算等，使得基于单片机的频率测量系统可以具有更小的体积、更实用的功能及更便宜的价格。1.2 频率测量仪器的现状及发展随着电子技术的不断发展，单片机应用技术正在逐渐向工业控制和测量仪器仪表系统设计领域渗透，在现代化的工业生产、科学研究等领域中，频率的测量是很普遍的。由于单片机内部含有稳定度较高的标准频率源、定时/计数器等硬件,能很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以及数西南石油大学本科毕业设计（论文）2据存储运算等, 使得基于单片机的频率测量系统可以具有更小的体积、更实用的功能及更便宜的价格。频率的测量通常有两种方法:测频法和测周法。由于量化误差的影响,测频法在高频测量时准确度较高，测周法在低频测时准确度较高,但无论是精确测频法还是测周法，量化误差都将在中界频率附近产生较大的误差。频率计是一种基础测量仪器，到目前为止已有 30 多年的发展史。早期，设计者们追求的目标主要是扩展测量范围，再加上提高测量精度、稳定度等，这些也是人们衡量频率测量仪的技术水平，决定频率计价格高低的主要依据。目前这些基本技术日臻完善，成熟。应用现代技术可以轻松地将频率计的测频上限扩展到微波频段。目前，频率测量仪器正向一个宽频域、高精度的频率计方向发展，在高频段采用直接测频法，而在低频段采用测周期法，结合高精度恒误差的原理，设计出测量精度与被测频率无关的频率计随着科学技术的发展，用户对频率计也提出了新的要求。对于低档产品要求使用操作方便，量程（足够）宽，可靠性高，价格低。而对于中高档产品， 则要求有高分辨率，高精度，高稳定度，高测量速率；除通常通用频率计所具有的功能外，还应具有数据处理功能等。由于微电子技术和计算机技术的发展，微波频率计都在不断地进步着，灵敏度不断提高，频率范围不断扩大，功能不断地增加。一些计数器可以测量脉冲参数，并提供类似于频率分析仪的屏幕显示；对这些具有不同功能不同规格的众多仪器，我们应该视测试需要正确地选择，以达到最经济和最佳的应用效果。1.3 频率计的设计内容及要求本频率计的设计是基于单片机 AT89C51 的和薄膜谐振式水位传感器配套使用的用于液位测量的频率测量仪，这就要求设计者在充分了解薄膜谐振式水位传感器特性的基础上进行系统的设计。设计内容主要包括单片机外围电路、锁存电路、位选电路、段选电路、显示电路等。频率测量是电子测量的重要领域。近几年来的科学技术发展要求频率标准具有更高的准确度和稳定性。频率测量的突出地位使得这方面的测量工作也显得格外重要。针对频率测量仪器领域内的发展现状，对频率计设计有如下要求：1. 要求该频率计的频率测量范围在 1Hz 60KHz。2. 测量信号为脉冲信号，幅度为 5V。3. 测量误差要求小于10Hz,测频性能稳定可靠。32 薄膜谐振式水位传感器应用水位传感器是将水位数据转换成电讯号再进行传送的关键设备，目前水位传感器的主要类型有浮子式、超声波式、压阻式、感应式、谐振式等。各种传感器有不同的使用条件和范围，传感器选择恰当与否直接影响到整个水位观测系统的可靠性及精度，特别是在一些自然条件和管理要求较为复杂的灌区应进行充分比较、论证、最终选取适用的传感器。目前，薄膜谐振式水位传感器大多应用在节水设备上用于水位检测与控制，还用于全自动洗衣机的水位控制部分。2.1 薄膜谐振式水位传感器概述2.1.1 薄膜谐振式水位传感器的结构谐振式水位传感器采用新型的传感原理，把水位的高低通过水位传感器直接变成水位与频率的对应关系。该传感器内置三点式水位传感器振荡电路，该振荡电路的固有频率随水位的变化而变化，通过检测该振荡电路的频率来判定水位的高低。水位传感器的结构 如图 2-1 所示：图 2-1 水位传感器的结构原理图2.1.2 水位传感器的工作原理图中水桶的水位 H 转换为导管口中的气压，通过引入嘴进入传感器气室，气室上面式封闭的，与水位 H 成正比的气压，被传到薄膜上，导板嵌装在隔膜上，当水位H 上升时，气压增大，导板向上移动，当水位下降时，气压降低，在弹簧的作用下，导板向下移动，导板中心有导向轴，受外壳的支撑点限位，使导板上下平行移动，不致偏移。导板上有固定支架，装有磁性元件，在导管气压的作用下导板上下平行移动时，带动磁性元件使其与线圈之间的相对位置发生变化，因此线圈的电感量发生变化。该电感与电容组成三点式振荡电路，该振荡电路的固有频率随水位的变化西南石油大学本科毕业设计（论文）4而变化，通过检测该振荡电路的频率来判定水位的高低 。92.2 薄膜谐振式水位传感器的功能简介2.2.1 水位检测谐振式水位传感器是利用电磁谐振电路 LC 作为传感器的敏感元件, 将被测物体的变化转变为 LC 参数的变化, 最终以频率参数输出。其工作原理是: 将水位的高低通过导管转换成一个测试内腔气体变化的压力, 驱动内腔上方的一块隔膜移动, 带动隔膜中心的磁芯在某线圈内移动, 从而线圈电感发生变化。由此引起谐振电路的固有频率随水位变化。水位测量电路如图 2-2 所示, 为便于与单片机接口, 水位传感器采用数字振荡电路, 电感与电容组成的三点式振荡电路经 耦合接入数字2C式谐振放大器 , 随着水位变化, 谐振频率作相应变化, 经 整形后输出, 此时1A A即可将数字量接到单片机。LA1 A2R2C1C3R3R1C2图2-2 水位传感器测量电路2.2.2 水位与频率关系的对应由于桶内所形成的压力远小于大气压，因此，由此引起检测内腔的空气体积变化很小，既气腔内外的压差为（2-1） HP式中 为水的密度， H 为水的高度。压差 作用于薄膜上， 驱动磁芯位移 X ， 磁芯同时受到弹簧的反作用力，P压差形成的驱动力为：= p S （2-2）1F式中 S 为薄膜的有效面积。弹簧的反作用力为：= K X （2-3）2式中 K 为弹性系数。当 = 时位移停止，由 H S = KX 得：1 5X = S/KH = A H （2-4）由此可见 ,水位H与位移 X 成线性关系，磁芯在线圈中位移 X ，将引起电感量的变化， 已知磁芯与线圈如图2-3 所示。图2-3 磁心与线圈的位移电感L 由下式决定，（2-5）220 /)1( arXRaLa式中 N 为线圈匝数； 为空气导磁率( =4 H/ m)； 为磁芯导磁率；07aR 为线圈平均半径； 为磁芯有效半径； a 为线圈长度。该线圈电感与电容器 ar 1C、 组成三点式振荡电路，取 = = C ,其振荡频率为2C12= (1/ 2) （2-6）fL把式2-4和式2-5 代入式2-6，令2 C = W ，则( a/) N = m ， a 0W = n ， ( - 1) A = u ，则2Raar9（2-7）Hnmf 西南石油大学本科毕业设计（论文）63 频率计总体方案设计频率计的的设计方案有很多，这里主要介绍了基于单片机的频率计的设计和利用中小规模的集成电路设计的频率计。3.1 方案论证与比较3.1.1 方案一此方案采用中小规模的数字电路构成频率计，用计数器构成主要的测量器件，用定时器构成主要的控制模块及时标。外围芯片过多，频带太窄，系统实现起来比较复杂，功能不强。频率的定义是单位时间（1s）内周期信号的变化次数。若在一定时间间隔 T 内测得周期信号的重复变化次数为 N，则其频率为f=N/T （3.1）据此，设计方案框图如图 3-1 所示。图 3-1 方案一设计框图其基本原理是，被测信号 ux首先经整形电路变成计数器所要求的脉冲信号，频率与被测信号的频率 fx相同。时钟电路产生时间基准信号，分频后控制计数与保持状态。当其高电平时，计数器计数；低电平时，计数器处于保持状态，数据送入锁存器进行锁存显示。然后对计数器清零，准备下一次计数。延迟反相器单稳触发器T 触发器量程选择分频器时钟显示传感器信号 计数器 锁存器73.1.2 方案二利用单片机（AT89C51）构成主要的控制和测量模块，其内部的计数器对其计数，设定单片机定时器定时时间 1s，通过软件使计数器和定时器的开启和关闭，到达定时时间的脉冲个数即为被测信号的频率。该方案的硬件电路如图 3-2 所示，该电路由单片机 AT89C51,8 位地址锁存器74LS373 及显示电路等组成。图 3-2 方案二设计框图其基本原理是，薄膜谐振式水位传感器的输出信号直接输入给单片机的 T1口,利用单片机内部的计数器对其计数，对脉冲个数进行计数。设定单片机定时器定时时间 1s，通过软件使计数器和定时器的开启和关闭，到达定时时间的脉冲个数即为被测信号的频率，并用 LED 动态显示电路显示出测量频率。3.2 方案选择综合比较两种方案，由于方案一由于用中小规模集成电路来实现，测量精度不高，外围芯片过多，频带太窄，系统实现起来比较复杂，功能不强。方案二测量方法简单，采用单片机的算术运算和控制功能，保证了系统的测量精度，功能较强，具有智能性,LED 数字显示电路能够实时的显示测量结果。因此，采用方案二来实现。复位电路晶振传感器信号锁存器单片机显 示西南石油大学本科毕业设计（论文）84 频率计硬件分析与设计根据数字频率计的基本原理，本设计方案的基本思想是分为三个模块来实现其功能，即整个频率计系统分为单片机计数定时模块、锁存器模块和显示模块等几个单元，并且分别用汇编语言对其进行编程，实现了闸门控制信号、计数电路、锁存电路、显示电路等。4.1 频率计系统的组成与基本工作原理4.1.1 系统组成所设计的频率计的测量范围为 1Hz 到 65kHz，采用 5 位频率值显示。频率计硬件由 AT89C51 芯片、8 位地址锁存器 74LS373、八反相三态缓冲器 74LS240、LED显示电路和系统软件所组成。系统硬件框图如图 4-1 所示。图 4-1 系统硬件框图4.1.2 系统设计原理利用单片机（AT89C51）构成主要的控制和测量模块，将传感器输入到单片机的频率信号( 脉冲信号) 利用其内部的计数器对其计数，设定单片机定时器定时时间1s，通过软件使计数器和定时器的开启和关闭，到达定时时间的脉冲个数即为被测信号的频率，并用 LED 动态显示电路显示出测量频率。该系统以单片机的指令周期作为时标，具有足够的精度，电路实现简单，功能较强，具有智能性。单片机利用定时器 T0 通过其控制功能测出输入信号的周期。然后利用单片机的算术运算功能将周期转换成频率。频率值得出后，为方便计算要显示频率值的段码再将其转换成压缩的 BCD 码, 通过查表将要显示频率值的每一位的压缩 BCD 码转换成 8 段码送到显示缓冲区。最后,送至 LED 显示模块显示出所测的频率。复位电路 RSTAT89C51P3.5时钟产生电路水位传感器锁存器反相器共阳极LED74LS373 74LS24094.1.3 测频原理目前频率测量主要有 3 种实现方法。(1)直接测频法。直接测频法是把被测频率信号经脉冲形成电路后加到闸门的一个输入端，只有在闸门开通时间 t 内，被计数的脉冲才被送到十进制计数器进行计数，设计数器的值为 N。由频率定义式可以计算得到被测信号频率 f=N/t。该测量在低频段的相对测量误差较大。增大 t 可以提高测量精度，但在低频段效果不理想。(2)组合法。组合测频法是指在低频时采用直接测量周期法测信号周期，然后换算成频率。这种方法可以在一定程度上弥补上述方法的不足,但是难以确定最佳分测点,且电路实现复杂。(3)倍频法。直接测频法在高频段有很高的精度。可以把频率测量范围分成多个频段，使用倍频技术，根据频段设置倍频系数将经整形后的低频信号进行倍频后再进行测量，高频段则进行直接测量 。6脉冲信号的频率就是在单位时间内所产生的脉冲个数，其表达式为 f=N/T，其中 f被测信号的频率，N计数器单位时间所累计的脉冲个数；T单位时间。如在 1s 中记录 1000 个脉冲，则被测信号的频率为 1000HZ。晶振产生的标准频率，经单片机电路分频后可获取各种时基信号（1ms、10ms、0.1s、1s） 。水位传感器的频率信号直接加到单片机的主控门 T1 计数端。只有在闸门时间采样期内（时基信号的一个周期） ，输入信号才通过主控门。若时基信号的周期为 T，进入计数器的脉冲个数为 N,则被测信号的频率 f=N/T,改变时基信号的周期 T,即可得到不同的测频范围。当主控门关闭时，经延时整形电路的延时后，延时电路输出一个复位信号，使计数器和所有的触发器置 0，为后续新的一次采样做好准备，即能锁住一次显示的时间，直到接受到新的一次采样为止。显示方式采用七段 LED 数码管显示读出，做到显示稳定、不跳变。4.2 AT89C51 单片机在本系统中的应用4.2.1 AT89C51 简介T89C51 是美国 ATMEL 公司生产的低电压，高性能 CMOS 8 位单片机，片内含4K 的 可反复檫些的只读程序存储器和 128 字节的随机 2 数据存储器，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 MCS-51 指令系统，片内置通用 8 位中央处理器（CPU）和 Flash 存储单元，功能强大，可灵活应用于各种控制领域。西南石油大学本科毕业设计（论文）101. 主要性能参数 与 MCS-51 产品指令系统完全兼容； 4K 字节可重檫写 Flash 闪速存储器； 1000 次檫写周期； 全静态操作：0HZ24MHZ ； 三级加密程序存储器； 128*8 字节内部 RAM； 32 个可编程 I/O 口线； 2 个 16 位定时/计数器； 6 个中断源； 可编程串行 UART 通道； 低功耗空闲和掉电模式。 2. 引脚说明 图 4-2 AT89C51 引脚图图 4-2 是 AT89C51 的引脚图，引脚说明如下： VCC AT89C51 电源正极输入，接+5V 电压。 GND 电源接地端。 XTAL1 接外部晶振的一个引脚。在单片机内部，它是一反相放大器输入端，这个放大器构成了片内振荡器。它采用外部振荡器时，一些引脚应接地。 XTAL2 接外部晶振的一个引脚。在片内接至振荡器的反相放大器输出端和内部时钟发生器输入端。当采用外部振荡器时，则此引脚接外部振荡信号的输入。 RST AT89C51 的复位信号输入引脚，高电位工作，当要对芯片又时，只要将此引脚电位提升到高电位，并持续两个机器周期以上的时间，AT89C51 便能完成系统复位的各项工作，使得内部特殊功能寄存器的内容均被设成已知状态。 ALE/PROG ALE 是英文ADDRESS LATCH ENABLE的缩写，表示允许地址锁存允许信号。当访问外部存储器时，ALE 信号负跳变来触发外部的8 位锁存器 (如74LS373)，将端口P0 的地址总线(A0-A7)锁存进入锁存器中。在非访问外部存储器期间，ALE 引脚的输出频率是系统工作频率的 1/6，因此可以用来驱动其他外围芯片的时钟输入。当问外部存储器期间，将以1/12 振荡频率输出。 EA/VPP 该引脚为低电平时，则读取外部的程序代码 (存于外部EPROM 中)来执行程序。因此在8031 中，EA 引脚必须接低电位，因为其内部无程序存储器空间。如果是使用AT89C51或其它内部有程序空间的单片机时，此引脚接成高电平使程序运行时访问内部程序存储器，当程序指针PC 值超过片内程序存储器地址(如8051/8751/89C51 的PC 超过0FFFH)时，将自动转向外部程序存储器继续运行。此外，89C51 内部FALSH 时，可以利用此引脚来输入提供编程电压。 PSEN 此为Program Store Enable的缩写。访问外部程序存储器选通信号，低电平P1.12 P1.01P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78RST9P3.010P3.111P3.212P3.313P3.414P3.515P3.616P3.717XTAL218XTAL119GND20p2.0 21p2.1 22p2.2 23p2.3 24p2.4 25p2.5 26p2.6 27p2.7 28PSEN 29ALE 30EA 31P0.7 32P0.6 33P0.5 34P0.4 35P0.3 36P0.2 37P0.1 38P0.0 39vcc 40AT89C51*11有效。在访问外部程序存储器读取指令码时，每个机器周期产生二次PSEN 信号。在执行片内程序存储器指令时，不产生PSEN 信号，在访问外部数据时，亦不产生PSEN 信号。 P0 P0 口(P0.0P0.7)是一个8 位漏极开路双向输入输出端口，当访问外部数据时，它是地址总线（低8 位）和数据总线复用。外部不扩展而单片应用时，则作一般双向IO 口用。P0 口每一个引脚可以推动8 个LSTTL 负载。 P2 P2 口(P2.0P2.7)口是具有内部提升电路的双向I/0 端口(准双向并行I/O 口)，当访问外部程序存储器时，它是高8 位地址。外部不扩展而单片应用时，则作一般双向IO 口用。每一个引脚可以推动4 个LSTL 负载。 P1 P1 口(P1.0P1.7)口是具有内部提升电路的双向I/0 端口(准双向并行I/O 口)，其输出可以推动4 个LSTTL 负载。仅供用户作为输入输出用的端口。 P3 P3 口(P3.0P3.7)口是具有内部提升电路的双向I/0 端口(准双向并行I/O 口)，它还提供特殊功能，包括串行通信、外部中断控制、计时计数控制及外部随机存储器内容的读取或写入控制等功能。其特殊功能引脚分配如下：P3.0 RXD 串行通信输入；P3.1 TXD 串行通信输出；P3.2 INT0 外部中断0 输入，低电平有效；P3.3 INT1 外部中断1 输入，低电平有效；P3.4 T0 计数器0 外部事件计数输入端；P3.5 T1 计数器1 外部事件计数输入端；P3.6 WR 外部随机存储器的写选通，低电平有效；P3.7 RD 外部随机存储器的读选通，低电平有效。4.2.2 AT89C51 器件的基本结构1. AT89C51 各中断源向量地址如表4-1 所示：表4-1 各中断源向量地址中断源 向量地址外部中断0（INT0）(IE0) 0003H定时/计数器0（TF0） 000BH外部中断1（INT1）(IE1) 0013H定时/计数器1（TF1） 001BH串行通讯（RI+TI） 0023H西南石油大学本科毕业设计（论文）122. 主要特殊功能寄存器说明 IE 中断允许寄存器。其格式如表4-2所示：表4-2 中断允许寄存器格式位地址 AF - AD AC AB AA A9 A8符号 EA - ET2 ES ET1 EX1 ET0 EX0EA0 时，所有中断停用（禁止中断）。EA1 时，各中断的产生由个别的允许位决定。ET1（IE.3） ：允许计时器1 中断（ET11 允许，ET10 禁止）。EX1（IE.2） ：允许外部中断INT1 的中断（EX11 允许，EX10 禁止）。ET0（IE.1） ：允许计时器0 中断（ET01 允许，ET00 禁止）。EX0（IE.0） ：允许外部中断INT0 的中断（EX01 允许，EX00 禁止）。 TMOD 定时计数器工作方式控制寄存器，其格式如表4-3所示：表4-3 定时计数器工作方式控制寄存器格式符号 GATE C/T M1 M0 GATE C/T M1 M0类别 定时计数器1 定时计数器0GATE ：当GATE1 时，INT0 或INT1 引脚且为高电平，同时TCON 中的TR0或TR1 控制位如为1 时，定时计数器0 或1 才会工作。 若GATE0，同时只要TCON 中的TR0 或TR1 控制位如为1 时，定时计数器0 或1 即可工作。CT ：选择定时或计数器模式。当CT1 为计数器，由外部引脚T0 或T1 输计数脉冲。CT0 时为计时器，由内部系统时钟提供计时工作脉冲。M1 ：方式选择位1。M0 ：方式选择位0。M1、M2 的操作方式选择定义如表4-4所示：表4-4 定时计数器工作方式选择M1 M0 操作方式 功能说明0 0 方式0 13位定时/计数器0 1 方式1 16位定时/计数器1 0 方式2 自动再装入8位定时/计数器1 1 方式3 定时/计数器1无效将定时计数器0分成两个8位计数器13 TCON 定时计数器工作方式控制寄存器,其格式如表4-5所示：表4-5 定时计数器工作方式控制寄存器格式TF1 ：计时器 1 溢出标志，当计时溢出时，由硬件设定为1，在执行相对的中断服务程序后则自动清0。TR1 ：计时器1 启动控制位，可以由软件来设定或清除。TR1 时启动计时器工作，TRl=0 时关闭。TF0 ：计时器0 溢出标志，当计时溢出时，由硬件设定为1，在执行相对的中断服务程序后则自动清0。TR0 ：计时器0 启动控制位，可以由软件来设定或清除。TR0=1 时，启动计时器工作，TR0=时关闭。IE1 ：外部中断1 工作标志，当外部中断被检查出来时，硬件自动设定此位，在执行中断服务程序后，则清0。IT1 ：外部中断1 工作形式选择，IT1=1 时，由下降缘产生外部中断，IT1=0 时，则为低电位产生中断。IE0 ：外部中断0 工作标志，当外部中断被检查出来时，硬件自动设定此位，在执行中断服务程序后，则清0。IT0 ：外部中断0 工作形式选择，IT1=1 时，由下降缘产生外部中断，IT1=0 时，则为低电位产生中断。3. 定时器初值计算定时器初值的计算公式：TcM（TT计数）其中Tc 为初值，M 为计数器模值，T 定时器定时时间，T为fosc/12。定时器各工作方式的定时时间如表 4-5所示:表4-5 定时器各工作方式的定时时间工作方式 M模值 T计数 最大定时时间方式0 132fosc/12132方式1 6 fosc/126方式2 8 fosc/128方式3 2fosc/12fosc/122位地址 8FH 8EH 8DH 8CH 8BH 8AH 89H 88H符号 TF1 TR1 TF0 TR0 IE1 IT1 IE0 IT0西南石油大学本科毕业设计（论文）144.2.3 AT89C51 的定时器/ 计数器 定时功能 选择定时功能时，计数输入信号是内部的时钟脉冲，每个机器周期使寄存器的值加 1，所以，计数频率是振荡频率的 1/12。例如，采用 12MHz 的晶振，则计数脉冲频率为 1MHz.，此时 C/ =0。T 计数功能 选择计数功能时，计数脉冲来自外部输入引脚， 为 P3.4, 为0T1P3.5。当输入信号由 10 的跳变时，计数寄存器（TH0、TL0 或 TH1、TL1）的值增 1.此时 C/ =1。定时器/计数器方式 1 逻辑结构如图 4-4 所示：T图 4-4 定时器/计数器方式 1 逻辑结构4.2.4 AT89C51 外围电路设计晶振电路：晶振输入选择 12MHZ 的立式晶振，谐振电容 C1、C2 选择 30PF，电路如图 4-5 所示：复位电路设计：复位电路采用上电自动复位，基本功能就是在系统上电时提供复位信号，高电平复位，直至系统稳定后，撤销复位信号。电路如图 4-6 所示：图 4-5 晶振电路 图 4-6 复位电路4.3 地址锁存器 74LS373 介绍74LS373 是一种 8D 锁存器，具有三态驱动输出，其逻辑电路及引脚图如图 4-7所示，从图可见，该锁存器由 8 个 D 门组成，有 8 个输入端 1D8D，8 个输出端151Q8Q，2 个控制端G 和 OE，使能端 G 有效时，将 D 端数据打入锁存器中 D 门，当输出允许端 OE 有效时，将锁存器中锁存的数据送到输出端 Q。图 4-8 所示74LS373 真值表。图 4-7 74LS373 内部结构及其引脚图使能 G 输出允许 OE 输入 D 输出 QHHLXLLLHLHXXLHQ0Z图 4-8 74LS373 真值表当使能端 G 为高电平时，同时输出允许端 OE 为低电平，则输出 Q=输入 D；当使能端 G 为低电平，而输出允许端 OE 也为低电平时，则输出 Q=QO（原状态，即使能端 G 由高电平变为低电平前，输出端 Q 的状态，这就是“锁存”的意义） 。当输出允许端 OE 为高电平时，不论使能端 G 为何值，输出端 Q 总为高阻态。74LS373 锁存器主要用于锁存地址信息、数据信息以及 DMA 页面地址信息等4 .4 八路反相缓冲器 74LS240 应用由于本设计显示电路采用的是 5 位共阳极数码管显示，段码是低电平有效，这里选用 74LS240 对段码进行取反。八路反相缓冲器，G1 和 G2 接低低电平，反相有效。其内部结构和引脚如图 4-9 所示。图 4-10 是 74LS240 的真值表。图 4-9 74LS240 内部结构和引脚图西南石油大学本科毕业设计（论文）16图 4-10 74LS240 真值表4.5 显示电路4.5.1 显示电路设计 该显示电路共显示 5 位数字,采用动态显示方式.将所有位段选线并联在一起由P2 口控制,而共阳极的公共端分别由 P1 口的 P1.0P1.4 线控制,实现各位的分时选通.由于 5 位段选线都是由 P2 口控制的 ,为使每位显示不同的数字,故采用只使某一位显示数字的方法.在某瞬间,段选控制 P2 口输出相应数字段选码,而位选则控制 P1 口在该显示位送入选通电平(LED 为共阳极), 以保证该位显示相应数字,如此轮流,使每位分时显示该位相应的数字.段选码、位选码每送入一次后延时 1ms,利用视觉暂留的原理,造成连续显示的效果。电路如图 4-11 所示：abfcgdeVCC1234567abcdefg8 dp dp9DS?AMBERCAabfcgdeVCC1234567abcdefg8 dp dp9DS?AMBERCAabfcgdeVCC1234567abcdefg8 dp dp9DS?AMBERCAabfcgdeVCC1234567abcdefg8 dp dp9DS?AMBERCAabfcgdeVCC1234567abcdefg8 dp dp9DS?AMBERCAR?1K R?1K R?1K R?1K