包装生产线自动计数系统设计

1、 包装生产线自动计数系统设计 学生姓名学生姓名xxxxxx 院系名称院系名称工工 学学 院院 专业专业名称名称电气工程及其自动化电气工程及其自动化 班班 级级 学学 号号xxxxxxxxxxxxxxxxxx 指指导导教教师师xxxx 完成完成时间时间 i 包装生产线自动计数系统设计 摘要：在经济飞速发展的今天，各企业都在运用高新技术武装自己。越来越多的产 品装配线上及公共场所都采用以单片机为核心的计数系统。 本次设计的自动计数系统以 at89c51 单片机为核心，利用光电传感器作为检测装置， 用 led 数码管作为人机交互的界面。当流水线上有物体通过时，光电传感器检测到有外部 信号，由高电平状

2、态变为低电平状态，产生信号，将光电传感器的输出端与单片机 i/o 连 接，通过软件程序设置单片机内部寄存器，当传感器的高低脉冲被单片机接受到时，单片 机产生中断，并进入中断服务程序，通过设置中断服务程序，进行计数。通过 p0、p1、p2 分别接到数码管上，由数码管来显示其个数。当需要置为时按下复位开关，则计数器清零， 重新开始计数。通过仿真，系统能稳定计数，确保其实用性。 关键词：自动计数系统； 光电传感器；at89c51 单片机； led 数码管； ii design of automatic counting system for packaging production line abs

3、tract in todays rapid economic development, various enterprises are using high and new technology. more and more products on an assembly line and public places in counting system based on single chip microcomputer as the core. the design of automatic counting system uses at89c51 single-chip microcom

4、puter as the core, the use of photoelectric sensor as the detector, with led digital tube as human-computer interaction interface. when assembly line have objects through photoelectric sensors to detect the external signal, from high level to low level state, the signal, the output of the photoelect

5、ric sensor and mcu i/o connection, through the software program set mcu internal register, when accepted by single chip microcomputer and sensor of pulse, scm interrupt, and into the interrupt service routine, by setting the interrupt service routine, to count. by p0, p1 and p2 respectively to the d

6、igital tube, digital tube to display the number. when you need to buy too to press the reset switch, the counter is reset, start counting again. through simulation, can make the system stable counting, ensure its practicality. key words: automatic counting system; photoelectric sensor; led digital t

7、ube; at89c51 iii 目 录 摘要.i abstract.ii 1、绪论.1 1.1 研究背景 .1 1.2 包装生产线自动计数系统国内外发展现状 .1 1.3 本文的主要工作 .2 2. 系统的组成及工作原理.2 2.1 方案的选取 .3 2.2 系统的组成 .4 2.3 系统的工作原理 .4 2.4 总体设计方案 .5 3. 硬件电路设计.6 3.1 红外线检测模块 .7 3.1.1 光电传感器的概念 .7 3.1.2 光电传感器的分类及工作方式 .7 3.1.3 光电传感器的工作原理 .8 3.1.4 红外检测电路与单片机连接图 .9 3.2 单片机模块 .10 3.2.1

8、at89c51 单片机的引脚图及功能.10 3.2.2 单片机最小系统 .12 3.2.3 单片机中断计数部分 .13 3.3 led 数码管模块.14 3.3.1 led 结构和特点.14 3.3.2 led 数码管的译码方式.15 3.3.3 led 数码管显示部分.15 3.3.4 led 数码管与单片机连接仿真图.16 3.4 辅助电路模块 .17 3.4.1 晶振电路 .17 3.4.2 复位电路 .18 3.4.3 报警电路 .20 3.4 usb 接口供电模块.20 3.5.1 usb 接口.20 3.5.2 供电电路 .21 4 软件设计及系统仿真.22 4.1 软件设计 .2

9、3 4.1.1 主程序流程图 .23 4.1.2 脉冲中断流程图 .24 4.2 系统仿真 .24 4.2.1 keil 简介.25 4.2.2 protues 软件简介.25 4.2.3 仿真图 .26 4.2.4 系统调试 .27 5、总结.28 参考文献.29 附录 1 源程序代码 .30 附录 2 电路原理图 .33 致谢.34 1 包装生产线自动计数系统设计包装生产线自动计数系统设计 1 1、绪论、绪论 这章主要讲述生产线自动计数系统的研究背景，主要介绍目前正在使用的 几种计数系统和未来的发展趋势。确定了本文所选的技数系统，最后讲了本文 的主要工作。 1.11.1 研究背景研究背景

10、随着经济飞速发的今天，各企业都在运用高新技术武装自己。在实际的生 产工作中采用自动化设施是提高劳动生产率和经济效益最有效的途径。隋着社 会生产和科技水平的不断提高，大规模流水线作业已占据的社会的各行各业。 传统的人工方式容易漏计和错计，并且劳动强度大。所以人工生产方式在其工 作速度和精度上已不能满足现代化企业生产的需要。 生产流水线的计数系统的出现很好的解决了生产线上货物的计数问题。它 运用感测技术将待测物数量转换为与之有确定对应关系的信号输出，然后应用 计算机技术对此信号分析、处理，最后计量出产品的数量值。这样既提高了工 作效率又有相当高的精度。由于其具有集成度高、处理功能强、可靠性好、系

11、统机构简单、运用灵活等优点，在我国大中型企业已经得到广泛应用，并且已 经成为我国经济发展不可或缺的部分，这也是未来企业的发展方向和趋势。 1.21.2 包装生产线自动计数系统国内外发展现状包装生产线自动计数系统国内外发展现状 当今社会，基于单片机计数设备和以开发产品的微控制器技术为基础的控 制技术发展迅速，在各个领域得到广泛的应用。以单片机为核心的产品和设备， 促进了生产技术水平的提高，因此企业迫切需要很多自动化工程技术人员。电 子计数器是一种多功能的电子测量仪器，他采用电子检测在一段时间的输入脉 冲数，以数字形式显示结果。 当今的自动计数器产品大多采用非接触的方式，并且开发出多种型号的专 用

12、测试芯片。大多使用 at89c51 为核心，辅以各种外设控制单元的自动计数装 置应用已成为趋势。但是，如何提高自动化技术系统的抗干扰能力、稳定性等 是国内外生产研究的自动计数器的重要课题。自动计数是工厂流水线产品产量 检测的主体，但其往往工作在极其恶劣的高温、高噪音、潮湿的环境中。而已 2 at89c51 的为核心的微控制器产品系列自动计数器工作在这种环境下程序会经 常进入无限循环或出现单片机失去作用，这是基于单芯片自动技术产品存在的 致命缺点。 1.31.3 本文的主要工作本文的主要工作 本文主要对以下几个方面研究和设计： 第一章绪论部分首先论述本课题的研究背景，简单介绍了几种主要计数系 统

13、的原理和优缺点，并选取了此次设计的方案。 第二章从系统的整体功能出发，明确系统的组成和工作原理，给出了系统 硬件和软件的框架设计。 第三章详述系统硬件的设计，主要从红外检测电路、单片机的控制部分、 数据显示和 usb 接口供电电路，包括芯片的选择和电路的设计。 第四章详细叙述系统软件设计和系统仿真，主要包括了主程序设计、中断 程序设计。仿真来验证系统的正确性。 第五章对本文进行总结。 3 2.2. 系统的组成及工作原理系统的组成及工作原理 本章主要讲述技术系统的总体思路，方案的选取，系统的介绍了电路的大 致框图和系统的工作原理。 2.12.1 方案的选取方案的选取 方案一、 图 1、方案一 总

14、线驱动红外计数器 原理：红外发射管发出一个信号，红外接收管接收。由于红外接收管能够 根据红外光电阻原理分压获得基准电压，然后通过电压比较器输出高低电平。 当红外光照射时，红外接收管串联的电阻分得的电压很大，使电压比较器输出 低电平；当无红外光照射时，红外接收器串联的电阻分得的电压很小，可使电 压比较器输出高电平，然后通过单片机处理，输出计数值。 优缺点：本方案涉及到广泛的知识，可以实现准确、稳定、自动的计数， 但是电路硬件设计要求较高。从中可以学习到很多知识，但是整个系统硬件电 路比较复杂，所以系统抗干扰弱，不能保存数据，系统容易处于异常状态，容 易出现死机。所以本次设计不选择此方案。 方案二

15、、 图 2. 方案二 单芯片计数系统 原理：本方案中红外发射电路以 ne555 为核心，红外接收电路以 lm567 为 核心，共同构成红外检测电路，当有物体通过检测区时，就会产生一个脉冲。 而计数显示部分则使用了集译码、驱动、锁存、显示为一体的四合一芯片 红外发射电路红外接收电路 计数显示专用芯 片 cl102 数码管总线驱动单片机 红外接收管红外发射管电压比较 4 cl102。由红外检测电路产生计数脉冲，然后通过 cl102 显示。 优缺点：本方案是一个简单的自动计数器，但系统处于异常状态时，工作 很不稳定。而且方案中的各个部分都是现成的，只需要连接电路，比较简单， 所以不选用此方案。 方案

16、三、 图 3 方案三 光电传感器计数系统 原理：当生产线上没有物体通过是，红外传感器没有检测到外部信号，处 于高电平状态；当流水线有物体时，红外传感器检测到有外部信号，由原来的 高电平状态变为低电平状态，产生信号。将红外传感器的输出端与单片机 i/o 连接，通过软件设置内部寄存，当传感器的高低脉冲被单片机接收时，单片机 产生中断，进入中断服务程序，通过设置中断服务程序，进行计数，并在数码 管上显示。 优缺点：本方案能完美实现自动计数功能，当系统处于异常状态和干扰时， 专用的红外传感器检测电路和数码管显示非常稳定，所以整个系统稳定性好。 外围电路也相对简单，故选用该方案。 2.22.2 系统的组

17、成系统的组成 系统的硬件框图为： 生产线单片机数码管 红外 检 测 流水 线 光电 检 测 单片 机 led 数码管 复位及晶振电路 usb 供电电路 报警电路 5 图 4. 系统的硬件框图 图 4.为系统的硬件框图，它包括光电检测部分、单片机、led 数码器、复 位及晶振电路、usb 供电电路、报警电路等部分。 2.32.3 系统的工作原理系统的工作原理 包装生产线自动计数系统的研究主要围绕自动计数器的设计，系统主要由 光电传感器、单片机、晶振电路、led 显示器，usb 供电电路，报警电路等构成。 整条线路要达到完全自动化，满足现实的工作需要。所有的系统命令由信号脉 冲来下达。例如在产品的

18、出口处放置一个光敏感应器，其就会发出一个脉冲给 下级，下级就会接到命令后，通过单片机对脉冲信号判断和处理，最后在 led 显示器上面显示一个数，其数目之后自动叠加。系统中电路的控制与信号的处 理全部由单片机完成。 2.4 总体设计方案总体设计方案 图 5.总体电路图 6 工作原理为：系统的总体设计方案如图 5 所示，当流水线上没有物体通过 时，光电传感器没有检测到外部信号，传感器处于高电平状态；当流水线上有 物体时，物体进入检测区域，阻断光通过，由此光电传感器检测到有外部信号， 由原来的高电平状态变为低电平状态，产生脉冲信号。光电传感器的输出端与 单片机的 i/o 端相连接，单片机对信号进行判

19、断和处理（通过软件程序设置单 片机内部寄存器，当传感器的高地脉冲被单片机接受到时，单片机产生中断， 中断产生后进入中断服务程序，通过设置中断服务程序，进行计数。）。然后 通过单片机的 p0 显示到数码管上，当需要复位时，按下复位开关，则计数器清 零，重新开始计数。当计数值达到最大值时，报警电路工作，发出报警信号， 按下复位报警消除。 7 3.3. 硬件电路设计硬件电路设计 本章主要介绍自动计数系统的整体思路，系统的介绍方案的各个组成部分 （光电传感器、单片机、晶振、led 数码管、复位电路、报警电路、usb 供电电 路）的概念和器件的选取以及各个部分的工作原理。 3.13.1 红外线检测红外线

20、检测模块模块 3.1.13.1.1 光电传感器的概念光电传感器的概念 光电传感器是一种采用光电元件作为检测元件的传感器，实现被测量变化 到光电信号变化的转换，然后光电原件实现光信号到电信号的转换。光电传感 器作为检测元件具有精度高、非接触、反应快、结构简单、形式灵活等特点。 它由 3 部分构成：发送器、接收器、检测部分。此外，红外光电传感器结构元 件还有发射板和光导纤维。 光电传感器组成：红外模块有 3 个 i/o 口，两个口分别接在电源的正负极， 另一个为其输出口，如图 6 所示。 图 6.光电传感器输出回路图 8 3.1.23.1.2 光电传感器的分类及工作方式光电传感器的分类及工作方式

21、1）槽型光电传感器 把一个光电发射器和一个接收器面对面的装在一个槽的两侧的是槽型光电。 发射器能发出红外光或可见光，在无阻情况下光接收器能收到光。但当被检测 物体从槽中通过时，光被遮挡，光电传感器便动作。输出一个开光控制信号， 切断或接通负载电流，从而完成一次控制动作。它的检测距离一般只有几厘米。 2）对射型光电传感器 这类传感器把发光器和收光器分离开，就可以使检测距离加大。它的检测 距离可达几米乃至几十米。使用时把发光器和收光器分别装在检测物通过路径 的两侧，检测物体通过时阻挡光路，收光器就动作输出一个开光控制信号。 3）反射板型光电开关 把发光器和收光器装入同一个装置内，在它的前方装一块反

22、光板，利用反 射原理完成光电控制作用的称为反光板反射式光电开关。正常情况下，发光器 收不到光时，光电开光就动作，输出一个开关控制信号。 4）扩散反射型光电开关 它的检测头里也装有一个发光器和一个收光器，但前方没有反射板。正常 情况下发光器发出的光收光器是找不到的，当检测物通过时阻挡了光，并把光 部分反射回来，收光器就收到光信号，输出一个开光信号。 本次设计欧姆龙公司的 e32-t16j 光电传感器,因为在毕业实习时，实习的 公司均采用此型号，比较熟悉。该类型光电传感器检测距离在 0.1m-2m，适合 大多数的计数场合。外径尺寸 12mm。此光电传感器的应答时间在 1ms 以下（动 作、复位时间

23、），则脉冲信号不能大于 1000hz。 3.1.33.1.3 光电传感器的工作原理光电传感器的工作原理 光电传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的。 9 图 7.光电传感器工作原理 光电传感器的工作原理如图 5 所示，发送器对准目标发射光束，发射的光 束一般来源于半导体光源，发光二极管(led)、激光二极管及红外发射二极管。 光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。接收器有光电二极管、光电三极管、 光电池组成。在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。在其后面是检 测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。 3.1.43.1.4 红外检测电路与单片机连接图红外检测电路与单片机连接图

24、 图 8. 单片机与红外模块连接图 10 图 9.单片机与红外模块仿真图 图 9 为单片机与红外模块的连接仿真图，应为光电传感器又称为光电开关， 并且输出为脉冲信号，所以此处用时钟脉冲信号代替红外模块。根据实习时老 师的介绍和对检测距离的判定，此次毕业设计选用欧姆龙公司的 e32-t16j 光电 传感器作为外部检测部件。 3.23.2 单片机单片机模块模块 3.2.13.2.1 at89c51at89c51 单片机的引脚图及功能单片机的引脚图及功能 at89c51 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 为微处理器，俗称单片机。该器件采用 atmel 高密度

25、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。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。 11 图 10. 89c51 单片机引脚图 管脚说明： vcc:供电电压。 gnd：接地。 p0 口：p0 口为一个 8 位漏极开路双向 i/o 口，每脚可吸收 8ttl 门电流。 当 p1 口的管脚第一次次写 1 时，被定义为高阻输入。p0 能够用于外部程序数 据存储器，它可以被定义为数据/地址第八位。在 flash 编程时，p0 口作为原 码输入口，当 flash 进行校验时，p0 输出原码，此时 p0

26、 外部必须被拉高。 p1 口：p1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 i/o 口，p2 口缓冲器可 接收，输出 4 个 tll 门电流。p1 口管脚写入 1 后，被内部上拉为高，可用作输 入，p1 口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在 flash 编程和校验时，p1 口作为第八位地址接受。 p2 口：p2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 i/o,p2 口缓冲器可接收，输 出 4 个 ttl 门电流，当 p2 口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作 为输入。并因此作为输入时，p2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于 12 内部上拉的缘故。p2 口

27、当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进 行存取时，p2 口输出地址的高 8 位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优 势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，p2 口输出其特殊功能寄存器的 内容。p2 口在 flash 编程和校验时接受高八位地址信号和控制信号。 p3 口：p3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 i/o 口，可接受输出 4 个 ttl 门电流。当 p3 口写入“1”后。它们被内部上拉为高电平，并且作为输入， 由于外部下拉为低电平，p3 口将输出电流（ill）这是由于上拉的缘故。 p3 口也可作为 at89c51 的一些特殊功能口，如下表所示： p3.0 rx

28、d (串行输入口) p3.1 txd (串行输出口) p3.2/into (外部中断 0) p3.3/int1 (外部中断 1) p3.4 to （记时器 0 外部输入） p3.5 t1 （记时器 1 外部输入） 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 口同时为闪烁编程和编程校验接受一些控制信号。 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，当引脚用于输入编程脉冲，在平时，ale 端 以不

29、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。 /psen: 外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，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

30、器的输入及内部时钟工作电路的输入。 xtal2：来至反向振荡器的输出。 振荡器特性：xial1 和 xtal2 分别为方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。均采用外部时钟源驱 动器件。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 13 信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。 3.2.23.2.2 单片机最小系统单片机最小系统 图 10. 单片机最小系统 图 3.3.2 为单片机最小系统，它由电源、ea=1、时钟信号、复位电路和晶 振电路组成。此系统的工作电压为 5v，ea 接高电平，外部振荡器信号应直接添 加

31、在 xtal1、xtal2 上。xtal1 是片上振荡器放大器反向输入，和 xtal2 输出使 用一个外部振荡器。内部模式，时钟发生器的振荡频率的脉冲晶振频率一般为 1mhz -24mhz 的。电容约需要 30pf。系统时钟电路设计的内部，即使用片上振荡器电 路。at89c51 内部有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器。放大器管脚的 输入和输出是 xtal1 和 xtal2。该放大器芯片的晶体谐振器作为反馈元件一起 构成自激振荡器。电容器 c1 和 c2 组成一个并联谐振电路连接到放大器的反馈 环路构成外部石英晶体谐振器。电容的大小会影响振荡器的频率水平。因此， 本系统的 12mhz 晶振电

32、路电容一般选为 10pf-30pf 的陶瓷电容。 14 3.2.33.2.3 单片机中断计数部分单片机中断计数部分 单片机的中断分为：外部中断，串行中断和定时器中断。 中断的概念：当 cpu 正在执行程序时，外部发生了某一随机事件请求 cpu 迅速处理，cpu 暂时中止执行的程序，转去处理所发生的事件，中断处理完毕， 再回到原来被中止的断点执行原程序，这个过程叫中断。中断常用于 i/o 处理， 故障处理。 51 单片机中断系统有 5 个中断请求源： 1. /int0 外部中断 0 请求，低电平有效。通过 p3.2 引脚输入。 2. /int1 外部中断 1 请求，高电平有效。通过 p3.3 引

33、脚输入。 3. t0 定时器/计数器 0 溢出中断请求。 4. t1 定时器/计数器 1 溢出中断请求。 5. tx/rx 串行口中断请求。 说明：1、2 为外部中断；3、4 为定时器中断；5 为串行中断。 本次设计采用外部中断的方式，注重介绍外部中断。 外部中断的触发方式有电平触发方式、跳沿触发方式。若外部中断定义为 电平触发方式，外部中断申请触发器的状态随着 cpu 在每个机器周期采样到的 外部中断输入线的电平变化而变化。提高了 cpu 对外部中断请求的响应速度。 当外部中断被设定为电平触发方式时，在中断服务程序返回之前，外部中断请 求输入必须为高电平，否则 cpu 返回主程序会再次响应中

34、断。所以，电平触发 方式适合于外部中断以低电平输入而且中断服务程序能清除外部中断请求源的 情况；跳沿触发方式外部中断申请触发器能锁存外部中断输入线上的负跳变。 在这种方式里，如果相继连续两次采样，一个机器周期采样到外部中断输入为 高，一个机器周期采样为低，则置 1 中断申请触发器，知道 cpu 响应此中断时， 该标志才清 0。这样不会丢失中断，但输入的负脉冲宽度至少保持 12 个时钟周 期，才能被 cpu 采样到。所以，跳沿触发方式适合于以负脉冲形式输入的外部 中断请求。 所以本次设计采用外部中断的跳沿触发方式。图 12 为本次设计中断部分仿真 图。 15 3.33.3 ledled 数码管数

35、码管模块模块 3.3.13.3.1 ledled 结构和特点结构和特点 led 数码显示器是一个发光二极管显示结构的组合，常用为 8 段数字显 示，分为共阴极数码管和共阳极数码管。led 数码管作为显示输出设备，具有 显示清晰、高亮度、低电压、寿命长等优点。和单片机接口连接方便，基本能 够满足单片机应用系统的需求，常用于单片机领域。本次设计选用共阳极数码 管。常见数字和字符共阴极和共阳极字段码如表 1 所示。其结构如图 13 所示。 表 1、常见数字和字符共阴极和共阳极字段码 显示字 符 共阴极字 段码 共阳极字 段码 显示字符共阴极字段码共阳极字段 码 03fhc0hc39hc6h 106h

36、f9hd5eha1h 25bha4he79h86h 34fhb0hf71h8eh 466h99hp73h8ch 56dh92hu3ehc1h 67dh82ht31hceh 707hf8hy6eh91h 87fh80hl38hc7h 96fh90h8.ffh00h a77h88h “灭” 00ffh b7ch83h” 16 图 11. 数码管结构图 （a 为共阴极；b 为共阳极；c 为结构图） 3.3.23.3.2 ledled 数码管的译码方式数码管的译码方式 译码方式：指由显示字符转换得到对应的字段码的方式，分为硬件译码和 软件译码两种方式。（本次设计采用软件译码，所以介绍软件译码） 软件译

37、码分为静态显示和动态显示两种。led 静态显示，其公共端直接接 地（共阴极）或接电源（共阳极），各段选线分别与 i/o 口线相连。要显示字 符，直接在 i/o 线送相应的字码段。led 动态显示是将所有的数码管的段选线 并接在一起，用一个 i/o 口控制，公共端不是直接接地(共阴极)或电源（共阳 极），而是通过相应的 i/o 口线控制。本次设计采用动态显示。 3.3.33.3.3 ledled 数码管显示部分数码管显示部分 本次设计的数码管显示部分是通过四个数码管来完成，接到 p0 上，p0 负 责段选码，p2.0-p2.3 输出位选码，并在然后通过软件译码来完成，数码管在 动态扫描时，每点亮

38、一个数码管的时间短暂，这样会影响到数码管的亮度，故 使用共阳极数码管，共阳极数码管显示亮度好。本次设计的中段码输出口是利 用 p0 口作为输出口，而 p0 口试漏极开路，虽然有很强的馆电流能力，但拉电 流能力很差，需要在 p0 口加一个 1k 的排阻作为上接电阻，它的作用是，当单 17 片机的 p0 口上输入为 1 时，上拉电阻上的电流直接流入单片机中，使数码管的 段码上保持低电平，因此不发光，而当单片机的 p0 口输出为高电平时，这时上 拉电阻使电流灌入单片机中，故排阻上电流流入数码管中，因此这时数码管发 光。 本次设计显示部分采用软件译码显示，所谓的软件译码动态显示是指字符段 选择组织一个

39、表来显示字符的第一次查表得到其选择的代码段，然后传送到显 示段码。 本次设计使用的数码管为共阳极数码管，使用 npn 型三极管驱动，当基极为 高电平时三极管导通，位选打开。三极管极集接 5v 电源，发射极与数码管 com 口相连，基极接单片机片 p2 口，通过 p2 口附高低电平来控制位选，当 p2 为高 电平时，三极管导通，使数码管 com 口为高电平。 3.3.43.3.4 ledled 数码管与单片机连接仿真图数码管与单片机连接仿真图 图 12. 数码管与单片机工作仿真图 18 图 13. 数码管与单片机复位后仿真图 3.4 辅助电路辅助电路模块模块 3.4.13.4.1 晶振电路晶振电

40、路 晶振的概念：晶振是石英振荡器的简称，它是时钟电路中最重要的部件，它 的主要作用是向显卡、网卡、主板等配件的各部分提供基准频率，晶振还有个 作用就是在电路产生振荡电流，发出时钟信号。通常一个系统共用一个晶振， 便于各部分保持同步。它用一种能把电能和机械能相互转化的晶体在共振的状 态下工作，以提供稳定、精确的单频振荡。在通常工作条件下，普通的晶振频 率绝对精度可达百万分之五十。 晶振的使用：在电气上它可以等效成一个电容和一个电阻并联载串联一个电 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。由于晶体自身的特性致使这两个频 率的距离相

41、当接近，在这个很小的频率范围内，晶振等效为一个电感，所以只 要晶振的两端并联上合适的电容它就会组成并联谐振电路。这个并联谐振电路 加到一个负反馈电路中就可以构成正弦波振荡信号。由于晶振等效为电感的频 19 率范围很小，所以即使其他元件的参数变化很大，这个振荡器的频率也不会有 很大的变化。 晶振 图 14. 本系统的晶振电路图 图 14 为晶振电路图，因为晶振与单片机的脚 xtal1 和 xtal2 构成的振荡电路中 会产生谐波，这个波对电路的影响不大，但会降低电路的时钟振荡器的稳定性。 为了电路的稳定性起见，研发公司 atmel 公司建议在晶振的两引脚处接入两个 10pf-50pf 的瓷片电容

42、接地来削减谐波对电路的稳定性的影响，所以晶振所配 的电容在 10pf-50pf 之间都可以，没有计算公式。本次设计选用的晶振的时钟 频率为 12mhz，一个时钟周期为 12us，一个周期为 1/12 时钟周期，所以记一次 数为 1us。晶振电路的电容选取在 10pf-50pf 之间的 30pf。 3.4.23.4.2 复位电路复位电路 复位电路的作用：在上电或复位过程中，控制 cpu 的复位状态：这段时间 内让 cpu 保持复位状态，而不是一上电或刚复位完毕就工作，防止 cpu 发出错 误的指令、执行错误操作，单片机复位电路设计的好坏也直接影响到整个系统 工作的稳定性。单片机在启动时都需要复位

43、，以使 cpu 及系统各部件处于确定 的初始状态，并从初态开始工作。89 系列单片机的复位信号是从 rst 引脚输入 20 到芯片内的施密特触发器中的。当系统处于正常工作状态时，且振荡器稳定后， 如果 rst 引脚上有一个高电平并维持 2 个机器周期(24 个振荡周期)以上，则 cpu 就可以响应并将系统复位。单片机系统的复位方式有：手动按钮复位和上 电复位。 上一节我们介绍了晶振电路的一个机器周期为 1us，则复位的高电平维持 时间要大于 2us。本次设计电阻为 10k，电容为 10uf。t=rc （r 的单位是 m，c 的单位是 uf），则时间 t 大约为 0.1s，复位时间大于两个机器周

44、期。复 位操作，不会影响内部 ram。 图 15. 复位原理图 21 图 16 本次设计的复位电路图 3.4.33.4.3 报警电路报警电路 当计数器计数到“9999”时，计数系统会复位并置 0，此时计数系统会发出 脉冲信号到 p3.0，由高电平变为低电平，蜂鸣器发出一声报警声。报警电路如 图 17 所示。 图 17 报警电路 22 3.43.4 usbusb 接口供电接口供电模块模块 单片机开发板的供电一般都采用电脑的 usb 供电，usb 接口的电压就是 5v 的，和单片机的供电系统相适配。usb 供电最大能提供 500ma 的直流电，能满 足开发板上绝大多数元器件的供电要求。 3.5.1

45、3.5.1 usbusb 接口接口 usb 接口有很多种形状，对于供电电路，使用普通 a 型 usb 接口。所以本节 主要介绍 a 型 usb 供电电路的设计。a 型 usb 接口外形如图 17 所示。其引脚定 义如图 18 所示。a 型 usb 接口为 4 根线，其中两根为电源，另外两根用来传送 数据，分别为 vcc、gnd、d+、d-。 图 18. a 型 usb 接口外形图 图 19. usb 引脚定义图 3.5.23.5.2 供电电路供电电路 usb 供电电路的电路图如图 19 所示。 23 图 20. 供电电路图 电路中使用的元器件有一个 usb 接口，一个 10uf 的电解电容，一

46、个红色 led 发光二极管，一个单刀双掷开关，1k 的电阻。usb 接口用于和电脑 usb 相 连接，提供电源。10uf 电容起到了滤波的作用。led 串联一个电阻之后可以用 于指示电源是否接通，直接把 led 接入电路中，会将 led 烧毁。电阻的作用就 是减少电流，根据 led 的亮度，可以自行选择电阻的大小。led 的连接要注意 正负极，电阻的选择也不能太小，否则会烧毁 led。本电路选择的是将 a 型 usb 接口的母口焊接在电路板上，连接时要注意 usb 接口的正负极。可以用万用表 的直流电压档测量一下。 24 4 4 软件设计及系统仿真软件设计及系统仿真 硬件电路的设计只是整个计数

47、系统的一个部分，要使系统能够正常工作， 程序设计是必不可少的部分。本章介绍了整个程序流程，以及中断程序的流程。 4.14.1 软件设计软件设计 4.1.14.1.1 主程序流程图主程序流程图 结束 是否达到最大值？ 开始 初始化 led 显示 系统运行 是否复位？ 是否结束计数 25 是 否 否 是 否 否 是 图 21. 主程序流程图 图 21 为主程序的流程图，系统主要围绕单片机通过中断产生计数信号， 计数器计数，是否复位？是否达到最大值来完成整个主流程。 4.1.24.1.2 脉冲中断流程图脉冲中断流程图 否 是 开始 计数单元加 1 外部中断服务入口 判断是否到 10000 计数单元清

48、 0 退出程序 26 图 22.脉冲中断流程图 图 22 为系统中断流程图，外部中断信号的采集有光电传感器完成，外部中 断 0 请求，通过 p3.2 脚输入，单片机执行中断请求，并且计数器加一，当计数 器的数值为最大值时，系统自动复位，并且从新开始计数。 4.24.2 系统仿真系统仿真 本章主要介绍本次设计仿真使用的 keil 软件开发系统和 protues 仿真软件的 使用，并切对系统进行仿真、调试。最后达到设计的要求。 4.2.14.2.1 keilkeil 简介简介 keil c51 是 51 系列兼容单片机 c 语言软件开发系统，与汇编相比，c 语 言在功能上、结构性、可读性、可维护性

49、上有明显的优势。keil 提供了包括 c 编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整 开发方案，通过一个集成开发环境（uvision）将这些部分组合在一起。 keil c51 软件提供丰富的函数库功能强大的集成开发调试工具，全 windows 界面。另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体 会到 keil c51 生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑， 容易理解。c51 工具包的整体结构，uvision 与 ishell 分别是 c51 for windows 和 for dos 的集成开发环境(ide)，可以完成编辑、编译、连接、调

50、试、 仿真等整个开发流程。 本次毕业设计采用 keil c51 uvision4 软件进行 c 语言程序的编写，然后 转换成 hex 文件导入 protues 仿真软件的单片机中。使用 keil 软件编译生成 hex 文件的步骤是： 1）新建工程，保存工程（工程名不能为汉字），为工程选择芯片型号 （本次使用 atmel 公司的 at89c51 芯片）。 2）为工程新建一个文件，在弹出的窗口内编写本次设计使用的 c 语言程 序然后将文件另存（文件的后缀必须为.c） ，并且添加到工程中。 27 3）设置工程的属性，在输出中勾选“生成 hex 文件” ，然后编译当前文件， 看程序是否有错。没有错误后

51、点击重建所有目标文件，然后再文件夹 中就可以找到待用的 hex 文件。 4.2.24.2.2 protuesprotues 软件简介软件简介 protues 软件是英国 labcenter electronics 公司出版的 eda 工具软件。 它不仅具有其它 eda 工具软件的仿真功能，例如:原理图、pcb 自动或人工布线、 spice 电路仿真等，用户还能实现 ram、rom、键盘、马达、led、lcd、ad/da 等器件的仿真，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外 围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片 机教学的教师、致力于单片机开发应用的

52、科技工作者的青睐。proteus 是世界 上著名的 eda 工具，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真， 一键切换到 pcb 设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯 一将电路仿真软件、pcb 设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其 处理器模型支持 8051、hc11、pic10/12/16/18/24/30/dspic33、avr、arm、8086 和 msp430 等， 在编译方面，它支持 iar、keil 和 mplab 等多种编译软件。 在 protues 软件中画出本次设计电路原理图，为每个电源口接上电源，并 将生成好的程序 hex 文件导入 at8

53、9c51 单片机中，电机调试-开始调试，检查电 路是否存在问题，没有问题后点击开始，时钟脉冲信号工作。系统开始计数。 （实物中为光电传感器，这里用时钟脉冲信号代替）。 28 4.2.34.2.3 仿真图仿真图 图 23 时钟脉冲仿真图 29 图 24.不规则脉冲仿真图 4.2.44.2.4 系统调试系统调试 1）检查仿真图中导线是否接好：第一次仿真时，p0 总线与 led 数码管的 连线没有标号，p0 连接的数码管不显示数字，而按键超过 10 次是，p1 连接 的数码管显示了数字 1，由此判断 p0 连线有问题。 2）数码管的调试：处理好线的问题后，与 p0 连接的数码管开始计数，但 是不管是

54、与 p0 相连的数码管还是与 p1 相连的数码管均不显示数字 4，直接从 3 调至 5，我将数码管的单片机端口的连线全部删除，重新连接，还是出现此 类问题，最后去研究程序，在 keil 编写的程序中，发现缺少 0 x99，将其添加 后，重新将程序编译成 hex 文件导入单片机中，系统可以正常显示数字 4 了。 3）电路调试；在系统正常运行后，发现 p0 所接的数码管比其他两个数码 管亮度低了很多，最后在 p0 口增加了一个上拉电阻，数码管的亮度明显提高. 4）开始仿真时，计数器的值只能计数到 255，就自动复位了，然后检查 程序，发现程序定义 uchar count=0 有错误，改成 uint

55、 count=0 后，系统能 正常运行了。 30 5 5、总结、总结 1）本次设计的是生产线产品的计数，来一个产品就产生一个脉冲，对脉冲 数的统计从而得到一段时间内的产品的数量，其工作原理是利用单片机控制， 对脉冲数的统计并驱动数码管显示产品数量。 2）设计过程中涉及到了外部中断和定时器的中断，数码管的显示，数据的 存储技术。外部中断为按键输入，报警系统。当定时一段时间到时，对产品数 量的清零，数码管的显示采用了动态显示，这样可以节约空间，降低成本。 3）本次设计采用了有规律的时钟脉冲信号，也使用了无规律的脉冲信号代 替红外模块进行仿真，虽然都能稳定计数，但是不能解决生产线上两个物品问 题重合

56、通过检测模块时的计数，只能计数为 1，存在误差。 4）经过这次的设计，我深有体会，我们在课堂上学到的知识不是很多，但 是可以在此基础上发挥自学的能力，通过图书馆的资料可以学到很多知识，不 懂的时候不要停留，要去探索求解。 5）我觉得此次设计提高了我自己的自主学习能力，让我懂得了如何在接触 一个新的任务时解决自己的难题，让我知道了在设计时，无论简单还是困难的 题目，知识是非常重要的。懂得的知识越多，设计时走的弯路就会越少。 31 参考文献参考文献 1 程德福，王君，凌振宝等.传感器原理及应用m.北京：机械工业出版社， 2007.103143. 2 李华.mcs51 系列单片机实用接口技术.北京:

57、北京航空航天大学出版社 1993. 3 李光飞，楼然庙，胡佳文等.单片机课程设计实例指导.北京：北京航空航 天大学.2004.30-42 4 石磊，张国强等，altium designer8.0 中文版电路设计.北京：清华大学出版 社.2009 5 李朝青.单片机原理及接口技术（第 3 版）.北京：北京航空航天大学出版社. 2010.17-47.112-226 6 应玉明.基于单片机控制的工件自动计数系统设计.浙江：金华职业技术学院. 2011. 7 康华光，邹寿彬等.电子技术基础数字部分（第五版）.北京：高等教育出版 社.2006. 8 郝红梅，韦建德.生产流水线产品产量统计显示系统.海南：

58、海南师范大学. 2012. 9 彭伟，单片机设计实训 100 例-基于 8051+proteus 仿真.北京：电子工业出版 社.2009.6.13-110. 10 于永，戴佳，刘波等，51 单片机 c 语言常用模块与综合系统设计实例精讲.北 京：电子工业出版社，2008.10.94-104. 11 ya. k. lyubintsev.the stability of processes in an rlc circuit with an electric arc.radiophysics and quantum electronics, 2010，1321-1324 12 i.m.filanovsky,v.a.piskarev.a simple bridge rc multivibrator. international journal of electronics,2006. 13 lurong li. design of the wireless date acquis