基于光电传感器的奔跑速度检测系统设计说明

毕业设计说明运行速度检测系统的电路设计运行速度检测系统的电路设计摘要随着信息技术的不断发展，单片机在测量系统中得到了广泛的应用。速度是系统经常需要测量、控制和维护的一个量。速度是否符合要求，决定了生产和工业过程是否有相应的效果。测速方法有很多种，但在不同的应用环境中，对应的测速方法各有特点和误差。因此，对单片机测速系统的研究具有重要的目的和意义。本设计以AT89C51单片机为主要控制核心，采用光电传感器采集信号，通过单片机计数并采用算法测量运行物体的运行速度，最后以4-digitLED数码管。硬件电路简单，软件功能完善，测量速度快，精度高，成本低等特点，充分发挥单片机的控制功能，与所学知识紧密结合，学以致用，并具有很高的使用价值。关键词：单片机，速度测量，光电传感器，LED目录1简介11.1运行速度检测系统的开发背景及现状11.2本课题的目的和意义21.3本项目设计的主要内容32运行速度检测系统原理43系统方案建议与论证54系统硬件设计54.1光电传感器介绍54.1.1光电传感器工作原理54.1.2光电传感器54.1.3光电传感器的种类及工作方式54.1.4PM12光电传感器54.2信号处理电路设计54.3单片机AT89C51介绍54.4最小系统的设计54.4.1复位电路54.4.2晶振电路5第五部分4.5.1LED基本结构54.5.2LED显示屏的选择54.5.3LED解码方法54.5.4LED显示屏与单片机接口设计55系统软件设计55.1主程序初始化55.2主程序流程图程序流程图5总结5至5参考文献5附录5附录A系统通用电路图5附录B系统通用程序清单51简介1.1运行速度检测系统的发展背景及现状自从人类开始研究物体的运动后，速度就成为人们测量的对象。随着科学技术的不断发展，测速的科技手段也在日新月异，这自然给人类的研究带来了更大的自由度。速度是物理学中的一个重要概念。在运动学中，速度是描述物体移动速度的物理量，定义为位移随时间的变化率。通过测量平均速度和瞬时速度，可以了解物体的运动状态和运动规律。在传统的测速方法中，大多是基于对运行物体的电机转速的测量，通过一定的公式换算出运行物体的速度。根据不同的理论方法，有模拟测速方法（如离心测速，用电机转矩或电机电枢电动势计算）、同步测速（如机械或闪光频闪测速）和计数测速。计数测速方法可分为机械计时计数法和电子计时计数法。传统的电机转速检测多采用测速发电机或光电数字脉冲编码器[1]，也有电磁式（利用电磁感应或可变磁阻霍尔元件等原理）、电容式（高频振荡幅度）.值调制或频率调制）等，还有一些特殊的转速表是利用放置在旋转体上的放射性物质产生脉冲信号。其中，光电式应用最为广泛。该光电测量系统具有惯性小、噪声低、分辨率高、精度高等优点。此外，激光[2]光源、光栅、光学编码器、CCD器件、光纤等的相继出现和成功应用，使光电传感器广泛应用于检测和控制领域。本项目采用技术成熟的光电传感器直接测量运行物体的运行速度，采用光电传感器测量运行速度。应用前景。速度测量目前主要用于汽车行业。当今的汽车行业正朝着智能化和数字化方向发展。人们在享受速度带来的高效率的同时，也不得不面对安全的巨大阴影，甚至有人对汽车产生了恐惧。，在高速汽车中，任何事情都有可能发生。超速，简而言之，速度控制已经成为汽车智能控制的关键。真正的“主动安全装置”应该是对速度的检测。据说英国和法国已经研制出一种可以接收测速信号的电子仪器。使汽车保持在一定的安全速度下，已成功应用于一些家用轿车和出租车上。1960年代，汽车上只有油压传感器、油量传感器、水温传感器，连接仪表或指示灯。进入1970年代后，为了控制排放，增加了一些传感器来帮助控制汽车的动力系统，因为同时期出现的催化转化器、电子点火和燃油喷射装置需要这些传感器来维持一定的空气-控制排放的燃料比。在目前看到的众多关于车速与控制的文献中，以无刷直流电机研究居多，并采用了光电传感电机的重要部件。霍尔传感器的车速检测装置由CD板[3]控制，可以进行电机的加减速动作，还可以精确测量电机的转速以控制电机的工作状态等功能。2004年，大众智能装备还推出了汽车智能车速检测系统。管理人员可以使用预先设定的方法来强制汽车仅以指定的速度行驶。它由微电脑控制器和智能机械手组成。速度可通过微电脑控制器预先设定。例如，在高架平台上，最高速度设置为60公里。当车速不超过60km/h时，控制器不启动机械手，驾驶员照常行驶。当车速接近60公里时，控制器的微电脑立即启动机械手，将汽车的油门踏板准确强行抬高4-5厘米。当您想继续加速时，由于油门位置有限，不能踩踏板，从而控制车速，使车由于惯性速度保持在临界值。当惯性过去，小车速度小于60公里临界值时，控制器指示机械手放松小车油门。这时，驾驶员可以踩油门加速，汽车行驶如常。设定控制器的极限值，可程序设定或IC卡设定；您可以只设置一个值，也可以根据不同的路况设置多个档位；还可以接受信号切换设置（即接受路速无线信号切换或电子地图信号切换）。该产品灵敏、准确地控制车辆的速度。当速度误差小于速度控制的5%时，车辆运行平稳，乘客不易察觉。汽车智能调速器的安装非常巧妙。除了机械手的钢丝位置固定在油门踏板上外，机械手和控制器可以隐蔽安装，无需钻孔。该产品的研制成功，为建立自动路速检测控制系统奠定了基础。目前，车速检测系统已经在汽车行业得到广泛应用，预计未来的智能控制系统将朝着更加可靠、稳定、高端的方向发展。1.2本课题的目的和意义在产业发展过程中，经常会遇到各种需要衡量的场合。例如，在汽车、机床、输送机等设备的运行和控制中，需要对其速度和瞬时速度进行分时或连续测量和显示。随着社会机械行业的发展趋势，对速度检测的精度要求越来越高。在很多方面，运行速度的准确检测都关系到一系列系统的工业设计，因此有必要设计一个运行速度检测系统。要测量速度，首先要解决信号采样的问题。采样效果的好坏关系到后续的显示和控制。光电传感器具有精度高、响应快、非接触等优点，因此本项目设计中的中间环节是光电式。传感电路的设计；本课题主要采用嵌入式技术，整个光电传感电路系统由单片机和检测、信号采集、模数转换、数据存储、数据显示、通信等电路组成。1.3本项目设计的主要内容本设计主要由以下三部分组成：1.信号采集。这部分主要是利用光电传感器采集运行物体的信号，并将采集到的信号传送给单片机。2、单片机数据处理[4]。该部分主要是利用51系列单片机，利用适当的算法进行编程，对采集的数据进行快速准确的相关运算并得到结果。这部分是本次设计的重点和难点。3.LED数码显示。这部分主要是通过4位LED数码管将测量结果显示给用户。运行速度检测系统由以下几部分组成，如图1.1运行速度测量系统框图所示。显示单片机信号调理电路光电传感器奔跑物体显示单片机信号调理电路光电传感器奔跑物体图1.1速度检测系统框图本系统硬件主要由光电传感器、信号处理电路、单片机AT89C51、LED显示屏等组成。如图1.1所示，当运行物体通过光电传感器时，会产生脉冲电信号，然后将信号送至三极管放大电路和CC40106芯片整形电路进行处理，并将处理后的信号传送到单片机，通过对单片机进行编程、运算，最后通过数码管显示其数值。2运行速度检测系统原理在该系统中，两对光电束管布置在运行物体的路径上。当运行物体通过光电管Q1和Q2时，光线被挡住。Q1的上升沿或下降沿作为MCU计数器的启动脉冲，启动定时器开始计时，光电池Q2的上升沿或下降沿作为MCU计数器的停止脉冲，计数器停止计时（本设计由高电平触发）。此时，获得计数器的计数值n。将n的值致到处理中心，已知单片机的机器周期为T，通过编程[5]可以计算出运行物体在固定距离S处的平均速度V，即是V=S/nT其中S是两个对射管之间的光电距离。如图2.1奔跑物体奔跑物体光敏电阻单片机定时器启动定时器停止发光二极管Q2发光二极管Q1光敏电阻图2.1运行速度测量系统示意图3系统方案的提出与论证目前，科研和生产中使用的测速方法可分为直接测量法和间接测量法两大类。直接测量法是通过一定的测量原理或效应直接获得速度，如多普勒测速仪、空间滤波测速仪等。这种方法的最大优点是响应速度快，可以测量瞬时速度，但设备成本高，易受外界环境影响，如大气物理环境等。间接测量法是测量目标的移动距离和时间，通过计算得到速度，如光电测速、光栅测速、磁栅测速、图像测速等，用于测量运行物体的速度。本项目设计采用间接测量法，提出两种方案：方案一以AT89C51[6]为核心，采用AT89C51单片机，电路简单，需编程，可通过编程实现各种算术算法和逻辑控制，体积小，硬件实现简单，安装方便，可实现数显及按键设置等功能。采用对射式光电传感器，红外发光管和光电接收管相对放置。每当物体通过一次，红外光就被挡住一次，光电接收管的输出电压变化一次。这种变化的信号在处理后被放大。形成计数脉冲，通过光电隔离耦合并联输入AT89C51，通过软件控制计算和LED显示测量运行物体的速度。选项二以CD4518为核心的计数电路采用CD4518组成8421同步十进制计数器。计数由光检测和接收电路检测，并将信号传送到脉冲发生器CD4518，由D4518转换成电信号，然后传送给每两个-十进制计数器BCD码由BCD码转换而成-七段译码器到数码管LED，供电部分为220V交流电，通过变压器T降压、桥式整流、电容滤波、7809稳压，为整个电路提供+5V稳压工作电压。方案选择：选择方案一是因为方案二在控制方式上难以实现复杂的控制过程，其计数和显示部分需要多个芯片，还需要使用CD4543驱动LED匹配电路，而方案一基于AT89C51单片机电路简单，硬件和软件都比较容易实现，可以实现多种功能。4系统硬件设计4.1光电传感器介绍4.1.1光电传感器工作原理光电传感器的基本工作原理是光电效应，光电效应一般包括外部光电效应、光电导效应和光伏效应。当光线照射到光电材料上时，材料表面的电子吸收的能量，如果电子吸收的能量足够大，电子就会克服束缚脱离材料表面进入外部空间，从而改变光电材料的导电性。这种现象成为一种外部现象。光电效应根据爱因斯坦的光电子效应，光子是一种运动的粒子流，每个光子的能量为hv。可以看出，不同频率的光子具有不同的能量。光波频率越高，光子能量越大。假设将光子的全部能量给予光子，则电子能量会增加，增加的能量一部分用于克服正离子的结合，另一部分转化为电子能量。根据能量守恒定律：(4.1)式中，M为电子的质量，v为电子逃逸的初速度，A为微电子所做的功。由上式可知，光电子从阴极表面逸出的必要条件是Hv>A。由于不同的材料具有不同的功函数，因此对于每种阴极材料，入射光都有一定的频率限制。当入射光的频率低于这个频率限制时，无论光强多高，都不会产生光电子发射。，这个频率限制被称为“红色限制”。对应的波长是QUOTE其中，c是光速，A是功函数。当受光照射时，电子能量被吸收，其电阻率降低的导电现象称为光电导效应。属于光电效应。当光线照射在半导体上时，如果电子的能量大于半导体禁带的能级宽度，电子就会从价带跃迁到导带形成电子，同时时间，相应的空穴将留在价带中。电子和空穴留在半导体中，参与在外电场作用下形成的电流的传导。除金属外，大多数绝缘体和半导体都具有光电效应，其中半导体尤为显着。4.1.2光电传感器光电传感器是通过将光强的变化转换为电信号的变化来控制的。其基本结构如下图所示。它首先将测量到的变化转化为光信号的变化，然后借助光电元件对光信号进行进一步的转换。成电信号。光电传感器一般由光源、光路和光电元件三部分组成。光电检测方法具有精度高、响应快、非接触等优点，可测量的参数多。传感器结构简单，形式灵活多样。因此，光电传感器被广泛应用于检测[7]和控制。图4.1光电传感器结构图光电传感器一般由三部分组成，分为：发射器、接收器和检测电路[8]。发射器瞄准目标并发射光束。发射的光束通常来自半导体光源、发光二极管(LED)、激光二极管和红外发射二极管。光束不间断发射，或脉冲宽度发生变化。接收器由光电二极管、光电晶体管和光电管组成。在接收器的前面，安装了镜头和光圈等光学元件。其后面是检测电路，将有效信号滤除并应用。光电传感器是依靠被测物体、光电元件和光源之间的关系来达到测量的目的。因此，光电传感器的光源起着非常重要的作用。光电传感器的电源应该是恒定的光源，电源的稳定性是设计非常重要的。电源的稳定性直接影响测量的准确性。常用的光源如下：1、发光二极管是一种将电能转化为光能的半导体器件。广泛应用于计算机、仪器仪表和自动控制设备。2、灯丝灯泡这是最常用的光源之一，它具有丰富的红外线。3、与普通光相比，激光具有能量高度集中、方向性好、频率简单、相干性好等优点，是一种理想的光源。4.1.3光电传感器的种类及工作方式1.槽式光电传感器插槽光电器件具有一个光发射器和一个接收器，它们面对面安装在插槽的两侧。光发射器可以发射红外光或可见光，光接收器可以无障碍地接收光。但当被检测物体通过槽时，光线被挡住，光电开关被激活。输出一个开关控制信号，切断或接通负载电流，完成一个控制动作。由于整体结构的限制，槽型开关的检测距离一般只有几厘米。2、对射式光电传感器如果发射器和接收器分开，可以增加检测距离。由光发射器和光接收器组成的光电开关称为对射分光光电开关，或简称对射光电开关。它的探测距离可以达到几米甚至几十米。使用时，发光装置和受光装置分别安装在检测对象通过路径的两侧。当检测物体通过时，光路被阻挡，受光装置动作，输出开关控制信号。3.反射式光电开关发光器件和受光器件安装在同一个器件内，前面安装一个反射器，利用反射原理完成光电控制的光电开关称为反射器反射（或镜面）反射）光电开关。正常情况下，发射器发出的光被反射器反射，被接收器接收；一旦光路被检测物体挡住，接收器无法接收光线，光电开关就会动作，输出开关控制信号。4.漫反射光电开关它在检测头中也有一个光发射器和一个光接收器，但前面没有反射器。一般情况下，发射器发射的受光器是找不到的。当检测物体通过时，它会挡住光线并将部分光线反射回来，光接收器接收到光信号并输出开关信号。根据本设计的要求，本设计选择使用对射式光电传感器PM12。4.1.4PM12光电传感器PM12光电传感器是一种使用光电元件作为检测元件的传感器。光电传感器一般由光源、光路和光电元件三部分组成。图4.2中的光电器件是光敏电阻。光敏电阻是一种均质半导体光电器件，也称为光电池，是利用光导效应制成的。无光时，光敏电阻的阻值很大；当它被红外光照射时，它的电阻急剧下降。因此，当光敏电阻接入电路时，光照前后电路中的电流会发生很大变化，光敏电阻的阻值会根据光照变化量而变化，最终输出电压发生变化，提示单片机做出相应的动作。.图4.2PM12光电传感器4.2信号处理电路设计光电束管Q1、Q2分别接AT89C51的外部中断0、1引脚，Q1、Q2均为束流光电管（无中断时导通，中断时关断）。INT0和INT1都设置为下降沿触发。在INT0中断处理程序中，启动AT89C51计数器T0开始计数，在INT1中断处理程序中，计数器T0停止计数。计数值暂存在单片机寄存器中，为后续处理提供相应数据。电路图如图4.3所示：图4.3整形放大器电路图如图所示，当跑步物体经过传感器Q1和Q2时，传感器将传感器产生的电压信号传递给下级三极管，经三极管放大，施密特触发器CC40106芯片整形产生一个矩形方波脉冲，传给单片机进行计数。4.3单片机AT89C51介绍AT89C51是一款低电压、高性能的CMOS8位微处理器，具有4K字节的闪存可编程和可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory），俗称MCU。该器件采用ATMEL高密度非易失性存储器制造技术制造，并与行业标准MCS-51指令集和输出引脚兼容。ATMEL的AT89C51在单芯片中结合了多功能8位CPU和闪存，是一款高效微控制器，可为许多嵌入式控制系统提供灵活且廉价的解决方案。图4.4是常用的单片机[9]，型号为AT89C51，将计算机的功能集成到这个芯片中，这么小的芯片就可以组成一台小型计算机，所以称为单片机.图4.4AT89C51芯片它有40个插脚，分成两排，每排有20个插脚，其中左下角标注的箭头是第1个插脚，然后逆时针是第2个插脚，第3个插脚，，，，，，，第40脚.40个引脚中，其中32个可用于各种控制，如控制小灯的开与关、控制电机的正反转、控制电梯的升降等。这32个引脚称为单片机在单片机技术中，每个端口都有一个特定的名称，例如第一个引脚上的端口称为“P1.0”。AT89C51单片机的功能：一、主要特点：与MCS-51兼容4K字节可编程闪存使用寿命：1000次写入/擦除周期数据保留时间：10年全静态工作：0Hz-24Hz3级程序记忆锁128*8位内存32条可编程I/O线两个16位定时器/计数器5个中断源可编程串行通道低功耗空闲和掉电模式片上振荡器和时钟电路2.引脚说明[10]（图4.5）：图4.5AT89C51管脚分配VCC：电源电压，GND：接地。P0口：P0口为8位开漏双向I/O口，每个引脚可吸收8TTL栅极电流。当端口P1的管脚第一次写1时，定义为高阻输入。P0可用作外部程序数据存储器，可定义为数据/地址的第8位。在FIASH编程中，P0端口用作原始代码输入端口。FIASH验证时，P0输出原始码。这时P0的外部必须拉高。P1端口：P1端口是一个8位双向I/O端口，提供上拉电阻。P1端口缓冲器可以接收和输出4TTL栅极电流。P1端口引脚写1后上拉高电平，可作为输入使用。当P1端口被外部拉低到低电平时，它会输出电流，这是由于该部分的上拉。在FLASH编程和验证过程中，接收P1端口作为第八个地址。P2端口：P2端口是一个带有上拉电阻的8位双向I/O端口。P2端口缓冲器可以接收和输出4个TTL栅极电流。当P2端口写“1”时，其引脚接上拉电阻，上拉电阻作为输入。因此，当它作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，电流就会输出。这是由于上拉。当P2端口用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器访问时，P2端口输出地址的高8位。当给定地址“1”时，它利用外部上拉电阻。P2口在读写外部8位地址数据存储器时，输出其特殊功能寄存器的内容。P2端口在FLASH编程和验证过程中接收高位八位地址信号和控制信号。P3口：P3口引脚为8个双向I/O口，带上拉电阻，可接收和输出4路TTL门极电流。当P3端口写“1”时，它们被拉高并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3端口将输出电流（ILL）。这是由于上拉。P3口也可以作为AT89C51的一些特殊功能口。P3端口引脚复用功能：P3.0RXD（串行输入端口）P3.1TXD（串行输出端口）P3.2/INT0（外部中断0）P3.3/INT1（外部中断1）P3.4T0（定时器0外部输入）P3.5T1（定时器1的外部输入）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）端口3同时接收一些用于flash编程和编程验证的控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，将RST引脚保持高电平两个机器周期。ALE/PROG：地址锁存使能输出电平用于在访问外部存储器时锁存地址的状态字节。在FLASH编程期间，该引脚用于输入编程脉冲。正常情况下，ALE端输出一个频率周期恒定的正脉冲信号，为振荡器频率的1/6。因此它可以用作外部输出的脉冲或用于定时目的。但请注意，当用作外部数据存储器时，将跳过ALE脉冲。要禁用ALE的输出，请将SFR8EH地址设置为0。此时ALE只在执行MOVX时有效，MOVC指令为ALE。此外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁用，则设置无效。PSEN：外部程序存储器的选通信号。在从外部程序存储器取指期间，/PSEN每个机器周期有效两次。但是在访问外部数据存储器时，这两个有效的/PSEN信号不会出现。EA/VPP：当/EA保持低电平时，在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），无论是否有程序存储器。注意当加密模式为1时，/EA会被锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，程序存储器将存储在这里。在FLASH编程期间，该引脚也用于施加12V编程电源(VPP)。XTAL1：反向振荡放大器的输入，部分时钟工作电路的输入。XTAL2：反相振荡器的输出。3.振荡器特性：XTAL1和XTAL2分别是反相放大器的输入和输出。反相放大器可以配置为芯片振荡器。石晶振和瓷振都可以。如果使用外部时钟源驱动器件，则不应连接XTAL2。输入到外部时钟信号的剩余部分要经过一个2分频触发器，所以对外部时钟信号的脉冲宽度没有要求，但是脉冲的高低电平要求的宽度必须得到保证。4.芯片擦除：整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可以通过正确组合控制信号并将ALE引脚保持低电平10毫秒来完成。在芯片擦除操作中，代码阵列全部写入“1”，并且必须在重新编程任何非空存储器字节之前执行此操作。此外，AT89C51具有稳态逻辑，可在低至零频率下为静态逻辑，并支持两种软件可选择的掉电模式。在空闲模式下，CPU停止工作。但RAM、定时器、计数器、串行端口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，RAM容量被保留，振荡器被冻结，禁用所有其他芯片功能，直到下一次硬件复位。4.4最小系统的设计4.4.1复位电路MCS-51单片机复位电路是指单片机的初始化操作。当微控制器开始运行时，需要先复位。它的作用是使系统中的CPU等部件处于一定的初始状态，并从这个状态开始工作。因此，复位是一种非常重要的操作方式。但单片机本身不能自动复位，必须配合相应的外部电路来实现。复位电路图如图4.6所示图4.6复位电路1.复位功能：复位电路的基本功能是在系统上电时提供复位信号，并在系统供电稳定后取消复位信号。为可靠起见，复位信号必须在电源稳定后经过一定延时后才能取消，以防止因电源开关或电源插头开合过程引起的抖动而引起复位。单片机的复位由外部复位电路实现。芯片复位电路是复位引脚RST通过施密特触发器与复位电路相连。施密特触发器用于抑制噪声。其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4.7（a）所示）和按键复位（如图4.7（b）所示）两种方式。(a)上电复位电路(b)按键复位电路图图4.7复位电路图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，包括使程序计数器PC=0000H，表示程序从地址单元0000H开始执行。单片机冷启动后，片内RAM为随机值，运行时的复位操作不会改变片内RAM区的内容。21个特殊功能寄存器的复位状态是一个确定值，见表4.1。值得指出的是，记住一些特殊功能寄存器在复位后的主要状态对于了解单片机的初始状态并减少应用程序中的初始化部分是必要的。说明：表4.1中的符号*为随机状态：表4.1寄存器复位后的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一个乙PSW00H00H00HTMODTCONTH000H00H00HSPDPLDPHP0—P3知识产权IE07H00H00HFFH***000000B0**000000BTL0TH1TL1SBUFSCONPCON00H00H00H00H0********结束PSW=00H，表示选择寄存器0组为工作寄存器组；SP=07H，表示堆栈指针指向sliceRAM的07H字节单元，根据堆栈操作，将第一个压入的内容写入In单元08H；Po-P3=FFH，表示每个端口线都写了1，此时每个端口都可以用于输入和输出。IP=×××00000B，表示每个中断源为低优先级；IE=0××00000B，表示关闭所有中断；系统复位是任何微机系统执行的第一步，使整个控制芯片在硬件状态下恢复到默认状态。51MCU的复位由RESET引脚控制。该引脚接高电平超过24个振荡周期后，51单片机进入芯片复位状态，一直在该状态等待，直到RESET引脚。转低电平后，检查EA引脚是高电平还是低电平，如果是高电平，则执行芯片部分的程序代码，如果是低电平，则执行外部程序。51单片机复位系统时，其部分的一些重要寄存器被设置为特定值，RAM部分的数据不变。4.4.2晶振电路晶振（图4.8）是晶振的简称。在电气上，它可以相当于一个电容和一个电阻并联然后一个电容串联的两端网络。在电气上，这个网络有两个谐振点。低频为串联谐振，高频为并联谐振。AT89C51单片机有一个高增益反相放大器，用来组成振荡器。引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入和输出。该放大器与作为反馈元件的片外晶体谐振器一起形成了一个自由运行的振荡器。外部晶体谐振器与电容器C1和C2连接形成并联谐振电路，连接到放大器的反馈回路。虽然对外接电容的值没有严格要求，但电容的大小会影响振荡器的频率、振荡器的稳定性、启动的快慢和温度的稳定性。因此，本系统电路的晶振取值为12MHz，电容应尽量选用，电容值为30μF左右。焊接电路板时，晶振和电容应尽量靠近单片机芯片安装，以减少寄生电容，更好地保证振荡器稳定可靠工作。晶振电路如图4.8所示：晶振有一个重要的参数，就是负载电容值。通过选择一个与负载电容值相等的并联电容，可以得到晶振的标称谐振频率。图4.8晶振电路4.5LED显示部分电路设计4.5.1LED的基本结构LED是LightEmittingDiodeDisplay的简称。LED因其结构简单、价格低廉、与单片机接口方便等优点而得到广泛应用。LED显示屏是由若干个发光二极管组成的显示器件，用于显示领域。七段数码管是单片机中使用最多的。LED七段数码管由8个发光二极管组成显示场，其中7个长条状发光二极管呈“日”字形排列，另外一个点状发光二极管呈“天”字形排列。用作显示屏右下角的小数点。可以使用不同的组合来显示不同的数字。LED引脚排列如下图4.9所示。图4.9LED引脚排列4.5.2LED显示屏的选择在应用系统中，设计要求不同，使用的LED显示屏数量也不同。因此，生产了不同位数、尺寸和型号的LED显示屏供选择。在本设计中，选择了4位集成数字LED显示屏。，简称“4-LED”。在本系统中，第一位表示电压的整数位，即个位，最后一位表示速度的小数位。4-LED显示管脚如图4.10所示，为共阴接法的4位LED数码管，其中a、b、c、e、f、g为4路各段的公共输出端-digitLED，1、2、3、4为每一位的选位端，dp为小数点引出端。4位一体式LED数码管的结构是由4个独立的LED组成。每个LED的段输出引脚各部分并联后引出到器件外部。图4.104位LED引脚对于这种结构的LED显示屏，其体积和结构都符合设计要求。由于4位LED阴极的段已经连在一起了，所以必须采用动态扫描的方式（将所有数码管的段选择线相互并联）。一起，与一个I/O接口控制）显示。4.5.3LED解码方式解码方法是指将显示的字符转换为对应的域代码的方法。对于LED数码管显示屏，通常的解码方式包括硬件解码和软件解码。硬件解码是指利用特殊的硬件电路来实现显示字符代码的转换。软件译码是编写软件译码程序，通过译码程序得到要显示的字符的域码。解码程序通常是一个查表程序。在本设计系统中，为了简化硬件电路设计，通过软件编程实现LED解码。由于本设计采用共阴极LED，相应的字符和域代码如下表4.2所示。表4.2共阴极场代码表显示字符共阴极场代码03FH106H25BH34FH466H56DH67DH707H87FH96FH4.5.4LED显示屏与MCU接口设计由于单片机的并口不能直接驱动LED显示屏，一般情况下，必须使用专用的驱动电路芯片，产生足够大的电流，才能使显示屏正常工作。如果驱动电路能力差，即负载能力不足时，显示亮度会低，长时间过载容易损坏驱动电路。因此，LED显示屏的驱动电路设计是一个非常重要的问题。为了简化运行速度检测电路的设计，在LED驱动电路的设计中，使用了一个三极管来放大输入位选择端的电压，以及位选择端口k1/k2/的驱动能力。增大k3/k4，使LED可以处于正常亮度。显示数字。电路图如图4.11所示。图4.11LED与单片机接口之间的设计5系统软件设计硬件电路完成后，进行系统软件设计。首先要分析系统的软件需求，然后进行软件的整体设计，包括程序的整体设计和程序的模块化设计。根据整体功能分为几个不同的模块，分别进行设计、编程和调试，然后对各个模块进行组装和调试，形成一个完整的软件。根据设计要求，单片机的任务是对零件进行计数，计算出速度后显示出来。软件编程使用C语言完成，需要掌握C语言，熟练使用AT89C51单片机。从程序流程图，编写程序，编译，到最后的调试，都非常复杂。下面简单介绍一下：系统软件主程序的作用是完成系统的初始化和显示程序。5.1主程序初始化1.定时器的初始化AT89C51有两个定时器/计数器T0和T1，每个定时器/计数器可以设置为16位或13位进行计时或计数。计数器的作用是对T0或T1的外部脉冲进行计数。当外部输入脉冲为负跳变时，计数器加1。计时功能是通过计数器的计数来实现的。每个机器周期产生1个计数脉冲，即每个机器周期计数器加1，所以计时时间等于计数次数乘以机器周期。定时器工作时，每收到一个计数脉冲（或机器周期），就会在设定的初值基础上自动加1。当所有位都为1时，加1会导致溢出，这将提升到CPU。请定时器溢出中断。当定时器采用不同的工作模式，设置不同的初始值时，溢出中断的计时值和计数值会有所不同，以适应不同的计时或计数控制。定时器有4种工作模式：模式0、模式2、模式2和模式3，工作模式在此不再赘述。工作模式寄存器TMOD[12]：门C/TM1-M0门C/TM1M0TMOD位的含义如下：GATE：门控位用于控制定时器/计数器的启动是否受外部中断请求信号的影响。C/T：定时或计数模式选择位，当C/T=1时，工作在计数模式；当C/T=0时，工作在计时模式。M1和M0为工作模式选择位，用于选择T0的四种工作模式和T1的三种工作模式。选择条件如表5.1所示：M1M0=00为模式0；M1M0=01为模式1；表5.1M1和M0为工作模式选择位莫M1工作方式方式描述00110101012313位定时器/计数器16位定时器/计数器8位自动复位定时器/计数器两个8位定时器/计数器（只有T0有）2.中断使能控制MCS-51单片机没有专门的开启和关闭中断指令，每个中断源的内容和屏蔽由内部中断使能寄存器IE的位控制。中断使能寄存器IE的字节地址为A8H，可以位寻址。表5.2中断位寻址表IED7D6D5D4D3D2D1D0(A8H)EAET2ESET1EX1ET0EX0EA：中断使能主控制位。EA=0，阻塞所有中断请求；EA=1，打开中断。ET2：定时器/计数器T2溢出中断使能位ES：串口中断使能位。ET1：定时器/计数器T1溢出中断使能位。EX1：外部中断INT1的中断使能位。ET0：定时器/计数器T0溢出中断使能位。EX0：外部中断INT0的中断使能位。5.2主程序流程图程序流程图一、主程序流程图5.1图5.1流程图2.显示子程序流程图5.2图5.2显示子程序流程图总结采用单片机和光电传感器技术实现测速，可快速测量显示速度，提高测速精度。设计简单，易于在工业等领域使用，成本低。对于单片机和光电传感器领域，技术研究很完善，技术比较成熟，解决问题的能力不高，对原有性能特点没有明显要求，可以集成与其他设备配套使用，适用范围广。和广阔的应用前景。基于单片机的测速系统具有硬件电路简单、程序简单、运算速度快、测速范围宽、抗干扰性能好等特点。由于能力所限，本课题在以下几个问题上需要进一步完善：1、在设计的信号处理电路中滤波后，可以进一步降低误差，提高测速精度。2、采用多组光电传感器，可进一步提高测速精度和准确度。3、本课题不考虑报警链路的设计。4.本课题未进行模拟。如果进行仿真，设计会更加完美。至经