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1、word摘 要本文设计了一个客车超载监控系统，以MCS-51单片机为核心，利用反射式红外传感器、方向识别电路、报警电路、锁定电路设计，能够通过键盘手动设置乘客人数的上限值，并用LED显示器显示车的实时乘客人数。当客车人数超载时，系统发出声光报警，并通过继电器切断客车的电子启动装置，从而将汽车锁定，使之无法行驶。当超载解除后，声光报警也相应的解除，客车锁定解除，可以正常运行。本设计共分两局部，硬件系统设计和软件系统设计。硬件局部利用红外传感器和方向识别电路将乘客的上、下车情况进展检测和判断并输入单片机系统。经过单片机系统将处理的数据送LED显示，声光报警电路由蜂鸣器和发光二极管组成，用继电器实现
2、对客车启动装置的锁定。软件局部用汇编语言进展编程，采用模块化设计思想。该系统通过调试后，能够较好的完成客车超载的预警提示，并对超载情况进展相关控制。关键词：客车；超载；监控；单片机45 / 48Intelligent Passenger Overload Detection System DesignAbstract:This paper illustrates the design of a carriage overload monitoring system.MCS-51 MCU as core is used to design hardware circuit and softwar
3、e.In this subject we use infrared sensors,identify circuit and alarm-circuit latch circuit to design a carriage overload monitoring system that enables the keyboard to manually set limits on the number of passengers and can use LED at the same time to display the number of passengers inside.If the p
4、assenger overloading,the sound and light alarm system cuts off the bus through the electronic launch devices.By doing this,the overload monitoring system can lock the car,so that the car cant be started.When the overload is canceled,the sound and light warning is canceled. The bus is also unlocked a
5、nd can be operated normally.The design is divided into two parts, hardware system design and software system design .The hardware systems parts uses infracted sensors and identify circuit to detect and judge the situation whether the passengers are getting on or off the bus .This system can display
6、the number of passengers on LED. The sound and light alarm circuit is posed of buzzer and LEDs, the lock function of the buss launch devices achieves by using the relay unit. Assemble language is used in the software system and modularization design idea is adopted .The monitor system can plete an a
7、larm beforehand for overload, meanwhile the mutuality control will be adopted.Key words:carriage;overloading;monitoring; SCM(single chip micro puter)目 录第1章 绪 论11.1立题的意义11.2课题研究任务与目标21.3课题主要容2第2章 客车超载检测系统的方案论证42.1系统的原理42.2系统的组成4第3章 客车超载监控系统的硬件设计63.1客车超载监控系统的检测电路63.1.1传感器的选择63.1.2反射式红外传感器检测原理73.1.3方向识
8、别电路的设计83.1.4 双D触发器103.1.5 7406 芯片103.2单片机最小系统的设计133.2.1单片机的选择133.2.2单片机外围电路的设计153.3显示电路的设计173.3.1 7407集电极开路六正相高压驱动器1719203.4键盘电路的设计213.5报警电路的设计223.6客车锁定电路的设计2324第4章 客车超载监控系统的软件设计264.1客车超载监控系统的软件设计方案264.2 T0、T1中断计数程序的设计284.3按键子程序的设计294.4报警与锁定子程序的设计304.5显示子程序的设计31结 论33致 谢34参考文献35附录I 客车超载监控系统硬件系统原理图37附
9、录 客车超载监控系统程序清单38附录III 客车超载监控系统元器件清单44第1章 绪 论立题的意义随着生活水平的不断提高，人们外出打工、探亲、旅游的人数越来越多，尤其是节假日，而与此相关的公路客运长途客车，旅游客车等的运力却没有相应增加，致使超员现象频频出现。目前，它已成为一个严重影响交通运输环境和社会经济可持续开展的社会问题。客车超载对国家的公路设施和客运市场造成了不良的影响，也影响车辆本身和车辆的驾驶、控制，容易引发事故，我们都知道车辆超载运输并且长期处于超负荷状态，就会导致车辆的制动装置和操作系统等安全性能迅速下降，表现为轮胎变形爆胎，刹车失灵，转向器轻飘抖动，钢板弹簧折断，半轴断裂等等
10、。而客车一旦发生事故，给国家和百姓带来重大的经济损失和感情伤害。目前，国家虽然出台了一系列的政策法规来制止客车超载，各地政府也制定了相关的制度来对客车超载进展管理，在一定程度上减少了客车超载现象，但在节假日等客流顶峰期，超载现象还是屡禁不止。在采取行政监视管理的同时，通过科学技术的手段来消除客车超载的现象也有着极其重要的意义和实用性。单片机作为微型计算机的一个很重要的分支，是将CPU、存储器、总线、I/O接线口电路集成在一片超大规模集成电路芯片上。自问世以来，以其极高的性价比，受到人们的重视和关注，应用很广，开展也很快。因此它广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管
11、理与过程控制等领域，大致可分如下几个畴：(1)在智能仪器仪表上的应用单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。(2)在工业控制中的应用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。在家用电器中的应用现在的家用电器根本上都采用了单片机控制，从电饭褒、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不在
12、。在计算机网络和通信领域中的应用现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进展数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备根本上都实现了单片机智能控制，从手机、机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动、集群移动通信、无线电对讲机等。单片机在医用设备领域中的应用单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备与病床呼叫系统等。因此单片机的出现应用于监测系统后，智能化的监测系统的模型也就根本具备了。单片机以其兼容性强，软件、硬件应用设计资源资料丰富，以与极高的性能价格比受到人们
13、的重视和关注。单片机以与外围芯片的不断开展促进了超载、超量监测系统的开展。以单片机为核心的智能监控系统以其体积小，抗干扰能力强，对环境的要求不高，价格低廉，可靠性高，开发较为容易，并可获得较高的经济效益等特点，很快占有了监控器领域的市场,所以其应用很广，开展很快。因此本课题正是基于此点，采用单片机为核心的智能监控系统可以对客车乘客人数的统计，并通过LED显示器实时显示。当客车出现超载时，系统进展声光报警。同时通过继电器关闭客车的启动装置来阻止超载客车的运行。反之，当超载解除后，声光报警被解除，系统也相应解除对客车的锁定，客车可正常运行，从而达到了智能监控客车超载的要求，大大减少因超载而发生交通
14、事故，使乘客的生命财产安全得到有效的保障。课题研究任务与目标本课题主要任务是以MCS-51单片机为控制核心，能够自动检测车乘客的人数并用LED即时显示，通过键盘设置超载人数的上限值，一旦客车超载时能进展声光报警，同时锁定客车的启动装置。它的硬件电路局部主要包括检测电路红外传感器和方向识别电路、键盘电路、显示电路、控制电路和报警电路五大局部。其中，主要研究容为：红外检测技术、运动方向识别电路、LED数码管的显示、单片机控制系统等。该设计技术指标如下：能够完成车厢人数的显示，并用LED即时显示超载人数的上限值可以通过键盘设置默认人数为30客车一旦超载时将发出声光报警信号，并关闭汽车的启动装置。光报
15、警信号要实现1S闪烁功能，声音报警电路要产生1kHz音频信号驱动蜂鸣器完成。1.3课题主要容本文主要介绍了客车超载监控系统的软硬件设计思想、各功能的实现方法、相应的电路原理、以与各元器件性能型号的选择，容主要分为两局部：第一局部是硬件的设计，包括硬件电路方案的设计、元器件的选择等，具体的硬件电路包括检测电路传感器和方向识别电路，AT89C51单片机的最小系统电路、键盘输入电路、LED显示电路、声光报警电路、锁定电路等。以硬件来完成具体的功能使整个系统完整，并达到最终可以准确的检测客车超载检测的最终目的。第二局部是软件的设计，软件设计采用模块化的思想，逐步完善设计功能，初步绘制出电路图和程序的流
16、程图。以软件配合硬件，使其可以利用软件来使硬件相互关联、相互辅助，使整个设计完整。第2章 客车超载检测系统的方案论证系统的原理本课题所设计的客车超载监控系统主要是防止因人数超载而引发的交通事故，所以本系统应该具备对乘客上、下车动作的智能检测，通过单片机来处理传感器获取的信息，可以自动统计客车上、下乘客的具体人数，能用LED来进展即时的数字显示。当客车的实际人数超过设置的预定数值的上限值时，检测系统将自动进展声光报警，同时客车的启动装置也将会被锁定，这样可以有效地阻止超载情况的发生，从而降低因超载而引发的交通事故。本系统中智能检测的方法显得尤为重要。其中，智能检测包括两局部：第一是检测模块局部。
17、通过E3F-DS30C4反射式红外传感器和双D触发器对乘客的上、下车动作进展检测和判断。第二是数据统计局部。由单片机对接收的脉冲信号进展相应的加减计数运算，即完成统计乘客人数的功能。只有对车人数准确的监视，才能判断出是否超载，来防止交通事故的发生，从而达到防患于未然的现实意义。系统的组成系统结构框图如图2.1所示。主要包括：检测电路红外传感器和方向识别电路、键盘电路、单片机系统、LED显示电路、继电器控制电路、报警电路六局部。红外传感器红外传感器双D触发器组成的互锁电路单 片 机 键 盘 输 入数码管显示电路继电器控制电路声光报警电路图2.1 系统的总体设计框图系统各局部的根本功能简介如下：
18、反射式红外传感器该传感器是一种集发射器和接收器于一体的传感器，当探测器前方有障碍物时，物体将光电开关发射器发射的足够量的光线反射到接收器，于是光电开关就产生了开关信号。当探测器前方没有障碍物时，探测器输出端输出高电平，当检测到障碍物时，探测器输出端输出低电平。因此，当有乘客经过车门完成一个上车或者下车的动作时就会产生脉冲信号，这样就完成了对乘客上、下车动作的检测，实现了将动作信号转换成电信号的功能。 方向识别电路方向识别电路是由双D触发器组成的双稳态电路，它可以通过自身的逻辑电路，来实现辨向的功能。方向识别电路与单片机的T0 、T1口相连，当乘客上车时会产生一个相应的负脉冲信号，把其接入T0端
19、作为乘客上车动作信号的输入端，从而实现区分乘客运动方向的功能。同理，当乘客下车时也会产生一个相应的负脉冲信号，把其接入T1端，即T1端作为乘客下车动作信号的输入端。 单片机系统单片机是本系统的核心元件，它实现了对传感器所采集的信号的判断和处理，控制硬件局部的键盘电路、显示电路、报警电路从而完成客车超载的智能监控。 键盘键盘采用4个独立式的按键来手动设置客车乘客人数的上限值，系统的复位。 LED 显示电路该电路用两位共阴极 LED 数码管来即时显示，其系统开始时显示预置上限人数，当系统进入监控阶段如此显示客车乘客的即时人数。 继电器在该系统中用继电器来模拟客车的启动装置。假如继电器断开，如此代表
20、客车已被锁定无法开启；假如继电器闭合如此代表客车恢复正常的启动，可以运行。 报警电路报警电路由蜂鸣器和发光二极管组成，当接收到单片机的命令时进展相应的声光报警和解除报警。第3章 客车超载监控系统的硬件设计系统的硬件设计是该系统设计成功与否的根底。按照系统设计的总体方案，本设计采用模块化的设计思想。硬件设计的主要组成局部：检测电路、单片机最小系统电路、LED显示电路、继电器控制电路、声光报警电路、键盘输入电路。客车超载监控系统的检测电路在客车超载监控系统的检测电路中主要有：传感器的选择、反射式红外传感器检测原理、方向识别电路的设计。3.1.1传感器的选择在本系统中传感器的主要作用是完成上、下车乘
21、客动作信号的检测，因而在对传感器选择时应尽量考虑实际需求。其中包括适当的监测围、灵敏度、调理电路简单、高性价比等。常用的传感器有反射式红外传感器、超声波式传感器、激光雷达和MMW雷达等。几种传感器的优缺点进展比拟如表所示。表 3.1 传感器性能比拟传感器类型优 点缺 点超声波价格合理，夜间不受影响测量围小，对天气变化敏感红外线能直接测量，价格廉价探测距离较近视觉易于多目标测量和分类，分辨率好算法复杂，处理速度慢激光雷达价格相合理，夜间不受影响对水、灰尘、灯光敏感MMW雷达不受灯光、天气影响价格贵其中超声波传感器的根本原理是超声波的直线传输特性。传感器有一个超声波发射端，上电后发射超声波，另有一
22、个超声波接收端，如果前方有障碍物，超声波反射回来被接收端接收，并在输出端输出一个响应的电平信号。该方法被广泛应用于移动机器人的研究上。其优点是价格合理，易于使用，且在10m以能给出准确的测量。但是超声波传感器的工作原理基于声，即使可以使之测达100m远，但可能在传输中受到其它信号的干扰，所以不能用于本系统。视觉传感器在CW系统中使用得非常广泛。其优点是尺寸小，价格合理，在一定的宽度和视觉域可以测量定多个目标，并且可以利用测量的图像根据外形和大小对目标进展分类。但是算法复杂，处理速度慢。雷达传感器在军事和航空领域已经使用了几十年。主要优点是可以鲁棒地探测到障碍而不受天气或灯光条件限制。近十年来随
23、着尺寸与价格的降低，在汽车行业开始被使用，但是仍存在性价比的问题。本设计采用的是一种集发射与接收于一体的光电传感器。检测距离可以根据要求进展调节。该传感器具有探测距离远、受可见光干扰小、价格廉价、易于装配、使用方便等特点，可以广泛应用于机器人避障、流水线计件等众多场合。该漫反射型光电开关检可以检测前方3-80cm(可以调节；工作电压为5V直流电压。工作电流小于10mA；输出驱动电流为100mA； 使用温度围为4070；这是一种应用最为广泛的光电开关，它的直径为17mm，固定时只要在设备外壳上打一个17mm的园孔就能轻松固定，长度约45mm，引线长度为45mm。3.1.2反射式红外传感器检测原理
24、漫反射式光电开关是一种集发射器和接收器于一体的传感器，当有被检测物体经过时，物体将光电开关发射器发射的足够量的光线反射到接收器，于是光电开关就产生了开关信号。当被检测物体的外表光亮或其反光率极高时，漫反射式的光电开关是首选的检测模式。漫反射式光电开关工作示意图如下列图。E3F-DS30C4发射返回漫反射光电开关被检测物体图3.1 漫反射式光电开关工作示意图测量电路也是传感器组成的一局部。由于传感器由敏感元件和转化元件组成，但转化元件输出的电量常常难以直接进展显示、记录、处理和控制。这时就需要将其进一步变化成可直接利用的电信号，而传感器中完成这一功能的局部称为测量电路。随着集成电路技术的开展，传
25、感器的测量电路也逐渐开始集成芯片化。一般需要辅助电源供电。测量电路的选择视转化元件的类型而定，常采用的有电桥电路、脉宽调制电路、振荡电路、高输入阻抗电路。红外传感器采用E3F-DS30C4型光电开关，该传感器为漫反射式光电开关，漫反射式光电开关发出的光线需要经检测物外表才能反射回漫反射开关的承受器，所以检测距离和被检测物体的外表反射率将决定承受器接收到光线的强度。粗糙的外表反射回的光线强度必将小于光滑外表反射回的强度，而且被检测物体的外表必须垂直于光电开关的发射光线。当无检测物体时，常开型的光电开关所接通的负载由于光电开关部的输出晶体管的截止而不工作，当检测到物体时晶体管导通，负载得电工作。该
26、传感器探测距离为3-80cm，根据实际需要把车门两个传感器的探测距离调整为40cm。3.1.3方向识别电路的设计在该系统的设计中，传感器单元的功能是检测乘客经过车门的动作信号，但是对乘客的具体上、下车的动作不能作出判断，因而采用方向识别电路对传感器的输出信号进展区分、判断就成为了一个必要的环节。在本课题的设计中，反射式红外传感器安装在客车车门附近，其具体安置方法如下列图。上车方向车 门传感器1传感器2下车方向车厢内 车厢外图 3.2 检测传感器安放图本系统对方向识别电路的设计采用了双D触发器，实现了对乘客方向的识别。方向识别电路如下列图。 R1 /Q1CLK1 Q1D1 S1D2 S2 Q2C
27、LK2 /Q2 R2传感器1传感器2INT1INT074F0674F0674F0674F06+5V图3.3区分方向电路图图3.4 区分方向DXP电路图如图3.4所示，将双D触发器的复位端分别与7406相连。由于双D触发器的置位端为低电平有效，将置位端接+5V电压，从而对置位信号进展屏蔽。将D触发器的端与端连接起来，这样D触发器的特征方程为。当时钟信号CLK=0时，D触发器的端和端保持逻辑状态不变；当CLK=1时，即D触发器时钟信号的上升沿到达时，端和端的状态要进展翻转，转变成相反的逻辑状态。其特性表如表3.2所示。表3.2 边沿触发器特性表CRSD0101010111001111当没有乘客经过
28、车门时，传感器1、2均输出为高电平,经74F06 反相处理后，输出为低电平。触发器的复位端和置位端为低电平有效，在本设计中对触发器的置位端接入+5V进展屏蔽。在没有乘客上车时，两个D触发器的时钟信号CLK1、CLK2均等于0, =0,=0,D1=0,D2=0。如图3.2所示，当有乘客上车时，乘客先经过1号传感器，此时传感器1输出信号为低电平，经第一个74F06后变为高电平，CLK1=0,CLK2=1；D1=0，D2=1；=0，=1,即的状态发生翻转。当乘客离开1号传感器时，由于此时CLK1=0, D1=0,R1=1，D1触发器的和端状态将会保持不变，CLK2=0, R2=1,=1也保持为高电平
29、状态。当乘客进入2号传感器的检测围时，传感器2输出信号为低电平，这样CLK1=1，CLK2=0；D1=1，D2=1；R1=1，R2=0；和逻辑状态要进展翻转=0，的状态仍保持不变。在上车这一过程中，只有和状态发生了变化，从低电平变为高电平再变为低电平。这样就产生了一个可由单片机T0端识别的脉冲信号。根据本电路的设计，T0端为乘客上车动作信号的输入端，从而实现了区分乘客运动方向的功能。同理，当乘客下车时也会产生一个相应的脉冲信号接入T1端，在本设计中T1端是乘客下车动作信号的输入端。3.1.4 双D触发器在电子技术中，N/2(N为奇数)分频电路有着重要的应用，对一个特定的输入频率，要经N/2分频
30、后才能得到所需要的输出，这就要求电路具有N/2的非整数倍的分频功能。CD4013 是双D触发器，在以CD4013为主组成的假如干个二分频电路的根底上，加上异或门等反应控制，即可很方便地组成N/2分频电路。工作原理: SD 和RD 接至根本RS 触发器的输入端，它们分别是预置和清零端，低电平有效。当SD=0且RD=1时,不论输入端D为何种状态，都会使Q=1，Q=0，即触发器置1；当SD=1且RD=0时，触发器的状态为0,SD和RD通常又称为直接置1和置0端。我们设它们均已参加了高电平，不影响电路的工作。工作过程如下： (1)CP=0时，与非门G3和G4封锁，其输出Q3=Q4=1，触发器的状态不变
31、。同时，由于Q3至Q5和Q4至Q6的反应信号将这两个门打开，因此可接收输入信号D，Q5=D，Q6=Q5=D。 (2)当CP由0变1时触发器翻转。这时G3和G4打开，它们的输入Q3和Q4的状态由G5和G6的输出状态决定。Q3=Q5=D，Q4=Q6=D。由根本RS触发器的逻辑功能可知，Q=D。(3)触发器翻转后，在CP=1时输入信号被封锁。这是因为G3和G4打开后，它们的输出Q3和Q4的状态是互补的,即必定有一个是0，假如Q3为0，如此经G3输出至G5输入的反应线将G5封锁，即封锁了D通往根本RS 触发器的路径；该反应线起到了使触发器维持在0状态和阻止触发器变为1状态的作用,故该反应线称为置0维持
32、线,置1阻塞线。Q4为0时，将G3和G6封锁，D端通往根本RS触发器的路径也被封锁。Q4输出端至G6反应线起到使触发器维持在1状态的作用，称作置1维持线；Q4输出至G3输入的反应线起到阻止触发器置0的作用,称为置0阻塞线。因此，该触发器常称为维持-阻塞触发器。总之，该触发器是在CP正跳沿前承受输入信号，正跳沿时触发翻转，正跳沿后输入即被封锁,三步都是在正跳沿后完成，所以有边沿触发器之称。与主从触发器相比,同工艺的边沿触发器有更强的抗干扰能力和更高的工作速度。脉冲特性: (1)建立时间:由于CP信号是加到门G3和G4上的,因而在CP上升沿到达之前门G5和G6输出端的状态必须稳定地建立起来。输入信
33、号到达D端以后，要经过一级门电路的传输延迟时间G5的输出状态才能建立起来,而G6的输出状态需要经过两级门电路的传输延迟时间才能建立,因此D端的输入信号必须先于CP的上升沿到达，而且建立时间应满足： tset2tpd。 (2)保持时间：为实现边沿触发,应保证CP=1期间门G6的输出状态不变,不受D端状态变化的影响。为此，在D=0的情况下，当CP上升沿到达以后还要等门G4输出的低电平返回到门G6的输入端以后,D端的低电平才允许改变。因此输入低电平信号的保持时间为tHLtpd。在 D=1的情况下，由于CP上升沿到达后G3的输出将G4封锁，所以不要求输入信号继续保持不变,故输入高电平信号的保持时间tH
34、H=0。 (3)传输延迟时间：从CP上升沿到达时开始计算,输出由高电平变为低电平的传输延迟时间tPHL和由低电平变为高电平的传输延迟时间tPLH分别是:tPHL=3tpd tPLH=2tpd (4)最高时钟频率：为保证由门G1G4组成的同步RS触发器能可靠地翻转，CP高电平的持续时间应大于 tPHL,所以时钟信号高电平的宽度tWH应大于tPHL。而为了在下一个CP上升沿到达之前确保门G5和G6新的输出 电平得以稳定地建立，CP低电平的持续时间不应小于门G4的传输延迟时间和tset之和，即时钟信号低电平的宽度tWLtset+tpd.3.1.5 7406 芯片六高压输出反相缓冲器/驱动器OC，30
35、V简要说明：54/7406为集电极开路输出的六组反相驱动器，其主要电特性的典型值如下表3.3 7406电特性低电平到高延时高到底延时Pd10ns15ns155mW1A6A 输入端1Y6Y 输出端图3.5 双列直插封装工作原理：集成运放有同相输入端和反相输入端，同向和反向是指运放输入电压和输出电压的相位关系。由于电路要求，应采用集成运放的反相输入端，输入电压Ui通过R作用到集成运放的反相输入端，所以会得到Uo与Ui反相，同相输入端通过R接地，R为补偿电阻，可以来保证集成运放输入级差分放大电路的对称性。电路通过电阻Rf引入负反应。因为数模转换器输出的是负电压，所以设置反相电路可以将其转换为正电压。
36、单片机最小系统的设计单片机的选择单片机模块主要用来实现对上、下车人数的加、减计数。单片机模块在设计中，考虑到系统中的程序量和数据量较少，需要I/O口资源也相对较少，AT2MEL公司的AT89C51芯片的资源就能很好的满足系统的需求，所以在系统设计中采用了MCS-51系列单片机AT89C51芯片的最小系统来实现。我们选用ATMEL公司89系类的标准型单片机AT89C51,AT89C51是一种低功耗、高性能的8位单片机，片带有一个4K字节的FLASH可编程可擦除只读存储器(EPROM),它采用了CMOS工艺和ATMEL公司的高密度非易失性存储器(NURAM)技术，而且其输出引脚和指令系统都与MCS
37、-51兼容。另外，AT89C51还具有MCS-51系类单片机的所有优点。128*8位部RAM，32位双向输入输出线，两个十六位定时/计时器，5个中断源，两级中断优先级，一个全双工异步串行口与时钟发生器等。片的FLASH存储器允许在系统改编程序或用常规的非易失性存储器来编程。因此AT89C51是一种功能强、灵活性高且价格合理的单片机，它可方便地应用在各个领域。89C51引脚图如下列图。图3.6 AT89C51芯片引脚图下面介绍89C51的主要引脚功能如下：(1)VCC40：电源+5V；(2)VSS20：接地；(3)P0口32-39：双向I/O口，既可作低8位地址和8位数据总线使用，也可作普通I/
38、O口；(4)P3口10-17：多用途端口，既可作普通I/O口，也可按每位定义的第二功能操作；(5)P2口21-28：既可作高8位地址总线，也可作普通I/O口；(6)P1口1-8： 准双向通用I/O口；(7)PSEN：外程序存储器选择线；(8)XTAL119和XTAL218：外接石英晶体振荡器；(9)RST9：复位信号输入端，高电平有效；(10)ALE/PROG30：地址锁存允许信号；(11)31：、外程序存储器控制端；由于本系统需要用到单片机部的计数器，所以在这里有必要介绍定时/计数器的工作原理，定时/计数器的结构图如下列图。图3.7 定时/计数器的结构原理图从定时/计数器的结构图中我们可以看
39、出，16位的定时/计数器分别由两个8位专用存放器组成，即：T0由TH0和TL0构成；T1由TH1和TL1构成。其访问地址依次为8AH-8DH。每个存放器均可单独访问。这些存放器是用于存放定时或计数初值的。此外，其部还有一个8位的定时器方式存放器TMOD和一个8位的定时控制存放器TCON。这些存放器之间是通过部总线和控制逻辑电路连接起来的。TMOD主要是用于选定定时器的工作方式；TCON主要是用于控制定时器的启动停止，此外TCON还可以保存T0、T1的溢出和中断标志。当定时/计数器用作计数器时，计数脉冲来自相应的外部输入引脚T0或T1。当输入信号产生由1到0的负跳变时，计数器的值加1。每个机器周
40、期的S5P2期间，对外部输入引脚进展采样。如在第一个机器周期中采得的值为1，而在下一个周期中采得的值为0，如此在紧跟着的再下一个周期S3P1的期间，计数器加1。由于确认一次负跳变要花两个机器周期，即24个振荡周期，因此外部输入的计数脉冲的最高频率为系统振荡器频率的1/24。本课题选用MHz频率的晶体，允许输入的脉冲频率为500MHz。由于本课题所利用的是计数器T0、T1，并且是工作在工作方式2。所以以下重点介绍工作方式2的特点。工作方式2是自动恢复初值的8位计数器，可以将计数器的计数初值设为0FFFFH，当计数器加1产生溢出中断后执行中断子程序，TLX作为常数缓冲器，当TLX计数溢出时，在置“
41、 1溢出标志TFX的同时，还自动地将THX中的初值送至TLX，以便TLX从初值重新开始计数。这种工作方式可以省去用户软件中重装初值的程序，所以，工作方式2是一种不需重装初值的计数器，这就给软件系统中T0、T1中断子程序中反复利用计数溢出产生中断带来了方便。由单片机硬件设计原理可知：第一，尽可能采用功能强的芯片，以简化电路；第二，留有余地。在设计硬件电路时，要考虑到将来修改、扩展的方便。 晶振电路89C51单片机的时钟可以两种方式产生，一种是部方式，利用芯片部的振荡电路；另一种方式为外部方式。本系统采用部时钟电路。单片机部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此
42、放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反应元件的片外晶体或陶瓷谐振器一起构成一个自激振荡器。图3.8是89C51片振荡器电路。89C51虽然有部振荡电路，但要形成时钟，必须外接元件，图3.9是部时钟方式的电路。外接晶体在频率稳定性不高，而尽可能要求廉价时，可选用陶瓷谐振器以与电容CX1和CX2构成并联谐振电路，接在放大器的反应回路中。对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响振荡频率的上下，外接陶瓷谐振器时，CX1和CX2的典型值约为47pF。z12MHz之间任选，电容CX1和CX2的典型值在20pF100pF之间选择，在本课题中CX1和CX2选择值为30pF。晶体的振荡频率越高，
43、如此系统的时钟频率也就越高，单片机的运行速度也就越快。为了提高温度稳定性，应采用温度稳定性能好的NPO高频电容。在本课题中晶振采用1MHz。图3.8 89C51片振荡器电路图图3.9 部时钟方式电路图复位电路89C51的复位输入引脚RST即RESET为89C51提供了初始化的手段。有了它可以使程序从指定处开始执行，即从程序存储器中的0000H地址单元开始执行程序。在89C51的时钟电路工作后，只要在RST引脚上出现两个机器周期以上的高电平时，单片机部如此初始复位。只要RST保持高电平，如此89C51循环复位。只有当RST由高电平变成低电平以后，89C51才从0000H地址开始执行程序。复位电路
44、如下列图。GND89C51RSTCR1R2VCC图3.10 单片机复位电路图当89C51的RST引脚为高电平时，单片机复位。本系统采用的复位电路如图3.10所示,其复位可分为两种方式，即上电复位和手动按键复位。在接通电源时，系统的复位为上电复位方式，复位电路是电容C和电阻组成的微分电路，此时电容C相当于被瞬间短路，RST端输入为高电平，持续时间取决于电容的充电时间，而微分电路的时间常数=C，选择=1K，C=22F可以满足RST引脚持续出现两个机器周期的正脉冲的需要。当按键按下时，复位电路工作在按键复位方式，RST端电压为：3.1由于手动按键复位的按键时间，其电平一般都能使脉冲宽度维持10ms以
45、上，所以对单片机的RST端能持续提供高电平以确保单片机可靠的复位。本课题中为单片机提供的复位高电平约为+4.5V，经设计=200，=1K，C=22F。单片机复位后，P0到P3并行I/O口全为高电平，其它存放器全部清零，只有SBUF存放器状态不确定。3.3显示电路的设计显示电路主要由7407 集电极开路六正相高压驱动器和两位共阴极LED构成，其中7407主要增加驱动LED的能力，显示由两个共阴极数码管来完成。本设计以P0作为码段输出口，P2口的前两位作为位选口，以动态方式实时显示数据。3.3.1 7407集电极开路六正相高压驱动器六高压输出反相缓冲器/驱动器OC，30V简要说明：54/7406为
46、集电极开路输出的六组反相驱动器，其主要电特性的典型值如下表3.4 7406电特性低电平到高延时高到底延时Pd6ns20ns125mW1A6A 输入端1Y6Y 输出端1 双列直插封装极限值: 电源电压：7V； 输入电压：5.5V； 输出截止态电压：30V； 工作环境温度：5407-55125；7407070；存储温度-65150功能表：Y=A表3.5 7406功能表InputOutputAYLLHH工作原理：集成运放有同相输入端和反相输入端，同向和反向是指运放输入电压和输出电压的相位关系。由于电路要求，应采用集成运放的反相输入端，输入电压Ui通过R作用到集成运放的反相输入端，所以会得到Uo与Ui反相，同相输入端通过R接地，R为补偿电阻，可以来保证集成运放输入级差分放大电路的对称性。电路通过电阻Rf引入负反应。因为数模转换
