1、基于51單片機數顯轉速表的設計與制作摘 要：轉速表在自動化生產設備和旋轉運動裝置中的應用十分廣泛。傳統的轉速表大部分都是由機械式或模擬數字電路來實現的，典型的機械式轉速表具有結構簡單實用的特點，被廣泛應用于汽車上；而電子數字式的轉速表由光電或霍爾傳感器獲取信號，通過對脈沖進行計數而推算出轉速。但這兩類傳統的轉速表都存在著體積大、精度底、不直觀、功耗大、功能少，而且采樣時間長，難以測得瞬時轉速的缺點，而基于單片機的數顯轉速表由于單片機體積小、控制功能強等特點在控制方面得到了廣泛的應用。我們所要設計的單片機數顯轉速表就是以單片機(AT89S51芯片)為核心來實現智能化的，它具有工作穩定、非接觸、功

2、耗小、高精度、LED數碼顯示等優點。文中詳細闡述了該類轉速表的反射式光電傳感器的工作原理、結構及轉換電路的設計，還有方案的選用、軟硬件的選擇設計和系統的組建調試以及最后的參數指標測試、數據分析等。關鍵詞：轉速表 反射式光電傳感器 單片機 AT89S52 記錄定時器 設計 制作1.概述1.1單片機單片機是一種集成在電路芯片，是采用超大規模集成電路技術把具有數據處理能力的中央處理器CPU隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統、定時器/計時器等功能（可能還包括顯示驅動電路、脈寬調制電路、模擬多路轉換器、A/D轉換器等電路）集成到一塊硅片上構成的一個小而完善的計算機系統。1.2單片

3、機的發展過程（1）、單片機形成階段1976年，Intel公司推出了MCS-48系列單片機。在單芯片內完成了CPU、存儲器、I/O接口等部件的集成；但存儲器容量較小，尋址范圍小（不大于4K），無串行接口，指令系統功能不強。（2）、結構成熟階段1980年，Intel公司推出MCS-51系列單片機。其存儲容量增加，尋址范圍擴大（6K），結構成熟。現在，MCS-51已經成為公認的單片機經典機種。（3）、性能提高階段近年來，各半導體廠商不斷推出新型單片機芯片，控制性能優越、種類繁多。典型的產品如Atmel公司的AT89C51RD2單片機。1.3單片機的特點（1）、結構上突出控制功能（2）、使用上易于產品

4、設計1.4單片機的應用領域（1）、在智能儀器儀表上的應用 單片機具有體積小、功耗低、控制功能強、擴展靈活、微型化和使用方便等優點，廣泛應用于儀器儀表中，結合不同類型的傳感器，可實現諸如電壓、功率、頻率、濕度、溫度、流量、速度、厚度、角度、長度、硬度、元素、壓力等物理量的測量。采用單片機控制使得儀器儀表數字化、智能化、微型化，且功能比起采用電子或數字電路更加強大。例如精密的測量設備（功率計，示波器，各種分析儀）。（2）、機電一體化產品機電一體化產品是集機械技術、微電子技術、自動化技術和計算機技術于一體，具有智能化特征的各種機電產品。典型產品如機器人、數控機床、自動包裝機、點鈔機、醫療設備、打印機

5、、傳真機、復印機等。（3）、實時工業控制單片機還可以用于各種物理量的采集與控制。電流、電壓、溫度、液位、流量等物理參數的采集和控制均可以利用單片機方便的實現。典型應用如電機轉速控制、溫度控制、自動生產線等。（4）、分布系統的前端模塊在復雜的工業系統中，經常要采用分布式測控系統完成大量的分布參數的采集。在這類系統中，采用單片機作為分布式系統的前端采集模塊，系統具有運行可靠，數據采集方便靈活，成本低廉等一系列優點。（5）、家用電器家用電器是單片機的又一重要領域，前景十分廣闊。如空調器、電冰箱、洗衣機、電飯煲、高檔洗浴設備、高檔玩具等。另外，在交通領域中，汽車、火車、航天器等均有單片機的廣泛應用。2

6、.芯片介紹2.1 AT89S52芯片簡介 AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系統可編程Flash 存儲器。使用Atmel 公司高密度非易失性存儲器技術制造，與工業80C51 產品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統可編程，亦適于常規編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統可編程Flash，使得AT89S52在眾多嵌入式控制應用系統中得到廣泛應用。2.2主要性能1. 與MCS-51單片機產品兼容；2. 8K字節在系統可編程Flash存儲器；3. 1000次擦寫周期；4. 全靜態操作：0Hz-33Hz;5. 三級加密程序存儲器；6.

7、32個可編程I/O口線；7. 三個16位定時器/計數器；8. 6個中斷源；9. 全雙工UART串行通道；10. 低功耗空閑和掉電模式；11. 掉電后中斷可喚醒；12. 看門狗定時器；13. 雙數據指針；14. 掉電標識符。2.2 AT89S52的基本結構AT89S52結構框圖2.3AT89S52單片機的封裝具有總線擴展引腳DIP40封裝：（1）、電源及始終引腳（4個）Vcc:電源接入引腳。Vss：接地引腳。XTAL1:晶振振蕩器接入的一個引腳。XTAL2:晶振振蕩器接入的另一個引腳。（2）、控制線引腳（4個）RST:復位信號輸入引腳。當振蕩器工作時，RST引腳出現兩個機器周期以上高電平將是單片

8、機復位。ALE/:地址鎖存允許信號輸出引腳/編程脈沖輸入引腳。當訪問外部程序存儲器或數據存儲器時，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節。一般情況下，ALE仍以時鐘振蕩頻率的1/6輸出固定的脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當訪問外部數據存儲器時將跳過一個ALE脈沖。對FLASH存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（PROG）。如有必要，可通過對特殊功能寄存器（SFR）區中的8EH單元的D0位置位，可禁止ALE操作。該位置位后，只有一條MOVX和MOVC指令才能將ALE激活。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機執行外部程序時，應設置ALE禁止位無效。/

9、VPP:內外存儲器選擇引腳/片內EPROM9（或FlashROM）編程電壓輸入腳。外部訪問允許，欲使CPU僅訪問外部程序存儲器（地址為0000H-FFFFH），EA端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被編程，復位時內部會鎖存EA端狀態。:外部程序存儲器選通信號輸出引腳。當AT89S52由外部程序存儲器取指令（或數據）時，每個機器周期兩次PSEN有效，即輸出兩個脈沖，在此期間，當訪問外部數據存儲器，將跳過兩次PSEN信號。（3）、并行I/O口引腳（32個，分成4個8位口）P0.0P0.7:一般I/O口引腳或數據/低位地址總線服用引腳。P1.0P1.7:一般IO口引腳。P2.0P

10、2.7: 一般I/O口引腳或高位地址總線引腳。P3.0P3.7: 一般I/O口引腳或第二功能引腳。2.4引腳說明AT89S52具有以下標準功能：8K字節Flash,256字節RAM，32位I/O口線，看門狗定時器，2個數據指針，3個16位定時器/計數器，1個6向量2級中斷結構，全雙工串行口，片內晶振及時鐘。另外，AT89S52可降至0Hz靜態邏輯操作，支持 2種軟件可選擇節電模式。空閑模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位停止。P0口：P0口是一個8位漏極開路的雙向I/O口。作為輸出口，每位能驅動8個TTL邏 輯電平。對P0端口寫

11、“1”時，引腳用作高阻抗輸入。 當訪問外部程序和數據存儲器時，P0口也被作為低8位地址/數據復用。在這種模式下， P0不具有內部上拉電阻。 在flash編程時，P0口也用來接收指令字節；在程序校驗時，輸出指令字節。程序校驗 時，需要外部上拉電阻。 P1口：P1 口是一個具有內部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，p1 輸出緩沖器能驅動4 個 TTL 邏輯電平。對P1 端口寫“1”時，內部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入 口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。 此外，P1.0和P1.1分別作定時器/計數器2的外部計數輸入（P1.0/T2）和定時器/計數

12、器2 的觸發輸入（P1.1/T2EX）。 在flash編程和校驗時，P1口接收低8位地址字節。 引腳號第二功能： P1.0 T2（定時器/計數器T2的外部計數輸入），時鐘輸出 P1.1 T2EX（定時器/計數器T2的捕捉/重載觸發信號和方向控制） P1.5 MOSI（在系統編程用） P1.6 MISO（在系統編程用） P1.7 SCK（在系統編程用） P2口：P2 口是一個具有內部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，P2 輸出緩沖器能驅動4 個 TTL 邏輯電平。對P2 端口寫“1”時，內部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入 口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內部電阻的原因，將輸出電流

13、（IIL）。 在訪問外部程序存儲器或用16位地址讀取外部數據存儲器（例如執行MOVX DPTR） 時，P2 口送出高八位地址。在這種應用中，P2 口使用很強的內部上拉發送1。在使用 8位地址（如MOVX RI）訪問外部數據存儲器時，P2口輸出P2鎖存器的內容。 在flash編程和校驗時，P2口也接收高8位地址字節和一些控制信號。 P3口：P3 口是一個具有內部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，p3 輸出緩沖器能驅動4 個 TTL 邏輯電平。對P3 端口寫“1”時，內部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入 口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。 P3口亦

14、作為AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。 在flash編程和校驗時，P3口也接收一些控制信號。 端口引腳 第二功能： P3.0 RXD(串行輸入口) P3.1 TXD(串行輸出口) P3.2 INTO(外中斷0) P3.3 INT1(外中斷1) P3.4 TO(定時/計數器0) P3.5 T1(定時/計數器1) P3.6 WR(外部數據存儲器寫選通) P3.7 RD(外部數據存儲器讀選通) 此外，P3口還接收一些用于Flash閃存編程和程序校驗的控制信號。3.系統方案3.1系統總體設計方案該轉速表由反射式光電傳感器、整形電路、轉速計算電路及數碼顯示電路等四部分組成（如圖1所示）

15、。光電傳感器數碼顯示電路轉速計算電路信號整形電路 圖1 單片機數顯轉速表原理圖其工作原理是：光照度改變使光敏電阻阻值的改變，而引起光敏電阻兩端電壓的改變。電壓變化信號通過傳感器傳到計數器上計數計時。在光電門一端有個線性光源，另一端有個光敏電阻，門中無物體阻擋時光照射到光敏電阻上。有光照時光敏電阻阻值減小，光敏電阻兩端為低電壓。當門中有物體阻擋時，光敏電阻受到光照度減小，電阻增大，光敏電阻兩端為高電壓。當光電門計數時，傳感器將高低變化的信號傳到計數器上，計數器進行計數。一次電壓變化計數器計數一次。當計數器計時時，計數器獲得高電壓時計時開始，獲得低電壓時計時停止。利用光反射信號的邊沿停止單片機計時

16、。這樣就可以測量出裝盤的旋轉周期t，然后在利用單片機把周期換算成轉速并通過LED數碼管顯示出來。3.2系統各組成方案的選擇與論證比較（1）、電源（控制）部分電路輸入220V交流電，經過全橋整流，穩壓后輸出5V的直流電。（2）、傳感部分因為光電傳感器具有精度高、反應快、非接觸等優點，而且可測參數多，傳感器的結構簡單，形式靈活多樣，所以采用光電式傳感器來檢測和控制系統。方案一：反射式光電傳感器：紅外光電傳感器、三極管9012和帶施密特觸發器的非門74LS14組成。如圖4所示。圖4 反射式光電傳感器和整形電路方案二: 對射式光電傳感器：把上圖中的紅外光電傳感器換成光電門，當有物體經過光線切斷，便輸出

17、信號。反射式光電傳感器在實驗中效果沒有光電門的明顯，所以在選擇方案的時候選擇了方案二。（3）、顯示部分方案一：LCD 液晶顯示器是 Liquid Crystal Display 的簡稱，LCD 的構造是在兩片平行的玻璃當中放置液態的晶體，兩片玻璃中間有許多垂直和水平的細小電線，透過通電與否來控制桿狀水晶分子改變方向，將光線折射出來產生畫面。比CRT要好的多，但是價錢較其貴。所以在顯示部分選用了方案二，因為轉速表的轉速只是簡單顯示，用一般的數碼管就可以。 方案二：由AT89S52單片機、4位七段共陽數碼管和4個三極管BG1-BG4及電阻R1-R12組成轉速計算與顯示電路，如圖5所示。圖5 轉速表

18、電路原理3.3單元模塊電路設計（1）、對齊式光電傳感器和整形電路接通5V電源后，紅外發光二極管發出的紅外光束遇到旋轉盤上的缺口時，有光照，光敏電阻阻值減小，光敏電阻兩端為低電壓。當門中有物體阻擋時，光敏電阻受到光照度減小，電阻增大，光敏電阻兩端為高電壓。紅外光敏三極管接收電信號后，該信號經三極管BG放大，再經74LS14整形及反相后，輸出與輸入相同周期的矩形波，作為旋轉軸的轉速計數信號。工作波形如圖6所示。VVT+ 光電傳感器輸出波形VT- 0 tV 整形后輸出波形0 t圖6整形波形示意圖（2）、轉速計算電路與顯示電路本模塊采用動態顯示方式，由單片機P2口與數碼管的七段段碼相連，P1.0-P1

19、.3口與4個數碼管的位碼相連，經編程控制4位數碼動態顯示。轉速測量是利用單片機的外部中端口（INTO）檢測光電傳感器的輸出脈沖信號。計時的起停由光電傳感器輸出的相鄰兩個脈沖來控制。如圖7所示，t1開始計時，t2停止計時。此時，定時器TO的值就是一個脈沖周期T，這是電機每分鐘的轉速為r=1s/T(r/s)。V t1 T t2 t 圖5 脈沖周期測速原理（3）、軟件設計轉速表測量軟件由主程序、外部中斷INTO中斷服務程序和定時器TO中斷服務子程序三部分組成。主程序在初始化后一直工作在計算轉速并循環顯示狀態，把單片機所采集到的信號經過計算與轉換后的轉速值送至七段數碼管顯示出來。程序流程圖如圖6所示。

20、開 始存儲區清零設定時器工作方式開中斷啟動定時器查計數存儲區=0？計算并轉碼BCD碼 N X顯示子程序顯示0圖6 主程序流程圖 定時器TO中斷服務子程序只記錄定時器TO溢出次數，以便于測量低速時的脈沖波形。定時器TO溢出的次數越多就說明脈沖波形的周期越長，相對應的轉速也就越低。其程序設計流程圖如圖7所示。開 始 開中斷返 回恢復現場TO中斷次數加開中斷保護現場關中斷關中斷圖7 定時器TO中斷服務子程序流程圖 外部中斷INTO嘍中斷服務子程序對整個測速過程有著關鍵性的作用，中斷程序設計的好與壞直接影響到測速的準確性和穩定性。具體程序設計流程圖如圖TO中斷=0？返 回開中斷恢復現場關中斷定時計數值

21、送計數存儲區開 始定時計算時間關中斷 N保護現場 Y開中斷關定時器TO讀取定時計數值清零定時計數TO為重啟定時器讀定時器TO中斷次數（4）、系統特點本系統硬件電路簡單，元器件少，工作穩定可靠。在軟件設計上，采用記錄定時器TO溢出次數的處理手段，極大地提高了低速測量的分辨率。使用時，不需任何設置即可穩定地測量3-9999r/min旋轉體的轉速值。該轉速表測速范圍寬、使用方便。參考文獻 ：附錄：單片機數顯轉速表項目元件清單元件名稱數值單位型號R1300R25.1KR31KR44.3KR5R91KR10220BG1BG59013施密特觸發器74LS14單片機芯片AT89S52主程序源代碼：#include<reg52.h>unsigned char seg7=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,