论文测速电路系统的设计.docx
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论文测速电路系统的设计
1绪论
1.1前言
在靶场测试中，绝大多数实弹射击实验都是在靶道内进行，为了对数据进行统一处理和保存，就要求将测量结果直接传送到主控室。
电子测时仪在测量弹丸飞行时间时也要求将测量的时间直接传送到主控室，这就要求电子测时仪要具备数据传输功能以便将测量结果实时的传送到主控室。
电子测时仪是一种用来记录时间间隔的仪器。
在弹丸的速度测量中,常常采用区截装置给出的电信号控制测时仪测量弹丸穿过两区截装置间的距离所经历的时间。
1.2电子测时仪传输模块在国内外的发展状况
目前，数据传输的方法有很多，通过下列方法可以实现数据传输：
利用无线传输技术，通过网络数据传输技术，利用有线数据技术，利用串行口通信技术，利用并行口通信技术；
当今的各种智能化控制系统均离不开数据信息的传输.其中,无线数据传输是区别于传统的有线传输的新型传输方式,系统不需要传输线缆、成本低廉、施工简单.将单片机和微机配上相应的无线通信接口电路,就可以实现单片机之间或单片机与微机之间的无线数据传输.在数据传输过程中,从软件设计中采取必要的抗干扰措施,可以有效地避免各种干扰,达到满意的通信效果.无线数据传输系统就是这样一套利用无线手段，将采集的数据由测量站发送到主控站的设备。
无线通信被广泛应用于车辆调度、卫星定位、数据采集和控制、企业和公共场所通信网等系统之间，而且这种系统在空中传输的全部是数据信号，以我国目前情况来看，市场上的此类产品较少，而且价格昂贵，不能适合当前数字化数据传输大众化发展的要求，限制了无线通信发挥更大的作用。
网络数据传输法
通过网络数据传输技术来实现：
网络数据传输即为某一端要求其他一端将某些指定的信息/数据传输过来，以便使用和进行操作，随着机算机技术和数字通信技术的发展，特别是计算机上网的日益普及，网络数据传输应用也普及开来，在计算机网络中,从实际应用到数据传输的每一个环节中都可能有漏洞存在,都有数据泄露甚至造成网络瘫痪的可能，网络数据库系统的安全性很大程度上依赖于网络数据库管理系统。
如果网络数据库管理系统安全机制不很强大,则网络数据库系统的安全性能就没法保证，由于网络的开放性等等，所以网络数据传输不安全.
有线传输法
有线传输目前主要应用于有线电视网络传输，随着有线电视技术的发展!
有线电视网的服务功能正在向着各种信息领域延伸。
在科研人员致力于研制高效的传输技术，开展各种新颖、优质的服务；传统的有线电视网传输的电视信号是广播式的,而数据传输强调的是双向交互,用户在接收信息的同时还需要回传个人信息,这样,原有的有线电视网就必须进行改造。
有线电视网络虽然有了很大发展,但基本上是多方投资、多家所有、多头管理,许多企业、机关、院校的网络自成体系,没有整合,使管理体制松散,给有线电视网络的管理增加了难度,影响有线电视网络传输的问题主要有:
一是难以保证安全;二是尚未全面实现优质传送。
就安全而言,影响因素较多,诸如线杆被撞、电缆被挂断、偷接信号等,所有这些,伴随着国务院有关法规的贯彻执行,一般都可以得到解决;就优质而言,随着科学技术的发展,有线电视网络的前端信号源已基本满足要求,问题主要出在线路传输方面。
电视信号作为一种商品被严重侵权，盗接严重，快速有效地对有线电视的传输进行监控，并保证有线电视传输系统的安全已成为当务之急。
并行口通信
这种并行口通信是通过并行接口来实现的，接口通常是微机总线与外部设备之间的数据交互媒介。
由于微机总线上的数据都是并行传输的，所以以并行传输方式实现的接口种类是非常多的。
从最简单的一个并行数据寄存器或专用接口集成电路芯片如8255、6820等，一直到比较复杂的SCSI或IEEE488接口，其种类不下数十种，但总的来说，一个并行接口特性可以从两个方面加以描述：
第一是接口一并行方式传输的数据通信的宽度，也称接口传输的位数；第二是用于协调并行数据的额外接口控制或称交互信号的特性。
所谓并行通信，是在一些联络信号的控制下，一次将8位或16位或32位数据同时传送完毕。
在并行通信中，传输线数目没有限制，除了数据线之外还应设置有通信联络控制线。
但是，当多微机系统中的各台微机相距比较远时，一般不能使用并行通信，其原因是基于以下两点：
一是通信线路费用昂贵，比如两台微机进行16位并行通信，若是单向的，即一方只发，而另一方只收，并不回答，则电线电缆的费用是很大的；二是由于众多的连线间极易引起干扰，又容易发生线路故障，使整个通信系统的可靠性变得十分脆弱。
所以应用的并不多。
串行口通信
如果采用两条线，即一条通信线加上一条地线来进行单向通信，传送的信息（数据通信和控制信息）一次传送一位，如8位的数据信息分8次传送完毕，我们将这种方式称为串行通信。
串行通信指数据是一位一位按顺序传送的通信方式。
串行口是常用的计算机与外部串行设备之间的数据传输接口，由于串行通信方便易行，成本低，特别是在远程传输时，避免了多条线路特性的不一致而被广泛采用。
它的突出优点是只需一对传输线（利用电话先就可作为传输线），这样就大大降低里传送成本，特别适合于远距离通信：
其缺点是传送速度较低。
串行通信之所以被广泛采用，其中一个重要原因是可以借用现成的电话网进行信息传送，即只要增加调制解调器，远程通信就可以在电话线上进行，而调制解调器费用便宜，技术并不复杂。
1.3单片机与PC机系统
在工业自动控制、智能仪器仪表中，单片机的应用越来越广泛。
随着应用范围的扩大以及根据解决问题的需要，对某些数据要做较复杂的处理。
由于单片机的运算功能较差，对数据进行较复杂的处理时，往往需要借助计算机系统。
因此，单片机与PC机进行远程通信更具有实际意义。
利用MCS-51单片机的串行口与PC机的COM1或COM2进行串行通信，将单片机采集的数据传送到PC机中，由PC机的高级语言或数据库语言对数据进行整理及统计等复杂处理；或者实现PC机对远程前沿单片机进行控制。
在实现计算机与计算机、计算机与外设间的串行通信时，通常采用标准通信接口。
这样就能很方便地把各种计算机、外部设备、测量仪器等有机地连接起来，进行串行通信。
利用C51开发单片机系统,可增强程序的可读性和可维护性,从而提高开发效率。
利用89C51的特殊功能寄存器实现单片机串行通信的方法。
为了提高串行通信的可靠性,增大通信距离,一般采用标准串行接口、RS232C、RS422A等标准接口来进行串行通信。
EIARS232C是异步串行通信中应用最广泛的标准总线,它包括了按位串行传输的电气和机械方面的规定。
RS-232C是由美国电子工业协会（EIA）正式公布的，在异步串行通信中应用最广的标准总线。
它包括了按位串行传输的电气和机械方面的规定，适用于短距离或带调制解调器的通信场合。
在应用中,串口是常用的计算机与外部串行设备之间的数据传输通,由于串行通信方便易行,所以应用广泛.另一方面,单片机具有功能强,体积小,可行性高易于控制和价格低廉等一系列优点而得到广泛的应用.PC机具有强大的监控和管理功能,而单片机则具有快速灵活的控制特点,通过PC机的RS232串行接口与外部设备进行通信是许多系统中常用一种通信解决方案。
利用C51开发单片机系统,可增强程序的可读性和可维护性,从而提高开发效率。
1.4论文研究的主要内容
根据弹丸测速原理，数据的传输是通过电子测时仪记录时间来完成的。
本文的主要内容是本文的主要内容就是设计一个电子测时仪数据传输模块，以及传送数据的通信电路。
选择什么的电路系统及确定工作参数、器件的性能指标很关键，如何设计完成把数据准确、直接、快速传输的工作电路及确定电路参数是本课题研究的关键技术。
1.5论文研究的目标
本次毕业设计的主要目标是设计出稳定性好，计时性能高，响应快，可靠性好的数据传输电路和可靠的通信电路。
同时电路结构尽可能的简单，尽量避免使用结构复杂的电路；设计成本低，功耗小；开发、更新、调试方便。
1.6论文的研究意义
在以单片机为基础的数据采集和实时控制系统中，通过PC机的RS-232口进行计算机与单片机的数据通信，就可以组成简单的检测和控制系统，这样，设计成本低，功耗小；开发、更新、调试方便的数据通信系统具有重要的实际意义所以,如何把数据准确、直接、快速传输到主控室具有重要的研究意义.
1.7本章小结
本章主要讲了电子测时仪传输模块在国内外的发展状况，简单地列出了常见的几种数据传输方法，但是这些数据传输方法都因为有诸多的缺点而没有得到广泛应用。
单片机与PC机联结是目前常用一种通信解决方案，利用它们做这个课题，有利于对单片机进一步的了解和熟悉。
2弹丸测速的原理
2.1基本原理
弹丸初速度大小是衡量弹道特性的重要参数之一,测量初速度是枪炮、弹药研制生产和开发验收中最基本的试验项目。
有多种弹丸初速测量方法,最早采用铜丝网靶和箔靶,它具有机构简单、使用方便的优点,但接触测量往往会影响弹丸的弹道特性（如弹速下降、偏离弹道等）,而且待测弹丸不能用真引信（否则有时会引起早炸）。
因此出现了非接触测量,如线圈靶、天幕靶和光幕靶等。
其中,线圈靶利用电磁感应原理,常需要将弹丸磁化处理;天幕靶要自然光作为光源,不能全天候测量。
为了全天候测速,发展了光幕靶;而后研制成红外光幕靶实现更快、更准弹速测量。
所以，下面就简单介绍光幕靶的测速原理：
光幕靶是利用光电转换原理研制而成,当飞行弹丸通过红外光幕时,汇聚在接收器件上的光通量发生变化而产生微弱的电信号,经过放大处理后形成脉冲信号触发测时仪,从而得到一个时间量,当记录弹丸飞经两光幕的时间间隔,并测量两光幕间距,便可计算出弹丸在这一区间的飞行速度。
光幕靶是由两个平行光幕组成,一个称起始靶,另一个为停止靶,起始靶光幕1为测时仪提供起始信号,停止靶天幕2为测试仪提供停止信号。
两光幕功能见图2.1。
其中,每个光幕均由发射器件、光阑和接收器件及有关结构组成。
当弹丸垂直穿过1、2光幕,测试仪记录相应的飞行时间,再根据光幕1和2之间的靶距,可求出弹丸穿过该靶的飞行速度。
.V=1000S/t3（m/s）（2.1）
式中靶距S为天幕1至天幕2的距离,单位为mm;.V为弹丸的飞行速度,单位为m/s;t3为弹丸在天幕1到天幕2间的飞行时间,单位为μs。
2.2红外光幕靶的机构和主要特点:
红外光幕靶的主要技术指标见表1,适用条件为:
环境温度为-10～40℃,外接电源:
电压为220V,频率为50～60Hz.测速系统如图2,主要由靶架、靶体和控制仪等三部分组成1各部分的主要功能为:
1）靶架,主要是支撑、调节靶体,安装控制仪1通过调节地脚,使靶体上的光幕呈铅垂状1地脚的机构如图3,它由手轮,螺杆,螺母等零件组合而成12）靶体,是实现飞行弹丸速度测量的机构主体1它是由框架、两个发射器和两个接收器组成1其中,发射器是由多个红外发光管串联而成,加上狭缝光阑,形成厚度很薄,光能量均匀的光幕;接收器是由光敏二极管阵列和放大电路组成,具有探测灵敏度高的特点13）控制仪,用来控制起始靶和停止靶,并进行时间测量1还为光幕靶供电、提供触发信号和模式选择。
表2.1 主要技术指标
有效靶面
/mm
适合弹径
/mm
弹速范围
（m/s）
测速精度
（%）
射击频率
（发/min）
800*1200
4.0至12.7
50至1000
≤0.1
60
图2.2
1）光幕靶集成一体,结构紧凑,测距精度高;2）有效光幕面积大、光幕能量均匀;3）抗干扰强,工作稳定可靠;4）操作简单,维护方便。
2.3 红外光幕靶的测速精度分析
对式
（1）求微分,得到误差式
（2）
dv/v=ds/s+dt/t
（2）
式中:
v为弹丸飞行速度（m/s）;s为两光幕间的靶距（mm）;t为弹丸飞行时间（ms）1测速误差由测时和测距两部分误差组成。
2.4 测时误差
测时误差来源于:
控制仪的晶振频率、起始靶和停止靶灵敏度不一致、各种噪声、干扰引起的误差1红外光幕靶测速系统采用频率为20MHz的晶振,每次计时带来50ns的误差;光幕靶灵敏度不同主要是因光电管灵敏度的差异和电器元件参数不一致,对所选光敏二极管严格挑选,使其灵敏度尽可能保持一致,其他电器元件也通过筛选和调试,使其参数接近,故而,保证两光幕灵敏度不一致造成的测时误差为50ns
因此测时总误差:
dt=50+50+50=150ns=1.5×10-4ms.
2.5本章小结
本章是对本次设计电子测时仪数据传输模块的总体论述，在本章中讲述了系统的弹丸测速的光幕靶原理。
根据其原理，弹丸通过第一，第二光幕时，由于遮挡会使光通量会有变化，前续电路通过检测、放大将送给测时电路系统两个脉冲信号；测时电路系统由这两个单脉冲信号测得时间且把时间通过串行口传送给PC机；最后由PC机进行计算与处理。
本论文主要研究测速电路系统的设计部分。
3硬件设计
本论文中电子测时仪系统测速电路和通信电路都是由单片机及外围电路构成。
为了使系统达到测试要求，此系统的硬件电路设计需要实现以下功能：
（1）有两路计时器，且要同时启动；
（2）有与PC机通信的电路；
系统的硬件设计主要包括：
（1）两个单脉冲的输入
（2）计时部分
（3）通讯部分
在设计中将硬件电路分两部分考虑：
测时电路、通信电路。
下面将就各部分电路设计做具体说明。
3.1单片机简介
3.1.189C51单片机特点简介
在本设计中，在本设计中，选取了ATMEL公司的AT89系列单片机AT89C51。
AT89C51单片机是最新的一种低功耗、高性能内含4KB字节的快闪可编程/擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的8位CMOS微控制器,ATMEL的AT89C51是一种高效的微控制器，能重复擦写千次以上，使用高密度、非易失存储技术制造，并且与工业标准80C51指令系列、引脚排列、硬件组成、工作特性等完全兼容。
芯片上的FPEROM允许在线编程或采用通用的非易失存储编程器对程序存储器重复编程。
AT89C51是一个低功耗高性能单片机，40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，AT89C51可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。
其将通用的微处理器和FLASH存储器结合在一起，特别是可反复擦写的FLASH存储器可有效地降低开发成本，AT89C51将具有多种功能的8位CPU与FPEROM结合在一个芯片上，为很多嵌入式控制应用提供了非常灵活而又价格适宜的方案，其性能价格比远高于8751。
由于片内带EPROM的87C51价格偏高，而片内带FPEROM的89C51价格低且与INTEL80C51兼容，这就显示了89C51的优越性。
它的主要特点有：
（1）与MCS-51微控制器产品系列兼容。
（2）片内有4KB可在线重复编程的快闪擦写存储器（FLASHMEMORY）。
（3）存储器可循环写入/擦除1000次。
（4）存储数据保存时间为10年。
（5）宽工作电压范围：
VCC可为2.7V至6V。
（6）全静态工作：
可从0赫兹至16兆赫兹。
（7）程序存储器具有3级加密保护。
（8）128乘8位内部RAM。
（9）32条可编程I/O线。
（10）两个16位定时器/计时器。
（11）中断结构具有5个中断源和4个优先级。
（12）可编程全双工串行通信。
（13）空闲状态维持低功能和掉电状态保存存储内容。
（14）片内振荡器和时钟电路
（15）软件设置睡眠和唤醒功能
（16）可直接驱动LED
3.1.2系统中所用的中断简介
a．关于外部中断
外部中断源可配置为电平触发或边沿触发通过将寄存器TCON中的位IT1或IT0置位或清零实现如果ITx=0外部中断x通过INTx脚的低电平触发如果ITx=1外部中断x为边沿触发该模式下对INTx脚连续采样如果在一个周期为高电平而下一个周期为低电平中断请求标志IEx将置位然后通过IEx请求中断
由于外部中断脚每个机器周期采样一次输入高或低应当保持至少12个振荡周期以确保能够采样到如果外部中断为边沿触发外部中断源应当将中断脚至少保持1个机器周期高电平然后至少保持1个机器周期低电平这样就确保了边沿能够被检测到以使IEx置位当调用中断服务程序后CPU自动将IEx清零如果外部中断为电平触发外部中断源必须一直保持请求有效直到产生所请求的中断然后在中断程序结束之前撤除请求否则将产生另一次中断。
b.关于定时/计数器
定时和计数功能由特殊功能寄存器TOMD的控制器C/T进行选择。
这两个定时/计数器有4种操作模式，通过TMOD的M1和M0选择。
每个定时/计数器还有四种操作模式。
模式0：
通过TMOD寄存器把定时/计数器0或1置为模式0。
在这种模式下，16位寄存器TH1/0+TL1/0只用了13位，TL1/0的高三位未用。
此模式下定时器寄存器配置为13位寄存器当计数从全为1翻转为全为0时定时器中断标志位TFn置位当TRn=1同时GATE=0或INTn=1时定时器计数置位GATE时允许由外部输入INTn控制定时器这样可实现脉宽测量TRn为TCON寄存器内的控制位图3该13位寄存器包含THn全部8个位及TLn的低5位TLn的高3位不定可将其忽略置位运行标志TRn不能清零此寄存器模式0的操作对于定时器0及定时器1都是相同的两个不同的GATE位TMOD.7和TMOD.3分别分配给定时器0及定时器1。
模式1：
定时/计数器0或1以全16位参与操作的。
模式1除了使用了THn及TLn全部16位外其它与模式0相同。
模式2：
这种模式是把定时/计数器TL0或TL1配置成一个可以自动重装载的8位计数器。
TL1计数溢出时，不仅使溢出标志TF1置1，而且还自动把TH1中的内容重装载到TL1中。
TH1的内容可以靠软件预置，重装载后内容不变。
模式3：
操作模式3对定时/计数器0和定时/计数器1是不同的。
此模式下定时器0的TL0及TH0作为两个独立的8位计数器为模式3时的定时器0逻辑TL0占用定时器0的控制位C/TGATETR0INT0及TF0TH0限定为定时器功能计数器周期占用定时器1的TR1及TF1此时TH0控制定时器1中断。
模式3可用于需要一个额外的8位定时器的场合定时器0工作于模式3时80C51看似有3个定时器/计数器当定时器0工作于模式3时定时器1可通过开关进入/退出模式3,它仍可用作串行端口的波特率发生器或者应用于任何不要求中断的场合。
对于定时/计数器1，设置为模式3将使它保持原有的计数值，其作用如同使TR1=0，对于定时/计数器0，模式3将使TL0和TH0成为2个互相独立的8位计数器。
专用寄存器TMOD、TCON用于控制和确定各定时/计数器的功能和操作模式。
这些寄存器的内容靠软件设置，系统复位时，寄存器的所有位都被清零。
定时器2是一个16位定时/计数器通过设置特殊功能寄存器T2CON中的C/T2位，可将其作为定时器或计数器。
定时器2有三种操作模式：
捕获、自动重新装载（递增或递减计数）和波特率发生器，这三种模式由T2CON中的位进行选择。
3.1.3AT89C51的工作方式
AT89C51串行口可设置4种工作方式。
方式0时，串行口为同步位移寄存器的输入输出方式，主要用于扩展并行输入或输出口，以扩展单片机的I/O电路；方式1，是10位数据的异步通信口，1位后始位，8位数据位，1位停止位，10位数据和PC机的标准串口相对应，由串行口控制寄存器SCON设置状态，主要用于双机通信或外设电路的通信；方式2，方式3都是11位数据的异步通信口，1位起始位，8位数据位（低位在前），1位可编程数据位，1位停止位，方式2、3除有方式1的功能外,还可用作多机通信,以构成多微机系统,区别在于波特率的不同，其中方式0、2的波特率随着单片机系统晶振频率的确定；方式1、3波特率是可变的，由定时器T1的溢出率来决定。
3.2主要特殊功能寄存器说明
3.2.1PSW（ProgramStatusWord）程序状态字
位地址
D7
D6
D5
D3
D2
D1
D0
符号
CY
AC
F0
RS1
OV
-
P
CY（PSW.7）：
高位进位标志位。
常用“C”表示。
AC（PSW.6）：
辅助进位木标志。
F0（PSW.5）：
用户标志位。
RS1（PSW.4）：
寄存器组选择位1。
RS0（PSW.3）：
寄存器组选择位0。
OV（PSW.2）：
溢出标志位。
－（PSW.1）：
保留位，无定义。
P（PSW.0）：
奇偶校验位，在每一个指令周期中，若累加器（A）中的“1”的位个数是奇数个则P＝1，偶数个则P＝0。
3.2.2寄存器组的选择：
RS1
RSO
寄存器组
RAM中的地址
0
0
0
00H-07H
0
1
1
08H-0FH
1
0
2
10H-17H
1
1
3
18H-1FH
3.2.3IE中断允许寄存器
位地址
AF
-
AD
AC
AB
AA
A9
A8
符号
EA
-
ET2
ES
ET1
EX1
ET0
EX0
EA（IE.7）：
EA＝0时，所有中断停用（禁止中断）。
EA＝1时，各中断的产生由个别的允许位决定。
－（IE.6）：
保留位，无定义。
ET2（IE.5）：
允许计时器2溢出的中断（8052使用）。
ES（IE.4）：
允许串行端口的中断（ES＝1允许，ES＝0禁止）。
ET1（IE.3）：
允许计时器1中断（ET1＝1允许，ET1＝0禁止）。
EX1（IE.2）：
允许外部中断INT1的中断（EX1＝1允许，EX1＝0禁止）。
ET0（IE.1）：
允许计时器0中断（ET0＝1允许，ET0＝0禁止）。
EX0（IE.0）：
允许外部中断INT0的中断（EX0＝1允许，EX0＝0禁止）。
3.2.4IP中断优先次序寄存器
位地址
—
—
BD
BC
BB
BA
B9
B8
符号
—
—
PT2
PS
PT1
PX1
PT0
PX0
－（IP.7）：
保留位，无定义。
－（IP.6）：
保留位，无定义。
PT2（IP.5）：
设定计时器2的优先次序（8052使用）。
PS（IP.4）：
设定串行端口的中断优先次序。
PT1（IP.3）：
设定时／计时器1的优先次序。
PX1（IP.2）：
设定外部中断INT1的优先次序。
PT0（IP.1）：
设定计时器0的优先次序。
PX0（IP.0）：
设定外部中断INT0的优先次序。
上述每位IP.*＝1时，则定义为高优先级中断，IP.*＝0时，则定义为低优先级中断。
如果同时有两个或两个以上优先级相同的中断请求时，则由内部按查询优先顺序来确定该响应的中断请求，其优先顺序由高向低顺序排列。
优先顺序排列如下：
顺序
中断请求标志
中断源
优先图示
1
IE0
外部中断0（INT0）
最高↓
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