基于单片机的光电计数器的设计仿真软件.docx

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基于单片机的光电计数器的设计仿真软件

第一章绪论

本章介绍了本研究课题的背景及意义，阐述了其发展状况。

对当前各种计数器的特点及其计数器的未来发展趋势作了概况。

另外，简要说明了本文所做的工作。

1.1选题背景

随着计数器技术的不断发展与进步，计数器的种类越来越多，应用的范围越来越广，随之而来的竞争也越来越激烈。

过硬的技术也成为众多生产厂商竞争的焦点之一。

厂商为了在竞争中处于不败之地，从而不断地改进技术，增加产品的种类。

现计数器的种类以增加到：

电磁计数器、电子计数器、机械计数器（拉动机械计数器、转动机械计数器、按动机械计数器、测长机械计数器）、液晶计数器等。

计数器的应用范围也遍布印刷、纺织、印染、针织、电缆、电讯、军工、轻工、机械、开关、断路器、矿山、实行多班制的纺织行业的织布机、织带机、制线、制带、造纸、制革、薄膜、高压开关电器产品、试验设备，印刷设备、短路器、医疗、纺织、机械、仓库和码头的货运、行人及车辆过往的数量计数、冶金、食品、国防、包装、配料、石油、化工、发电、机床、仪表、自动化控制等行业。

1.1.1数字单片机的技术发展

1.内部结构的变化

单片机在内部已集成了越来越多的部件，这些部件包括一般常用的电路，例如：

定时器，比较器，A/D转换器，D/A转换器，串行通信接口，Watchdog电路，LCD控制器等。

有的单片机为了构成控制网络或形成局部网，内部含有局部网络控制模块CAN。

例如，Infineon公司的C505C，C515C，C167CR，C167CS-32FM，81C90。

因此，这类单片机十分容易构成网络。

特别是在控制，系统较为复杂时，构成一个控制网络十分有用。

为了能在变频控制中方便使用单片机，形成最具经济效益的嵌入式控制系统。

有的单片机内部设置了专门用于变频控制的脉宽调制控制电路，

这些单片机有Fujitsu公司的MB89850系列、MB89860系列；Motorola公司的MC68HC08MR16、MR24等。

在这些单片机中，脉宽调制电路有6个通道输出，可产生三相脉宽调制交流电压，并内部含死区控制等功能。

特别引人注目的是：

现在有的单片机已采用所谓的三核（TrCore）结构。

这是一种建立在系统级芯片（Systemonachip）概念上的结构。

这种单片机由三个核组成：

一个是微控制器和DSP核，一个是数据和程序存储器核，最后一个是外围专用集成电路（ASIC）。

这种单片机的最大特点在于把DSP和微控制器同时做在一个片上。

把它和传统单片机结合集成大大提高了单片机的功能。

这是目前单片机最大的进步之一。

这种单片机最典型的有Infineon公司的TC10GP；Hitachi公司的SH7410，SH7612等。

2.功耗、封装及电源电压的发展

现在新的单片机的功耗越来越小，特别是很多单片机都设置了多种工作方式，这些工作方式包括等待，暂停，睡眠，空闲，节电等工作方式。

现在单片机的封装水平已大大提高，随着贴片工艺的出现，单片机也大量采用了各种合符贴片工艺的封装方式出现，以大量减少体积。

扩大电源电压范围以及在较低电压下仍然能工作是今天单片机发展的目标之一。

目前，一般单片机都可以在3.3～5.5V的条件下工作。

而一些厂家，则生产出可以在2.2～6V的条件下工作的单片机。

3.工艺上的发展

现在的单片机基本上采用CMOS技术，但已经大多数采用了0.6?

m以上的光刻工艺，有个别的公司，如Motorola公司则已采用0.35?

m甚至是0.25?

m技术。

这些技术的进步大大地提高了单片机的内部密度和可靠性。

1.1.2以单片机为核心的嵌入式系统

单片机的另外一个名称就是嵌入式微控制器。

目前，把单片机嵌入式系统和Internet连接已是一种趋势。

要实现嵌入式设备和Internet连接，就需要把传统的Internet理论和嵌入式设备的实践都颠倒过来。

为了使复杂的或简单的嵌入式设备，例如单片机控制的机床、单片机控制的门锁，能切实可行地和Internet连接，就要求专门为嵌入式微控制器设备设计网络服务器，使嵌入式设备可以和

Internet相连，并通过标准网络浏览器进行过程控制。

EmWare公司提出嵌入式系统入网的方案--EMIT技术。

这个技术包括三个主要部分：

即emMicro，emGateway和网络浏览器。

目前，单片机应用中提出了一个新的问题：

这就是如何使8位、16位单片机控制的产品，也即嵌入式产品或设备能实现和互联网互连？

TASKING公司目前正在为解决这个问题提供了途径。

该公司已把emWare的EMIT软件包和有关的软件配套集成，形成一个集成开发环境，向用户提供开发方便。

嵌入互联网联盟ETI（embedtheInternetConsortium）正在紧密合作，共同开发嵌入式Internet的解决方案。

1.2本研究课题的发展趋势

自单片机出现至今，单片机技术已走过了近20年的发展路程。

纵观20年来单片机发展历程可以看出，单片机技术的发展以微处理器（MPU）技术及超大规模集成电路技术的发展为先导，以广泛的应用领域拉动，表现出较微处理器更具个性的发展趋势。

单片机的应用在后PC时代得到了前所未有的发展，但对处理器的综合性能要求也越来越高。

综观单片机的发展，以应用需求为目标，市场越来越细化，充分突出以“单片”解决问题，而不像多年前以MCS51/96等处理器为中心，外扩各种接口构成各种应用系统。

单片机系统作为嵌入式系统的一部分，主要集中在中、低端应用领域（嵌入式高端应用主要由DSP、ARM、MIPS等高性能处理器构成），在这些应用中，目前也出现了一些新的需求，主要体现在以下几个方面：

（1）以电池供电的应用越来越多，而且由于产品体积的限制，很多是用钮扣电池供电，要求系统功耗尽可能低，如手持式仪表、水表、玩具等。

（2）随着应用的复杂，对处理器的功能和性能要求不断提高。

既要外设丰富、功能灵活，又要有一定的运算能力，能做一些实时算法，而不仅仅做一些简单的控制。

（3）产品更新速度快，开发时间短，希望开发工具简单、廉价、功能完善。

特别是仿真工具要有延续性，能适应多种MCU，以免重复投资，增加开发费用。

（4）产品性能稳定，可靠性高，既能加密保护，又能方便升级。

1.3设计研究的要求及主要内容应解决的问题

要求：

1.整个系统有较强的抗干扰能力.

2.计数范围：

000~999.

3.将计数值准确显示出来.

应解决问题：

基于单片机构成的产品自动计数器研究的主要内容包括：

如果构成检测电路、MCS-51单片机用何种方式对外部计数脉冲进行计数显示控制、LED显示驱动模块的选择、MCS-51单片机的扩展。

在这个设计中主要需要解决的问题便是如何提高MCS-51单片机的抗干扰能力以及稳定性。

第二章整体设计方案

2.1设计方案选择

方案一：

采用多种数字逻辑电路来实现逻辑控制、主门、门控、计数单元的设计要求，这样设计的电路整体比较复杂，而且不宜完成发挥部分的功能要求。

所以方案一不采用。

方案二：

可以采用FPGA来实现逻辑控制、主门、门控、计数单元的设计要求，并且设计方便，但由于对FPGA的技术原理掌握不够熟练，所以放弃方案二。

方案三：

系统采用8051为核心的单片机控制系统，实现原理图中的逻辑控制、主门、门控、计数的设计要求

单片机计数器的方式控制寄存器TMOD中的GATE位=1时，可以很方便的进行INT0引脚的外部输入信号的时间间隔测量。

且单片机的控制电路很容易实现扩展，比如语音模块、测温I2C模块、时钟模块、A/D模块等。

故采用方案三。

2.2设计原理

利用AT89S51单片机来制作一个手动计数器，在AT89S51单片机的P3.7管脚接一个轻触开关，作为手动计数的按钮，用单片机的P2.0－P2.7接一个共阴数码管，作为00－999计数的个位数显示，用单片机的P0.0－P0.7接一个共阴数码管，作为00－999计数的十位数显示；

硬件电路图如图2-1所示：

图2-1硬件电路图

系统板上硬件连线

1）把“单片机系统”区域中的P0.0/AD0－P0.7/AD7端口用8芯排线连接到“四路静态数码显示模块”区域中的任一个a－h端口上；要求：

P0.0/AD0对应着a，P0.1/AD1对应着b，……，P0.7/AD7对应着h。

2）把“单片机系统”区域中的P2.0/A8－P2.7/A15端口用8芯排线连接到“四路静态数码显示模块”区域中的任一个数码管的a－h端口上；

3）把“单片机系统”区域中的P3.7/RD端口用导线连接到“独立式键盘”区域中的SP1端口上；

第三章硬件电路设计

3.1最小系统设计

图3-1单片机最小系统的结构图

单片机的最小系统是由电源、复位、晶振、/EA=1组成，下面介绍一下每一个组成部分。

1.电源引脚

Vcc　40　电源端

GND　20　接地端

工作电压为5V，另有AT89LV51工作电压则是2.7-6V,引脚功能一样。

2.外接晶体引脚

图3-2晶振连接的内部、外部方式图

XTAL1　19

XTAL2　18

XTAL1是片内振荡器的反相放大器输入端，XTAL2则是输出端，使用外部振荡器时，外部振荡信号应直接加到XTAL1，而XTAL2悬空。

内部方式时，时钟发生器对振荡脉冲二分频，如晶振为12MHz，时钟频率就为6MHz。

晶振的频率可以在1MHz-24MHz内选择。

电容取30PF左右。

系统的时钟电路设计是采用的内部方式，即利用芯片内部的振荡电路。

AT89单片机内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分别是此放大器的输入端和输出端。

这个放大器与作为反馈元件的片外晶体谐振器一起构成一个自激振荡器。

外接晶体谐振器以及电容C1和C2构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。

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震荡器频率的高低、震荡器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性。

因此，此系统电路的晶体振荡器的值为12MHz，电容应尽可能的选择陶瓷电容，电容值约为22μF。

在焊接刷电路板时，晶体振荡器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，更好地保证震荡器稳定和可靠地工作。

3.复位　RST　9

在振荡器运行时，有两个机器周期（24个振荡周期）以上的高电平出现在此引腿时，将使单片机复位，只要这个脚保持高电平，51芯片便循环复位。

复位后P0－P3口均置1引脚表现为高电平，程序计数器和特殊功能寄存器SFR全部清零。

当复位脚由高电平变为低电平时，芯片为ROM的00H处开始运行程序。

复位是由

外部的复位电路来实现的。

片内复位电路是复位引脚RST通过一个斯密特触发器与复位电路相连，斯密特触发器用来抑制噪声，它的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和按钮复位两种方式，此电路系统采用的是上电与按钮复位电路。

当时钟频率选用6MHz时，C取22μF，Rs约为200Ω，Rk约为1K。

复位操作不会对内部RAM有所影响。

常用的复位电路如下图所示：

图3-3常用复位电路图

4.输入输出引脚

（1）P0端口[P0.0-P0.7]P0是一个8位漏极开路型双向I/O端口，端口置1（对端口写1）时作高阻抗输入端。

作为输出口时能驱动8个TTL。

对内部Flash程序存储器编程时，接收指令字节;校验程序时输出指令字节，要求外接上拉电阻。

在访问外部程序和外部数据存储器时，P0口是分时转换的地址（低8位）/数据总线，访问期间内部的上拉电阻起作用。

（2）P1端口[P1.0－P1.7]P1是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/0端口。

输出时可驱动4个TTL。

端口置1时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用。

对内部Flash程序存储器编程时，接收低8位地址信息。

（3）P2端口[P2.0－P2.7]P2