学士学位论文电子系统设计与调试课程设计基于51单片机的转速表系统设计.docx
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学士学位论文电子系统设计与调试课程设计基于51单片机的转速表系统设计
目录
1.前言1
2智能转速表的系统设计1
2.1系统硬件设计1
2.1.1方案选择1
2.1.2仪器各部分组成2
2.2系统软件设计3
3设计原理5
3.1转速计算及误差分析5
3.2转速测量6
3.2.1门控方式计数6
3.2.2中断方式计数7
3.3串行显示接口7
4软件程序的设计8
4.11s定时8
4.2T1计数程序8
4.3频率数据采集9
4.4进制转换10
4.5数码显示13
5软件设计总体程序15
6总程序调试21
7心得体会21
参考文献22
1.前言
单片微型计算机简称单片机，又称为微控制器（MCU）是20世纪70年代中期发展起来的一种面向控制的大规模集成电路模块，具有功能强、体积小、可靠性高、价格低廉等特点，在工业控制、数据采集、智能仪表、机电一体化、家用电器等领域得到了广泛的应用，极大的提高了这些领域的技术水平和自动化程度。
单片机在我国大规模的应用已有十余年历史，单片机技术的研究和推广正方兴未艾。
MSC-51系列单片机是国内目前应用最广泛的一种8位单片机之一。
经过20多年的推广与发展，51系列单片机形成了一个规模庞大、功能齐全、资源丰富的产品群。
随着嵌入式系统、片上系统等概念的提出和普遍应用，MCS-51系列单片机的发展又进入了一个新的阶段。
我们使用的89C51单片机是目前各大高校及市场上应用最广泛的单片机型.其内部包含:
一个8位的CPU;4K的程序存储空间ROM;128字节的RAM数据存储器;两个16位的定时/计数器;可寻址64KB外部数据存储器和64KB外部程序存储器空间的控制电路;32条可编程的I/O线;具有两个优先级嵌套的中断结构的5个中断源。
本次课程设计便是设计一个基于89C51单片机转速表系统。
要求进行电路硬件设计和系统软件编程，硬件电路要求动手制作并能够完成系统硬件和软件调试。
2智能转速表的系统设计
2.1系统硬件设计
2.1.1方案选择
由于单片机所具有的特性，它特别适用于各种智能仪器仪表，家电等领域中，可以减少硬件以减轻仪表的重量，便于携带和使用，同时也可能低存本，提高性能价格之比。
该转速表选用MCS-51系列单片机的8031芯片，外部扩展4KBEPROM和8155作为显示器的接口。
该系统的整体结构框图见下图2.1所示：
图2.1智能转速表总结构流程图
2.1.2仪器各部分组成
（1）传感器
传感器为红外光电式传感器。
其中一个发光二极管发出红外波长的光，可不受室内自然光的影响，此光照到旋转物体上反射回后，被光敏三极管接收。
光敏三极管接受到此信号后，经放大，整形转换为矩形脉冲信号送入MCS-51单片机的外部中断输入端INTO和INT1上。
（2）键盘
键盘由功能键，数字键，存入键，取出键，单双键路选择键，启动停止键等组成。
为了减少键的数目，以减少故障率，采用了一键多用的复用键方案，但软件相对复杂一些。
键盘于8031的P1口直接相连，以加快对键盘的扫描速度。
也可以用8155等芯片作为键盘的输入接口，但扫描速度比前者慢一些。
（3）显示器
8个LED数码管作显示器，它通过可编程并行I/O接口芯片8155与8031相连。
8155的A口通过反相驱动（75452或7406）作为显示器位选口；B口通过同相驱动器（7407）作显示器段选口。
在进行不同测量时，除在LED显示器上以英文字母提示外，在运行过程中还以不同的发光二极管指示测量的内容。
发光二极管由8155的C口驱动。
（4）程序存储器
系统的监控程序和运算处理程序存放在外接4K字节的EPROM2732中。
（5）数据存储器
数据存储器由8031片内的低128字节和8155内部256字节的RAM组成.8031的内部RAM主要用于堆栈，工作寄存器，显示缓冲器，各测量参数的计算缓冲器和标致位等。
而8155内部的RAM除上部4个单元外，全部用于存放转速和线速度值，其存储空间划分如图2-2所示，共分为三组，每组84个单元，可存入42个16位二进制数据，即42个4位16进制数据。
如下图2.1为外部RAM存储器空间划分图。
图2.1外部RAM存储器空间划分
2.2系统软件设计
系统监控程序的主程序流程框图见图2.2系统软件采用模块式结构，由主程序及多个功能模块子程序组成，可使程序清楚，易编易读，便于调试和修改。
图2.2监控主程序流程图
主程序的任务是对8031单片机初始化，如设置堆栈，预置各定时器的控制字，初始化显示缓冲区，8155的初始化，设置标致位，清内存等；然后显示开机初始化状态，扫描键盘，根据按下键的功能各自的功能操作。
3设计原理
3.1转速计算及误差分析
根据转速,周期,频率之间的关系可知:
（3-1）
（3-2）
（3-3）
式中,n—被测转速,r/min;
T－转速信号周期,s;
f－转速信号频率,Hz;
－计算计数脉冲的周期，又称时基，
.
将式（3-3）代入式（6-1），可得：
（3-4）
用十六进制数表示，为：
式中N已存入75H,74H,73H单元。
利用除法子程序,即可求出转速。
下面计算系统得相对误差。
分别对式（3-1）和（3-3）求微分
（3-5）
（3-6）
将式（3-6代入（3-5），可得：
（3-7）
式中，
为量化误差，
个计数脉冲，又已知时基
，故
（3-8）
由式（3-8）可知，相对误差与频率成正比，即相对误差随转速得升高而升高。
因此，为了提高测量精度，高转速时需要连续测量数个周期。
本系统中为4个周期，即测得的N为4个周期内的总和，所以
（3-9）
（3-10）
用十六进制数表示，为
对式（3-9）进行微分得：
.
因此，可求出高速测量时的相对误差为
。
同样，代入
，
个计数脉冲，则:
（3-11）
将式（3-11）与式（3-8）比较可知，采用多周期测量相对精度大大提高。
若设置系统的临界转速为3662r/min，其对应的每周期计数脉冲个数为
。
开机时,首先按低转速测量,然后判断转速n是高于还是低于3662r/min。
若低与此临界值，则仍然低转速测量，若高于它，便主动转入高转速测量，即连续测量4个周期.这样，就可以实现量程自动切换。
3.2转速测量
由式（3-4）和（3-10）可知，只要能够求出脉冲个数N，即可求出转速。
为了得到计数脉冲，可以采用门控方式的硬件计数方法，也可以采用中断方式的软件计数方法。
3.2.1门控方式计数
由8031定时器/计数器T0工作原理可知，当其工作在计数方式，只要T0引脚上有负跳变,计数器就加1。
CPU在每个机器周期的
状态时，采样T0，所以需要2个机器周期才能识别一个T0的负跳变，即T0的周期至少应该等于2倍机器周期。
若晶振频率为6MHz，6分频后得到ALE信号，故ALE信号周期为
，机器周期为
。
由此可知,最低计数脉冲周期
为
，可由ALE信号经74LS74中的两个D触发器4分频后取得。
为了保证精度，要求8031内部计数器0与
的上跳沿同步，此时开始计数，在
的下跳沿停止计数。
图3.1门控脉冲与计数脉冲
为了实现此功能，可以利用51单片机特有的定时器门控工作方式，通过指令MOVTHOD，#1DH来设置定时器/计数器的工作方式。
这里使定时器/计数器0工作于16位技术方式，并由
门脉冲进行控制。
只有当
为高电平时，且运行控制位
时，计数器0才开始工作。
一旦
转为低电平，计数器0即刻停止计数。
3.2.2中断方式计数
高转速时，为了连续测量4个输入脉冲周期，可以采用中断方式计数。
在初始化或前一次测量结果时，单片机禁止”外部中断0”和”定时器0”溢出中断。
设置”外部中断0”为负跳沿触发方式，设定”计数器0”为非门控计数方式，然后等待中断。
外部中断负脉冲一到，立刻启动”计数器0”对T0的
计数脉冲进行计数。
计到4个测量周期时，停止”计数器0”工作，禁止外”中断”，恢复测量周期常数3，并将计得的脉冲数存入相应的单元。
门控方式和中断方式计数，有效的解决了精度测量输入脉冲周期和高低量程自动切换问题，测得计数脉冲个数后，即可转入计算转速n子程序，计算结果得BCD吗存入相应的4个存储单元，以备显示。
3.3串行显示接口
51单片机的I/O口串行口为全双工接口，串行工作在方式0时，外接移位寄存器，可将串口转换成8位并口。
其显示的速率为
即
，可以满足显示器稳定显示。
串行数据的接受/发送均通过RXD，而由TXD输出移位脉冲。
在串口上外接4片移位寄存器74LS64作为8位显示器的静态显示口。
变串行输入为并行输出，经缓冲器接至数码管。
4软件程序的设计
4.11s定时
本次设计选用定时器T0完成定时功能，选用方式1时最多也只能定时
，显然不能满足定时1
的要求，可以用下面这种方法解决：
采用T0定时10
，连续循环定时100次即可完成1
定时，用一个计数单元20H存放循环的次数，每一次循环20H单元自减1，当20H单元为零时则1
定时到时。
定时器T0初始化程序如下：
MOVIE,#8AH;开放T0、T1中断
MOVTMOD,#51H;T0定时，T1计数，都工作于方式一
MOV20H,#100;100*10ms=1s
SETBTR0
1s定时程序如下：
T0INT:
DJNZ20H,NEXT
NEXT:
MOVTH0,#0DCH;1s还未到则置初值继续定时
MOVTL0,#00H
EXIT:
RETI
4.2T1计数程序
设计中T1采用计数功能，需要注意的一个问题是，输入的待测时钟信号的频率最高可以达到460800Hz，但计数器最多只能计数65536次，显然需要对计数单元进行扩展，扩展的思路是除了计数器T1的TH1和TL1用于计数外，再选用一个计数单元23H，每当计数器T1溢出回零时产生中断，中断程序执行23H单元自增1，这样，当一秒到时时采集的计数数据，23H单元存放的是数据的最高位，TH1存放的是数据的次高位，TL1存放的是数据的最低位。
当然，这里所说的“最高位”“次高位”以及“最低位”都是针对十六进制而言的。
计数器T1初始化程序如下：
MOVIE,#8AH;开放T0、T1中断
MOVTMOD,#51H;T0定时，T1计数，都工作于方式一
MOVTH1,#00H
MOVTL1,#00H;计数初值为零
SETBTR1
根据流程图设计的计数程序如下：
MOV21H,#0
MOV22H,#0
MOV23H,#0;此三个单元存放采集到的频率
T1INT:
INC23H;计数器溢出则23H单元自增1
RETI
4.3频率数据采集
到1
定时时，存储计数器T1以及扩充计数单元23H记录的数据即为输入时钟信号的频率，为了保证记录的频率精确度，到1
定时后应立即停止T1的计数，因为指令的执行也需要时间，并且待测的时钟信号频率越高，指令执行所需要的时间就越不能忽略，这里采用的指令为CLRTR1。
数据采集程序如下：
CLRTR0
MOV22H,TH1;1s定时到则采集数据
MOV21H,TL1
AJMPEXIT
4.4进制转换
从计数器采集到的频率数据是十六进制的，如果直接把这些数据送给数码管显示显然很不直观，因此需要把这些数据向十进制转换。
转换的算法有两种，第一种算法的思想是对该十六进制数除以100，商为百位，余数再除以10，再得到的商为十位，余数为个位。
这种算法虽然程序的编写非常简单，但是它的局限性也非常明显，即它只能对不大于两位的十六进制数进行转换，对于大于两位的十进制数则无能为力。
这次设计的频率计频率范围远不止两位十六进制数就能记得下，所以这里采用第二种方法。
第二种方法算法的编程实现非常复杂，但是可以对任意长度的十六进制数向十进制转换。
这种算法的基本思路是：
第一步将最高位的高半字节提出来，除以10，把商存储起来，余数与最高位的低半字节组合成一个字节，再除以10，再存储商，余数以此类推，直到最后一次计算得到的余数即为十进制数的个位；第二步把第一步存储的商组合成一个字节，依次除以10，仍然把每次得到的商存储起来，以此类推最后一次得到的余数即为十进制数的十位；以后也是以此类推得到十进制数的百位、千位……以上算法必须要注意的一个为题是，每次得到的余数与低位的半字节组合成一个字节时，余数必须放在该字节的高半字节，否则计算错误。
该本次频率计系待测的时钟信号的最高频率为460800Hz，对应的十六进制数为70800H，这里就以70800H转换为十进制数为例来说明这种算法。
第一步：
用7H除以10，商0H余7H，把商0存储在24H单元，余数7H与下一个字节08H的高半字节0H组合成一个字节70H。
70H除以10，商BH余2H，把商BH存储在25H单元，余数2H与8H组合成一个字节28H。
28H除以10，商4H余0H，把商4H存储在26H单元，余数0H与0H组合成一个字节00H。
00H除以10，商0H余0H，把商0H存储在27H单元，余数0H与0H组合成一个字节00H。
00H除以10，商0H余0H，把商0H存储在28H单元，余数0即为所需十进制数的个位。
第二步：
把存储在24H与25H单元的商组合成一个字节0BH。
0BH除以10，同第一步，存储商，余数与下一个商组合成一个字节，再除以10，一次类推得到十进制数的十位0。
第三步：
方法同第二步，得到十进制数的百位8。
第四步：
方法同第三步，得到十进制数的千位0。
第五步：
方法同第四步，得到十进制数的万位6和十万位4。
最后得到了十进制数460800。
图4.3详细的展示了这种进制转换算法的过程。
这种算法的编程实现如下，转换后的十进制数由低到高依次存放再50H—60H单元中。
ZHUANHUAN:
;向十进制转换
MOVA,23H
MOVB,#0AH
DIVAB
MOV24H,A;存储第一位商
;---------------
MOVA,B
MOV30H,22H
ANL30H,#0F0H
ADDA,30H
SWAPA
MOVB,#0AH
DIVAB
MOV25H,A;存储第二位商
;---------------
MOVA,B
SWAPA
ANL22H,#0FH
ADDA,22H
MOVB,#0AH
DIVAB
MOV26H,A;存储第三位商
;---------------
MOVA,B
MOV30H,21H
ANL30H,#0F0H
ADDA,30H
SWAPA
MOVB,#0AH
DIVAB
MOV27H,A;存储第四位商
;---------------
MOVA,B
SWAPA
ANL21H,#0FH
ADDA,21H
MOVB,#0AH
DIVAB
MOV28H,A;存储第五位商
MOV50H,B;存储十进制数个位
;;;;;;;;;;;;;;;;;
MOVA,24H
SWAPA
ADDA,25H
MOVB,#0AH
DIVAB
MOV24H,A;存储第一位商
;---------------
MOVA,B
SWAPA
ADDA,26H
MOVB,#0AH
DIVAB
MOV25H,A;存储第二位商
;---------------
MOVA,B
SWAPA
ADDA,27H
MOVB,#0AH
DIVAB
MOV26H,A;存储第三位商
;---------------
MOVA,B
SWAPA
ADDA,28H
MOVB,#0AH
DIVAB
MOV27H,A;存储第四位商
MOV51H,B;存储十进制数十位
;;;;;;;;;;;;;;;;;
MOVA,24H
SWAPA
ADDA,25H
MOVB,#0AH
DIVAB
MOV24H,A;存储第一位商
;---------------
MOVA,B
SWAPA
ADDA,26H
MOVB,#0AH
DIVAB
MOV25H,A;存储第二位商
;---------------
MOVA,B
SWAPA
ADDA,27H
MOVB,#0AH
DIVAB
MOV26H,A;存储第三位商
MOV52H,B;存储十进制数百位
;;;;;;;;;;;;;;;;;
MOVA,24H
SWAPA
ADDA,25H
MOVB,#0AH
DIVAB
MOV24H,A;存储第一位商
;---------------
MOVA,B
SWAPA
ADDA,26H
MOVB,#0AH
DIVAB
MOV25H,A;存储第二位商
MOV53H,B;存储十进制数千位
;;;;;;;;;;;;;;;;;
MOVA,24H
SWAPA
ADDA,25H
MOVB,#0AH
DIVAB
MOV54H,B;存储十进制数万位
MOV55H,A;存储十进制数十万位
4.5数码显示
将采集到的频率转换为十进制数后，还不能直接将这些数送给数码显示，因为七段LED数码管内部由7个条形发光二极管和一个小圆点发光二极管组成，根据各管的亮暗组合成字符。
本次设计所给数码管十进制数显示代码如下所示。
表4.1LED十进制字形显示代码表
0---------------------------FC1---------------------------60
2---------------------------DA3--------------------------F2
4---------------------------665--------------------------B6
6---------------------------BE7---------------------------E0
8---------------------------FE9---------------------------E6
将十进制数转换为相应的LED显示的代码，最容易实现的编程方法就是查表，因数码管最多只需要显示六位，只需要查六次表就可以了。
编写的程序如下：
MOVR0,#50H
MOVR1,#5FH
MOVDPTR,#TAB
NEXT3:
MOVA,@R0
MOVCA,@A+DPTR
INCR0
INCR1
MOV@R1,A;把即将数码管显示的数据送入以60H为首的单元
DJNZR2,NEXT3
TAB:
DB0FCH,60H,0DAH,0F2H,66H,0B6H,0BEH,0E0H,0FEH,0F6H
得到十进制数的LED显示代码以后，就可以把这些代码送入数码管显示了，方法是50单片机先通过
通信的方式把显示代码发送给数码管管理芯片ZLG7290相应的显示区域，就可以通过数码管显示频率了。
51单片机通过
通信传送数据的过程如图5.5所示。
具体程序实现如下：
NUMBYTEQU5DH
SLAEQU5EH
MTDEQU5FH
SCLEQUP1.0
SDAEQUP1.1
MOVMTD,#10H;字节数据发送
MOVNUMBYT,#09H
MOVSLA,#70H
LCALLWRNBYT
WRNBYT:
PUSHPSW
WRNBYT1:
MOVPSW,#18h
CALLSTA
MOVA,SLA
CALLWRB
CALLCACK
JBF0,WRNBYT
MOVR0,#MTD
MOVR5,NUMBYT
WRDA:
MOVA,@R0
LCALLWRB
LCALLCACK
JBF0,WRNBYT1
INCR0
DJNZR5,WRDA
LCALLSTOP
POPPSW
RET
WRB:
MOVR7,#8
WLP:
RLCA
JCWR1
CLRSDA
SETBSCL
NOP
NOP
NOP
NOP
CLRSCL
DJNZR7,WLP
RET
WR1:
SETBSDA
SETBSCL
NOP
NOP
NOP
NOP
CLRSCL
CLRSDA
DJNZR7,WLP
RET
CACK:
;应答位检查
SETBSDA
SETBSCL
NOP
NOP
MOVC,SDA
MOVF0,C
CLRSCL
NOP
NOP
RET
STA:
SETBSDA;发送起始位
SETBSCL
NOP
NOP
NOP
NOP
CLRSDA
NOP
NOP
NOP
NOP
CLRSCL
RET
STOP:
CLRSDA;发送停止位
SETBSCL
NOP
NOP
NOP
NOP
SETBSDA
NOP
NOP
NOP
NOP
CLRSCL
RETI
5软件设计总体程序
各单元子程序已经设计完毕，将各子程序通过适当的指令链接起来，总程序的第一部分为T0、T1初始化，第二部分为1
定时，第三部分为计数，第四部分为采集频率，第五福分为进制转化，第六部分为数码显示，这几部分构成了转速表软件系统的总体程序，如下所示：
NUMBYTEQU5DH
SLAEQU5EH
MTDEQU5FH
SCLEQUP1.0
SDAEQUP1.1
ORG0000H
AJMPSTART
ORG000BH;T0中断入口
AJMPT0INT
ORG001BH;T1中断入口
AJMPT1INT
ORG0030H
START:
MOVSP,#70H
MOVIE,#8AH;开放T0、T1中断
MOVTMOD,#51H;T0定时，T1计数
MOVTH0,#0DCH
MOVTL0,#00H;定时10ms
MOV20H,#100;100*10ms=1s
MOVTH1,#00H
MOVTL1,#00H
MOV21H,#0
MOV22H,#0
MOV23H,#0;存放采集到的频率
SETBTR1
SETBTR0
WAIT:
AJMPWAIT;等待中断
T1INT:
INC23H;计数器溢出则23H单元自增1
RETI
T0INT:
;定时10ms产生中断
DJNZ20H,NEXT1
CLRTR1
CLRTR0
MOV22H,TH1;1s时间到则采集数据
MOV21H,TL1
ACALLDISPLAY
AJMPEXIT
NEXT1:
MOVTH0,#0DCH;继续定时
MOVTL0,#00H
EXIT:
RETI
DISPLAY:
MOVR0,#60H
MOVR1,#08H;对60H-67H单元清零
NEXT2:
MOV@R0,#0
INCR0
DJNZR1,NEXT2
ZHU
升级会员 