1、摘 要本文是基于 51 单片机的转速测量系统，其测量方法较多，随着单片机对脉冲信号的处理能力越来越强大，使得全数字量系统越来越普及，并且使转速测量系统也可以用全数字化处理。输出电压经整形电路送入 STC89C51 单片机进行数据处理并用四位 7 段 LED 显示器显示测量结果。文中首先阐述了构成该系统的原理、硬件的实现方法，在该系统中对信号频率进行测量是首要任务，通过各种测量方法的对比下，该系统应采用测频法测量。其次，在软件设计部分，此系统包含系统初始化程序的设计、数据接收和处理程序的设计、显示程序的设计三个模块。最终，给出各部分的原理框图、电路图及转速测量的程序流程图，并编出其具体的程序。总
2、之，本课题完成了硬件和软件系统的设计，实现了转速测量系统的测量，转速计算、显示功能，同时实现键盘的开始/停止功能，完成了设计的要求。关键词 单片机、转速测量、脉冲信号目 录1 单片机的应用.11.1 单片机的介绍.11.1.1 单片机的发展历程.11.1.2 单片机的分类.21.1.3 单片机的应用与开发.31.2 单片机的结构.41.2.1 单片机的内部结构.41.2.2 单片机的引脚功能.61.2.3 单片机定时与工作方式.72 工作原理和设计思路及方案.82.1 基本原理.82.2 设计思路.92.3 设计方案.93 硬件电路设计.103.1 按键设计电路图.103.2 显示电路设计图.
3、113.3 脉冲产生电路设计图.114 软件设计.124.1 主程序流程及说明.124.2 中断服务子程序.134.3 键盘扫描程序.145 四位数码管转速表的仿真.155.1 系统仿真软件介绍.155.1.1 Proteus 软件介绍.155.1.2 Keil uVision3 软件介绍.175.2 系统的仿真.185.3 四位数码管转速表程序.20总 结.25致 谢.26参考文献.27单片机实训01 单片机的应用1.1 单片机的介绍1.1.1 单片机的发展历程自单片机出现至今，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(M
4、PU)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。 单片机长寿命 这里所说的长寿命，一方面指用单片机开发的产品可以稳定可靠地工作 十年、二十年，另一方面是指与微处理器相比的长寿命。随着半导体技术的飞速发展， MPU 更新换代的速度越来越快，以 386、486、586 为代表的 MPU，很短的时间内就被淘汰出 局而传统的单片机如 68HC05、8051 等年龄已有15 岁，产量仍是上升的。这一方面是由 于其对相应应用领域的适应性，另一方面是由于以该类 CPU 为核心，集成以更多 I/O 功能 模块的新单片机系列层出不穷。可以预见，一些成功上
5、市的相对年轻的 CPU 核心，也会随 着 I/O 功能模块的不断丰富，有着相当长的生存周期。新的 CPU 类型的加盟,使单片机队伍 不断壮大,给用户带来了更多的选择余地。 8 位、16 位、32 位单片机共同发展 这是当前单片机技术发展的另一动向。长期以来，单 片机技术的发展是以 8 位机为主的。随着移动通讯、网络技术、多媒体技术等高科技产品 进入家庭，32 位单片机应用得到了长足发展。以 Motorola 68K 为 CPU 的 32 位单片机 97 年的 销售量达 8 千万枚。过去认为由于 8 位单片机功能越来越强，32 位机越来越便宜，使 16 位 单片机生存空间有限，而 16 位单片机
6、的发展无论从品种和产量方面，近年来都有较大幅 度的增长。单片机速度越来越快 MPU 发展中表现出来的速度越来越快是以时钟频率越来越高为标志 的。而单片机则有所不同，为提高单片机抗干扰能力，降低噪声，降低时钟频率而不牺 牲运算速度是单片机技术发展之追求。一些 8051 单片机兼容厂商改善了单片机的内部时 序，在不提高时钟频率的条件下，使运算速度提高了很多，Motorola 单片机则使用了琐 相环技术或内部倍频技术使内部总线速度大大高于时钟产生器的频率。68HC08 单片机使 用 4.9M 外部振荡器而内部时钟达 32M，而M68K 系列 32 位单片机使用 32K 的外部振荡器频率 内部时钟可达
7、 16MHz 以上。低电压与低功耗 自 80 年代中期以来，NMOS 工艺单片机逐渐被 CMOS 工艺代替，功耗得以 大幅度下降，随着超大规模集成电路技术由 3m 工艺发展到1.5、1.2、0.8、0.5、0.35 近而实现 0.2m 工艺，全静态设计使时钟频率从直流到数十兆任选，都使功耗不断下降 。Motorola 最近推出任选的 M.CORE 可在 1.8V电压下以 50M/48MIPS 全速工作，功率约为 20mW。几乎所有的单片机都有单片机实训1Wait、Stop 等省电运行方式。允许使用的电源电压范围也 越来越宽。一般单片机都能在 3 到 6V 范围内工作，对电池供电的单片机不再需要
8、对电源采 取稳压措施。低电压供电的单片机电源下限已由 2.7V 降至 2.2V、1.8V。0.9V 供电的单片 机已经问世。 低噪声与高可靠性技术 为提高单片机系统的抗电磁干扰能力，使产品能适应恶劣的工 作环境，满足电磁兼容性方面更高标准的要求，各单片机商家在单片机内部电路中采取 了一些新的技术措施。如美国国家半导体 NS 的 COP8 单片机内部增加了抗 EMI 电路，增强了 “看门狗”的性能。Motorola 也推出了低噪声的LN 系列单片机。 OTP 与掩膜 OTP 是一次性写入的单片机。过去认为一个单片机产品的成熟是以投产掩膜 型单片机为标志的。由于掩膜需要一定的生产周期，而OTP 型
9、单片机价格不断下降，使得 近年来直接使用 OTP 完成最终产品制造更为流行。它较之掩膜具有生产周期短、风险小的 特点。近年来，OTP 型单片机需量大幅度上扬，为适应这种需求许多单片机都采用了在片 编程技术(In System Programming)。未编程的 OTP 芯片可采用裸片 Bonding 技术或表面贴 技术，先焊在印刷板上，然后通过单片机上引出的编程线、串行数据、时钟线等对单片 机编程。解决了批量写 OTP 芯片时容易出现的芯片与写入器接触不好的问题。使 OTP的裸 片得以广泛使用，降低了产品的成本。编程线与 I/O 线共用，不增加单片机的额外引脚。而一些生产厂商推出的单片机不再有
10、掩膜型，全部为有 ISP 功能的OTP。MTP 向 OTP 挑战 MTP 是可多次编程的意思。一些单片机厂商以 MTP 的性能、OTP 的价位推出 他们的单片机，如 ATMEL AVR 单片机，片内采用 FLASH，可多次编程。华邦公司生产的与 8051 兼容的单片机也采用了 MTP 性能，OTP 的价位。这些单片机都使用了 ISP 技术，等安装到印刷线路板上以后再下载程序。 1.1.2 单片机的分类ATMEL 公司的 AVR 单片机,是增强型 RISC 内载 Flash 的单片机,芯片上的 Flash存储器附在用户的产品中,可随时编程,再编程,使用户的产品设计容易,更新换代方便.AVR 单片
11、机采用增强的 RISC 结构,使其具有高速处理能力,在一个时钟周期内可执行复杂的指令,每 MHz 可实现 1MIPS 的处理能力.AVR 单片机工作电压为 2.76.0V,可以实现耗电最优化.AVR 的单片机广泛应用于计算机外部设备,工业实时控制,仪器仪表,通讯设备,家用电器,宇航设备等各个领域. （1）Motorola 单片机:Motorola 是世界上最大的单片机厂商.从 M6800 开始,开发了广泛的品种,4 位,8 位,16 位 32 位的单片机都能生产,其中典型的代表有:8 位机 M6805,M68HC05 系列,8位增强型 M68HC11,M68HC12 , 16 位机 M68HC
12、16, 32 位机 M683XX. Motorola 单片机单片机实训2的特点之一是在同样的速度下所用的时钟频率较 Intel 类单片机低得多,因而使得高频噪声低,抗干扰能力强,更适合于工控领域及恶劣的环境 .（2）MicroChip 单片机: MicroChip 单片机的主要产品是 PIC 16C 系列和 17C 系列 8 位单片机,CPU 采用RISC 结构,分别仅有 33,35,58 条指令,采用 Harvard 双总线结构,运行速度快,低工作电压,低功耗,较大的输入输出直接驱动能力,价格低,一次性编程,小体积. 适用于用量大,档次低,价格敏感的产品.在办公自动化设备,消费电子产品,电讯
13、通信,智能仪器仪表,汽车电子,金融电子,工业控制不同领域都有广泛的应用,PIC 系列单片机在世界单片机市场份额排名中逐年提高.发展非常迅速.工业级 OTP 单片机,Micon 公司生产,与 PIC 单片机管脚完全一致,海尔集团的电冰箱控制器,TCL 通信产品,长安奥拓铃木小轿车功率分配器就采用这种单片机。EM78 系列 OTP 型单片机: 台湾义隆电子股份有限公司,直接替代 PIC16CXX,管脚兼容,软件可转换.（4）Scenix 单片机:Scenix 公司推出的 8 位 RISC 结构 SX 系列单片机与 Intel 的 Pentium II 等一起被评选为 1998 年世界十大处理器.在
14、技术上有其独到之处， SX 系列双时钟设置,指令运行速度可达 50/75/100MIPS(每秒执行百万条指令,XXX M Instruction Per Second) ;具有虚拟外设功能,柔性化I/O 端口,所有的 I/O 端口都可单独编程设定,公司提供各种 I/O 的库函数,用于实现各种 I/O 模块的功能以及应用,如多路 UART,多路 A/D,PWM,SPI,DTMF,FS,LCD 驱动等等. 采用 EEPROM/FLASH 程序存储器,可以实现在线系统编程.通过计算机RS232C 接口,采用专用串行电缆即可对目标系统进行在线实时仿真.（5）8051 单片机:8051 单片机最早由 I
15、ntel 公司推出,其后,多家公司购买了 8051 的内核,使得以 8051 为内核的 MCU 系列单片机在世界上产量最大,应用也最广泛,有人推测 8051可能最终形成事实上的标准 MCU 芯片.1.1.3 单片机的应用与开发单片机有多种类型，并且逐渐发展 16 位、32 位单片机，但是掌握好基本的8031 是十分重要的。开发单片机通常用到开发软件、仿真器、编程器，以及诸如逻辑笔、万用表等辅助工具，当然 PC 机是少不了的。开发单片机应用系统，首先时软硬件设计，很难说谁先谁后，大致是更据应用的要求画出框图，想想哪些功能是由硬件实现的，哪些是由软件实现的，然后画出单片机实训3软件的流程图。当然设
16、计中有的功能可由软件代替硬件实现，但要考虑编程的复杂性，有时虽然可以降低成本，但会给自己带来麻烦 。一般有两种开发方法，其一是软件模拟仿真后把没有错误的程序用编程器写入EPROM 或单片机内，廉价的 PIC 单片机开发系统就是这样，早期的 sim51 软件是对8031 仿真的。有的是在 PC 上写好程序，检查无语法错误后用软件下载到编程器对AT89C51 等单片机进行编程，或者对可在线编程的单片机有例如 PIC16F84、PIC-BASIC（PS1016）等进行编程。对于这种“开发手段”，一般只能应用在软硬件比较简单的情况下，也特别适用于学生或者业余爱好者。其二是采用通用实时再线仿真器，用设断
17、点，单步运行，实时查看寄存器、I/O 口、存储器内容等方法调试单片机系统真是感觉好极了，一切尽在掌握。通常仿真器通过 RS-232 串口于 PC 机连接，用软件编程调试，PC 机显示器显示状态。高档的仿真器支持许多型号的单片机，并有 WINDOWS 下集成开发环境（包括编辑，汇编，仿真等），大多数做单片机系统的人都是采用这种方法开发，只是仿真器大多较贵，业余爱好者要根据自己的情况决定。以前的开发要用 EPROM，需要编程器（把程序写入 EPROM 中）和紫外线灯（EPROM 擦除器），擦完后还要校验，非常不便。现在片内带有 EEPROM 的单片机开发起来很方便（就像 CI 取代 BIOS 一样
18、），EEPROM 既像静态 RAM 那样读写简便，又在掉电时数据不会丢失的，大大简化应用系统结构。另外一般 EPROM 中的程序很容易被复制，OTP 单片机可以把保密熔丝烧断以保密，而有的 EEPROM 单片机有种“锁”，使别人无法读取其中的程序，若要读，EEPROM 中原来的信息会自动销毁，就达到了保密的目的。 近年来出现了 IIC 串行总线结构，这种总线是用两条数据线代替现行的 8 位数据总线，从而大大地减少了单片机引线，目前许多电子公司正在积极开发 IIC 总线的产品，也为我们使用提供了方便。1.2 单片机的结构1.2.1 单片机的内部结构8051 是 MCS-51 系列单片机的典型产品
19、， 8051 单片机包含中央处理器、程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线，现在我们分别加以说明：（1）中央处理器：中央处理器(CPU)是整个单片机的核心部件，是 8 位数据宽度的处理器，能处理 8 位二进制数据或代码，CPU 负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，单片机实训4完成运算和控制输入输出功能等操作。（2）数据存储器(RAM)：8051 内部有 128 个 8 位用户数据存储单元和 128 个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能
20、用于存放用户数据，所以，用户能使用的 RAM 只有 128 个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。（3）程序存储器(ROM)：8051 共有 4096 个 8 位掩膜 ROM，用于存放用户程序，原始数据或表格。（4）定时/计数器(ROM)：8051 有两个 16 位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数产生中断用于其中的控制程序转向。（5）并行输入输出(I/O)口：8051 共有 4 组 8 位 I/O 口(P0、 P1、P2 或 P3)，用于对外部数据的传输。（6）中断系统：8051 具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断，可满足不同的控制要
21、求，并具有 2 级的优先级别选择。（7）时钟电路：8051 内置最高频率达 12MHz 的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲时序，但 8051 单片机需外置振荡电容。单片机的结构有两种类型，一种是程序存储器和数据存储器分开的形式，即哈佛(Harvard)结构，另一种是采用通用计算机广泛使用的程序存储器与数据存储器合二为一的结构，即普林斯顿(Princeton)结构。INTEL 的 MCS-51 系列单片机采用的是哈佛结构的形式，而后续产品 16 位的 MCS-96 系列单片机则采用普林斯顿结构。下图是 MCS-51 系列单片机的内部结构示意图单片机实训5图 1.1 单片机结构图1.2.2
22、单片机的引脚功能MCS-51 系列单片机中的 8031、8051 及 8751 均采用 40Pin 封装的双列直接 DIP结构，图 2 是它们的引脚配置，40 个引脚中，正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根，4 组 8 位共 32 个 I/O 口，中断口线与 P3 口线复用。现在对这些引脚的功能加以说明：单片机实训6图 1.2 单片机引脚功能图（1）P0.0P0.7P0 口是 8 位漏极开路型双向并行 I/O 端口。当访问外部存储器时，它分时作为低 8 位地址/数据总线。在 EPROM 编程时，由 P0 输入指令。在验证程序时，则输出指令。P1.0P1.7： P1 口 8 位准双向并行 I/O。在对 8751 片内 EPROM 编程校验时，用来传送低 8 位地址。P2.0P2.7： P2 口 8 位准双向并行 I/O。当访问外部存储器及 8751 片内EPROM 编程时，用以传输高 8 位地址信号。P3.0-P3.7： P3 口 8 位准双向并行 I/O 线，另外其第二功能为：P3.0-RXD （串行数据接收）P3.1-TXD （串行数据发送）P3.2- 0INT （外部中断 0 请求）P3.3- 1 （外部中断 1 请求）P3.4-T0 （定时/计数器 0 外输入）
