51 单片机替代自动定标器的定时和计数电路

第19卷　第1期2003年3月福建师范大学学报(自然科学版)Jou rnal of Fu jian N o rm al U n iversity (N atu ral Science )V o l 119　N o 11M ar 12003文章编号:100025277(2003)0120032204用M CS -51单片机替代自动定标器的定时和计数电路Ξ赖发春,瞿　燕,林发银,林旺添(福建师范大学物理系,福建福州　350007) 摘要:分析HW 23204型自动定标器的电路工作原理及存在的故障.利用M CS 251单片机设计定时和计数电路代替HW 23204型定标器中原有的定时和计数电路,分析设计电路的硬件、软件的组成和工作原理,新设计的定时和计数电路具有测量准确及工作性能稳定等优点.关键词:自动定标器;单片机;计数器;定时器中图分类号:T P 216 文献标识码:AΞΞΞΞΞ自动定标器是核辐射测量中常用的一种仪器[1,2].作者对核辐射测量做过一定的研究[3],发现由上海电子仪器厂生产的HW 23204型自动定标器的性能不稳定,有时定时电路不定时,有时计数电路不计数,经常出现一些故障.而M CS 251单片机抗干扰能力强,性能稳定,内部有两个16位的计数 定时器,已广泛应用于各种测试领域[4].利用M CS 251单片机的计数和定时功能,设计出硬件电路,编写软件程序,替代自动定标器中原有的定时和计数电路,使仪器的稳定性和可靠性得以提高.1　HW 23204型自动定标器的工作原理HW 23204型自动定标器由高压电源、低压电源、单道、定时、计数等电路组成的六位数通用核辐射测量仪器.该仪器配合G 2M 计数管或Α、Β、Χ等闪烁探头,可以在放射性同位素应用领域中作放射性强度测量.图1　HW 23204型自动定标器方框图HW 23204型自动定标器的仪器方框图如图1,它主要由五个单元构成.±12V 电源单元除供仪器各部分用电外,还通过七芯电缆插座为探测器的前置电路提供电源.2kV 高压电源单元为各种探测器提供工作电压.从探测器来的脉冲信号经衰减后输入到放大、单道单元,放大、单道单元对信号经过放大分析后,经门控电路输出到定标单元,其中单道单元还设有最低的阈值电压值,以消除干扰脉冲的影响.定标单元是由六级十进位电路构成的计数电路,并显示定标器的计数结果.控制单元主要作用是控制单道分析能否输出信号到定标单元,使定标单元的计数清零,预置定时时间等等.由于定标单元和控制单元所用的集成电路C 043、5G 654等质量较差,在环境温度较高时,定标器经常出现ΞΞΞΞΞΞ作者简介:赖发春(1965—　),男,福建上杭人,副教授,中国科技大学博士研究生.基金项目:福建省教育厅基金资助项目(K 20093)收稿日期:2002-06-28定时不准或不定时,计数器的读数不正确等故障.基于HW 23204型自动定标器的故障,作者利用M CS 251单片机的定时和计数功能代替自动定标器的定时和计数电路,使仪器的性能更加稳定.2　M CS 251单片机构成定时器和计数器系统的硬件组成及工作原理图2　定时和计数器系统的硬件方框图由M CS 251单片机构成的定时器和计数器系统的硬件框图如图2.该系统主要由M CS 251单片机、键盘接口电路、复位电路、外部脉冲输入电路、自检信号输出电路、电源电路、晶振电路、状态显示电路、六位L ED 显示电路及显示驱动电路等组成.211　M CS -51单片机M CS 251单片机(本文采用89C 51单片机)内有8位中央处理器CPU 、ROM 、RAM 、寄存器、4个8位并行I O 口(P 0口～P 4口)、2个16位定时 计数器和中断系统等.由于M CS 251单片机具有以上功能,它可以方便地应用于定时和计数系统中.M CS 251单片机是计数器及定时器系统的核心部件,负责对整个系统的统一管理.它的主要功能有:(1)及时准确地接收键盘电路送来的各种按键信号,并作出相应处理.(2)正确接收外部脉冲信号,即接收由自动定标器放大和单道单元送出的脉冲核辐射信号,并对脉冲进行计数.(3)正确的定时功能,定时开始,计数器开始计数,定时结束,计数器停止计数.(4)控制L ED 显示及状态显示电路,使显示电路正确显示相关的信息.212　键盘接口及复位电路复位电路是通过复位按键与单片机的复位端相连,当复位按键按下时,系统软件从初始化重新开始工作.键盘接口电路的4个按键分别与单片机P 1口的P 114～P 117四个I O 口相连,采用独立按键式结构[5].其中两个按键分别是分和秒定时按键,每按一次分或秒定时按键,其相应的定时值会加一,定时值未经设置时,分和秒定时值均为零.秒定时最大值为59s ,分定时最大值为99m in ,已能满足使用的需求.第三个按键是开始计数、显示模式转换、重复计数功能按键.首先,当定时设置完成后,按下此功能键,则计数器开始计数工作,同时定时器开始进行倒计时,此时L ED 显示器显示的是当前的计数值,直到定时时间到,定时器发出结束计数命令,计数器停止计数,显示器显示最终计数结果.在计数器计数的工作过程中,若再按此功能键,则显示器显示的是倒计时的所剩时间,按此键,显示器又显示计数值.如果是计数结束后,按下此键,则可以进行重复定时计数.第四功能键是当前存储值和暂停按键.在计数器完成计数工作后,按一下此键,显示器可显示原设置的定时值;再按一下此键,则显示计数结果.如果在计数过程中按下此键,则计数器会暂停计数,可实现暂停计数功能.213　驱动电路、六位L ED 显示电路和提示音电路定时器和计数器的显示电路是一个六位的L ED 显示器,它的功能是显示计数或定时的结果等信息.显示器的位选信号由单片机的P 0口的P 010～P 015六个I O 口提供,由于M CS 251单片机的输出电流较小,不能直接驱动L ED 显示器或蜂鸣器,因此位选信号必须经过三极管或其它的驱动电路进行驱动.本系统中驱动电路选用2003驱动集成块.显示器的段选信号是由单片机的P 2口的P 210～P 213四个I O 口送出显示字符的BCD 码,BCD 码信号经译码电路译成笔型码后再到显示器的各个段.其中译码电路选用4511集成块.提示音电路的作用是当系统工作完成后,由蜂鸣器发出提示声音,提示用户定时计数已结束.它的功能是通过单片机的P 016I O 口送出提示信号再经驱动电路驱动蜂鸣器来实现的.33　第1期 赖发春等:用M CS 251单片机替代自动定标器的定时和计数电路214　状态显示电路、电源电路、晶振电路、外部脉冲输入和自检信号输出电路状态显示电路由4个发光二极管分别与P 1口的P 110～P 113四个I O 口端相连,每个二极管的点亮代表一种工作状态.四个状态分别是定时或定时值状态、计数或计数结果状态、倒计时状态、工作完成状态.当系统工作处于那种状态,单片机就使相应的二极管点亮,例如当系统开始定时的时候,系统处于定时工作状态,故只有定时状态的二极管点亮.图3　定时和计数器系统主程序框图电源电路为整个系统提供电源,晶振电路由12M H z 的晶振片和电容构成,向单片机提供时钟信号.外部脉冲输入电路就是指计数器的计数输入端口,是用单片机的P 314口(定时器 计数器0的外部输入端口),也就是将经自动定标器的放大和单道单元放大后的脉冲信号接在P 314口由单片机来采集核辐射的脉冲信号,单片机采集了脉冲的个数后再显示采集的结果.自检信号输出电路是为了判断系统的定时和计数工作是否正常而设置的,利用P 311口输出频率为125H z 的方波信号,将此信号当作被测信号来测量就可以检验系统工作是否正常.3　单片机构成定时器和计数器系统的软件框图及原理M CS 251单片机的计数定时器0设为定时功能,每4m s 产生一次中断,此4m s 的时间作为显示程序的单个数码管的点亮时间,而250个4m s 则正好为1s ,它可以作为实时时钟的秒信号.将单片机的计数 定时器1设为计数功能,通过它记录核辐射的脉冲个数.单片机构成定时器和计数器系统的软件由主程序和中断服务子程序组成[6,7].主程序包含初始化、键盘扫描程序、按键处理程序(含键盘去抖动程序)、读计数器的计数及处理程序、数制转换程序和显示程序等;中断服务子程序包含实时时钟计时程序、倒计时时钟控制程序等.所有程序均保存在片内存储器内.计数和定时器系统的主程序框图如图3.系统上电或复位后开始工作,首先进入初始化,将系统中所有的命令、状态以及有关的存储单元置成初始状态.系统测试是利用测试程序对程序存储器、数据存储器及硬件功能等进行检查是否正常.完成初始化设置和系统测试正常以后,L ED 显示器上显示提示符.系统将运行显示和键盘扫描程序,先输入定时的时间值,系统在开始测量按键按下后,执行开系统的中断命令,同时定时器开始计时,计数器开始计数,系统就进入了计数的工作状态.随后系统将不断地读取计数器的计数值,并显示计数的结果,同时通过键盘扫描程序检测是否有要求执行其他的任务.当定时时间到后,计数器停止计数,读取计数值,显示器显示测量的最终结果.4　结论由M CS 251单片机构成的定时器和计数器系统的定时时间值最小为1s ,最大为99m in 59s ;计数的测量结果显示值最小为000000,最大为999999.当输入脉冲信号的频率小于50kH z 时,测量误差小于011%,符合自动定标器的定时和计数部分电路的需求.HW 23204型自动定标器的定时和计数电路由单片机的定时器和计数器系统代替后,经长时间的测试验证,整机性能稳定,不再出现定时器不计时或计数器不计数的现象,测量误差小,使用更加方便.同时若利用单片机的串行接口与计算机通信的功能,将可以实现自动的数据采集,提高仪器的43福建师范大学学报(自然科学版) 2003年　智能化水平,这是下一步工作.参考文献:[1]赖发春.G 2M 计数管实验的研究[J ].福建师范大学学报(自然科学版),1998,14(2):98-101.[2]赖恒,赖发春,黄志高,等.近代物理实验[M ].福州:福建教育出版社,2001.44-52.[3]赖发春,瞿燕.用I BM 2PC 机测量核衰变的统计分布[J ].福建师范大学学报(自然科学版),2001,17(2):47-49.[4]何立民.单片机应用文集[M ].北京:北京航空航天大学出版社,1991.303-416.[5]何立民.M CS 251系列单片机应用系统设计系统配置与接口技术[M ].北京:北京航空航天大学出版社,1990.127-160.[6]陈伟人.M CS 251系列单片机实用子程序集锦[M ].北京:清华大学出版社,1993.3-10.[7]武庆生,仇梅.单片机原理与应用[M ].成都:电子科技大学出版社,1998.73-78.W ith the M CS -51Si ngle Sh ip M icrocom puter Take Place of theCoun ter and T i m i ng Con troller of the Automa tic Sca lerLA I Fa -chun ,QU Yan ,L IN Fa -y i n ,L IN W ang -ti an(D ep a rt m en t of P hy sics ,F uj ian N or m a l U n iversity ,F uz hou 350007,Ch ina )Abstract :T he HW 23204au tom atic scaler has som e draw back s.W ith the M CS 251single ch i p m i 2crocom p u ter ,the new coun ter and ti m ing con tro ller have been designed and take p lace of the coun ter and ti m ing con tro ller of the au tom atic scaler .A s the resu lt of test ,the new coun ter and ti m ing con 2tro ller have h igh p erfo rm ance and m o re stab ility .Key words :au tom atic scaler ;single ch i p m icrocom p u ter ;coun ter ;ti m ing con tro ller(责任编辑　黄家瑜)53　第1期 赖发春等:用M CS 251单片机替代自动定标器的定时和计数电路。