基于單片機構成的產品自動計數器有直觀和計數精確的優點，目前已在各種行業中得到廣泛應用。數字計數器有多種形式，總體來說有接觸式和非接觸式兩種，在科技發展的今天，非接觸式紅外計數器得到了廣泛的應用。本設計采用一對紅外發射接收管作為紅外計數器的信號檢測頭，具有價格低廉，抗干擾性好，結構簡單，操作方便等特點。指導思想是利用紅外發光管發射紅外線，紅外接收管接收此紅外線，并將其放大、整流形成低電平信號。當有人或物擋住紅外光時，接收管沒有接收到紅外信號，放大器將輸出高電平，同時將這個電平信號送入單片機進行控制計數，并且使數碼管顯示數值。這樣就得到要統計的人或物的數量。

1.緒論

1.1前言

在當今社會飛速發展的今天，廠家基本采用流水線技術進行產品生產作業，而怎樣對其線上的產品進行實時的、有效的、精確的自動計數成為廣大生產廠家十分關注的問題。傳統的機械式或電子式計數器（主要是用數字電路集成組件組成）電路比較復雜，元器件數量較多，故障率較高，維修比較困難，而設置預定數值不太方便，功能不易更改且功能過于單一，適用范圍較窄。而基于單片機為核心控制的計數器有著能夠實時、精確、可靠、穩定等計數優點已成為廣大廠家的首先自動計數裝置。

1.2選題背景

計算機技術迅速發展，基于單片機技術開發的計數設備和產品廣泛應用到各個領域，單片機技術產品和設備促進了生產技術水平的提高，企業迫切需要大量熟練掌握單片機技術并能開發、應用和維護管理這些智能化產品的高級工程技術人才，單片機以體積小、功能強、可靠性高、性能價格比高等特點，已成為實現工業生產技術進步和開發機電一體化和智能化測控產品的重要手段，已經實現或部分實現，但要真正完美地實現這些目標，對于設計者來說，還有許多工作要做，而不是表面看來似乎發展到頭了，電子計數器是一種多功能的電子測量儀器，它利用電子學的方法測出一定時間內輸入的脈沖數目，并將結果以數字形式顯示出來。

1.3設計要求

（1）整個系統有較強的抗干擾能力 （2）計數范圍：00～99 （3）將計數值準確顯示出來 （4）具有自動清0能力

1.4市場發展概況

如今的產品自動計數器大多采用非接觸方式，早已開發出了多種型號的專用檢測芯片。而利用AT89C51為控制單元、輔以多種外圍硬件搭配而成的計數裝置已成為現在自動計數應用領域的潮流。而如何提高自動計數器的實時性、抗干擾能力、穩定性是現在國內外自動計數生產研究的主要課題，產品自動計數主要用于工廠的流水線，往往是處于高溫，高噪聲等極度惡劣的環境中，而AT89C系列單片機構成的產品自動計數器在這種環境中工作時往往會出現誤操作（單片機程序跑飛）或死機（程序進入死循環），這也是基于單片機構成的產品自動計數器存在的致命。

1.5此次設計研究的主要內容應解決問題

基于單片機構成的產品自動計數研究的主要內容包括：如果構成檢測電路、AT89C51單片機用何種方式對外部計數脈沖進行計數進行計數顯示控制、LED顯示驅動模塊的選擇、AT89C51單片機的擴展。在這個設計中主要需要解決的問題是如何提高AT89C51單片機的抗干擾能力以及穩定性。

2.基于單片機構成的產品自動計數器的設計

2.1方案論證與選擇

方案一、如圖2-1

方案一原理闡述：專業檢測芯片形成計數后送入控制單元AT89C51單片機，通過對它片內計數、顯示編程。74LS245是LED驅動芯片，可以同時驅動4個7段數碼管，AT24C02是EEPROM模塊，可以保存單片機運算時的中間有用結果的芯片，是突然掉電，關斷電源或瞬間電源電壓不穩定時，不會造成數據丟失或數據誤寫，也可以在上電后從中讀出其保存的數據內容，大大增強了抗干擾的能力。

方案二、如圖2-2

方案二原理闡述：紅外發射電路（以NE555為核心）和紅外接收電路（由LM567為核心）構成紅外檢測單元及形成計數脈沖，計數顯示部分使用了四合一芯片CL102它是集譯碼、驅動、鎖存、顯示為一體。

方案三、如圖2-3

方案三原理闡述：利用紅外接收發射管的特性（即紅外接收頭在有紅外光電阻原理分壓可取基準電壓，然后通過電壓比較器可輸出高低電平，當有紅外光照射的時候，紅外接收管串聯的電阻分得的電壓很大，可使電壓比較器LM324輸出為低電平；當無紅外光照射的時候，紅外接收頭串聯電阻分得的電壓很小，可使電壓比較器LM324輸出為高電平，然后通過單片機處理，可使輸出精準的計數值。

以上三個方案各有自己的優點：

方案一既可完美的實現產品自動計數功能且能讓系統處于異常狀態和抗干擾時通過外圍專用芯片到非常好的解決，外圍電路架設相對簡單、在市場上屬于高端自動計數產品。同時它也暴露出一個重大問題；由于成本太貴的原因此類產品并沒有得到普及。如果用此方案進行設計只需要了解各專用芯片的引腳功能以及外圍連接方法就可以實現自動計數，并沒有很好的達到我人做畢業設計的目的，故雖然這個方案最完美的一個方案也只有舍棄。

方案二是一個簡易的產品自動計數器，價格低廉、計數精確，但在系統處于異常狀態時，工作十分不穩定，也是屬于現在產品自動計數市場上的淘汰產品，僅用于在計數要求不高的場合中，這個方案太過于簡單故不選用。

方案三是這次畢業設計用的方案，之所以選用主要是這個方案涉及的知識面廣且能達到精確、穩定的自動計數，但也有一個致使的缺點，整個系統的抗干擾力相對欠佳，系統掉電后不能保存數據，在系統出現異常狀態時容易出現誤操作或死機，這也是此設計難點的問題。

2.2 系統總體框圖和原理

原理：電路的指導思想是紅外發射管發射紅外線，紅外接收管接收紅外線，并且接收管當有紅外線照射的時候，電阻比較小，當無線外線照射的時候電阻比較大，這樣就可以通過一個電壓比較器和一個基準電壓進行對比，當有光照的時候，紅外接收管電阻比較小，那么和其串聯的電壓分壓就會增大，所以電壓比較器將會輸出一高電平；當無光照射的時候，紅外接收管的電阻比較大，這樣電壓比較器就會輸出一個低電平。這個便是外部計數電平信號，這個電平信號送入AT89C51單片機進行計數控制，在經過擴展、顯示驅動完成最后的顯示過程。2.3系統單元電路設計

2.3.1電源供電電路

如圖2-5所示電源供電部分采用變壓器降壓、橋式整流、電容器濾波、三端穩壓器7805如圖2-6穩壓后供電，電源用220V的家庭用電經變壓器降至6V交流電，然后經四個整流二極管（D1～D4）如圖2-7組成的橋式整流成直流電壓，經C1濾波后輸入7805芯片穩壓成5V直流電源供紅外發射、接收電路、AT89C51等供電。

橋式整流器是利用二極管的單向導通性進行整流的最常用電路，常用來將交流轉變成為直流電。 工作原理：

橋式整流是對二極管半波整流的一種改進。

半波整流利用二極管單向導通特性，在輸入標準正弦波的情況下，輸了獲得正弦波正半部分，負半部分則損失掉。

橋式整流器利用四個二極管，兩兩對接，輸入正弦波的正半部分是兩只管導通，得到正的輸出，輸入正弦波的負半部分時，另兩只管導通，由于這兩只管是反接的，所以輸出還是得到正弦波的正半部分。橋式整流器對輸入正弦波的利用率比半波整流高一倍。

橋式整流是交流轉換成直流電的第一步。 橋式整流也叫整流橋堆。

橋式整流器是多只整流二極管作橋式連接，外用絕緣塑料封裝而成，大功率整流器在絕緣層外添加金屬殼包封，增強散熱。橋式整流器品種多，性能優良，整效率高，穩定性好，最大整流電流從0.5A到50A，最高反射峰值電壓從50V到1000V。

整流電路是將交流電變成直流電的一種電路，但其輸出的直流電的脈動成分較大，而一般電子設備所需直流電源的脈動系數（電壓或電流的幅值與平均值之比，稱為脈動系數S）要求小于0.01，故整流輸出的電壓必須采取一定的措施，

盡量降低輸出電壓中的脈動成分，同時要盡量保存輸出電壓中的直流成分，使輸出電壓接近于較理想的直流電，這樣的電路就是直流電源中的濾波電路。

常用的濾波電路有無源濾波和有源濾波兩大類。無源濾波的主要形式有電容濾、電感濾波和復式濾波（包括倒L型、LC濾波、LCrr型濾波，也被稱為電子濾波器。

直流電中的脈動成分的大小用脈動系數來表示，此值越大，則濾波器的濾波效果越差。

脈動系數（S）=輸出電壓交流分量的最大值/輸出電壓的直流分量 在交流電的角頻率一定的情況下R越大，C1越大，則脈動系數越小，也就是濾波效果就越好。而R值增大時，電阻上的直流壓降會增大，這樣就增大了直流電源的內部損耗； 若增大C2的電容量，又會電容器的體積和重量，實現現起來也不現實。

為了解決這個問題，我們在穩壓前后各有濾波吸收電路，利用電容器的充放電，補償交流分量的電壓波動如圖2-8

2.3.2紅外線檢測部分

如圖2-9所示，紅外線檢測部分采用一對紅外發送接收管完成，當電路正常工作時，無障礙物遮擋，紅外接收頭有紅外線照射，這時，紅外接收頭的電阻很小，大部分電壓都加在R3上，這正是電壓比較器LM324的正向輸入電壓，而負向輸入電壓由R4和R5分壓得

到，而R3分得的電壓要大于此基準電壓值，故這時電壓比較器LM324輸出高電平；當在紅外發射接收管間有一不透光的障礙物時，，紅外接收頭無紅外線照射，這時紅外接收頭的電阻很大，大部分電壓都加在紅外接收頭上，這也是電壓比較器LM324的正向輸入電壓，而負向輸入電壓也是由R4和R5分壓得到，和原來電壓一樣，這時，R3分得的電壓要小于此基準電壓值，故這時電壓比較器LM324輸出低電平。

2.3.3數碼管顯示部分

圖2-10數碼管顯示部分

顯示部分如圖2-10是通過9013PNP三極管來完成位選操作。然后再通過軟件譯碼來完成，為了考慮到數碼管在動態掃描時，每點亮一個數碼管的時間很短暫，這樣就會影響到數碼管的亮度，故在此用9013三極管作為數碼管的一個段選驅動級。

而該設計中段碼輸出口是利用P0口作為輸出口，而P0口是漏極開路，雖然有很強的灌電流能力，但拉電流能力很差，故在P0口上加一10的排阻作為上接電阻。上拉電阻的作用是，當單片機的P0口上輸入為0時，上拉電阻上的電流直接流入單片機中，使數碼管的段碼上傷保持低電平，故在這時數碼管不發光；而當單片機的P0口輸出為0時，這時上拉電阻的有能使電流灌入單片機中，故排阻上的電流流入數碼管中，因此這時數碼管發光（這里用的是共陰數碼管）。

數碼管實際上就是八個發光二極管，它們以兩種方式連接，如果將其陰極連接在一起，這種方式構成的數碼管成為共陰數碼管如圖2-11；如果將其陽極連接在一起，這種方式構成的數碼管為共陽數碼管如圖2-12。

（1）LED數碼管的特點

能在低電壓、小電流條件下驅動發光，能與CMOS、TTL電路兼容； 發光響應時間極短（《0.1s），高頻特性好，單色性好，亮度高； 體積小，重量輕，抗沖擊性能好；

壽命長，使用天10萬小時以上，甚至可達100萬小時，且成本低。 顯示部分采用軟件譯碼方式，所謂軟件譯碼就是把各字符的段選碼組織到一個表中，要顯示某字符先查表得到其段選碼，然后送往顯示器的段碼線。

單片機應用系統中多采用軟件譯碼的動態顯示。 （2）數碼管動態掃描

由于多位LED數碼管所有段選線皆由一個8位I/O口控制，因此，在每一瞬間，我位LED會顯示相同的字符，要想每位顯示不同的字符，就必須采用掃描方法輪流點亮各位LED，即在每一瞬間只使某一位顯示字符。在此瞬間，段選控制I/O輸出相應字符段選碼（字型碼），而位選則控制I/O口在該顯示位送入選通電平（因為LED為共陰時，則送入低電平，LED為共陽時，則送入高電平），以保證該位顯示相應字符，輪流，使每位分時顯示該位應顯示的字符。段選碼、位選碼每送入一次后延時1ms，因人眼的視覺暫留時間為0.1s：（100ms），所以每位顯示的間隔不必超過20ms，并保持延時一段時間，以造成視覺暫留效果，給人看上去每個數碼管總在亮。

2.3.4單片機計數及控制部分

（1）計數部分

計數部分如圖2-13所示。由單片機AT89C51控制完成。基本原理為當紅外檢測部分檢測到有物體經過時，紅外接收電路的串聯電阻會分壓減小，從而使電壓比較器的正向輸入端小于負向輸入端的電壓，從而使電壓比較器輸出一個低電平信號，這個信號將供給單片機進行計數控制。

計數部分有三種方案：外部中斷、T0或T1計數器脈沖統計、查詢法。 T0或T1計數器主要作用是在一定時間內計數脈沖的個數，我們在這里并非

研究對象為在一定時間內通過物品的數量，而是實時地在顯示器上顯示數當前的計數值，故我們這里不能采用T0或T1計數器的方式；

查詢法是CPU在一定時間內或是時刻地在查詢是否有計數脈沖產生。我們知道，CPU每查詢一個脈沖大約用到的時間是一個機器周期，也就是12個振蕩周期，即1?s的時間，相對于單片機的運行速度而言，外部流水線的傳輸速度實在太慢，如果執意要用查詢法進行統計物體的傳輸速度，這樣對于單片機的時間資源太浪費，我們在設計單片機產品中，時間資源和空間資料特別珍貴，不能輕易浪費，故查詢方案舍棄。

外部中斷法是利用P3.2口的第二功能，INT0中斷，這時，當有一低電平產生時，單片機將自動進入中斷服務程序，進行處理外部中斷問題，但在這時，由于外界干擾或者物體的特性，可能會進行反復地中斷觸發，這樣可能會造成誤計，重計等錯誤后果，在這里我們處理的辦法是我們不再利用電平觸發，而采用負邊沿觸發方式，這樣只有產生一個完整的脈沖，才會有負邊沿產生，這樣就可以在很大程序上解決了誤差的問題。

綜上所述，在本設計在最合理的是采用外部中斷方式計數。

（2）單片機控制部分

單片機控制數碼管顯示有兩種方案，一種是查詢法，另一種是中斷法，這里的中斷不再是外部中斷，而是利用單片機內部的定時器產生定時中斷，從而控制數碼管的顯示。

查詢法類似于上面所說的脈沖的查詢方法，主程序在不停地查詢并顯示數碼管的點亮，并且在每位數碼管之間還要插入延時程序，而這些延時程序一般都是利用空操作的方法進行延時，這樣浪費了大量的時間和空間資料。在工程設計和產品制作中，一般不采用此方案。

中斷法是利用單片機內部產生的溢出進行計數和定時，這樣可以準確在某時刻或是是規定的時刻做相應的工作。在本設計中，是用數碼管每1ms輪循地掃描，點亮數碼管。

但是，在以上的顯示和計數的相應程序段中，可能會遇到兩者同時進入中斷問題，如果遇到這樣的問題，可能會導致單片機死機或者程序跑飛的情況，我們為了避免這樣的情況產生，我們在這里必須設定優先級，在工業生產中，要計算出正確的數值才是最重要的，所以，我們這里就要設為檢測外部脈沖為優先級。

AT89C51有以下標準功能：

4K字節FLASH閃爍存儲器、128字節內部RAM、32個I/O口線、兩個16位定時/計數器、一個5向量兩級中斷、一個全雙工串行通信口、片內振蕩電路、同時AT89C51可降至0HZ的靜態邏輯操作，并支持兩個軟件的節電工作模式。空閑方式停止CPU的工作，但是允許RAM、定時/計數器、串行通信口及中斷系統繼續工作。掉電后保存ROM的內容，但振蕩器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一個硬件復位。

AT89C51共有四十個引腳如圖2-14，采用雙列直插式封閉，各引腳功能如下：

P0～P3：數據輸入輸出端口。

P0口：一個漏極開路的8位準雙向I/O端口，作為漏極開路的輸出端口，每位能驅動8個LS型TTL負載。當P0口作為輸入口使用時，應先向口鎖存器（地址80H）定入全1，此時P0口的全部引腳浮空，可作為高阻抗輸入。作輸入口作用時要先寫我，這就是準雙向的含義。

P1口：一個帶有內部上拉電阻的8位雙向I/O端口，P1的輸出緩沖器可驅動（吸收或輸出電流方式）4個TTL輸入。對端口寫1時，能過內部的上拉電阻把端口拉到高電位，這時可用作輸入口。P1作輸入口使用時，因為有內部的上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會輸出一個電流（ILI）。

P2口：一個帶有內部上拉電阻的8位雙向I/O端口。P2的輸出緩沖器可驅動（吸收或輸出電流方式）4個TTL輸入。對端口寫1時，通過內部的上接電阻把端口拉到高電位，這時可用作輸入口。P2作輸入口使用時，因為有內部的上拉電阻，那些被部信號拉低的引腳會輸出一個電流（ILI）。

P3口：一個還內部上拉電阻的8位雙向I/O端口。P3的輸出緩沖器可驅動（吸收或輸出電流方式）4個TTL輸入。對商品寫1時，通過內部的上拉電阻把商品拉到高電位，這時可用作輸入口。P3作輸入口使用時，因為有內部的上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會輸出一個電流：（ILI）。

在AT89C51中，P3口還用于一些復用的功能，即第二功能，其復用功能如表2-1所示。

此外，RST引腳是復位信號的輸入端，復位信號是高電平有效，其有效時間應持續24個振蕩周期（即二個機器周期）以上，若使用頻率為6MHZ晶振，則復位信號持續時間應超過4?s，才能完成復位操作。

3、復位電路

整個復位電路包括芯片內、外兩部分。外部電路（如圖2-15）產生的復位信號送至施密特觸發器，再由片內復位電路在每個機器周期的S5P2時施密特觸發器的輸出進行采樣，然后才得到內部復位操作所需要的信號。

復位電路又分為手動復位，上電復位。

上電復位：在加電瞬間電容通過充電來實現的，其電路如圖2-16所示。 在通電瞬間，電容C通過電阻R充電，RST端出現正脈沖，用以復位。

手動復位：所謂手動復位就是通過一按鍵開關，使單片機進入復位狀態。系統在上電運行后，需要復位，通過手動得利位來實現，一般是阻容復位和手動復位相結合。如圖2-17所示

2.4系統流程圖設計

2.5總體電路圖

3實物的制作

1.焊前準備

首先要熟悉所焊印制電路板的裝配圖，并按圖紙配料，檢查元器件型號、規格及數量是否符合圖紙要求，并做好裝配前元器件引線成型等準備工作，由于制作的是便攜式的搖搖棒，所以在這里我選用了移動電源來做電源。

2.焊接順序

元器件裝焊順序依次為：電阻器、電容器、二極管、集成電路、大功率管，其它元器件為先小后大。

3.對元器件焊接要求 （1）電阻器焊接

按圖將電阻器準確裝人規定位置。要求標記向上，子向一致。裝完同一種規格后再裝另一種規格，盡量使電阻器的高低一致。焊完后將露在印制電路板表面多余引腳齊根剪去。

（2）電容器焊接

將電容器按圖裝人規定位置，并注意有極性電容器其“+”與“一”極不能接錯，電容器上的標記方向要易看可見。先裝玻璃釉電容器、有機介質電容器、瓷介電容器，最后裝電解電容器。

（3）二極管的焊接

二極管焊接要注意以下幾點：第一，注意陽極陰極的極性，不能裝錯；第二，型號標記要易看可見；第三，焊接立式二極管時，對最短引線焊接時間不能超過2S。

（4）集成電路焊接

首先按圖紙要求，檢查型號、引腳位置是否符合要求。焊接時先焊邊沿的二只引腳，以使其定位，然后再從左到右自上而下逐個焊接。