一种带断电保护的工业计数器及计数方法.pdf

本发明涉及一种带断电保护的工业计数器及计数方法，主要包括单片机、计数信号采集调理电路、断电保护电路、定时时钟、继电器驱动及输出电路、液晶显示模块和重启及复位电路；其中继电器驱动及输出电路用于驱动继电器；定时时钟用于掉电中断和保存中断数据；计数信号采集调理电路用于单片机的外部中断口触发；中断信号通过非门、电阻R1、三极管与单片机的外部中断口，传感器输出的电压脉冲信号，通过信号调理电路实现单片机的外部中断口INT0高低电平的跳变，外部中断口的触发方式设置为下降沿触发，当外部中断得到触发，进入中断服务程序，进行计数处理。本发明有益的效果是：具有继电器输出功能，操作简单方便，安全可靠，价格低廉等优点，应用场合十分广泛。

1、  一种带断电保护的工业计数器，其特征是：该计数器主要包括单片机、计数信号采集调理电路、断电保护电路、定时时钟、继电器驱动及输出电路、液晶显示模块和重启及复位电路；其中继电器驱动及输出电路用于驱动继电器，液晶显示模块用于把单片机要显示的数据发送到液晶屏上进行显示；定时时钟用于掉电中断和保存中断数据；计数信号采集调理电路用于单片机的外部中断口触发；中断信号通过非门、电阻R1、三极管与单片机的外部中断口，传感器输出的电压脉冲信号，通过信号调理电路实现单片机的外部中断口高低电平的跳变，外部中断口的触发方式设置为下降沿触发，当外部中断得到触发，单片机响应中断，进入中断服务程序，进行计数处理；电容C1与单片机的供电引脚相连，充电电池U3与定时时钟的供电引脚相连。

2、  根据权利要求1所述的带断电保护的工业计数器，其特征是：所述的重启及复位电路由重启电路和外围晶振电路两部分组成，重启电路由电阻R2、R3、电容C4以及按键RESET1、RESET2组成，最终与单片机的RESET口相连；外围晶振电路由电容C2、C3以及晶振X1组成，与单片机的外接晶体引脚X1、X2相连，用于单片机产生所需的时序。

3、  根据权利要求1所述的带断电保护的工业计数器，其特征是：所述的继电器驱动及输出电路由功率放大芯片、光耦合器、电阻R13、R14、R15、三极管Q3以及继电器输出构成，在单片机通过p2.0引脚发出信号后，经过功率放大芯片的功率放大，光耦合器的光耦合抗干扰后驱动外接继电器。

4、  一种工业计数的方法，其特征在于：主要包括如下步骤：
A)、先对单片机、液晶显示模块和定时时钟进行初始化，计数前根据需要设定继电器输出时的数值；
B)、读定时时钟中RAM的第30字节，并对其内容进行判断，若有中断标志，则说明执行过掉电中断程序，则读出保存在定时时钟中的数据，并恢复现场，若没有中断标志就跳过；
C)、接着反复查询按键是否被按下，如有哪个被按下，就执行相应的操作；当开始键被按下后，反复查询定时时钟，并比较定时时钟中的时间是否有变化，每变一次就等于计数值加1，液晶显示模块也作相应显示；
D)、通过比较即时值和设定值是否相等，来确定是否达到设定数，如不相等就再次查询定时时钟，如相等就通过继电器驱动及输出电路驱动继电器动作。

5、  根据权利要求4所述的工业计数的方法，其特征在于：所述的掉电中断程序主要包括如下步骤：
A)、断电瞬间，Vcc变为低电平，此信号通过非门，再通过三级管驱动，送入单片机的中断口；
B)、单片机接收到中断信号，即进入掉电中断程序，先去除DS1302定时时钟的写保护，接着向定时时钟中的RAM的第30字节写入中断标志数值；
C)、保存需要保存的定时数据于定时时钟的RAM中，并启用写保护。

6、  根据权利要求4所述的工业计数的方法，其特征在于：本计数器采用的传感器是光电编码器或接近开关，它们的输出的是电压脉冲信号，当有电压脉冲输出时，通过信号调理电路实现单片机的外部中断口高低电平的跳变，外部中断口的触发方式设置为下降沿触发，当外部中断得到触发，单片机立刻响应中断，进入中断服务程序，进行计数处理，实现预定功能。

7、  根据权利要求4所述的工业计数的方法，其特征在于：所述的继电器的输出电路：继电器的驱动芯片采用SN75451，管脚1、2接单片机的P2.0口，当计数满时，单片机把P2.0口置低电平，也就把管脚1、2的电平拉低，管脚3的电平也会被拉低，光电隔离起作用，三极管的基极电压升高到0.7V，发射极和集电极之间形成电流，继电器线圈中有同样的电流通过，从而使继电器的触头动作，控制外部电机的起停。

一种带断电保护的工业计数器及计数方法
技术领域
本发明涉及计数器领域，主要是一种带断电保护的工业计数器及计数方法。
背景技术
计数器是工业生产和科学实验中常用的控制器件之一，被广泛应用于对各种零部件的数量统计、重复性实验的计数以及各种信号变化次数的统计等，凡是脉冲量计数的场合皆可应用，例如轧钢厂钢带的计数、印刷厂印刷刊物的计数以及各种需要重复计数的工业生产领域，计数器在提高生产率，节省劳动力和生产成本方面起着重要的作用。
目前市场上的计数器大多采用单排数码管作为显示器件，显示位数为4位或6位，很多都不能同时显示预设计数值和即时计数值，并且当要求累计的计数量很大时，往往不能满足需求。本计数器采用的是2×16字符型液晶显示屏，最多能显示上下2行，每行16个字符，上面一行用来显示预设的继电器输出时的计数值，下面一行显示即时计数值，采用液晶显示屏大大增加了用户界面的友好性和操作的灵活性。本计数器也存在一些有待进一步解决的问题，稳定性可靠性需要进一步提高，产品的尺寸和外形还不够小巧美观，用户使用的方便性和灵活性还存在不足之处。工业生产现场难免会遇到突然断电的现象，当系统意外掉电时，会导致重要数据丢失而不能恢复。为了尽量避免这两种情况的发生，需要加上掉电检测和保护电路，以提高系统的抗干扰性和安全性。
发明内容
本发明要解决上述现有的缺点，提供一种带断电保护的工业计数器及计数方法，用在断电、停断频繁等恶劣的环境的计数器应用领域。
本发明解决其技术问题采用的技术方案。这种带断电保护的工业计数器，主要包括单片机、计数信号采集调理电路、断电保护电路、定时时钟、继电器驱动及输出电路、液晶显示模块和重启及复位电路；其中继电器驱动及输出电路用于驱动继电器，液晶显示模块用于把单片机要显示的数据发送到液晶屏上进行显示；定时时钟用于掉电中断和保存中断数据；计数信号采集调理电路用于单片机的外部中断口触发；中断信号通过非门、电阻R1、三极管与单片机的外部中断口，传感器输出的电压脉冲信号，通过信号调理电路实现单片机的外部中断口高低电平的跳变，外部中断口的触发方式设置为下降沿触发，当外部中断得到触发，单片机响应中断，进入中断服务程序，进行计数处理；电容C1与单片机的供电引脚相连，充电电池U3与定时时钟的供电引脚相连。
本发明所述的重启及复位电路由重启电路和外围晶振电路两部分组成，重启电路由电阻R2、R3、电容C4以及按键RESET1、RESET2组成，最终与单片机的RESET口相连；外围晶振电路由电容C2、C3以及晶振X1组成，与单片机的外接晶体引脚X1、X2相连，用于单片机产生所需的时序。
本发明所述的继电器驱动及输出电路由功率放大芯片、光耦合器、电阻R13、R14、R15、三极管Q3以及继电器输出构成，在单片机通过p2.0引脚发出信号后，经过功率放大芯片的功率放大，光耦合器的光耦合抗干扰后驱动外接继电器。
本发明所述的这种工业计数的方法，主要包括如下步骤：
A)、先对单片机、液晶显示模块和定时时钟进行初始化，计数前根据需要设定继电器输出时的数值；
B)、读定时时钟中RAM的第30字节，并对其内容进行判断，若有中断标志，则说明执行过掉电中断程序，则读出保存在定时时钟中的数据，并恢复现场，若没有中断标志就跳过；
C)、接着反复查询按键是否被按下，如有哪个被按下，就执行相应的操作；当开始键被按下后，反复查询定时时钟，并比较定时时钟中的时间是否有变化，每变一次就等于计数值加1，液晶显示模块也作相应显示；
D)、通过比较即时值和设定值是否相等，来确定是否达到设定数，如不相等就再次查询定时时钟，如相等就通过继电器驱动及输出电路驱动继电器动作。
本发明所述的掉电中断程序主要包括如下步骤：
A)、断电瞬间，Vcc变为低电平，此信号通过非门，再通过三级管驱动，送入单片机的中断口；
B)、单片机接收到中断信号，即进入掉电中断程序，先去除DS1302定时时钟的写保护，接着向定时时钟中的RAM的第30字节写入中断标志数值；
C)、保存需要保存的定时数据于定时时钟的RAM中，并启用写保护。
本发明所述的本计数器增加了计数中断输入接口，采用的传感器是光电编码器或接近开关，它们的输出的是电压脉冲信号，当有电压脉冲输出时，通过信号调理电路实现单片机的外部中断口高低电平的跳变，外部中断口的触发方式设置为下降沿触发，当外部中断得到触发，单片机立刻响应中断，进入中断服务程序，进行计数处理，实现预定功能。
本发明所述的继电器的输出电路：继电器的驱动芯片采用SN75451，管脚1、2接单片机的P2.0口，当计数满时，单片机把P2.0口置低电平，也就把管脚1、2的电平拉低，管脚3的电平也会被拉低，光电隔离起作用，三极管的基极电压升高到0.7V，发射极和集电极之间形成电流，继电器线圈中有同样的电流通过，从而使继电器的触头动作，控制外部电机的起停。
本发明有益的效果是：以AT89C51为核心的通用定时器的硬件电路及实现方法，采用DS1302芯片，既达到了高性能和低功耗，又充分利用DS1302自带的RAM实现了断电保护的功能。本计数器增加了计数中断输入接口，断电瞬间通过断电保护电路实现单片机的中断口电平的跳变，触发中断，进入中断服务程序，把需要保存的数据写入DS1302的RAM中，单片机的电源由于接了220μF的电容C1，使得在断电后短时间内单片机仍能正常工作，顺利执行中断服务程序，保存数据，从而实现了断电保护的功能。本发明采用LCD液晶显示屏，具有继电器输出功能，操作简单方便，安全可靠，价格低廉等优点，应用场合十分广泛，通过增加适当的程序，还可以使本计数器具有计时和测转速的功能。
附图说明
图1是本发明的结构原理方框示意图；
图2是本发明的电路原理示意图；
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细的说明。
本发明所述的这种带断电保护的工业计数器，其特征是：该计数器主要包括单片机、计数信号采集调理电路、断电保护电路、定时时钟、继电器驱动及输出电路、液晶显示模块和重启及复位电路；其中继电器驱动及输出电路用于驱动继电器，液晶显示模块用于把单片机要显示的数据发送到液晶屏上进行显示；定时时钟用于掉电中断和保存中断数据；计数信号采集调理电路用于单片机的外部中断口触发。中断信号通过非门、电阻R1、三极管与单片机的外部中断口，本计数器采用的传感器是光电编码器或接近开关，传感器输出的电压脉冲信号，当有电压脉冲输出时，通过信号调理电路实现单片机的外部中断口高低电平的跳变，外部中断口的触发方式设置为下降沿触发，当外部中断得到触发，单片机响应中断，进入中断服务程序，进行计数处理，实现预定功能。电容C1与单片机的供电引脚相连，充电电池U3与定时时钟的供电引脚相连。
其电路原理图如图1所示，单片机是计数器的核心处理部件，采用Atmel公司的AT89C51单片机，它是8位CPU，具有4K的片内程序存储器，128字节的片内数据存储器，2个16位定时器，4个8位I/O接口，5个中断源，其性能特点完全可以满足计数器的功能要求，而且这种单片机的价格较便宜，性价比高，作为计数器的中央处理单元比较经济合理。
图中主要功能模块的功能及工作过程介绍如下：
计数信号采集调理电路：本计数器采用的传感器是光电编码器或接近开关，它们的输出的是电压脉冲信号，当有电压脉冲输出时，通过信号调理电路实现单片机的外部中断口高低电平的跳变，外部中断口的触发方式设置为下降沿触发，当外部中断得到触发，单片机立刻响应中断，进入中断服务程序，进行计数处理，实现预定功能。
重启及复位电路共由两部分组成：重启电路由电阻R2、R3、电容C4以及按键RESET1、RESET2组成，最终与单片机的RESET口相连，作为单片机的外部重启口，由人工外部触发。外围晶振电路由电容C2、C3以及晶振X1(12M)组成，与单片机的外接晶体引脚X1、X2相连，为单片机产生所需的时序。
断电保护电路：由U4A74LS04，电阻R1(10K)，Q1S9014等元器件最终与单片机的INTO口相连，作为单片机外部中断口的中断源。另外，电容C1和充电电池U3(Power3.6V)也是断电保护电路中的一部分，它们分别与单片机以及定时时钟(DS1302)的供电引脚相连。断电瞬间，Vcc变为低电平，此信号通过非门74LS04，再通过S9014驱动，送入AT89C51的中断口。与此同时，单片机的电源由于接了电容C1，使得在断电后短时间内单片机仍能工作。
继电器驱动及输出电路：由功率放大芯片SN75451，光耦合器(OPTOIS01)，电阻R13、R14、R15、三极管Q3以及继电器输出构成。在单片机通过p2.0引脚发出信号后，经过功率放大，光耦合抗干扰后驱动外接继电器。
液晶显示屏：LCDDMM。一旦液晶初始化后，通过与单片机的P1口相连，便可以把单片机要显示的数据发送到液晶屏上进行显示。另外，单片机的P3.6引脚可以控制液晶屏的读写操作，P3.7控制液晶的使能位(enable)，P3.5控制的是液晶的重启位(reset)。
键盘接口电路：主要是包含一个JKEYBOARD元件。包含了RESET1、RESET2和P3.0，P3.1，P3.3，P3.4引脚。
定时器：也就是电路图中的DS1302定时时钟。它的作用如下：程序启动后会对DS1302定时时钟进行初始化。接着读DS1302RAM的第30字节，并对其内容进行判断，若有中断标志，则说明执行过掉电中断程序，则读出保存在DS1302中的数据，并恢复现场，若没有中断标志就跳过。
四个按键：由单片机两个引脚组成行线，另两个引脚组成列线，利用行列扫描的原理组成四个按键，即分别为Decrease，increase，shift和start。Decrease是用来对所要求的计数值进行减操作，increase正好相反，进行加操作，start按键用来开始计数开始。
本发明所述的这种工业计数的方法，主要包括如下步骤：
A)、先对单片机、液晶显示模块和定时时钟进行初始化，计数前根据需要设定继电器输出时的数值；
B)、读定时时钟中RAM的第30字节，并对其内容进行判断，若有中断标志，则说明执行过掉电中断程序，则读出保存在定时时钟中的数据，并恢复现场，若没有中断标志就跳过；
C)、接着反复查询按键是否被按下，如有哪个被按下，就执行相应的操作；当开始键被按下后，反复查询定时时钟，并比较定时时钟中的时间是否有变化，每变一次就等于计数值加1，液晶显示模块也作相应显示；
D)、通过比较即时值和设定值是否相等，来确定是否达到设定数，如不相等就再次查询定时时钟，如相等就通过继电器驱动及输出电路驱动继电器动作。
本计数器增加了计数中断输入接口电路，采用的传感器是光电编码器或接近开关，它们的输出的是电压脉冲信号，当有电压脉冲输出时，通过信号调理电路实现单片机的外部计数中断口高低电平的跳变，外部中断口的触发方式设置为下降沿触发，当外部中断得到触发，单片机立刻响应中断，进入中断服务程序，进行计数处理，实现预定功能。
掉电中断程序主要包括如下步骤：断电瞬间，Vcc变为低电平，此信号通过非门74LS04，再通过三极管S9014驱动，送入单片机AT89C51的中断口。与此同时，单片机的电源由于接了电容C1，使得在断电后短时间内单片机仍能工作，经过多次实验，选用220μF的电容在常温下工作稳定可靠。进入掉电中断程序后，先去除DS1302的写保护，接着向DS1302RAM的第30字节写入中断标志数值，然后保存需要保存的定时数据于DS1302的RAM中，并启用写保护。
所述的继电器的输出电路，SN75451是继电器的驱动芯片，管脚1、2接单片机的P2.0口，当计数满时，单片机把P2.0口置低电平，也就把管脚1、2的电平拉低，根据SN75451的功能特性，管脚3的电平也会被拉低，光电隔离起作用，三极管的基极电压升高到约0.7V，发射极和集电极之间形成电流，继电器线圈中有同样的电流通过，从而使继电器的触头动作，控制外部电机的起停，光电隔离可以减少外部电机起停对内部电子线路的干扰，提高系统的抗干扰性和可靠性。本计数器具备继电器输出的功能，可以在计数前根据需要设定继电器输出时的数值，一旦计数器计数达到这个数值时，继电器会立刻动作，控制外部电机的起停。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。