【正文】 量、運(yùn)算的中間結(jié)果、數(shù)據(jù)暫存和緩沖、標(biāo)志位等。 8 圖 21 MCS51 單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 該圖中可以看出其各個(gè)功能部件是由內(nèi)部總線緊密聯(lián)系在一起的。加上單片機(jī)應(yīng)用場合廣泛，銷售量大，廠商間委托加工與技術(shù)轉(zhuǎn)讓頻繁，大量技術(shù)資料外瀉，使得利用該類芯片的設(shè)計(jì)漏洞和廠商的測試接口，并通過修改熔絲保護(hù)位等侵入型攻擊或非侵入型攻擊手段來讀取單片機(jī)的內(nèi)部程序變得比較容易。 （ 5）通信領(lǐng)域 單片機(jī)普遍具有通信接口，現(xiàn)在的通信設(shè)備基本上都實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)的智能控制，從手機(jī)、電話機(jī)、小型程控交換機(jī)再到日常生活中的集群移動(dòng)通信、限線對(duì)講機(jī)等。 （ 1）工業(yè)自動(dòng)化 如工廠流水線的智能化管理、電梯智能化控制、各種報(bào)警系統(tǒng)，與計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成二級(jí)控制系統(tǒng)。 （ 3）控制功能強(qiáng) 單片機(jī)指令系統(tǒng)、硬件資源豐富，能充分滿足工業(yè)控制的各種要求。特別是 IC、 SPI 等串行總線的引入，可以使單片機(jī)的引腳設(shè)計(jì)得更少，單片機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡化及規(guī)范化。隨著集成度的不斷提高，有可能把眾多的各種外圍功能器件集成在片內(nèi)。采用精簡指令集（ RISC）結(jié)構(gòu)和流水線技術(shù)，可以大幅度提高運(yùn)行速度。但在需要復(fù)雜控制的場合，該存儲(chǔ)容量是不夠的，必須進(jìn)行外接擴(kuò)充。低電壓供電的單片機(jī)電源下限已可達(dá) 1~2V。 低功耗化 單片機(jī)的功耗已從 Ma 級(jí)，甚至 1uA 以下；使用電壓在 3~6V 之間，完全適應(yīng)電池工作。下面是單片機(jī)的主要發(fā)展趨勢。 5 第二章 單片機(jī)的介紹 單片機(jī)的概述 單片機(jī)自 20 世紀(jì) 70 年代問世以來，作為微型計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要分支，得到了快速的發(fā)展。因此我國直流電機(jī)調(diào)速也正向著脈寬調(diào)制（ pulse width modulation,簡稱 PWM）方向發(fā)展。 我國從 20 世紀(jì) 60 年代初試制成功第一只硅晶閘管以來，晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)也得到迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。 在那些對(duì)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的性能要求較高的場合（如數(shù)控機(jī)床，工業(yè)縫紉機(jī)，磁盤驅(qū)動(dòng)器，打印機(jī)，傳真機(jī)等設(shè)備中，要求電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)精確定位，適應(yīng)劇烈負(fù)載變化），傳統(tǒng)的控制算法已難以滿足系統(tǒng)要求。其中，脈寬調(diào)制（ PWM）方法，變頻技術(shù)在直流調(diào)速和交流調(diào)速系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展得力于微電子技術(shù)，電力電子技 3 術(shù)，傳感器技術(shù)，永磁材料技術(shù)，微機(jī)應(yīng)用技術(shù)的最新發(fā)展成就。近年來，一些先進(jìn)國家陸續(xù)推出并大量使用以微機(jī)為控制核心的直流電氣傳動(dòng)裝置，如西門子公司的 SIMOREG K 6RA2 ABB 公司的 PAD/PSD 等等。同時(shí)，控制電路也實(shí)現(xiàn)了高度集成化、小型化、高可靠性及低成本。由于它具有體積小、響應(yīng)快、工作可靠、壽命長、 維修簡便等一系列優(yōu)點(diǎn)，采用晶閘管供電，不僅使直流調(diào)速系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)上和可靠性有所提高，而且在技術(shù)性能上也顯示出很大的優(yōu)越性。第三，自出現(xiàn)汞弧變流器后，利用汞弧變流器代替上述發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，使調(diào)速性能指標(biāo)又進(jìn)一步提高。這種方法簡單易行設(shè)備制造方便，價(jià)格低廉。但是由于中國科技落后，為此，我們需要更進(jìn)一步的學(xué)習(xí)、掌握與應(yīng)用先進(jìn)的控制技術(shù)與解決方案，以提升設(shè)備性能、檔次與市場競爭力。電加熱控制系統(tǒng)的傳感器是溫度傳感器。其控制系統(tǒng)包括控制器﹑傳感器﹑變送器﹑執(zhí)行機(jī)構(gòu)﹑輸入輸出接口。 1 第一章 緒論 前言 21世紀(jì)，科學(xué)技術(shù)日新月異，科技的進(jìn)步帶動(dòng)了控制技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代控制設(shè)備的性能和結(jié)構(gòu)發(fā)生了翻天覆地的變化。控制器的輸出經(jīng)過輸出接口﹑執(zhí)行機(jī)構(gòu)、加到被 控系統(tǒng)上；控制系統(tǒng)的被控量、經(jīng)過傳感器、變送器、 通過輸入接口送到控制器。目前， PID控制及其控制器或智能 PID 控制器已經(jīng)很多，產(chǎn)品已在工程實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用。在國外，尤其在運(yùn)動(dòng)控制及過程控制方面PID 控制技術(shù)的應(yīng)用更是越來越廣泛和深入。但缺點(diǎn)是效率低、機(jī)械特性軟、不能在較寬范圍內(nèi)平滑調(diào)速，所以目前極少采用。特別是它的系統(tǒng)快速響應(yīng)性是發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)不能比擬的。晶閘管變流裝置的放大倍數(shù)在 10000 以上，比機(jī)組 (放大倍數(shù) 10)高 1000 倍，比汞弧變流器 (放大倍數(shù) 1000)高 10 倍 。以上技術(shù)的應(yīng)用，使直流調(diào)速系統(tǒng)的 性能指標(biāo)大幅提高，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，直流調(diào)速技術(shù)不斷發(fā)展。 隨著現(xiàn)代化步伐的加快，人們生活水平的不斷提高，對(duì)自 動(dòng)化的需求也越來越高，直流電動(dòng)機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴(kuò)大。變頻技術(shù)和脈寬調(diào)制技術(shù)已成為電動(dòng)機(jī)控制的主流技術(shù)。永磁材料技術(shù)的突破與微電子技術(shù)的結(jié)合又產(chǎn)生了一批新型的電動(dòng)機(jī)，如永磁直流電動(dòng)機(jī)， 交流伺服電動(dòng)機(jī)，超聲波電動(dòng)機(jī)等。為了適應(yīng)時(shí)代的發(fā)展，現(xiàn)有的電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)也在朝著高精度，高性能，網(wǎng)絡(luò)化，信息化，模糊化的方向不斷前進(jìn)。目前，晶閘管供電的直流調(diào)速系統(tǒng)在我國國民經(jīng)濟(jì)各部門得到廣泛的應(yīng)用。 我國現(xiàn)在大部分?jǐn)?shù)字化控制直流調(diào)速裝置依靠進(jìn)口。它以體積小、功能全、價(jià)格低等特點(diǎn)，贏得了廣泛的應(yīng)用，已經(jīng)滲透到了社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域。 CMOS 化 CMOS（ Complementary Metal Oxide Semiconductor）電路的特點(diǎn)是低功耗、高密度、低速度、低價(jià)格。低功耗化的效應(yīng)不僅是功耗低，而且?guī)砹水a(chǎn)品的高可靠性、高抗干擾能力以及產(chǎn)品的便攜化。目前 供電的單片機(jī)已經(jīng)問世。為了適應(yīng)這種領(lǐng)域的要求，運(yùn)用新的工藝，使片內(nèi)存儲(chǔ)器大容量化。 小容量、低價(jià)格化 與上述相反，以 4 位、 8 位機(jī)為中心的小容量、低價(jià)格化也是發(fā)展動(dòng)向之一。除了一般必須具有的 CPU、 ROM、 RAM、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器等以外，片內(nèi)集成的 部件還有模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器、 DMA 控制器、聲音發(fā)生器、監(jiān)視定時(shí)器、液晶顯示驅(qū)動(dòng)器、彩色電視機(jī)和錄像機(jī)用的鎖相電路等。 單片機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域 單片機(jī)的特點(diǎn) 單 片機(jī)把微型計(jì)算機(jī)的主要功能都集成在一塊芯片上，即一塊芯片就是一個(gè)微型計(jì)算機(jī)。 （ 4）低電壓，低功耗。 （ 2）智能儀器儀表 單片機(jī)用于各種儀器儀表，結(jié)合不同類型的傳感器，可實(shí)現(xiàn)諸如電壓、功率、頻率、濕度、溫度等物理的測量。 （ 6）商業(yè)營銷 采用單片機(jī)構(gòu)成專用系統(tǒng)已經(jīng)廣泛的應(yīng)用在了電子稱、收款機(jī)、條形數(shù)碼閱讀器、倉儲(chǔ)安全監(jiān)控系統(tǒng)、空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)、冷凍保鮮系統(tǒng)等生活當(dāng)中的方方面面，極大的服務(wù)了人民。 MCS51 系列單片機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理 MCS51 單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu) MCS51 是英特爾公司生產(chǎn)的 8 位高檔單片機(jī)系列，具有體積小、功能全、面向控制、開發(fā)應(yīng)用方便等特點(diǎn)是測控領(lǐng)域當(dāng)中較理想的八位微型計(jì)算機(jī)。其基本機(jī)構(gòu)如下所示 : （ 1） 1個(gè) 8 位中央處理器 單片機(jī) CPU 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要有算術(shù)邏輯運(yùn)算單元 ALU、累加器 ACC、程序狀態(tài)寄存器 PSW、堆棧指針 SP、寄存器 B、程序計(jì)數(shù)器（指令指針）PC、數(shù)據(jù)指針 DPTR、指令寄存器 IR、暫存器（ TMP）等部件構(gòu)成。 （ 3） 21 個(gè)特殊功能寄存器 特殊功能寄存器反映了單片機(jī)的工作狀態(tài)，它和單片機(jī) CPU 芯片的引腳和內(nèi)部功能的控制有關(guān)，實(shí)際上是狀態(tài)字和控制字寄存器，是一個(gè)具有特殊功能的片內(nèi) RAN 區(qū)。 （ 6）兩個(gè) 16 位的定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 片內(nèi)兩個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 T0 和 T1，有 4種工作方式，用于精確定時(shí)（或延時(shí)）控制及其對(duì)外部事件進(jìn)行計(jì)數(shù)。 由以上可以看出，單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)具有功能部件種類齊全的特點(diǎn)，其基本組成和一般微型計(jì)算機(jī)是相同的，它只不過是把計(jì)算機(jī)的基本功能部件集成到了一塊芯片上，具有完成特定功能的微型計(jì)算機(jī)。 （ 1）復(fù)位方式：復(fù)位是單片機(jī)進(jìn)入狀態(tài)的初始化操作，是使 CPU 和系統(tǒng)中其他部件都處于一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開始工作。 MCS51 系列單片機(jī)的復(fù)位是由外部的復(fù)位電路來實(shí)現(xiàn)的，復(fù)位方式有：上電自動(dòng)復(fù)位和按鍵手動(dòng)復(fù)位。連續(xù)執(zhí)行方式是所有單片機(jī)都需要的一種基本工作方式，用戶編寫好的被執(zhí)行程序放在片內(nèi)或片外ROM 中；單步運(yùn)行方式是用戶調(diào)試程序的一種工作方式，在單片機(jī)的開發(fā)系統(tǒng)上有一個(gè) 10 專用的單步執(zhí)行按鍵，每按下一次，單片機(jī)就順序執(zhí)行一條 指令（僅僅執(zhí)行一條），單片機(jī)的單步運(yùn)行方式通常只在用戶調(diào)試程序時(shí)使用，用于觀察每條指令的執(zhí)行情況。 表 21 PCON 寄存器的位定義 位序 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 位符號(hào) SMOD —— —— —— —— GF1 GF0 IDL SMOD：串行口波特率倍率控制位，用于串行口通信； GF GF0：通用標(biāo)志位； PD：掉電方式控制位， PD=1 進(jìn)入掉電工作方式； IDL：空閑方式控制位， IDL=1 進(jìn)入空閑工作方式。應(yīng)當(dāng)注意的是 EA/ ppV 上編程電壓不能大于 ，因此要求該電壓非常穩(wěn)定。直流電動(dòng)機(jī)以其良好的啟動(dòng)性和調(diào)速性能著稱，直流發(fā)電機(jī)供電質(zhì)量較好，常常作為勵(lì)磁電源。 直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)由 定子和轉(zhuǎn)子 兩大部分組成。 U aR aL aQT e T lE aNS負(fù) 載 圖 31直流電動(dòng)機(jī)等效圖 電路的電壓平衡方程和力矩平衡方程為 : EILIRUaaaaaa dtd ??? (公式 31) ????? KTTDledtdJ (公式 32) 式中 Ua 電源電壓 。 Ea電樞反電動(dòng)勢 。 Tl負(fù)載轉(zhuǎn)距 。 K TK aE a ( S )I a ( S )T e ( S )T l ( S )++1L a S + R a1J S + K D圖 32直流電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型 14 第四章 仿真軟件 PROTEUS 簡介 Proteus 軟件是由英國 Lab Center Electronics 公司開發(fā)的 EDA 工具軟件。 圖 41 Proteus 分解圖 KEIL 簡介 Keil C51是 美國 Keil Software 公司出品的 51系列兼容 單片機(jī) C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比， C 語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學(xué)易用。另外重要的一點(diǎn)，只要看一下 編譯 后生成的匯編代碼， 就能體會(huì)到 Keil 的優(yōu)勢。目標(biāo)文件可由 LIB51創(chuàng)建生成庫文件，也可以與庫文件一起經(jīng) L51連接定位生成絕對(duì)目標(biāo)文件 (.ABS）。 (1) 實(shí)驗(yàn)資源豐富 Proteus 軟件所提供了 30 多個(gè)元件庫，數(shù)千種元件。 Proteus 提供了豐富的測試信號(hào)用于電路的測試。 (3)硬件投入少 由于 Proteus 軟件實(shí)驗(yàn)資源庫非常豐富，對(duì)于從模擬電路、數(shù)字電路、模數(shù)混合電路到單片機(jī)系統(tǒng)等領(lǐng)域都可以進(jìn)行電路的設(shè)計(jì)，而且其虛擬元器件的參數(shù)都是由實(shí)際元器件廠家提供，然后生成 SPICE(Simulation Program with Integrated CircuitEmphasis)模型，這樣就可以用 Proteus 軟件中的虛擬元器件代替實(shí)際元器件進(jìn)行設(shè)計(jì)電路，而無需去購買實(shí)際的元器件。這樣可以讓學(xué)生了解將仿真軟件和具體的工程實(shí)踐如何結(jié)合起來，利于學(xué)生對(duì)工程實(shí)踐過程的了解和學(xué)習(xí)。其中， Keil 是目前世界上最好的 51 單片機(jī)的 C 語言的開發(fā)工具。 17 第四步， Kei 的設(shè)置。 第五步， Proteus 的設(shè)置。如果程序錯(cuò)誤，設(shè)計(jì)人員很容易發(fā)現(xiàn)出錯(cuò)的代碼段；并且，也可以很清晰地觀察到每句程序?qū)纹瑱C(jī)電路的控制。而單片機(jī)復(fù)位電路設(shè)計(jì)的好壞 ,直接影響到整個(gè)系統(tǒng)工作的可靠性。F。在圖 2 的復(fù)位電路中，當(dāng) Vcc 掉電時(shí)，必然會(huì)使 RST 端電壓迅速下降到 0V以下，但是，由于內(nèi)部電路的限制作用，這個(gè)負(fù)電壓將不會(huì)對(duì)器件產(chǎn)生損害。如果按鍵不被按下，其端口就為高電平，如果相應(yīng)的按鍵被按下，則端口變?yōu)榈碗娖?。硬件去抖?dòng)方法很多，這不在我們的討論范圍。比如再多加一條線就可以構(gòu)成 20 鍵的鍵盤，而直接用端口線則只能多出一個(gè)鍵（ 9鍵）。接著第 2排第 1行、第 3排第 1行 ?? 直到最后一排第 1行的 點(diǎn)亮。 雖然按這種工作方式， LED 顯示屏是一行一行點(diǎn)亮的，每次都只有一行亮，但只要保證每行每秒鐘能點(diǎn)亮 50 次以上，即刷新頻 率高于 50Hz，那么由于人的視覺惰性，所 看到的 LED 顯示屏顯示的圖像還是全屏穩(wěn)定的圖像。該三態(tài)輸出由輸出使能端 1OE 和 2OE 控制。其內(nèi)部具有 2個(gè)完全相同的 PWM 功率放大回路 ,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 57 所示。 PROTEUS 軟件中的電機(jī)模塊提供了一個(gè)輸出脈沖，每當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)一圈時(shí)就會(huì)輸出一個(gè)脈沖，這也就注定了仿真出來的速度只能是按秒計(jì)數(shù)，亦決定了仿真的精度不會(huì)很高。勵(lì)磁控制法控制磁通 ? ，其控制功率雖然較小，但低速時(shí)受到磁極飽和的限制，高速時(shí)受到換向火花和換向器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的限制；而且由于勵(lì)磁線圈電感較大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差。因此，隨著電子技術(shù)的進(jìn)步，發(fā)展了許多新的電樞電壓控制方法。 圖 59 為 PWM 斬波器的原理圖及輸出電壓波形。使用下面三種方法中的任何一種，都可以改變