【正文】 從測量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。 設(shè)計要求 1．單片機(jī)輸出 PWM 系統(tǒng)的整體方案設(shè)計。 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 2 單片機(jī)概述 單片微型計算機(jī)簡稱單片機(jī)，是典型的嵌入式 微控制器（ Microcontroller Unit），常用英文字母的縮寫 MCU 表示單片機(jī)，它最早是被用在工業(yè)控制領(lǐng)域。單片機(jī)具有體積小、功耗低、控制功能強(qiáng)、擴(kuò)展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于儀器儀表中，結(jié)合不同類型的 傳感器 ，可實現(xiàn)諸如電壓、 功率 、頻率、濕度、溫度、流量、速度、厚度、角度、長度、硬度、元素、壓力等物理量的測量。 。 。 單片機(jī)在汽車電子中的應(yīng)用非常廣泛。是 MICROCHIP 公司的產(chǎn)品，其突出的特點是體 積小，功耗低， 精簡指令集 ，抗干擾性好，可靠性高，有較強(qiáng)的模擬接口，代碼保密性好，大部分芯片有其兼容的 FLASH 程序存儲器 的芯片。 ATMEl 公司的 8位單片機(jī)有 AT8 AT90兩個系列， AT89 系列是 8位 Flash 單片機(jī)，與 8051 系列單片機(jī)相兼容，靜態(tài)時鐘模式； AT90 系列單片機(jī)是增強(qiáng) RISC 結(jié)構(gòu)、全靜態(tài)工作方式、內(nèi)載在線可編程 Flash 的單片機(jī)，也叫 AVR 單片機(jī) 。臺灣盛揚半導(dǎo)體的單片機(jī)，價格便宜，種類較多，但抗干擾 較差，適用于消費類產(chǎn)品。是臺灣松翰公司的單片， 大多為 8位機(jī)，有一部分與 PIC 8 位單片機(jī)兼容，價格便宜， 系統(tǒng)時鐘 分頻可選項較多，有 PMW ADC 內(nèi)振 內(nèi)部雜訊濾波。由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲器組合在單個芯片中， ATMEL 的 89C51 是一種高效微控制器，而且它與 MCS51兼容，且具有 4K字節(jié)可編程閃爍存儲器和 1000 寫 /擦循環(huán)，數(shù)據(jù)保留時間為 10年等特點，是最好的選擇。通常說的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器就是指這前 128個單元，簡稱內(nèi)部 RAM。 串行口：它是用來實現(xiàn)單片機(jī)和其他設(shè)備之間的串行數(shù)據(jù)傳送。系統(tǒng)允許的最高晶振頻率為 12MHz。 (2)Vss—— 接地端。所謂復(fù)用線是指具有兩種功能，正常使用時是一種功能，在某種條件下是另一種功能。在 ALE 信號的下降沿，鎖定 P0 口傳送的內(nèi)容，即低 8 位地址信號。 PSEN 可作為外 ROM 芯片輸出允許 OE的選通信號。② Vpd 功能：在 Vcc 掉電情況下，該引腳可接上備用電源，由 Vpd 向片內(nèi)供電，以保持片內(nèi) RAM 中的數(shù)據(jù)不丟失。當(dāng) EA 保持高電平時，先訪問內(nèi) ROM，但當(dāng) PC（程序計數(shù)器）值超過 4KB（ 0FFFH）時，將自動轉(zhuǎn)向執(zhí)行外 ROM 中的程序。 對 4 個控制引腳，應(yīng)熟記起第一功能，了解其第二功能。 在并行擴(kuò)展外存儲器 (包括并行擴(kuò)展 I/O 口 )時 , P0 口可用于分時傳送低8 位地址 (地址總線 )和 8位數(shù)據(jù)信號 (數(shù)據(jù)總線 )。M U XD內(nèi) 部 總 線寫 鎖 存 器V C C控 制地 址 / 數(shù) 據(jù)V 1V 2 圖 4 P0口位結(jié)構(gòu) (2) P1 口 —— 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 口 (“準(zhǔn)雙向”是指該口內(nèi)部有固定的上拉電阻 )。在不并行擴(kuò)展外存儲器 (包括并行擴(kuò)展I/O口 )時 , P2口可用作雙向 I/O口。在結(jié)構(gòu)上， P2口比 P1 口多一個輸出控制部分。 P 3 . X鎖 存 器 _C PP 3 . X引 腳amp。 P3 口根據(jù)需要常用于第二功能 ,真正可提供給用戶使用的 I/O 口是 P1 口和一部分未用作第二功能的 P3 口端線。 PWM 信號仍然是數(shù)字的，因為在給定的任何時刻，滿幅值的直流供電要么完全有 (ON)，要么完全無 (OFF)。 圖 8 模擬電平的 PWM數(shù)字編碼 脈沖寬度調(diào)制 (PWM)的相關(guān)概念 ：就是輸出的 PWM 中，高電平保持的時間 與 該 PWM 的時鐘周期的時間 之比 如， 一個 PWM的頻率是 1000Hz，那么它的時鐘周期就是 1ms，就是 1000us，如果高電平 t1 出現(xiàn)的時間是 800us，那么低電平 t2 的時間肯定是 200us，那么占空比 t1/T 就是 800： 1000，也就是說 PWM 的占空比就是 4： 5。讓信號保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小。在接收端，通過適當(dāng)?shù)?RC 或 LC 網(wǎng)絡(luò)可以濾除調(diào)制高頻方波并將信號還原為模擬形式。正弦 PWM 已為人們所熟知，而旨在改善輸出電壓、電流波形，降低電源系統(tǒng)諧波的多重 PWM技術(shù)在大功率變頻器中有其獨特的優(yōu)勢（如 ABB ACS1000系列和美國 ROBICON公司的完美無諧波系列等）；而優(yōu)化 PWM 所追求的則是實現(xiàn)電流諧波畸變率（ THD）最小，電壓利用率最高，效率最優(yōu)，及轉(zhuǎn)矩脈動最小以及其它特定優(yōu)化目標(biāo)。顧名思義，三端 IC是指這種穩(wěn)壓用的集成電路，只有三條引腳輸出，分別是輸入端、接地端和輸出端。 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 12 7 8 0 52 2 0 V 1 2 V5 VG N DC 1C 3C 2C 4R LV i n + 5 VG N D 圖 12 7805穩(wěn) 5V電路 單片機(jī)時鐘電路設(shè)計 XTAL1 和 XTAL2 為片內(nèi)震蕩電路輸入線，這兩個端子用外接石英晶體和微調(diào)電容，用來連接 89C51 定時反饋電路。另外由于程序運行中的錯誤或操作失誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)，為了擺脫這種狀態(tài)，也需要進(jìn)行復(fù)位。 加入看門狗電路的目的是使單片機(jī)可以在無人狀態(tài)下實現(xiàn)連續(xù)工作，其工作過程如下：看門狗芯片和單片機(jī)的一個 I/O 引腳相連，該 I/O 引腳通過單片機(jī)的程序控制，使它定時地往看門狗芯片的這個引腳上送入高電平 (或低電平 )，這一程序語句是分散地放在單片機(jī)其他控制語句中間的，一旦單片機(jī)由于干擾造成程序跑飛后而陷入某一程序段進(jìn)入死循環(huán) 狀態(tài)時，給看門狗引腳送電平的程序便不能被執(zhí)行到，這時，看門狗電路就會由于得不到單片機(jī)送來的信號，便將它和單片機(jī)復(fù)位引腳相連的引腳上送出一個復(fù)位信號，使單片機(jī)發(fā)生復(fù)位，從而單片機(jī)將從程序存儲器的起始位置重新開始執(zhí)行程序，這樣便實現(xiàn)了單片機(jī)的自動復(fù)位。 P FM RW D 0M A X 7 0 6 P5 1 單 片 機(jī)V c cR E S E TW D IP F 0I / oI N TR E S E TV c cD 圖 16 MAX706看門狗電路 MAX706 芯片看門狗工作原理： MAX706 的內(nèi)部看門狗定時器定時時間為1． 6秒，如果在 1． 6秒內(nèi)，看門狗輸入腳 WDI 保持為規(guī)定電平 (高電平或低電平 )，看門狗輸出端 0WD 變?yōu)榈碗娖?,二極管 D 導(dǎo)通，使低電平加到復(fù)位端 ， MAX706 產(chǎn)生復(fù)位信號 RESET 使單片機(jī)復(fù)位，直到復(fù)位后看門狗被清零，0WD 才變?yōu)楦唠娖健ｆI盤分編碼鍵盤和非編碼鍵盤。它們各自有自己的特點，其中獨立鍵盤硬件電路簡單，而且在程序設(shè)計上也不復(fù)雜，一般用在對硬件電路要求不高的簡單電路中。當(dāng)換向開關(guān)撥在上位檔時，按鍵 K2按下的時候， 端口檢測到有高電平，占空比就會逐漸的增大。在程序的運行過程中，如果按鍵 K1 再次按下，則 PWM 波形停止輸出，按鍵電路圖如下所示： 圖 17 按鍵設(shè)置 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 16 顯示模塊電路設(shè)計 本文要求能夠輸出 PWM 波形的占空比和周期，能夠?qū)崿F(xiàn) PWM 輸出時間的時鐘計時功能，并能夠顯示出來。通常的數(shù)碼管又分為 8段，即 8個 LED 顯示段，這是為工程應(yīng)用方便如設(shè)計的，分別為 A、B、 C、 D、 E、 F、 G、 DP，其中 DP 是小數(shù)點位段。 對于單個數(shù)碼管來說，從它的正面看進(jìn)去，左下角那個腳為 1 腳，以逆時針方向依次為 1~10 腳 ，左上角那個腳便是 10 腳了，兩個 dp 腳是連通的，這兩個都是公共腳。 數(shù)碼管顯示方法可分為靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示兩種。 多位數(shù)碼管 那么，實際的多位數(shù)碼管，除某一位的公共端會連接在一起，不同位的數(shù)碼管的相同端也會連接在一起。六位數(shù)碼管連接圖如下所示。當(dāng)換向開關(guān)撥在上位檔時，按鍵 K2 按下的時候， 端口檢測到有高電平，占空比就會逐漸的增大。當(dāng)按鍵 K3 按下的時候， 端口檢測到有高電平， PWM周期就會逐漸的減小，此時數(shù)碼管的一二兩位數(shù)值隨之變化，在程序運行的過程中，如果按鍵K1 再次按下，則 PWM 波 形停止輸出。當(dāng)換向開關(guān)撥在上位檔時，按鍵 K2 按下的時候， 端口檢測到有高電平，占空比就會逐漸的增大。初始化按鍵 K 2 / K 3 是否按下改變對應(yīng)的 P WM參數(shù)增加上一次輸出 P WM 的周期并重新計時輸出 P WM 波形 ； 數(shù)碼管顯示當(dāng)前 P WM 波形的占空比和周期 ， 并對 P WM 的輸出時間計時 。他是以加法記數(shù)的，并能從全 1 到全 0時自動產(chǎn)生溢出中斷請求。 下述為單片機(jī)的寄存器有關(guān)參數(shù)值的設(shè)定，我們使定時器定時 500 微秒。 //預(yù)置計數(shù)初值； TL0=(65536500)%256。 //定時器 0開始計數(shù)； } 程序的設(shè)計 在 PWM 驅(qū)動控制的調(diào)整系統(tǒng)中，按一個固定的頻率來 接通和斷開信號，并且根據(jù)需要改變一個周期內(nèi) “ 接通 ” 和 “ 斷開 ” 時間的長短。 ① ：設(shè)置 PWM定時器周期，該參數(shù)決定 PWM 波形的頻率。設(shè)置一個控制 PWM 周期的變量 n,當(dāng)中斷次數(shù) t 大于 n時，則將 t重置為 0，相應(yīng)的一個 PWM 周期結(jié)束。 if(t=p) //控制 PWM 輸出高電平的比例 PWM=1。 } 按鍵程序的設(shè)計 本文通過按鍵 K1啟動程序，當(dāng)按鍵 K1按下的時候， 端口檢測到有高電平，程序就自動的去執(zhí)行按鍵子程序處。當(dāng)換向開關(guān)撥在下位檔時，按鍵K2 按下的時候， 端口檢測到有高電平， PWM 周期就會逐漸的增大。 一般的按鍵程序應(yīng)解決以下問題：串鍵 保護(hù)措施。連擊是一次按鍵產(chǎn)生多次擊鍵的效果。當(dāng)操作完成后要做一個相應(yīng)的按鍵是否斷開的判斷，并進(jìn)入相應(yīng)的操作。P1_4==0） //按鍵 K2 按下且 K3鍵沒有一起按下 { b++。 //增大 PWM 的占空比 second=0。所謂的八段就是指數(shù)碼管里有八個小 LED 發(fā)光二極管，通過控制不同的 LED的亮滅來顯示出不同的字形。數(shù)碼管的 56兩位實現(xiàn) PWM 輸出時間的計時功能，將對應(yīng)的 P2 端口設(shè)置為 oxef 和 oxdf，數(shù)碼管的程序為： void display( ) { P2=0xfe。 //數(shù)碼管第二位輸出 P0=(dispcode[(m%10)])|0X80。 //顯示占空比的十位 delay(4)。 P2=0xef。 //數(shù)碼管第六位輸出 P0=dispcode[second%10]。對于 T1我們用來監(jiān)控主程序的運行，我們給 T1 設(shè)定一定的定時時間，在主程序中對一個變量 Q清零，如果不能在一定的時間里對 Q 進(jìn)行清零， T1 的定時中斷就會使單片機(jī)復(fù)位。 初 始 化開 始Q 值 是 否 清 零主 程 序看 門 狗 計 時程 序Q 值 是 否 清 零Q 值 賦 值 1NYYN 圖 24 AT89C51看門狗程序流程圖 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 27 4 電路系統(tǒng)仿真 計算機(jī)仿真不僅在沒有具體硬件環(huán)境的條件下模擬出具體硬件環(huán)境，以判斷系統(tǒng)的可行性，而且在設(shè)計的系統(tǒng)出錯時，不至于損害具體硬件環(huán)境。它不僅具有其它 EDA 工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機(jī)及外圍器件。 Protues 在相當(dāng)程度上替代了傳統(tǒng)的單片機(jī)實驗教學(xué)的功能，例 可以實現(xiàn) 元器件選擇、電路連接、電路檢測、電路修改、軟件調(diào)試、運行結(jié)果等。 可提供的仿真儀表資源 ：示波器、邏輯分析儀、虛擬終端、SPI 調(diào)試器、 I2C 調(diào)試器、信號發(fā)生器、模式發(fā)生器、交直流電壓表、交直流電 流表。這些都盡可能減少了儀器對測量結(jié)果的影響。 Keil 可以用來編譯 C源碼、匯編源程序、鏈接和重定位目標(biāo)文件和庫文件、創(chuàng)建 HEX 文件、調(diào)試目標(biāo)程序等，是一種集成化的文件編輯處理、編輯鏈接、項目管理、窗口、工具引用和軟件仿真調(diào)試等多種功能，是相當(dāng)強(qiáng)大的開發(fā)工具。用過匯編語言后再使用 C來開發(fā)，體會更加深刻。使用 PROTEUS 和 Keil uVision 則不需要制作具體的電路板，直接在其開發(fā)環(huán)境中進(jìn)行仿真。 將其應(yīng)用于單片機(jī)實驗教學(xué)改革中，可以提高學(xué)生的動 手能力和實際應(yīng)用能力，提高實驗的效率和質(zhì)量。 圖 26 數(shù)碼管顯示周期為 10ms，占空比為 50%，輸出時間為 59秒 圖 27 示波器顯示周期為 10ms、占空比為 50%的 PWM輸出波形 保持 PWM 輸出的周期不變，改變 PWM 輸出的占空比