【正文】 空航天等領(lǐng)域都有著十分廣泛的用途。 不同的單片機有著不同的硬件特征和軟件特征，即它們的技術(shù)特征均不盡相同，硬件特征取決于單片機芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，用戶要使用某種單片機，必須了解該型產(chǎn)品是否滿足需要的功能和應(yīng)用系統(tǒng)所要求的特性指標(biāo)。電機在運行過程中，需要對其進(jìn)行監(jiān)控，轉(zhuǎn)速是一個必不可少的一個參數(shù)。本文重點是測量速度并顯示。 單片機控制系統(tǒng)能夠取代以前利用復(fù)雜電子線路或數(shù)字電路構(gòu)成的控制系統(tǒng)，可以以軟件控制來實現(xiàn)，并能夠?qū)崿F(xiàn)智能化，現(xiàn)在單片機控制范疇無所不在，例如通信產(chǎn)品、家用電器、智能儀器儀表、過程控制和專用控制裝置等等，單片機的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛。但在具體的系統(tǒng)設(shè)計上，由于集成度太低而使電路非常復(fù)雜，速度調(diào)試應(yīng)用十分不便。 測轉(zhuǎn)速傳感器的設(shè)計 選用哪一種傳感器 作 為測速傳感器設(shè)計合適，需要根據(jù)電機轉(zhuǎn)速的速度范圍大小選擇，以及對傳感器體積大小的要求和抗干 擾 能力，下面 將詳細(xì)介紹三種傳感器作比較之后選擇。此方案的優(yōu)點是電路比較簡單，缺點是繼電器的響應(yīng)時間慢，機械結(jié)構(gòu)易損壞，可靠性不好。 系統(tǒng)設(shè)計綜述 綜上述文字對測速系統(tǒng)各部分的討論選擇后，系統(tǒng)設(shè)計可以初步確定，對電機轉(zhuǎn)速檢測就有了整體框圖。 在 Flash編程時， P0 口接收指令字節(jié)，而在程序校驗時，輸出指令字節(jié)，校驗時，要求外界上拉電阻。 RST：復(fù)位輸入。 端口引腳 第二功能 RXD（串行輸入口） TXD （串行輸出口） 0INT （外中斷 0） 1INT （外中斷 1） 0T （定時 /計數(shù)器 0） 1T （定時 /計數(shù)器 1） WR （外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通） 第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 13 XTAL1:振蕩器反相放大器及內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。 AT89C51 是屬于 CMOS 8 位微處理器，它的時鐘電路在結(jié)構(gòu)上有別于 NMOS 型的單片機。 若復(fù)位電路失效，加電后 CPU 從一個隨機的狀態(tài)開始工作，系統(tǒng)就不能正常運轉(zhuǎn)。引腳圖如圖 36 所示： 第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 17 T R I G2OUT3R S T4C V O L T5T H R6D I S C7V C C8GND1U1N E 5 5 5 N 圖 36 NE555 電路引腳圖 NE555 為 8 腳時基集成電路，各腳主要功能： 1 地 2 觸發(fā) 3 輸出 4 復(fù)位 5 控制電壓 6 門限 (閾值 ) 7 放電 8 電源電壓 應(yīng)用十分廣泛，可裝如下幾種電路： 作用：定延時，消抖動，分（倍）頻，脈沖輸出，速率檢測等。⑤高（ 10 11 ）斷態(tài)電阻。 光電傳感器是指能夠?qū)⒖梢姽廪D(zhuǎn)換成某種電量的傳感器。片內(nèi)設(shè)有采樣保持電路。若轉(zhuǎn)換由 CS 控制，則第一個輸出數(shù)據(jù)發(fā)生在 CS 的下降沿。 1 腳和 15 腳下管的發(fā)射極分別單獨引出以便接入電流采樣電阻，形成電流傳感信號。首先是對 P1 口送初值，即給 AT89C51送取一個占空比為 50%的數(shù)據(jù)。這個程序包含合成 SPI 操作，在 TLC2543 和微處理器間交換數(shù)據(jù)的指令。7 DB 001H。數(shù)碼管的公共端（ COM）接在 74164 驅(qū)動再接到單片機的 P2 口作為位選信號，字型是接在 P0 口。 調(diào)試應(yīng)用程序所提供的重要性能也許就是跟蹤應(yīng)用程序。 如果用戶在調(diào)試過程中了解到變量的內(nèi)容（超值、未定義等）會對程序性能產(chǎn)生影響或引起異常時，立即更改變量的內(nèi)容是很有效的方法，以確保該值在正確范圍內(nèi)不會產(chǎn)生錯誤。 顯然，通過一系列指令查看應(yīng)用程序，了解導(dǎo)致某一錯誤的執(zhí)行也是一種非常有效的方法。軟件支持單文件方式和工程化管理兩種模式。在這部分調(diào)試中主要使用的工具是萬用表，用來完成檢測電路中是否存在斷路或者短路情況等。1 DB 023H。三字節(jié)組成除數(shù)，上面的常數(shù)為四字節(jié)，所以計算程序?qū)嶋H上就是調(diào)用一個四字節(jié)除三字節(jié)商為兩字節(jié)的程序。 軟件需要解決的是單片機中斷服務(wù)程序的設(shè)計、計算程序的設(shè)計、顯示部分的程序設(shè)計。 L298N 的介紹 L298 是 SGS 公司的產(chǎn)品，比較常見的是 15 腳 Multiwatt 封裝的 L298N，內(nèi)部同樣包含 4 通道邏輯驅(qū)動電路。 (1)在 I/O CLOCK 的前 8 個脈沖的上升沿，以 MSB 前導(dǎo)方式從 DATA INPUT 端輸入 8 位數(shù)據(jù)流到輸入寄存器。被測轉(zhuǎn)軸上涂有黑白相間的標(biāo)志，被測轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時，黑白條變化一次，光電元件由導(dǎo)通變?yōu)椴粚?dǎo)通，因而對應(yīng)檢測一個脈沖。例如傳聲器 (話筒 )就是一種傳感器，它感受聲音的強弱，并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號。管腳圖如 37 所示 : 第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 18 12345678U3L M 31 1N 圖 37 LM311 管腳圖 JFET 輸入運放 TL084 TL084 輸入級 JFET 為結(jié)構(gòu)，內(nèi)接頻率補償電路和短路保護電路，四個運放之間具有良好的匹配性能和隔離性能，通道隔離度為 120dB，轉(zhuǎn)換速率為13V/μ S，單位增益帶寬乘積為 4MHz，開環(huán)電壓增益為 150V/mV，輸入失調(diào)電流為 5mA，可用于高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、高速 A/D 轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通訊傳輸系統(tǒng)、阻抗變換與匹配電路、采樣 /保持電路、醫(yī)療器械設(shè)備、精密測量系統(tǒng)以及自動控制系統(tǒng)等領(lǐng)域。顯示器的亮度既與導(dǎo)通電流有關(guān)，也與點亮?xí)r間和間隔時間的比例有關(guān)。 單片機采用的復(fù)位方式是自動復(fù)位方式。在閑置模式下， CPU 停止工作。在此期間，當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，這兩次有效的PSEN 信號不出現(xiàn)。 P3 口： P3 口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的８位雙向 I/O 口。 中斷控制系統(tǒng)：該芯片共有 5 個中斷源，即外部中斷 2 個，定時 /計數(shù)中斷 2 個和串行中斷 1 個。 由于 TLC2543 是串行輸入結(jié)構(gòu)，能夠節(jié)省 51 系列單片機 I/O 資源 ， 且價格適中，分辨率較高， 所以選用 TLC2543。 光電傳感器具有體積小 ,響應(yīng)頻率快 ,電壓范圍寬 ,重復(fù)精度高 ,抗干擾能力強使用壽命長等特點 .。 第 2 章 系統(tǒng)設(shè)計論證 5 第 2 章 系統(tǒng)設(shè)計 控制器設(shè)計 單片機控 制器是 CPU 的神經(jīng)中樞，它包括定時控制邏輯電路、指令寄存器、譯碼器、地址指針 DPTR 及程序計數(shù)器 PC、堆棧指針 SP 等。 單片機在醫(yī)用設(shè)備領(lǐng)域中的應(yīng)用：單片機在醫(yī)用設(shè)備中的用途亦相當(dāng)廣泛，例如醫(yī)用呼吸機，各種分析儀，監(jiān)護儀，超聲診斷設(shè)備及病床呼叫系統(tǒng)等等。 單片機的應(yīng)用屬于芯片級應(yīng)用，需要用戶（單片機學(xué)習(xí)者與使用者）了解單片機芯 片的結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)以及其它集成電路應(yīng)用技術(shù)和系統(tǒng)設(shè)計所需要的理論和技術(shù)，用這樣特定的芯片設(shè)計應(yīng)用程序，從而使該芯片具備特定的功能。 本文便是運用 AT89C51 單片機控制的智能化轉(zhuǎn)速測量儀。 其優(yōu)點硬件是電路簡單，軟件功能完善，測量速度快、精度高、控制系統(tǒng)可靠，性價比較高等特點。 誠然，單片機的應(yīng)用意義遠(yuǎn)不限于它的應(yīng)用范疇或由此帶來的經(jīng)濟效益，更重要的是 它已從根本上改變了傳統(tǒng)的控制方法和設(shè)計思想。 利用 電子信息技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，可以大幅提高生產(chǎn)效率，提升產(chǎn)品的市場競爭力。 方案一：增量式旋轉(zhuǎn)編碼器：通過內(nèi)部的兩個光敏接受管轉(zhuǎn)化其角度碼盤的時序和相位的關(guān)系，得到其角度碼盤角度位移量增加和減少。 方案三：采用有達(dá)林頓管組成的 H 型 PWM 電路，用單片機控制達(dá)林頓管使之工作在占空比可調(diào)的開關(guān)狀態(tài)，精確調(diào)整電機的轉(zhuǎn)速。其結(jié)構(gòu)圖如 21 所示： 第 2 章 系統(tǒng)設(shè)計論證 8 圖 21 系統(tǒng)整體框圖 A/D 轉(zhuǎn)換電路 鍵盤 80C51 單片機 L298N 直流電機 穩(wěn)壓電源 數(shù)碼顯示電路 第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 9 第 3 章 系統(tǒng) 硬件設(shè)計 系統(tǒng)主要硬件簡介 AT89C51 單片機簡介 單片機的基本組成 AT89C51 單片機由 CPU 和 8 個部件組成，它們都通過片內(nèi)單一總線連接，其基本結(jié)構(gòu)依然是通用 CPU 加上外圍芯片的結(jié)構(gòu)模式，但在功能單元的控制上采用了特殊功能寄存器的集中控制方法。 P1 口： P1 是一個帶內(nèi)部上拉電阻的８位雙向 I/O 口， P1 的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）４個 TTL邏輯門電路。當(dāng)振蕩器工作時， RST 引腳出兩個機器周期以上高電平將使單片機復(fù)位。 XLAT2: 振蕩器反相放大器的輸出端。 CMOS 型單片機內(nèi)部（如 AT89C51）有一個可控的負(fù)反饋反相放大器，外接晶振（或陶瓷諧振器）和電容組成振蕩器，圖 33 為 CMOS 型單片機時鐘電路框圖。 第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 15 P 1P 2P 3P 4P 5P 6P 7P 8R S T9P 10P 11P 12P 13P 14P 15P 16P 17X T A L 218X T A L 119V S S20P 21P 22P 23P 24P 25P 26P 27P 28P S E N29A L E / P R O G30E A / V P P31P 32P 33P 34P 35P 36P 37P 38P 39V C C40U8A T 89 C 5110uFC 18R 34+5 圖 34 上電復(fù)位電路 顯示電路： 顯示電路采用 LED 數(shù)碼管動態(tài)顯示， LED（ LightEmitting Diode）是一種外加電壓從而渡過電流并發(fā)出可見光的器件。 作用：比較器，鎖存器，反相器，方波輸出及整形等。⑥ 8 引腳功能。光電 二極管的外型與一般二極管一樣，只是它的管殼上開有一個嵌著玻璃的窗口，以便于光線射入，為增加受光面積， PN 結(jié)的面積做得較大，光電二極管工作在反向偏置的工作狀態(tài)下，并與負(fù)載電阻相串聯(lián)，當(dāng)無光照時，它與普通二極管一樣，反第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 20 向電流很小，稱為光電二極管的暗電流；當(dāng)有光照時，載流子被激發(fā)，產(chǎn)生電子 空穴，稱為光電載流子。用“轉(zhuǎn)換結(jié)束”信號 EOC 指示轉(zhuǎn)換的完成。這個數(shù)據(jù)串是前一次轉(zhuǎn)換的結(jié)果，在第一個輸出數(shù)據(jù)位之后的每個后續(xù)位均由后續(xù)的 I/O 時鐘下降沿輸出。 L298 可驅(qū)動 2 個電動機， OUT1， OUT2 和 OUT3，OUT4 之間可分別接電動機，本實驗裝置我們選用驅(qū)動一臺電動機。跟著對數(shù)據(jù)和中斷進(jìn)行初始化：對控制電機的選通信號與方向信號的引腳置 0（通電時電機不啟動，直到按下啟動鍵后再啟動，啟動后的轉(zhuǎn)向是正轉(zhuǎn)）；對顯示子程序中用到的數(shù)據(jù)寄存單元及測速子程序中用到的時間寄存器、速度數(shù)據(jù)寄存器清零；設(shè)定 T0 的工作方式及定時時間，開中斷，并讓 T0 開始工作。檢測最低位前導(dǎo)標(biāo)志，即跳到選擇 /方式數(shù)據(jù)字節(jié)的位為 1，以決定轉(zhuǎn)換結(jié)果的哪個字節(jié)最先傳送。8 DB 041H。電路上電檢查 74164 是否接上電源和地讓其正常工作。跟蹤應(yīng)用程序使用戶能夠在運行應(yīng)用程序時，看到 PC 指針在應(yīng)用源代碼程序中的確切位置，LCA51 提供以下方法對程序的執(zhí)行進(jìn)行跟蹤。 LCA51 軟件提供一系列更改變量數(shù)值的方法，以便用戶能檢查程序?qū)φ麄€變量值范圍的反應(yīng)，而無需為設(shè)置每個 值而重新加載調(diào)試。如果用戶按熱鍵 F4，調(diào)試程序繼續(xù)執(zhí)行程序代碼，直到它到達(dá)光標(biāo)行處或調(diào)試程序遇到另一個斷點。 LCA51 軟件全面支持匯編語言， C51 語言， PL/M51 語言的編譯 /連接、調(diào)試。 上電前的調(diào)試： 在上電前，我們必須確保電路中不存在斷路或短路情況，這一工作是整個調(diào)試工作的第一步，也是非常重要的一個步驟。0 DB 0F9H。此外，對于低速情況下，我們還要設(shè)定一個軟件計數(shù)器 VTT，當(dāng)外部中斷還沒來而內(nèi)部定時器已經(jīng)溢出，產(chǎn)生定時器 0 中斷時，增加 VTT，作為三字節(jié)中的高字節(jié)。 E N A6E N B11I N 15I N 27I N 310I N 412O U T 12O U T 23O U T 313O U T 414I S E N A1I S E N B15VS4V S S9GND8U 10L 29 8N 圖 311 L298N 的引腳圖 第 4 章 系統(tǒng)軟件設(shè)計及調(diào)試 24 第 4 章 系統(tǒng)軟件設(shè)計及調(diào)