【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ，而 MCS 一 51 單片機(jī)則有 7種尋址方式，68HC05 單片機(jī)有 6種尋址方式。 (5)代碼壓縮率高 IKB 的存儲(chǔ)器空間，對(duì)于 PIC 系列單片機(jī)則能夠存放的指令條數(shù)可達(dá) 1024 條。對(duì)于像MCS 一 51 這樣的單片機(jī)，大約只能存放 600條指令，而與幾種典型的單片機(jī)相 比， PIC 系列單片機(jī)是一種最節(jié)省程序存儲(chǔ)器空間的單片機(jī)。 (6)尋址空間設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔 PIC 系列單片機(jī)的程序、堆棧、數(shù)據(jù)三者各自采用互相獨(dú)立的尋址 (或地址編碼 )空間，而且前兩者的地址安排不需要用戶操心，這會(huì)受到大家的歡迎。而 MC68HC05 和 MC68HCn單片機(jī)的尋址空間只有一個(gè)，編程時(shí)需要用戶對(duì)程序區(qū)、堆棧區(qū)、數(shù)據(jù)區(qū)和 1/0 端口所占用的地址空間作精心安排，這樣給開發(fā)人員在設(shè)計(jì)上帶來很大的麻煩。 (7)外接電路簡(jiǎn)潔 與 MCS一 51 系列及其它單片機(jī)相比， PIC 單片機(jī)內(nèi)集成了上電復(fù)位電路、 1/0 引腳上拉電路 、看門狗定時(shí)器，尤其是集成了 ADC 模塊和 CCP 模塊 (輸入捕捉 /輸出比較 /脈寬調(diào)制 )，可以最大程度的減少和免用外接器件，以便實(shí)現(xiàn)“純單片”化，這樣，不僅便于開發(fā)，而且還可以節(jié)省電路板空間和制造成本。 (8)存儲(chǔ)器容量大 PIC18F458 系列單片機(jī)具有多達(dá) 1536 字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 (RAM)，多達(dá) 256 的 EEPROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，另外還有多達(dá) SKxl4 字節(jié)的可多次重復(fù)寫入的閃速 FLASH 程序存儲(chǔ)器。而 MCS一 51單片機(jī)只有 4K字節(jié)的 EEPROM。 128 字節(jié) RAM 以及 64K 的外部數(shù)據(jù)、程序存儲(chǔ)器空間，無 FLASH 程序存儲(chǔ)器。 14 (9)定時(shí)器數(shù)目多、功能全 PIC 系列單片機(jī)具有 3 個(gè)定時(shí)器 :帶有 8 位預(yù)分頻器的 8 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 TMR0。帶有預(yù)分頻器的 16位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 TMR1，并且在休眠期間外部晶振 /時(shí)鐘可以工作 。以及帶有8位周期寄存器、預(yù)分頻器和后分頻器的 8位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 TMR3。而 MCS 一 51只有兩個(gè)16 位的定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器。 (10)獨(dú)特具有的功能 PIC 系列單片機(jī)具有兩個(gè)捕獲 (Capture)、比較 (Compare)、脈寬調(diào)制 (PWM)模式、多通道 10位 A/D 轉(zhuǎn)換器、帶有 SPI 和 IZC 的同步串行端口 SSP、帶有 9位地址檢測(cè)的同步異步接收發(fā)送器 USART(USART/SCI)、 8 位寬并行從屬端口 (PSP)、有節(jié)電鎖定復(fù)位的節(jié)電檢測(cè)電路等 。而 MCS 一 51系列單片機(jī)沒有。 PIC18F458 單片機(jī)的其它優(yōu)點(diǎn) (1)CPU 的性能特點(diǎn) 它有 16 位指令， 8 位寬數(shù)據(jù)通道，高達(dá) 2MB 的程序存儲(chǔ)器， 4kB 的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，高達(dá) 10MIPS 的執(zhí)行速度。 DC40MHz 時(shí)鐘輸入， 410MHz 帶 PLL 鎖相環(huán)有源晶振 /時(shí)鐘輸入；帶優(yōu)先級(jí)的中斷和 8 8? 單周期硬件乘法器 。 (2)外圍功能模塊特性 捕捉 /比較 /脈寬調(diào)制（ PWM）（ CCP） 模塊； CCP 引腳配置如下：捕捉輸入 :16 位，最大分辨率為 ；比較單元： 16 位，最大分辨率為 100ns；脈寬調(diào)制（ PWM）輸出 : 分辨率為 110位；最高 PWM 頻率： 88位分辨率時(shí)為 156kHz， 10 位分辨率時(shí)為 39kHz。增強(qiáng)型CCP 模塊具有標(biāo)準(zhǔn)型 CCP 模塊的所有特性，但它在先進(jìn)的電機(jī)控制時(shí)還有如下特性： 1， 2，4路的 PWM 輸出；可選擇 PWM 的極性；可編程的 PWM 死區(qū)時(shí)間。 (3)運(yùn)行速度高 PIC18F458 由于采用了哈佛總 線結(jié)構(gòu)，以及指令的讀取和執(zhí)行采用了流水作業(yè)方式，使得 PIC18F458 單片機(jī)運(yùn)行速度大大提高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它相同檔次的單片機(jī)。 (4)功耗低 PIC18F458 單片機(jī)的功率消耗極低，是目前世界上低的單片機(jī)之一。在 8MHz 時(shí)鐘下工作時(shí)耗電不超過 mA，在睡眠模式下耗電可以低到 1mA以下。 (5)驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng) I/0 端口驅(qū)動(dòng)負(fù)載的能力較強(qiáng)，每個(gè) I/O引腳吸人和輸出電流的最大值可分別達(dá)到 2mA和 20mA，能夠直接驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管 LED、光電禍合器或者微型繼電器等。 15 (6)獨(dú)特的 C 語(yǔ)言開發(fā)環(huán)境 對(duì)于 PIC18F458單片機(jī)， Microchip 公司提供了“ C語(yǔ)言編譯程序”，這樣用 C 語(yǔ)言這樣高級(jí)語(yǔ)言來進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，可大大的提高了工作效率。與一般的 C 語(yǔ)言版本如 Turbo C相比，作為單片機(jī)的開發(fā)語(yǔ)言， PICC 增加了針對(duì) PIC單片機(jī)硬件本身的操作，如端口、引腳的輸入輸出、寄存器的位操作等。 (7)產(chǎn)品系列齊全、擁有高性能的高端產(chǎn)品 另外，必須說明的是， PIC 系列單片機(jī)品種齊全、根據(jù)其指令的位數(shù)可分為初級(jí)產(chǎn)品、中級(jí)產(chǎn)品和高級(jí)產(chǎn)品，在以后的開發(fā)過程中，可根據(jù)具體需要選擇單片機(jī)的型號(hào)。其高級(jí)產(chǎn)品一 16 位指令字系列的 PIC17CXXX 和 PIC18CXXX。 16 位指令字系列是 8 位單片機(jī)中運(yùn)行速度最快的，它具備一個(gè)指令周期內(nèi)完成 8 位二進(jìn)制乘法的能力，可以在一些需要高速運(yùn)算的應(yīng)用場(chǎng)合取代 DSP數(shù)字信號(hào)處理器。再加上 PIC17CXXX 還具有豐富的 I/0 控制功能，并可以外接擴(kuò)展 EPROM 和 RAM，使它成為目前 8 位單片機(jī)中性能最高的品種之一，可被廣泛的應(yīng)用于高中檔的電子設(shè)備中。而 PIC18CXXX 系列是一款高性能、全靜態(tài)設(shè)計(jì)、內(nèi)帶 A/D轉(zhuǎn)換器的 CMOS16 位單片機(jī)，可應(yīng)用于各種復(fù)雜和高性能的電子及工業(yè)控制。 正因?yàn)槿绱吮菊n題選用 PIC18F458 單片機(jī)，為以后產(chǎn)品升級(jí)及個(gè)人能力的進(jìn)一步提高都將帶來便利。 本章小結(jié) 本章分析了直流電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換和特性曲線 。依據(jù)系統(tǒng)技術(shù)要求進(jìn)行了整體方案設(shè)計(jì) 。分析了系統(tǒng)工作原理 。依據(jù)系統(tǒng)技術(shù)要求和方案對(duì)直流電機(jī)、放大器、光電數(shù)字編碼器、PIC 單片機(jī)等進(jìn)行了選型。 3 硬件電路設(shè)計(jì) 引言 本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)硬件電路時(shí)主要從以下原則出發(fā) : (l)硬件電路設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)相結(jié)合優(yōu)化硬件電路。一些由硬件實(shí)現(xiàn)的功能可用軟件來實(shí)現(xiàn)，反過來一些由軟件實(shí)現(xiàn)的功能也可用硬件來完成。用軟件來實(shí)現(xiàn)硬件的功能時(shí)，其響應(yīng)時(shí)間比 用硬件實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)，還要占用 CPU 時(shí)間。但是用軟件實(shí)現(xiàn)硬件的功能可以簡(jiǎn)化硬件結(jié)構(gòu)，提高硬件電路的可靠性，還可降低成本。因此在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，在滿足可行性和實(shí)時(shí)性的前提下盡可能地將硬件功能用軟件來實(shí)現(xiàn)。 (2)可靠性及抗干擾設(shè)計(jì)。根據(jù)可靠性設(shè)計(jì)理論，系統(tǒng)所用芯片數(shù)量越少，系統(tǒng)的平 16 均無故障時(shí)間越長(zhǎng)，而且所用芯片數(shù)量越少，地址、數(shù)據(jù)總線在電路板上受干擾的可能性就越少，因此單片機(jī)基本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想是在滿足功能的情況下力爭(zhēng)使用較少數(shù)量的芯片。 (3)靈活的功能擴(kuò)展。一次設(shè)計(jì)往往不能完全考慮到系統(tǒng)的各個(gè)方面，系統(tǒng)需要 不斷完善，需要進(jìn)行功能升級(jí)。功能擴(kuò)展時(shí)系統(tǒng)應(yīng)該在原有設(shè)計(jì)不需要很大改變的情況下，修改軟件和少量硬件甚至不修改硬件就能完成。功能擴(kuò)展是否靈活是衡量一個(gè)系統(tǒng)優(yōu)劣的重要指標(biāo)。根據(jù)系統(tǒng)要求及上面幾個(gè)硬件設(shè)計(jì)原則，系統(tǒng)以單片機(jī) PIC18F458 為中央處理單元，由鍵盤輸入電路， LCD 顯示，放大器連接電路等組成。下面對(duì)主要的電路設(shè)計(jì)做詳細(xì)介紹。 H 橋電路 PWM 控制電路 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)中使用最廣泛的 H 型全橋驅(qū)動(dòng)電路，如圖 橋工作原理 當(dāng)開關(guān) 1Q 與 4Q 閉合時(shí)，負(fù)載電流從電源由 A 流向 B。此時(shí)負(fù)載端 A 點(diǎn)相對(duì)于 B點(diǎn)是正電位，電機(jī)兩端承受正向電壓。開關(guān) 1Q 與 4Q 由控制邏輯來同步工作，在開關(guān) 1Q 與 4Q 閉合期間，控制邏輯使另一對(duì)開關(guān) 2Q 與 3Q 處于斷開狀態(tài)。反之，當(dāng)開關(guān) 2Q 與 3Q 閉合時(shí)，開關(guān) 1Q 與 4Q 斷開，此時(shí)，負(fù)載電流從電源 U 由 B 流向 A，負(fù)載端 B 點(diǎn)相對(duì)于 A點(diǎn)是正電位，電機(jī)兩端承受反向電壓。通過調(diào)節(jié) PWM 信號(hào)的占空比就可以改變電機(jī)電樞兩端的平均 17 電壓，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速或方向。當(dāng) PWM 信號(hào)占空比 10050?? 時(shí)，電樞兩端電壓平均值為正，電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng) 10050?? 時(shí)，電樞兩端電壓平均值為負(fù)，電機(jī)平均值為負(fù)，電機(jī)反轉(zhuǎn)； 10050?? 時(shí)，電機(jī)電樞電壓平均值為 0，電機(jī)停轉(zhuǎn)，但此時(shí)電樞兩端電壓的順時(shí)值并不為 0，而是幅值接近電流電源電壓 U 的方波。 與功率開關(guān)并聯(lián)的二極管為快會(huì)恢復(fù)二極管，作為續(xù)流二極管使用。當(dāng) 1Q 、 4Q 的 PWM信號(hào)變?yōu)榈碗娖胶?，功率?1Q 、 4Q 關(guān)斷而 2Q 、 3Q 飽和導(dǎo)通。電樞兩端所加電壓為 U，此時(shí)，電樞電流方向不能立刻改變，必須通過二極管 2VD 與 3VD 續(xù)流。同理，當(dāng) 2Q 、 3Q的 PWM信號(hào)變?yōu)榈碗娖胶螅姍C(jī)通過二極管 1VD 、 4VD 續(xù) 流。 H 橋器件選擇 本系統(tǒng)中，選擇功率 MOSFET 作為開關(guān)器件。功率 MOSFET 是壓控元件，具有輸入阻抗大、開關(guān)速度快、無二次擊穿現(xiàn)象等特點(diǎn)。此處，選取 N溝道的功率 MOSFET IRF530 作為開關(guān)器件。 2R 和 4C 則組成放電回路，消耗電感中存儲(chǔ)的能量。其中， 2R 要用阻值在千歐級(jí)、功率在 5W的水泥電阻，阻值的具體大小要在不同的電路應(yīng)用中調(diào)整確定。 工作頻率選擇 要使電路穩(wěn)定的工作，需要合適地選擇 PWM 的頻率。如果頻率選擇過低，輸出到電機(jī)兩端電壓的低頻紋波較大，會(huì)對(duì)電機(jī)的平穩(wěn) 運(yùn)行造成影響，而且低頻的 PWM 信號(hào)會(huì)使直流電機(jī)在運(yùn)行的過程中產(chǎn)生很大的噪聲，極大影響轉(zhuǎn)臺(tái)操作人員的工作環(huán)境；如果頻率選擇過高，由于光耦、 IR211 MOSFET 等器件的開關(guān)特性的限制，不可能輸出較為理想的方波，這會(huì)使輸出的 PWM 波形發(fā)生畸變，無法有效的控制直流電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。經(jīng)過多次實(shí)踐證明，此電路的 PWM 工作頻率選擇 32KHz 為宜。此頻率在超聲波頻段范圍內(nèi)，可以消除電機(jī)在工作過程中的噪音。 放大電路的連接電路 IR2111 外圍電路如圖所示。單片機(jī)輸出的 PWM 信號(hào)經(jīng)光耦ＰＣ８１７后，輸出至IR2111 輸入端，此處的光耦對(duì) PWM 信號(hào)起到隔離、電平轉(zhuǎn)換和功率放大的作用。圖中， 1R 、2R 為光耦上拉電阻，其值根據(jù)所用光耦的輸入和輸出地電流參數(shù)決定： 1C 為電容濾波電容， 2C 為自舉二極管， 3R 、 4R 為柵極驅(qū)動(dòng)電阻。 18 圖 IR2111 驅(qū)動(dòng)功率 MOSFET 鍵盤輸入電路 本系統(tǒng)采用鍵盤，如圖 所示。 圖 為按鈕電路 電源電路 控制系統(tǒng)需要一個(gè)穩(wěn)定的工作電壓才能可靠工作，本系統(tǒng)的 IR2111 放大器要士 12V。 PIC 單片機(jī)、數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)、顯示電源需要 +5V?？紤]到本系統(tǒng)的情況，采用了直接從市場(chǎng)上購(gòu)買開關(guān)電源來滿足要求，如圖 所示。 19 圖 所需電源 復(fù)位和時(shí)鐘電路 為了預(yù)防系統(tǒng)在突然情況下出現(xiàn)死機(jī)等問題，特設(shè)計(jì) 復(fù)位電路進(jìn)行對(duì)程序計(jì)數(shù)器的 PC重新賦值并重新開始工作，根據(jù) PIC18F458 系列單片機(jī)的特點(diǎn)，采用典型的復(fù)位電路接法，不僅可以在上電時(shí)自動(dòng)復(fù)位，還可以在程序運(yùn)行中手動(dòng)復(fù)位，手動(dòng)復(fù)位只需要按下復(fù)位電路中的按鍵即可。如圖 。 圖 復(fù)位和時(shí)鐘電路 顯示電路 LCD介紹 液晶顯示模塊（ LCM）由于其具有功耗低、無電磁輻射、壽命長(zhǎng)、價(jià)格低、接口方便等一系列顯著優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用與各種儀表儀器、測(cè)量顯示裝置、計(jì)算機(jī)顯示終端等方面。其中，字符液晶顯示模塊是一類專用于顯示字母、數(shù)字、符號(hào)的點(diǎn)陣式 液晶顯示模塊。TS1620 字符液晶顯示模塊以 ST7066 和 ST7065 為控制器，其接口信號(hào)功能和操作指令與HD44780 控制器具有兼容性。字符液晶有 8? 16? 20? 40? 2 等 20 多種規(guī)格型號(hào)齊全的字符液晶顯示模塊，均具有相同的引線功能和編程指令，與單片機(jī)的接口具有通用性。下圖為外觀機(jī)構(gòu)。 20 TS1620 引腳與 功能 TS1620 的引腳與功能表下圖所示。 引腳好 引腳符號(hào) 名稱 功 能 1 GND 電源地 接 5V電 源地端 2 VDD 電源正端 接 5V電 源正端 3 VEE 液晶驅(qū)動(dòng)電壓端 電壓可調(diào)，一端接地， 一端接可調(diào)電阻 4 RS 寄存器選擇段 RS=1為數(shù)據(jù)寄存器， RS=0為指令寄存器 5 RW 讀 /寫選擇端 RW=1為讀數(shù)據(jù)， RW=0為寫數(shù)據(jù) 6 EN 讀 /寫使能端 寫時(shí)，下降沿觸發(fā)； 讀時(shí)，高電平有效 7至 14 DB0— DB7 8位數(shù)據(jù)線 數(shù)據(jù) 總線 TS1620 與 PIC18F 單片機(jī)接口 TS1620 模塊與單片機(jī)的接口簡(jiǎn)單， PIC18F 單片機(jī)的連接圖如總圖所示。 PIC18F458 的RD0RD7 端口直接與 TS16201的 DB0DB7 相連接， TS16201的控制信號(hào) RS、 RW、 EN分別與 PIC18F458 的 RE0RD2相連接。 轉(zhuǎn)速測(cè)量電路設(shè)計(jì) 一個(gè)完善的閉環(huán)系 統(tǒng)，其定位精度和測(cè)量精度主要由測(cè)量元件決定，因此，高精度的測(cè)量轉(zhuǎn)速對(duì)測(cè)量元件的質(zhì)量要求相當(dāng)高。光電編碼器是現(xiàn)代 系統(tǒng) 中必不可少的一種數(shù)字式速度 測(cè)量元件，被廣泛應(yīng)用于微處理器控制的閉環(huán)控制系統(tǒng)中。 21 光柵盤是