【文章內(nèi)容簡介】 器 /計(jì)數(shù)器 一個(gè) 6向量 2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口 片內(nèi)晶振及 時(shí)鐘電路 另外， STC 89C52RC 可降至 0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持 2種 軟件 可選擇節(jié)電模式。遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 XIII 空閑模式下， CPU 停止工作，允許 RAM、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下， RAM 內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。 P1口 只做 I/O 口使用：其內(nèi)部有上拉電阻。 P2口有兩個(gè)功能 (1)擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器時(shí)，當(dāng)作地址總線使用 (2)做一般 I/O口使用，其內(nèi)部有上拉電阻； P3口有兩個(gè)功能 除了作為 I/O使用外（其內(nèi)部有上拉電阻），還有一些特殊功能，由特殊寄存器來設(shè)置，具體功能 請(qǐng)參考我們后面的引腳說明。 遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 XIV 圖 32單片機(jī)最小系統(tǒng) 有內(nèi)部 EPROM的單片機(jī)芯片（例如 8751），為寫入程序需提供專門的編程脈沖和編程電源，這些信號(hào)也是由信號(hào)引腳的形式提供的， 即：編程脈沖： 30腳（ ALE/PROG） 單片機(jī)最小系統(tǒng)構(gòu)成如下： STC 89C52RC單片機(jī)的電壓為 ，我們采用 7805穩(wěn)壓到 5V進(jìn)行供電。 晶振結(jié)合單片機(jī)內(nèi)部的電路，產(chǎn)生單片機(jī)所必須的時(shí)鐘頻率，單片機(jī)的一切指令的執(zhí)行都是建立在這個(gè)基礎(chǔ)上的，晶振的提供的時(shí)鐘頻率越高，那單片機(jī)的運(yùn)行遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 XV 速度也就越快。本系統(tǒng)主要采用的是 12M 晶振，配合 2 個(gè) 30pF 的電容構(gòu)成晶體振蕩電路。 為確保微機(jī)系統(tǒng)中電路穩(wěn)定可靠工作，復(fù)位電路是必不可少的一部分，復(fù)位電路的第一功能是上電復(fù)位，復(fù)位電路通過電容加給 RST端一個(gè)短暫的高電平信號(hào)，此高電平信號(hào)隨著 Vcc 對(duì)電容的充電過程而逐漸回落，即 RST端的高電平持續(xù)時(shí)間取決于電容的充電時(shí)間。另外，在復(fù)位期間，端口引腳處于隨機(jī)狀態(tài)，復(fù)位后，系統(tǒng)將端口置為全“ l”態(tài)。如果系統(tǒng)在上電時(shí)得不到有效的復(fù) 位，則程序計(jì)數(shù)器 PC將得不到一個(gè)合適的初值，因此， CPU可能會(huì)從一個(gè)未被定義的位置開始執(zhí)行程序。 圖 33電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 XVI 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理 直流電機(jī)的物理模型如圖 34所示： 圖 34電機(jī)物理模型 電機(jī)定子有兩個(gè)磁極，磁極上形成的勵(lì)磁磁場極性如圖所示，轉(zhuǎn)子上有電樞、換向器和電刷，固定于定子的電刷位于兩個(gè)磁極間的中心線上，并與外部電源相通。當(dāng)電樞在外施電壓 Ua 作用下產(chǎn)生電流時(shí)，電流產(chǎn)生磁場，轉(zhuǎn)子收到逆時(shí)針方向的電磁轉(zhuǎn)矩作用而旋 轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生如圖 37所示的反電動(dòng)勢 Ea，并與外部電源電壓相平衡，直到轉(zhuǎn)速 n穩(wěn)定為止。直流電機(jī)可以看成是電氣部分與機(jī)械運(yùn)動(dòng)兩部分。電氣部分有電樞繞組和勵(lì)磁繞組，機(jī)械部分只有轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu) [10]。 直流電機(jī) PWM 調(diào)速控制原理 直流電機(jī)改變電壓調(diào)速就是改變電樞繞組端電壓的調(diào)速。電樞繞組端電壓不能隨意變化，因?yàn)殡娫醇半姍C(jī)繞組絕緣耐壓的限制，電樞繞組端電壓一般不能超過額定電樞電壓，所以直流電機(jī)調(diào)壓調(diào)速是，電樞繞組的電壓大小只能在額定電樞電壓及其以下范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。當(dāng)然，電樞電壓的極性是可以改變的。當(dāng)勵(lì)磁磁通 額定不變時(shí)，調(diào)節(jié)電樞繞組電壓、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)速的機(jī)械特性如圖所示為一組平行線，所以電樞端電壓和轉(zhuǎn)速呈線性關(guān)系 [11]。 遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 XVII 圖 35改變電樞電壓調(diào)速的基本特性 在直流調(diào)速系統(tǒng)中，電樞電流的時(shí)間常數(shù)較小，電流內(nèi)環(huán)必須有足夠高的采樣頻率，而電流調(diào)節(jié)算法一般比較簡單，采用較高的采樣頻率是可能的。因此電流調(diào)節(jié)器一般都可以采用間接方法設(shè)計(jì)，先按連續(xù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，然后再將得到的調(diào)節(jié)器數(shù)字化 [12]。對(duì)于轉(zhuǎn)速，由于系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能往往對(duì)轉(zhuǎn)速截止頻率的大小有一定要求，不能太低。但轉(zhuǎn)速控制有時(shí)比較復(fù)雜，占用的機(jī)時(shí) 較長，因而轉(zhuǎn)速的采樣頻率又不能很高。如果所選擇的采樣頻率不夠高，按連續(xù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)誤差較大時(shí)，就應(yīng)按照離散控制系統(tǒng)來設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用 H橋式驅(qū)動(dòng)，圖中用三極管組成 H型平衡橋，驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)。同時(shí) H 型 PWM電路工作在晶體管的飽和狀態(tài)與截止?fàn)顟B(tài)，具有非常高的效率。圖中兩個(gè)光電耦合器起隔離作用，因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓為 12V，單片機(jī)的工作電壓為 5V，若三極管的基極直接與單片機(jī)相連，會(huì)燒壞單片機(jī)，所以必加一個(gè)光電耦合器，隔離兩邊的電壓，由于光電耦合器的傳輸速度最高可以達(dá)到 70KHz，所以光電耦合器 可以滿足隔離的要求，同時(shí)也可滿足脈沖信號(hào)傳遞速度較快的要求。 當(dāng)單片機(jī)給 口低電平時(shí)，光耦不導(dǎo)通，所以 Q5的基極是低電平不導(dǎo)通，當(dāng)單片機(jī)給 口高電平時(shí)，光電耦合器導(dǎo)通，此時(shí)光電耦合器的右邊的電壓被拉高，三極管 Q5導(dǎo)通， Q7和 Q8也導(dǎo)通，此時(shí)電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。 當(dāng)單片機(jī)給 口低電平時(shí)，光耦不導(dǎo)通，所以 Q10的基極是低電平不導(dǎo)通，當(dāng)單片機(jī)給 口高電平時(shí)，光電耦合器導(dǎo)通，此時(shí)光電耦合器的右邊的電壓被拉高，三極管 Q10導(dǎo)通， Q6和 Q9也導(dǎo)通，此時(shí)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)。 H 橋電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 圖 36中所示這是一個(gè)非常常用的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路。因?yàn)樗男螤詈妥帜窰非常相似，因此叫作“ H橋驅(qū)動(dòng)電路”。 4個(gè)三極管組成這個(gè)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。如遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 XVIII 圖所示，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 H橋式通常包括 4個(gè)三極管和一個(gè)電動(dòng)機(jī)。導(dǎo)通對(duì)角線上的一對(duì)三極管，則電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。判斷不同三極管對(duì)的導(dǎo)通與否，然后判斷電流的流向，根據(jù)電流的流向控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向。 圖 36 H橋結(jié)構(gòu)圖 對(duì)角線上的一對(duì)三極管導(dǎo)通則電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。例如，如圖 37 所示，如果 Q1 管和 Q4管導(dǎo)同時(shí)通時(shí)，電流就從三極管 Q1從左至右如黑線所示流過電動(dòng)機(jī)，這樣電動(dòng)機(jī) 就正轉(zhuǎn)了。在圖中箭頭所示的為電流流過的方向，這時(shí)電流將驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)。 圖 37 H橋控制電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn) 遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 XIX PWM 調(diào)速原理 脈沖寬度調(diào)制（ PWM）是英文“ Pulse Width Modulation”的縮寫，簡稱脈寬調(diào)制。主要用單片機(jī)等處理器的數(shù)字量來對(duì)模擬量進(jìn)行控制的一種技術(shù)，廣泛應(yīng)用于通信，測量，電動(dòng)機(jī)速度變換等工業(yè)控制領(lǐng)域 [13]。脈沖寬度調(diào)制是一種對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字脈沖編碼的方法。通過單片機(jī)等微處理器定的時(shí)器以及計(jì)數(shù)器的使用，方波的占空比 D 被調(diào)制用來對(duì)一個(gè)具體模擬信號(hào)的電平 進(jìn)行編碼， PWM 信號(hào)仍然是數(shù)字的，在給定的任何時(shí)刻，它都只表現(xiàn)出開和關(guān)兩種狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)電路要么完全導(dǎo)通，要么完全關(guān)閉。 PWM 的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是從處理器到被控系統(tǒng)信號(hào)都是數(shù)字形式的，無需進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。讓信號(hào)保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小。噪聲只有在強(qiáng)到足以將邏輯 1改變?yōu)檫壿?0或?qū)⑦壿?0改變?yōu)檫壿?1時(shí)，也才能對(duì)數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生影響 [14]。 電壓或電流源是以一種通或斷的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負(fù)載上去的。當(dāng)導(dǎo)通時(shí)，直流供電被加到負(fù)載上，當(dāng)關(guān)斷時(shí)，供電被斷開的時(shí)候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用 PWM 進(jìn)行編碼。多數(shù) 負(fù)載無論是電感性負(fù)載還是電容性負(fù)載都需要的調(diào)制頻率高于 10Hz，通常調(diào)制頻率為 1kHz 到 200kHz之間。 圖 38電動(dòng)機(jī)測速電路 當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)光電碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)，發(fā)光元件發(fā)出的光經(jīng)過光電碼盤時(shí)，由于碼盤是由多個(gè)格子組成的，所以碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在光敏元件會(huì)產(chǎn)生多個(gè)矩形脈沖，遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 XX 如上圖所示，我們通過在一定的時(shí)間 T內(nèi)測量脈沖的個(gè)數(shù) N，以及碼盤的精度 P（多少格的碼盤）就可以計(jì)算出電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 Vr[15]。 其轉(zhuǎn)速 : Vr=(N/P)/T 電動(dòng) 機(jī)測速電路采用光電編碼盤和紅外光電對(duì)管組成，紅外光電對(duì)管其原理如下圖所示： 圖 39光電碼盤編碼原理 通過電動(dòng)機(jī)測速電路，單片機(jī)可以實(shí)時(shí)的判斷電動(dòng)機(jī)電路是否正常工作，若測得電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速過低或者為零，則證明電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)或者異常，此時(shí)單片機(jī)可以控制電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)來保護(hù)電動(dòng)機(jī)并發(fā)出報(bào)警，在數(shù)碼管上顯示。 遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 XXI 數(shù)碼管顯示電路 圖 310數(shù)碼管顯示電路 . 實(shí)時(shí)顯示狀態(tài) 顯示電路為四位數(shù)碼管，用來顯示實(shí)時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。通過數(shù)碼管上的顯示，我們可以清楚的判斷電 動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速情況。 . 數(shù)碼管顯示分析 在實(shí)際的單片機(jī)系統(tǒng)中，往往需要多位顯示。動(dòng)態(tài)顯示應(yīng)用非常廣泛是一種最常見的多位顯示方法。 用數(shù)碼管顯示測得的數(shù)據(jù)，數(shù)碼管有 8段而每段必需占用一個(gè)單片機(jī)的 IO口，所以一位數(shù)碼管必須占 8個(gè)單片機(jī) IO口，本次設(shè)計(jì)采用 4位數(shù)碼管，則需要 12個(gè)I/O 口，而 89C52 單片機(jī)的 I/O 口只有 32 個(gè)。動(dòng)態(tài)顯示能夠很好的解決數(shù)碼管占用單片機(jī) IO口過多的問題。 所有數(shù)碼管的段選全部連接在一起，如何能顯示不同的內(nèi)容呢？動(dòng)態(tài)顯示的原理是多位數(shù)碼管，交替來進(jìn)行顯示，利用人的視 覺暫留效果使人看到好像有多個(gè)數(shù)碼管同時(shí)顯示。 在編程時(shí)，要用單片機(jī)控制段選和位選，所謂的位選是選中其中一個(gè)數(shù)碼管，然后利用單片機(jī)輸出段碼，需要顯示的數(shù)字就能顯示在這位數(shù)碼管上了，延時(shí)一段遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 XXII 時(shí)間后，再選中另一個(gè)數(shù)碼管，再輸出對(duì)應(yīng)的段碼，高速交替。 在動(dòng)態(tài)顯示程序中，各個(gè)位的延時(shí)時(shí)間長短是非常重要的，如果延時(shí)時(shí)間長，則會(huì)出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象；如果延時(shí)時(shí)間太短，則會(huì)出現(xiàn)顯示發(fā)暗且有重影。 靜態(tài)驅(qū)動(dòng)就是給單獨(dú)每一個(gè) LED供電。這樣每個(gè) LED都有足夠的電流，亮度也相應(yīng)的比較高。 動(dòng)態(tài)掃描驅(qū)動(dòng)就是把本來供給一個(gè) LED 燈的電 流，同時(shí)分給了 N 個(gè)燈，所以它的亮度會(huì)有所降低。當(dāng)然在同時(shí)供給兩個(gè) led 燈電流時(shí)不是平均的分配電流，而是led 間掃描期間電流不斷地交替，掃描的頻率依據(jù)單片機(jī)的速度決定，也就是說各位的數(shù)碼管上的電流在掃描頻率內(nèi)是供個(gè)其中一個(gè) led，在下一個(gè)掃描頻率內(nèi)是供給了另一個(gè) led。 由上面的分析可以得到限流電阻 R的值 1LEDLEDUUR IN??? 若我們想讓這個(gè) 4 位數(shù)碼管的每段工作時(shí)的電流為 為正常工作時(shí)的電壓取 。則我們可以得出限流電阻的取值為 5 1 . 7 1 = 1 0 3 . 1 2 5 1 0 00 . 0 0 8 4R ?? ? ? ? 所以我們選取 100 歐的限流電阻。這樣每個(gè) LED 工作時(shí)的電流約為 證 LED能亮的同時(shí)不會(huì)被燒壞。 根據(jù)上面的計(jì)算可得每位數(shù)碼的電流為 64mA,8550 的集電極電流最大可達(dá) ，完全滿足設(shè)計(jì)要求。由于單片機(jī)最大的拉電流一般約為 25mA,所以必須串一個(gè) 1K 的限流電阻，此處的三極管相當(dāng)于開關(guān)作用，控制各位數(shù)碼管的開關(guān)。 按鍵共 5個(gè)，當(dāng)按鍵未按時(shí)，單片機(jī)接收到的是高電平，當(dāng)按鍵按下時(shí)連接單片機(jī)的引腳電平被拉低，單片機(jī)通過判斷引腳電平的變化來確定有無 按鍵按下。由于是機(jī)械按鍵，所以會(huì)有機(jī)械抖動(dòng)問題，導(dǎo)致在按一下時(shí)，會(huì)引起單片機(jī)多次的誤觸發(fā)，所以我們?cè)诔绦蛑斜仨氁右欢ǖ难訒r(shí)來去掉抖動(dòng)。 遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 XXIII 圖 311按鍵電路 按鍵 1是速度加，按鍵 2是速度減，按鍵 3是正反轉(zhuǎn)切換，按鍵 4是電機(jī)停止。 遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 XXIV 4 軟件設(shè)計(jì) PWM實(shí)現(xiàn)方式方案論證 方案一：軟件延時(shí) 基本思想：首先預(yù)設(shè)占空比值 D，再根據(jù)周期 T分別給輸出端口置高電平 M個(gè)單位時(shí)間 0t ，即 10M=t /t 。然后，在給輸出端口置低電平 M— 個(gè)單位時(shí)間，即 20t /tM?— 。通過改變 M和 M— 的值，就可實(shí)現(xiàn)改變占空比，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)單片機(jī)調(diào)速 [23]。軟件延時(shí)雖然理論上實(shí)現(xiàn)起來較容易，但占用系統(tǒng)資源過多，使用不方便。 方案二：定時(shí)計(jì)數(shù) 基本思想：利用單片機(jī)定時(shí)器 0中斷方式產(chǎn)生 PWM脈沖，當(dāng)定時(shí)器計(jì)數(shù)到設(shè)定時(shí)間后輸出端口實(shí)現(xiàn)高低電平轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn) PWM 輸出。此方案占用單片機(jī)資源比較少，使用較 為簡單。 綜合兩個(gè)方案，本設(shè)計(jì)采用方案二。 系統(tǒng)程序?yàn)橐粋€(gè)主程序（包括若干功能模塊），中斷子程序，以及若干個(gè)子程序