【文章內(nèi)容簡介】 白等七彩效果。具有成本低，功耗小，無熱量，耐沖擊，長壽命等優(yōu)點。 液晶顯示液晶顯示的原理是利用液晶的物理特性，通過電壓對其顯示區(qū)域進(jìn)行控制，有電就有顯示，這樣就可以顯示出圖形。具有厚度薄，適用于大規(guī)模集成電路直接驅(qū)動，易于實現(xiàn)全彩顯示的特點。根據(jù)實際需要，本設(shè)計選用 LED 數(shù)碼管顯示。 A/D 轉(zhuǎn)換器的選擇長春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）單片機(jī)只能接收數(shù)字信號，外部模擬量要被單片機(jī)接收，就必須在單片機(jī)和外部模擬量之間加裝 A/D 轉(zhuǎn)換器。A/D 轉(zhuǎn)換器是將模擬電壓或電流轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的器件或裝置，它是一個模擬系統(tǒng)和單片機(jī)之間的接口，它在數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中，得到了廣泛的應(yīng)用。常用的 A/D 轉(zhuǎn)換方式有逐次逼近式和雙斜積分式。前者轉(zhuǎn)換時間短，但抗干擾能力差；后者轉(zhuǎn)換時間長，抗干擾能力強(qiáng)。在信號變化緩慢，現(xiàn)場干擾嚴(yán)重的場合，宜采用后者。由于本設(shè)計信號變化比較快，因此采用逐次逼近型 A/D 轉(zhuǎn)換器。常用的逐次逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換器有 8 位分辨率的 ADC0809,12 位分辨率的 AD574等。A/D 轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)有轉(zhuǎn)換時間、分辨率、線性誤差、量程、對基準(zhǔn)點元的要求等。轉(zhuǎn)換時間：指完成一次模擬量到數(shù)字量轉(zhuǎn)換所需要的時間。分辨率：通常用數(shù)字量的位數(shù) n 來表示，如 8 位，12 位，16 位等。線性誤差：理想轉(zhuǎn)換特性（量化特性）應(yīng)該是線性的，但實際轉(zhuǎn)換特性并非如此，在滿量程輸入范圍內(nèi)，偏離理想轉(zhuǎn)換特性的最大誤差定義為線性誤差。量程：即所能轉(zhuǎn)換的輸入電壓范圍。對基準(zhǔn)電源的要求：基準(zhǔn)電源的精度對整個系統(tǒng)的精度產(chǎn)生很大的影響。綜合以上選擇的原則和要求，本設(shè)計選用 8 位逐次逼近式的 A/D 轉(zhuǎn)換ADC0809。長春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 控制單元電路設(shè)計根據(jù)第 2 章控制器的選擇，本設(shè)計選用 AT89C51 單片機(jī)。 AT89C51 單片機(jī)的概述AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能 CMOS 8 位微處理器，俗稱單片機(jī)。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS51 單片機(jī)的指令集和輸出管腳相兼容。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 AT89C51 是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。如圖 31 所示，為AT89C51 單片機(jī)的實物圖。 圖 31 AT89C51 單片機(jī)實物圖長春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）：（1）與 MCS51 兼容；（2）4K 字節(jié)可編程閃爍存儲器 ；（3）壽命：1000 寫/擦循環(huán)；（4）數(shù)據(jù)保留時間：10 年； （5）全靜態(tài)工作：0Hz24Hz；（6）三級程序存儲器鎖定；（7）256B 的內(nèi)部 RAM；（8）32 位可編程 I/O 接口； （9）兩個 16 位定時器/計數(shù)器；（10）5 個中斷源；（11）可編程串行通道；（12）低功耗的閑置和掉電模式；（13）片內(nèi)振蕩器和時鐘電路；2．AT89C51 共 40 個引腳，管腳電路圖如 32 所示。圖 32 AT89C51 單片機(jī)引腳圖AT89C51 具體管腳說明如下：長春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）VCC：供電電壓。GND：接地。 P0 口：P0 口為一個 8 位漏極開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門電流。當(dāng)P1 口的管腳第一次寫 1 時，被定義為高阻輸入。P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在 FIASH 編程時，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng) FIASH 進(jìn)行校驗時，P0 輸出原碼，此時 P0 外部必須被拉高。 P1 口：P1 口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P1 口緩沖器能接收輸出 4TTL 門電流。P1 口管腳寫入 1 后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1 口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在 FLASH 編程和校驗時，P1 口作為第八位地址接收。 P2 口：P2 口為一個內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P2 口緩沖器可接收，輸出 4 個 TTL 門電流，當(dāng) P2 口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2 口當(dāng)用于外部程序存儲器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行存取時，P2 口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行讀寫時，P2 口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在 FLASH 編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 P3 口：P3 口管腳是 8 個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個 TTL門電流。當(dāng) P3 口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3 口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3口也可作為 AT89C51 的一些特殊功能口，口管腳和備選功能如下所示： RXD（串行輸入口） TXD（串行輸出口） （外部中斷 0）0INT （外部中斷 1）1 T0（記時器 0 外部輸入） T1（記時器 1 外部輸入） （外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） WR （外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）D長春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）P3 口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要保持 RST 腳兩個機(jī)器周期的高電平時間。 ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在 FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個 ALE 脈沖。如想禁止 ALE 的輸出可在 SFR8EH 地址上置 0。此時， ALE只有在執(zhí)行 MOVX，MOVC 指令是 ALE 才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) ALE 禁止，置位無效。 ：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個PSEN機(jī)器周期兩次 有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的 信號PSEN將不出現(xiàn)。/VPP：當(dāng) 保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000HFFFFH） ，A不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式 1 時， 將內(nèi)部鎖定為 RESET；當(dāng)EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在 FLASH 編程期間，此引腳也用于施E加 12V 編程電源（VPP） 。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。 時鐘電路設(shè)計單片機(jī)本身就是一個復(fù)雜的同步時序電路，為了保證單片機(jī)內(nèi)各部件間的同步工作，單片機(jī)內(nèi)部電路產(chǎn)生在唯一的時鐘信號下嚴(yán)格按照時序進(jìn)行工作，這個時鐘信號就是由單片機(jī)的時鐘電路產(chǎn)生的。AT89C51 內(nèi)部有一個高增益方向放大器，用于構(gòu)成振蕩器，但要形成時鐘脈沖，外部還需要附加電路。AT89C51 的時鐘有兩種產(chǎn)生方法：利用芯片內(nèi)部的振蕩器，然后在引腳 XTAL1 和 XTAL2 兩端跨接晶體振蕩器長春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）（簡稱晶振） ，就構(gòu)成了穩(wěn)定的自激振蕩器，發(fā)出的脈沖直接送入內(nèi)部時鐘電路。外接晶振通常為石英晶體振蕩器或陶瓷振蕩器。如圖 33 所示。圖 33 內(nèi)部時鐘方式從單片機(jī)外部直接引入振蕩時鐘脈沖。振蕩時鐘脈沖從 AT89C51 的 XTAL1 輸入，XTAL2 懸空。如圖 34 所示。本設(shè)計采用內(nèi)部時鐘方式。圖 34 外部時鐘方式 復(fù)位電路設(shè)計復(fù)位用于啟動或者重新啟動單片機(jī)，當(dāng)單片機(jī)上電時需要將單片機(jī)復(fù)位；或長春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）者當(dāng)單片機(jī)處于未知狀態(tài)，比如程序“跑飛”或進(jìn)入死循環(huán)，也需要強(qiáng)行將單片機(jī)復(fù)位使程序從頭開始重新執(zhí)行。單片機(jī)的外部復(fù)位電路有上電自動復(fù)位、按鍵手動復(fù)位、以及外部復(fù)位信號輸入等方式。上電復(fù)位利用電容的充電實現(xiàn)。如圖 35 所示是 AT89C51 單片機(jī)的上電復(fù)位電路。上電瞬間，由于電容兩端電壓不能突變，RST 引腳端為高電平，出現(xiàn)正脈沖，持續(xù)時間取決于 RC 電路的時間常數(shù)。RST 引腳要有超過 2 個時鐘周期的高電平才能保證單片機(jī)有效地復(fù)位。圖 35 上電復(fù)位電路圖 36 是 AT89C51 單片機(jī)的上電加按鍵復(fù)位電路。上電復(fù)位過程同上。當(dāng)單片機(jī)工作過程中需要復(fù)位時，按下復(fù)位按鍵，復(fù)位端 RST 通過電阻與 VCC 電源接通，使 RST 引腳為高電平。復(fù)位按鍵彈起后，RST 端經(jīng)電阻接地，完成復(fù)位工程。長春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）圖 36 按鍵復(fù)位電路為了保證單片機(jī)可靠的復(fù)位，有時需要外接復(fù)位芯片，特別是當(dāng)單片機(jī)處于間歇性工作情況的時候，單片機(jī)需要頻繁的復(fù)位。常用的復(fù)位芯片有 MAX810,復(fù)位電路如圖 37 所示。根據(jù)設(shè)計需要，本設(shè)計選用上電復(fù)位電路。圖 37 外接復(fù)位芯片電路 主電路的設(shè)計一、直流電動機(jī)的 PWM 控制原理：直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速 n 的控制方法可分為兩類，即勵磁控制法與電樞電壓控制法。勵磁控制法控制勵磁通 Φ，其控制功率雖然小，但低速時受到磁極飽和的限制，高速時受到換向火花和換向器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的限制。而且由于勵磁線圈電感較大，動長春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）態(tài)響應(yīng)較差。所以常用的是電樞電壓控制法。Ua=UdIaR，雖然調(diào)節(jié)電阻 R 即可改變端電壓達(dá)到調(diào)速目的，但這種方法效率很低。因此，隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)步，發(fā)展了許多新的電樞電壓控制方法。如：由交流電源供電，使用晶閘管整流器進(jìn)行相控調(diào)壓；使用硅整流器交流電整流成直流電或由蓄電池等直流電源供電，再由 PWM 斬波器進(jìn)行斬波調(diào)壓等。晶閘管相控調(diào)壓或 PWM 斬波器調(diào)壓比串電阻調(diào)壓損耗小，效率高。而斬波調(diào)壓比相控調(diào)壓又有許多優(yōu)點，所以采用斬波調(diào)壓。圖 38 為 PWM 斬波器的原理圖及輸出電壓波形圖：圖 38 PWM 斬波器的原理圖及輸出電壓波形假定晶體管 V1 先導(dǎo)通 T1 秒（忽略 V1 的壓降，這期間電源電壓 Ud 全部加到電樞上） ，按后關(guān)斷 T2 秒（這期間電樞端電壓為零） 。使用下面三種方法中的任何一種，都可以改變 α 的值，從而達(dá)到調(diào)壓的目的。（1）定寬調(diào)頻法：保持 T1 一定，使 T2 變化；（2）調(diào)寬調(diào)頻法：保持 T2 一定，使 T1 變化；（3）變頻調(diào)寬法：保持 T 一定，使 T1 在 0T 范圍內(nèi)變化；不管哪種方法，α 的變化范圍均為 0≤α≤1，因而電樞電壓平均值 Ua 的調(diào)節(jié)范圍為 0Ud，均為正值。即電機(jī)只能在某一方向調(diào)速，稱為不可逆調(diào)速。 二、PWM 變換器的分類：PWM 變換器有不可逆和可逆兩種，可逆變換器又有雙極式、單極式和受限單極式等多種電路。根據(jù)本設(shè)計的要求，本設(shè)計通過軟件實現(xiàn)雙極式、單極式、受限單極式三種控制方式之間的自動切換。這里著重介紹一下這種 PWM 變換器。圖39 繪出了雙極性 H 型可逆 PWM 變換器的電路原理圖及波形圖。雙極性可逆 PWM長春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）變換器優(yōu)點：（1）電流一定連續(xù)；（2）電機(jī)在四象限運行；（3）電機(jī)停止時有微振電流，能消除靜摩擦死區(qū)；（4）低速時，每個晶體管的驅(qū)動脈沖仍較寬，有利于保證晶體管可靠導(dǎo)通；（5）低速平穩(wěn)性好，調(diào)速范圍達(dá) 2022 左右；圖 39 雙極式可逆 PWM 變換器的原理圖及輸出波形在圖 38 中，晶體管 VV4 是同時導(dǎo)通，同時關(guān)斷的，VV3 也是，但VVVV4 不允許同時導(dǎo)通。否則電源 Ud 直通短路。設(shè) VV4 同時導(dǎo)通 T1秒后同時關(guān)斷，間隔一定時間（為避免電源直通短路，該間隔時間稱為死區(qū)時間）之后，再使 VV3 同時導(dǎo)通 T2 秒后同時關(guān)斷，如此反復(fù)，則電樞端電壓波形如圖所示。由于 0≤α≤1，Ua 的范圍是Ud—+Ud，因而電機(jī)可以在正、反兩個方向調(diào)速運轉(zhuǎn)。由于 VV4 截止時，VV3 并不能立即導(dǎo)通，因為在電樞電感釋放儲能的作用下，使 VV3 的 ce 極承受著反壓，所以需加上需流二極管為防止電壓過大，加上過電壓吸收電路。 驅(qū)動電路的設(shè)計長春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）根據(jù)以上原則和電機(jī)型號，選用大功率全控型晶體管 GTR，型號為 IN4398。主要技術(shù)參數(shù)如下： 200 WcmP 30 AI 40 VvcboB 40 Ve 5 Vvbo mAcI 15―60eH 4 MHztF驅(qū)動電路如圖 310 所示。圖 310 驅(qū)動電路 測速電路根據(jù)第 2 章電動機(jī)測速方法的選擇，采用 6N137 光電編碼盤，硬件電路如圖311 所示。長春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）圖 311 速度檢測電路 鍵盤顯示電路根據(jù)第 2 章的選擇，本設(shè)計采用 HD7279。HD7279A 是一片具有串行接口的，可驅(qū)動 8 位共陰式數(shù)碼管