【文章內(nèi)容簡介】 80C51 單片機和一些電容、晶振組成。設(shè)計輸入部分：這一模塊主要是利用帶中斷的獨立式鍵盤來實現(xiàn)。設(shè)計控制部分：主要由 80C51 單片機的外部中斷擴展電路組成。設(shè)計顯示部分：包括液晶顯示部分和 LED 數(shù)碼顯示部分。液晶顯示部分由 1602LCD 液晶顯示模塊組成 。 LED 數(shù)碼顯示部分由七段數(shù)碼顯示管組成。直流電機 PWM 控制實現(xiàn)部分：主要由一些二極管、電機和 L298 直流電機驅(qū)動模塊組成。 基本原理 主體電路：即直流電機 PWM 控制模塊。這部分電路主要由 80C51 單片機的 I/O端口、定時計數(shù)器、外部中斷擴展等控制直流電機的加速、減速以及電機的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，并且可以調(diào)整電機的轉(zhuǎn)速，還可以方便的讀出電機轉(zhuǎn)速的大小和了解電機的轉(zhuǎn)向，能夠很方便的實現(xiàn)電機的智能控制。其間，還包括直流電機的直接清零、啟動（置數(shù)）、暫停、連續(xù)功能。其間是通過 80C51 單片機產(chǎn)生脈寬可調(diào)的脈沖信號并輸入到 L298 驅(qū)動芯片來控制直流電機工作的。該直流電機 PWM 控制系統(tǒng)由以下電路模塊組成：設(shè)計輸入部分：這一模塊主要是利用帶中斷的獨立式鍵盤來實現(xiàn)。設(shè)計控制部分：主要由 80C51 單片機的外部中斷擴展電路組成。設(shè)計顯示部分：包括液晶顯示部分和 LED 數(shù)碼顯示部分。液晶顯示部分由 1602LCD 液晶顯示模塊組成。直流電機 PWM 控制實現(xiàn)部分：主要由一些二極管、電機和 L298 直流電機驅(qū)動 模塊組成。 AT89C2051 單片機介紹 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 CMOS8 位微處理器，俗稱單片機。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 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。 51 單片機是對所有兼容Intel 8031 指令系統(tǒng) 的 單片機 的統(tǒng)稱。該系列 單片機 的始祖是 Intel 的 8031 單片機，后來隨著 Flash rom 技術(shù)的發(fā)展， 8031 單片機取得了長足的進展，成為應(yīng)用最廣泛的 8 位單片機之一，其代表型號是 ATMEL 公司 的 AT89 系列，它廣泛應(yīng)用于工業(yè)測控系統(tǒng)之中。很多公司都有 51 系列的兼容機型推出，今后很長的一段時間內(nèi)將占有大量市場。 51 單片機是基礎(chǔ)入門的一個單片機，還是應(yīng)用最廣泛的一種。 單片機是一種集成電路芯片，采用超大規(guī)模技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力（算術(shù)運算、邏輯運算、數(shù)據(jù)傳送、中斷處理等）的微處理器（ CPU）、隨機存儲器（ RAM）、只讀存儲器（ ROM）、輸入輸出接口電路（ I/O）、串行通信口（ SCI）、脈寬調(diào)制電路（ PWM）、定時計算器、 A/D 轉(zhuǎn)換器及 D/A 轉(zhuǎn)換器等電路集成到一塊半導(dǎo)體硅片上，這些電路能在軟件的控制下準(zhǔn)確、迅速、高效的完成設(shè)計者事先規(guī)定的任務(wù)，這樣的一塊具有一臺計算機的屬性，可以構(gòu)成一個最小而完善的的計算機系統(tǒng)的電路芯片就稱為單片微型計算機，簡稱單片機。 目前，單片機正朝 著高性能和多品種方向發(fā)展趨勢將是進一步向著 CMOS（互補金屬氧化物半導(dǎo)體）化、低功耗、小體積、大容量、高性能、低價格和外圍電路內(nèi)裝化等幾個方面發(fā)展。下面是單片機的主要發(fā)展趨勢。 CMOS 化 CMOS（ Complementary Metal Oxide Semiconductor）電路的特點是低功耗、高密度、低速度、低價格。采用雙極型半導(dǎo)體工藝的 TTL 電路速度快，但功耗和芯片面積較大。隨著技術(shù)和工藝水平的提高，又出現(xiàn)了 HMOS（高密度、高速度 MOS）和 CHMOS 工藝。 低功耗化 單片機的功耗已從 Ma 級 ，甚至 1uA 以下；使用電壓在 3~6V 之間，完全適應(yīng)電池工作。低功耗化的效應(yīng)不僅是功耗低，而且?guī)砹水a(chǎn)品的高可靠性、高抗干擾能力以及產(chǎn)品的便攜化。 低電壓化 幾乎所有的單片機都有 WAIT、 STOP 等省電運行方式。允許使用的電壓范圍越來越寬，一般在 3~6V 范圍內(nèi)工作。低電壓供電的單片機電源下限已可達 1~2V。目前 供電的單片機已經(jīng)問世。 低噪聲與高可靠性 為提高單片機的抗電磁干擾能力，使產(chǎn)品能適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境，滿足電磁兼容性方面更高標(biāo)準(zhǔn)的要求。 大容量化 以往單片機內(nèi)的 ROM 為 1KB～ 4KB， RAM 為 64～ 128B。但在需要復(fù)雜控制的場合，該存儲容量是不夠的，必須進行外接擴充。為了適應(yīng)這種領(lǐng)域的要求，運用新的工藝，使片內(nèi)存儲器大容量化。目前，單片機內(nèi) ROM 最大可達 64KB，RAM 最大為 2KB。 高性能化 主要是指進一步改進 CPU 的性能，加快指令運算的速度和提高系統(tǒng)控制的可靠性。采用精簡指令集（ RISC）結(jié)構(gòu)和流水線技術(shù)，可以大幅度提高運行速度。 小容量、低價格化 與上述相反，以 4 位、 8 位機為中心的小容量、低價格化也是發(fā)展動向之一。這類單片機的用途是把以往用數(shù)字邏輯集成電路組成的控制電路單 片化，可廣泛用于家電產(chǎn)品。 外圍電路內(nèi)裝化 這也是單片機發(fā)展的主要方向。隨著集成度的不斷提高，有可能把眾多的各種外圍功能器件集成在片內(nèi)。除了一般必須具有的 CPU、 ROM、 RAM、定時器 /計數(shù)器等以外，片內(nèi)集成的部件還有模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器、 DMA 控制器、聲音發(fā)生器、監(jiān)視定時器、液晶顯示驅(qū)動器、彩色電視機和錄像機用的鎖相電路等。 串行擴展技術(shù) 在很長一段時間里，通用型單片機通過三總線結(jié)構(gòu)擴展外圍器件成為單片機應(yīng)用的主流結(jié)構(gòu)。隨著低價位 OTP（ One Time Program）及各種類型片內(nèi)程序存儲器的發(fā)展，加 之外圍接口不斷進入片內(nèi)，推動了單片機 “單片 ”應(yīng)用結(jié)構(gòu)的發(fā)展。特別是 IC、 SPI 等串行總線的引入，可以使單片機的引腳設(shè)計得更少，單片機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡化及規(guī)范化。 單片機的特點 單片機把微型計算機的主要功能都集成在一塊芯片上，即一塊芯片就是一個微型計算機。因此，單片機具有以下特點 : （ 1）較高的性價比 目前國內(nèi)市場上，有些單片機的芯片價格只有幾十元人民幣，再加上很少的外圍器件，就可以構(gòu)成一臺多功能的控制機構(gòu)。 （ 2）集成度好，體積小，可靠性好 單片機把各種功能不見集成在一塊芯片上，內(nèi)部采用總線結(jié)構(gòu)，減少了各芯片之間的連線大大的提高了單片機的可靠性及其抗干擾能力。 （ 3）控制功能強 單片機指令系統(tǒng)、硬件資源豐富，能充分滿足工業(yè)控制的各種要求。 （ 4）低電壓，低功耗。 （ 5）開發(fā)周期短，易于產(chǎn)品化 可根據(jù)需要構(gòu)成各種規(guī)模的應(yīng)用系統(tǒng)。 51 單片機引腳圖和引腳功能 (1)51 單片機引腳圖 圖 21 51 單片機引腳 （ 2） 51 單片機引腳功能 40 個引腳按引腳功能大致可分為 4 個種類：電源、時鐘、控制和 I/O 引腳。 ⒈ 電源 : ⑴ VCC 芯片電源，接 +5V； ⑵ VSS 接地端； 注：用萬用表測試單片機引腳電流一般為 0v或者 5v，這是標(biāo)準(zhǔn)的 TTL 電平，但有時候在單片機程序正在工作時候測試結(jié)果并不是這個值而是介于 0v5v 之間，其實這之是萬用表反映沒這么快而已，在某一個瞬間單片機引腳電流還是保持在 0v或者5v 的。 ⒉ 時鐘 :XTAL XTAL2 晶體振蕩電路反相輸入端和輸出端。 ⒊ 控制線 :控制線共有 4 根， ⑴ ALE/PROG:地址鎖存允許 /片內(nèi) EPROM 編程脈沖 ① ALE 功能：用來鎖存 P0 口送出的低 8 位地址 ② PROG 功能：片內(nèi)有 EPROM 的芯片，在 EPROM 編程期間，此引腳輸入編程脈沖。 ⑵ PSEN:外 ROM 讀選通信號。 ⑶ RST/VPD:復(fù)位 /備用電源。 ① RST（ Reset）功能：復(fù)位信號輸入端。 ② VPD 功能：在 Vcc 掉電情況下，接備用電源。 ⑷ EA/Vpp:內(nèi)外 ROM 選擇 /片內(nèi) EPROM 編程電源。 ① EA 功能：內(nèi)外 ROM 選擇端。 ② Vpp 功能：片內(nèi)有 EPROM 的芯片，在 EPROM 編程期間，施加編程電源 Vpp。 ⒋ I/O 線 80C51 共有 4 個 8 位并行 I/O 端口： P0、 P P P3 口，共 32 個引腳。 P3 口還具有第二功能，用于特殊信號輸入輸出和控制信號（屬控制總線）。 總體設(shè)計框圖 系統(tǒng)組成：直流電機 PWM 調(diào)速方案如圖 22 所示： 方案說明：直流電機 PWM 調(diào)速系統(tǒng)以 AT89C2051 單片機為控制核心，由命令輸入模塊、 LCD 顯示模塊及電機驅(qū)動模塊組成。采用帶中斷的獨立式鍵盤作為命令的輸入，單片機在程序控制下，定時不斷給直流電機驅(qū)動芯片發(fā)送 PWM 波形， H 型驅(qū)動電路完成電機正，反轉(zhuǎn)控制；同時單片機不停的將從鍵盤讀取的數(shù)據(jù)送到 LCD顯示模塊去顯示 圖 22 系統(tǒng)框圖 方案論證與比較 （ 1）顯示電路選擇與比較 方案 1：采用數(shù)碼管顯示電路，該硬件電路簡單，編程也比較簡單。視角范圍大，亮度高，顯示是效果好，但是只能顯示簡單數(shù)字字母等有限的字符，不能滿足本設(shè)計要求。故，不采用數(shù)碼管顯示電路。 方案 2：采用 1602 液晶顯示，硬件電路簡單，編程容易?？梢燥@示字母和數(shù)字，以及簡單的圖像。能滿足本設(shè)計要求，顯示清晰度可以通過調(diào)節(jié)偏壓端電壓來改變對比度，從而實現(xiàn)清晰度調(diào)整。顯示效果較好，還可以滾動顯示等， 顯示靈活。 綜上所述，數(shù)碼管顯示電路不能滿足本設(shè)計的要求； 1602 液晶顯示可以顯示數(shù)字、英文、漢字、圖片等能滿足本設(shè)計要求。故，采用 1602 液晶顯示電路作為本設(shè)計的顯示電路模塊。 （ 2）鍵盤電路選擇與比較 方案 1：獨立式鍵盤，獨立式鍵盤硬件電路極為簡單，程序也非常簡單。容易開發(fā)，開發(fā)周期短，使用方便簡單。 方案 2：矩陣式鍵盤 ，矩陣式鍵盤硬件電路也比較簡單，編程較為復(fù)雜。不容易開發(fā)，在按鍵較多的時候，與獨立式鍵盤相比較經(jīng)濟，占用 IO 端口較少，但編程較獨立式鍵盤難的多，由于本設(shè)計要求的鍵盤按鍵數(shù)量較少，采用獨立式鍵盤較方便，開發(fā)難度大大降低，開發(fā)周期縮短，也比較經(jīng)濟。故在本設(shè)計中采用獨立式鍵盤。經(jīng)上述比較后采用獨立式鍵盤作為本設(shè)計的鍵盤電路模塊。 （ 3）測速電路的選擇與比較 一般要考慮傳感器的結(jié)構(gòu)、安裝以及測速范圍與環(huán)境條件等方面的適用性 。再就是二次儀表的要求 ,除了顯示以外還有控制、通訊和遠傳方面的要求。本說明書中給出兩種轉(zhuǎn)速測量 方案，經(jīng)過查找資料、構(gòu)思和設(shè)計，總體電路我們有兩套設(shè)計方案，部分重要模塊也考慮了其它設(shè)計方法，經(jīng)過分析，從實現(xiàn)難度、熟悉程度、器件用量等方面綜合考慮，我們才最終選擇了一個方案。下面就看一下我們對兩套設(shè)計方案的簡要說明。 方案 1：霍爾傳感器測量方案 霍爾傳感器是利用霍爾效應(yīng)進行工作的，其核心元件是根據(jù)霍爾效應(yīng)原理制成的霍爾元件。本文介紹一種泵驅(qū)動軸的轉(zhuǎn)速采用霍爾轉(zhuǎn)速傳感器測量。霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖如圖 23 所示。 傳感器的定子上有 2 個互相垂直的繞組 A 和 B。 在繞組的中心線上粘有霍爾片 HA 和 HB ,轉(zhuǎn) 子為永久磁鋼霍爾元件 HA 和 HB 的激勵電機分別與繞組 A 和 B 相連它們的霍爾電極 串聯(lián)后作為傳感器的輸出。 第三章直流電機單元電路設(shè)計與分析 圖 23 霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖 霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖 缺點：采用霍爾傳感器在信號采樣的時候，會出現(xiàn)采樣不精確，因為它是靠磁性感應(yīng)采集脈沖的，使用時間長了會出現(xiàn)磁性變小，影響脈沖的采樣精度。 方案 2： 光電傳感器 轉(zhuǎn)子由一直流調(diào)速電機驅(qū)動 ,可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的無級調(diào)速。轉(zhuǎn)速信號由光電傳感器拾取 ,使用時應(yīng)先在轉(zhuǎn)子上做好光電標(biāo)記 ,具體辦法可以是 :將轉(zhuǎn)子表面擦干凈后用黑漆