【文章內(nèi)容簡介】 80C51 單片機(jī)和一些電容、晶振組成。設(shè)計(jì)輸入部分：這一模塊主要是利用帶中斷的獨(dú)立式鍵盤來實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)控制部分：主要由 80C51 單片機(jī)的外部中斷擴(kuò)展電路組成。設(shè)計(jì)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(jī) PWM 控制實(shí)現(xiàn)部分：主要由一些二極管、電機(jī)和 L298 直流電機(jī)驅(qū)動模塊組成。 基本原理 主體電路：即直流電機(jī) PWM 控制模塊。這部分電路主要由 80C51 單片機(jī)的 I/O端口、定時計(jì)數(shù)器、外部中斷擴(kuò)展等控制直流電機(jī)的加速、減速以及電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，并且可以調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速，還可以方便的讀出電機(jī)轉(zhuǎn)速的大小和了解電機(jī)的轉(zhuǎn)向，能夠很方便的實(shí)現(xiàn)電機(jī)的智能控制。其間，還包括直流電機(jī)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(jī)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(jī)工作的。該直流電機(jī) PWM 控制系統(tǒng)由以下電路模塊組成：設(shè)計(jì)輸入部分：這一模塊主要是利用帶中斷的獨(dú)立式鍵盤來實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)控制部分：主要由 80C51 單片機(jī)的外部中斷擴(kuò)展電路組成。設(shè)計(jì)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(jī) PWM 控制實(shí)現(xiàn)部分：主要由一些二極管、電機(jī)和 L298 直流電機(jī)驅(qū)動 模塊組成。 AT89C2051 單片機(jī)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(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 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(jià)廉的方案。 51 單片機(jī)是對所有兼容Intel 8031 指令系統(tǒng) 的 單片機(jī) 的統(tǒng)稱。該系列 單片機(jī) 的始祖是 Intel 的 8031 單片機(jī)，后來隨著 Flash rom 技術(shù)的發(fā)展， 8031 單片機(jī)取得了長足的進(jìn)展，成為應(yīng)用最廣泛的 8 位單片機(jī)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(jī)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(jī)是基礎(chǔ)入門的一個單片機(jī)，還是應(yīng)用最廣泛的一種。 單片機(jī)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(yùn)算、邏輯運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送、中斷處理等）的微處理器（ CPU）、隨機(jī)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(jì)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(jì)者事先規(guī)定的任務(wù)，這樣的一塊具有一臺計(jì)算機(jī)的屬性，可以構(gòu)成一個最小而完善的的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的電路芯片就稱為單片微型計(jì)算機(jī)，簡稱單片機(jī)。 目前，單片機(jī)正朝 著高性能和多品種方向發(fā)展趨勢將是進(jìn)一步向著 CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）化、低功耗、小體積、大容量、高性能、低價(jià)格和外圍電路內(nèi)裝化等幾個方面發(fā)展。下面是單片機(jī)的主要發(fā)展趨勢。 CMOS 化 CMOS（ Complementary Metal Oxide Semiconductor）電路的特點(diǎn)是低功耗、高密度、低速度、低價(jià)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(jī)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(jī)都有 WAIT、 STOP 等省電運(yùn)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(jī)電源下限已可達(dá) 1~2V。目前 供電的單片機(jī)已經(jīng)問世。 低噪聲與高可靠性 為提高單片機(jī)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(jī)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(jìn)行外接擴(kuò)充。為了適應(yīng)這種領(lǐng)域的要求，運(yùn)用新的工藝，使片內(nèi)存儲器大容量化。目前，單片機(jī)內(nèi) ROM 最大可達(dá) 64KB，RAM 最大為 2KB。 高性能化 主要是指進(jìn)一步改進(jìn) CPU 的性能，加快指令運(yùn)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(yùn)行速度。 小容量、低價(jià)格化 與上述相反，以 4 位、 8 位機(jī)為中心的小容量、低價(jià)格化也是發(fā)展動向之一。這類單片機(jī)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(jī)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(jì)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(jī)和錄像機(jī)用的鎖相電路等。 串行擴(kuò)展技術(shù) 在很長一段時間里，通用型單片機(jī)通過三總線結(jié)構(gòu)擴(kuò)展外圍器件成為單片機(jī)應(yīng)用的主流結(jié)構(gòu)。隨著低價(jià)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(jìn)入片內(nèi)，推動了單片機(jī) “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(jī)的引腳設(shè)計(jì)得更少，單片機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡化及規(guī)范化。 單片機(jī)的特點(diǎn) 單片機(jī)把微型計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)。因此，單片機(jī)具有以下特點(diǎn) : （ 1）較高的性價(jià)比 目前國內(nèi)市場上，有些單片機(jī)的芯片價(jià)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(jī)構(gòu)。 （ 2）集成度好，體積小，可靠性好 單片機(jī)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(jī)的可靠性及其抗干擾能力。 （ 3）控制功能強(qiáng) 單片機(jī)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(jī)引腳圖和引腳功能 (1)51 單片機(jī)引腳圖 圖 21 51 單片機(jī)引腳 （ 2） 51 單片機(jī)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(jī)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(jī)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(shí)這之是萬用表反映沒這么快而已，在某一個瞬間單片機(jī)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(jì)框圖 系統(tǒng)組成：直流電機(jī) PWM 調(diào)速方案如圖 22 所示： 方案說明：直流電機(jī) PWM 調(diào)速系統(tǒng)以 AT89C2051 單片機(jī)為控制核心，由命令輸入模塊、 LCD 顯示模塊及電機(jī)驅(qū)動模塊組成。采用帶中斷的獨(dú)立式鍵盤作為命令的輸入，單片機(jī)在程序控制下，定時不斷給直流電機(jī)驅(qū)動芯片發(fā)送 PWM 波形， H 型驅(qū)動電路完成電機(jī)正，反轉(zhuǎn)控制；同時單片機(jī)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(jì)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。可以顯示字母和數(shù)字，以及簡單的圖像。能滿足本設(shè)計(jì)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(shí)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(jì)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(jì)要求。故，采用 1602 液晶顯示電路作為本設(shè)計(jì)的顯示電路模塊。 （ 2）鍵盤電路選擇與比較 方案 1：獨(dú)立式鍵盤，獨(dú)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(dú)立式鍵盤相比較經(jīng)濟(jì)，占用 IO 端口較少，但編程較獨(dú)立式鍵盤難的多，由于本設(shè)計(jì)要求的鍵盤按鍵數(shù)量較少，采用獨(dú)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(jì)。故在本設(shè)計(jì)中采用獨(dú)立式鍵盤。經(jīng)上述比較后采用獨(dú)立式鍵盤作為本設(shè)計(jì)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(yuǎn)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(jì)，總體電路我們有兩套設(shè)計(jì)方案，部分重要模塊也考慮了其它設(shè)計(jì)方法，經(jīng)過分析，從實(shí)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(jì)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(jìn)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?；魻栟D(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(jī)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(jī)單元電路設(shè)計(jì)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(diǎn)：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?yàn)樗强看判愿袘?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(jī)驅(qū)動 ,可實(shí)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