【文章內容簡介】 行譯碼，然后發(fā)出各種控制信號，完成一系列定時控制的微操作，用來控制單片機各部分的運行。其中有一些控制信號線能簡化應用系統(tǒng)外圍控制邏輯，如控制地址鎖存的地址鎖存信號 ALE，控制片外程序存儲器運行的片內外存儲器選擇信號 EA，以及片外取指信號PSEN。 8051 在物理上有 3 個存儲器空間 ： 1)片內數(shù)據(jù)存儲器 RAM 。 2)片外 數(shù)據(jù)存儲器RAM 。 3)程序存儲器 ROM 。 程序存儲器 ROM 地址空間為 64kB，片外數(shù)據(jù)存儲器 RAM 也有 64kB 的尋址區(qū)，在地址上是與 ROM 重疊 的。 8051 單片機通過不同信號來選通 ROM 或 RAM。當從外部 ROM 中取指令時，采用選通信號 PSEN，而從外部 RAM 中讀寫數(shù)據(jù)時則采用讀RD 和寫 WR 信號或來選通，因此不會因地址 重疊 而發(fā)生混亂。 片內數(shù)據(jù)存儲器 RAM： 片內 RAM 有 256 個字節(jié)，其中 00H～ 7FH 地址空間是直接尋址區(qū)，該區(qū)域內從 00H～ 1FH 地址為工作寄存器區(qū)，安排了 4 組工作寄存器，每組都為 R0～ R7，在某一時刻， CPU 只能使用其中任意一組工作寄存器，由程序狀態(tài)字 PSW 中 RS0 和 RS1 的狀態(tài)決定。片內 RAM 的 20H～ 2FH 地址單元為位尋址區(qū)，其中每個字節(jié)的每一位都規(guī)定了位地址。每個地址單元除了可進行字節(jié)操作之外，還可進行位操作。片內 RAM 的 80H～ FFH 地址空間是特殊功能寄存器 SFR 區(qū)，對于51 子系列在該區(qū)域內安排了 21 個特殊功能寄存器，對于 52 子系列則在該區(qū)域內安排了 26 個特殊功能寄器，同時擴展了 128 個字節(jié)的間接尋址片內 RAM，地址也為 80～FFH，與 SFR 區(qū)地址 重疊 。 片外數(shù)據(jù)存儲器 RAM： 當片 內 RAM 不能滿足數(shù)量上的要求時，可通過總線端口和其他 I/O 口擴展外部 RAM，其最大容量可達 64KB 字節(jié)。在片內數(shù)據(jù)存儲器中，數(shù)據(jù)區(qū)和擴展的 I/O 口是統(tǒng)一編址的，使用的指令也完全相同，因此，用戶在應用系統(tǒng)設計時，必須合理地進行外部 RAM 和 I/O 端口的地址分配，并保證譯碼的唯一性。 程序存儲器 ROM： 程序存儲器 ROM 包括片內 ROM 和片外 ROM 兩個部分。主要用來存放編好的用戶程序和表格常數(shù)，它以 16 位的程序計數(shù)器 PC 作為地址指針，尋址空間為 64KB。當 EA 接高電平時，單片機從片內 ROM 的 4kB 字節(jié)存儲器區(qū)取指令， 當指令地址超過 0FFFH 后，自動地轉向片外 ROM 取指令。當 EA 接低電平時，所有的取指操作均對片外程序存儲器進行 。 基于單片機的直流電機調速 系統(tǒng)的 設計 10 8051 單片機的片外總線結構 及并行 I/O 口 總線是多個系統(tǒng)部件之間進行信息傳送的公共通路。 一個單處理器系統(tǒng)中的總線，按其所處位置的不同，大致可分為三類： 內總線 是 指同一部件如 CPU 內部連接各寄存器及運算部件之間的總線。 系統(tǒng)總線 是 指同一臺計算機系統(tǒng)內部各部件之間進行通信的總線 。 根據(jù)總線所完成的功能的不同，總線可分為地址總線，數(shù)據(jù)總線和控制總線 。 外部存儲器 與單片機的連接如圖 27 所示 。 （ 1）地址總線（ AB）： 用來傳輸主存的單元地址碼、外部設備的設備碼或地址碼 。 地址總線寬度為 16 位，由 P0 口經(jīng)地址鎖存器提供低 8 位地址（ A0 ～ A7）；P2 口直接提供高 8 位地址（ A8～ A15）。地址信號是由 CPU 發(fā)出 的，故地址總線是單方向的。 （ 2）數(shù)據(jù)總線（ DB）： 用來在總線上的兩個部件之間傳送數(shù)據(jù) 。 數(shù)據(jù)總線寬度為 8 位，用于傳送數(shù)據(jù)和指令，由 P0 口提供。 （ 3）控制總線（ CB）： 用來傳輸全機的控制信號 。 控制總線隨時掌握各種部件的狀態(tài)，并根據(jù)需要向有關部件發(fā)出命令，主要有 PSEN、 WR、 RD 信號 。 圖 27 8051與外部存儲器連接 圖 8051 單片機有 4 個并行 I/O 口，稱為 P0、 P P2 和 P3，每個端口都有 8 根引腳，它們都是雙向通道，每一條 I/O 引腳都能獨立地用做輸入或輸出，作為輸出時數(shù)據(jù)可以鎖存，作為輸入時數(shù)據(jù)可以緩沖。 P0、 P P2 和 P3 這 4 個 I/O 口的結構不盡相同，因此它們的功能和用途也不相同。 P0 口為三態(tài)雙向口，可驅動 8 個 TTL 電路， P基于單片機的直流電機調速 系統(tǒng)的 設計 11 P P3 口為準雙向口（作為輸入時，需要先向口鎖存器寫入 1， 故稱為準雙向口），其負載能力為 4 個 TTL 電路 。 P0 口 （ ～ ） 是三態(tài)雙向 I/O 口，可作為通用 I/O 口使用，也可以作為系統(tǒng)擴展時的低 8 位地址 /8 位數(shù)據(jù)總線使用。當單片機系統(tǒng)需要擴展片外存儲器或者需要擴展具有數(shù)據(jù) /地址線的芯片時， P0 口只能作為低 8 位地址 /8 位數(shù)據(jù)總線使用，不能再作通用 I/O 口使用。 其結構圖分別如圖 28 所示。 圖 28 P0口的結構圖 P1 口 （ ～ ） 是一個準雙向 I/O 口，它只能作為通用 I/O 口使用，沒有第二功能。其內部已接有上拉電阻，因此 P1 口在作為通用輸出口使用時，不需要再外接上拉電阻。當 P1 口作為輸入口使用時，需要向 P1 口鎖存器先寫入 “ 1” ， 然后讀取P1 口的輸入信號。其結構如圖 29 所示。 圖 29 P1口的結構圖 P2（ ～ ） 口是一個準雙向 I/O 口， P2 口作為通用 I/O 口使用時，不需要再外接上拉電阻；當 P2 口作為輸入口使用時，需要向 P2 口鎖存器先寫入 “ 1” ，然后基于單片機的直流電機調速 系統(tǒng)的 設計 12 再讀取 P2 口的輸入信號。當系統(tǒng)有擴展片外存儲器或擴展具有數(shù)據(jù) /地址線的芯片時，P2 口作為地址高 8 位信號線，此時 P2 口只能作為地址線使用，而不能作其它使用。其結構如圖 210 所示。 圖 210 P2口的結構圖 P3 口（ ～ ） 為內部帶上拉電阻的 8 位 準雙向 I/O 口， P3 口除了作為一般的 I/O 口使用之外，每個引腳都具有第二功能。 P3 端口和 Pl端口的結構相似，區(qū)別僅在于P3 端口的各端口線有兩種功能選擇。當處于第一功能時，第二輸出功能線為 1，此時，內部總線信號經(jīng)鎖存器和場效應管輸入 /輸出，其作用與 P1 端口作用相同，也是靜態(tài)準雙向 I/O 端口。當處于第二功能時，鎖存器輸出 1，通過第二輸出功能線輸出特定的內含信號，在輸入方面，即可以通過緩沖器讀入引腳信號，還可以通過替代輸入功能讀入片內的特定第二功能信號。由于輸出信號鎖存并且有雙重功能，故 P3 端口為靜態(tài)雙功能端口 [2]。 其結構如圖 211 所示。 圖 211 P3口的結構圖 基于單片機的直流電機調速 系統(tǒng)的 設計 13 第 三 章 系統(tǒng)硬件電路設 計 總體 方案設計 本文采用 51 單片機為控制核心，配以 44 鍵盤和 4 位數(shù)碼管顯示 ， 通過 D/A 轉換電路對驅動電路進行電壓采集和速度采集 ， 并實現(xiàn)過壓保護和速度顯示。 51 單片機的最大優(yōu)點表現(xiàn)在引腳少、功能強、可直接帶 LED 負載；具有低耗能工作方式，較簡便地實現(xiàn)掉電保護；外圍配置簡單提高了整機的可靠性；并且具有較強的抗干擾性。極大地提高了抵御外界的電磁干擾和本機控制電路的電磁干擾的能力。由于受單片機 I/O 口的限制。通過增加 外圍硬件來實 現(xiàn)動態(tài)顯示段位、設定時間、設定轉速和測量的實際轉速。 系統(tǒng)工作原理 圖如 圖 31 所示 。 給定 輸出 — 圖 31 系統(tǒng) 工作原理 圖 由 圖 31 可知 ， 如果電機始終接通電源時 ， 電機轉速最大為 maxV ， 占空比為TtD /1? ； 則電機的平均速度為 ： DVVD ?? max ， 可見只要改變占空比 D， 就可以得到不同的電機速度 ， 從而達到調速的目的 ， 嚴格地講 ， 平均速度與占空比 D 并不是嚴格的線性關系 ， 在一般的應用中 ， 可將其近似看成線性關系 [3]， 如圖 32 所示。 圖 32 電樞電壓占空比和平均電壓的關系圖 單片機 PWM控制 直流 電機 轉速測量 及變送 A/D 轉換 D/A 轉換 LED 顯示 基于單片機的直流電機調速 系統(tǒng)的 設計 14 直流電機 的工作 原理 和 調速 方法 直流發(fā)電機的工作原理就是把電樞線圈中感應的交變電動勢，靠換向器配合電刷的換向作用，使之從電刷端引出時變?yōu)橹绷麟妱觿莸脑?。感應電動勢的方向按右手定則確定（磁感線指向手心 ，大拇 指指向導體運動方向，其他四指的指向就是導體中感應電動勢的方向 ） 。 導體受力的方向用左手定則確定。這一對電磁力形成了作用于電樞一個力矩，這個力矩在旋轉電機里稱為電磁轉矩，轉矩的方向是逆時針方向，企圖使電樞逆時針方向轉動。如果此電磁轉矩能夠克服電樞上的阻轉矩（例如由摩擦引起的阻轉矩以及其它負載轉矩），電樞就能按逆時針方向旋轉起來。 由 圖 33 所示 ， 電樞電壓為 aU ， 電樞電流為 aI ， 電樞回路總電阻為 aR ， 電機常數(shù) aC ， 勵磁磁通量是 ? 。那么根據(jù)KLV 方程 : 電機轉速 ???aaaaC RIUn ， 其中 ， 對于極對數(shù)為 P ， 匝數(shù)為 N ， 電樞支路數(shù)為 a 的電機來說 :電機常數(shù) apNCa 60?， 意味著電機確定后 ， 該值是不變的。而在aaa RIU ? 中 ， 由于 aR 僅為繞組電阻 ， 導致 aaRI 非常小 ， 所以 aaa RIU ? ? aU 。由此可見我們改變電樞電壓時 ， 轉速 n 即可隨之改變 [4]。 圖 33 直流電機原理圖 直流電動機的定子通常有 勵磁繞阻，當勵磁繞阻通以直流電流時產(chǎn)生磁場。轉子又稱電樞，它的作用是產(chǎn)生電磁轉矩和電勢，實現(xiàn)機電能量的變換。當電樞旋轉時，電樞繞阻中將產(chǎn)生交變感應電動勢，通過換向器的作用，流經(jīng)電機電刷上的電流為直流電，忽略電感時，電樞電流 dI 為 ddd UEI R?? (31) 基于單片機的直流電機調速 系統(tǒng)的 設計 15 式中 : dU — 電樞電壓 (V ) dE — 電樞反電勢 (V ) R — 電樞回路電阻 （ ? ） 直流他勵電動機的機械特性方程為 ： 11 ()d dde e eU Rn T U I RC C C C? ? ? ?? ? ? ? (32) 式中 : dU — 電樞電壓 )(V n — 電動機轉速 min)/(r ? — 電動機磁通 )(bW R — 電樞回路電阻 )(? T — 電動機的轉矩 )( mN? eC — 電動機的電勢系數(shù) 1C — 電動機的轉矩系數(shù) 連續(xù)改變電樞供電電壓 aU ，可以使直流電動機在很寬范圍內實現(xiàn)無級調速。例如在機組供電調速系統(tǒng)中，只要改變發(fā)電機的勵磁電流場，便可改變發(fā)電機的輸出電壓 dU ，從而改變電動機的轉速 n 。在不同 的電樞電壓下，其機械特性都是一條直線，因此，當連續(xù)改變電樞電壓 時，其機械特性便是一簇完全平行的直線。由于電動機既可以 工作在電動機狀態(tài)，也可以工作在發(fā)電機狀態(tài)，所以改變發(fā)電機勵磁電流方向，就可以使系統(tǒng)很方便地工作在任意四個象限。采用晶閘管供電的直流調速系統(tǒng)，其特性方程式為 : ddeU I Rn K?? (33) 式中 : eK — 當磁通恒定時電動機的電勢常數(shù)， ?? ee CK dU — 理想空載整流電壓 )(V 基于單片機的直流電機調速 系統(tǒng)的 設計 16 dI — 整流電流的平均值 )(A R — 電樞回路總的等效電阻 )(? 但是當延遲角 ? 很大，而且負載電流很小時，電流斷續(xù)作用顯著，如果此時仍采用上述近似處理，其誤差就很大，這時可以近似地采用兩段直線來描述。把斷續(xù)區(qū)的曲線近似地用一條具有很大等效電阻 39。R 的直線來 代替。此直線與橫軸的交角為 ? ， 則?tan39。 eKR ? 變電樞電壓調速是可調速直流傳動系統(tǒng)應用最廣泛的一種調速方法 。在這種調速方法中，由于電動機在任何轉速下磁通和等效電阻都不變，只是改變電動機的供電電壓，因而在額定電流下，如果不考慮低速通風惡化的影響 (也就是說假定電動機是強迫通風或為封閉的自冷式 )，則不論在高速還是低速下，電動機都能輸出額定轉矩，故稱這種調速方法為恒定轉矩調速，這是它的一個極為重要的特點。如果采用反饋控制系統(tǒng)，調速范圍可 達 50:1～ 150:1，甚至更 大 [5]。 調壓調速法具有平滑度高、能耗少、精度高等優(yōu)點 ， 在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用 ， 其中 PWM 應用更為廣泛。脈寬調速利用一個固定的頻率來控制電源的接通或斷開 ， 并通過改變一個周期內“接通”和“斷開”時間的長短 ， 即改變直流電機電樞