【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 行譯碼，然后發(fā)出各種控制信號(hào)，完成一系列定時(shí)控制的微操作，用來(lái)控制單片機(jī)各部分的運(yùn)行。其中有一些控制信號(hào)線能簡(jiǎn)化應(yīng)用系統(tǒng)外圍控制邏輯，如控制地址鎖存的地址鎖存信號(hào) ALE，控制片外程序存儲(chǔ)器運(yùn)行的片內(nèi)外存儲(chǔ)器選擇信號(hào) EA，以及片外取指信號(hào)PSEN。 8051 在物理上有 3 個(gè)存儲(chǔ)器空間 ： 1)片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 RAM 。 2)片外 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM 。 3)程序存儲(chǔ)器 ROM 。 程序存儲(chǔ)器 ROM 地址空間為 64kB，片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 RAM 也有 64kB 的尋址區(qū)，在地址上是與 ROM 重疊 的。 8051 單片機(jī)通過(guò)不同信號(hào)來(lái)選通 ROM 或 RAM。當(dāng)從外部 ROM 中取指令時(shí)，采用選通信號(hào) PSEN，而從外部 RAM 中讀寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)則采用讀RD 和寫(xiě) WR 信號(hào)或來(lái)選通，因此不會(huì)因地址 重疊 而發(fā)生混亂。 片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 RAM： 片內(nèi) RAM 有 256 個(gè)字節(jié)，其中 00H～ 7FH 地址空間是直接尋址區(qū)，該區(qū)域內(nèi)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(shí)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(nèi) RAM 的 20H～ 2FH 地址單元為位尋址區(qū)，其中每個(gè)字節(jié)的每一位都規(guī)定了位地址。每個(gè)地址單元除了可進(jìn)行字節(jié)操作之外，還可進(jìn)行位操作。片內(nèi) RAM 的 80H～ FFH 地址空間是特殊功能寄存器 SFR 區(qū)，對(duì)于51 子系列在該區(qū)域內(nèi)安排了 21 個(gè)特殊功能寄存器，對(duì)于 52 子系列則在該區(qū)域內(nèi)安排了 26 個(gè)特殊功能寄器，同時(shí)擴(kuò)展了 128 個(gè)字節(jié)的間接尋址片內(nèi) RAM，地址也為 80～FFH，與 SFR 區(qū)地址 重疊 。 片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 RAM： 當(dāng)片 內(nèi) RAM 不能滿足數(shù)量上的要求時(shí)，可通過(guò)總線端口和其他 I/O 口擴(kuò)展外部 RAM，其最大容量可達(dá) 64KB 字節(jié)。在片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，數(shù)據(jù)區(qū)和擴(kuò)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(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，必須合理地進(jìn)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(chǔ)器 ROM： 程序存儲(chǔ)器 ROM 包括片內(nèi) ROM 和片外 ROM 兩個(gè)部分。主要用來(lái)存放編好的用戶程序和表格常數(shù)，它以 16 位的程序計(jì)數(shù)器 PC 作為地址指針，尋址空間為 64KB。當(dāng) EA 接高電平時(shí)，單片機(jī)從片內(nèi) ROM 的 4kB 字節(jié)存儲(chǔ)器區(qū)取指令， 當(dāng)指令地址超過(guò) 0FFFH 后，自動(dòng)地轉(zhuǎn)向片外 ROM 取指令。當(dāng) EA 接低電平時(shí)，所有的取指操作均對(duì)片外程序存儲(chǔ)器進(jìn)行 。 基于單片機(jī)的直流電機(jī)調(diào)速 系統(tǒng)的 設(shè)計(jì) 10 8051 單片機(jī)的片外總線結(jié)構(gòu) 及并行 I/O 口 總線是多個(gè)系統(tǒng)部件之間進(jìn)行信息傳送的公共通路。 一個(gè)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(lèi)： 內(nèi)總線 是 指同一部件如 CPU 內(nèi)部連接各寄存器及運(yùn)算部件之間的總線。 系統(tǒng)總線 是 指同一臺(tái)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部各部件之間進(jìn)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(chǔ)器 與單片機(jī)的連接如圖 27 所示 。 （ 1）地址總線（ AB）： 用來(lái)傳輸主存的單元地址碼、外部設(shè)備的設(shè)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(hào)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(lái)在總線上的兩個(gè)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(lái)傳輸全機(jī)的控制信號(hào) 。 控制總線隨時(shí)掌握各種部件的狀態(tài)，并根據(jù)需要向有關(guān)部件發(fā)出命令，主要有 PSEN、 WR、 RD 信號(hào) 。 圖 27 8051與外部存儲(chǔ)器連接 圖 8051 單片機(jī)有 4 個(gè)并行 I/O 口，稱為 P0、 P P2 和 P3，每個(gè)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(dú)立地用做輸入或輸出，作為輸出時(shí)數(shù)據(jù)可以鎖存，作為輸入時(shí)數(shù)據(jù)可以緩沖。 P0、 P P2 和 P3 這 4 個(gè) I/O 口的結(jié)構(gòu)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(qū)動(dòng) 8 個(gè) TTL 電路， P基于單片機(jī)的直流電機(jī)調(diào)速 系統(tǒng)的 設(shè)計(jì) 11 P P3 口為準(zhǔn)雙向口（作為輸入時(shí)，需要先向口鎖存器寫(xiě)入 1， 故稱為準(zhǔn)雙向口），其負(fù)載能力為 4 個(gè) 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(kuò)展時(shí)的低 8 位地址 /8 位數(shù)據(jù)總線使用。當(dāng)單片機(jī)系統(tǒng)需要擴(kuò)展片外存儲(chǔ)器或者需要擴(kuò)展具有數(shù)據(jù) /地址線的芯片時(shí)， 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(jié)構(gòu)圖分別如圖 28 所示。 圖 28 P0口的結(jié)構(gòu)圖 P1 口 （ ～ ） 是一個(gè)準(zhǔn)雙向 I/O 口，它只能作為通用 I/O 口使用，沒(méi)有第二功能。其內(nèi)部已接有上拉電阻，因此 P1 口在作為通用輸出口使用時(shí)，不需要再外接上拉電阻。當(dāng) P1 口作為輸入口使用時(shí)，需要向 P1 口鎖存器先寫(xiě)入 “ 1” ， 然后讀取P1 口的輸入信號(hào)。其結(jié)構(gòu)如圖 29 所示。 圖 29 P1口的結(jié)構(gòu)圖 P2（ ～ ） 口是一個(gè)準(zhǔn)雙向 I/O 口， P2 口作為通用 I/O 口使用時(shí)，不需要再外接上拉電阻；當(dāng) P2 口作為輸入口使用時(shí)，需要向 P2 口鎖存器先寫(xiě)入 “ 1” ，然后基于單片機(jī)的直流電機(jī)調(diào)速 系統(tǒng)的 設(shè)計(jì) 12 再讀取 P2 口的輸入信號(hào)。當(dāng)系統(tǒng)有擴(kuò)展片外存儲(chǔ)器或擴(kuò)展具有數(shù)據(jù) /地址線的芯片時(shí)，P2 口作為地址高 8 位信號(hào)線，此時(shí) P2 口只能作為地址線使用，而不能作其它使用。其結(jié)構(gòu)如圖 210 所示。 圖 210 P2口的結(jié)構(gòu)圖 P3 口（ ～ ） 為內(nèi)部帶上拉電阻的 8 位 準(zhǔn)雙向 I/O 口， P3 口除了作為一般的 I/O 口使用之外，每個(gè)引腳都具有第二功能。 P3 端口和 Pl端口的結(jié)構(gòu)相似，區(qū)別僅在于P3 端口的各端口線有兩種功能選擇。當(dāng)處于第一功能時(shí)，第二輸出功能線為 1，此時(shí)，內(nèi)部總線信號(hào)經(jīng)鎖存器和場(chǎng)效應(yīng)管輸入 /輸出，其作用與 P1 端口作用相同，也是靜態(tài)準(zhǔn)雙向 I/O 端口。當(dāng)處于第二功能時(shí)，鎖存器輸出 1，通過(guò)第二輸出功能線輸出特定的內(nèi)含信號(hào)，在輸入方面，即可以通過(guò)緩沖器讀入引腳信號(hào)，還可以通過(guò)替代輸入功能讀入片內(nèi)的特定第二功能信號(hào)。由于輸出信號(hào)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(jié)構(gòu)如圖 211 所示。 圖 211 P3口的結(jié)構(gòu)圖 基于單片機(jī)的直流電機(jī)調(diào)速 系統(tǒng)的 設(shè)計(jì) 13 第 三 章 系統(tǒng)硬件電路設(shè) 計(jì) 總體 方案設(shè)計(jì) 本文采用 51 單片機(jī)為控制核心，配以 44 鍵盤(pán)和 4 位數(shù)碼管顯示 ， 通過(guò) D/A 轉(zhuǎn)換電路對(duì)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行電壓采集和速度采集 ， 并實(shí)現(xiàn)過(guò)壓保護(hù)和速度顯示。 51 單片機(jī)的最大優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在引腳少、功能強(qiáng)、可直接帶 LED 負(fù)載；具有低耗能工作方式，較簡(jiǎn)便地實(shí)現(xiàn)掉電保護(hù)；外圍配置簡(jiǎn)單提高了整機(jī)的可靠性；并且具有較強(qiáng)的抗干擾性。極大地提高了抵御外界的電磁干擾和本機(jī)控制電路的電磁干擾的能力。由于受單片機(jī) I/O 口的限制。通過(guò)增加 外圍硬件來(lái)實(shí) 現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示段位、設(shè)定時(shí)間、設(shè)定轉(zhuǎn)速和測(cè)量的實(shí)際轉(zhuǎn)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(jī)始終接通電源時(shí) ， 電機(jī)轉(zhuǎn)速最大為 maxV ， 占空比為T(mén)tD /1? ； 則電機(jī)的平均速度為 ： DVVD ?? max ， 可見(jiàn)只要改變占空比 D， 就可以得到不同的電機(jī)速度 ， 從而達(dá)到調(diào)速的目的 ， 嚴(yán)格地講 ， 平均速度與占空比 D 并不是嚴(yán)格的線性關(guān)系 ， 在一般的應(yīng)用中 ， 可將其近似看成線性關(guān)系 [3]， 如圖 32 所示。 圖 32 電樞電壓占空比和平均電壓的關(guān)系圖 單片機(jī) PWM控制 直流 電機(jī) 轉(zhuǎn)速測(cè)量 及變送 A/D 轉(zhuǎn)換 D/A 轉(zhuǎn)換 LED 顯示 基于單片機(jī)的直流電機(jī)調(diào)速 系統(tǒng)的 設(shè)計(jì) 14 直流電機(jī) 的工作 原理 和 調(diào)速 方法 直流發(fā)電機(jī)的工作原理就是把電樞線圈中感應(yīng)的交變電動(dòng)勢(shì)，靠換向器配合電刷的換向作用，使之從電刷端引出時(shí)變?yōu)橹绷麟妱?dòng)勢(shì)的原理。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向按右手定則確定（磁感線指向手心 ，大拇 指指向?qū)w運(yùn)動(dòng)方向，其他四指的指向就是導(dǎo)體中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向 ） 。 導(dǎo)體受力的方向用左手定則確定。這一對(duì)電磁力形成了作用于電樞一個(gè)力矩，這個(gè)力矩在旋轉(zhuǎn)電機(jī)里稱為電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩的方向是逆時(shí)針?lè)较?，企圖使電樞逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。如果此電磁轉(zhuǎn)矩能夠克服電樞上的阻轉(zhuǎn)矩（例如由摩擦引起的阻轉(zhuǎn)矩以及其它負(fù)載轉(zhuǎn)矩），電樞就能按逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)起來(lái)。 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(jī)常數(shù) aC ， 勵(lì)磁磁通量是 ? 。那么根據(jù)KLV 方程 : 電機(jī)轉(zhuǎn)速 ???aaaaC RIUn ， 其中 ， 對(duì)于極對(duì)數(shù)為 P ， 匝數(shù)為 N ， 電樞支路數(shù)為 a 的電機(jī)來(lái)說(shuō) :電機(jī)常數(shù) apNCa 60?， 意味著電機(jī)確定后 ， 該值是不變的。而在aaa RIU ? 中 ， 由于 aR 僅為繞組電阻 ， 導(dǎo)致 aaRI 非常小 ， 所以 aaa RIU ? ? aU 。由此可見(jiàn)我們改變電樞電壓時(shí) ， 轉(zhuǎn)速 n 即可隨之改變 [4]。 圖 33 直流電機(jī)原理圖 直流電動(dòng)機(jī)的定子通常有 勵(lì)磁繞阻，當(dāng)勵(lì)磁繞阻通以直流電流時(shí)產(chǎn)生磁場(chǎng)。轉(zhuǎn)子又稱電樞，它的作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和電勢(shì)，實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量的變換。當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)，電樞繞阻中將產(chǎn)生交變感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，通過(guò)換向器的作用，流經(jīng)電機(jī)電刷上的電流為直流電，忽略電感時(shí)，電樞電流 dI 為 ddd UEI R?? (31) 基于單片機(jī)的直流電機(jī)調(diào)速 系統(tǒng)的 設(shè)計(jì) 15 式中 : dU — 電樞電壓 (V ) dE — 電樞反電勢(shì) (V ) R — 電樞回路電阻 （ ? ） 直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的機(jī)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 min)/(r ? — 電動(dòng)機(jī)磁通 )(bW R — 電樞回路電阻 )(? T — 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩 )( mN? eC — 電動(dòng)機(jī)的電勢(shì)系數(shù) 1C — 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩系數(shù) 連續(xù)改變電樞供電電壓 aU ，可以使直流電動(dòng)機(jī)在很寬范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。例如在機(jī)組供電調(diào)速系統(tǒng)中，只要改變發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流場(chǎng)，便可改變發(fā)電機(jī)的輸出電壓 dU ，從而改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 n 。在不同 的電樞電壓下，其機(jī)械特性都是一條直線，因此，當(dāng)連續(xù)改變電樞電壓 時(shí)，其機(jī)械特性便是一簇完全平行的直線。由于電動(dòng)機(jī)既可以 工作在電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，也可以工作在發(fā)電機(jī)狀態(tài)，所以改變發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流方向，就可以使系統(tǒng)很方便地工作在任意四個(gè)象限。采用晶閘管供電的直流調(diào)速系統(tǒng)，其特性方程式為 : ddeU I Rn K?? (33) 式中 : eK — 當(dāng)磁通恒定時(shí)電動(dòng)機(jī)的電勢(shì)常數(shù)， ?? ee CK dU — 理想空載整流電壓 )(V 基于單片機(jī)的直流電機(jī)調(diào)速 系統(tǒng)的 設(shè)計(jì) 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(dāng)延遲角 ? 很大，而且負(fù)載電流很小時(shí)，電流斷續(xù)作用顯著，如果此時(shí)仍采用上述近似處理，其誤差就很大，這時(shí)可以近似地采用兩段直線來(lái)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(lái) 代替。此直線與橫軸的交角為 ? ， 則?tan39。 eKR ? 變電樞電壓調(diào)速是可調(diào)速直流傳動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用最廣泛的一種調(diào)速方法 。在這種調(diào)速方法中，由于電動(dòng)機(jī)在任何轉(zhuǎn)速下磁通和等效電阻都不變，只是改變電動(dòng)機(jī)的供電電壓，因而在額定電流下，如果不考慮低速通風(fēng)惡化的影響 (也就是說(shuō)假定電動(dòng)機(jī)是強(qiáng)迫通風(fēng)或?yàn)榉忾]的自冷式 )，則不論在高速還是低速下，電動(dòng)機(jī)都能輸出額定轉(zhuǎn)矩，故稱這種調(diào)速方法為恒定轉(zhuǎn)矩調(diào)速，這是它的一個(gè)極為重要的特點(diǎn)。如果采用反饋控制系統(tǒng)，調(diào)速范圍可 達(dá) 50:1～ 150:1，甚至更 大 [5]。 調(diào)壓調(diào)速法具有平滑度高、能耗少、精度高等優(yōu)點(diǎn) ， 在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用 ， 其中 PWM 應(yīng)用更為廣泛。脈寬調(diào)速利用一個(gè)固定的頻率來(lái)控制電源的接通或斷開(kāi) ， 并通過(guò)改變一個(gè)周期內(nèi)“接通”和“斷開(kāi)”時(shí)間的長(zhǎng)短 ， 即改變直流電機(jī)電樞