【正文】 41 緒 論1. 1 課題的名稱、課題背景本課題名稱為“運動控制的智能模擬負(fù)載” 。本智能模擬負(fù)載，是針對自動化專業(yè)運動控制系統(tǒng)實驗中對負(fù)載對象及其變化規(guī)律要求而設(shè)計的。 本設(shè)計的中心即設(shè)計一個含有特定功能的典型單片機系統(tǒng)。它允許將主回路中的 2 根發(fā)電機電樞直流輸出電源線在傳輸途中任意極性連接，容忍了的反接差錯，使電路中的接線在使用時大為方便并具有安全保證。 *本系統(tǒng)在工作、參數(shù)設(shè)定的兩種模式下實現(xiàn)三鍵輸入（復(fù)用） 。 *典型的 MCS51 系列單片機系統(tǒng)。AT89C51 是一種帶有 4KB Flash 可編程、電可擦除只讀存儲器（E 2PROM）的低壓、高性能 8 位 CMOS微型計算機?；谝陨咸攸c，在需要 I/O 線不多的控制場合，選用它作為核心控制芯片，可使電路極大的簡化，而且程序的編寫及固化也相當(dāng)方便、靈活。RS485 接口芯片已廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、儀器、儀表、多媒體網(wǎng)絡(luò)、機電一體化產(chǎn)品等眾多領(lǐng)域。在這里，我將采用型號為 SN75LBC176，它的標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動節(jié)點數(shù)為 32，采用半雙工通訊。X5045 的片內(nèi)存儲器容量為 4K bit（或512 字節(jié)） 。隨著計算機進入控制領(lǐng)域，以及新型的電力電子功率元器件的不斷出現(xiàn)，使采用全控型的開關(guān)功率元件進行脈寬調(diào)制（Pulse width modulation,簡稱 PWM）控制方式已成為絕對主流。以下簡單介紹利用單片機和脈寬調(diào)制控制技術(shù)對電動機進行調(diào)速控制的實例。按照發(fā)出不同的控制命令，使二維步進電機分別作正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)，快轉(zhuǎn)，慢轉(zhuǎn)和停止等動作，還可自成系統(tǒng)自動運行。接口電路實現(xiàn)上位機串行口信號與單片機信號之間的轉(zhuǎn)換，以實現(xiàn)工業(yè)控制計算機與單片機的正常通信。在脫離工業(yè)控制計算機的控制時，還要保證系統(tǒng)能按一定程序自動運行。該系統(tǒng)對以單片機 AT89C51 為主的控制系統(tǒng)進行了硬件設(shè)計，并在此設(shè)計的基礎(chǔ)上給出相應(yīng)的原理圖和硬件開發(fā)板。硬件設(shè)計主要解決的是設(shè)計一個典型的單片機系統(tǒng)，它主要包含：主回路，負(fù)載回路，無極性輸入等。在本章中將介紹與本論題相關(guān)的發(fā)展?fàn)顩r和國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，提出本課題所研究的主要工作，并簡單介紹了論文的安排。本章將針對 ATMEL 公司的 AT89C51 單片機的結(jié)構(gòu)進行原理和應(yīng)用的介紹。在本章中，將系統(tǒng)的介紹系統(tǒng)工作模式、參數(shù)設(shè)定三鍵輸入（復(fù)用） ，SPI 串行總線的 E2PROM 系統(tǒng)參數(shù)存儲（采用X5045） ，RS—485 標(biāo)準(zhǔn)通訊口（采用 SN75LBC176） ，常規(guī)可靠性接地技術(shù)（硬件狗）的主要功能和特點。此章節(jié)對電路的顯示部分作了介紹，包括顯示驅(qū)動芯片的選擇，典型參數(shù)的計算（電阻、開關(guān)頻率、速率、 耐壓等） 。本章節(jié)根據(jù)運動控制系統(tǒng)中不同負(fù)載對象的特點及變化規(guī)律，設(shè)定具體參數(shù)并計算確定電路負(fù)載元件的大小和型號。單片機的應(yīng)用有利于產(chǎn)品的小型化、多功能化和智能化，有利于提高勞動效率等。通過在單塊芯片上組合通用的 CPU 和 Flash 存儲器，使 AT89C51 成為一種功能很強的微型計算機?；谝陨咸攸c，在需要 I/O 線不多的控制場合，選用它作為核心控制芯片，可使電路極大的簡化，而且程序的編寫及固化也相當(dāng)方便、靈活。具有四種工作模式的全雙工串行口全靜態(tài)工作：0Hz ～24Hz，33Hz32 條可編程 I/O 線5 個中斷源/2 個中斷優(yōu)先級片內(nèi)時鐘振蕩器供電電壓（～ V）作為輸出口用時，每位驅(qū)動八個 TTL 輸入（吸收電流方式） 。在訪問外部RAM 和 ROM 時，是分時多路轉(zhuǎn)換的地址（低 8 位）/數(shù)據(jù)總線。在 Flash 編程時，P0 口接受指令字節(jié)；在校驗程序時，輸出指令字節(jié)。2. P1（P10～P17）：是一個帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口。對端口寫 1 時，通過內(nèi)部上拉電阻把其拉到高電位，可作輸入口。3. P2（P10～P27）：是一個帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口。對端口寫 1 時，通過內(nèi)部上拉電阻把其拉到高電位，可作輸入口。在訪問 8 為地址的外部數(shù)據(jù)存儲器時，P2 口引腳上的內(nèi)容（即 SFR 區(qū)中 的內(nèi)容）在整個訪問期間不變。4. P3（P30～P37）：是一個帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口。對端口寫 1 時，通過內(nèi)部上拉電阻把其拉到西 安 工 業(yè) 學(xué) 院 畢 業(yè) 論 文 9高電位，可作輸入口。在對 Flash 編程和程序校驗時，還接收一些控制信號。即使不訪問外部存儲器，ALE 端仍以不變的頻率（振蕩器頻率的 1/6）周期性出現(xiàn)正脈沖信號。注意：每訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個 ALE 脈沖。：程序存儲允許（ ）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號。但在此期間內(nèi)，每訪問外部程序存儲器時，這兩次有效的 信號將不出現(xiàn)。要使 CPU 只訪問外部程序存儲器（0000H～FFFFH） ，則端必須保持低電平（接 GND） 。 本模擬負(fù)載對單片機型號的選取本系統(tǒng)要實現(xiàn)以下功能：*本系統(tǒng)在工作、參數(shù)設(shè)定的兩種模式下實現(xiàn)三鍵輸入（復(fù)用） 。在這里，需從單片機引出三個 I/O 口。RS485 接口在不同的使用場合，對芯片的要求也不同。這一部分，將使用單片機的 TXD、RXD 和一個 I/O 口。這部分占用一個 I/O 口。由于采用的是SPI 總線類型，故至少有 SI、SCK、SO 三根線與單片機的 I/O 口相連，還有寫保護和位選端的連接。這種方案將用到單片機的 12 位 I/O 口（8個段選、4 個位選） 。 在工作模式下，三個鍵起開關(guān)、顯示轉(zhuǎn)換、照明等功用；在參數(shù)設(shè)定模式下，利用按鍵設(shè)定電流值的大小，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。 具體實現(xiàn)要靠軟件編程?？删幊炭撮T狗定時器（可設(shè)定看門狗定時器，典型時間為 200ms、600ms、 或禁止） ；西 安 工 業(yè) 學(xué) 院 畢 業(yè) 論 文 12SPI 接口方式，最高可達 1MHz 串行時鐘頻率；防止偶然性寫保護（包括上電掉電保護電路、寫使能鎖存器、寫保護引腳） ；所有引腳 ESD 防靜電保護可達 200V； X5045 在系統(tǒng)控制中與單片機的接口 系統(tǒng)控制器中 X5045 與單片機 AT89C51 硬件接口如圖所示：X5045 與 AT89C51 硬件接口 X5045 有 5128 串行 E2PROM，通過 X5045 的 、SCK、SI、SO 等引腳控制對X5045 的讀寫。設(shè)置修改確認(rèn)的參數(shù)，先放在AT89C51 的 RAM 中，一項一項設(shè)置后，單片機將引腳 （X5045 的 ）置低、( )電平置高并向 X5045 發(fā)出 WERN 指令,置位寫使能鎖存器 ,然后將存放在AT89C51 的 RAM 中設(shè)置修改確認(rèn)的幾項參數(shù)寫入 X5045 的 3 個區(qū)域。之后單片機向X5045 發(fā)出 WRDI 指令以禁止寫操作，并使 為低(從硬件上禁止寫操作)。在 8 位數(shù)據(jù)被發(fā)送之后， 必須為高電平。X5045 提供了多種數(shù)據(jù)保護功能，初在軟件中設(shè)置寫保護外（單片機向 X5045 發(fā)出 WRDI 指令） ，接口電路中還將 下拉（置低） ，僅在寫操作前將 引腳電平置高。X5045 集 E2PROM、可編程看門狗定時器、低 Vcc 復(fù)位加上電復(fù)位 3 項功能為一體。 RS—485 標(biāo)準(zhǔn)通訊口 串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)串行通信接口是指設(shè)備之間的接口。串行擴展接口是設(shè)備內(nèi)部器件之間的互接接口。但是 RS—232 的關(guān)鍵之處是一種基于單端非對稱電路的接口，即一根信號線與一根地線，這種結(jié)構(gòu)對共模信號沒有抑制能力，它與差模信號疊加在一起，在傳輸電西 安 工 業(yè) 學(xué) 院 畢 業(yè) 論 文 14纜上產(chǎn)生較大的壓降損耗，壓縮了有用信號的動態(tài)范圍。為了避免這些缺陷，有推出了技術(shù)性能更加先進的 RS—485 標(biāo)準(zhǔn)。RS—485 標(biāo)準(zhǔn)器件的數(shù)據(jù)傳輸速率目前有 32Mb/s，20Mb/s，12 Mb/s，10 Mb/s， Mb/s 和數(shù)百 Kb/s 等規(guī)格。光電耦合器是限制接口通信速率的主要因素。 SN75LBC176 芯片的隔離1 問題的提出在使用 RS—485 總線時，如果簡單地按常規(guī)方式設(shè)計電路，在實際工程中可能有通信數(shù)據(jù)收發(fā)的可靠性問題。針對此種問題，我對 485 總線的硬件采取了具體的改進措施。其中為了實現(xiàn)與單片機系統(tǒng)的隔離，在 AT89C51 的異步通信口與 SN75LBC176 之間采用光電耦合器隔離。限制通信波特率提高的“瓶頸” ，并不是現(xiàn)場的導(dǎo)線，而是在與單片機系統(tǒng)進行信號隔離的光電耦合電路上?？梢詢?yōu)化普通光電耦合電路參數(shù)的設(shè)計，使之能工作在最佳狀態(tài)。 西 安 工 業(yè) 學(xué) 院 畢 業(yè) 論 文 16常用光電耦合器主要參數(shù) 電流傳輸比 CTR 型號 Min(%) VCE(V) IF(mA) 飽和壓降 VCE(V) 工作電流 IF(mA) 開關(guān)時間 （μs） TIL111/114 16 16 5 TIL112/115 10 50 2 TIL116/125/154 20 10 10 10 5 TIL117/126/155 50 10 10 10 5 TIL124/153 10 10 10 10 2 在這里，我采用的是 TIL117，根據(jù)電流傳輸比 CTR=I2/I1，估算出光電耦合器的上拉電阻 R 的值。在本設(shè)計中，使用的是 TIL117 光電耦合器，它的最小電流傳輸比為 50%。假設(shè)光電耦合器導(dǎo)通電流 i1=5mA，那么 R3=(+5V )/i1=（）/≈600Ω∵CTR=50%=i2/i1∴i2=R4=（+）/i2≈()/≈。西 安 工 業(yè) 學(xué) 院 畢 業(yè) 論 文 174 顯示部分系統(tǒng)的硬件設(shè)計 LED 顯示器LED（Light Emitting Diode）是發(fā)光二極管的縮寫。 LED 的選擇器件分類7 段 LED 顯示器由 7 條發(fā)光二極管組成顯示字段，這 7 段發(fā)光管分別稱為a、b、c、d、e 、f、g、 ，還有一個圓形發(fā)光二極管 dp，用以顯示小數(shù)點。LED 顯示器中的發(fā)光二極管共有兩種連接方法：? 共陽極接法把發(fā)光二極管的陽極連在一起構(gòu)成公共陽極。這樣陰極端輸入低電平的段發(fā)光二極管就導(dǎo)通點亮，而輸入高電平的則不點亮。使用時公共陰極接地，這樣陽極端輸入高電平的段發(fā)光二極管就導(dǎo)通點亮，而輸入低電平的則不點亮。因此提供給 LED 顯示器的字型代碼正好一個字節(jié)。LED 顯示的基本原理西 安 工 業(yè) 學(xué) 院 畢 業(yè) 論 文 18用單片機驅(qū)動 LED 數(shù)碼管有很多方法，按顯示方式分，有靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示，按譯碼方式可分為硬件譯碼和軟件譯碼。就是將 N 位共陰極 LED 顯示器的陰極連在一起接地，每一位LED 的 8 位段選線與一個 8 位并行口相連。靜態(tài)顯示是顯示驅(qū)動電路具有輸出鎖存功能，單片機將要顯示的數(shù)據(jù)送出后不再控制 LED，直到下次顯示再送一次新的顯示數(shù)據(jù)。這兩種顯示方式各有利弊：靜態(tài)顯示雖然數(shù)據(jù)顯示穩(wěn)定、所需驅(qū)動電流較小，占用CPU 時間少， 。動態(tài)掃描顯示接口是單片機中應(yīng)用最廣泛的一種顯示方式。所謂動態(tài)顯示就是掃描方式一位一位地輪流點亮LED 顯示器的各個位。只要恰當(dāng)?shù)剡x擇LED 刷新時間（ ≤20ms ） ，會給人一種視覺暫停效應(yīng)，似乎 N 位 LED 都在同時顯示，就不會有閃爍感了。所以，本設(shè)計采用動態(tài)顯示方案。作用在單片機系統(tǒng)中，LED 數(shù)碼管顯示是反映系統(tǒng)輸出和操縱輸入的有效器件。西 安 工 業(yè) 學(xué) 院 畢 業(yè) 論 文 19技術(shù)方案單片機對 LED 數(shù)碼管的驅(qū)動方法可以分為串行和并行兩種，分別適用于不同的使用場合，兩者硬件電路的差別也很大。（2）并行驅(qū)動在一般情況下，單片機使用并行驅(qū)動的方式進行 LED 的顯示。LED 并行驅(qū)動的電路原理圖如下所示： （3）驅(qū)動電路的選擇以上分別介紹了串行和并行的 LED 驅(qū)動電路。 顯示器的驅(qū)動硬件譯碼就是顯示的段碼完全由硬件完成，CPU 只要送出標(biāo)準(zhǔn)的 BCD