【正文】 .................. 41 ...................................................................................................... 48 第 1 章 緒論 1 第 1 章 緒 論 課題研究的開(kāi)發(fā)背景 單片機(jī)是一種集成電路芯片。所以說(shuō)，一片單片機(jī)芯片就具有了組成 計(jì)算機(jī)的全部功能。 然而單片機(jī)又不同于單板機(jī)（一種將微處理器芯片、存儲(chǔ)器芯片、輸入輸出接口芯片安裝在同一塊印制電路板上的微型計(jì)算機(jī)），單片機(jī)芯片在沒(méi)有開(kāi)發(fā)前，它只是具備功能極強(qiáng)的超大規(guī)模集成電路，如果對(duì)它進(jìn)行應(yīng)用開(kāi)發(fā)，它便是一個(gè)小型的微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，但它與單板機(jī)或個(gè)人電腦 (PC 機(jī) )有著本質(zhì)的區(qū)別。 不同的單片機(jī)有著不同的硬件特征和軟件特征，即它們的技術(shù)特征均不盡相同，硬件特征取決于單片機(jī)芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，用戶要使用某種單片機(jī)，必須了解該型產(chǎn)品是否滿足需要的功能和應(yīng)用系統(tǒng)所要求的特性指標(biāo)。軟件特征是指指令系統(tǒng)特性和開(kāi)發(fā)支持環(huán)境，指令特性即我們熟悉的單片機(jī)的尋址方式，數(shù)據(jù)處理和邏輯處理方 式，輸入輸出特性及對(duì)電源的要求等等。要利用某型號(hào)單片機(jī)開(kāi)發(fā)自己的第 1 章 緒論 2 應(yīng)用系統(tǒng)，掌握其結(jié)構(gòu)特征和技術(shù)特征是必須的。 誠(chéng)然，單片機(jī)的應(yīng)用意義遠(yuǎn)不限于它的應(yīng)用范疇或由此帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益，更重要的是 它已從根本上改變了傳統(tǒng)的控制方法和設(shè)計(jì)思想。 單片機(jī)廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、醫(yī)用設(shè)備、航空航天、專用設(shè)備的智能化管理及過(guò)程控制等領(lǐng)域，大致可分如下幾個(gè)范疇： 在智能儀器儀表上的應(yīng)用：?jiǎn)纹瑱C(jī)具有體積小、功耗低、控制功能強(qiáng)、擴(kuò)展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于儀器儀表中，結(jié)合不同類型的傳感器，可實(shí)現(xiàn)諸如電壓、功率、頻率、濕度、溫度、流量、速度、厚度、角度、長(zhǎng)度、硬度、元素、壓力等物理量的測(cè)量。例如精密的測(cè)量設(shè)備（功率計(jì)，示波器，各種分析儀）。例如工廠流水線的智能化管理，電梯智能化控制、各種報(bào)警系統(tǒng)，與計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成二級(jí)控制系統(tǒng)等。 在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信領(lǐng)域中的應(yīng)用：現(xiàn)代的單片機(jī)普遍具備通信接口，可以很方便地與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，為在計(jì)算 機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信設(shè)備間的應(yīng)用提供了極好的物質(zhì)條件，現(xiàn)在的通信設(shè)備基本上都實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)智能控制，從手機(jī)，電話機(jī)、小型程控交換機(jī)、樓宇自動(dòng)通信呼叫系統(tǒng)、列車無(wú)線通信、再到日常工作中隨處可見(jiàn)的移動(dòng)電話，集群移動(dòng)通信，無(wú)線電對(duì)講機(jī)等。 第 1 章 緒論 3 此外，單片機(jī)在工商，金融，科研、教育，國(guó)防航空航天等領(lǐng)域都有著十分廣泛的用途。 直流電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)被廣泛地應(yīng)用于各類控制系統(tǒng)中，其驅(qū)動(dòng)與轉(zhuǎn)速精度是電機(jī)能夠穩(wěn)定工作的關(guān)鍵。 與此同時(shí)，調(diào)速系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)和有關(guān)理論發(fā)展非常迅速，隨著可控關(guān)斷的電力電子器件的出現(xiàn)，由它實(shí)現(xiàn)的斬波與 PWM 技術(shù)的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。 利用 電子信息技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，可以大幅提高生產(chǎn)效率，提升產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。 為了能精確的測(cè)量轉(zhuǎn)速，還要保證測(cè)量的實(shí)時(shí)性，要求能測(cè)得瞬時(shí)轉(zhuǎn)速。 同時(shí)對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)及其速度測(cè) 量的研究，系統(tǒng)掌握了電源驅(qū)動(dòng)電路和速度測(cè)量電路的連接，以及其中用的到的諸如： L298， LM311,TI607,8051 等芯片的功能及其各個(gè)引腳的功能，同時(shí)通過(guò)用面包板搭建臨時(shí)電路，加強(qiáng)了動(dòng)手能力，提高了解決實(shí)際問(wèn)題的能力，充分的體現(xiàn)了理論與實(shí)踐結(jié)合，對(duì)畢業(yè)后走向社會(huì)，做了進(jìn)一步的準(zhǔn)備。 要求： （ 1）用單片機(jī)做核心芯片，設(shè)計(jì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)電機(jī)精確控制； （ 2）利用傳 感器檢測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并且繪制轉(zhuǎn)速變化圖形。 （ 4）達(dá)到一定的檢測(cè)精度。對(duì)單片機(jī)控制器的選擇有以下方案。 方案二： AVR 系列的單片機(jī)，特點(diǎn)是：速度快性能價(jià)格比高統(tǒng)內(nèi)從新編程 (ISP InSystem Programming)功能 AVR 單片機(jī)的定時(shí)和計(jì)數(shù)器功能大大增強(qiáng)，有 3 個(gè) PWM 輸出口。 所以采用了方案一，因?yàn)?AT89C51 是我們最熟悉的器件，用起來(lái)可以很好地控制和調(diào)試 。 方案一：增量式旋轉(zhuǎn)編碼器：通過(guò)內(nèi)部的兩個(gè)光敏接受管轉(zhuǎn)化其角度碼盤的時(shí)序和相位的關(guān)系，得到其角度碼盤角度位移量增加和減少。 方案二：光電傳感器 。改善了穩(wěn)定檢測(cè)功能 PRO 功能 : PZ261 的光軸系統(tǒng)的發(fā)射器透過(guò)水平偏光鏡后只發(fā)射光波的水平分量、而其接收器透過(guò)垂直偏光鏡后則只接受垂直分量。它 利用直射式雙光速光電傳感器進(jìn)行采樣，該型號(hào)脈沖取樣板主要有以下功能：能有效消除抖動(dòng)誤差，在采集脈沖是不會(huì)因轉(zhuǎn)盤抖動(dòng)和上下電多計(jì)或少計(jì)脈沖數(shù)。且價(jià)格相對(duì)便宜。所以選用光電傳感器做為測(cè)速傳感器設(shè)計(jì)的選擇。但是電阻網(wǎng)絡(luò)只能實(shí) 現(xiàn)有級(jí)調(diào)速，而數(shù)字電阻的元器件價(jià)格比較昂貴。 方案二：采用繼電器對(duì)電動(dòng)機(jī)的開(kāi)或關(guān)進(jìn)行控制，通過(guò)開(kāi)關(guān)的切換對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速的調(diào)整。 方案三：采用有達(dá)林頓管組成的 H 型 PWM 電路，用單片機(jī)控制達(dá)林頓管使之工作在占空比可調(diào)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，精確調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 方案四：采用專用電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片 L298N。所以在這里采用了 L298 做為電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的模塊。合理選擇 A/D 轉(zhuǎn)換芯片對(duì)于確?？刂葡到y(tǒng)的控制精度有著重要意義 。 方案二：采用 TLC2543， TLC2543 是 TI 公司的 12 位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，使用開(kāi)關(guān)電容逐次逼近技術(shù)完成 A/D 轉(zhuǎn)換過(guò)程。 顯示模塊設(shè)計(jì) 用單片機(jī)驅(qū)動(dòng) LED 數(shù)碼管有很多方法，按顯示方式分，有靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)（掃描）顯示。 方案二：動(dòng)態(tài)顯示需要 CPU 時(shí)刻對(duì)顯示器件進(jìn)行數(shù)據(jù)刷新，顯示數(shù)據(jù)有閃爍感，占用的 CPU 時(shí)間多。所以采用了動(dòng)態(tài)顯示。其結(jié)構(gòu)圖如 21 所示： 第 2 章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)論證 8 圖 21 系統(tǒng)整體框圖 A/D 轉(zhuǎn)換電路 鍵盤 80C51 單片機(jī) L298N 直流電機(jī) 穩(wěn)壓電源 數(shù)碼顯示電路 第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 9 第 3 章 系統(tǒng) 硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)主要硬件簡(jiǎn)介 AT89C51 單片機(jī)簡(jiǎn)介 單片機(jī)的基本組成 AT89C51 單片機(jī)由 CPU 和 8 個(gè)部件組成，它們都通過(guò)片內(nèi)單一總線連接，其基本結(jié)構(gòu)依然是通用 CPU 加上外圍芯片的結(jié)構(gòu)模式，但在功能單元的控制上采用了特殊功能寄存器的集中控制方法。 內(nèi)部 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器： AT89C51 芯片中共有 256 個(gè) RAM 單元，能作為存儲(chǔ)器使用的只是前 128 個(gè)單元，其地址為 00H— 7FH。 特殊功能寄存器：是用來(lái)對(duì)片內(nèi)各部件進(jìn)行管理、控制、監(jiān)視的控制寄存器和狀態(tài)寄存器，是一個(gè)特殊功能的 RAM 區(qū)，位于內(nèi)部 RAM 的高 128 個(gè)單震蕩電路 程序存儲(chǔ)器 定時(shí)器 串行口 并行 I/O 口 中斷系統(tǒng) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 CPU 特殊 功能 寄存 器 第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 10 元，其地址為 80H— FFH。 并行 I/O 口： AT89C51 芯片內(nèi)部有 4 個(gè) 8 位的 I/O 口（ P0， P1， P2， P3），以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行輸入輸出。 定時(shí)器： AT89C51 片內(nèi)有 2 個(gè) 16 位的定時(shí)器，用來(lái)實(shí)現(xiàn)定時(shí)或者計(jì)數(shù)功能，并且以其定時(shí)或計(jì)數(shù)結(jié)果對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。 振蕩電路：它外接石英晶體和微調(diào)電容即可構(gòu)成 89C51 單片機(jī)產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖序列的時(shí)鐘電路。 單片機(jī)引腳如圖 32 所示： P 1P 2P 3P 4P 5P 6P 7P 8R S T9P 10P 11P 12P 13P 14P 15P 16P 17X T A L 218X T A L 119V S S20P 21P 22P 23P 24P 25P 26P 27P 28P S E N29A L E / P R O G30E A / V P P31P 32P 33P 34P 35P 36P 37P 38P 39V C C40U8A T 89 C 51 圖 32 AT 89C51 引腳 圖 P0 口： P0 口是一組８位漏極開(kāi)路型雙向 I/O 口，也即地址／數(shù)據(jù)總線復(fù)第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 11 用口。 在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或程序存儲(chǔ)器時(shí)，這組口線分時(shí)轉(zhuǎn)換地址（低８位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問(wèn)期間激活內(nèi)部上拉電阻。 P1 口： P1 是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的８位雙向 I/O 口， P1 的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）４個(gè) TTL邏輯門電路。作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流（ IIL）。 P2 口： P2 是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的８位雙向 I/O 口， P2 的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）４個(gè) TTL邏輯門電路。 在訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器１６位地址的外部數(shù)據(jù) 存儲(chǔ)器（例如執(zhí)行 MOVX DPTR 指令）時(shí)， P2 口送出高８位地址數(shù)據(jù)。 Flash編程或校驗(yàn)時(shí)， P2 亦接收高位地址和其它控制信號(hào)。 P3 口輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）４個(gè) TTL 邏輯門電路。作輸入端時(shí)，被外部拉低的 P3口將用上拉電阻 輸出電流（ IIL）。 P3 口還接收一些用于 Flash閃速存儲(chǔ)器編程和程序校驗(yàn)的控制信號(hào)。當(dāng)振蕩器工作時(shí)， RST 引腳出兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平將使單片機(jī)復(fù)位。即使不訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器， ALE 仍以時(shí)鐘振蕩頻率的１／６輸出固定的正脈沖信號(hào)，因此它可對(duì)外輸出時(shí)鐘或用于定時(shí)目的。 表 31 P3 口功能表 對(duì) Flash存儲(chǔ)器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖。該位置位后，只有一條 MOVX 和 MOVC 指令 ALE才會(huì)被激活。 PSEN:程序儲(chǔ)存允許（ PSEN）輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選信號(hào)，當(dāng)AT89C51 由外部程序存儲(chǔ)器取指令（或數(shù)據(jù)）時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期兩次 PSEN有效，即輸出兩個(gè)脈沖。 EA/VPP:外部訪問(wèn)允許。需注意的是：如果加密位 LB1被編程，復(fù)位時(shí)內(nèi)部會(huì)鎖存 EA 端狀態(tài)。 Flash存儲(chǔ)器編程時(shí)，該引腳加上＋ 12V的編程允許電源 ，當(dāng)然這必須是該器件是使用 12V 編程電壓 。 XLAT2: 振蕩器反相放大器的輸出端。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件， XTAL2 應(yīng)不接。 芯片擦除： 整個(gè) PEROM 陣列和三個(gè)鎖定位的電擦除可通過(guò)正 確的控制信號(hào)組合，并保持 ALE 管腳處于低電平 10ms 來(lái)完成。 此外， AT89C51 設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。但 RAM，定時(shí)器，計(jì)數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。 時(shí)鐘電路： 時(shí)鐘電路是計(jì)算機(jī)的心臟，它控制著計(jì)算機(jī)的工作節(jié)奏。 MCS51 內(nèi)部都有一個(gè)反相放大器， XTAL XTAL2 分別為反相放大器輸入和輸出端，外接定時(shí)反饋元件以后就組成振蕩器，產(chǎn)生時(shí)鐘送至單片機(jī)內(nèi)部的各個(gè)部件。 CMOS 型單片機(jī)內(nèi)部（如 AT89C51）有一個(gè)可控的負(fù)反饋反相放大器，外接晶振（或陶瓷諧振器）和電容組成振蕩器，圖 33 為 CMOS 型單片機(jī)時(shí)鐘電路框圖。清“ 0” PD，使振蕩器工作產(chǎn)生時(shí)鐘，單片機(jī)便正常運(yùn)行。電容 C1 和 C2 的作用有兩個(gè)：其一是使振蕩器起振，其二是對(duì)振蕩器的頻率 f起微調(diào)作用（ C C2 大， f變小）。 MCS51 單片機(jī)有一個(gè)復(fù)位引腳 RST，它是 史密特觸發(fā)輸入 (對(duì)于 CHMOS單片機(jī)， RST 引腳的內(nèi)部有一個(gè)拉低電阻 )，當(dāng)振蕩器起振后該引腳上出現(xiàn) 2個(gè)機(jī)器周期 (即 24 個(gè)時(shí)鐘周期 )以上的高電平，使器件復(fù)位，只要 RST 保持高電平， MCS51 保持復(fù)位狀態(tài)。 RST 變?yōu)榈碗娖胶?，退出?fù)位， CPU 從初始狀態(tài)開(kāi)始工作。對(duì)于 MOS(AT89C51)單片機(jī)只要接一個(gè)電容至 VCC 即可 (見(jiàn)圖 3— 4)。 RST 端在加電時(shí)應(yīng)保持的高電平時(shí)間包括 VCC 的上升時(shí)間和振蕩器起振的時(shí)間， VCC 上升時(shí)間若為 10ms，振蕩器起振的時(shí)間和頻率有關(guān)。 RC 時(shí)間常數(shù)越大，上電 RST 端保持高電平的時(shí)間越長(zhǎng)。 第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 15 P 1P 2P 3P 4P 5P 6P 7P 8R S T9P 10P 11P 12P 13P 14P 15P 16P 17X T A L 218X T A L 119V S S20P 21P 22P 23P 24P 25P 26P 27P 28P S E N29A L E / P R O G30E A / V P P31P 32P 33P 34P 35P 36P 3