【正文】 片機(jī)的芯片上還集成有定時(shí)器 \計(jì)數(shù)器。 無(wú) 錫 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文） 3 單片機(jī)自誕生以來(lái)，由于其固有的優(yōu)點(diǎn) —— 低成本、小體積、高可靠性、高附加值、通過(guò)更改軟件就可改變控制對(duì)象等，已越來(lái)越成為電子工程師設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)產(chǎn)品的首選器件之一。 2 總體方案設(shè)計(jì) 整體設(shè)計(jì) 單片機(jī)控制系統(tǒng)是一個(gè)集成電路，可以構(gòu)成各種各樣的應(yīng)用系統(tǒng)。 （ 2） 可以對(duì)外部存儲(chǔ)容量根據(jù)需要進(jìn)行擴(kuò)展，設(shè)計(jì)可以相對(duì)比較靈活。綜上所述，決定運(yùn)用單片機(jī)系統(tǒng)，詳見(jiàn)下圖圖 1： 單片機(jī) 電動(dòng)機(jī)模塊 控制模塊 無(wú) 錫 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文） 4 圖 1 結(jié)構(gòu)框圖 本次設(shè)計(jì) 主要是分為兩大部分：一部分是電機(jī)控制部分，另一部分是測(cè)速部分。數(shù)據(jù)輸入主要是通過(guò)數(shù)字電路或是模擬電路的方法改變某一個(gè)量（電流、電壓、電阻）的變化，然后將這種變化輸送給單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、儲(chǔ)存、分析、處理，最終將以數(shù)字量的形式輸出，輸出電路根據(jù)數(shù)字信號(hào)的變化，再將變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏康男问?，輸送給電機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的速度、轉(zhuǎn)向的改變。速度的采集主要是通 過(guò) S/T 來(lái)獲得， S 代表路程， T 代表時(shí)間，通過(guò)額定的時(shí)間所行的路程，不過(guò)數(shù)據(jù)的采集主要采集 S、時(shí)間 T，而數(shù)據(jù)的處理則有單片機(jī)完成。 上圖就是整個(gè)設(shè)計(jì)的模塊圖，不難看出，在整個(gè)設(shè)計(jì)模塊中，最為核速度顯示 模塊 測(cè)速模塊 無(wú) 錫 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文） 5 心的就是數(shù)據(jù)的處理，其實(shí)就是單片機(jī)。 單片機(jī)說(shuō)明 單片機(jī)系統(tǒng)中，起到控制和樞紐作用的單片機(jī)模塊無(wú)疑是其中最重要的部分。芯片采用 40 腳雙列直插式封裝， 32 個(gè) I/O 口，芯片工作電壓為，工作溫度為 070 度，工作頻率可達(dá)到 30MHz。片上 Flash 允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。電源就不多介紹了，具體介紹一下復(fù)位電路和晶振電路。所謂上電復(fù)位，即當(dāng)單片機(jī)加電時(shí)由相關(guān)電路產(chǎn)生一個(gè)復(fù)位信號(hào)，從而使單片機(jī)復(fù)位。 STC 單片機(jī)可以不使用復(fù)位電路，但是為了保證系統(tǒng) 的穩(wěn)定運(yùn)行，一般要求至少要加上電復(fù)位電路。 由 C3 和 R5 構(gòu)成一個(gè)上電復(fù)位電路 ,。當(dāng)電壓下降到一定程度時(shí)， RST 引腳的電壓已經(jīng)不足以使單片機(jī)復(fù)位，單片機(jī)從而進(jìn)入到正常的工作狀態(tài)。當(dāng)用戶放開(kāi) SW1 時(shí)，無(wú) 錫 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文） 7 RST 引腳恢復(fù)為低電平，單片機(jī)開(kāi)始正常運(yùn)行。本設(shè)計(jì)采用手動(dòng)復(fù)位的方法。一般而言，單片機(jī)的震蕩信號(hào)產(chǎn)生由兩種方法：?jiǎn)味蓑?qū)動(dòng)和雙端驅(qū)動(dòng)。單端驅(qū)動(dòng)目前已經(jīng)很少使用，只有在嚴(yán)格要求系統(tǒng)同步的一些系統(tǒng)才會(huì)出現(xiàn)。本設(shè)計(jì)使用的就是雙端方式，在單片機(jī) 18 和 19 號(hào)兩個(gè)振蕩信號(hào)輸入引腳間接入一個(gè)頻率為 的無(wú)源晶體振蕩器構(gòu)成一個(gè)振蕩電路。 為了保證單片機(jī) 的運(yùn)行，還有一些外圍電路也需要注意：尤其要注意EA 引腳，當(dāng)程序在單片機(jī)內(nèi)部時(shí)， EA 一定要連接到高電路，本設(shè)計(jì)電路 EA腳已被拉高。 51系列共有 4 個(gè) 8 位的并行 I/O 口，分別記作 P0、 P P P3 每個(gè)口都包含一個(gè)鎖存器，一個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器和輸入緩沖器。在訪問(wèn)片外擴(kuò)展存儲(chǔ)器時(shí)，低八位地址和數(shù)據(jù)由 P0 口分時(shí)傳送，高八位地址由 P2 口傳送。 C51 系列包含有兩個(gè) 16 位的可編程定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器分別稱為定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 T0 和定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 T1；在 C51 部分產(chǎn)品中，還包含有一個(gè)用做看門狗的 8 位定時(shí)器。在單片機(jī)的定時(shí)器 T0 或 T1 中，有一個(gè)定時(shí)器發(fā)生由 0 到 1 的跳變時(shí)，計(jì)數(shù)器增 1，即為計(jì)數(shù)功能；在單片機(jī)內(nèi)部對(duì)機(jī)器周期或其分頻進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而得到定 時(shí)，這就是定時(shí)功能。 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其原理：由定時(shí)器 0、定時(shí)器 定時(shí)器方式寄存器 TMOD 和定時(shí)器控制寄存器 TCON 組成。定時(shí)器的定時(shí)時(shí)間與系統(tǒng)的振蕩頻率緊密相關(guān)，因?yàn)?C51 系列單片機(jī)的一個(gè)機(jī)器周期由 12 個(gè)振蕩脈沖組成，所以，計(jì)數(shù)頻率fc=fosc/12。在每個(gè)機(jī)器周期的 S5P2 期間采樣引腳輸入電平，若前一個(gè)機(jī)器周期采樣值為 1，后一個(gè)機(jī)器周期采樣值為 0，則計(jì)數(shù)器加 1。計(jì)數(shù)器對(duì)外部輸入信號(hào)的占空比沒(méi)有特別的限制，但必須保證輸入信號(hào)的高電平與低電平的持續(xù)時(shí)間在一個(gè)機(jī)器周期以上。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。 4：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。 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。 5：中斷系統(tǒng)：中斷系統(tǒng)是單片機(jī)的重要組成部分。中斷系統(tǒng)大大提高了系統(tǒng)的效率。 5 個(gè)中斷源的排列順序由中斷優(yōu)先級(jí)控制寄存器 IP 和順序查詢邏輯電無(wú) 錫 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文） 10 路共同決定， 5 個(gè)中斷源分別對(duì)應(yīng) 5 個(gè)固定的中斷入口地址。 單片機(jī)中斷系統(tǒng)用處較多，本設(shè)計(jì)中也有涉及，下面詳細(xì)的介紹一下89C51 中斷系統(tǒng)中要用到的中斷類型。 AT89C51 究竟工作于哪種中斷觸發(fā)方式 ,可由用戶對(duì)定時(shí)器控制寄存器 TCON 中 IT0 和 IT1 位狀態(tài)的設(shè)定來(lái)選取。若 AT89C51 設(shè)定為電平觸發(fā)方式 (IT0=0 或 IT1=0),則 CPU 檢測(cè)到 INT0、 INT1 上低電平時(shí)就可認(rèn)定其上中斷請(qǐng)求有效 。 （ 2） 定時(shí)器溢出中斷源：定時(shí)器溢出中斷由 AT89C51 內(nèi)部定時(shí)器分的中斷源產(chǎn)生 ,故它們屬于內(nèi)部中斷。定時(shí)器 T0/T1 在定時(shí)脈沖作用下從全“ 1”變成全“ 0”時(shí)可以自動(dòng)向 CPU 提出溢出中斷請(qǐng)求 ,以表明定時(shí)器 T0 或 T1 的定時(shí)時(shí)間已到。串行口 中斷分為串行口發(fā)送中斷和串行口接收中斷兩種。因此 ,只要在串行口中斷服務(wù)程序中安排一段對(duì) SCON中 RI和 TI中斷標(biāo)志位狀態(tài)的判斷程序 ,便可區(qū)分串行口發(fā)生了接收中斷請(qǐng)求還是發(fā)送中斷請(qǐng)求。 3 分電路設(shè)計(jì)與論證 電動(dòng)機(jī)模塊 方案選擇 方案一：采用直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，采用由多個(gè)三極管組成的ＰＷＭ電路，PWM 是利用數(shù)字輸出對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種有效技術(shù)，尤其是在對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制方面，可大大節(jié)省能量。模擬控制電路有以下缺陷 :模擬電路容易隨時(shí)間漂移，會(huì)產(chǎn)生一些不必要的熱損耗，以及對(duì)噪聲敏感等。在單片機(jī)控制下，使之工作在占空比可調(diào)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，精準(zhǔn)地調(diào)整電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。 方案二：采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，步進(jìn) 電機(jī) 是將電 脈沖 信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開(kāi)環(huán)控制元步進(jìn)電 機(jī)件。可以通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的 目的 ；同時(shí)可以 通過(guò)控制 脈沖頻率 來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。在有負(fù)載的情況下，啟動(dòng)頻率應(yīng)更低。 步進(jìn)電機(jī)必須加驅(qū)動(dòng)才可以運(yùn)轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng) 信號(hào)必須為脈沖信號(hào)， 沒(méi)有脈沖的時(shí)候，步進(jìn)電機(jī)靜止，如果加入適當(dāng)?shù)拿}沖信號(hào)，就會(huì)以一定的角度（稱為步角）轉(zhuǎn)動(dòng)。 結(jié)論：方案一與方案二相比，方案一 PWM 對(duì)調(diào)速系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，有如下優(yōu)點(diǎn) :系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)定精度等指標(biāo)比較好 。系統(tǒng)的調(diào)速范圍寬 。故而電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊選擇方案一。通過(guò)計(jì)數(shù)器，使方波的占空比被調(diào)制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬信號(hào)的電平進(jìn)行編碼。一般情況下，調(diào)節(jié)脈寬調(diào)制信號(hào)的脈寬有兩種方法 ，一種方法是采用模擬電路中的調(diào)制方法，另一種方法是使用脈沖計(jì)數(shù)法。因此，本設(shè)計(jì)采用由單片機(jī)控制實(shí)無(wú) 錫 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文） 14 現(xiàn)的脈沖計(jì)數(shù)法。 e = C*Φ *ω ,式中， C 為電機(jī)結(jié)構(gòu)常數(shù)，為一常量；Φ為線圈磁 通；ω為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角速度。本實(shí)驗(yàn)所用直流電機(jī)為永磁式 , 磁通Φ不可改變 ,而改變電機(jī)回路電阻 R 來(lái)調(diào)速的方式 ,相對(duì)比較的麻煩 ,所以本設(shè)計(jì)采用改變外接電壓 U的調(diào)速方式。 控制模塊 方案選擇 無(wú) 錫 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文） 15 方案一：一個(gè) ADC0831 串行逐次逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換器， A/D 轉(zhuǎn)換器是用來(lái)通過(guò)一定的電路將模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量。但在 A/D 轉(zhuǎn)換前，輸入到 A/D 轉(zhuǎn)換器的輸入信號(hào)必須經(jīng)各種傳感器把各種物理量轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。逐次逼近法的 A/D 轉(zhuǎn)換器是由一個(gè)比較器、 D/A 轉(zhuǎn)換器、緩沖寄存器及控制邏輯電路組成。逐次逼近法轉(zhuǎn)換過(guò)程是：初始化時(shí)將逐次逼近寄存器各位清零；轉(zhuǎn)換開(kāi)始時(shí)，先將逐次逼近寄存器最高位置 1，送入 D/A 轉(zhuǎn)換器，經(jīng) D/A 轉(zhuǎn)換后生成的模擬量送入比較器，稱為 Vo，與送入比較器的待轉(zhuǎn)換的模擬量 Vi 進(jìn)行比較，若 VoVi，該位 1 被保留，否則被清除。重復(fù)此過(guò)程，直至逼近寄存器最低位。 其中非 CS 為片選信號(hào)輸入端， Vin（ +）和 Vin（ ）為差分輸入端， Vref為參考電壓輸入端， GND 為接地端， Vcc 為電源電壓輸入端， DO 為 A/D 轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)輸出端， CLK 為時(shí)鐘信號(hào)輸入端。接下來(lái)在第一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)的下降沿到來(lái)時(shí)， ADC0831 的數(shù)據(jù)輸出端被拉低，準(zhǔn)備輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。 無(wú) 錫 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文） 16 方案二：通過(guò)數(shù)字電路 的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)，組合邏輯電路，它由最基本的邏輯門電路組合而成。 電路 沒(méi)有記憶功能，輸出狀態(tài)隨著輸入狀態(tài)的變化而變化。小直流電動(dòng)機(jī)的原理是：轉(zhuǎn)動(dòng)方向是由電壓來(lái)控制的，電壓為正則正轉(zhuǎn)，為 負(fù)則反轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)速度大小則是由輸出脈沖的占空比來(lái)控制的，正向占空比越大則轉(zhuǎn)速就越快，反向轉(zhuǎn)則占空比越小就轉(zhuǎn)速越快。 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 控制電路論證 無(wú) 錫 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文） 17 圖 4 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制電路 如圖 4 所示，實(shí)際上電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制主要運(yùn)用了一個(gè)模 數(shù)轉(zhuǎn)換，模數(shù)轉(zhuǎn)換器即 A/D 轉(zhuǎn)換器或簡(jiǎn)稱 ADC。通常的模數(shù)轉(zhuǎn)換器是將一個(gè)輸入電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為一個(gè)輸出的數(shù)字信號(hào)。故任何一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器都需要一個(gè)參考模擬量作為轉(zhuǎn)換的標(biāo)準(zhǔn)，比較常見(jiàn)的參考標(biāo)準(zhǔn)為最大的可轉(zhuǎn)換信號(hào)大小。 模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)據(jù)： NV re fVtaD 2a ?? 其中 V 為待轉(zhuǎn)換的電壓 ,而 Vref 為模數(shù)轉(zhuǎn)換器的參考電壓 ,N 為模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換位數(shù)。轉(zhuǎn)換器能夠準(zhǔn)確輸出的數(shù)字信號(hào)的位數(shù)越多 ,表示轉(zhuǎn)換器能夠分辨輸入信號(hào)的能力越強(qiáng) ,轉(zhuǎn)換器的性能也就越好。在實(shí)際電路中 ,有些過(guò)程是合并進(jìn)行的 ,如采樣和保持 ,量化和編碼在轉(zhuǎn)換過(guò)程中是同時(shí)實(shí)現(xiàn)的。首先，單片機(jī)的 PWM 端輸出高電平，再延時(shí)一段時(shí)間，延時(shí)常數(shù)為 255Dout。單片機(jī)的 口接一單刀雙擲開(kāi)關(guān)，當(dāng)開(kāi)關(guān)輸入高電平時(shí)，單片機(jī)的 DIR 端輸出高電平，控制電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)；開(kāi)關(guān)輸入低電平時(shí)，單片機(jī)的 DIR 端輸出低電平，控制電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。一個(gè)熾 熱物體向外輻射的能量大部分是通過(guò)紅外線輻射出來(lái)的。而且，紅外線被物體吸收。 紅外輻射和所有的電磁波一樣，是一波的形式在空間直線傳播的。檢測(cè)元件按工作原理可分為熱敏檢測(cè)元件和光電檢測(cè)元件。熱敏電阻受到紅外線輻射時(shí)溫度升高，電阻發(fā)生變化，通過(guò)轉(zhuǎn)換電路變成電信號(hào)輸出。本設(shè)計(jì)的紅外傳感器是光電檢測(cè)元件，主要 通過(guò)兩個(gè)紅外探測(cè)器的圓弧距離和通過(guò)這段圓弧所需的時(shí)間相除就可得出速度。 方案二：霍爾開(kāi)關(guān)元器件來(lái)測(cè)量小車的 速度， 霍爾效應(yīng)是指磁場(chǎng)作用于載流金屬導(dǎo)體、半導(dǎo)體中的載流子時(shí)，產(chǎn)生橫向電位差的物理現(xiàn)象。半導(dǎo)體中的霍爾效應(yīng)比金屬箔片中更為明顯，而鐵磁金屬在居里溫度以下將呈現(xiàn)極強(qiáng)的霍爾效 應(yīng)。利用這一原理可以設(shè)計(jì)制成霍爾電流傳感器。本設(shè)計(jì)具體實(shí)現(xiàn)方法：把霍爾器件 A44E 安裝在固定軸上，在輪子上裝小磁鐵；小車輪子運(yùn)動(dòng)就會(huì)帶動(dòng)小磁鐵轉(zhuǎn)；當(dāng)霍爾器件 A44E 感應(yīng)到小磁鐵時(shí)，就會(huì)輸出一個(gè)脈沖；單片機(jī)通過(guò)檢測(cè)脈沖的個(gè)數(shù)，再 根據(jù)小車車輪的半徑算出小車的速度。 測(cè)速電路論證 圖 5 測(cè)速電路 如圖 5， 紅外傳感器是用光敏電阻組成光敏探測(cè)器。發(fā)射管的電流大則發(fā)射功率大，但不能超過(guò)它的極限電流，它的極限輸入正向電流為 50mA。 LM339 集成塊內(nèi)部裝有四個(gè)獨(dú)立的電壓比較器，該