【正文】 串行通信口， 2 個(gè)讀寫(xiě)口線， AT89C51可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程，也可以在線編程。 AT89C51 單片機(jī)外部引腳如圖 42 所示。在單片機(jī)內(nèi)部，它是構(gòu)成片內(nèi)振蕩器的反相放大器的輸入端。 （ 2） XTAL2 接外部晶體的另一個(gè)引腳。采用外部振蕩器時(shí)， 此引腳應(yīng)懸空不連接。東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 系統(tǒng) CPU 的選擇 13當(dāng) P1 口的管腳第一次寫(xiě) 1 時(shí)，被定義為高阻輸入。在 FIASH 編程時(shí)， P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH 進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)， P0 輸出原碼，此時(shí) P0 外部必須被拉高。 P1 口管腳寫(xiě)入 1 后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸 入， P1 口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。 （ 3） P2 口 （ ～ ） ： P2 口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 口緩沖器可接收，輸出 4 個(gè) TTL 門(mén)電流，當(dāng) P2 口被寫(xiě) “ 1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在給出地址 “ 1” 時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)， 當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫(xiě)時(shí)， P2 口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。 （ 4） P3 口 （ ～ ） ： P3 口管腳是 8 個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個(gè) TTL 門(mén)電流。作為輸入，由于外部下拉為低電平， P3 口將輸出電流 （ ILL） 這是由于上拉的緣故。 表 41 管腳第二功能表 引腳 第二功能 RXD （串行輸入口） TXD （串行輸出口） INT0 （外部中斷 0 請(qǐng)求輸入端） INT1 (外部中斷 1 請(qǐng)求輸入端 ) T0 (定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 0 計(jì)數(shù)脈沖輸入端 ) T1 (定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 1 計(jì)數(shù)脈沖輸入端 ) WR （寫(xiě)選通信號(hào)輸出端） RD （讀選通信號(hào)輸出端） AT89C51 單片機(jī)最小系 單片機(jī)的最小化系統(tǒng)是指單片機(jī)能正常工作所必須的外圍元件，主要可以分成時(shí)鐘電路和復(fù)位電路 ，我們采用的是 AT89C51 芯片，它內(nèi)部自帶 4K的 FLASH 程序存儲(chǔ)器，一般情況下，這 4K 的存儲(chǔ)空間足夠我們使用，所以我們將 AT89C51 芯片的東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 系統(tǒng) CPU 的選擇 14第 31 腳固定接高電平（ PCB 畫(huà)板時(shí)已經(jīng)接死），所以我們只用芯片內(nèi)部的 4K 程序存儲(chǔ)器。復(fù)位電路由 22UF 的電容和 1K 的電阻及 IN4148二極管組成，以前教科書(shū)上常推薦用 10UF 電容和 10K 電阻組成復(fù)位電路，這里我們根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)選用 22UF 的電容和 1K 的電阻，其好處是在滿 足單片機(jī)可靠復(fù)位的前提下降低了復(fù)位引腳的對(duì)地阻抗，可以顯著增強(qiáng)單片機(jī)復(fù)位電路的抗干擾能力 [4]。 如圖 43所示。而時(shí)序所研究的則是指令執(zhí)行中各信號(hào)之間的相互時(shí)間關(guān)系。振蕩電路產(chǎn)生的振蕩脈沖，并不是時(shí)鐘脈沖。在由多片單片機(jī)組成的系統(tǒng)中，為了各單片機(jī)之間時(shí)鐘信號(hào)的同步，還引人公用外部脈沖信號(hào)作為各單片機(jī)的振東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 系統(tǒng) CPU 的選擇 15蕩脈沖。在單片機(jī)內(nèi)部，它是一個(gè)反相放大器的輸入端，這個(gè)放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器。 如圖 44 所示。電路中的 C1 和 C2 一般取 30PF 左右而晶體震蕩器的頻率范圍通常是 ～ 12 MHZ，晶體震蕩器的頻率越高，振蕩頻率就越高。 在二分頻的基礎(chǔ)上再三分頻產(chǎn)生 ALE 信號(hào)在二分頻的基礎(chǔ)上再六分頻得到機(jī)器周期信號(hào)。 單片機(jī)最常見(jiàn)的 復(fù)位電路 如圖 45 所示。 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 系統(tǒng) CPU 的選擇 161KR1SmSWPB22uFCRESETVCCGNDR2 圖 45 上電復(fù)位電路圖 復(fù)位電路 的基本功能是：系統(tǒng)上電時(shí)提供復(fù)位信號(hào)，直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后，撤銷復(fù)位信號(hào)。 單片機(jī)復(fù)位后各寄存器的狀態(tài) :A＝ 00H，表明累加器已被清零； PSW＝ 00H，表明選寄存器 0 組為工作寄存器組； SP＝ 07H，表明堆棧指針指向片內(nèi) RAM 07H 字節(jié)單元，根據(jù)堆棧操作的先加后壓法則，第一個(gè)被壓入的內(nèi)容寫(xiě)入到 08H 單元中； P0～ P3＝ FFH，表明已向各端口線寫(xiě)入 1，此時(shí)，各端口既可用于輸入又可用于輸出；IP＝ 00000B，表明各個(gè)中斷源處于低優(yōu)先級(jí)； IE＝ 0 00000B，表明各個(gè)中斷均被關(guān)斷；而置位可以把它初始化到任意一個(gè)狀態(tài) [5]。 利用單片機(jī)的 setb 指令可以實(shí)現(xiàn)置 1這個(gè)操作。當(dāng)小車在規(guī)定的跑道行駛時(shí)，貼在小車底部的反射式光電檢測(cè)器就會(huì)作出不同的反應(yīng)。 在小車的后輪上貼一白紙及輪框上也貼有一片光電傳感器，對(duì)車輪的轉(zhuǎn) 數(shù)進(jìn)行采集，送進(jìn)計(jì)數(shù)器端口 （ T1） 。在車停后，顯示小車通過(guò)全程的時(shí)間及 小車行駛的 里程 。 圖中 WW51P 芯片的 2 端為光發(fā)射， 4 端為光接收。在對(duì)不同介質(zhì)材料進(jìn)行綜合比較后，我們選擇光電反射器離地 面為 的數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，由于該脈沖電壓不是個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的電壓，所以需要經(jīng)過(guò)一個(gè)施密特電路整形后得到一TTL 電平送單片機(jī) 的 INT0。 NE555 是一種用途很廣的時(shí)基單元集成電路，其工作電壓范圍較寬，可在 ～ 18V 范圍內(nèi)工作，其驅(qū)動(dòng)電流可達(dá) 200mA。 4 腳為強(qiáng)制復(fù)位端，當(dāng)輸入高電平時(shí)，該器件就正常工作；當(dāng)輸入低電平時(shí)，該器件就強(qiáng)制復(fù)位， 3 腳就輸出低電平。 我們 利用 NE555 定時(shí)器來(lái)構(gòu)成施密特電路，輸入輸出之間的遲滯回線特性關(guān)系如圖 52 所示。 Vi2/3Vcc， V0 翻轉(zhuǎn)為 “ 0” 。 當(dāng)輸入低電平 VI1 為 ， 高電平 VIR 為 ， 壓差為 。但為了適應(yīng)實(shí)際情況，采取可變參考電壓，改變 NE555 的第 5 腳電壓，可取得不同的回差電壓 （ 1/3Vcc）， 此電壓越大，電路干擾性越強(qiáng)，但觸發(fā)靈敏度低。 當(dāng)光電傳感器檢測(cè)到黑線時(shí)，第 4 端電壓為高電平,NE555 的第 2 腳也為高電平， 3 腳輸出低電平；反之，在白紙上時(shí)， NE555 的3 腳輸出高電平。 電機(jī)調(diào)速控制模塊 目前較好的調(diào)速方法是脈寬調(diào)制 (PWM)， 脈寬調(diào)制 (PWM)是 通過(guò)改變周期性脈沖信號(hào)的占空比來(lái)改變加在電動(dòng)機(jī)上的平均電壓，從而達(dá)到調(diào)速目的。在實(shí)踐中我們采用 單片機(jī)AT89C51 具有 PWM 輸出口的 、 通過(guò)軟件程序來(lái)產(chǎn)生 PWM 脈沖。脈沖寬度的變化可以通過(guò)硬件和軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)： 硬件實(shí)現(xiàn)是通過(guò)改變震蕩電路中的 RC 參數(shù)來(lái)調(diào)整充放電時(shí)間；而軟件的做法是通過(guò)設(shè)置高電平及低電平的保持時(shí)間來(lái)達(dá)到 [5]。脈沖頻率對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速也有影響，脈沖頻率高連續(xù)性好，單帶負(fù)載能力差，頻率低則反之。脈寬調(diào)速實(shí)質(zhì)上是調(diào)節(jié)加在電機(jī)兩端的平均功率，通過(guò)計(jì)算可發(fā)現(xiàn)小車的速度與脈寬成正比。 PWM 調(diào)速原理分析 PWM是通過(guò)控制固定電壓的直流電源開(kāi)關(guān)頻率 ,從而改變負(fù)載兩端的電壓 ,進(jìn)而達(dá)到控制要 求的一種電壓調(diào)整方法。 在 PWM 驅(qū)動(dòng)控制的調(diào)整系統(tǒng)中，按一個(gè)固 定的頻率來(lái)接通和斷開(kāi)電源 ,并根據(jù)需要改變一個(gè)周期內(nèi)“接通”和“斷開(kāi)”時(shí)間的長(zhǎng)短 [8]。因此 ,P WM 又被稱為 “開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置”如圖 53 所示 。只要按一 定規(guī)律，改變通、 斷電的時(shí)間 ， 即可讓電機(jī)轉(zhuǎn)速得到控制 。 由公式 Vd=VmaxD 可見(jiàn)， 當(dāng)我們改變占空比 D=t1/T 時(shí)， 就可以得到不同的電機(jī)平均速度 Vd， 從而達(dá) 到調(diào)速的目的。 PWM是一種對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。 PWM 信號(hào)仍然是數(shù)字的，因?yàn)樵诮o定的任何時(shí)刻，滿幅值的直流供電要么完全有 (ON)，要么完全無(wú)(OFF)。通的時(shí)候即是直流供電被加到負(fù)載上的時(shí)候，斷的時(shí)候即是供電被斷開(kāi)的時(shí)候。 PWM 的 優(yōu)點(diǎn)是從處理器到被控系統(tǒng)信號(hào)都是數(shù)字形式的，無(wú)需進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn) 換 。噪聲只有在強(qiáng)到足以將邏輯 1 改變?yōu)檫壿?0 或?qū)⑦壿?0 改變?yōu)檫壿?1時(shí)，也才能對(duì)數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生影響。 KDA+M+IaUaUa 圖 54 PWM 調(diào)速原理電路圖 PWM 脈沖驅(qū)動(dòng)電路 ： 直流電機(jī)的速度控制中，需 要對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行功率驅(qū)動(dòng)或電氣隔離， 圖 55 為典型應(yīng)用電路（負(fù)載為直流電機(jī) M）。 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 系統(tǒng)硬件電路的模塊設(shè)計(jì) 21M12J112J2C1D1U14N25R1R3 R2Q1Q212VVCCGND光電隔離PWM 信號(hào)輸入功率驅(qū)動(dòng)級(jí) 圖 55 PWM 脈沖驅(qū)動(dòng)電路 PWM（脈沖寬度調(diào)制）控制，通常配合橋式驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)調(diào)速 ， 非常簡(jiǎn)單，且調(diào)速范圍大，它的原理就是直流斬波原理。電機(jī)的轉(zhuǎn)速與電機(jī)兩端 的電壓成比例，而電機(jī)兩端的電壓與控制波形的占空比成正比，因此電機(jī)的速度與占空比成比例，占空比越大，電機(jī)轉(zhuǎn)得越快，當(dāng)占空比 α＝ 1 時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速最大 [9]。如果要使電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，即得到一個(gè)比較低的 PWM 脈寬輸出值，可以減少接通時(shí)間的值；要使電機(jī)轉(zhuǎn)速增加，即得到一個(gè)更高的 PWM 的輸出值，可以增加接通時(shí)間的值。 PWM 驅(qū)動(dòng)裝置的控制結(jié)構(gòu)可以分為兩大部分，從主電源將 能量傳遞給電機(jī)的電路稱為功率轉(zhuǎn)換電路，其余部分稱為控制電路。 圖 56 PWM 驅(qū)動(dòng)裝置控制原理框圖 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的特點(diǎn)： （ 1） 頻帶寬、頻率高，晶體管“結(jié)電容”小，開(kāi)關(guān)頻率遠(yuǎn)高于可控頻率 （ 20Hz） ，可達(dá) 2～ 10KHz。 脈沖寬度調(diào)制電路 脈沖分 配電路 基極驅(qū)動(dòng)電路 M 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 系統(tǒng)硬件電路的模塊設(shè)計(jì) 22（ 2） 電流脈動(dòng)小，由于 PWM 調(diào)制頻率高，電機(jī)負(fù)載成感性對(duì)電流脈動(dòng)有平滑作用，波形系數(shù)接近于 1。 PWM 系統(tǒng)的直流電源為不受控的整流輸出，功率因數(shù)高。 用 PWM 控制 系統(tǒng)的 電機(jī)調(diào)速電路 根據(jù)對(duì) PWM 調(diào)速原理的分析，本設(shè)計(jì)中選用 PWM 控制電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。為什么會(huì)選用 、 接口呢？是由于 可用作定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 2 的計(jì)數(shù)脈沖輸入端 T2； 可用作定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 2 的外部控制端 T2EX。模塊中為什么要利用脈寬調(diào)制來(lái)控制 電機(jī)呢？由于 脈寬調(diào)制 (PWM)是利用微處理器的數(shù)字輸出來(lái)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測(cè)量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中 [10]。 Q38550Q68550A+Q58050Q78050Q48050Q18050Q28050D41N4148D51N41481KR31KR41KR51KR61KR7GND+9V向前向后+5V+5V330R2GND 圖 57 電機(jī) 驅(qū)動(dòng) 電路 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 系統(tǒng)硬件電路的模塊設(shè)計(jì) 23其控制過(guò)程如下： 為正反轉(zhuǎn)控制端， 為啟?？刂贫?。于是， Q Q Q4 導(dǎo)通， Q Q Q7 截止。電流從 +9V經(jīng) Q3 到電機(jī)“ +”端再到“ ”端最后經(jīng) Q4 入地端，電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng) 為高電平時(shí)，則反之， Q Q Q7 導(dǎo)通， Q Q Q4 截止，電機(jī)反轉(zhuǎn)。 該“橋”的優(yōu)點(diǎn)是原理簡(jiǎn)單、易控制、帶負(fù)載能力強(qiáng)。正因?yàn)椴扇×嗽擁?xiàng)技術(shù)，使我們完成基本要 求的過(guò)程變得簡(jiǎn)單易行。為了簡(jiǎn)單實(shí)用 本設(shè)計(jì)中 采用了脈寬調(diào)速，脈沖寬度的變化可以通過(guò)硬件或是軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，本設(shè)計(jì)就是通過(guò)軟件程序來(lái)實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制的。經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，脈沖頻率在 15~20HZ 效果最好。 PWM 調(diào)速下 小車 行駛狀態(tài)的變化 顯示 本系統(tǒng)小車在脈寬調(diào)制下，共有三種狀態(tài)：停止?fàn)顟B(tài)、加速狀態(tài)和限速狀態(tài)。到達(dá)終點(diǎn)線小車停止后，調(diào)用 延時(shí)子程，使小車停止 10s 后返回起跑線 [12]。 這 三個(gè)紅、綠、黃顏色的發(fā)光二級(jí)管 D D D3 分別 與 單片機(jī)的 、 、 引腳相連，如圖 58 所示 。 30pFC230pFC312MHXTAL1KR1+5V+12345678RESET91011121314151617XTAL218XTAL119VSS202122232425262728PSEN29ALE/PROG30EA/VPP313233343536373839VCC