基于單片機的直流電動機控制系統(tǒng)設計-畢業(yè)設計(共60頁)

1、本科生畢業(yè)設計（論文） PAGE IV摘 要電動機作為最主要(zhyo)的機電能量轉換裝置，其應用范圍已遍及國民經濟的各個領域和人們的日常生活。無論是在工農業(yè)生產、國防、醫(yī)療衛(wèi)生、交通運輸和辦公設備中，還是在日常生活的家用電器和消費電子產品中，都大量使用著各種各樣的電動機。電動機有直流電動機和交流(jioli)電動機，直流電動機發(fā)展的比較早，因其具有良好的調速性能、較大的起動轉矩和過載能力強等許多優(yōu)點，因此在許多行業(yè)中仍有應用。本設計(shj)研究的就是直流電動機控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了對電動機的簡單控制，也就是指對電動機進行啟動、制動和加減速控制。設計中采用了單片機AT89C51與三相橋式全控整流電

2、路配合的控制方法來控制直流電動機的轉速。通過鍵盤鍵入轉速的初始值，液晶顯示屏作為實時監(jiān)控界面顯示設定速度和實時速度，由測速發(fā)電機和電流傳感器構成反饋環(huán)，從而構成一臺直流電機雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。設計中采用PI調節(jié)，在PI控制系統(tǒng)中，速度目標值與速度反饋值比較，將誤差信號送到速度調節(jié)器，速度調節(jié)器的輸出與電流反饋值比較，將誤差信號送到電流調節(jié)器，最后由單片機計算觸發(fā)時間來控制晶閘管的導通，從而來實現(xiàn)可控整流。關鍵詞：AT89C51；整流電路；PI控制；雙閉環(huán)控制AbstractAs for the most primary electric energy conversion device, elec

3、tormotor has applied extensively among each field of national economy and mankind daily life. We use all kinds of electormotors not only in the industrial and agricultural production, national defense, medical treatment and public health, transportation and office equipment, but also in the use of h

4、ousehold appliances and CE in daily life. Electormotor divide into DC generator and alternator. DC generator, which has advantages on speed, starting torgue and overload, thus it is still used in many industries. This design is the study of the DC generator and it has made the simple control of the

5、electormotors came true, that is to say, the start, brake, speed addition and subtract control of electormotor. In order to regulate the revolving speed of the DC electormotors, I used the method of making AT89C51 and three-phase bridge type all control rectifier control system to cooperate with eac

6、h other. A keyboard was used to type the revolving speed of initial value and a LCD was used as the monitor system, tachomoter generator and CT make up a feedback loop, so a DC motor speed control system was achieved. The self-turning PI was applied in this system. In the PI control system, the targ

7、et value of speed has to compare with the feedback value of speed, and then send the error signal to ASR. Comparing the output of the ASR with the current feedback value, sending the error signal to the ACR. At last, in order to control the breakover of thyristoe, I used a singlechip to calculate th

8、e trigger point. Thus, the controlled rectifier achieved.Key words：AT89C51;Rectifier circuit;PI control; Dual closed loop control目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc391360080 第1章 緒 論 PAGEREF _Toc391360080 h 1 HYPERLINK l _Toc391360081 1.1 題目背景(bijng)和意義 PAGEREF _Toc391360081 h 1 HYPERLINK l _Toc3913

9、60082 1.2 國內外研究發(fā)展(fzhn)現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc391360082 h 2 HYPERLINK l _Toc391360083 第2章 系統(tǒng)(xtng)設計方案 PAGEREF _Toc391360083 h 4 HYPERLINK l _Toc391360084 2.1 概述 PAGEREF _Toc391360084 h 4 HYPERLINK l _Toc391360085 2.2 直流調速系統(tǒng)的選擇 PAGEREF _Toc391360085 h 4 HYPERLINK l _Toc391360086 2.2.1 G-M系統(tǒng) PAGEREF _Toc3913

10、60086 h 4 HYPERLINK l _Toc391360087 2.2.2 V-M系統(tǒng) PAGEREF _Toc391360087 h 4 HYPERLINK l _Toc391360088 2.2.3 PWM系統(tǒng) PAGEREF _Toc391360088 h 5 HYPERLINK l _Toc391360089 2.3 系統(tǒng)總體結構圖 PAGEREF _Toc391360089 h 5 HYPERLINK l _Toc391360090 2.3.1 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)結構圖 PAGEREF _Toc391360090 h 5 HYPERLINK l _Toc391360091 2.3

11、.2 系統(tǒng)整體結構圖 PAGEREF _Toc391360091 h 6 HYPERLINK l _Toc391360092 第3章 硬件設計 PAGEREF _Toc391360092 h 7 HYPERLINK l _Toc391360093 3.1 控制器 PAGEREF _Toc391360093 h 7 HYPERLINK l _Toc391360094 3.1.1 控制器的選擇 PAGEREF _Toc391360094 h 7 HYPERLINK l _Toc391360095 3.1.2 最小系統(tǒng)設計 PAGEREF _Toc391360095 h 9 HYPERLINK l

12、_Toc391360096 3.2 鍵盤電路 PAGEREF _Toc391360096 h 10 HYPERLINK l _Toc391360097 3.2.1 CH451簡介 PAGEREF _Toc391360097 h 11 HYPERLINK l _Toc391360098 3.2.2 鍵盤電路硬件連接 PAGEREF _Toc391360098 h 12 HYPERLINK l _Toc391360099 3.3 顯示電路 PAGEREF _Toc391360099 h 13 HYPERLINK l _Toc391360100 3.3.1 LCD1602顯示器簡介 PAGEREF

13、_Toc391360100 h 14 HYPERLINK l _Toc391360101 3.3.2 LCD 1602的性能指標 PAGEREF _Toc391360101 h 15 HYPERLINK l _Toc391360102 3.3.3 LCD1602與單片機的連接 PAGEREF _Toc391360102 h 16 HYPERLINK l _Toc391360103 3.4 報警電路 PAGEREF _Toc391360103 h 17 HYPERLINK l _Toc391360104 3.5 A/D轉換電路 PAGEREF _Toc391360104 h 18 HYPERLI

14、NK l _Toc391360105 3.6 三相全控整流電路 PAGEREF _Toc391360105 h 19 HYPERLINK l _Toc391360106 3.6.1 主電路的設計 PAGEREF _Toc391360106 h 19 HYPERLINK l _Toc391360107 3.6.2 觸發(fā)電路的設計 PAGEREF _Toc391360107 h 22 HYPERLINK l _Toc391360108 3.7 檢測(jin c)電路 PAGEREF _Toc391360108 h 24 HYPERLINK l _Toc391360109 3.7.1 電流環(huán)檢測(j

15、in c)電路 PAGEREF _Toc391360109 h 24 HYPERLINK l _Toc391360110 3.7.2 電壓環(huán)檢測(jin c)電路 PAGEREF _Toc391360110 h 25 HYPERLINK l _Toc391360111 3.8 執(zhí)行機構 PAGEREF _Toc391360111 h 27 HYPERLINK l _Toc391360112 第4章 軟件設計 PAGEREF _Toc391360112 h 28 HYPERLINK l _Toc391360113 4.1 PI控制介紹 PAGEREF _Toc391360113 h 28 HYP

16、ERLINK l _Toc391360114 4.1.1 PI控制方法 PAGEREF _Toc391360114 h 28 HYPERLINK l _Toc391360115 4.1.2 PI調節(jié)器的工作原理 PAGEREF _Toc391360115 h 28 HYPERLINK l _Toc391360116 4.1.3 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)PI調節(jié)器的動態(tài)響應 PAGEREF _Toc391360116 h 29 HYPERLINK l _Toc391360117 4.2 主程序設計 PAGEREF _Toc391360117 h 31 HYPERLINK l _Toc391360118 4

17、.3 初始化程序設計 PAGEREF _Toc391360118 h 31 HYPERLINK l _Toc391360119 4.3.1 LCD初始化 PAGEREF _Toc391360119 h 31 HYPERLINK l _Toc391360120 4.3.2 CH451初始化 PAGEREF _Toc391360120 h 32 HYPERLINK l _Toc391360121 4.3.3 中斷初始化 PAGEREF _Toc391360121 h 33 HYPERLINK l _Toc391360122 4.3.4 A/D轉換初始化 PAGEREF _Toc391360122

18、h 33 HYPERLINK l _Toc391360123 4.4 子程序設計 PAGEREF _Toc391360123 h 34 HYPERLINK l _Toc391360124 4.4.1 中斷程序的設計 PAGEREF _Toc391360124 h 34 HYPERLINK l _Toc391360125 4.4.2 觸發(fā)程序的設計 PAGEREF _Toc391360125 h 35 HYPERLINK l _Toc391360126 4.4.3 PI子程序的設計 PAGEREF _Toc391360126 h 35 HYPERLINK l _Toc391360127 第5章

19、結論 PAGEREF _Toc391360127 h 36 HYPERLINK l _Toc391360128 參考文獻 PAGEREF _Toc391360128 h 37 HYPERLINK l _Toc391360129 致謝 PAGEREF _Toc391360129 h 39 HYPERLINK l _Toc391360130 附錄 PAGEREF _Toc391360130 h 40 HYPERLINK l _Toc391360131 附錄 PAGEREF _Toc391360131 h 41 HYPERLINK l _Toc391360132 附錄 PAGEREF _Toc391

20、360132 h 51 PAGE 56緒 論題目(tm)背景(bijng)和意義(yy)電氣傳動技術以電動機控制為控制對象，以微電子裝置為核心，以電力電子 功率變換裝置為執(zhí)行機構，在自動控制理論指導下組成電氣傳動控制系統(tǒng)。因電 機種類的不同分為直流電動機傳動(簡稱直流傳動)、交流電動機傳動(簡稱交流傳動)、步進電機傳動(簡稱步進傳動)、伺服電動機傳動(簡稱伺服傳動)等等。眾所周知，與交流調速系統(tǒng)相比，由于直流調速系統(tǒng)的調速精度高，調速范圍廣，變流裝置控制簡單，長期以來在調速傳動中占統(tǒng)治地位。在要求調速性能較高的場合，一般都采用直流電氣傳動。目前，通過對電動機的控制，將電能轉換為機械能進而控制工

21、作機械按給定的運動規(guī)律運行且使之滿足特定要求的新型電氣傳動自動化技術已廣泛應用于國民經濟的各個領域。三十多年來，直流電機傳動經歷了重大的變革。首先實現(xiàn)了整流器的更新?lián)Q代，以晶閘管整流裝置取代了習用已久的直流發(fā)電機電動機組及水銀整流裝置使直流電氣傳動完成了一次大的躍進。同時，控制電路已經實現(xiàn)高集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技術的應用，使直流調速系統(tǒng)的性能指標大幅提高，應用范圍不斷擴大。直流調速技術不斷發(fā)展，走向成熟化、完善化、系列化、標準化，在可逆脈寬調速、高精度的電氣傳動領域中仍然難以替代。由于直流電氣傳動技術的研究和應用已達到比較成熟的地步，應用相當普遍，尤其是全數(shù)字直流系統(tǒng)的出現(xiàn)，

22、更提高了直流調速系統(tǒng)的精度及可靠性。所以，今后一個階段在調速要求較高的場合，如軋鋼廠、海上鉆井平臺等，直流調速仍然處于主要地位。 早期直流傳動的控制系統(tǒng)采用模擬分離器件構成，由于模擬器件有其固有的缺點，如存在溫漂、零漂電壓，構成系統(tǒng)的器件較多，使得模擬直流傳動系統(tǒng)的控制精度及可靠性較低。隨著計算機控制技術的發(fā)展，直流傳動系統(tǒng)已經廣泛使用微機，實現(xiàn)了全數(shù)字化控制。由于微機以數(shù)字信號工作，控制手段靈活方便，抗干擾能力強。所以，全數(shù)字直流調速控制精度和可靠性比模擬直流調速系統(tǒng)大大提高。而且通過系統(tǒng)總線全數(shù)字化控制系統(tǒng)，能與管理計算機、過程計算機、遠程電控裝置進行交換，實現(xiàn)生產過程的自動化分級控制。所

23、以，直流傳動控制采用微機實現(xiàn)全數(shù)字化，使直流調速系統(tǒng)進入一個嶄新的階段。國內外研究發(fā)展現(xiàn)狀電力電子技術是電機控制技術發(fā)展的最重要的助推器，電力電機技術的迅猛 發(fā)展，促使了電機控制技術水平有了突破性的提高。從20世紀60年代第一代電力電子器件-晶閘管(SCR)發(fā)明至今，已經歷了第二代有自關斷能力的電力電子器 件-GTR、GTO、MOSFET，第三代復合場控器件-IGBT、MCT等，如今正蓬勃發(fā)展的第四代產品-功率集成電路(PIC)。每一代的電力電子元件也未停頓，多年來其結構、工藝不斷改進，性能有了飛速提高，在不同應用領域它們在互相競爭，新的應用不斷出現(xiàn)。同時電機控制技術的發(fā)展得力于微電子技術、電

24、力電子技術、傳感器技術、永磁材料技術、自動控制技術和微機應用技術的最新發(fā)展成就。正是這些技術的進步使電動機控制技術在近二十多年內發(fā)生了天翻地覆的變化。早期直流傳動的控制器由模擬分離器件(qjin)構成，由于模擬器件有其固有的缺點，如存在溫漂、零漂電壓，構成系統(tǒng)的器件較多，使得模擬直流傳動系統(tǒng)的控制精度及可靠性較低。20世紀(shj)70年代以來(yli)，利用單片機作為控制器開始在電機控制系統(tǒng)中被廣泛使用，如AT89C51等。在單片機控制系統(tǒng)中，單片機作為系統(tǒng)控制的核心，主要用來完成一些算法，同時還要處理一些輸入/輸出、顯示任務等，單片機的使用使電動機控制系統(tǒng)的性能得到了很大提高。微機出現(xiàn)于2

25、0 世紀70 年代，隨著大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路制造工藝的 迅速發(fā)展，微機的性能越來越高，價格越來越便宜。此外，電力電子的發(fā)展，使得大功率電子器件的性能迅速提高。因此就有可能比較普遍地應用微機來控制電 機，完成各種新穎的、高性能的控制策略，使電機的各種潛在能力得到充分的發(fā)揮，使電機的性能更符合使用要求，還可以制造出各種便于控制的新型電機，使電機出現(xiàn)新的面貌。比較簡單的電機微機控制，只要用微機控制繼電器或電子開 關元件使電路開通或關斷就可以了。在各種機床設備及生產流水線中，現(xiàn)在已普 遍采用帶微機的可編程控制器，按一定的規(guī)律控制各類電機的動作。對于復雜的 電機控制，則要用微機控制電機的電壓、電流、

26、轉矩、轉速、轉角等等，使電機按給定的指令準確工作。通過微機控制，可使電機的性能有很大的提高。傳統(tǒng)的直流電機和交流電機各有優(yōu)缺點，直流電機調速性能好，但帶有機械換向器，有機械磨損及換向火花等問題。交流電機不論是異步電機還是同步電機，結構都比直流電機簡單，工作也比直流電機可靠，但在頻率恒定的電網上運行時，它們的速度不能方便而經濟地調節(jié)。電機調速系統(tǒng)采用微機實現(xiàn)數(shù)字化控制，是電氣傳動發(fā)展的主要方法之一。從80 年代中后期起，世界各大電氣公司都在競相開發(fā)數(shù)字式調速傳動裝置，直流調速已發(fā)展到一個很高的技術水平：功率元件采用可控硅；控制板采用表面安裝技術；控制方式采用電源換相、相位控制。特別是采用了微機及

27、其他先進技術， 使數(shù)字式直流調速裝置具有很高的精度、優(yōu)良的控制性能和強大的抗干擾能力，在國內外得到廣泛的應用。數(shù)字化直流調速裝置作為最新控制水平的傳動方式更顯示了強大優(yōu)勢。 數(shù)字化直流調速系統(tǒng)不斷推出，為工程應用提供了優(yōu)越的條件。采用微機控制后，整個調速系統(tǒng)實現(xiàn)全數(shù)字化，結構簡單，可靠性高，操作維護方便，電機穩(wěn)態(tài)運行時轉速精度可達到較高水平。直流電機具有優(yōu)良的調速特性，調速平滑，調速范圍廣，過載能力大，能承受頻繁的沖擊負載，可實現(xiàn)頻繁的無級快速起動、制動和反轉，能滿足生產過程自動化系統(tǒng)各種不同的特殊運行要求。由于微機具有較佳的性能價格比，所以微機在工業(yè)過程及設備控制中得到日益廣泛的應用。系統(tǒng)(

28、xtng)設計方案概述(i sh)本次畢業(yè)設計的主要內容是用單片機做控制器，完成對直流電動機控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的自動控制，系統(tǒng)采用單片機與三相橋式全控整流電路配合的控制方法(fngf)由單片機鍵盤輸入轉速設定值，該數(shù)值與數(shù)字測速裝置采樣的轉速值進行比較，得到一個差值，再經過轉速環(huán)和電流環(huán)的PI調節(jié)控制程序運算，得到整流電路中可控硅對應的觸發(fā)時刻，輸出可變整流電壓。 本課題的設計要達到的目標是以AT89C51單片機為核心以小型直流電機為控制對象，實現(xiàn)雙閉環(huán)PI控制，通過改變三相電路中可控硅的移向觸發(fā)脈沖來改變整流電路，進而實現(xiàn)調速的目的。直流調速系統(tǒng)的選擇在現(xiàn)代化工業(yè)生產中，生產機

29、械都不停的運動著，幾乎無處不使用電力傳動裝置。由于各種不同的生產機械運動規(guī)律不一樣，對傳動裝置性能的要求也不一樣。為了提高產品質量，增加產量，提高生產效率，越來越多的生產機械要求能實現(xiàn)轉速調節(jié)與相應的自動化控制，并且對電力傳動裝置的拖動性能要求也越來越高。所以直流調速系統(tǒng)也在不斷的發(fā)展，到現(xiàn)在為止有三種主要的控制系統(tǒng)G-M系統(tǒng)、V-M系統(tǒng)和PWM系統(tǒng)。G-M系統(tǒng)此系統(tǒng)由原動機(柴油機、交流異步或同步電動機)拖動直流發(fā)電機G實現(xiàn)變流，由G給需要調速的直流電動機M供電，調節(jié)G的勵磁電流if即可改變其輸出電壓U，從而調節(jié)電動機的轉速n。這樣的調速系統(tǒng)簡稱G-M系統(tǒng)，國際上統(tǒng)稱Ward-Leonard

30、系統(tǒng)。這種控制系統(tǒng)有很多缺點，包括設備多、體積大、費用高、效率低和運行有噪聲等。V-M系統(tǒng)晶閘管-電動機調速系統(tǒng)(簡稱V-M系統(tǒng)，又稱靜止的Ward-Leonard系統(tǒng))，VT是晶閘管可控整流器，通過調節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓Uc來觸發(fā)脈沖的相位，即可改變整流電壓Ud，從而實現(xiàn)平滑調速。與G-M系統(tǒng)相比較，晶閘管整流裝置(zhungzh)不僅在經濟性和可靠性上都有很大提高，而且在技術性能上也顯示較大的優(yōu)越性。晶閘管可控整流器的功率放大倍數(shù)在104以上，其門極電流可以直接用晶閘管來控制，不再像直流發(fā)電機那樣需要較大功率的放大器。在控制作用的快速性上，交流(jioli)機組是秒級，而晶閘管整流器是

31、毫秒級，這將大大提高系統(tǒng)的動態(tài)性能。但是(dnsh)V-M系統(tǒng)也有缺點，由于晶閘管的單向導電性，它不允許電流反向，給系統(tǒng)的可逆運行造成困難。晶閘管對過電壓、過電流和高的dv/dt與di/dt都十分敏感，若超過允許值會在很短的時間內損壞器件。由諧波與無功功率引起電網電壓波形畸變，殃及附近的用電設備，造成“電力公害”。三種可控直流電源，V-M系統(tǒng)在上世紀60-70年代得到廣泛應用，目前主要用于大容量系統(tǒng)。PWM系統(tǒng)此系統(tǒng)用恒定直流電源或不控整流電源供電，利用電力電子開關器件斬波或進行脈寬調制，以產生可變的平均電壓。在要求快速響應的直流調速場合PWM變換電源具有不可替代的優(yōu)勢。這種控制系統(tǒng)較前兩種控

32、制系統(tǒng)有很多優(yōu)點，主電路線路簡單，需要的功率器件少。開關頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少。低速性能好，調速范圍寬，可達1：10000左右。若與快速響應的電機配合，動態(tài)響應快，動態(tài)抗擾能力強。功率開關器件工作在開關狀態(tài)，道童損耗小，當開關頻率適當時，開關損耗不大，因而裝置效率較高。直流PWM調速系統(tǒng)作為一種新技術，發(fā)展迅速，應用日益廣泛，特別在中、小容量的系統(tǒng)中，已取代V-M系統(tǒng)成為主要的直流調速方式。系統(tǒng)總體結構圖比較以上三種控制系統(tǒng)，由于G-M系統(tǒng)缺點，本設計不考慮第一種控制系統(tǒng)。雖然V-M系統(tǒng)比較PWM系統(tǒng)來說也有很多缺點，但是由于本畢業(yè)設計的方向是用于大容量系統(tǒng)，而且考慮到經費的問題，所以本

33、設計選擇V-M系統(tǒng)作為主控制系統(tǒng)。雙閉環(huán)調速系統(tǒng)結構圖本設計為了實現(xiàn)轉速和電流兩種負反饋分別作用，在系統(tǒng)中設置了兩個調節(jié)器，分別調節(jié)轉速和電流，即分別引入轉速負反饋和電流負反饋，二者之間實行嵌套聯(lián)接。把轉速調節(jié)器的輸出當作電流調節(jié)器輸入，再用電流調節(jié)器的輸出去控制觸發(fā)器。從閉環(huán)結構上看，電流環(huán)在里面，稱作內環(huán)；轉速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。這樣就形成了轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)。結構圖如圖2.1。圖2.1雙閉環(huán)調速系統(tǒng)(xtng)結構圖系統(tǒng)(xtng)整體(zhngt)結構圖本控制系統(tǒng)的核心是數(shù)字控制器，選用 Atmel公司生產的AT89C51，與其它電路連接組成控制系統(tǒng)。由鍵盤電路實現(xiàn)轉速的設定，顯

34、示電路實現(xiàn)轉速的實時監(jiān)控，測速發(fā)電機實現(xiàn)速度的檢測和反饋，電流傳感器實現(xiàn)電流的檢測和反饋，過零檢測實現(xiàn)零點電壓的檢測，報警電路實現(xiàn)異常報警，由三相全控整流電路與控制器相配和實現(xiàn)直流電動機的控制。結構圖如圖2.2。圖2.2系統(tǒng)整體結構圖硬件設計控制器控制器的選擇(xunz)本設計(shj)選用Atmel公司(n s)生產的AT89C51單片機，AT89C51是一個低電壓，高性能CMOS8位單片機帶有4K字節(jié)的可反復擦寫的程序存儲器（PENROM）。和128字節(jié)的存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），這種器件采用ATMEL公司的高密度、不容易丟失存儲技術生產，并且能夠與MCS-51系列的單片機兼容。片內含有8

35、位中央處理器和閃爍存儲單元，有較強的功能的AT89C51單片機能夠被應用到控制領域中。AT89C51提供以下的功能標準：4K字節(jié)閃爍存儲器，128字節(jié)隨機存取數(shù)據(jù)存儲器，32個I/O口，2個16位定時/計數(shù)器，1個5向量兩級中斷結構，1個串行通信口，片內震蕩器和時鐘電路。另外，AT89C51還可以進行0HZ的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件的節(jié)電模式。閑散方式停止中央處理器的工作，能夠允許隨機存取數(shù)據(jù)存儲器、定時/計數(shù)器、串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存隨機存取數(shù)據(jù)存儲器中的內容，但震蕩器停止工作并禁止其它所有部件的工作直到下一個復位。單片機引腳圖如圖3.1所示。圖3.1 AT89C51

36、引腳圖引腳說明如下：VCC：電源電壓 GND：地P0口：P0口是一組8位漏極開路(kil)雙向I/O口，即地址(dzh)/數(shù)據(jù)總線復用口。作為(zuwi)輸出口時，每一個管腳都能夠驅動8個TTL電路。當“1”被寫入P0口時，每個管腳都能夠作為高阻抗輸入端。P0口還能夠在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，轉換地址和數(shù)據(jù)總線復用，并在這時激活內部的上拉電阻。P0口在閃爍編程時，P0口接收指令，在程序校驗時，輸出指令，需要接電阻。P1口：P1口一個帶內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1的輸出緩沖級可驅動4個TTL電路。對端口寫“1”，通過內部的電阻把端口拉到高電平，此時可作為輸入口。因為內部有電阻，

37、某個引腳被外部信號拉低時輸出一個電流。閃爍編程時和程序校驗時，P1口接收低8位地址。P2口：P2口是一個內部帶有上拉電阻的8位雙向I/O口，P2的輸出緩沖級可驅動4個TTL電路。對端口寫“1”，通過內部的電阻把端口拉到高電平，此時，可作為輸入口。因為內部有電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流。在訪問外部程序存儲器或16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器時，P2口送出高8位地址數(shù)據(jù)。在訪問8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器時，P2口線上的內容在整個運行期間不變。閃爍編程或校驗時，P2口接收高位地址和其它控制信號。P3口：P3口是一組帶有內部電阻的8位雙向I/O口，P3口輸出緩沖故可驅動4個TTL電路。對P3口

38、寫如“1”時，它們被內部電阻拉到高電平并可作為輸入端時，被外部拉低的P3口將用電阻輸出電流。P3口除作為一般的I/O口外，更重要的用途是它的第二功能，如表3.1所示：表3.1 P3口第二功能 端口引腳 第二功能 P3.0 RXD（串行輸入口） P3.1 TXD（串行輸出口） P3.2 （外中斷0） P3.3 （外中斷1） P3.4 T0（定時/計數(shù)器器0外部輸入） P3.5 T1（定時/計數(shù)器器1外部輸入） P3.6 （外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） P3.7 （外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）P3 口還接收一些用于閃爍存儲器編程和程序校驗的控制信號。RST：復位輸入。當震蕩器工作時，RET引腳出現(xiàn)兩個機器周期

39、以上的高電平將使單片機復位。ALE/ ：當訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，ALE輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。即使不訪問外部存儲器，ALE以時鐘震蕩頻率的1/16輸出固定的正脈沖信號，因此它可對輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個ALE脈沖時，閃爍存儲器編程時，這個引腳還用于輸入編程脈沖。如果必要，可對特殊寄存器區(qū)中的8EH單元的D0位置禁止ALE操作。這個位置后只有一條MOVX和MOVC指令ALE才會被應用。此外，這個引腳會微弱拉高，單片機執(zhí)行外部程序時，應設置ALE無效。：程序儲存允許(ynx)輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當AT89C51由外部

40、程序存儲器讀取指令時，每個機器(j q)周期兩次PSEN 有效，即輸出兩個脈沖。在此期間，當訪問外部(wib)數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的PSEN 信號不出現(xiàn)。EA/VPP：外部訪問允許。欲使中央處理器僅訪問外部程序存儲器，EA端必須保持低電平。需要注意的是：如果加密位LBI被編程，復位時內部會鎖存EA端狀態(tài)。如EA端為高電平，CPU則執(zhí)行內部程序存儲器中的指令。閃爍存儲器編程時，該引腳加上+12V的編程允許電壓VPP，當然這必須是該器件是使用12V編程電壓VPP。XTAL1：震蕩器反相放大器及內部時鐘發(fā)生器的輸入端。XTAL2：震蕩器反相放大器的輸出端。最小系統(tǒng)設計AT89C51可以采用片內震

41、蕩或者片外震蕩。片內震蕩：芯片中中有一個用于構成內部震蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是該放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或陶瓷諧振器一起構成自然震蕩器。外接石英晶體及電容C1，C2接在放大器的反饋回路中構成并聯(lián)震蕩電路。對外接電容C1，C2雖然沒有十分嚴格的要求，但電容容量的大小會輕微影響震蕩頻率的高低、震蕩器工作的穩(wěn)定性、起振的難易程序及溫度穩(wěn)定性。用戶也可以采用外部時鐘。片外震蕩：外部時鐘脈沖接到XTAL1端，即內部時鐘發(fā)生器的輸入端，XTAL2則懸空。由于外部時鐘信號是通過一個2分頻觸發(fā)器后作為內部時鐘信號的，所以對外部時鐘信號的占空

42、比沒有特殊要求，但最小高電平持續(xù)時間和最大的低電平持續(xù)時間應符合產品技術條件的要求。本設計采用的是片內震蕩，復位電路采用簡單上電自動復位和手動復位電路，上電自動復位是在上電瞬間，電壓VCC短時間內從0V上升到5V，這一瞬間相當于 HYPERLINK /search?word=%E4%BA%A4%E6%B5%81%E7%94%B5&fr=qb_search_exp&ie=utf8 t _blank 交流電，電容相當于導線，5V的電壓全部加在10K電阻上，也就是說，這時RESET的 HYPERLINK /search?word=%E7%94%B5%E5%B9%B3&fr=qb_search_exp

43、&ie=utf8 t _blank 電平狀態(tài)為 HYPERLINK /search?word=%E9%AB%98%E7%94%B5%E5%B9%B3&fr=qb_search_exp&ie=utf8 t _blank 高電平。但是從上電開始，電容自己就慢慢充電，其兩端電壓呈曲線上升，最終達到5V，也就是說其正端電位為5V，負端電位為0V，其負端也就正好是RESET，此時RESET為 HYPERLINK /search?word=%E4%BD%8E%E7%94%B5%E5%B9%B3&fr=qb_search_exp&ie=utf8 t _blank 低電平， HYPERLINK /search

44、?word=%E5%8D%95%E7%89%87%E6%9C%BA&fr=qb_search_exp&ie=utf8 t _blank 單片機開始正常工作。手動復位是當按鍵按下時，電容兩端構成回路并放電，使RST端重新變?yōu)?HYPERLINK /search?word=%E9%AB%98%E7%94%B5%E5%B9%B3&fr=qb_search_exp&ie=utf8 t _blank 高電平，按鍵抬起時電容又充電使RST變回 HYPERLINK /search?word=%E4%BD%8E%E7%94%B5%E5%B9%B3&fr=qb_search_exp&ie=utf8 t _bla

45、nk 低電平，從而達到復位效果。單片機最小系統(tǒng)如圖3.2。圖3.2 AT89C51最小系統(tǒng)(xtng)鍵盤(jinpn)電路鍵盤(jinpn)電路分為獨立式按鍵和矩陣式按鍵。獨立式按鍵是指直接用I/O口線構成的單個按鍵電路。每個獨立式按鍵單獨占有一跟I/O口線，每根I/O口線的工作狀態(tài)不會影響其他I/O口線的工作狀態(tài)，這是一種最簡單易懂的按鍵結構。獨立式按鍵雖然電路配置靈活，硬件結構簡單，但在每個按鍵必須占用一根I/O口線的情況下，在按鍵較多時，I/O口線浪費較大。故只在按鍵數(shù)量不多時采用這種按鍵電路。在此電路中，按鍵輸入都采用低電平有效，上拉電阻保證了按鍵斷開時，I/O口線有確定的高電平。矩

46、陣式按鍵也稱行列是按鍵，矩陣式鍵盤中，行、列線分別連接到按鍵開關的兩端，行線通過上拉電阻接到+5V上。當無鍵按下時，行線處于高電平狀態(tài)；當有鍵按下時，行、列線將導通，此時，行線電平將由與此行線相連的列線電平決定。這一點是識別矩陣按鍵是否被按下的關鍵。然而，矩陣鍵盤中的行線、列線和多個鍵相連，各按鍵按下與否均影響該鍵所在行線和列線的電平，各按鍵間將相互影響，因此，必須將行線、列線信號配合起來作適當處理，才能確定閉合鍵的位置。矩陣式按鍵適用于按鍵較多的場合，可以減少對CPU的占用。1單片機在開發(fā)過程中，常常會因為資源不足而不得不使用擴展接口芯片以滿足應用系統(tǒng)的需要，其中原因之一是人機界面中的鍵盤顯

47、示占用了系統(tǒng)太多資源，從而造成系統(tǒng)龐大，同時降低了系統(tǒng)的可靠性。在單片機應用系統(tǒng)中，鍵盤顯示通?？刹捎靡韵聨追N方式：1采用并行接口的鍵盤顯示專用芯片8279。但8279所需外圍元件多（顯示驅動、譯碼等）、占用電路板面積大、綜合成本高，在中小系統(tǒng)中常常大材小用；2采用(ciyng)通用并行I/O擴展(kuzhn)芯片（如用8155、8255等），但此方案同樣(tngyng)需要驅動顯示，同時鍵盤顯示掃描還需占用CPU大量時間；3 采用專用顯示控制器，并用CPU的I/O引腳完成鍵盤輸入（如MC14499、PS7219、MAX7219、ICM7218、TLC5921等，大多是串行接口并有顯示驅動能力

48、，I/O占用少）。這種接口方式省去了顯示的掃描，而且電路大多也很簡單，通常在系統(tǒng)需要的按鍵較少時比較適用；4 采用帶I2C總線的鍵盤顯示芯片（如顯示用SAA1066，鍵盤用PCF8574），不過這種方式對于無I2C總線接口的CPU來說，編程顯得有些不便；5采用串行接口的鍵盤顯示專用芯片，如BC728081、HD7279、CH451等。這類芯片占用CPU的資源少，傳輸速度較快，外圍器件要求也較少，在中小系統(tǒng)中都可得到廣泛的應用。綜上所述，本設計采用44矩陣式鍵盤和CH451芯片組合構成鍵盤電路。CH451簡介CH451是一個整合了數(shù)碼管顯示驅動和鍵盤掃描控制以及P監(jiān)控的多功能外圍芯片。CH451

49、內置RC振蕩電路，可以直接動態(tài)驅動8位數(shù)碼管或者64位LED，具有BCD譯碼或不譯碼功能，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的左移、右移、左循環(huán)、右循環(huán)、各數(shù)字獨立閃爍等控制功能。CH451內置大電流驅動級，段電流不小于30mA，字電流不小于160mA，并有16級亮度控制功能；在鍵盤控制方面，該器件內置64鍵鍵盤控制器，可實現(xiàn)88矩陣鍵盤掃描，并內置去抖動電路，可提供按鍵中斷與按鍵釋放標志位等功能；在外部接口方面，CH451可選擇簡潔的1線串行接口或高速4線串行接口，且內置上電復位，可提供高電平有效復位和低電平有效復位兩種輸出，同時內置看門狗電路Watch-Dog。（1）顯示驅動：內置大電流驅動級，段電流不小于25m

50、A,字電流不小于150mA。動態(tài)顯示掃描控制，直接驅動8位數(shù)碼管或64只發(fā)光LED?？蛇x數(shù)碼管的段與數(shù)據(jù)位相對應的不譯碼方式或者BCD譯碼方式。數(shù)碼管的字數(shù)據(jù)左移、右移、左循環(huán)、右循環(huán)。各數(shù)碼管數(shù)字獨立閃爍控制。任意段位尋址，獨立控制各個LED或者數(shù)碼管的各個段的亮與滅。支持段電流上限調整，可以省去所有限流電阻。掃描極限控制，支持1到8個數(shù)碼管，只為有效數(shù)碼管分配掃描時間。（2）鍵盤控制：內置64鍵鍵盤控制器，基于8x8矩陣鍵盤掃描。內置按鍵狀態(tài)輸入的下拉電阻，內置去抖電路。鍵盤中斷，低電平有效輸出。提供按鍵釋放標志位，可供按鍵按下查詢釋放。（3）其他：高速的4線串行接口，支持多片級聯(lián)，時鐘速

51、度從0到10MHZ。串行接口中的DIN和DCLK信號線可以與其他接口電路共用，節(jié)約引腳。內置時鐘振蕩電路，不需外接晶體或阻容振蕩。內置上電復位和看門狗，提供高電平有效和低電平有效復位輸出。該芯片支持3V到5V電源電壓。（4）電氣(dinq)特性：CH451顯示(xinsh)掃描的周期最大為6.5毫秒，所以數(shù)碼管不會出現(xiàn)閃屏現(xiàn)象。鍵盤掃描間隔(jin g)，按鍵響應時間最大為70毫秒；數(shù)碼管閃爍顯示值0.7HZ；看門狗溢出范圍300到930毫秒，典型值為550毫秒 6。鍵盤電路硬件連接本設計設置了16個按鍵，09鍵為數(shù)字鍵，AF為功能鍵，其中A為啟動鍵，B為停止鍵，C為加速鍵，D為減速鍵，E為速

52、度設定鍵，F(xiàn)為確定鍵。（1）CH451與單片機的連接與單片機連接一共需要4根控制線，其中DIN和單片機的P2.1連接， DCLK和單片機的P2.0連接，DOUT和單片機的中斷口P3.3連接，LOAD和單片機的P3.6連接。連接圖如圖3.3。 圖3.3 CH451與單片機的連接（2）CH451與矩陣鍵盤的連接CH451和矩陣鍵盤電路的連接如圖3.4所示。CH451對應的鍵盤編碼值如表3.2所示。圖3.4 CH451與矩陣鍵盤(jinpn)的連接表3.2 按鍵(n jin)編碼按鍵代碼DIG7DIG6DIG5DIG4DIG3DIG2DIG1DIG0 SEG047H46H45H44H43H42H41

53、H40H SEG14FH4EH4DH4CH4BH4AH49H48H SEG257H56H55H54H53H52H51H50H SEG35FH5EH5DH5CH5BH5AH59H58H SEG467H66H65H64H63H62H61H60H SEG56FH6EH6DH6CH6BH6AH69H68H SEG677H76H75H74H73H72H71H70H SEG77FH7EH7DH7CH7BH7AH79H78H顯示(xinsh)電路為方便人們的觀察和監(jiān)視單片機的運行情況，通常需要用一種顯示器作為單片機的輸出設備，用來顯示單片機的鍵輸入值、中間信息及運算結果等。常用的顯示器主要有LED（發(fā)光二極

54、管顯示器）和LCD（液晶顯示器）。這兩種顯示器具有耗電省、配置靈活、線路簡單、安裝方便、耐振動、壽命長等優(yōu)點。兩者相比，LED顯示器價格更低廉，結構更簡單，LCD顯示功耗更低，顯示清晰度更高。所以本設計選用LCD作為顯示器，型號為LCD 1602。LCD1602顯示器簡介1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等的 HYPERLINK /view/545607.htm t _blank 點陣型液晶模塊。它由若干個5X7或者5X11等 HYPERLINK /view/545607.htm t _blank 點陣字符位組成，每個點陣字符位都可以顯示一個字符，每位之間

55、有一個點距的間隔，每行之間也有間隔，起到了字符間距和行間距的作用，正因為如此所以它不能很好地顯示圖形（用自定義CGRAM，顯示效果也不好）。1602LCD是指顯示的內容為16X2,即可以顯示兩行，每行16個字符液晶模塊（顯示字符和數(shù)字）。市面上字符液晶大多數(shù)是基于HD44780液晶芯片的，控制原理是完全相同的，因此基于HD44780寫的控制程序可以很方便地應用于市面上大部分的字符型液晶。實物圖如圖3.5。圖 3.5 LCD 1602顯示器正反面LCD1602引腳功能(gngnng)：第1腳：VSS為電源(dinyun)地，接GND。第2腳：VDD接5V正電源(dinyun)。第3腳：VO為液晶

56、顯示器對比度調整端，接正電源時對比度最弱，接地電源時對比度最高，對比度過高時會產生“鬼影”，使用時可以通過一個10K的電位器調整對比度。第4腳：RS為寄存器選擇，高電平時選數(shù)據(jù)寄存器、低電平時選指令寄存器。第5腳：RW為讀寫信號線，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。當RS和RW共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址，當RS為低電平RW為高電平時可以讀忙信號，當RS為高電平RW為低電平時可以寫入數(shù)據(jù)。第6腳：EN為使能端，當E端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執(zhí)行命令。第714腳：D0D7為8位雙向數(shù)據(jù)線。第15腳：BLA背光電源正極(+5V)輸入引腳。 第16腳：BLK背光電源負極，接G

57、ND。 引腳接口說明如表3.3 6。表3.3 引腳接口說明編號符號 引腳說明編號符號引腳說明 1VSS 電源地9D2數(shù)據(jù)口 2VDD 電源正極10D3數(shù)據(jù)口 3VO 液晶顯示器對比度調整端11D4數(shù)據(jù)口 4RS 數(shù)據(jù)/命令選擇端(H/L)12D5數(shù)據(jù)口 5R/W 讀/寫選擇端(H/L)13D6數(shù)據(jù)口 6E 使能信號14D7數(shù)據(jù)口 7D0 數(shù)據(jù)口15BLA背光源正極 8D1 數(shù)據(jù)口16BLK背光源負極LCD 1602的性能指標LCD1602可顯示(xinsh)兩行，每行16個字符，不能顯示(xinsh)漢字，內置含128個字符的ASCII字符集字庫，只有(zhyu)并行接口，無串行接口。這種16

58、02字符型LCD通常有14條引腳線或16條引腳線的LCD，多出來的2條線是背光電源線。字符型液晶顯示模塊是一種專門用于顯示字母、數(shù)字、符號等點陣式LCD，目前常用161，162，202和402行等的模塊。1602字符型LCD的主要技術參數(shù)為：（1）顯示容量：162個字符；（2）芯片工作電壓：4.55.5V；（3）工作電流2mA(5.0V)不包括背光電流；（4）模塊最佳工作電壓：5V；（5）字符尺寸：2.954.35(WH)mm。1602字符型LCD的基本操作時序： 讀狀態(tài) 輸入：RS=L，R/W=H，E=H 輸出：D0D7=狀態(tài)字 讀數(shù)據(jù) 輸入：RS=H，R/W=H，E=H 輸出：無寫指令 輸

59、入：RS=L，R/W=L，D0D7=指令碼，E=高脈沖 輸出：D0D7=數(shù)據(jù)寫指令 輸入：RS=H，R/W=L，D0D7=數(shù)據(jù)，E=高脈沖 輸出：無液晶顯示模塊是一個慢顯示器件，所以在執(zhí)行每條指令之前一定要確認模塊的忙標志為低電平，表示不忙，否則此指令失效。要顯示字符時要先輸入顯示字符地址，也就是告訴模塊在哪里顯示字符。液晶顯示模塊有80個字節(jié)的顯示緩沖區(qū)，分兩行，地址分別為00H27H，40H67H，它們實際顯示位置的排列順序跟LCD的型號有關，LCD1602的顯示地址與實際顯示位置的關系如圖3.6。 LCD 16字2行000102030405060708090A0B0C0D0E0F1027

60、404142434445464748494A4B4C4D4E4F5067 圖3.6 LCD1602的顯示地址與實際顯示位置的關系當向圖中的000F、404F地址中任一處寫入顯示數(shù)據(jù)(shj)時，液晶都可立即顯示出來，當寫入到1027或5067地址處時，必須通過移屏指令(zhlng)將它們移入可顯示區(qū)域方可顯示正常 6。LCD1602與單片機的連接(linji)1602液晶顯示模塊可以和單片機AT89C51直接接口，RS、R/W和E分別接單片機P2.5、P2.6和P2.7，D0D7接單片機P0.0P0.7，VO口接一個滑動電阻用于手動調節(jié)液晶顯示器的對比度，VSS和BLK都接地，VDD接電源來給