毕业设计（论文）-基于单片机的全自动洗衣机控制系统1.doc

北京化工大学北方学院毕业设计（论文）诚信申明本人申明：我所呈交的本科毕业设计（论文）是本人在导师指导下对四年专业知识而进行的研究工作及全面的总结。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中创新处不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京化工大学或其它教育机构的学位或证书而已经使用过的材料。与我一同完成毕业设计（论文）的同学对本课题所做的任何贡献均已在文中做了明确的说明并表示了谢意。若有不实之处，本人承担一切相关责任。本人签名： 年 月 日基于单片机的全自动洗衣机控制系统xxx电子信息工程专业 信工0706班 学号指导教师摘 要本文详细介绍了国内洗衣机控制系统的发展现状，发展中所面临的问题。从产品质量、性能及应用方面看洗衣机机的差距；整个行业看国产洗衣机机所存在的问题以及它的发展趋势。同时也详尽的介绍了此次设计中最重要的组成部件单片机的概念、工作原理及设备总体结构，其中包括mcs-51的发展历程，选型依据。设计了一种基于单片机mcs-51的洗衣机机，介绍了所选用的8051、8255等单片机。关键词：洗衣机 单片机 电动机microcontrollerbasedcontrol system forautomatic washing machineabstractthis article introduced in detail the domestic washer control systems development present situation, in the development faces question. from the product quality, the performance and the application aspect look at washers machine disparity; the entire profession looked the domestically produced washer machine exists question as well as its trend of development. simultaneously also in exhaustive introduction this design most important building block monolithic integrated circuits concept, principle of work and equipment gross structure, including mcs-51 the development process, shaping basis. has designed one kind based on the monolithic integrated circuit mcs-51 washer machine, introduced selects 8051, 8255 and so on monolithic integrated circuits. keyword: washer monolithic integrated circuit electric motor目 录前言1第1章课题研究价值2第1.1节洗衣机的发展历程2第1.2节洗衣机的分类4第1.3节洗衣机的工作原理5第1.4节任务要求6第2章 系统硬件设计7第2.1节mcs51单片机主要应用特性7第2.2节洗衣机控制系统面板设计及控制原理图9第2.3节微型处理器10第2.4节系统扩展14第2.5节电源21第3章 电机控制系统的设计23第3.1节直流电机m1控制系统23第3.2节交流电机m2控制系统27第4章 系统软件设计30第4.1节软件构思30第4.2节洗涤过程流程图31第4.3节脱水、漂洗流程图32第4.4节内部中断流程图33第4.5节外部中断流程图34结论35附录36参考文献41致谢42v前 言利用电能产生机械作用来洗涤衣物的清洁电器。按其额定洗涤容量分为家用和集体用两类。中国规定洗涤容量在6kg以下的属于家用洗衣机：家用洗衣机主要由箱体、洗涤脱水桶（有的洗涤和脱水桶分开）、传动和控制系统等组成，有的还装有加热装置。洗衣机一般专指使用水作为主要的清洗液体，有别于使用特制清洁溶液，及通常专人负责的干洗。要了解硬件上单片机内部功能部件，如a/d,d/a,pwm.watchdog,lcd驱动器，串行口等，又要认识c语言在计算机仿真调试，产品更新以及软件升级中的重要作用。但是要做实际的系统，单单从网站上的学习是不够的，所以我从书籍和期刊上查阅了大量的资料。以下是关于洗衣机的一些文献资料。第1章 课题研究价值第1.1节 洗衣机的发展历程从古到今，洗衣服都是一项难于逃避的家务劳动，而在洗衣机出现以前，对于许多人而言，它并不像田园诗描绘的那样充满乐趣，手搓、棒击、冲刷、甩打这些不断重复的简单的体力劳动，留给人的感受常常是：辛苦劳累。 1858年，一个叫汉密尔顿史密斯的美国人在匹茨堡制成了世界上第一台洗衣机。该洗衣机的主件是一只圆桶，桶内装有一根带有桨状叶子的直轴。轴是通过摇动和它相连的曲柄转动的。同年史密斯取得了这台洗衣机的专利权。但这台洗衣机使用费力，且损伤衣服，因而没被广泛使用，但这却标志了用机器洗衣的开端。次年在德国出现了一种用捣衣杵作为搅拌器的洗衣机，当捣衣杵上下运动时，装有弹簧的木钉便连续作用于衣服。19世纪末期的洗衣机已发展到一只用手柄转动的八角形洗衣缸，洗衣时缸内放入热肥皂水，衣服洗净后，由轧液装置把衣服挤干。1874年,“手洗时代”受到了前所未有的挑战，美国人比尔布莱克斯发明了木制手摇洗衣机。布莱克斯的洗衣机构造极为简单，是在木筒里装上6块叶片，用手柄和齿轮传动，使衣服在筒内翻转，从而达到“净衣”的目的。这套装置的问世，让那些为提高生活效率而冥思苦想的人士大受启发，洗衣机的改进过程开始大大加快.1880年，美国又出现了蒸气洗衣机，蒸气动力开始取代人力。经历了上百年的发展改进，现代蒸汽洗衣机较早期有了无与伦与的提高，但原理是相同的。现代蒸汽洗衣机的功能包括蒸汽洗涤和蒸汽烘干，采用了智能水循环系统，可将高浓度洗涤液与高温蒸气同时对衣物进行双重喷淋，贯穿全部洗涤过程，实现了全球独创性的“蒸汽洗”全新洗涤方式。与普通滚筒洗衣机在洗涤时需要加热整个滚筒的水不同，蒸汽洗涤是以深层清洁衣物为目的，当少量的水进入蒸汽发生盒并转化为蒸汽后，通过高温喷射分解衣物污渍。蒸汽洗涤快速、彻底，只需要少量的水，同时可节约时间。对于放在衣柜很长时间产生褶皱、异味的冬季衣物，能让其自然舒展，抚平褶皱。“蒸汽烘干”的工作原理则是把恒定的蒸汽喷洒在衣物上，将衣物舒展开之后，再进行恒温冷凝式烘干。通过这种方式，厚重衣物不仅干得更快，并且具有舒展和熨烫的效果。蒸汽洗衣机之后，水力洗衣机、内燃机洗衣机也相继出现。水力洗衣机包括洗衣筒、动力源和与船相连接的连接件，洗衣机上设有进、出水孔，洗衣机外壳上设有动力源，洗衣筒上设有衣物进口孔，其进口上设有密封盖，洗衣机通过连接件与船相连。它无需任何电力，只需自然的河流水力就能洗涤衣物，解脱了船民在船上洗涤衣物的烦恼，节约时间，减轻家务劳动强度。1910年，美国的费希尔在芝加哥试制成功世界上第一台电动洗衣机。电动洗衣机的问世，标志着人类家务劳动自动化的开端。 1922年，美国玛塔依格公司改造了洗衣机的洗涤结构，把拖动式改为搅拌式，使洗衣机的结构固定下来，这也就是第一台搅拌式洗衣机的诞生。这种洗衣机是在筒中心装上一个立轴，在立轴下端装有搅拌翼，电动机带动立轴，进行周期性的正反摆动，使衣物和水流不断翻滚，相互摩擦，以此涤荡污垢。搅拌式洗衣机结构科学合理，受到人们的普遍欢迎。1932年，美国本德克斯航空公司宣布，他们研制成功第一台前装式滚筒洗衣机，洗涤、漂洗、脱水在同一个滚筒内完成。这意味着电动洗衣机的型式跃上一个新台阶，朝自动化又前进了一大步！第一台自动洗衣机于1937年问世。这是一种前置式自动洗衣机。靠一根水平的轴带动的缸可容纳4000克衣服。衣服在注满水的缸内不停地上下翻滚，使之去污除垢。到了40年代便出现了现代的上置式自动洗衣机。随着工业化的加速，世界各国也加快了洗衣机研制的步伐。首先由英国研制并推出了一种喷流式洗衣机，它是靠筒体一侧的运转波轮产生的强烈涡流，使衣物和洗涤液一起在筒内不断翻滚，洗净衣物。1955年，在引进英国喷流式洗衣机的基础之上，日本研制出独具风格、并流行至今的波轮式洗衣机。至此，波轮式、滚筒式、搅拌式在洗衣机生产领域三分天下的局面初步形成。60年代的日本出现了带干桶的双桶洗衣机，人们称之为“半自动型洗衣机”。70年代，生产出波轮式套桶全自动洗衣机。70年代后期，以电脑（实际上微处理器）控制的全自动洗衣机在日本问世，开创了洗衣机发展史的新阶段。80年代，“模糊控制”的应用使得洗衣机操作更简便，功能更完备，洗衣程序更随人意，外观造型更为时尚。诞生了许多新水流洗衣机。此后，随着电机驱动技术的发展与提高，日本生产出了电机直接驱动式洗衣机，省去了齿轮传动和变速机构，引发了洗衣机驱动方式的巨大革命。 之后，随着科技的进一步发展，滚筒90年代，由于电机调速技术的提高，洗衣机实现了宽范围的转速变换与调节，洗衣机已经成了大家耳濡目染的产品。伴随着科技的进一步发展，相信新型更适合人们使用的洗衣机会给我们的生活带来新的方式。第1.2节 洗衣机的分类当今主流洗衣机主要有三大类，分别是波轮式洗衣机，滚筒式洗衣机和搅拌式洗衣机。三种洗衣机各有所长，下面我们详细介绍一下三种洗衣机的特点：（1）波轮式洗衣机洗衣特点：微电脑控制洗衣及甩干功能、省时省力。缺点：耗电、耗水、衣物易缠绕、清洁性不佳，适合洗涤衣物：除需要特别洗涤之外的所有衣物。轮式洗衣机流行于日本、中国、东南亚等地。（2）滚筒式洗衣机洗衣特点：微电脑控制所有功能衣物无缠绕。最不会损耗衣物的方式。缺点：耗时，时间是普通的几倍，而且一旦关上门，洗衣过程中无法打开，洁净力不强，适合洗涤衣物：羊毛、羊绒以及丝绸、纯毛类织物。流行于欧洲、南美等主要穿毛、绵为主的地区，几乎100的家庭使用的都是滚筒洗衣机。滚筒洗衣机优点：全面的洗涤能力鹤立鸡群。因为衣物在洗涤过程中不缠绕、洗涤均匀、磨损小，所以就连羊绒、羊毛、真丝衣物也能在机内洗涤，做到真正的全面洗涤性能。可以利用加热激活洗衣粉中的活性酶，充分发挥出洗衣粉的去污效能。由于用水量较小，可以在桶内形成高浓度洗衣液，在节水的情况下带来理想的洗衣效果。这种发源于欧洲的洗衣机是模仿棒锤击打衣物原理设计，利用电动机的机械 做功使滚筒旋转，衣物在滚筒中不断地被提升摔下，再提升再摔下，做重复运动，加上洗衣粉和水的共同作用使衣物洗涤干净。滚筒洗衣机的发展最为成熟，多年来在结构上没有多少变化，基本是不锈钢内桶，机械程序控制器，经过磷化、电泳、喷涂三重保护的外壳，和两块笨重的水泥块用于平衡滚筒旋转时产生的巨大离心力，由于用料比波轮洗衣机好，所以寿命一般在1520年，而以塑料件为主的波轮寿命一般只有810年左右。（3）搅拌式洗衣机洗衣特点：衣物洁净力最强，省洗衣粉。缺点：喜欢缠绕相比前两种方式损坏性加大，噪音最大，适合洗涤衣物，除需要特别洗涤之外的所有衣物，北美普遍使用。第1.3节 洗衣机的工作原理普通型波轮洗衣机： 结构：由洗衣桶、电动机、定时器、传动部件、箱体、箱盖及控制面板等组成。 工作原理：依靠装在洗衣桶底部的波轮正、反旋转，带动衣物上、下、左、右不停地翻转，使衣物之间、衣物与桶壁之间，在水中进行柔和地磨擦，在洗涤剂的作用下实现去污清洗。 机械全自动洗衣机： 结构：由电动程控器、水位开关、安全开关（盖开关）、排水选择开关、不排水停机开关、贮水开关、漂洗选择开关、洗涤选择开关等组成。 工作原理：通过各种开关组成控制电路，来控制电动机、进水阀、排水电磁铁及蜂鸣器的电压输出，使洗衣机实现程序运转。 为使洗衣机长期运转正常好用，必需按时认真进行正确的润滑维护保养，需要润滑的地方主要是轴承和齿轮，轴承需由注油孔注入抗磨性和抗氧化安定性好的l-tsa22号防锈抗氧化润滑油，一般2-3年加油一次，如用一般机械油则需每年加油一次。齿轮则应用粘附性好的2号极压锂基润滑脂，或油性好的，加质量分数为1%的二烷基二硫代磷酸锌，或质量分数为3%的mos2，l-ckc100号中等极压抗磨齿轮油进行润滑。甩干机的轴承和齿轮都应每年或半年加入抗氧化防锈抗磨性好的l-an15和l-an68号润滑油。用密封滚动轴承的，则应由轴承厂封入使用寿命在1000h以上的，聚脲基稠化精制石油润滑油，并加防锈抗氧化剂的2号润滑脂。 中国家电研究院的洗衣机专家指出，洗衣机内部的环境非常潮湿，闲置几天之后，就会孳生大量霉菌。使用时间越长，内部孳生霉菌的机会就越多。一台洗衣机用久了之后，如不及时清洗，慢慢地就会出现水发浑，漂洗不干净。久而久之，对下一次要洗的衣物就会造成污染。人们如果长期使用有霉菌的洗衣机洗衣服，就有可能产生交叉感染，引发各种皮肤病。 第1.4节 任务要求设计一个基于单片机的洗衣机控制系统，洗衣机的工作流程由进水、洗衣、排水和脱水四个过程组成，并且能达到“正常运行”和“强制停止”两种控制要求：（1）按下启动按钮，开始进水直到水满（即水位达到高水位）时停止进水开始洗涤。（2）洗涤时，正转30秒，停2秒；然后反转30秒，停2秒，如此循环5次，总共320秒开始排水。（3）水位下降到低水位时开始脱水并继续排水，脱水30秒。（4）开始清洗，重复（1）（4），清洗三遍。（5）清洗完成，报警3秒并自动停机。（6）若按下排水按钮，可实现手动排水。（7）若按下停止按钮，不管洗衣机工作在什么状态，洗衣机需停止工作。第2章 系统硬件设计第2.1节 mcs51单片机主要应用特性mcs-51单片机是美国intel公司于1980年推出的产品,与mcs-48单片机相比，它的结构更先进，功能更强，在原来的基础上增加了更多的电路单元和指令,指令数达111条，mcs-51单片机可以算是相当成功的产品，一直到现在，mcs-51系列或其兼容的单片机仍是应用的主流产品，各高校及专业学校的培训教材仍用mcs-51单片机作为代表进行理论基础学习。我们也以这一代表性的机型进行系统的设计。mcs-51系列单片机主要包括8031、8051和8751等通用产品，其主要功能如下：8位cpu；4kbytes 程序存储器(rom)；128bytes的数据存储器(ram)；32条i/o口线；111条指令，大部分为单字节指令；21个专用寄存器；2个可编程定时/计数器；5个中断源，2个优先级；一个全双工串行通信口；外部数据存储器寻址空间为64kb；外部程序存储器寻址空间为64kb；逻辑操作位寻址功能；双列直插40pindip封装；单一+5v电源供电。mcs-51以其典型的结构和完善的总线专用寄存器的集中管理，众多的逻辑位操作功能及面向控制的丰富的指令系统，堪称为一代“名机”，为以后的其它单片机的发展奠定了基础。正因为其优越的性能和完善的结构，导致后来的许多厂商多沿用或参考了其体系结构，有许多世界大的电气商丰富和发展了mcs-51单片机，像philips、dallas、atmel等著名的半导体公司都推出了兼容mcs-51的单片机产品，就连我国的台湾winbond公司也发展了兼容mcs-51的单片机品种。近年来mcs-51获得了飞速的发展，mcs-51的发源公司intel由于忙于开发pc及高端微处理器而无精力继续发展自己的单片机，而由其它厂商将其发展，最典型的是philips和atmel公司，philips公司主要是改善其性能，在原来的基础上发展了高速i/o口，a/d转换器，pwm(脉宽调制)、wdt等增强功能，并在低电压、微功耗、扩展串行总线(i2c)和控制网络总线(can)等功能加以完善。atmel公司推出的at89cxx系列兼容mcs-51的单片机，完美地将flash(非易失闪存技术)eprom与80c51内核结合起来，仍采用mcs-51的总体结构和指令系统，flash的可反擦写程序存储器能有效地降低开发费用，并能使单片机作多次重复使用。8051是mcs-51系列单片机中的代表产品，它内部集成了功能强大的中央处理器，包含了硬件乘除法器、21个专用控制寄存器、4kb的程序存储器、128字节的数据存储器、4组8位的并行口、两个16位的可编程定时/计数器、一个全双工的串行口以及布尔处理器。mcs-51采用模块式结构，mcs-51系列中各种加强型单片机都是以8051为核心加上一定的新的功能部件后组成的，从而使它们完全兼容。表2.1为mcs-51系列单片机常用产品特性。表2.1 mcs-51系列单片机常用产品特性型号片内存储器i/o线定时器/计数器片外寻址空间（kb）程序数据程序数据80514k rom128322个16位646487514k eprom128322个16位64648031无128322个16位646480c514k rom128322个16位646487c514k eprom128322个16位646480c31无128322个16位646480524k rom256323个16位646487524k eprom256323个16位64648032无256323个16位6464mcs-51具有比较大的寻址空间，地址线宽达16条，即外部数据存储器和程序存储器的寻址范围达216=64kb，这作为单片机控制来说已是比较大的，这同时具备对i/o口的访问能力。此外，mcs-51采用模块化结构，可方便地增删一个模块就可使引脚和指令兼容的新产品，从而容易使产品形成系列化。由于mcs-51集成了几乎完善的8位中央处理单元，处理功能强，中央处理单元中集成了方便灵活的专用寄存器，硬件的加、减、乘、除法器和布尔处理机及各种逻辑运算和转移指令，这给应用提供了极大的便利。mcs-51的指令系统近乎完善，指令系统中包含了全面的数据传送指令、完善的算术和逻辑运算指令、方便的逻辑操作和控制指令、对于编程来说，是相当灵活和方便的。mcs-51单片机的工作频率为2-12mhz，当振荡频率为12mhz时，一个机器周期为1us,这个速度应该说是比较快的。mcs-51把微型计算机的主要部件都集成在一块芯片上，使得数据传送距离大大缩短，可靠性更高，运行速度更块。由于属于芯片化的微型计算机，各功能部件在芯片中的布局和结构达最优化，抗干扰能力加强，工作亦相对稳定。因此，在工业测控系统中，使用单片机是最理想的选择。单片机属于典型的嵌入式系统，所以它是低端控制系统最佳器件。鉴于mcs-51的以上特点，本文的设计就是基于mcs-51的8051型号单片机来设计的洗衣机控制系统。第2.2节 洗衣机控制系统面板设计及控制原理图2.2.1 面板设计洗衣机控制控制系统面板如图2.1所示。图2.1 控制面板在图2.1中控制面板中设置了一个电源开关，启动按纽，洗涤控制等按纽。2.2.2 系统控制原理图图2.2 洗衣机控制系统控制原理图在本系统设计的洗衣机控制系统中，采用8051单片机设计一个最小系统，为了增加单片机的驱动能力，系统中扩展一组上位排阻电路和一组数码管位驱动电路,其原理图如图2.2所示。第2.3节 微型处理器2.3.1 8051性能特点8051引脚功能：mcs-51是标准的40引脚双列直插式集成电路芯片，引脚分布请参照-单片机引脚图： (1)p0.0p0.7 p0口8位双向口线（在引脚的3932号端子）。 (2)p1.0p1.7 p1口8位双向口线（在引脚的18号端子）。 (3)p2.0p2.7 p2口8位双向口线（在引脚的2128号端子）。 (4)p3.0p3.7 p3口8位双向口线（在引脚的1017号端子）。图2.3 单片机8051管脚图 2.3.2 8051主要性能晶体管的动态扫描p0口有三个功能：1、外部扩展存储器时，当做数据总线（如图1中的d0d7为数据总线接口） 2、外部扩展存储器时，当作地址总线（如图1中的a0a7为地址总线接口） 3、不扩展时，可做一般的i/o使用，但内部无上拉电阻，作为输入或输出时应在外部接上拉电阻。 p1口只做i/o口使用：其内部有上拉电阻。 p2口有两个功能： 1、扩展外部存储器时，当作地址总线使用 2、做一般i/o口使用，其内部有上拉电阻； p3口有两个功能： 除了作为i/o使用外（其内部有上拉电阻），还有一些特殊功能，由特殊寄存器来设置，具体功能请参考我们后面的引脚说明。 有内部eprom的单片机芯片（例如8751），为写入程序需提供专门的编程脉冲和编程电源，这些信号也是由信号引脚的形式提供的， 即：编程脉冲：30脚（ale/prog） 编程电压（25v）：31脚（ea/vpp） 接触过工业设备的兄弟可能会看到有些印刷线路板上会有一个电池，这个电池是干什么用的呢？这就是单片机的备用电源，当外接电源下降到下限值时，备用电源就会经第二功能的方式由第9脚（即rst/vpd）引入，以保护内部ram中的信息不会丢失。 在介绍这四个i/o口时提到了一个“上拉电阻”那么上拉电阻又是一个什么东东呢？他起什么作用呢？都说了是电阻那当然就是一个电阻啦，当作为输入时，上拉电阻将其电位拉高，若输入为低电平则可提供电流源；所以如果p0口如果作为输入时，处在高阻抗状态，只有外接一个上拉电阻才能有效。 ale/prog 地址锁存控制信号：在系统扩展时，ale用于控制把p0口的输出低8位地址送锁存器锁存起来，以实现低位地址和数据的隔离。（在后面关于扩展的课程中我们就会看到8051扩展 eeprom电路，在图中ale与74ls373锁存器的g相连接，当cpu对外部进行存取时，用以锁住地址的低位地址，即p0口输出。ale有可能是高电平也有可能是低电平，当ale是高电平时，允许地址锁存信号，当访问外部存储器时，ale信号负跳变（即由正变负）将p0口上低8位地址信号送入锁存器。当ale是低电平时，p0口上的内容和锁存器输出一致。关于锁存器的内容，我们稍后也会介绍。 在没有访问外部存储器期间，ale以1/6振荡周期频率输出（即6分频），当访问外部存储器以1/12振荡周期输出（12分频）。从这里我们可以看到，当系统没有进行扩展时ale会以1/6振荡周期的固定频率输出，因此可以做为外部时钟，或者外部定时脉冲使用。 porg为编程脉冲的输入端：在第五课 单片机的内部结构及其组成中，我们已知道，在8051单片机内部有一个4kb或8kb的程序存储器（rom），rom的作用就是用来存放用户需要执行的程序的，那么我们是怎样把编写好的程序存入进这个rom中的呢？实际上是通过编程脉冲输入才能写进去的，这个脉冲的输入端口就是prog。 psen 外部程序存储器读选通信号：在读外部rom时psen低电平有效，以实现外部rom单元的读操作。 (1)内部rom读取时，psen不动作； (2)外部rom读取时，在每个机器周期会动作两次； (3)外部ram读取时，两个psen脉冲被跳过不会输出； (4)外接rom时，与rom的oe脚相接。 ea/vpp 访问和序存储器控制信号 1、接高电平时：cpu读取内部程序存储器（rom）扩展外部rom：当读取内部程序存储器超过0fffh（8051）1fffh（8052）时自动读取外部rom。 2、接低电平时：cpu读取外部程序存储器（rom）。 在前面的学习中我们已知道，8031单片机内部是没有rom的，那么在应用8031单片机时，这个脚是一直接低电平的。 3、8751烧写内部eprom时，利用此脚输入21v的烧写电压。rst 复位信号：当输入的信号连续2个机器周期以上高电平时即为有效，用以完成单片机的复位初始化操作，当复位后程序计数器pc=0000h，即复位后将从程序存储器的0000h单元读取第一条指令码。xtal1和xtal2 外接晶振引脚。当使用芯片内部时钟时，此二引脚用于外接石英晶体和微调电容；当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。 vcc：电源+5v输入 ；vss：gnd接地。 avr和pic都是跟8051结构不同的8位单片机，因为结构不同，所以汇编指令也有所不同，而且区别于使用cisc指令集的8051,他们都是risc指令集的，只有几十条指令，大部分指令都是单指令周期的指令，所以在同样晶振频率下，较8051速度要快。另pic的8位单片机前几年是世界上出货量最大的单片机，飞思卡尔的单片机紧随其后。 arm实际上就是32位的单片机，它的内部资源（寄存器和外设功能）较8051和pic、avr都要多得多，跟计算机的cpu芯片很接近了。常用于手机、路由器等等。dsp其实也是一种特殊的单片机，它从8位到32位的都有。它是专门用来计算数字信号的。在某些公式运算上，它比现行家用计算机的最快的cpu还要快。比如说一般32位的dsp能在一个指令周期内运算完一个32位数乘32位数积再加一个32位数。应用于某些对实时处理要求较高的场合。第2.4节 系统扩展2.4.1晶体管的动态扫描led显示屏的基本工作原理是动态扫描。显示控制的过程是先从数据存储器读得字模数据，再通过单片机的串行口或并行口将数据写给led点阵片，然后再行扫描。 动态扫描方案和静态显示方案相比节省驱动元件，但要求刷新频率高于50hz，以避免显示的图像或文字出现闪烁。由于刷新频率的限制，一片单片机能控制显示元件的片数是较少的。现在大屏幕led显示屏的应用已越来越广泛。为了对成百、上千片的led点阵片实现有序的、快速的显示控制，人们动了许多脑筋，双cpu、双ram的方案，fpga的方案等都获得了成功的应用;但是这些方案的显示控制过程还是先读后写。本方案另开思路：用一条读指令，将读和写合在一步完成，可大大地提高显示控制的效率，且电路简单。2.4.1 led显示屏的工作原理led显示屏的基本工作原理是动态扫描。动态扫描又分为行扫描和列扫描两种方式，常用的方式是行扫描。行扫描方式又分为8行扫描和16行扫描两种。在行扫描工作方式下，每一片led点阵片都有一组列驱动电路，列驱动电路中一定有一片锁存器或移位寄存器，用来锁存待显示内容的字模数据。在行扫描工作方式下，同一排led点阵片的同名行控制引脚是并接在一条线上的，共8条线，最后连接在一个行驱动电路上;行驱动电路中也一定有一片锁存器或移位寄存器，用来锁存行扫描信号。led显示屏的列驱动电路和行驱动电路一般都采用单片机进行控制，常用的单片机是mcs51系列。led显示屏显示的内容一般按字模的形式存放在单片机的外部数据存储器中，字模是8位二进制数。单片机对led显示屏的控制过程是先读后写。按led点阵片在屏幕上的排列顺序，单片机先对第1排的第1片led点阵片的列驱动锁存器，写入从外部数据存储器读得的字模数据，接着对第2片、第3片直到这一排的最后一片都写完字模数据后，单片机再对这一排的行驱动锁存器写行扫描信号，于是第1排第1行与字模数据相关的发光二极管点亮。接着第2排第1行、第3排第1行直到最后一排第1行的点亮。各排第1行都点亮后，延时一段时间，然后黑屏，这样就算完成了单片机对led显示屏的一行扫描控制。单片机对led显示屏第2行的扫描控制、第3行的扫描控制直到第8行的扫描控制，其过程与第1行的扫描控制过程相同。对全部8行的控制过程都完成后，led显示屏也就完成了1帧图像的完整显示。虽然按这种工作方式，led显示屏是一行一行点亮的，每次都只有一行亮，但只要保证每行每秒钟能点亮50次以上，即刷新频率高于50hz，那么由于人的视觉惰性，所看到的led显示屏显示的图像还是全屏稳定的图像。2.4.2led显示屏的传统控制方法显示控制电路是按行扫描方式工作的，列控制电路分为两大类。列控制电路中，一类是用74ls377之类的芯片作为列驱动电路的锁存器，cpu通过并行总线给列驱动电路的锁存器写字模数据;另一类是用移位寄存器74ls595之类的芯片作为列驱动电路的锁存器，cpu通过串行总线给列驱动电路的锁存器写字模数据。 无论是并行总线的控制方式还是串行总线的控制方式，其工作过程都是先给数据指针dptr赋值，接着累加器a按数据指针dptr的指向，从外部数据存储器ram中读得字模数据。然后，并行总线时，再给数据指针dptr赋值，接着cpu将累加器a中的字模数据，按数据指针dptr的指向，写给led点阵片列驱动电路的锁存器;串行总线时，cpu将累加器a中的字模数据，通过串行口写给led点阵片列驱动电路的锁存器。一般显示控制中，使用较多的单片机是mcs51系列。假设单片机系统的晶振频率是12mhz，机器周期是1s，上述两种控制方式完成1片led点阵片的显示控制都得十几s。本文提出的高速控制方案，完成1片led点阵片的显示控制大约只要4s。按此推算，1片mcs51系列的单片机，差不多可以对600多片led点阵片进行显示控制。与传统的控制方法相比，显示控制的效率成倍提高。8051具有很强的扩展功能，允许扩展各种外围电路以补充片内资源不足，适应特定应用的需要，扩展内容包括数据存储器、程序存储器、i/o接口等扩展结构如图2.4所示： 8051数据存储器i/o接口程序存储器图2.4 8031系统扩展结构图2.4.3 i/o接口的扩展由于我们采集的数据量较多，因此cpu的i/o口线不够用，所以我们使用8255a来扩展i/o口，以满足系统的要求。 8255a是intel公司生产的通用可编程并行i/o接口芯片。8031和8255a相连可为外设提供三个8位i/o端口，允许采用同步、异步和中断方式传送i/o数据。 (1) 8255a内部结构和引脚功能 内部结构8255a内部由四部分电路组成。它们是a口、b口和c口，a组控制器和b控制器，数据缓冲器及读写控制逻辑。 1.a口、b口和c口。a口、b口和c口均为8位i/o数据口，但结构上略有差别。a口由一个8位的数据输出缓冲/锁存器和一个8位的数据输入缓冲/锁存器组成。b口由一个8位的数据输出缓冲/锁存器和一个8位的数据输入缓冲器组成。三个端口都可以和外设相连，分别传送外设的输入/输出数据或控制信息。 2. a、b组控制电路。这是两组根据cpu的命令字控制8255工作方式的电路。a组控制a口及c口的高4位，b组控制b口及c口的低4位。 3.数据总线缓冲器。它是一个8位的双向三态驱动器，用于与单片机的数据总线相连，传送数据或控制信息。 4.读/写控制逻辑。这部分电路接收mcs-51送来的读/写命令和选口地址，用于控制对8255a的读/写。图2.5 8255a芯片的内部结构图引脚功能8255a有40条引脚，采用双列直插式封装。如图2.6所示。图2.6 8255a引脚图1.数据总线（8条）：d0d7:三态双向数据总线，8255a与cpu数据传送的通道，当cpu 执行输入输出指令时，通过它实现8位数据的读/写操作，控制字和状态信息也通过数据总线传送。2.控制总线（6条）：reset: 复位信号，输入高电平有效。一般和单片机的复位相连，复位后，8255a所有内部寄存器清0，所有口都为输入方式。:片选信号线，当这个输入引脚为低电平时有效，表示芯片被选中，允许8255a与cpu进行通讯。:读信号线，当这个输入引脚为低电平时，允许8255a通过数据总线向cpu发送数据或状态字。:写入信号，当这个输入引脚为低电平时，允许cpu将数据或控制字写入8255a。a0、a1：地址输入线。当=0，芯片被选中时，这两位的4种组合00、01、10、11分别用于选择a、b、c口和控制寄存器。其组合如表2.2。表2.2 8255a控制信号功能表a1a2端口地址端口功能0000100 ha口读a口0001000 ha口写a口0010101hb口读b口0011001hb口写b口0100102hc口写c口0101002hc口读c口0111003h控制口写控制字1总线高阻3.并行i/o总线（24条）：这些总线用于和外设相连，分别与a、b、c口相对应，用于8255a和外设之间传送数据，共分三组：pa0pa7:端口a输入输出线，一个8位的数据输出锁存器/缓冲器，一个8位的数据输入锁存器。pb0pb7:端口b输入输出线，一个8位的i/o锁存器，一个8位的输入输出缓冲器。pc0pc7:端口c输入输出线，一个8位的数据输出锁存器/缓冲器，一个8位的数据输入缓冲器。4.电源线（2条）：vcc为5v电源线，允许变化10%；gnd为地线。 (2)8255a方式控制字8255a有两个控制字：方式控制字和c口单一置复位控制字。用户通过程序可以把这两个控制字送到8255a的控制寄存器（a1a011b），以设定8255a的工作方式和c口各位状态。这两个控制字以d7位状态作为标志。8255a各端口工作于什么方式和是输入还是输出方式，是由方式控制字决定的。方式控制字格式如图2-7所示。d7为控制字标志位，若d7=1,则本控制字为方式控制字，若d70，则本控制字为c口单一置复位控制字。d6d3为a组控制位。其中，d6和d5位a组方式选择位：若d6d500，则a组设定为方式0；若d6d501，则a组设定为方式1：若d6d51（为任意），则a组设定为方式2。d4为a口输入/输出控制位：若d40，则pa0pa7，用于输出数据；若d40，则pa0pa7用于输入数据。d3位c口高4位输入/输出控制位：若d30，则pc4pc7为输出数据方式；若d31，则pc4pc7为输入方式。图2.7 方式控制字d2d0为b组控制位，其作用和d6d3类似。其中，d2为方式选择位，若d20，则b组设定为方式0，若d21，则b组设定为方式1。d0为c口低4位输入/输出控制位，若d00，则pc0pc3用于输出数据，若d01，则pc0pc3用于输入数据。如图2.8所示：图2.8 置位控制字(3)8255a的工作方式8255a有三种工作方式：方式0（mode0）、方式1（mode1）和方式2(mode2)。正确的选用方式控制字，并把它通过程序送给8255a的控制字寄存器就可设定8255a的工作方式。方式0（基本输入/输出方式）：这种方式不需要任何选通信号。a口、b口及c口的两个4位口中的任何一个端口都可以被设定为输入或输出。输出锁存，输入不锁存。根据控制字d4、d3、d1、d0位的变化，方式0有16种不同的输入、输出组合方式。方式1（选通输入/输出方式）：这种方式下，a口、b口、c口分为两组。a组包括a口和c口的高4位，a口可由编程设定为输入口或输出口，c口的高四位则用来作为输入/输出操作的控制和同步信号；b组包括b口和c口的低4位，b口可由编程设定为输入口或输出口，c口的低四位则用来作为输入/输出操作的控制和同步信号。a口和b口的输入输出数据都被锁存。方式2（双向总线方式）：这种方式下，a口为8位双向总线口，c口的pc3pc7用来作为输入/输出操作的控制和同步信号；b口和c口的pc0pc2则可编程为方式0或方式1工作。第2.5节 电源除了220v的电源，我们还选择了lm7805三端稳压器产生一个5v的电源。其电路如图2.9所示。图2.9 +5v电源电路三端固定输出集成稳压器，它是一种串连调整式稳压器。它将全部电路集成在单块硅片上，整个集成稳压电路只有输入、输出和公共三个引出端，使用非常方便。典型的有78正电压输出系列，79负电压输出系列。当输入的电压vi、输出电流io或温度变化时，输出电压vo可保持不变；另外，当输出短路。可使输出电流io限制为一定值；若稳压器过热，则它就停止工作，以免稳压器遭到损坏。三端固定输出电压集成稳压器，因内部有过热、过流保护电路，因此它的性能优良、可靠性高。有因这种稳压器具有体积小、使用方便、价格低廉等优点，所以我们选用了这种芯片。第3章 电机控制系统的设计第3.1节 直流电机m1控制系统3.1.1 电机的选取直流电动机按励磁方式不同可分为他励、并励、串励和复励四种。下面一常用的他励和并励电动机为例介绍其机械特性、起动、反转和调速，他励和并励电动机只是连接方式上的不同，两者的特性是一样的，如图3.1所示。图3.1 洗衣机电机控制他励电动机的励磁绕组与电枢是分离的，分别由励磁电源电压uf和电枢电源电压u两个直流供电；而在并励电动机中两者是并联的，由同一电压u供电。并励电动机的励磁绕组与电枢并联，其电压与电流间的关系为：u=e+raia 即： (31)当电源电压u和励磁电路的电阻rf（包括励磁绕组的电阻和励磁调节电阻）保持不变时，励磁电流if以及由它所产生的磁通也保持不变，即=常数。则电动机的转距也就和电枢电流成正比，t= ktia= kia这是并励电动机的特点。当电动机的电磁转距t必须与机械负载转距t2及空载损耗转距t0相平衡时，电动机将等速转动；当轴上的机械负载发生变化时，将引起电动机的转速、电流及电磁转距等发生变化。，称为： (32) 并励电动机在稳定运行时，其电枢电流位：，因电枢电阻ra很小，所以电动机在正常运行时，电源电压u与反电动势e近似相等.在起动时，n=0，所以eken0。这时电枢电流及起动电流为 ，由于ra很小，因此起动电流iast可达额定电流in的1020倍，这时不允许的。同时并励电动机的转距正比于电枢电流ia，这么大的起动电流引起极大的起动转距，会对生产机械的传动机构产生冲击和破坏。限制起动电流的方法就是在起动时的电枢电路中串接起动电阻rst，见图。这时起动电枢中的起动电流的初始值为： 则起动电阻为： 一般：iast=（1.52.5）in起动时，可将起动电阻rst放在最大值处，待起动后，随着电动机转速的上升，再把它逐段切除。注意：直流电动机在起动或工作时，励磁电路一定要保持接通，不能断开（满励磁起动）。否则，由于磁路中只有很小的剩磁，就有可能发生以下：要改变电动机的转动方向，就必须改变电磁转距t的方向， 可通过改变磁通（励磁电流）或电枢电流ia的方向实现。3.1.2 并励电动机的调速电动机的调速就是在同一负载下获得不同的转速，以满足不同的要求。由转速公式： 可知常用的调速方式有调磁调速和调压调速两种。3.1.3 改变磁通（调磁调速 ）当保持电源电压u为额定值不变时，调节励磁电路的电阻，改变励磁电流if而改变磁通。由式 可见，当磁通减小时，n0升高了，转速降也增大了；但与2成正比，所以磁通愈小，机械特性曲线也愈陡，但仍有一定的硬度。见图3.2图3.2 磁通调速曲线由于电动机一般是在额定状态下运行的，它的磁路已接近于饱和，所以在一定负载下，通常是减小磁通调速（n），转速上调（nnn）。调磁调速是恒功率调速，即转速升高后，输出转距必须减小，否则电枢电流ia会超过原来的额定电流，使电动机发热烧坏。调磁调速的优点：1. 调速平滑，可得到无级调速；2. 调速经济，控制方便；3. 机械特性较硬，稳定性较好。 对专门生产的调磁调速的电动机，其调速幅度可达到34倍3.1.4 改变电压u（调压调速 ）当保持他励直流电动机的励磁电流if为额定值时，降低电枢电压u，使转速n降低。由式可见，在一定负载下，u愈低，转速n愈小，但机械特性的硬度不变，见图3.3图3.3 电压调速曲线一般电动机都处在额定状态下运行，再进行调压调速时，为保证电动机的绝缘，一般是将电动机的电压下调uu n，而转速也下调nnn。调压调速是在额定电流下调速，是恒转距调速。调压调速的优点：1. 机械特性较硬，电压降低后硬度不变，稳定性较好。2. 调速幅度较大，其调速幅度可达到610倍。3. 可均匀调节电枢电压，得到平滑的无级调速。这里采用电压调节方式实现对直流伺服电机的调速。第3.2节 交流电机m2控制系统目前较常用的交流电动机有两种：1、三相异步电动机。2、单相交流电动机。第一种多用在工业上，而第二种多用在民用电器上。3.2.1 三相异步电动机的旋转原理三相异步电动机要旋转起来的先决条件是具有一个旋转磁场，三相异步电动机的定子绕组就是用来产生旋转磁场的。我们知道，但相电源相与相之间的电压在相位上是相差120度的，三相