毕业设计（论文）-基于单片机的直流电机转速控制.doc

浙江海洋学院东海科学技术学院本科生毕业论文基于单片机的直流电机转速控制摘 要随着现代科技的不断发展，现在的电子产品越来越多，在早期，电子产品一般是纯硬件电路，没有使用单片机，电路复杂难以设计，也难以检查问题，随着微控制技术的不断完善和发展，集成芯片越来越多，单片机便出来了，换言之，单片机的应用是对传统控制技术的一场革命。具有划时代的意义。以前人机界面一般采用LED数码二极管，随着LCD液晶显示器的出现，人机界面更加人性化、智能化，它能显示数字、汉字和图象，控制LCD液晶显示器也很方便，电路设计也比较简单，加上单片机，组合实现的功能也比较强大，还可方便以后电路的升级与扩展。本文结合LCD显示等多种技术，实现了基于51单片机的电机转速测量控制系统的设计。转速测控方法有频率法和周期法，由于本设计中电机转速较低，所以采用周期法进行计算，保证其精度。在设计中采用光电传感器采集信号，这种传感器是把旋转轴的转速变为相应频率的脉冲，然后用测量电路测出频率，由频率值就可知道所测转速值。红外线发光二极管负责发出光信号，红外线三极管接受发出的光信号，产生电信号，每转过一圈，光的明暗变化经历了一个方波周期，即产生了脉冲电信号。将处理好的信号接入单片机的T0计数口进行编程计数，最后在液晶显示器上显示结果。关键词：单片机；电机；转速测控；液晶显示器 AbstractWith the development of modern science and technology, there are more and more electronic products. In the early period, electronic products usually use hardware. Without the single-chip processor, it is too complicated to design the circuit and find the problem. With the improvement and development of micro-control technique, there are more and more system on chips. Single-chip processor has come up. In other words, the application of singe-chip processor is a revolution for traditional control technique, and has time significance. In motor control, it also depends on peoples sense, without and concept of speed test. Before the appearance of LCD Liquid Crystal Display, human-machine interface generally uses LED digital diode. Now the human-machine interface has developed into more intelligence and ability and human naturally. It can display the number, word, and image, control LCD liquid crystal display is very convenient and easy to design the circuit. With the single-chip processor, the function of composition is much stronger, and easy to upgrade and expand for the circuit. This thesis combines techniques for testing LCD, realizes the design of motor speed test control system based on 51 single-chip processor.Rotating speed measurement method and cycle frequency, as the design of a low motor speed, so the calculation method using the cycle to ensure its accuracy. Used in the design of photoelectric sensor signal acquisition, the sensor is the axis of rotation speed of the pulse into a corresponding frequency, and then measured the frequency measurement circuit, the frequency value can be measured to know the value of speed. Responsible for the issue of infrared light-emitting diode optical signal, infrared transistor to receive the optical signal sent to produce electrical signals, turning every lap, the light ray has undergone a change in the sinusoidal cycle, that is, produced a sinusoidal electrical signal pulse. Will deal with good access to MCU signals T0 I program in the liquid crystal display on the final result will be displayed.Keywords: Single-chip processor; Motor; Speed test; Liquid crystal display38目录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1设计背景与选题11.2设计内容和技术关键2第2章 方案论证32.1基于嵌入式单片机的设计方案32.2基于EDA为核心的设计方案32.3方案选择4第3章 硬件模块设计53.1 电源设计63.2 LCD液晶显示设计63.2.1 LCD概述及特点73.2.2 LCD1602字符型模块73.2.3 LCD显示数字93.2.4 LCD显示设计93.2.5 LCD液晶显示模块113.3 CPU应用系统设计113.3.1 ATMEL89C51单片机介绍123.3.2 晶振电路设计183.3.3 复位电路设计193.4CPU控制模块193.5 红外测速模块设计203.6 键盘设计213.7 加热控制电路设计22第4章 软件设计234.1 显示驱动软件设计234.2控制软件设计24第5章 电路的焊接与调试265.1硬件电路的焊接与分布26小 结27致谢28参考文献：29附录A 程序源代码30附录B 电路图35附录C 实物图37第1章 绪论1.1设计背景与选题在工农业生产和工程实践中，经常会遇到各种需要测量转速的场合，例如在发动机、电动机、卷扬机、机床主轴等旋转设备的试验、运转和控制中，常需要测量和显示其转速。测控转速的方法分为模拟式和数字式两种【1】。模拟式采用测速发电机为检测元件，得到的信号是模拟量。数字式通常采用光电编码器、圆光栅、霍尔元件等为检测元件，得到的信号是脉冲信号。随着微型计算机的广泛应用，单片机技术的日新月异，特别是高性能单片机的出现，以其功能强大，价格低廉的显著特点，在测控转速方面具有体积小、性能强、成本低的特点，越来越受到企业用户的青睐。转速测控普遍采用以单片机为核心的数字式测控方法，使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成，使系统能达到更高的性能。 随着计算机辅助设计技术、微机电系统技术、光纤技术、信息理论以及数据分析算法不断迈上新的台阶，传感器系统正朝着微型化、智能化和多功能化的方向发展。转速测量是机械产品的研究开发、测试分析、质量检验、安全或优化控制等工作中所必不可少的内容。转速是旋转机械动力输出的重要指标，是检验产品是否合格的标志之一，是计算机械功率和效率的必需参数。随着电子技术以及应用需求的发展，单片机技术得到了迅速的发展，在高集成度，高速度，低功耗以及高性能方面取得了很大的进展。伴随着科学技术的发展，电子技术有了更高的飞跃，单片机系统的应用开发给现代工业领域带来了一次新的技术革命，自动化、智能化都离不开单片机的应用，单片机具有集成度高，处理能力强，可靠性高，系统结构简单，价格低廉的优点，因此被广泛应用于各种家电产品、智能化仪表、工业控制系统和过程控制系统中，转速测控系统则是单片机在工业生产中的一个典型的应用【2】。将单片机控制方法应用到转速测控系统中，组合实现的功能比较强大，可以保证测控的精度和抗干扰性，还可方便以后电路的升级与扩展。转速测控方法有频率法和周期法，这两种测控方法都是对脉冲进行测量，且各有优势。周期法测量的是单位脉冲所需的时间，该方法在被测转速较低(相邻两转速脉冲信号间隔时间较大)时，才有较高的测量精度，其测量精确度随转速的增大而降低，适于低速测控。1.2设计内容和技术关键本系统设计用光电传感器采集信号，这种传感器是把旋转轴的转速变为相应频率的脉冲，然后用测量电路测出频率，由频率值就可知道所测转速值。红外线发光二极管负责发出光信号，红外线接收三级管负责接收发出的光信号，产生电信号，每转过一个齿，光的明暗变化经历了一个周期，即产生了脉冲电信号【3】。然后经过与参考数据作比较，显示在LCD上。 该转速系统的特点如下： 1.硬件电路简单； 2.程序编程简单和运算速度快；3.测速范围宽，抗干扰性好。设计主要的性能要求如下:1.用LCD液晶显示电机每秒的转速；2.设计中被测电机的转速控制在901700 rmin；3.设置USB电源接口装置，可以插电脑上接电；4.设置轻触按钮，分别为电源开关键、复位键。第2章 方案论证2.1基于嵌入式单片机的设计方案方案一：采用单片机控制。利用单片机丰富的IO端口，及其控制的灵活性，实现基本的LCD液晶显示功能。电机采用继电器控制，可实现低压电平控制高压电平，以防止高压电对CPU的影响，损坏单片机。电 源 键盘单 片 机LCD液晶显示电机控制红外控制图2.1 基于嵌入式单片机的设计方案2.2基于EDA为核心的设计方案采用FPGA应用控制， FPGA是英文FieldProgrammableGateArray的缩写，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、EPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点【4】。 FPGA是由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态的，因此，工作时需要对片内的RAM进行编程。用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。应用FPGA设计该系统的框图如下：电 源按 键FPGALCD液晶显示电机控制红外控制 图2.2 基于EDA为核心的设计方案2.3方案选择通过比较以上两种方案，单片机方案有较大的活动空间，也比较方便，对控制系统的要求也不是很高，价格也比较底，电路设计也比较方便，软件指令简单，不但能实现所要求的功能而且能在很大的程度上扩展功能，而且还可以方便的对系统进行升级，所以我们采用第一种方案。第3章 硬件模块设计设计中选用了方案一（基于嵌入式单片机的设计方案）。总体设计框图如图 3.1：电 源供5伏电51单 片 机LCD液晶显示12864屏幕电机控制直流电机时钟控制键盘图 3.1 总系统图设计总电路原理图如图3.2。图3.2 系统各模块电路原理图从总体电路图上看，整个系统结构简单，模块清晰，采用双面PCB板。3.1 电源设计一个系统如果没有电就不能工作，如果没有稳定的电源也不能正常工作。所以电源在系统的设计中是站着非常重要的作用。电源模块中为系统输出正5V。该系统的电源电路设计如图3.3： 图3.3 电源电路3.2 LCD液晶显示设计3.2.1 LCD概述及特点液晶显示器（LCD，liquid crystal display），具有体积小、质量轻、功耗低等优点，是电子信息产品的重要显示器件之一【5】。LCD作为电子信息产品的主要显示器件，相对与其他类型的显示部件来说，有其自身的特点，概要如下：1、低电压微功耗LCD的工作电压一般为35V，每平方厘米的液晶显示屏的工作电流为uA级，所以液晶显示器件为电池供电的电子设备的首选显示器件。2、平板型结构LCD的基本结构是由两片玻璃组成的很薄的盒子。这种结构具有使用方便、生产工艺简单等优点。3、使用寿命长LCD器件本身几乎没有什么劣化问题，如能注意器件防潮、防压、防止划伤、防止紫外线照射、防静电等，同时注意使用温度，则LCD可以使用很长时间。4、被动显示对LCD来说，环境光线越强显示内容越清晰。人眼所感受的外部信息90以上是外部物体对光的反射，而不是物体本身发光，所以被动显示更适合人的视觉习惯，更不容易引起疲劳【3】。这在信息量大、显示密度高、观看时间长的场合更为重要。5、显示信息量大且易于彩色化LCD与CRT相比，由于LCD没有荫罩限制，像素可以做得很小，同时液晶易于彩色化，方法也很多。6、无电磁辐射CRT工作时，不仅会产生X射线，还会产生其他的电磁辐射，影响环境。LCD则不会产生这类问题。7、点阵字符型LCD的特性我们已经知道，点阵字符型LCD是专门用于显示数字、字母、汉字、图形符号及少量自定义符号的液晶显示器。这类显示器把LCD控制器、点阵驱动器、字符存储器、显示体及少量的阻容元件等集成为一个液晶显示模块。鉴于字符型液晶显示模块目前在国际上已经规划，其电特性和接口特性是统一的【4】。3.2.2 LCD1602字符型模块1602字符型模块的性能：l 总量轻：100g；l 体积小：11mm厚；l 功耗低：1015mW；l 显示内容：192种字符、可自编8种字符；l 指令功能强：可组合成各种输入、显示、移位方式以满足不同的要求；l 接口简单方便：可与8位微处理器或微控制器相联；l RAM功能：有88Bit 存储容量；l 工作温度：050；l 可靠性高：寿命为50000小时（25）。1602字符型模块的读写时序如图3.4、图3.5，时序参数如表3.1图3.4 读操作时序图3.5 写操作时序图表3.1 LCD时序参数3.2.3 LCD显示数字LCD显示数字的原理跟显示汉字是一样的，在此就不在赘述。主要讲一下的是数字是如何显示的，因为我们对LCD的显示只能是一次显示一个数据，所以当我们要显示多个数据的时候就要循环显示。比如要显9999首先要取出最高位，然后是百位，十位，个位，如何实现数据的显示工程，分析如下：取千位就是对它除以1000，因为设置的数据类型是整型，所以会把小数部分自动去掉，取百位就是除以1000的余数再除以100，以此类推直到取完数据的个位为止。然后调用一个循环语句一位一位的移出【7】。因为要显示内容的汉字部分是不变的，所以以后每次要更新的只是数据的值，就不再调用汉字显示程序了。3.2.4 LCD显示设计在显示部分我们使用LCD1620液晶显示器，它是利用液晶经处理后能改变光线的传输方向的特性实现显示信息的。液晶显示器具有体积小、重量轻、功耗极低、显示内容丰富等特点，在单片机应用系统中得到了日益广泛的应用。其外观如图3.6所示。图3.6 LCD1602液晶显示器LCD1602是一款字符型液晶模块,使用2行16个字的5*7点阵图形来显示字符,它采用标准的16脚接口，各引脚情况如表3.2。表3.2 LCD1620液晶引脚分布第1脚VSS 电源地第9脚D2双向数据线第2脚VDD +5V电源第10脚D3双向数据线第3脚VEE 液晶显示偏压信号第11脚D4双向数据线第4脚RS 数据/命令选择端第12脚D5双向数据线第5脚R/ W 读/写 选择端第13脚D6双向数据线第6脚E 使能端第14脚D7双向数据线第7脚D0 双向数据线第15脚BLA 背光源正极第8脚D1 双向数据线第16脚BLK 背光源负极LCD1620与单片机的数据端和指令端可以直接与单片机的I/O口相连接，其中第3脚为液晶对比度调节端口，接地时对比度最强【3】；接电源时对比度最强；因此，我们可以连接一个10K的滑动变阻器来调节液晶的对比度；在15脚的背光地接一个小电阻进行限流；则TS1602与单片机的连接如图3.7示。 图3.7 单片机与LCD1602液晶的连接电路图LCD1602的内部结构主要由DDRAM、CGRAM、IR、DR、BF、AC等大规模集成电路组成【7】。DDRAM为数据显示用的RAM，用以存放LCD显示的数据，只要将标准的ASCII码放入DDRAM，内部控制线路就会自动将数据传送到显示器上，并显示出该ASCII码对应的字符；CGROM为字符产生器ROM，它存储了192个5*7的点阵字型，但只能读出不能写入；CGRAM为字型、字符型的RAM，可供使用者存储特殊造型的造型码，但它最多只能存8个造型；IR为指令寄存器，负责存储MCU要写给LCD的指令码，当RS及R/W引脚为0且E由1变为0时，D0D7引脚上的数据会存入到IR寄存器中；DR为数据寄存器，它负责存储微机要写到CGRAM或DDRAM的数据，因此可将DR看成一个数据缓冲器；BF为忙碌信号，当BF=1时，不接收微机送来的数据或指令；当BF=0时，接收外部数据或指令，所以在写数据或指令到LCD之前，必须查看BF是否为0；AC为地址寄存器，负责计数写入/读出CGRAM或DDRAM的数据地址，AC依照MCU对LCD的设置值而自动修改它本身的内容【4】。3.2.5 LCD液晶显示模块键盘是人操作本系统的唯一通道，系统收到人对它的操作没，就在LCD液晶显示模块中体现，所以LCD液晶显示模块是人和该系统的直接对话窗口。图3.8 LCD液晶连接图 在以往的人机对话界面中用LED数码灯，LED数码二极管只能显示零到九数字和小数点，显示太单纯，内容不丰富，难以满足用户的需求，而且显示所占的地方太大，电路设计难，电路图较复杂，随着液晶显示技术的进步，高质量的液晶显示模块会被日趋广泛地应用于各种嵌入式系统中。在系统的整体设计中，人机交互界面的设计往往占据着很大一部分工作。3.3 CPU应用系统设计在这里，我们采用了MCS51单片机，下面对它作一些介绍：ATMEL89C51单片机电路接口如图3.9所示。 图3.9 ATMEL89C51主体电路3.3.1 ATMEL89C51单片机介绍（1）主要性能l 与MCS-51单片机产品兼容l 8K字节在系统可编程Flash存储器l 1000次擦写周期l 全静态操作：0Hz33Hzl 三级加密程序存储器l 32个可编程I/O口线l 三个16位定时器/计数器l 八个中断源l 全双工UART串行通道l 低功耗空闲和掉电模式l 掉电后中断可唤醒l 看门狗定时器l 双数据指针l 掉电标识符图3.10 ATMEL89C51内部结构图（2）功能特性描述ATMEL89C51内部结构图如图3.10所示。ATMEL89C51是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程FLASH 存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容【8】。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、有效的解决方案。AT89S52具有以下标准功能： 8k字节Flash，256字节RAM，32 位I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16 位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止【9】。（3）ATMEL89C51引脚结构如图3.11所示。图3.11 ATMEL89C51引脚结构图（4）ATMEL89C51 各管脚作用VCC : 电源 GND: 地P0 口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻【5】。P1 口：P1 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，p1 输出缓冲器能驱动4 个TTL 逻辑电平。对P1 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输（P1.0/T2）和时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），具体如表3.3所示。在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。表3.3 引脚P1口功能表引脚号第二功能P1.0T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出P1.1T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）P1.5MOSI（在系统编程用）P1.6MISO（在系统编程用）P1.7SCK（在系统编程用）P2 口：P2 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P2 输出缓冲器能驱动4 个TTL 逻辑电平。对P2 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX DPTR）时，P2 口送出高八位地址【10】。在这种应用中，P2 口使用很强的内部上拉发送1。在使用8位地址（如MOVX RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。P3 口：P3 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，p2 输出缓冲器能驱动4 个TTL 逻辑电平。对P3 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如表3.4所示。在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。表3.4 引脚P3口功能表引脚号第二功能P3.0RXD（串行输入）P3.1TXD（串行输出）P3.2INT0(外部中断0)P3.3INT0(外部中断0)P3.4T0（定时器0外部输入）P3.5T1（定时器1外部输入）P3.6WR(外部数据存储器写选通)P3.7RD(外部数据存储器写选通)RST: 复位输入。晶振工作时，RST脚持续2 个机器周期高电平将使单片机复位。看门狗计时完成后，RST 脚输出96 个晶振周期的高电平【11】。特殊寄存器AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能无效。DISRTO默认状态下，复位高电平有效。ALE/PROG：地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8 位地址的输出脉冲。在flash编程时，此引脚（PROG）也用作编程输入脉冲【2】。在一般情况下，ALE 以晶振六分之一的固定平率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE脉冲将会跳过。如果需要，通过将地址为8EH的SFR的第0位置 “1”，ALE操作将无效。这一位置 “1”，ALE 仅在执行MOVX 或MOVC指令时有效。否则，ALE 将被微弱拉高。这个ALE 使能标志位（地址为8EH的SFR的第0位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效【12】。PSEN:外部程序存储器选通信号（PSEN）是外部程序存储器选通信号。AT89S52从外部程序存储器执行外部代码时，PSEN在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，PSEN将不被激活【11】。EA/VPP:访问外部程序存储器控制信号。为使能从0000H 到FFFFH的外部程序存储器读取指令，EA必须接GND。为了执行内部程序指令，EA应该接VCC。在flash编程期间，EA也接收12伏VPP电压。XTAL1:振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。XTAL2:振荡器反相放大器的输出端。存储器结构：MCS-51器件有单独的程序存储器和数据存储器。外部程序存储器和数据存储器都可以64K寻址。程序存储器：如果EA引脚接地，程序读取只从外部存储器开始。对于89S52，如果EA 接VCC，程序读写先从内部存储器（地址为0000H1FFFH）开始，接着从外部寻址，寻址地址为：2000HFFFFH。数据存储器：ATMEL89C51 有256 字节片内数据存储器。高128 字节与特殊功能寄存器重叠。也就是说高128字节与特殊功能寄存器有相同的地址，而物理上是分开的。当一条指令访问高于7FH 的地址时，寻址方式决定CPU 访问高128 字节RAM 还是特殊功能寄存器空间。直接寻址方式访问特殊功能寄存器（SFR）。例如，下面的直接寻址指令访问0A0H（P2口）存储单元MOV 0A0H , #data使用间接寻址方式访问高128 字节RAM。例如，下面的间接寻址方式中，R0 内容为0A0H，访问的是地址0A0H的寄存器，而不是P2口（它的地址也是0A0H）。MOV R0 , #data堆栈操作也是简介寻址方式【8】。因此，高128字节数据RAM也可用于堆栈空间。看门狗定时器：WDT是一种需要软件控制的复位方式。WDT 由13位计数器和特殊功能寄存器中的看门狗定时器复位存储器（WDTRST）构成【13】。WDT 在默认情况下无法工作；为了激活WDT，户用必须往WDTRST 寄存器（地址：0A6H）中依次写入01EH 和0E1H。当WDT激活后，晶振工作，WDT在每个机器周期都会增加。WDT计时周期依赖于外部时钟平率。除了复位（硬件复位或WDT溢出复位），没有办法停止WDT工作。当WDT溢出，它将驱动RSR引脚一个高个电平输出。WDT的使用为了激活WDT，用户必须向WDTRST寄存器（地址为0A6H的SFR）依次写入0E1H和0E1H。当WDT激活后，用户必须向WDTRST写入01EH和0E1H喂狗来避WDT溢出。当计数达到8191(1FFFH)时，13 位计数器将会溢出，这将会复位器件【11】。晶振正常工作、WDT激活后，每一个机器周期WDT 都会增加。为了复位WDT，用户必须向WDTRST 写入01EH 和0E1H（WDTRST 是只读寄存器）。WDT 计数器不能读或写。当WDT 计数器溢出时，将给RST 引脚产生一个复位脉冲输出，这个复位脉冲持续96个晶振周期（TOSC），其TOSC=1/FOSC。为了很好地使用WDT，应该在一定时间内周期性写入那部分代码，以避免WDT复位。掉电和空闲方式下的WDT：在掉电模式下，晶振停止工作，这意味这WDT也停止了工作。在这种方式下，用户不必喂狗。有两种方式可以离开掉电模式：硬件复位或通过一个激活的外部中断。通过硬件复位退出掉电模式后，用户就应该给WDT 喂狗，就如同通常AT89S52 复位一样。通过中断退出掉电模式的情形有很大的不同。中断应持续拉低很长一段时间，使得晶振稳定。当中断拉高后，执行中断服务程序。为了防止WDT在中断保持低电平的时候复位器件，WDT 直到中断拉低后才开始工作。这就意味着WDT 应该在中断服务程序中复位【14】。为了确保在离开掉电模式最初的几个状态WDT不被溢出，最好在进入掉电模式前就复位WDT。在进入待机模式前，特殊寄存器AUXR的WDIDLE位用来决定WDT是否继续计数。默认状态下，在待机模式下，WDIDLE0，WDT继续计数。为了防止WDT在待机模式下复位AT89S52，用户应该建立一个定时器，定时离开待机模式，喂狗，再重新进入待机模式。UART：在ATMEL89C51 中，UART 的操作与AT89C51 和AT89C52 一样。为了获得更深入的关于UART 的信息，可参考ATMEL 网站（）。从这个主页，选择“Products”，然后选择“8051-Architech Flash Microcontroller”，再选择“Product Overview”即可【15】。定时器0 和定时器1：在ATMEL89C51 中，定时器0 和定时器1 的操作与AT89C51 和AT89C52 一样。为了获得更深入的关于UART 的信息，可参考ATMEL 网（）。从这个主页，选择“Products”，然后选择“8051-Architech Flash Microcontroller”，再选择“Product Overview”即可。定时器2：定时器2是一个16位定时/计数器，它既可以做定时器，又可以做计数器。其工作方式由特殊寄存器T2CON中的C/T2位选择（如表3.2所示）。定时器2有三种工作模式：捕捉方式、自动重载（向下或向上计数）和波特率发生器。如表4.1所示，工作模式由T2CON中的相关位选择。定时器2 有2 个8位寄存器：TH2和TL2。在定时工作方式中，每个机器周期，TL2 寄存器都会加1。由于一个机器周期由12 个晶振周期构成，因此，计数平率就是晶振平率的1/12。在计数工作方式下，寄存器在相关外部输入角T2 发生1 至0 的下降沿时增加1。在这种方式下，每个机器周期的S5P2期间采样外部输入。一个机器周期采样到高电平，而下一个周期采样到低电平，计数器将加1。在检测到跳变的这个周期的S3P1 期间，新的计数值出现在寄存器中【6】。因为识别10的跳变需要2个机器周期（24个晶振周期）所以，最大的计数平率不高于晶振平率的1/24。为了确保给定的电平在改变前采样到一次，电平应该至少在一个完整的机器周期内保持不变。可编程时钟输出：如图3.12所示，可以通过编程在P1.0 引脚输出一个占空比为50%的时钟信号。这个引脚除了常规的I/O 角外，还有两种可选择功能。它可以通过编程作为定时器/计数器2 的外部时钟输入或占空比为50%的时钟输出。当工作平率为16MHZ时，时钟输出平率范围为61HZ到4HZ。为了把定时器2配置成时钟发生器，位C/T2（T2CON.1）必须清0，位T2OE（T2MOD.1）必须置1。位TR2（T2CON.2）启动、停止定时器。时钟输出平率取决于晶振平率和定时器2捕捉寄存器（RCAP2H，RCAP2L）的重载值，如公式所示：时钟输出平率晶振平率/4*65536-(RCAP2H,RCAP2L)在时钟输出模式下，定时器2不会产生中断，这和定时器2用作波特率发生器一样。定时器2也可以同时用作波特率发生器和时钟产生。不过，波特率和输出时钟平率相互并不独立，它们都依赖于RCAP2H和RCAP2L【8】。图3.12 定时器2时钟输出模式3.3.2 晶振电路设计ATMEL89C51系列单片机可以工作于6MHz、12MHz等频率下，这一频率产生于一个石英晶体振荡器，用于驱动AT89S52系列单片机【14】。因此，我们针对ATMEL89C51单片机，设计的晶振电路如图3.13所示。设计中采用12MHz的石英晶体和两个容值为22PF的电容。Y1（晶振）直接跨接在AT89S52的XTAL1、XTAL2两端，其中C12、C13为起振电容。须注意的是振荡脉冲经过二分频才作为系统的时钟信号，在二分频的基础上再三分频产生ALE信号，在二分频的基础上再进行六分频就得到机器周期信号。因此一个机器周期只有振荡周期的1/12,我们使用的是12MHZ晶振，因此机器周期为1/(12*12)微秒。图3.13 晶振电路3.3.3 复位电路设计RST引脚是单片机复位信号的输入端，复位信号为高电平有效，其有效时间应持续24个振荡脉冲周期（即2个机器周期）以上，产生复位信号的电路逻辑图如图3.14所示。此复位电路为按键电平方式复位，首先具有开机复位的功能，在平时状态中由于电容阻断直流电压，因此RST复位端口一直为低电平。图3.14 复位电路3.4CPU控制模块CPU控制模块采用MCS51单片机（单片机又称单片微控制器）,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜等。 单片机内部也用和电脑功能类似的模块，比如CPU，内存，并行总线，还有和硬盘作用相同的存储器件，不同的是它的这些部件性能都相对我们的家用电脑弱很多，不过价钱也是低的，一般不超过10元即可.用它来做一些控制电器一类不是很复杂的工作足矣了。我们现在用的全自动滚筒洗衣机、排烟罩、VCD等等的家电里面都可以看到它的身影！.它主要是作为控制部分的核心部件。 它是一种在线式实时控制计算机，在线式就是现场控制，需要的是有较强的抗干扰能力，较低的成本，这也是和离线式计算机的（比如家用PC）的主要区别。 单片机是靠程序的，并且可以修改。通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些则是花大力气也很难做到的。一个不是很复杂的功能要是用美国50年代开发的74系列，或者60年代的CD4000系列这些纯硬件来搞定的话，电路一定是一块大PCB板！但是如果要是用美国70年代成功投放市场的系列单片机，结果就会有天壤之别！只因为单片机的通过你编写的程序可以实现高智能，高效率，以及高可靠性！它有集成度高，存储量大，性能高，速度快，抗干扰性强，指令丰富等特点。此类型单片机的封装型号很多，我们采用DIP40脚封装，对与该系统已经够用了，MCS51单片机中有 时针模块、中断模块、串口、并口等【15】。存储空间大，寻址范围宽，数据存储有64KB地址空间，程序存储有64KB寻址空间。中断有优先级别控制，采用5V供电。外围元件少等优点，下面是51单片机结构图和外围元件图：图3.15 CPU核心板3.5 红外测速模块设计 图3.16 红外测速模块原理图现在红外元件的用途很多，例如红外侧温、红外侧距、红外感应等。在这里我们应用了红外感应，感应轮子转动的圈数。测速电路用的是光耦测量转动圆盘引起的脉冲宽度，从而可得单片机的实时速度，精度很高，可达千分之一。用的是外部中断的，在电机带动转盘的时候，转盘上贴了半圆黑色的纸，形成黑白面，只有当转盘到达白面的时候，红外线传感器是导通的，平常的时候传感器都处于断开的状态，利用这一特点，我采用外部中断的方式，每次断开的时候采集一个信号，发生中断，每发生一次中断，就让计数器计数一次，以这样的方式来测量电机的转速。3.6 键盘设计图3.17 按键接口按键电路设计：按键未按下时其输出端为高电平，按键按下时输出端为低电平。键盘是人操作本系统的唯一通道。数字键可设定电机的转速。3.7 加热控制电路设计在控制设计中,需要用设计加热器来加热电机,使其达到并保持某一设定温度,常用的方法有继电式控温、调压器调压控温和电子式(多用可控硅) 调压控温等几种【1】。继电式控温依靠继电器的频繁切换来保持温度,它的温度调节比较粗略,响声大,使用寿命低。调压法控温的特点是对电网电压影响小,但比较笨重,调节粗糙。而可控硅调压控温的特点是体积小,无噪声、调节方便,但它对电网会产生一定影响,适用于小功率加热器。在本课题的研究背景下，对温度保持的调节采用软件实现。图3.18 加热控制电路原理图图3.18为加热控制电路原理图，电热丝的加热功率由双向可控硅来控制，单片机通过光耦合给可控硅触发信号，可控硅管和加热丝串接在交流12V、50Hz市电回路。在给定的周期T内，单片机只要改变可控硅管的接通时间便可改变加热丝的功率，从而达到调节温度的目的。而可控硅的接通时间可以通过可控硅极上moc3041控制【8】。该光耦器件又由单片机用软件在P3.7引脚上产生的PWM波控制，受过零同步脉冲同步后经光耦合管和驱动管输出送到可控硅的控制极上。光耦可以将强电与弱电隔离从而既实现控制又保护电路。过零同步脉冲是一种50HZ交流电压过零时刻的脉冲，可使可控硅在交流电压正弦波过零时触发导通。该脉冲作为可控硅的触发同步脉冲加到控制电路中。加热电路用来实现对系统的升温加热达到预定的温度。当温度没有达到要求，控制电路利用双向可控硅的通断特性来决定加热电路的通电与断电，测量电路功能为将测量到的信号经过处理变成数字信号送入单片机中进行处理为了在关机和超温保护的状态下能可靠地关断加热电源。与电热丝并联的LED发光管用来指示电热丝的工作状态。第4章 软件设计4.1 显示驱动软件设计 我们对LCD1602液晶显示器的控制其实就是对LCD控制器的操作，LCD控制器内有多个寄存器，我们通过对RS(数据命令选择端)和R/W（读/写命令选择端）的控制来具体选择哪一个寄存器，选择情况见表4.1。表4.1 LCD内部寄存器选择RSR/W寄存器及操作00指令寄存器写入01忙标志和地址计数器读出10数据寄存器写入11数据寄存器读出下面是LCD的主要指令：（1）清屏指令；RS=0，R/W=0；输入命令0x01;功能：将显示缓冲区的DDRAM的内容全部写入空格。光标复位，地址计数器AC清零。（2）输入方式设置命令；RS=0，R/W=0；其输入命令为：000001I/DS当I/D=1时，光标从左到右移动；I/D=0，光标从右到左移动。当S=1时，内容移动，S=0时内容不动。（3）功能设置命令；RS=0，R/W=0；其输入命令为：001DLNF*功能：设置数据位数，当DL=0时数据位为8位，DL=0时数据位4位。 设置显示行数，当N=1时双行显示，N=0时单行显示。 设置字形大小，当F=1时5*10点阵，F=0时为5*7点阵。（4）显示缓冲区DDRAM地址设置命令；RS=0，R/W=0；其输入命令为就是要访问的DDRAM的地址，地址范畴为0127。（5）读忙标志及地址计数器AC命令；RS=0，R/W=1；其读出数据为：BFAC6AC5AC4AC3AC2AC1AC0当BF=1时表示忙，这时不能接收命令和数据；BF=0时表示不忙。低7位为读出AC的地址。（6）写入DDRAM命令；RS=1，R/W=0；直接输入要显示的数据就可以了，它将会储存到显示缓冲器DDRAM中。（7）读DDRAM命令；RS=1，R/W=1；功能就是从DDRAM当前位置中读出数据。LCD1602液晶显示器在使用之前我们必需对其进行初始化，初始化可通过复位完成，也可以在复位后完成，初始化过程如下：清屏；功能设置；开/关显示控制设置；输入方式设置。LCD显示程序流程图如图4.1所示。图4.1 LCD显示程序流程图4.2控制软件设计PID控制器由比例单元P，积分单元I，微分单元D组成，通过Kp,Ki和Kd三个参数的设定。它是根据PID控制原理进行偏差调节，从而使被控变量的实际值与要求的预定值一致，可以使系统更加准确，更加稳定。PID控制有连续PID控制和数字PID控制两种，前者以模拟电子线路构成，不