机电一体化毕业设计（论文）-单片机自动喂鱼器的设计与制作.doc

自动喂鱼器的设计与制作郑州科技学院专科毕业设计（论文）题 目 _ 自动喂鱼器的设计与制作 学生姓名 专业班级 08机电一体化技术（2）班 学 号 所 在 系 电气工程系 指导教师 完成时间 2010年12 月25日 郑 州 科 技 学 院毕业设计（论文）任务书题目 自动喂鱼机的设计与制作 专业 机电一体化 学号 200829108姓名 主要内容、基本要求、主要参考资料等：一、主要内容 1. 总概设计方案 2. 单元概论设计方案 3. 单片机编程系统调试过程 4. 系统实现的功能和参数指标 5，单片机编程系统功能的功能和参数指标二、基本要求 自动、手动喂鱼。 单片机定时器编程控制电机定时启动喂鱼。 手动功能控制电机运行。单片机编程显示时间，能够随时对单片机定时器复位，从新更换定时点。三、主要参考资料电机控制黄立培ISBN号 730207117出版 清华大学出版社/2003-09-01电工技术与电子技术基础 作者：符磊 王久华 清华大学出版社1997-12-01单片机基础作者：李广弟出版社：北京航空航天大学出版社出版时间：2001年7月版次：第2版 完 成 期 限： 指导教师签名： 评审小组负责人签名： 2010年11月1日说明：本表由指导教师填写，由教研室主任审核后下达给选题学生，最后由学生打印装订在设计（论文）首页课题名称自动喂鱼机的设计与制作指导教师 学生姓名学 号专 业机电一体化一、课题来源在指导老师指导下自己选题命题二、设计目的生活中，养鱼成为越来越多的家庭的喜好，对于那些喜欢养鱼而又没太多时间的家庭，我根据自己所学的知识，设计一款自动定时喂鱼机，以解决那些喜欢养鱼而又没时间的人们。让他们轻松愉快养鱼。三、设计要求 自动、手动喂鱼。 单片机定时器控制电机定时启动喂鱼。 手动功能控制电机运行。显示时间，能够随时对单片机定时器复位，从新更换定时点。四、设计思路 利用单片机编程控制功能，编程控制电机的启动和关闭，利用单片机的计数和时钟功能和可编程控制定时控制电机，达到控制自动喂鱼机的定时自动喂鱼。另设有手动开关，以方便人随时喂鱼。五、时间安排第一阶段：2010年月10月28日前毕业设计(论文)题目上报指导老师第二阶段：2010年月11月2日前接受毕业设计任务书，学习毕业设计(论文)要求及有关规定，收集资料、开始撰写开题报告第三阶段：2010年11月5日前上交开题报告，由指导老师审阅第四阶段：2010年12月15日前利用Protel99se绘制原理图并生成PCB，完成元器件的购买，调试实做，并收集资料，开始设计并撰写论文，初稿完成第五阶段：2010年12月15日至2011年3月20用不同方式与指导老师交流，沟通毕业设计进展情况第六阶段：2011年3月下旬完成并提交正式毕业设计成果指导教师签名： 日期：2010.10.28 附表3： 郑州科技学院毕业设计（论文）开题报告表自动喂鱼器的设计与制作摘 要二十一世纪以来，自动化技术迅猛发展，自动化控制时代已经来临，将带给人们更高的生活质量，给人们带来更丰富、更多彩的精神生活，让我们畅享在科技带给我们的便利多彩的新时代。基于单片机的自动喂鱼器，已逐渐成为时代发展的趋势，单片机控制技术日渐成熟，为人们提供更方便省事的喂鱼服务，让喜于养鱼的人们享受到轻松便捷的养育方式，单片机控制时代已经来临。所以基于单片机的自动喂鱼器也会有好的发展空间。本文主要研究了单片机的控制、电机的伺服、及机电一体化的单片机控制电机的控制系统。最后，本文针对控制系统中的单片机控制系统进行分析，并对下一步研究的问题进行了研究。关键词 单片机 控制系统 自动化技术 时代Automatically feeding the fish Design and ProductionAbstract The twenty-fist centrury,the rapid development of automatiotechnology,automation and control time has come,will give peple a higher quality of life,to bring a richer,more colorful spiritual life,let us enjoy the technology broughr us new era of convenient and colorful. Automatic fish feeding device based on single chip,has become the developmenttrend of the times,SCM control technology is reaching maturity and provide more convennientand easy way for people to feed the sevice,so people in the fish reaning and convenient way to enjoy therelax SCM The time has come.Therefor,the automatic fish feeding based on single chip device will have a good development.This paper studies the control of the microcontroller,servomotors,and electrical integation of the microcontroller controls the motor control system. Finally,the control system microcontroller for contr system analysis,and further reseatchissues studied.KEY WORDS SCM control system automation technology era自动喂鱼器的设计与制作目 录摘 要IAbstractII1. 自动化发展简况11.1自动化11.2工业自动化控制系统32.单片机发展及介绍42.1单片机发展及介绍42.1.1单片机发展42.1.2 单片机的基本组成42.1.3单片机开创了现代电子系统时代42.1.4单片机将造就新一代电子精英42.2单片机简介52.2.1 单片机的组成:62.2.2 存储器的内部构造72.2.3 存储器的工作原理72.2.4 半导体存储器的译码82.2.5 存储器的选片及总线的概念82.2.6 单片机的主要处理中心CPU92.2.7 单片机的指令系统和汇编语言程序:102.3 单片机概述132.4单片机在医用设备领域中的应用132.5微处理器与单片机142.6系列与89C51系列的比较143.电机概述与应用163.1电机简介163.2力矩电机概述163.3力矩电机的构造原理163.4力矩电机主要特点173.5力矩电机应用173.5.1卷绕183.5.2开卷（制动恒功率特性）183.5.3无级调速183.5.4堵转183.5.5其它194.机电一体化技术简介及单片机与电机的融合204.1“ 机电一体化”的来源204.2机电一体化技术基本概念204.3机电一体化技术五大组成要素与四大原则204.3.1五大组成要素204.3.2机电一体化四大原则214.4自动化技术224.5单片机与电机融合22致 谢23参考文献24附 录251.自动化发展简况1946年，美国福特公司的机械工程师D.S.哈德最先提出“自动化”一词，并用来描述发动机汽缸的自动传送和加工的过程。电子设计自动化（）教程（2000）1150年代，自动调节器和经典控制理论的发展，使自动化进入以单变量自动调节系统为主的局部自动化阶段。 1.1自动化60年代，随现代控制理论的出现和电子计算机的推广应用，自动控制与信息处理结合起来，使自动化进入到生产过程的最优控制与管理的综合自动化阶段。 70年代，自动化的对象变为大规模、复杂的工程和非工程系统，涉及许多用现代控制理论难以解决的问题。这些问题的研究，促进了自动化的理论、方法和手段的革新，于是出现了大系统的系统控制和复杂系统的智能控制，出现了综合利用计算机、通信技术、系统工程和人工智能等成果的高级自动化系统，如柔性制造系统、办公自动化、智能机器人、专家系统、决策支持系统、计算机集成制造系统等。 自动装置的出现和应用是在18世纪以前。古代人类在长期生产和生活中为了减轻自己的劳动逐渐产生利用自然界动力代替人力畜力以及用自动装置代替人的部分繁难的脑力活动的愿望经过经过漫长岁月的探索他们互不相关地造出一些原始的自动装置。古代中国的指南车以及17世纪欧洲出现的钟表和风磨控制装置虽然都是毫无联系的发明但对自动化技术的形成却起到了先导作用。 自动化技术形成时期是在18世纪末20世纪30年代。1788年英国机械师J.瓦特发明离心式调速器(又称飞球调速器)并把它与蒸汽机的阀门连接起来构成蒸汽机转速的闭环自动控制系统。瓦特的这项发明开创了近代自动调节装置应用的新纪元对第一次工业革命及后来控制理论的发展有重要影响。人们开始采用自动调节装置来对付工业生产中提出的控制问题。这些调节器都是一些跟踪给定值的装置使一些物理量保持在给定值附近。自动调节器应用标志着自动化技术进入新的历史时期。进入20世纪以后工业生产中广泛应用各种自动调节装置促进了对调节系统进行分析和综合的研究工作。这一时期虽然在自动调节器中已广泛应用反馈控制的结构但从理论上研究反馈控制的原理则是从20世纪20年代开始的。电子设计自动化（）教程（2000）111833年英国数学家C.巴贝奇在设计分析机时首先提出程序控制的原理。939世界上第一批系统与控制的专业研究机构成立为20世纪40年代形成经典控制理论和发展局部自动化作了理论上和组织上的准备。 电子设计自动化（EDA）2000820世纪4050年代是局部自动化时期第二次世界大战时期形成的经典控制理论对战后发展局部自动化起了重要的促进作用。在问题的过程中形成了经典控制理论设计出各种精密的自动调节装置开创了系统和控制这一新的科学领域。这一新的学科当时在美国称为伺服机构理论在苏联称为自动调整理论主要是解决单变量的控制问题。经典控制理论这个名称是1960年在第一届全美联合自动控制会议上提出来 的。1945年后由于战时出版禁令的解除出现了系统阐述经典控制理论的著作。1945年美国数学家维纳N.把反馈的概念推广到一切控制系统。50年代以后经典控制理论有了许多新的发展。经典控制理论的方法基本上能满足第二次世界大战中军事技术上的需要和战后工业发展上的需要。但是到了50年代末就发现把经典控制理论的方法推广到多变量系统时会得出错误的结论。经典控制理论的方法有其局限性。 20世纪40年代中发明的电子数字计算机开创了数字程序控制的新纪元虽然当时还局限于自动计算方面，但ENIAC和EDVAC的制造成功开创了电子数字程序控制的新纪元。电子数字计算机的发明为6070年代在控制系统中广泛应用程序控制和逻辑控制以及广泛应用电子数字计算机直接控制生产过程奠定了基础。 20世纪50年代末起至今是综合自动化时期，这一时期空间技术迅速发展迫切需要解决多变量系统的最优控制问题。于是诞生了现代控制理论。现代控制理论的形成和发展为综合自动化奠定了理论基础。同时微电子技术有了新的突破。1958年出现晶体管计算机1965年出现集成电路计算机1971年出现单片微处理机。微处理机的出现对控制技术产生了重大影响控制工程师可以很方便地利用微处理机来实现各种复杂的控制使综合自动化成为现实。 1.2工业自动化控制系统“自动化(Automation)”是美国人D.S.Harder于1936年提出的他认为在一个生产过程中，机器之间的零件转移不用人去搬运就是“自动化”。 自动化的概念是一个动态发展过程。过去，人们对自动化的理解或者说自动化的功能目标是以机械的动作代替人力操作，自动地完成特定的作业。这实质上是自动化代替人的体力劳动的观点。后来随着电子和信息技术的发展，特别是随着计算机的出现和广泛应用，自动化的概念已扩展为用机器(包括计算机)不仅代替人的体力劳动而且还代替或辅助脑力劳动，以自动地完成特定的作业。 今天看来自动化的上述概念也还不完善。把自动化的功能目标看成是用机器代替人的体力劳动或脑力劳动是比较狭窄的理解。这种理解甚至在某种程度上阻碍了自动化技术的发展，例如，有人就认为，中国人多，搞自动化没有很大的必要。 2.单片机发展及介绍：2.1单片机发展及介绍：2.1.1单片机发展单片机诞生于20世纪70年代末，经历了SCM、MCU、SOC三大阶段。 2.1.2 单片机的基本组成单片机由运算器、控制器、存储器、输入输出设备构成2.1.3单片机开创了现代电子系统时代 单片机与PC机网络通讯技术（2007）2单片机构成的现代电子系统将成为主流电子系统。单片机是器件级计算机系统，它可以嵌入到任何对象体系中去，实现智能化控制。小到微型机械，如手表、助听器。集成器件级的低价位，低到几元、十几元，足以使单片机普及到许多民用家电、电子玩具中去。单片机构成的现代电子系统已深入到各家各户，正改变我们的生活，如家庭中的音响、电视机、洗衣机、微波炉、电话、防盗系统、空调机等。单片机革新了原有电子系统，如微波炉采用单片机控制后，可方便地进行时钟设置、程序记忆、功率控制；空调机采用单片机后不但遥控参数设置方便，运行状态自动变换，还可实现变频控制。目前许多家用电器如VCD、DVD只有单片机出现后才可能实现其功能。 2.1.4单片机将造就新一代电子精英 如果说五十年代起，无线电世界造就了几代精英，那么当今的单片机世界将会造就出新一代电子精英。 单片机带你进入智能化电子领域 若将经典电子系统当作一个僵死的电子系统，那么智能化的现代电子系统则是一个具有“生命”的电子系统。单片机应用系统的硬件结构给予电子系统“身躯”，单片机应用系统的应用程序赋予其“生命”。单片机与PC机网络通信技术1例如，在设计智能化仪器显示器的显示功能时，可在开机时显示系统自检结果，未进入工作时显示各种待机状态，仪器运行时显示运行过程，工作结束后可显示当前结果、自检结果、原始数据、各种处理报表等。在无人值守时，可给定各种自动运行功能。 电子系统的智能化为无止境境界，常常不需硬件资源的增添就能实现各种翻新功能。这也是当前许多家用电器功能大量增设的因素之一。 单片机带你进入计算机工控领域 21世纪是全人类进入计算机时代的世纪，许多人不是在制造计算机便是在使用计算机。在使用计算机的人们中，只有从事嵌入式系统应用的人才真正地进入到计算机系统的内部软、硬件体系中，才能真正领会计算机的智能化本质并掌握智能化设计的知识。从学习单片机应用技术入手是当今培养计算机应用软、硬件技术人才的最佳道路之一。 单片机带你进入最具魅力的电子世界 独具魅力的单片机能使你体会到电脑的真谛，你可以用单片机亲自动手设计智能玩具，可以设计不同的应用程序实现不同的功能。电子技术（1993）7既有硬件制作又有软件设计，既动脑、又动手。初级水平可开发智能玩具，用宏指令编程。中级水平可开发一些智能控制器，如电脑鼠、智能车、各种遥控模型。高级水平可开发机器人，如机器人足球赛，开发工业控制单元，网络通信等，并用汇编语言或高级语言设计应用程序。围绕单片机及嵌入式系统形成的电子产业的未来，将会为电子爱好者提供广阔的天地，一个比当年无线电世界更广阔、更丰富、更持久、更具魅力的电子世界。投身到单片机世界来，将使你一生受益。2.2单片机简介:亦称微控制器,顾名思义，这种计算机的最小系统只用了一片集成电路，即可进行简单运算和控制。因为它体积小，通常都藏在被控 机械的“肚子”里。它在整个装置中，起着有如人类头脑的作用，它出了毛病，整个装置就瘫痪了。现在，这种单片机的使用领域已十分广泛，如智能仪表、实时 工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。各种产品一旦用上了单片机，就能起到使产品升级换代的功效，常在产品名称前冠以形容词“智能微电脑型”，如智能型热水器等。2.2.1 单片机的组成:单片机要自动完成计算，它应该具有哪些最重要的部分呢？以打算盘为例计算一道算术题。例：11110918819932。现在要进行运算，首先需要一把算盘，其次是纸和笔。把要计算的问题记录下来，然后第一步先算109188，把它与111相加的结果记在纸上，然后计算19932，再把它从上一次结果中减去，就得到最后的结果。现在，我们用单片机来完成上述过程，显然，它首先要有代替算盘进行运算的部件，这就是“运算器”；其次，要有能起到纸和 笔作用的器件，即能记忆原始题目、原始数据和中间结果，还要记住使单片机能自动进行运算而编制的各种命令。这类器件就称为“存贮器”。此外，还需要有能代替 人作用的控制器，它能根据事先给定的命令发出各种控制信号，使整个计算过程能一步步地进行。但是光有这三部分还不够，原始的数据与命令要输入，计算的结果 要输出，都需要按先后顺序进行，有时还需等待。新编MCS-51单片机应用设计（2008）2如上例中，当在计算109188时，数字111就不能同时进入运算器。因此就需要在单片机上设置按控制器的命令进行 动作的“门”，当运算器需要时，就让新数据进入。或者，当运算器得到最后结果时，再将此结果输出，而中间结果不能随便“溜出”单片机。这种对输入、输 出数据进行一定管理的“门”电路在单片机中称为“口”（Port）。在单片机中，基本上有三类信息在流动，一类是数据，即各种原始数 据（如上例中的111、109等）、中间结果（如19932所得的商6、余数7等）、程序（命令的集 合）等。新编MSN-51单片机应用设计（2008）2这样要由外部设备通过“口”进入单片机，再存放在存贮器中，在运算处理过程中，数据从存贮器读入运算器进行运算，运算的中间结果要存入存贮器中，或最后由运算器经“出入口”输出。用户要单片机执行 的各种命令（程序）也以数据的形式由存贮器送入控制器，由控制器解读（译码）后变为各种控制信号，以便执行如加、减、乘、除等功能的各种命令。所以，这一 类信息就称为控制命令，即由控制器去控制运算器一步步地进行运算和处理，又控制存贮器的读（取出数据）和写（存入数据）等。第三类信息是地址信息，其作用 是告诉运算器和控制器在何处去取命令取数据，将结果存放到什么地方，通过哪个口输入和输出信息等。半导体存储器的工作原理存贮器又分为只读存贮器和读写存贮器两种，前者 存放调试好的固定程序和常数，后者存放一些随时有可能变动的数据。顾名思义，只读存贮器一旦将数据存入，就只能读出，不能更改（EPROM、E2PROM等类型的ROM可通过一定的方法来更改、写入数据编者注）。而读写存贮器可随时存入或读出数据.2.2.2 存储器的内部构造 看下面 的图这就是半导体存储器的结构简图图2.12.2.3 存储器的工作原理存储器就是用来存放数据的地方它其实是利 用电平的高或低来存放数据的也就是说它实际上存放的是电平的高或低的状态而不是我们所习惯上认为的有了这么一个构造我们就可以开始存放数据了比如我们要放 进一个数据1234这样的数字那它是如何工作的呢看上面的图这就是存储器的内部结构示意 图一个存储器就象一个小抽屉一个小抽屉里有8个也就是单片机的8位小盒子每个小盒子用来存放1位电荷电 荷通过与它相连的电线传进来或释放掉至于电荷在小盒子里是怎样存放的这就不用我们操心了您可以把电线想象成水管小盒子里的电荷就象是水那就好理解了存储器 中的1个小抽屉我们把它称之为1个单元相当于1个字节而1个小盒子就相当于1位00011010我们只要把第2号第4号和第5号小盒子里存满电荷而其它小盒子里的电荷给放掉就行了可是问题又出来了一个存储器有好多相同的单元线是并联着 的看D7-D0在放入电荷的时候会将电荷放入所有的字节单元中而释放电荷的时候会把每 个单元中的电荷都放掉这样的话不管存储器有多少个字节单元都只能放同一个数这当然不是我们所希望的因此我们要在结构上稍作变化看上面的图在每个单元上有根 线与译码器相连我想要把数据放进哪个单元就通过译码器给哪个单元发一个信号由译码器通过这根线把相应的开关打开这样电荷就可以自由地进出了那么这样是不是 就能随意地向存储器写入或者读出数据了呢其实还不能继续看上面的图与D7-D0相 连的还有一个控制器它是用来干什么的呢这根线叫写入/读出控制线当我们向存储 器写入数据时必须先把这个开关切换到写入端而要读出数据时就得先把开关切换到读出端而片选端则是为了区分不同的存储器设置的这里没搞明白没关系后面还有介 绍先让我们来看看译码器是如何工作的2.2.4 半导体存储器的译码 简单介绍一下我们知道1根线可以代表2种状态2根线可以代表4种状态3根线可以代表8种256种状态又需要几根线代表自己想一下是不是8根线。2.2.5 存储器的选片及总线的概念一个问题送入每个字节的8根线又是从什么地方来的呢，它就是从单片机的外部引脚上接过来的，一般这8根线，除了接一个存储器之外，还要接其它的器件这样问题又来了，这8根线既然不是存储器和单片机之间专用的，如果总是将某个单元接在这8根线上就不行了，比如这个存储器单元中的数值是11111111另一个存储器的单元是00000000那么这根，线到底是处于高电平还是低电平？所以我们必须让它们分离，办法当然也简单，当外面的线接到集成电路的引脚上来后，不直接接到各单元去，而是在中间加一组开关这组开关，就是前面提到的控制器，看前面的图，平时我们让开关打开着，如果确实是要向这个存储器中写入数据或要从存储器中读出数据，再让开关切换到相应的位置就行了，这组开关 由三根引线选择读写控制端和片选端，要将数据写入，先由控制器选中该片，然后发出相应的写信号，开关切换到相应的位置，并将传过来的数据电荷写入片中如果要读，信号先选中该片然后发出读信号开关也切换到相应的位置上，数据就被送出去了，另外读和写信号还同时受到译码器的控制，由于片选端的不同，所以虽有读或写信号，但没有片选信号，所以另一个存储器就不会误会而开门造成冲突，那么会不会同时选中两个存储器呢，只要是设计好的系统就不会，如果真的出现同时选中两个存储器的话，那就是电路出故障了。8根线并不是专用的，而是很多器件大家共用的，所以我们把它们称之为数据总线，总线英文名为BUS即公交车道，谁都可以走，而16根地址线51单片机共有16根地址线，也是连在一起的，我们把它们称之为地址总线。如此看来，存储器要想写入或者读出数据还真是不容易，不过好在这些都是由计算机自动完成的，不需要我们去操心，从上面的介绍中我们已经看到用来传递数据的。2.2.6 单片机的主要处理中心CPU实际上，人们往往把运算器和控制器合并称为中央处理单元CPU。 单片机除了进行运算外，还要完成控制功能。所以离不开计数和定时。因此，在单片机中就设置有定时器兼计数器。到这里为止，单片机应用技术教程M（1997）1997我们已经知道了单片机的基本组 成，即单片机是由中央处理器（即CPU中的运算器和控制器）、只读存贮器（通常表示为ROM）、读写存贮器（又称随机存贮器通常表示为RAM）、输入/输出口（又分为并行口和 串行口，表示为I/O口）等等组成。实际上单片机里面还有一个时钟电路，使单片机在进行运 算和控制时，都能有节奏地进行。另外，还有所谓的“中断系统”，这个系统有“传达室”的作用，当单片机控制对象的参数到达某个需要加以干预的状态时，就可经此“传达室”通报给CPU，使CPU根据外部事态的轻重缓急来采取适当的应付措施。 现在，我们已经知道了单片机的组成，余下的问题是如何将它们的各部分连接成相互关联的整体呢？实际上，单片机内部有一条将它们连接起来的“纽带”，即所谓的“内部总线”。此总线有如大城市的“干道”，而CPU、ROM、RAM、I/O口、中断系统等就分布在此“总线”的两旁，并和它连通。从而，一切指令、数据都可经内部总线传送，有如大城市内各种物品的传送都经过干道进行。2.2.7 单片机的指令系统和汇编语言程序:前面已经讲述了单片机的几个主要组成部分，这些部分构成了单片机的硬 件。所谓硬件（Hardware），就是看得到，摸得到的实体。但是，光有这样的硬件，还只是有了实 现计算和控制功能的可能性。单片机要真正地能进行计算和控制，还必须有软件（Software）的配合。软件主要指的是各种程序。只有将各种正确的程序“灌入”（存入）单片机，它才能有效地工作。单片机所以能自动地进行运算和控制，正是由于人把实现计算和控制的步骤一 步步地用命令的形式，即一条条指令（Instruction）预先存入到存贮器中，单片机在CPU的控制下，将指令一条条地取出来，并加以翻译和执行。就以两个数相加这一简单的运算来说，当需要运算的数已 存入存贮器后，还需要进行以下几步：第一步：把第一个数从它的存贮单元（Location）中取出来，送至运算器。 第二步：把第二个数从它所在的存贮单元中取出来，送至运算器；第三步：相加；第四 步：把相加完的结果，送至存贮器中指定的单元。所有这些取数、送数、相加、存数等等都是一种操作（Operation），我们把要求计算机执行的各种操作用命令的形式写下来，这就是指令。 但是怎样才能辨别和执行这些操作呢？单片机微机测控系统设计大全（1998）4这是在设计单片机时由设计人员赋予它的指令系统所决定的。一条指令，对应着一种基本操作；单片机所能执行的全部指令， 就是该单片机的指令系统（IustructionSet），不同种类的单片机，其指令系统亦不同。数据、地址、指令：之所以将这三者放在一起，是因为这三者的本质都是一样的数字，或者说都是一串0和1组成的序列。换言 之，地址、指令也都是数据。指令：由单片机芯片的设计者规定的一种数字，它与我们常用的指令助记符有着严格的一一对应关系，不可以由单片机的开发者更改。 地址：是寻找单片机内部、外部的存储单元、输入输出口的依据，内部单元的地址值已由芯片设计者规定好，不可更改，外部的单元可以由单片机开发者自行决定， 但有一些地址单元是一定要有的（详见程序的执行过程）。单片机微机测控系统设计大全（1998）3数据：这是由微处理机处理的对象，在各种不同的应用电路中各不相同，一般而言，被处理的数据可能有 这么几种情况：1地址（如MOVDPTR，#1000H），即地址1000H（相当于门牌号）送入DPTR。2方式字或控制字（如MOVTMOD，#03H），3即是控制字。3常数（如MOVTH0，#10H）10H即定时常数（16进制）。4实际输出值 （如P1口接彩灯，要灯全亮，则执行指令：MOVP1，#0FFH，要灯全暗，则执行指令：MOVP1，#00H）这里0FFH和00H都是实际输出值。又如用于LED的字形码，也是实际输出的值。理解了地址、指令的本质，就不难理解程序运行过程中为什么会跑飞，会把 数据当成指令来执行了。单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。尽管他的大 部分功能集成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件：CPU、内存、内部和外部总线系统，目前大部分还会具有外 存。同时集成诸如通讯接口、定时器，实时时钟等外围设备。而现在最强大的 单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。单片机也被称为微控制器（Microcontroler），是因为它最早被用在工业 控制领域。单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对提及要求严格的控制设备当中。INTEL的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器，从此以后，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。单片机应用技术教程M（1997）6早期的单片机都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的 8031，因为简 单可靠而性能不错获得了很大的好评。此后在8031上发展出了MCS51系列单片机系统。基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。随着工业控制领域要求的提高，开始出现了16位单片机，但因 为性价比不理想并未得到很广泛的应用。90年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大的提高。随着INTEL i960系列特别是后来的ARM系列的广泛应 用，32位单片机迅速取代16位单片机的高端地位，并且进入主流市场。而传统的8位单片机的性能也 得到了飞速提高，处理能力比起80年代提高了数百 倍。目前，高端的32位单片机主频已经超过300MHz，性能直追90年代中期的专用处理器，而普通的型号出厂价格跌落至1美元，最高端的型号也只有10美元。当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使 用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。而在作为掌 上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用的Windows和Linux操作系统。单片机比专用处理器最适合应用于嵌 入式系统，因此它得到了最多的应用。事实上单片机是世界上数量最多的计算机。现代人类生活中所用的几乎每件电子 和机械产品中都会集成有单片机。手机、电话、计算器、家用电器、电子玩 具、掌上电脑以及鼠标等电脑配件中都配有1-2部单片机。而个人电脑中也会有为数不少的单片机在工作。汽车上一般配备40多部单片机，复杂的工业控制系统上甚至可能有数百台单片机在同时工作！单片机的数量不仅远超过PC机和其他计算 的综合，甚至比人类的数量还要多。2.3 单片机概述：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、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。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！ 2.4单片机在医用设备领域中的应用单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例 如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。此外，单片机在工商，金融，科研、教 育，国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。2.5微处理器与单片机：微处理器：计算机系统核心部件（CPU）并不是一台完整的计算机单片机：将CPU和其它接口电路集成在一个芯片之中，使其具有计算机的基本功能。从上面的描述可知，微处理器只是一个CPU，而 单片机则是由CPU与其它的接口电路组合而成的，所以CPU不等于单片计算机。也可以这样说，CPU只是计算机其中的一个部件而已。2.6系列与89C51系列的比较首先，89C51单片机是8位单片机。其指令是采用的被称为“CISC”的复杂指令集，共具有111条指令。而MSP430单片机是16位的单片机，采用了精简指令集（RISC）结构，只有简洁的27条指令，大量的指令则是模拟指令，众多的寄存器以及片内数据存储器都可 参加多种运算。这些内核指令均为单周期指令，功能强，运行的速度快。其次，89C51单片机本身的电源电压是5伏，有两种低功耗方式：待机方式和掉电方式。正常情况下消耗的电流为24mA，在掉电状态下，其耗电电流仍为3mA；即使在掉电方式下，电源电压可以下降到2V，但是为了保存内部RAM中的数据，还需要提供约50uA的电流。而MSP430系列单片机在低功耗方面的优越之处，则是89C51系列不可比拟的。正因为如此，MSP430更适合应用于使用电池供电的仪器、仪表类产品中。再者，89C51系列单片机由于其内部总线是8位的，其内部功能模块基本上都是8位的虽然经过各种努力其内部功能模块有了显著增加，但是受其结构本身的限制很大，尤其模拟功能部件的增加更 显困难。MSP430系列其基本架构是16位的，同时在其内部的数据总线经过转换还存在8位的总线，在加上本身就是混合型的结构，因而对它这样的开放型的架构来说，无论扩展8位的功能模块，还是16位的功 能模块，即使扩展模/数转换或数/模转换这类的功能模块也是很方便的。这也就是为什么MSP430系列产品和其中功能部件迅速增加的原因。最后，就是在开发工具上面。对于89C51来说，由于它是最早进入中国的单片机，人们对它在熟悉不过了，再加上我 国各方人士的努力，创造了不少适合我们使用的开发工具。但是如何实现在线编程还是一个很大的问题。对于MSP430系列而言，由于引进了Flash型程序存储器和JTAG技术，不仅使开发工具变得简便，而且价格也相对低廉，并且还可以实现在 线编程。3.电机概述与应用：3.1电机简介：电机是指依据电磁感应定律实现电能的转换或传递的一种电磁装置。电动机也称（俗称马达），在电路中用字母“M”（旧标准用“D”）表示。它的主要作用是产生驱动转矩，作为用电器或各种机械的动力源。 发电机在电路中用字母“G”表示。它的主要作用是利用机械能转化为电能，目前最常用的是，利用热能、水能等推动发电机转子来发电，随着风力发电技术的日趋成熟，风电也慢慢走进我们的生活。 变压器，在有的书上称之为静止的电机。从电机的定义发现，这么说也有它的道理的。 感应电机:定转子之间靠电磁感应作用，在转子内感应电流以实现几点能量转换的电机。感应电机一般用作电动机。优点：结构简单，制造方便，价格便宜，运行方便。缺点：功率因素滞后，轻载功率因数低，调速性能稍差。感应电机是异步电机的一种。3.2力矩电机概述力矩电机是一种具有软机械特性和宽调速范围的特种电机。力矩电机包括：直流力矩电机、交流力矩电机、和无刷直流力矩电机。3.3力矩电机的构造原理当负载增加时，电动机的转速能自动的随之降低，而输出力矩增加，保持与负载平衡。力矩电机的堵转转矩高，堵转电流小，能承受一定时间的堵转运行。由于转子电阴高，损耗大，所产生的热量也大，特别在低速运行和堵转时更为严重，因此，步进电机及其应用M(1989) 4电机在后端盖上装有独立的轴流或离心式风机（输出力矩较小100机座号及以下除外），作强迫通风冷却，力矩电机配以可控硅控制装置，可进行调压调速，调速范围可达1：4，转速变化率10%。本系列电机的特性使其适用于卷绕，开卷、堵转和调速等场合及其他用途，被广泛应用于纺织、电线电缆、金属加工、造纸、橡胶、塑料以及印刷机械等工业领域。3.4力矩电机主要特点 力矩电机的特点是具有软的机械特性,可以堵转.当负载转矩增大时能自动降低转速,同时加大输出转矩.当负载转矩为一定值时改变电机端电压便可调速.但转速的调整率不好!因而在电机轴上加一测速装置,配上控制器.利用测速装置输出的电压和控制器给定的电压相比,来自动调节电机的端电压.使电机稳定!具有低转速、大扭矩、过载能力强、响应快、特性线性度好、力矩波动小等特点，可直接驱动负载省去减速传动齿轮，从而提高了系统的运行精度。为取得不同性能指标，该电机有小气隙、中气隙、大气隙三种不同结构形式，小气隙结构，可以满足一般使用精度要求，优点是成本较低；大气隙结构，由于气隙增大，消除了齿槽效应，减小了力矩波动，基本消除了磁阻的非线性变化，电机线性度更好，电磁气隙加大，电枢电感小，电气时间常数小，但是制造成本偏高；中气隙结构，其性能指标略低于大气隙结构电机，但远高于小气隙结构电机，而体积小于大气隙结构电机，制造成本低于大气隙结构电机。3.5力矩电机应用 在机械制造、纺织、造纸、橡胶、塑料、金属线材和电线电缆等工业中，需要将产品卷绕在卷筒（盘）上。卷绕的直径从开始至末了是越卷越大，为保持被卷物张力均匀（即线速度不变），就要求卷筒转速越卷越小，卷绕力越卷越大。 3.5.1卷绕：在电线电缆、纺织、金属加工、造纸等加工时，卷绕是一个十分重要的工序。产品卷绕时卷筒的直径逐渐增大，在整个过程中保持被卷产品的张力不变十分重要，因为张力过大会将线材的线径拉细甚至拉断，或造成产品的厚薄不均匀，而张力过小则可造成卷绕松弛。为使在卷绕过程中张力保持不变，必须在产品卷绕到卷盘上的盘径增大时驱动卷筒的电机的输出力矩也增大，同时为保持卷绕产品线速度不变，须使卷盘的转速随之降低，力矩电动机的机械特性恰好能满足这一要求。3.5.2开卷（制动恒功率特性） 开卷亦称松卷、放卷、放线等，见图三。在工业生产中，有时需要把卷绕在滚筒上的产品输送到下一个工序。在输送过程中，要求施于产品一个与传动方向相反的张力，同时要求随着筒径的变化，而保持产品传动的线速度和反向张力恒定，这就要求电机具有制动恒功率特性。3.5.3无级调速 力矩电机的机械特性可以在现代伺服驱动装置的控制下实现较高的刚度，因此可以代替原来机械传动装置实现直接驱动（DD，Direct Drive）。目前已经有采用力矩电机为核心动力元件的数控回转工作台和数控摆角铣头等产品。这些产品在体积功率比上还不如机械传动装置当，但由于其没有传动间隙，没有磨损，传动精度和效率高等优势，已经开始在精密装备上推广使用行。3.5.4堵转 在某些特殊场合中，有时要求电机在一段时间内保持一静止的力矩，如电缆收卷起始阶段须保持张紧；大型锻压机的锻件夹持装置等。由于力矩电机的阻抗较大；其堵转电流较小，同时采用了强迫通风，所以能满足一定时间内的堵转要求。允许堵转时间应按铭牌上标定值，如需较长的堵转时间，可选用较大的力矩电机，通过降低力矩电机的端电压来获得。3.5.5其它力矩电机还可根据其多种特点灵活应用，如本身具有直流串励电机特性，可部分代替直流电机使用；又如根据其转子具有高电阻特性，起动（堵转）转矩大，故可应用在启闭闸（阀）门以及阻力矩大的拖动系统中；也可利用其起动（堵转）转矩大，起动（堵转）电流小，实心转子的机械强度高的特点，而使用于频繁正、反转的装置或其他类似动作的各种机械上。 电机的转速（定子转速）小于旋转磁场的转速，从而叫为异步电机。它和感应电机基本上是相同的。s=(ns-n)/ns。s为转差率，ns为磁场转速，n为转子转速。基本原理：(1)当三相异步电机接入三相交流电源时，三相定子绕组流过三相对称电流产生的三相磁动势（定子旋转磁动势）并产生旋转磁场。 (2)该旋转磁场与转子导体有相对切割运动,根据电磁感应原理,转子导体产生感应电动势并产生感应电流。 （3）根据电磁力定律，载流的转子导体在磁场中受到电磁力作用，形成电磁转矩，驱动转子旋转，当电动机轴上带机械负载时，便向外输出机械能。特点:优点：结构简单，制造方便，价格便宜，运行方便。缺点：功率因数滞后，轻载功率因数低，调速性能稍差。主要做电动机用，一般不做发电机！4.机电一体化技术简介及单片机与电机的融合4.1“ 机电一体化”的来源： “机电一体化”在国外被称为Mechatronics是日本人在20世纪70年代初提出来的，它是用英文Mechanics的前半部分和Electron-ics的后半部分结合在一起构成的一个新词，意思是机械技术和电子技术的有机结合。这一名称已得到包括我国在内的世界各国的承认，我国的工程技术人员习惯上把它译为机电一体化技术。机电一体化技术又称为机械电子技术，是机械技术、电子技术和信息技术有机结合的产物。4.2机电一体化技术基本概念机电一体化技术M（1995）5机电一体化技术是在微型计算机为代表的微电子技术、信息技术迅速发展，向机械工业领域迅猛渗透，机械电子技术深度结合的现代工业的基础上，综合应用机械技术、微电子技术、信息技术、自动控制技术、传感测试技术、电力电子技术、接口