直流电机伺服系统的控制毕业论文.doc

第一章 绪论直流电机伺服系统的控制毕业论文目 录摘要IAbstractII第一章 绪论11.1选题背景11.2主要研究工作11.2.1硬件方面11.2.2 软件方面11.3 直流伺服电机的简介21.4 为控制电机准备31.4.1 如何控制电压31.4.2 什么是PWM31.5 编码器的原理41.5.1 编码器的介绍41.5.2 编码器工作原理61.6 本章小结6第二章 直流电机的控制原理72.1 “H桥”整流电路的原理72.1.1 “H桥”整流电路的驱动原理72.1.2使能控制和方向逻辑82.2 关于“H桥”整流电路的制作92.2.1 制作电路选用的芯片92.2.2 练习用的驱动板92.2.3 驱动板电路图102.2.4 关于电路的接线说明102.3 码盘输入信号的过滤102.3.1 制作该电路的原因102.3.2 该电路的芯片112.3.3 该电路的原理图122.3.4 该电路的练习实物图132.4 本章小结13第三章 控制器的介绍143.1 控制器的选择143.2STC12C5A60S2引脚说明153.3 由STC12C5A60S2及其它组成的最小系统173.3.1 最小系统概述173.3.2 复位电路173.3.3时钟电路183.3.4 按键电路183.3.5 显示电路193.4 STC12C5A60S2如何输出PWM方波203.4.1与PCA/PWM应用有关的特殊功能寄存器203.4.2 输出PWM原理233.4.3 输出PWM时的寄存器设置243.4.4 在单片机中输出PWM的程序253.5 八位数码管的显示原理263.5.1 段选显数原理263.5.2 关于三八译码器273.6 单片机的计数器283.6.1 计数器的工作原理283.6.2 计数器的设置283.7 PID控制293.7.1 PID概述293.7.2 PID算法介绍313.8.3 针对本课题用到的比例调节323.8 关于硬件的制板333.8.1 PCB的制板流程333.8.2 整个设计的电路图343.9 本章小结34结束语35参考文献38致谢39第一章 绪论1.1选题背景自动化不但能给我们带来人员进出方便，更令我们的大门增添了不少高贵典雅的气息。然而实施自动化的一个极为主要的器件就要靠电机。本课题研究的就是基于单片机的伺服直流电机控制，作为一个机电一体化的学生，既要掌握机械原理，更重要的是通过电来控制机械的运行，从最基本的微机入手，选用51单片机作为控制电机的芯片。直流伺服电机,它包括定子、转子铁芯、电机转轴、伺服电机绕组换向器、伺服电机绕组、测速电机绕组、测速电机换向器,所述的转子铁芯由矽钢冲片叠压固定在电机转轴上构成。1.2主要研究工作1.2.1硬件方面（1）通过单片机实验加深对伺服电机的驱动电源和电机工作情况了解，在单片机输出PWM信号给伺服电机，控制电机的转速；（2）通过桥式整流电路控制伺服电机的正反转；（3）然后通过编码器反馈信号给单片机计数，在数码管上显示脉冲数。（4）根据功能需要选择电路元器件和型号，设计电路。（5）画出电路原理图，进行电子自动化设计。1.2.2 软件方面（1）通过STC12C5A60S2单片机直接设置寄存器输出PWM信号，控制电机转动；（2）对计数器进行设置，读入脉冲；（3）运用PID算法，对实时输入的伺服电机输入的转速进行计算，再调 整PWM输出，从而控制电机的转速，达到用户设定速度。1.3 直流伺服电机的简介直流电机如下图（1-1）所示：图1-1 直流伺服电机 本伺服电机为试验用伺服电机，接线一共有7条，紫色线为无用线，两边的线为电源线，次中间两条为编码器供电线，接+5V和地，最中间两条为A、B项接线。伺服主要靠脉冲来定位，基本上可以这样理解，伺服电机接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应的角度，从而实现位移，因为，伺服电机本身具备发出脉冲的功能，所以伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样，和伺服电机接受的脉冲形成了呼应，或者叫闭环，如此一来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来，这样，就能够很精确的控制电机的转动，从而实现精确的定位，可以达到0.001mm。直流伺服电机分为有刷和无刷电机。有刷电机成本低，结构简单，启动转矩大，调速范围宽，控制容易，需要维护，但维护方便（换碳刷），产生电磁干扰，对环境有要求。因此它可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合。按电刷类型可分为： 有刷直流伺服电机电机成本低，结构简单，启动转矩大，调速范围宽，控制容易，需要维护，但维护方便（换碳刷），会产生电磁干扰，对环境有要求。因此它可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合。无刷直流伺服电机电机体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定。容易实现智能化，其电子换相方式灵活，可以方波换相或正弦波换相。电机免维护不存在碳刷损耗的情况，效率很高，运行温度低噪音小，电磁辐射很小，长寿命，可用于各种环境。1.4 为控制电机准备1.4.1 如何控制电压第一个需要解决的是电机的转速控制。这里用电灯来了解负载的功率是如何控制的。如图1-2（a）所示电路，当开关S闭合时，电灯L发光，电压为10V，由于电路中再没有其他的损耗，所以电池B的输出电压也是10V。如果想降低电灯的亮度，只需要吧供给电灯的电压降低即可。如图1-2（b）所示，增加一个电阻R吸收掉5V，这就使电灯的电压变成了5V，亮度降低。图1-2（b）的方法降低电灯亮度虽然可行，但是多出的电能会变成热能损失掉，而电池B的电压仍然是10V。图1-2（a）10W 图1-2（b）5W下面介绍一个效率更高的方法:如果闭合开关50ms，在这50ms内电灯的电压为10V，接着断开开关50ms，在这50ms的电灯的电压为0V。在这100ms内，电灯的平均电压为（10V*50ms+0V*50ms）/100ms=5V。如果在1s内，这种以50ms为间隔的开关动作不断地进行，那1s这间的平均电压就是5V，既然平均电压只有原来的一半，由于人视觉的暂留作用，就会看到电灯的亮度降低了。因为开关的作用，使得1s内只有500ms电池向电灯供电，所以电能的损耗要比图1-2（b）的节省一半。通过使开关闭合与断开的时间各为50%，是电灯亮度降低，从平均上看，电灯的供电电压变成了5V。如果想降低到6V又该怎么办呢？很简单，只要使开关闭合与断开的时间分配成60%和40%即可。在t时间内，开关闭合的时间为t*60%，而断开的时间为t*40%，所以平均电压为6V，此时电灯比10V时暗，比5V时亮。1.4.2 什么是PWM这种利用开关对通、断时间的控制来改变平均电压的机制称为PWM（又称脉宽调制）。负载所获得的功率与电源接通的时间成正比。PWM是一种非常常用的数字控制模拟方法，在测量、通信等诸多领域都被广泛地应用。从本质上看，PWM是一种模拟信号电平幅度的数字编码，通过使用高分辨的计数器，方波的占空比被调制，从而使模拟信号幅度的有效值得到改变。PWM仍然是一个数字信号，这是因为在某一时刻，直流电平要么出现，要么不出现。电源以一系列脉冲的形式给负载供电。在带宽足够的情况下，任何模拟电平值都可以由PWM产生。通过调节方波的占空比和频率能获得不同的PWM信号，从而实现可控电平的模拟信号输出。至于如何获得PWM的输出，在下一章会有详细介绍。1.5 编码器的原理1.5.1 编码器的介绍编码器是将信号或数据进行编制、转换为可用以通讯、传输和存储的信号形式的设备。编码器把角位移或直线位移转换成电信号，前者成为码盘，后者称码尺按照读出方式编码器可以分为接触式和非接触式两种接触式采用电刷输出，一电刷接触导电区或绝缘区来表示代码的状态是“1”还是“0”；非接触式的接受敏感元件是光敏元件或磁敏元件，采用光敏元件时以透光区和不透光区来表示代码的状态是“1”还是“0”，通过“1”和“0”的二进制编码来将采集来的物理信号转换为机器码可读取的电信号用以通讯、传输和储存。按照工作原理编码器可分为增量式和绝对式两类。增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码，因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。（REP）工业控制中的定位，接近开关、光电开关的应用已经相当成熟了，而且很好用。可是，随着工控的不断发展，又有了新的要求，这样，选用旋转编码器的应用优点就突出了：信息化：除了定位，控制室还可知道其具体位置；编码器柔性化：定位可以在控制室柔性调整；现场安装的方便和安全、长寿：拳头大小的一个旋转编码器，可以测量从几个到几十几百米的距离，n个工位，只要解决一个旋转编码器的安全安装问题，可以避免诸多接近开关、光电开关在现场机械安装麻烦，容易被撞坏和遭高温、水气困扰等问题。由于是光电码盘，无机械损耗，只要安装位置准确，其使用寿命往往很长。多功能化：除了定位，还可以远传当前位置，换算运动速度，对于变频器，步进电机等的应用尤为重要。经济化：对于多个控制工位，只需一个旋转编码器的成本，以及更主要的安装、维护、损耗成本降低，使用寿命增长，其经济化逐渐突显出来。如上所述优点，旋转编码器已经越来越广泛地被应用于各种工控场合。绝对式编码器旋转增量式编码器以转动时输出脉冲，通过计数设备来知道其位置，当编码器不动或停电时，依靠计数设备的内部记忆来记住位置。这样，当停电后，编码器不能有任何的移动，当来电工作时，编码器输出脉冲过程中，也不能有干扰而丢失脉冲，不然，计数设备记忆的零点就会偏移，而且这种偏移的量是无从知道的，只有错误的生产结果出现后才能知道。解决的方法是增加参考点，编码器每经过参考点，将参考位置修正进计数设备的记忆位置。在参考点以前，是不能保证位置的准确性的。为此，在工控中就有每次操作先找参考点，开机找零等方法。比如，打印机扫描仪的定位就是用的增量式编码器原理，每次开机，我们都能听到噼哩啪啦的一阵响，它在找参考零点，然后才工作。这样的方法对有些工控项目比较麻烦，甚至不允许开机找零（开机后就要知道准确位置），于是就有了绝对编码器的出现。绝对型旋转光电编码器，因其每一个位置绝对唯一、抗干扰、无需掉电记忆，已经越来越广泛地应用于各种工业系统中的角度、长度测量和定位控制。绝对编码器光码盘上有许多道刻线，每道刻线依次以2线、4线、8线、16线.编排，这样，在编码器的每一个位置，通过读取每道刻线的通、暗，获得一组从2的零次方到2的n-1次方的唯一的2进制编码（格雷码），这就称为n位绝对编码器。这样的编码器是由码盘的机械位置决定的，它不受停电、德国hubner编码器干扰的影响。绝对编码器由机械位置决定的每个位置的唯一性，它无需记忆，无需找参考点，而且不用一直计数，什么时候需要知道位置，什么时候就去读取它的位置。这样，编码器的抗干扰特性、数据的可靠性大大提高了。由于绝对编码器在定位方面明显地优于增量式编码器，已经越来越多地应用于工控定位中。绝对型编码器因其高精度，输出位数较多，如仍用并行输出，其每一位输出信号必须确保连接很好，对于较复杂工况还要隔离，连接电缆芯数多，由此带来诸多不便和降低可靠性，因此，绝对编码器在多位数输出型，一般均选用串行输出或总线型输出，德国生产的绝对型编码器串行输出最常用的是SSI（同步串行输出）。从单圈绝对式编码器到多圈绝对式编码器。旋转单圈绝对式编码器，以转动中测量光码盘各道刻线，以获取唯一的编码，当转动超过360度时，编码又回到原点，这样就不符合绝对编码唯一的原则，这样的编码器只能用于旋转范围360度以内的测量，称为单圈绝对式编码器。如果要测量旋转超过360度范围，就要用到多圈绝对式编码器。编码器生产厂家运用钟表齿轮机械的原理，当中心码盘旋转时，通过齿轮传动另一组码盘（或多组齿轮，多组码盘），在单圈编码的基础上再增加圈数的编码，以扩大编码器的测量范围，这样的绝对编码器就称为多圈式绝对编码器，它同样是由机械位置确定编码，每个位置编码唯一不重复，而无需记忆。多圈编码器另一个优点是由于测量范围大，实际使用往往富裕较多，这样在安装时不必要费劲找零点，将某一中间位置作为起始点就可以了，而大大简化了安装调试难度。多圈式绝对编码器在长度定位方面的优势明显，已经越来越多地应用于工控定位中。1.5.2 编码器工作原理由一个中心有轴的光电码盘，其上有环形通、暗的刻线，有光电发射和接收器件读取,获得四组正弦波信号组合成A、B、C、D,每个正弦波相差90度相位差（相对于一个周波为360度），将C、D信号反向，叠加在A、B两相上，可增强稳定信号；另每转输出一个Z相脉冲以代表零位参考位。由于A、B两相相差90度，可通过比较A相在前还是B相在前，以判别编码器的正转与反转，通过零位脉冲，可获得编码器的零位参考位。编码器码盘的材料有玻璃、金属、塑料，玻璃码盘是在玻璃上沉积很薄的刻线，其热稳定性好，精度高，金属码盘直接以通和不通刻线，不易碎，但由于金属有一定的厚度，精度就有限制，其热稳定性就要比玻璃的差一个数量级，塑料码盘是经济型的，其成本低，但精度、热稳定性、寿命均要差一些。分辨率编码器以每旋转360度提供多少的通或暗刻线称为分辨率，也称解析分度、或直接称多少线，一般在每转分度510000线。信号输出有正弦波（电流或电压）,方波（TTL、HTL）,集电极开路（PNP、NPN）,推拉式多种形式，其中TTL为长线差分驱动（对称A,A-;B,B-;Z,Z-）,HTL也称推拉式、推挽式输出，编码器的信号接收设备接口应与编码器对应。 信号连接编码器的脉冲信号一般连接计数器、PLC、计算机，PLC和计算机连接的模块有低速模块与高速模块之分，开关频率有低有高。 如单相联接，用于单方向计数，单方向测速；A.B两相联接，用于正反向计数、判断正反向和测速；A、B、Z三相联接，用于带参考位修正的位置测量；A、A-，B、B-，Z、Z-连接，由于带有对称负信号的连接，电流对于电缆贡献的电磁场为0，衰减最小，抗干扰最佳，可传输较远的距离。 对于TTL的带有对称负信号输出的编码器，信号传输距离可达150米。对于HTL的带有对称负信号输出的编码器，信号传输距离可达300米。1.6 本章小结 本章通过对伺服电机资料的搜集，介绍了伺服电机的原理及特点，加深对伺服电机的了解。古语云：欲先成其事，必先利其器，我认为这一步不可少，只有对伺服电机有准确的定位，才可以更好地完成设计。43第二章 直流电机的控制原理第二章 直流电机的控制原理2.1 “H桥”整流电路的原理2.1.1 “H桥”整流电路的驱动原理图2-1中所示为一个典型的直流电机控制电路。电路得名于“H桥驱动电路”是因为它的形状酷似字母H。4个三极管组成H的4条垂直腿，而电机就是H中的横杠（注意：图2-1及随后的两个图都只是示意图，而不是完整的电路图，其中三极管的驱动电路没有画出来）。 如图2-1所示，H桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机。要使电机运转，必须导通对角线上的一对三极管。根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。 图2-1 H桥驱动电路要使电机运转，必须使对角线上的一对三极管导通。例如，如图2-2所示，当Q1管和Q4管导通时，电流就从电源正极经Q1从左至右穿过电机，然后再经Q4回到电源负极。按图中电流箭头所示，该流向的电流将驱动电机顺时针转动。当三极管Q1和Q4导通时，电流将从左至右流过电机，从而驱动电机按特定方向转动（电机周围的箭头指示为顺时针方向）。图2-2 H桥电路驱动电机顺时针转动图2-3所示为另一对三极管Q2和Q3导通的情况，电流将从右至左流过电机。当三极管Q2和Q3导通时，电流将从右至左流过电机，从而驱动电机沿另一方向转动（电机周围的箭头表示为逆时针方向）。 图2-3 H桥驱动电机逆时针转动2.1.2使能控制和方向逻辑驱动电机时，保证H桥上两个同侧的三极管不会同时导通非常重要。如果三极管Q1和Q2同时导通，那么电流就会从正极穿过两个三极管直接回到负极。此时，电路中除了三极管外没有其他任何负载，因此电路上的电流就可能达到最大值（该电流仅受电源性能限制），甚至烧坏三极管。基于上述原因，在实际驱动电路中通常要用硬件电路方便地控制三极管的开关。 图2-4 所示就是基于这种考虑的改进电路，它在基本H桥电路的基础上增加了4个与门和2个非门。4个与门同一个“使能”导通信号相接，这样，用这一个信号就能控制整个电路的开关。而2个非门通过提供一种方向输人，可以保证任何时候在H桥的同侧腿上都只有一个三极管能导通。图2-4 具有使能控制和方向逻辑的H桥电路采用以上方法，电机的运转就只需要用三个信号控制：两个方向信号和一个使能信号。如果DIRL信号为0，DIRR信号为1，并且使能信号是1，那么三极管Q1和Q4导通，电流从左至右流经电机；如果DIRL信号变为1，而DIRR信号变为0，那么Q2和Q3将导通，电流则反向流过电机。2.2 关于“H桥”整流电路的制作2.2.1 制作电路选用的芯片1、bts7960b（如图2-5示）图2-5 bts7960b芯片2、74ALS244（如图2-6示）图2-6 74ALS244芯片2.2.2 练习用的驱动板练习用的驱动板（如图2-7示）图2-7 驱动板实物图2.2.3 驱动板电路图驱动板电路图（如图2-8示）图2-8 驱动板电路图2.2.4 关于电路的接线说明方法1：将VCC,GND 及主电源，电机接好，EN，IN1,IN2分别接到单片机。如需电机正转IN1置0，IN2置1，EN给PWM信号。反之IN1置1,IN2置0。方法2：将VCC,GND 及主电源，及电机接好。IN1,IN2分别接到单片机。EN可通过跳线接到VCC，如需电机正转IN1置0，IN2给PWM信号。反之IN1置PWM信号,IN2置0。2.3 码盘输入信号的过滤2.3.1 制作该电路的原因由于A、B两相相差90度，可通过比较A相在前还是B相在前，以判别编码器的正转与反转，通过零位脉冲，可获得编码器的零位参考位。由于单片机便于辨别的是脉冲，故考虑把A、B相的脉冲转化成当A相有脉冲时，B相的脉冲为0；当B相有脉冲时，A相的脉冲为0.这样可以有效识别电机的正反转。2.3.2 该电路的芯片1、MC74HC74AN的引脚说明（如图2-9示）图2-9 MC74HC74AN的引脚说明2、 MC74HC74AN的输入与输出逻辑说明（如表2-1示）表2-1 MC74HC74AN的输入与输出逻辑说明INPUTOUTPUTSETRESETCLOCKDATAQQ低电平高电平无无高电平低电平高电平低电平无无低电平高电平低电平低电平无无高电平高电平高电平高电平上升沿高电平高电平低电平高电平高电平上升沿低电平低电平高电平高电平高电平低电平无无变化高电平高电平高电平无无变化高电平高电平下降沿无无变化说明：MC74HC74AN又称“D触发器”，上表为该芯片的输入与输出对应表，输入一个什么信号，相应就输入另一个信号。在实验中给SET和RESET高电平，CLOCK和DATA接伺服电机编码器输入的脉冲，Q和Q输出处理后的信号。3、与门的集成MC74HC08ANMC74HC08AN引脚（如图2-10示）图2-10 MC74CH008AN引脚说明说明：VCC接+5V电源，GND接地，A1、B1、C1，A2、B2、C3，A3、B3、C3分别为三组与门的逻辑关系，A、B为输入，Y为输出。2.3.3 该电路的原理图电路原理图（如图2-11示）图2-11 电路原理图电路图（如图2-12示）图2-12 电路图2.3.4 该电路的练习实物图练习实物图（如图2-13示） （a）正面 （b）反面 图2-13 练习电路板2.4 本章小结 本章主要介绍了最小系统外的两个电路，“H桥”整流电路和数码盘电路，介绍它们的电路图和原理及实验实物。它们都是实验时的关键电路，通过老师给的资料和网上的资料，本人亲自动手焊的数码盘电路，感觉收获了不少。第三章 控制器的介绍第三章 控制器的介绍3.1 控制器的选择1、选用单片机作控制器只有3.3V工作电压的单片机，使得产品更小，更轻，功耗更低降低成本，提升性能，原有程序直接使用,硬件无需改动。如果相关新增功能没有用到，则不需看相应部分。用STC提供的STC-ISP.exe工具将您原有的代码下载进STC相关的单片机即可,或用通用编程器编程。另外TXD和RXD是用于异步串行通信的。其实STC系列单片机的ISP下载线就是一个max232芯片连接STC和计算机的串行通信口。计算机把程序从九针串口送到MAX232芯片，电平转换后送进单片机的串行口，也就是TXD和RXD。然后单片机的串行模块把数据送到程序区。系统方框图如下（如图3-1示）：图3-1 系统框图2、选用PLC作为CPU在自动化控制领域，PLC是一种重要的控制设备。在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。在使用者看来，不必要详细分析CPU的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。3、单片机与PLC的比较（1）PLC主要用于要求比较稳定的工业环境，价格相对昂贵。（2）就本项目而言，对于一个直流伺服电机的系统控制，选用单片机比较轻便。（3）针对项目的实验性，选用单片机更加可以提高人在电路上焊接的动手能力，可以根据电路图焊接小项目供单片机控制，而对于PLC要求较高。（4）对于动手焊接，用单片机损耗资源较小。4、STC12C5A60S2芯片的优点：（1）内部含Flash存储器：在系统的开发过程中可以十分容易进行程序的修改，大大缩短了系统的开发周期。（2）和 80S51 插座兼容：该机型通用性好，能够利用现成的51系列的开发系统，不需另外重新建立新的开发系统，这样可节约开发成本。（3）静态时钟方式：STC12C5A60S2 单片机采用静态时钟方式，所以可以节省电能，这对于降低成品的功耗十分有用。（4）错误编程亦无废品产生：一般的OTP产品一旦错误编程就成了废品，而STC12C5A60S2 单片机内部采用了 Flash 存储器，所以错误编程之后仍可以重新编程，直到正确为止，故不存在废品。（5）可进行反复系统试验：用STC12C5A60S2单片机设计的系统可以反复进行系统试验，每次试验可以编入不同的程序，这样可以保证用户的系统设计达到最优，而且随用户的需要和发展还可以进行修改，使系统能不断追随用户的最新要求。由于该机型具有上述优点，并且有现成的开发系统，不需购置新的开发系统，可节约开发成本，所以选择STC12C5A60S2 单片机。3.2 STC12C5A60S2引脚说明STC12C5A60S2单片机芯片均有40个引脚。在40条引脚中有两条专用于主电源的引脚，两条外接晶体的引脚，4条控制或与其它电源复用的引脚,32条I/O引脚。单片机管脚图如图3-2。图3-2 stc12c5a60s2单片机的管脚图下面分别叙述这40条引脚的功能(1) 主电源引脚VCC和VSSGND（20脚）接地；VCC（40脚）接5V电源(2) 外接晶体引脚XTAL1和XTAL2XTAL1（19脚）接外部晶体的一个引脚。在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成了片内振荡器，当采用外部振荡器时，此引脚应接地。XTAL2（18脚）接外部晶体的另一端，在单片机内部接至上述振荡器的反相放大器的输出端。采用外部振荡器时，该引脚接收振荡器的信号，即把此信号直接接到内部时钟发生器的输入端。(3) 控制信号或与其它电源复用引脚RST（9脚）：当振荡器运行时，在此引脚上出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。推荐此引脚与Vcc引脚之间连接一个约8.2k的下拉电阻，与Vcc引脚之间连接一个约10MF的电容，以保证可靠的复位。Vcc掉电期间，此引脚可接上备用电源，以保持内部RAM的数据，当Vcc下降到低于规定的值，而RST在其规定的电压范围（50.5V）内时，RST就向内部RAM提供备用电源。ALE/PROG（30脚）：当访问外部存储器时，ALE（允许地址锁存）的输出用于所存地址的低位字节。即使不访问外部存储器，ALE端仍以不变的频率周期地出现正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6，因此，它可用作对外输出的时钟，或用于定时。然而要注意的是，每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。ALE端可以驱动（吸收或输出电流）8个TTL输出。对于EPRPM型单片机（如8751），在EPROM编程期间，此引脚用来输入编程脉冲（PROG）。PSEN（29脚）：此脚的输出是外部程序存储器的读选通信号。在由外部程序存储器取指令（或常数）期间，每个机器周期PSEN两次有效。但在次期间，每当访问外部数据存储器时（即从程序存储器取来的指令是MOVX类指令），过两次有效的PSEN信号将不出现。PSEN可以驱动（吸收或输出电流）8个LSTTL。EA/Vpp（31脚）：当EA端保持高电平时，访问程序存储器，但在PC（程序计数器）值超过0FFFFH时（对于8051、8751来说），将自动转向执行外部程序存储器内的程序。当EA端保持低电平时，则只访问外部程序存储器，不管是否有内部程序存储器。对于8031来说，无内部程序存储器所以该脚必须接地，这样只能选择外部程序存储器。对于EPROM型单片机，在EPROM编程期间，此引脚用于施加21伏的编程电源（Vpp）。(4) 输入/输出（I/O）引脚P0口，P1口，P2口，P3口P0口：双向8位三态I/O口，与地址总线（低8位）及数据总线复用。P1口：8位准双向I/O口。P2口：8位准双向I/O口，与地址总线（高8位）复用。P3口：8位准双向I/O口，复用双功能口。作为第一功能使用时，即作为普通I/O口用，功能和操作方法与P1口相同。值得强调的是，P3口的每一位均可独立地定义为第一功能的输入输出或第二功能。3.3 由STC12C5A60S2及其它组成的最小系统3.3.1 最小系统概述一般情况下，单片机结合简单的接口电路就可以构成单片机的最小系统。一般包括单片机复位电路、时钟电路、键盘电路、显示电路等。下面介绍一下单片机的复位电路和时钟电路。3.3.2 复位电路单片机的复位操作有上电自动复位、按键电平复位和外部脉冲复位三种，本设计采用按键电平复位电路,如图3-3所示。按键电平复位是通过按压键使复位端经电阻与VCC接通而实现的。图3-3 单片机复位电路3.3.3时钟电路时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号，控制着单片机的有序运行节奏，在STC12C5A60S2芯片内部，有一个振荡器电路和时钟发生器，在引脚XTAL1和XTAL2之间接入晶体振荡器和电容后构成内部的时钟方式。设计电路如图3-4所示。图3-4 单片机时钟电路3.3.4 按键电路 当按下按键时，单片机接口与地接通，电平拉低，可用键盘检测程序检测按键有无按下。按键电路如图3-5所示图3-5 单片机按键电路3.3.5 显示电路项目的显示电路如图3-6所示图3-6 单片机的显示电路3.4 STC12C5A60S2如何输出PWM方波3.4.1与PCA/PWM应用有关的特殊功能寄存器与PCA/PWM应用有关的特殊功能寄存器如下表3-1所示表3-1与PCA/PWM应用有关的特殊功能寄存器符号描述地址位地址及符号复位值B7B6B5B4B3B2B1B0CCONPCRD8HCFCRCCF1CCF000xx,xx00CMODPMRD9HCIDLCPS2CPS1CPS0ECF0xxx,0000CCAPM0PM0MRDAH ECOM0CAPP0CAPN0MAT0TOG0PWM0ECCF0x000,0000CCAPM0PM1MRDBHECOM1CAPP1CAPN1MAT1TOG1PWM1ECCF1x000,0000CLPBTLE9H0000,0000CHPBTHF9H0000,0000CCAP0LPM0CRLEAH0000,0000CCAP0HPM0CEHFAH0000,0000CCAP1LPM1CRLEBH0000,0000CCAP1HPM1CRHFBH0000,0000PCA-PWM0PPMAR0F2HEPC0HEPC0Lxxxx,xx00PCA-PWM0PPMAR1F3HEPC1HEPC1Lxxxx,xx00AUXR1AR1A2HPCA-P4SPI-P4S2-P4GF2ADRJ DPSx000,00x01、PCA工作模式寄存器CMOD表3-2 PCA工作模式寄存器格式SFR nameAddressBitB7B6B5B4B3B2B1B0CCOND9HNameCIDL- - -CPS2CPS1CPS0ECFCIDL：空闲模式下是否停止PCA计数的控制位。当CIDL=0时，空闲模式下 PCA计数器继续工作； 当CIDL=1时，空闲模式下 PCA计数器停止工作。CPS2、CPS1、CPS0：PCA计数脉冲源选择控制位。PCA计数脉冲选择如下表3-3所示。表3-3PCA计数脉冲选择CPS2CPS1CPS0选择PCA/PWM时钟源输入 0 0 00,系统时钟，SYSclk/12 0 0 11,系统时钟，SYSclk/12 0 1 02,定时器0的溢出脉冲。由于定时器0可以工作在IT模式，所以可以达到一个时钟就溢出，从而达到最高频率CPU工作时钟SYSclk。通过改变定时器0的溢出率，可以实现可调频率的PWM输出 0 1 13，ECI/P1.2（或P4.1）脚输入的外部时钟（最大速率=SYSclk/12） 1 0 04，系统时钟，SYSclk 1 0 15，系统时钟/4，SYSclk/4 1 1 06，系统时钟/6，SYSclk/6 1 1 17，系统时钟/8，SYSclk/82、 PCA控制寄存器CCONPCA控制寄存器的格式如下表3-4所示：表3-4 PCA控制寄存器格式SFR nameAddressBitB7B6B5B4B3B2B1B0CCOND8HNameCFCR - - - -CCF1ECFCF：PCA计数器阵列溢出标志位。当PCA计数器溢出时， CF由硬件置位。如果CMOD寄存器的ECF位置位，则 CF标志可用来产生中断。CF位可通过硬件或软件置位，但只可通过软件清零。CR：PCA计数器阵列运行控制位。该位通过软件置位， 用来起动 PCA计数器阵列计数。该位通过软件清零,用来关闭PCA计数器。CCF1：PCA模块1中断标志。当出现匹配或捕获时该位由硬件置位。该位必须通过软件清零。CCF0：PCA模块0中断标志。当出现匹配或捕获时该位由硬件置位。该位必须通过软件清零。3、PCA比较/捕获寄存器CCAPM0和CCAPM1PCA模块0的比较/捕获寄存器的格式如下表3-5所示：表3-5 PCA模块0比较/捕获寄存器格式SFR nameAddressBitB7B6B5B4B3B2B1B0CCAPM0DAHName-ECOM0CAPP0CAPN0 MAT0TOG0PWM0ECCFM0ECOM0:允许比较器功能控制位。当ECOM01时，允许比较器功能。CAPP0：正捕获控制位。当CAPP01时，允许上升沿捕获。CAPN0：负捕获控制位。当CAPN01时，允许下降沿捕获。MAT0：匹配控制位。TOG0：翻转控制位。当TOG01时，工作在PCA高速输出模式，PCA计数器的与模块的比较/捕获寄存器的的匹配将使CEX0脚翻转。(CEX0/PCA0/PWM0/P1.3或CEX0/PCA0/PWM0/P4.2)PWM0：脉宽调节模式。当PWM01时，允许 CEX0脚用作脉宽调节输出。(CEX0/PCA0/PWM0/P1.3或CEX0/PCA0/PWM0/P4.2)ECCF0：使能CCF0中断。使能寄存器CCON的比较/捕获标志CCF0，用来产生中断。PCA模块1的比较/捕获寄存器的格式如下表3-6所示：表3-6 PCA模块1比较/寄存器格式SFR nameADBitB7B6B5B4B3B2B1B0CCAPM1DBHName-ECOM1CAPP1CAPN10 MAT1TOG1PWM1ECCFM1ECOM1：允许比较器功能控制位。当ECOM01时，允许比较器功能。CAPP1：正捕获控制位。当CAPP01时，允许上升沿捕获。CAPN1：负捕获控制位。当CAPN01时，允许下降沿捕获。MAT1：匹配控制位。TOG1：翻转控制位。当TOG01时，工作在PCA高速输出模式，PCA计数器的与模块的比较/捕获寄存器的的匹配将使CEX0脚翻转。(CEX0/PCA0/PWM0/P1.3或CEX0/PCA0/PWM0/P4.2)PWM1：脉宽调节模式。当PWM01时，允许CEX0脚用作脉宽调节输出。(CEX0/PCA0/PWM0/P1.3或CEX0/PCA0/PWM0/P4.2)ECCF1：使能CCF0中断。使能寄存器CCON的比较/捕获标志CCF0，用来产生中断。4、PCA的16位计数器低8位CL和高8位CHCL和CH地址分别为E9H和F9H，复位均为00H，用于保存PCA的装载。5、PCA捕捉/比较寄存器CCAPnL(低位字节)和CCAPnH(高位字节)当PCA模块用于捕获或比较时，它们用于保存各个模块的16位捕捉计数；当PCA模块用于PWM模式时，它们用来控制输出的占空比。其中，n=0、1，分别对应模块0和模块1。复位均为00H。它们对应的地址分别为：CCAP0L EAH、CCAP0H FAH：模块0的捕捉/比较寄存器。CCAP1L EBH、CCAP1H FBH：模块1的捕捉/比较寄存器。6、PCA模块PWM寄存器PCA_PWM0和PCA_PWM1PCA模块0的PWM寄存器的格式如下表3-7所示：表3-7 PCA模块0的PWM寄存器格式SFR nameAddressBitB7B6B5B4B3B2B1B0PCA-PWM0F2HName-EPC0HEPC0LEPC0H：在PWM模式下，与CCAP0H组成9位数。EPC0L：在PWM模式下，与CCAP0L组成9位数。PCA模块1的PWM寄存器的格式如下表3-8所示：表3-8 PCA模块1的PWM寄存器格式SFR nameAddressBitB7B6B5B4B3B2B1B0PCA-PWM1F2HName-EPC1HEPC1LEPC1H：在PWM模式下，与CCAP1H组成9位数。EPC1L：在PWM模式下，与CCAP1L组成9位数。7、将单片机的PCA/PWM功能从P1口设置到P4口的寄存器AUXR1辅助寄存器1的格式如下表3-9所示：表3-9 PCA辅助寄存器1格式SFR nameAddressBitB7B6B5B4B3B2B1B0AUXR1A2HName-PCA-P4 PI-P4S2-P4GF2ADRJ -DPS3.4.2 输出PWM原理脉宽调制(PWM，Pulse Width Modulation)是一种使用程序来控制波形占空比、周期、相位波形的技术，在三相电机驱动、D/A转换等场合有广泛的应用。STC12C5A60S2系列单片机的PCA模块可以通过程序设定，使其工作于8位PWM模式。PWM模式的结构如下图3-7所示。图3-7 PWM模式的结构所有PCA模块都可用作PWM输出（图3-7）。输出频率决于 PCA定时器的时钟源。由于所有模块共用仅有的PCA定时器，所有它们的输出频率相同。各个模块的输出占空比是独立变化的，与使用的捕获寄存器EPCnL,CCAPnL有关。当寄存器 CL的小于EPCnL, CCAPnL时，输出为低；当寄存器CL的等于或大于 EPCnL,CCAPnL时，输出为高。当CL的由FF变为00溢出时，EPCnH,CCAPnH的内容装载到EPCnL,CCAPnL中。这样就可实现无干扰地更新PWM。要使能PWM模式，模块CCAPMn寄存器的PWMn和ECOMn位必须置位。由于PWM是8位的，所以： PWM的频率=PCA时钟输入源频率/256。3.4.3 输出PWM时的寄存器设置 sfr CCON=0XD8; sbit CCF0=CCON0;sbit CCF1=CCON1;sbit CR =CCON6;sbit CF =CCON7;sfr CMOD=0xD9;sfr CL =0xE9;sfr CH =0XF9;sfr CCAPM0=0xDA;sfr CCAPOL=0xEA;sfr CCAP0H=0xfa;sfr CCAPM1=0xdb;sfr CCAP1L=0xEB;sfr CCAP1H=0xFB;sfr PCAPWM0=0XF2;sfr PCAPWM1=0XF3;3.4.4 在单片机中输出PWM的程序void main() CCON = 0;CL = 0; CH = 0; CMOD = 0x02; CCAP0H = CCAP0L = 0x80; CCAPM0 = 0x42; CCAP1H = CCAP1L = 0xff;PCAPWM1 = 0x03; CCAPM1 = 0x42; CR = 1; while (1) . . .(下加程序) . . .根据上文提到，PWM的频率=PCA时钟输入源频率/256 ，而“0x80”化成十进制数是128，故占空比为128/256=50%，因此只要改变程序中的“0x80”就可以改变高电平的占空比。因为考虑到输出PWM占空比容易，这是选用这个芯片的重要原因。3.5 八位数码管的显示原理3.5.1 段选显数原理8段数码管如图3-8所示由8个LED（LiteEmitDiode）组成。分为共阴和共阳两种接法。左图为共阴接法，将8个LED的阴极共同接地，当单片机的I/O口给出高电平的时候，LED点亮。右图为共阳接法，将8个LED的阳极共同接高，当单片机的I/O口给出低电平的时候，LED点亮。图3-8 共阴与共阳接法数码管的驱动分为动态驱动和静态驱动两种。所谓静态驱动，就是将数码管每个LED灯对应一个I/O口。通过单片机的P口来控制LED灯的亮和灭。I/O口之间互相独立。这样的优点是驱动很简单，只需要用I/O口直接控制LED（LED功率较大时需要加三极管等驱动电路）。一般来说，静态驱动比动态驱动占用的I/O口多。与静态显示方法不同，动态显示驱动的设计方法是将数码管的驱动端一对一连接在一起接单片机的数据口，而将各个数码管的公共端单独送至单片机的I/O口进行片选。通过片选信号依次点亮各个数码管，由于人眼有视觉暂留的特性，因此如果第一个数码