基于单片机的全自动洗衣机控制系统

精品文档 I欢迎下载 诚信申明诚信申明 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 精品文档 II欢迎下载 基于单片机的全自动洗衣机控制系统基于单片机的全自动洗衣机控制系统 刘少谦 电子信息工程专业 信工 0706 班 学号 070201157 指导教师 鲁小利讲师 摘摘 要要 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 关键词关键词 洗衣机 单片机 电动机 精品文档 III欢迎下载 MicrocontrollerMicrocontroller BasedBased ControlControl SystemSystem forfor AutomaticAutomatic WashingWashing MachineMachine AbstractAbstract This article introduced in detail the domestic washer control system s development present situation in the development faces question From the product quality the performance and the application aspect look at washer s 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 circuit s 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 keywordkeyword Washer Monolithic Integrated Circuit Electric Motor 精品文档 IV欢迎下载 目目 录录 前前 言言 1 第第 1 1 章章 课题研究价值课题研究价值 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 第第 2 2 章章 系统硬件设计系统硬件设计 7 第 2 1 节 MCS 51 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 第第 3 3 章章 电机控制系统的设计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 第第 4 4 章章 系统软件设计系统软件设计 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 精品文档 V欢迎下载 第 4 4 节 内部中断流程图 33 第 4 5 节 外部中断流程图 34 结结 论论 35 附附 录录 36 参考文献参考文献 41 致致 谢谢 42 精品文档 1欢迎下载 前前 言言 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 精品文档 2欢迎下载 第第 1 1 章章 课题研究价值课题研究价值 第第 1 11 1 节节 洗衣机的发展历程洗衣机的发展历程 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 精品文档 3欢迎下载 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 精品文档 4欢迎下载 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 第第 1 21 2 节节 洗衣机的分类洗衣机的分类 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 精品文档 5欢迎下载 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 15 20 年 而以塑料件为主的波 轮寿命一般只有 8 10 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 第第 1 31 3 节节 洗衣机的工作原理洗衣机的工作原理 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 精品文档 6欢迎下载 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 第第 1 41 4 节节 任务要求任务要求 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 精品文档 7欢迎下载 第第 2 2 章章 系统硬件设计系统硬件设计 第第 2 12 1 节节 MCSMCS 5151 单片机主要应用特性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 精品文档 8欢迎下载 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 表表 2 12 1 MCS 51MCS 51 系列单片机常用产品特性系列单片机常用产品特性 片内存储器 片外寻址空间 KB 型号 程序数据 I O 线 定时器 计数器 程序数据 80514K ROM12832 2 个 16 位 6464 87514K EPROM12832 2 个 16 位 6464 8031 无 12832 2 个 16 位 6464 80C514K ROM12832 2 个 16 位 6464 87C514K EPROM12832 2 个 16 位 6464 80C31 无 12832 2 个 16 位 6464 80524K ROM25632 3 个 16 位 6464 87524K EPROM25632 3 个 16 位 6464 8032 无 25632 3 个 16 位 6464 MCS 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 精品文档 9欢迎下载 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 第第 2 22 2 节节 洗衣机控制系统面板设计及控制原理图洗衣机控制系统面板设计及控制原理图 2 2 12 2 1 面板设计面板设计 洗衣机控制控制系统面板如图 2 1 所示 图图 2 12 1 控制面板控制面板 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 22 2 2系统控制原理图系统控制原理图 精品文档 10欢迎下载 图图 2 22 2 洗衣机控制系统控制原理图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 第第 2 32 3 节节 微型处理器微型处理器 2 3 12 3 1 80518051 性能特点性能特点 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 0 P0 7 P0 口 8 位双向口线 在引脚的 39 32 号端子 2 P1 0 P1 7 P1 口 8 位双向口线 在引脚的 1 8 号端子 3 P2 0 P2 7 P2 口 8 位双向口线 在引脚的 21 28 号端子 精品文档 11欢迎下载 4 P3 0 P3 7 P3 口 8 位双向口线 在引脚的 10 17 号端子 图图 2 32 3 单片机单片机 80518051 管脚图管脚图 2 3 22 3 2 80518051 主要性能晶体管的动态扫描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 D0 D7 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 A0 A7 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 精品文档 12欢迎下载 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 精品文档 13欢迎下载 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 精品文档 14欢迎下载 第第 2 42 4 节节 系统扩展系统扩展 2 4 12 4 1 晶体管的动态扫描晶体管的动态扫描 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 12 4 1 LEDLED 显示屏的工作原理显示屏的工作原理 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 精品文档 15欢迎下载 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 2LED2 4 2LED 显示屏的传统控制方法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 1 s 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 4 s 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 精品文档 16欢迎下载 图图 2 42 4 80318031 系统扩展结构图系统扩展结构图 2 4 32 4 3 I OI O 接口的扩展接口的扩展 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 8051 数据存储器I O 接口程序存储器 精品文档 17欢迎下载 图图 2 52 5 8255A8255A 芯片的内部结构图芯片的内部结构图 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 图图 2 62 6 8255A8255A 引脚图引脚图 精品文档 18欢迎下载 1 数据总线 8 条 D0 D7 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CS 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 RD 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WR 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 表表 2 22 2 8255A8255A 控制信号功能表控制信号功能表 CSA1A2RDWR端口地址端口功能 0000100 H A 口读 A 口 0001000 H A 口写 A 口 0010101H B 口读 B 口 0011001H B 口写 B 口 0100102H C 口写 C 口 0101002H C 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 PA0 PA7 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 PB0 PB7 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 精品文档 19欢迎下载 冲器 PC0 PC7 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 A1A0 11B 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 D7 0 则本控制 字为 C 口单一置复位控制字 D6 D3 为 A 组控制位 其中 D6 和 D5 位 A 组方式选择位 若 D6D5 00 则 A 组设定为方式 0 若 D6D5 01 则 A 组设定为方式 1 若 D6D5 1 为任意 则 A 组设定为方式 2 D4 为 A 口输入 输出控制位 若 D4 0 则 PA0 PA7 用于输 出数据 若 D4 0 则 PA0 PA7 用于输入数据 D3 位 C 口高 4 位输入 输出控制位 若 D3 0 则 PC4 PC7 为输出数据方式 若 D3 1 则 PC4 PC7 为输入方式 图图 2 72 7 方式控制字方式控制字 精品文档 20欢迎下载 D2 D0 为 B 组控制位 其作用和 D6 D3 类似 其中 D2 为方式选择位 若 D2 0 则 B 组设定为方式 0 若 D2 1 则 B 组设定为方式 1 D0 为 C 口低 4 位输 入 输出控制位 若 D0 0 则 PC0 PC3 用于输出数据 若 D0 1 则 PC0 PC3 用 于输入数据 如图 2 8 所示 图图 2 82 8 置位控制字置位控制字 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 精品文档 21欢迎下载 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 PC3 PC7 用来作为输入 输出操作 的控制和同步信号 B 口和 C 口的 PC0 PC2 则可编程为方式 0 或方式 1 工作 第第 2 52 5 节节 电源电源 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 图图 2 92 9 5V 5V 电源电路电源电路 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 精品文档 22欢迎下载 第第 3 3 章章 电机控制系统的设计电机控制系统的设计 第第 3 13 1 节节 直流电机直流电机 M1M1 控制系统控制系统 3 1 13 1 1 电机的选取电机的选取 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 图图 3 13 1 洗衣机电机控制洗衣机电机控制 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 精品文档 23欢迎下载 U E RaIa 即 a a UE I R 电枢电压 3 3 1 1 I I f f U IIIafa I 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 KT Ia 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 3 3 2 2 0 2 aa EEEET UR IEUR nnn KKKK K 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 a a UE I R 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 E kE n 0 这时电枢电流及起动电流为 ast a U I R 由于 Ra 很小 因此起动电流 Iast 可达额定电流 IN 的 10 20 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 sta ast U RR I ast ast U I RR 一般 Iast 1 5 2 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