直流电机转速控制系统

山东交通学院毕业设计（论文） I 摘 要 本文介绍了一种以 AT89S51 单片机为核心的直流电机转速控制系统的原理。它主 要是通过对基于单片机的电机驱动和转速数据测量模块的研究设计其核心控制系统， 该控制系统主要包括硬件装置和控制软件两部分。本系统由 AT89C51 单片机、测量电 路、显示电路、控制电路、驱动电路和电源电路等组成。介绍了直流电机调速的相关 知识，及 PWM 调整的基本原理和实现方法。系统应用 H 桥式驱动电路，采用红外光 电传感器作为速度检测传感器，并应用 LCD1602 作为显示器。 系统控制输出采用 PWM 数字信号驱动电路对电机调速，并给出了相应的电子电 路。 采用的电子元器件简单普遍，线路连接简单，安装调试容易，测量结果精确，具 有较高的实用价值。 关键字：直流电机、AT89S51、PWM、传感器 付蒙：直流电机转速控制系统 II Abstract In this paper,it introduced the principle of DC motor SR system which is mainly composed AT89S51 microcontroller series. Its mainly study of the motor drive and speed data Measurement module based on MSC to designed the core control system. The control system mainly include hardware devices and software control. The system mainly include AT89S51 Microcontrollers, the speed detection circuit, the display circuit, the keyboard circuit, the speed driver circuit and the power circut. And introduces some relative knowledge upon the DC motor, PWM adjust of the basic principles and methods. The system uses the speed driver H circuit. It uses Infrared photoelectric sensor as speed detecting sensor,and uses LCD1602 as monitor. It uses PWM signal as control output to regulate speed.and all the corresponding electronic circuits are given. The adoptive electronics components is simple and widespread, and the circuit conjunction is simple, installing to adjust to try easy, measure result precision, therefore have high and practical value. Key words: DC machines , AT89S51, PWM, sensor 山东交通学院毕业设计（论文） III 目 录 前 言 .1 1 直流电机转速控制系统概况.2 1.1 直流电机简介.2 1.2 直流电机调速发展过程.3 1.3 直流电机国内外发展状况.3 1.4 直流电机调速发展前景.4 2 总体设计和系统分析.5 2.1 直流电机转速控制系统框图.5 2.2 直流电机转速控制系统设计要求.5 2.3 基本工作原理.5 2.3.1 直流电机转速调节原理 .5 2.3.2 PWM 脉宽调制原理及实现方法 .6 3 系统硬件设计 .8 3.1 89S51 单片机 .8 3.2.1 89S51 单片机简介.8 3.2.2 89S51 单片机引脚功能.9 3.2.3 单片机中断系统 .11 3.2.4 单片机定时器/计数器简介 .13 3.2 键盘电路.15 3.3 显示电路.16 3.3.1 LCD1602 芯片介绍 .16 3.3.2 寄存器选择控制表 .17 3.3.3 LCD1602 字符集简介 .17 3.4 单片机复位与晶振电路.17 3.5 速度检测电路.19 3.5.1 测速基本方法 .19 3.5.2 光电二极管简介 .20 3.5.3 光电红外对管简介 .20 3.5.4 光电对管测速基本原理 .21 3.6 信号处理电路.22 3.6.1 信号处理电路简介 .22 3.6.2 ADC0832 简介.22 3.7 电机驱动电路.24 3.7.1 驱动电路器件参数 .24 3.7.2 驱动电路简介 .24 3.7.3 H 桥驱动电路简介 .25 3.7.4 使能控制和方向逻辑 .26 3.7.5 H 桥驱动控制方案.26 3.8 电源电路.27 3.8.1 电源电路组成 .27 3.8.2 电源电路工作原理 .28 付蒙：直流电机转速控制系统 IV 4 系统软件设计 .29 4.1 程序设计及程序语言简介.29 4.1.1 程序及设计步骤 .29 4.1.2 程序设计语言分类 .29 4.1.3 程序设计规范 及分类 .30 4.2 编程思路及流程图.31 4.2.1 总体流程图及程序初始化简介.31 4.2.2 中断服务子程序流程图及程序简介 .32 4.2.3 显示子程序流程图及说明 .34 4.2.4 电机控制子程序流程图及控制子程序 .35 结 论 .38 致 谢 .39 参考文献 .40 附录 A 硬件电路图.41 附录 B 程序(未编辑).42 山东交通学院毕业设计（论文） 1 前前 言言 在现代电气产品中，在自动控制系统、电子仪器设备、家用电器、电子玩具等等 方面，直流电机都得到了广泛的应用，像录音机、电唱机、录相机、电子计算机等， 都不能缺少直流电机，所以直流电机的控制是一门很实用的技术。直流电动机是最早 出现的电动机，也是最早实现调速的电动机。长期以来，直流电动机一直占据着调速 控制的统治地位。由于它具有良好的线性调速特性，简单的控制性能，高效率，优异 的动态特性，现在仍是大多数调速控制电动机的最优选择。因此研究直流电机的速度 控制，有着非常重要的意义。 直流电机具有良好的启动性能和调速特性，它的特点是启动转矩大，最大转矩大， 能在宽广的范围内平滑、经济地调速，转速控制容易，调速后效率很高。与交流调速 相比，直流电机结构复杂，生产成本高，维护工作量大。随着大功率晶体管的问世以 及矢量控制技术的成熟，使得矢量控制变频技术获得迅猛发展，从而研制出各种类型、 各种功率的变频调速装置，并在工业上得到广泛应用。适用范围：直流调速器在数控 机床、造纸印刷、纺织印染、光缆线缆设备、包装机械、电工机械、食品加工机械、 橡胶机械、生物设备、印制电路板设备、实验设备、焊接切割、轻工机械、物流输送 设备、机车车辆、医疗设备、通讯设备、雷达设备、卫星地面接受系统等行业广泛应 用。高性能的交流传动应用比重逐年上升，在工业部门中，用可调速交流传动取代直 流传动将成为历史的必然。 直流调速系统的发展得力于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料 技术、自动控制技术和微机应用技术。这些技术的进步使直流调速系统发生变化。其 中电机的控制部分已经由模拟控制逐渐让位于以单片机为主的微处理器控制，形成数 字与模拟的混合控制系统和纯数字控制系统，并正向全数字控制方向快速发展。 设计一个直流电机转速调节系统，不论是从学习还是实践的角度，对以后的工作 会产生积极地作用，有利于今后的发展。 绿色是我改过得（你看后变为黑色） 。红色是需要你改得（你改后还保持 红色，以便我下次检查，如果改好了，我会变为绿色，如果还需该，我就 保持红色） ，有一些地方我改过，没有变色，你改时一定在我回复得稿上 修改。 相同得错误我指出一次，还有类似的在其他地方你自己找到修改。首行缩进两个字。 付蒙：直流电机转速控制系统 2 1 直流电机转速控制系统概况 1.1 直流电机简介 输出或输入为直流电能的旋转电机，称为直流电机，它是能实现直流电能和机械 能互相转换的电机。当它作电动机运行时是直流电动机，将电能转换为机械能；作发 电机运行时是直流发电机，将机械能转换为电能。 直流电机由定子和转子两部分组成，其间有一定的气隙。其构造的主要特点是具 有一个带换向器的电枢。直流电机的定子由机座、主磁极、换向磁极、前后端盖和刷 架等部件组成。其中主磁极是产生直流电机气隙磁场的主要部件，由永磁体或带有直 流励磁绕组的叠片铁心构成。直流电机的转子则由电枢、换向器和转轴等部件构成。 其中电枢由电枢铁心和电枢绕组两部分组成。电枢铁心由硅钢片叠成，在其外圆处均 匀分布着齿槽，电枢绕组则嵌置于这些槽中。换向器是一种机械整流部件。由换向片 叠成圆筒形后，以金属夹件或塑料成型为一个整体。 一台直流电机原则上既可以作为电动机运行,也可以作为发电机运行,这种原理在 电机理论中称为可逆原理。当原动机驱动电枢绕组在主磁极 N、S 之间旋转时，电枢绕 组上感生出电动势，经电刷、换向器装置整流为直流后，引向外部负载（或电网） ，对 外供电，此时电机作直流发电机运行。如用外部直流电源，经电刷换向器装置将直流 电流引向电枢绕组，则此电流与主磁极 N、S 产生的磁场互相作用，产生转矩，驱动转 子与连接于其上的机械负载工作，此时电机作直流电动机运行。 根据励磁方式的不同，直流电机可分为下列几种类型： （1）他励直流电机 励磁绕组与电枢绕组无联接关系，而由其他直流电源对励磁绕组供电的直流电机 称为他励直流电机。M 表示电动机，若为发电机，则用 G 表示。永磁直流电机也可看 作他励直流电机。 （2）并励直流电机 并励直流电机的励磁绕组与电枢绕组相并联。作为并励发电机来说，是电机本身 发出来的端电压为励磁绕组供电；作为并励电动机来说，励磁绕组与电枢共用同一电 源，从性能上讲与他励直流电动机相同。 （3）串励直流电机 串励直流电机的励磁绕组与电枢绕组串联后，再接于直流电源。这种直流电机的 励磁电流就是电枢电流。 （4）复励直流电机 复励直流电机有并励和串励两个励磁绕组。若串励绕组产生的磁通势与并励绕组 产生的磁通势方向相同称为积复励。若两个磁通势方向相反，则称为差复励。 山东交通学院毕业设计（论文） 3 1.2 直流电机调速发展过程 在现代工业中，电动机作为电能转换的传动装置被广泛应用于机械、冶金、石油 化学、国防等工业部门中，随着对生产工艺、产品质量的要求不断提高和产量的增长， 越来越多的生产机械要求能实现自动调速。 在可调速传动系统中，按照传动电动机的类型来分，可分为两大类：直流调速系 统和交流调速系统。交流电动机直流具有结构简单、价格低廉、维修简便、转动惯量 小等优点，但主要缺点为调速较为困难。相比之下，直流电动机虽然存在结构复杂、 价格较高、维修麻烦等缺点，但由于具有较大的起动转矩和良好的起、制动性能以及 易于在宽范围内实现平滑调速，因此直流调速系统至今仍是自动调速系统的主要形式。 直流调速系统的发展得力于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料 技术、自动控制技术和微机应用技术的最新发展成就。正是这些技术的进步使直流调 速系统发生翻天覆地的变化。其中电机的控制部分已经由模拟控制逐渐让位于以单片 机为主的微处理器控制，形成数字与模拟的混合控制系统和纯数字控制系统，并正向 全数字控制方向快速发展。电动机的驱动部分所用的功率器件亦经历了几次更新换代。 目前开关速度更快、控制更容易的全控型功率器件 MOSFET 和 IGBT 成为主流。功率 器件控制条件的变化和微电子技术的使用也使新型的电动机控制方法能够得到实现。 脉宽调制控制方法在直流调速中获得了广泛的应用。 1964 年把 PWM 技术应用到电机传动中从此为电机传动的推广应用开辟了新的局 面。进入 70 年代以来，体积小、耗电少、成本低、速度快、功能强、可靠性高的大规 模集成电路微处理器已经商品化，把电机控制推上了一个崭新的阶段，以微处理器为 核心的数字控制（简称微机数字控制）成为现代电气传动系统控制器的主要形式。 PWM 常取代数模转换器（DAC）用于功率输出控制，其中，直流电机的速度控制是最 常见的应用。通常 PWM 配合桥式驱动电路实现直流电机调速，非常简单，且调速范 围大。在直流电动机的控制中，主要使用定频调宽法。 目前，电机调速控制模块主要有以下三种： （1）采用电阻网络或数字电位器调整直流电机的分压，从而达到调速的目的； （2）采用继电器对直流电机的开或关进行控制，通过开关的切换对电机的速度进 行调整； （3）采用由 IGBT 管组成的 H 型 PWM 电路。用单片机控制 IGBT 管使之工作在 占空比可调的开关状态，精确调整电动机转速。 1.3 直流电机国内外发展状况 我国从六十年代初试制成功第一只硅晶闸管以来，晶闸管直流调速系统开始得到 迅速的发展和广泛的应用。用于中、小功率的 0.4200KW 晶闸管直流调速装置已作 付蒙：直流电机转速控制系统 4 为标准化、系列化通用产品批量生产。目前，提出了许多关于直流调速系统的控制算 法： （1）直流电动机及直流调速系统的参数辩识的方法。该方法据系统或环节的输入 输出特性，应用最小二乘法，即可获得系统环节的内部参数，所获得的参数具有较高 的精度，方法简便易行。 （2）直流电动机调速系统的内模控制方法。该方法依据内模控制原理，针对双闭 环直流电动机调速系统设计了一种内模控制器，取代常规的 PI 调节器，成功解决了转 速超调问题，能使系统获得优良的动态和静态性能，而且设计方法简单，控制器容易 实现。 （3）单神经元自适应智能控制的方法。该方法针对直流传动系统的特点，提出了 单神经元自适应智能控制策略。这种单神经元自适应智能控制系统不仅具有良好的静、 动态性能，而且还具有令人满意的鲁棒性与自适应性。 （4）模糊控制方法。该方法对模糊控制理论在小惯性系统上对其应用进行了尝试。 经 1.5kw 电机实验证明，模糊控制理论可以用于直流并励电动机的限流起动和恒速运 行控制，并能获得理想的控制曲线。 随着各种微处理器的出现和发展，国外对直流电机的数字控制调速系统的研究也 在不断发展和完善，尤其 80 年代在这方面的研究达到空前的繁荣。大型直流电机的调 速系统一般采用晶闸管整流来实现，为了提高调速系统的性能，研究工作者对晶闸管 触发脉冲的控制算法作了大量研究，提出了内模控制算法、I-P 控制器取代 PI 调节器 的方法、自适应和模糊 PID 算法等等。 1.4 直流电机调速发展前景 在现代工业中，电动机作为电能转换的传动装置被广泛应用于机械、冶金、石油 化学、国防等工业部门中，随着对生产工艺、产品质量的要求不断提高和产量的增长， 越来越多的生产机械要求能实现自动调速。 直流电动机虽然存在结构复杂、价格较高、维修麻烦等缺点，但由于具有较大的起 动转矩和良好的起、制动性能以及易于在宽范围内实现平滑调速，因此直流调速系统 至今仍是自动调速系统的主要形式。随着生产技术的发展，对直流电气传动在起制动、 正反转以及调速精度、调速范围、静态特性、动态响应等方面都提出了更高的要求， 这就要求大量使用直流调速系统。因此人们对直流调速系统的研究将会更深一步。由 直流电机调速系统控制的地位与作用可知，直流电机调速系统有着广泛市场前景。 山东交通学院毕业设计（论文） 5 2 总体设计和系统分析 2.1 直流电机转速控制系统框图 显示 AT89S51 键盘驱动电路 直流电机 转速检测 图 2.1 直流电机转速控制系统框图 Fig.2.1 The block diagram of the DC motor speed control system 2.2 直流电机转速控制系统设计要求 采用光电传感器做敏感器件，以小型直流电动机为测控对象。以 89S51 单片机为 核心的转速测控系统设计和软硬件实现方法。熟悉光电传感器、电动机转速测量，速 度控制，89S51 定时器、中断，应用系统等方面的技术。 2.3 基本工作原理 2.3.1 直流电机转速调节原理 直流电动机的转速 n 和其他参量的关系可表示为 Ua电枢供电电压（V）； Ia 电枢电流（A）； 励磁磁通（Wb）； Ra电枢回路总电阻（）； CE电势系数，p 为电磁对数，a 为电枢并联支路数，N 为导体数。 可知调速方法： (1)改变电枢回路总电阻 Ra； (2)改变电枢供电电压 Up； (3)改变励磁 。 分析可得，当分别改变Ra、Up、时，可以得到不同的转速，从而实现对速度的 调节。由于当改变励磁电流时，可以改变磁通量的大小，从而达到变磁通调速的目的。 但由于励磁线圈发热和电动机磁饱和的限制，电动机的励磁电流和磁通量只能在低于 付蒙：直流电机转速控制系统 6 其额定值的范围内调节，故只能弱磁调速。而对于调节电枢外加电阻时，会使机械特 性变软，导致电机带负载能力减弱。故可分析改变电枢供电电压。 理想空载转速，随电枢电压升降而发生相应的升降变化。不同电枢电压的机械特 性曲线相互平行，说明硬度不随电枢电压的变化而改变，电机带负载能力恒定。当我 们平滑调节他励直流电机电枢两端电压时，可实现电机的无级调速。基于以上特性， 改变电枢电压，实现对直流电机速度调节的方法被广泛采用。改变电枢电压可通过多 种途径实现，如晶闸管供电速度控制系统、大功率晶体管速度控制系统、直流发电机 供电速度控制系统及晶体管直流脉宽调速系统等。 0 M Ml n n1 n2 n3 n4 U1 U2 U3 U4 图 2.2 改变直流电机电压调速特性曲线 Fig.2.2 The special curve of Voltage DC motor speed 2.3.2 PWM 脉宽调制原理及实现方法 PWM（Pulse Width Modulation）脉宽调制基本原理冲量相等而形状不同的窄脉冲 加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量指窄脉冲的面积。效果基本相同是 指环节的输出响应波形基本相同。PWM脉宽调制是通过控制固定电压的直流电源开关频 率，从而改变负载两端的电压，进而达到控制要求的一种电压调整方法。PWM可以应用 在许多方面，如电机调速、温度控制、压力控制等。在PWM驱动控制的调整系统中，按 一个固定的频率来接通和断开电源，并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开” 时间的长短。通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从 而控制电动机的转速。因此，PWM又被称为“开关驱动装置”。根据PWM控制技术的特 点，到目前为止主要有八类方法：相电压控制PWM、线电压控制PWM、电流控制PWM、非 线性控制PWM，谐振软开关PWM、矢量控制PWM、直接转矩控制PWM、空间电压矢量控制 PWM。 在直流调速系统中，开关放大器提供驱动电机所需要的电压和电流，通过改变加 在电动机上的电压的平均值来控制电机的运转。在开关放大器中，常采用晶体管作为 开关器件，晶体管如同开关一样，总是处在接通和断开的状态。在晶体管处在接通时， 其上的压降可以略去；当晶体管处在断开时，其上的压降很大，但是电流为零，所以 山东交通学院毕业设计（论文） 7 不论晶体管导通还是关断，输出晶体管中的功耗都是很小的。 在脉冲作用下，当电机通电时，速度增加；电机断电时，速度逐渐减少。只要按 一定规律，改变通、断电的时间，即可让电机转速得到控制。设电机始终接通电源时， 电机转速最大为Vmax，设占空比为D=T1T，则电机的平均速度为V=Vmax*D 由公 式可见，当我们改变占空比D 时，就可以得到不同的电机平均速度，从而达到调速的 目的。严格地讲，平均速度n与占空比D并不是严格的线性关系，在一般的应用中，可 以将其近似地看成线性关系。 PWM信号的产生通常有两种方法：一种是软件的方法；另一种是硬件的方法。本文 主要介绍利用单片机对PWM信号的软件实现方法。51系列典型产品89S5l具有两个定时 器T0和T1。通过控制定时器初值T0和T1，从而可以实现从89S5l的任意输出口输出不 同占空比的脉冲波形。由于PWM信号软件实现的核心是单片机内部的定时器，而不同 单片机的定时器具有不同的特点，即使是同一台单片机由于选用的晶振不同，选择的 定时器工作方式不同，其定时器的定时初值与定时时间的关系也不同。因此，首先必 须明确定时器的定时初值与定时时间的关系.随着机型的不同而不同。在应用中，应根 据具体的机型给出相应的值。这样，我们可以通过设定不同的定时初值L，从而改变占 空比D，进而达到控制电机转速的目的。 利用单片机 AD 转换器输出控制直流电机两端电压，来控制转速。可采用简单的 比例调节器，其公式 Y=K*e(t) e(t)为偏差电压，即输入，K 为比例系数，Y 为输出。 比例调节是最简单最基本的方式，调节器的输出与输入成正比，与调节比例系数 成正比。比例系数越大，动态性能大，调节作用好。采用比例积分调节器代替比例放 大器后，可以使系统稳定且有足够的稳定裕量，但是比例调节存在问题，对于多数惯 性环节，比例调节会引起自激震荡，而且其控制作用需要用偏差来维持，属于有静差 调速系统，只能设法减少静差，无法从根本上消除静差。 控制程序的设计有两种方法：软件延时法和计数法。 软件延时法的基本思想是：首先求出占空比D，再根据周期T分别给电机通电M个 单位时间t0，所以M=t1t0然后，再断电N个单位时间，所以N=t2/t0。改变M和N的值， 从而也就改变了占空比D。计数法的基本思想是：当单位延时个数M求出之后，将其作 为给定值存放在某存储单元中。在通电过程中，对通电单位时间t0的次数进行计数，并 与存储器的内容进行比较。若不相等，则继续输出控制脉冲，直到计数值与给定值相 等，使电机断电。 付蒙：直流电机转速控制系统 8 3 硬件系统设计 3.1 89S51 单片机 3.1.1 单片机简介 单片机的全称为单片微型计算机（Single-Chip Microcomputer）或微型控制器 （Micro-controller） 。它在一块芯片上集成了中央处理单元 CPU、随机存储器 RAM、 只读存储器 ROM、定时器/计数器和多种输入/输出（I/O） ，如并行 I/O、串行 I/O 和 A/D 转换器等。就其组成而言一块单片机就是一台计算机。典型的结构如图所示。由 于它具有许多适用于控制的指令和硬件支持而广泛应用于工业控制、仪器仪表、外设 控制、顺序控制器中，所以又称为微控制单元（MCU） 。 图 3.1 单片机结构框图 Fig.3.1 The block diagram of SCM ATMEL89 系列单片机是 ATMEL 公司的以 8031 核构成的 8 位 Flash 单片机系列。 这个系列单片机的最大特点就是在片内含有 Flash 存储器。AT89S51 单片机是一种低 功耗高性能的 CMOS8 位微控制器，内置 8KB 可在线编程闪存。该器件采用 Atmel 公 司的高密度非易失性存储技术生产，其指令与工业标准的 80C51 指令集兼容。片内程 序存储器允许重复在线编程，允许程序存储器在系统内通过 SPI 串行口改写或用同用 的非易失性存储器改写。通过把通用的 8 位 CPU 与可在线下载的 Flash 集成在一个芯 片上，AT89S51 便成为一个高效的微型计算机。它的应用范围广，可用于解决复杂的 控制问题，且成本较低。 单片机是靠程序运行的，并且可以修改。 单片机自动完成赋予它的任务的过程， 也就是单片机执行程序的过程，即一条条执行的指令的过程，所谓指令就是把要求 单片机执行的各种操作用的命令的形式写下来，这是在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，不同种类的单片机，其指令系统亦不同。为使单片机能自动完成 某一特定任务，必须把要解决的问题编成一系列指令（这些指令必须是选定单片机 能识别和执行的指令），这一系列指令的集合就成为程序，程序需要预先存放在具 山东交通学院毕业设计（论文） 9 有存储功能的部件 存储器中。存储器由许多存储单元（最小的存储单位）组成， 就像大楼房有许多房间组成一样，指令就存放在这些单元里，单元里的指令取出并 执行就像大楼房的每个房间的被分配到了唯一一个房间号一样，每一个存储单元也 必须被分配到唯一的地址号，该地址号称为存储单元的地址，这样只要知道了存储 单元的地址，就可以找到这个存储单元，其中存储的指令就可以被取出，然后再被 执行。 3.1.2 89S51 单片机引脚功能 P P1 1. .0 0 P P1 1. .1 1 P P1 1. .2 2 P P1 1. .3 3 P P1 1. .4 4 P P1 1. .5 5 P P1 1. .6 6 P P1 1. .7 7 P P0 0. .0 0 P P0 0. .1 1 P P0 0. .2 2 P P0 0. .3 3 P P0 0. .4 4 P P0 0. .5 5 P P0 0. .6 6 P P0 0. .7 7 P P2 2. .0 0 P P2 2. .1 1 P P2 2. .2 2 P P2 2. .3 3 P P2 2. .4 4 P P2 2. .5 5 P P2 2. .6 6 P P2 2. .7 7 P P3 3. .0 0/ /R RX XD D P P3 3. .1 1/ /T TX XD D P P3 3. .2 2/ /I IN NT T0 0 P P3 3. .3 3/ /I IN NT T1 1 P P3 3. .4 4/ /T T0 0 P P3 3. .5 5/ /T T1 1 P P3 3. .6 6/ /W WR R P P3 3. .7 7/ /R RD D V Vc cc c A AL LE E/ /P PR RO OG G P PS SE EN N V Vs ss s E EA A/ /V VP PP P V VP PD D/ /R RS ST T X XT TA AL L1 1 X XT TA AL L2 2 8 89 9S S5 51 1 图 3.2 89S51单片机引脚 Fig.3.2 The pin configuration of SCM89S51 （1）电源 VCC 芯片电源，接+5V； VSS 接地端。 （2）时钟 XTAL1、XTAL2 晶体振荡电路反相输入端和输出端。 （3）控制线 ALE/PROG 当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地 位字节。在 FLASH 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时， ALE 端以不 变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部 输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳 过一个 ALE 脉冲。如想禁止 ALE 的输出可在 SFR8EH 地址上置 0。此时， ALE 只有在执行 MOVX，MOVC 指令是 ALE 才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如 果微处理器在外部执行状态 ALE 禁止，置位无效。 付蒙：直流电机转速控制系统 10 PSEN 外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周 期两次/PSEN 有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN 信号将不 出现。 RST/VPD 复位/备用电源。当振荡器复位器件时，要保持 RST 脚两个机器周期 的高电平时间 。 EA/Vpp 当/EA 保持低电平时，则在此期间外部程序存储器，不管是否有内部 程序存储器。注意加密方式 1 时，/EA 将内部锁定为 RESET；当/EA 端保持高电 平时，此间内部程序存储器。在 FLASH 编程期间，此引脚也用于施加 12V 编程 电源。 （4）I/O 线 80C51 共有 4 个 8 位并行 I/O 端口：P0、P1、P2、P3 口，共 32 个引脚。P3 口还 具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号。 P0 端口，该口是一个 8 位漏极开路的双向 I/O 口。在作为输出口时，每根引脚可 以带动 8 个 TTL 输入负载。当把“1”写入 P0 时，则它的引脚可用作高阻抗输入。当 对外部程序或数据存储器进行存取时，P0 可用作多路复用的低字节地址/数据总线，在 该模式，P0 口拥有内部上拉电阻。在对 Flash 存储器进行编程时，P0 用于接收代码字 节；在校验时，则输出代码字节；此时需要外加上拉电阻。 P1 端口，该口是带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 端口，P1 口的输出缓冲器可驱 动（吸收或输出电流方式）4 个 TTL 输入。对端口写“1”时，通过内部的上拉电阻把 端口拉到高电位，此时可用作输入口。P1 口作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻， 那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。在对 Flash 编程和程序校验时，P1 口接 收低 8 位地址。 P2 端口，该口是带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 端口，P2 口的输出缓冲器可驱 动（吸收或输出电流方式）4 个 TTL 输入。对端口写“1”时，通过内部的上拉电阻把 端口拉到高电位，此时可用作输入口。P2 口作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻， 那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。在访问外部程序存储器或 16 位的外部数 据存储器时，P2 口送出高 8 位地址，在访问 8 位地址的外部数据存储器时，P2 口引脚 上的内容（就是专用寄存器（SFR）区中 P2 寄存器的内容） ，在整个访问期间不会改 变。在对 Flash 编程和程序校验期间，P2 口也接收高位地址或一些控制信号。P2 端口 为准双向口。 P3 端口，该口是带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 端口，P3 口的输出缓冲器可驱 动（吸收或输出电流方式）4 个 TTL 输入。对端口写“1”时，通过内部的上拉电阻把 端口拉到高电位，此时可用作输入口。P3 口作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻， 那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。 在 AT89S51 中，同样 P3 口还用于一些复用功能。这些复用功能，执行一些特殊 的指令，是必不可少的。 山东交通学院毕业设计（论文） 11 表 3.1 P3 端口引脚与复用功能表 Tab. 3.1 The table of port pin and multiplexing function of P3 端口引脚复用功能 P3.0RXD（串行输入口） P3.1TXD（串行输出口） P3.2INT0（外部中断 0） P3.3INT1（外部中断 1） P3.4T0（定时器 0 的外部输入） P3.5T1（定时器 1 的外部输入） P3.6WR（外部数据存储器写选通） P3.7RD（外部数据存储器读选通） 3.1.3 单片机中断系统 引起 CPU 中断的根源，称为中断源。中断源向 CPU 提出的中断请求。CPU 暂时 中断原来的事务 A，转去处理事件 B。对事件 B 处理完毕后，再回到原来被中断的地 方（即断点） ，称为中断返回。实现上述中断功能的部件称为中断系统（中断机构） 。 单片机中断源： （1）INT0（P3.2），外部中断 1。可由 IT0(TCON.0)选择其为低电平有效还是下降 沿有效。当 CPU 检测到 P3.2 引脚上出现有效的中断信号时，中断标志 IE0(TCON.1) 置 1，向 CPU 申请中断。 （2）INT1（P3.3），外部中断 2。可由 IT1(TCON.2)选择其为低电平有效还是下降 沿有效。当 CPU 检测到 P3.3 引脚上出现有效的中断信号时，中断标志 IE1(TCON.3) 置 1,向 CPU 申请中断。 （3）TF0（TCON.5），片内定时/计数器 T0 溢出中断请求标志。当定时/计数器 T0 发生溢出时，置位 TF0，并向 CPU 申请中断。 (4)TF1（TCON.7），片内定时/计数器 T1 溢出中断请求标志。当定时/计数器 T1 发生溢出时，置位 TF1，并向 CPU 申请中断。 (5)RI（SCON.0）或 TI（SCON.1），串行口中断请求标志。当串行口接收完一帧 串行数据时置位 RI 或当串行口发送完一帧串行数据时置位 TI，向 CPU 申请中断。 TCON 中断标志： 表 3.2 TCON 中断标志表 Tab. 3.2 The table of TCON interrupt identification 76543210字节 TCONTF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT088H 付蒙：直流电机转速控制系统 12 （1）IT0（TCON.0）外部中断 0 触发方式控制位。（当 IT0=0 时：为电平触发方 式。 当 IT0=1 时：为边沿触发方式。） （2）IE0（TCON.1）外部中断 0 中断请求标志位。 （3）IT1（TCON.2）外部中断 1 触发方式控制位。 （4）IE1（TCON.3）外部中断 1 中断请求标志位。 （5）TF0（TCON.5）定时/计数器 T0 溢出中断请求标志位。 （6）TF1（TCON.7）定时/计数器 T1 溢出中断请求标志位。 SCON 中断标志 ： 表 3.3 SCON 中断标志表 Tab. 3.3 The table of SCON interrupt identification 76543210字节 SCONTIRI98H （1）RI（SCON.0）串行口接收中断标志位。当允许串行口接收数据时，每接收 完一个串行帧，由硬件置位 RI。同样，RI 必须由软件清除。 （2）TI（SCON.1）串行口发送中断标志位。当 CPU 将一个发送数据写入串行口 发送缓冲器时，就启动了发送过程。每发送完一个串行帧，由硬件置位 TI。CPU 响应 中断时，不能自动清除 TI，TI 必须由软件清除。 中断允许控制： 表 3.4 中断允许控制表 Tab. 3.4 The table of interrupt allowable control 76543210字节 IEEAESET1EX1ET0EX0A8H （1）EX0(IE.0) 外部中断 0 允许位； （2）ET0(IE.1)定时/计数器 T0 中断允许位； （3）EX1(IE.2)外部中断 0 允许位； （4）ET1(IE.3)定时/计数器 T1 中断允许位； （5）ES（IE.4)串行口中断允许位； （6）EA (IE.7)CPU 中断允许（总允许）位。 中断优先级控制： 51 单片机有两个中断优先级，即可实现二级中断服务嵌套。每个中断源的中断优 先级都是由中断优先级寄存器 IP 中的相应位的状态来规定的。51 单片机按两个中断优 先级控制中断顺序。 山东交通学院毕业设计（论文） 13 表 3.5 中断优先级控制表 Tab. 3.5 The table of interrupt priority level 76543210字节 IPPSPT1PX1PT0PX0B8H 说明： （1）PX0（IP.0）外部中断 0 优先级设定位； （2）PT0（IP.1）定时/计数器 T0 优先级设定位； （3）PX1（IP.2）外部中断 0 优先级设定位； （4）PT1（IP.3）定时/计数器 T1 优先级设定位； （5）PS（IP.4）串行口优先级设定位； （6）PT2（IP.5）定时/计数器 T2 优先级设定位。 中断条件： （1）CPU 正在处理一个同级或更高级别的中断请求时； （2）当前的指令没有执行完时； （3）当前正执行的指令是返回指令（RETI）或访问 IP、IE 寄存器的指令，则 CPU 将至少再执行一条指令才能响应中断。 3.1.4 单片机定时器/计数器简介 51 单片机内部设有两个 16 位的可编程定时器/计数器。可编程的意思是指其功能 （如工作方式、定时时间、量程、启动方式等）均可由指令来确定和改变。在定时器/ 计数器中除了有两个 16 位的计数器之外，还有两个特殊功能寄存器（控制寄存器和方 式寄存器） 。 16 位的定时/计数器分别由两个 8 位专用寄存器组成，即：T0 由 TH0 和 TL0 构成； T1 由 TH1 和 TL1 构成。其访问地址依次为 8AH-8DH。每个寄存器均可单独访问。这 些寄存器是用于存放定时或计数初值的。此外，其内部还有一个 8 位的定时器方式寄 存器 TMOD 和一个 8 位的