直流电机转速控制系统

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1、Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-date直流电机转速控制系统前言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

2、。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AbstractIn this paper,it introduced the principle of DC motor SR system which is mainly composed AT89S51 microcontroller series. Its mainly study o

3、f 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, t

4、he 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

5、 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 valu

6、e.Key words: DC machines , AT89S51, PWM, sensor目 录前 言11直流电机转速控制系统概况21.1直流电机简介21.2直流电机调速发展过程31.3直流电机国内外发展状况31.4直流电机调速发展前景42总体设计和系统分析52.1直流电机转速控制系统框图52.2直流电机转速控制系统设计要求52.3基本工作原理52.3.1直流电机转速调节原理52.3.2 PWM脉宽调制原理及实现方法63 系统硬件设计83.1 89S51单片机83.2.1 89S51单片机简介83.2.2 89S51单片机引脚功能93.2.3单片机中断系统113.2.4单片机定时器/计数器

7、简介13 3.2键盘电路153.3显示电路163.3.1 LCD1602芯片介绍163.3.2寄存器选择控制表173.3.3 LCD1602字符集简介17 3.4单片机复位与晶振电路173.5速度检测电路193.5.1测速基本方法193.5.2光电二极管简介203.5.3光电红外对管简介203.5.4光电对管测速基本原理21 3.6信号处理电路223.6.1信号处理电路简介223.6.2 ADC0832简介22 3.7电机驱动电路243.7.1驱动电路器件参数243.7.2驱动电路简介243.7.3 H桥驱动电路简介253.7.4使能控制和方向逻辑263.7.5 H桥驱动控制方案26 3.8电

8、源电路273.8.1电源电路组成273.8.2电源电路工作原理284 系统软件设计294.1程序设计及程序语言简介294.1.1程序及设计步骤294.1.2程序设计语言分类294.1.3程序设计规范及分类30 4.2 编程思路及流程图314.2.1总体流程图及程序初始化简介314.2.2中断服务子程序流程图及程序简介324.2.3显示子程序流程图及说明344.2.4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-前 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

9、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，

10、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

11、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。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

12、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，

13、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

14、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。 1.2 直流电机调速发展过程 在现代工业中，电

15、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

16、、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

17、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；

18、 （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

19、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

20、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

21、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。2总体设计和系统分析2.1 直流电机转速控制系统框图 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 system2.2 直流电机转速控制系统设计要求采

22、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

23、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

24、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。 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

25、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

26、。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

27、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

28、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

29、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。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

30、）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 SCMATMEL89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

31、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

32、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

33、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 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

34、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。 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

35、 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

36、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

37、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

38、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。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

39、（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

40、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 ta

41、ble of TCON interrupt identification76543210字节TCONTF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT088H（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

42、SCON中断标志表Tab. 3.3 The table of SCON interrupt identification76543210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

43、 allowable control76543210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。表3.5 中断优先级控制表

44、Tab. 3.5 The table of interrupt priority level76543210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（RET

45、I）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 T

46、MOD和一个8位的定时控制寄存器TCON。这些寄存器之间是通过内部总线和控制逻辑电路连接起来的。TMOD主要是用于选定定时器的工作方式； TCON主要是用于控制定时器的启动停止，此外TCON还可以保存T0、T1的溢出和中断标志。当定时器工作在计数方式时，外部事件通过引脚T0 （P3.4）和T1（P3.5）输入。定时计数器的原理：当定时器/计数器为定时工作方式时，计数器的加1信号由振荡器的12分频信号产生，即每过一个机器周期，计数器加1，直至计满溢出为止。显然，定时器的定时时间与系统的振荡频率有关。因一个机器周期等于12个振荡周期，所以计数频率fcount=1/12osc。如果晶振为12MHz，

47、则计数周期为： T=1/（12106）Hz1/12=1s这是最短的定时周期。若要延长定时时间，则需要改变定时器的初值，并要适当选择定时器的长度。当定时器/计数器为计数工作方式时，通过引脚T0和T1对外部信号计数，外部脉冲的下降沿将触发计数。计数器在每个机器周期的S5P2期间采样引脚输入有效电平。若一个机器周期采样值为1，下一个机器周期采样值为0，则计数器加1。此后的机器周期S3P1期间，新的计数值装入计数器。所以检测一个由1至0的跳 变需要两个机器周期，故外部事年的最高计数频率为振荡频率的1/24。例如，如果选用12MHz晶振，则最高计数频率为0.5MHz。虽然对外部输入信号 的占空比无特殊要

48、求，但为了确保某给定电平在变化前至少被采样一次，外部计数脉冲的高电平与低电平保持时间均需在一个机器周期以上。当CPU用软件给定时器设置了某种工作方式之后，定时器就会按设定的工作方式独立运行，不再占用CPU的操作时间，除非定时器计满溢出，才可能中断CPU 当前操作。CPU也可以重新设置定时器工作方式，以改变定时器的操作。定时器/计数器是一种可编程部件，所以在定时器/计数器开始工作之前，CPU必须将一些命令（称为控制字）写入定时/计数器。将控制字写入定时/计数器的过程叫定时器/计数器初始化。在初始化过程中，要将工作方式控制字写入方式寄存器，工作状态字（或相关位）写入控制寄存器，赋定时/计 数初值。

49、控制寄存器 定时器计数器T0和T1有2个控制寄存器-TMOD和TCON，它们分别用来设置各个定时器计数器的工作方式，选择定时或计数功能，控制启动运行，以及作为运行状态的标志等。其中，TCON寄存器中另有4位用于中断系统。定时器计数器寄存器TMOD:定时器方式控制寄存器TMOD在特殊功能寄存器中，字节地址为89H，无位地址。TMOD的格式如下图所示。表3.6 定时/计数器TMOD表 Tab. 3.6 The format table of TMOD76543210字节TMODGATEC/TM1M0GATEC/TM1M090H（1）GATE：门控制位。GATE和软件控制位TR、外部引脚信号INT的

50、状态,共同控制定时器计数器的打开或关闭。(2) CT：定时器计数器选择位。C/T1，为计数器方式；CT0，为定时器方式。(3)M1M0：工作方式选择位，单片机定时器计数器的4种工作方式由M1M0设定。表3.7 定时/计数器工作方式设置表Tab. 3.7 The working table of timer conterM1M0 工作方式功能描述00方式013位计数器01方式116位计数器10方式2自动再装入8位计数器11方式3定时器0：分成两个8位计数器；定时器1：停止计数定时器计数器控制寄存器TCON:TCON在特殊功能寄存器中，字节地址为88H，位地址(由低位到高位)为88H到8FH，由于

51、有位地址，十分便于进行位操作。表3.8 定时/计数器TCON表Tab. 3.7 The table of TCON76543210字节TCONTF1TR1TF0TR088H(1)TF1定时器1溢出标志位。当字时器1计满溢出时，由硬件使TF1置“1”，并且申请中断。进入中断服务程序后，由硬件自动清“0”，在查询方式下用软件清“0”。(2)TR1定时器1运行控制位。由软件清“0”关闭定时器1。当GATE=1，且INT1为高电平时，TR1置“1”启动定时器1；当GATE=0，TR1置“1”启动定时器1。(3)TF0定时器0溢出标志。其功能及操作情况同TF1。(4)TR0定时器0运行控制位。其功能及操

52、作情况同TR1。(5)IE1外部中断1请求标志。(6)IT1外部中断1触发方式选择位。(7)IE0外部中断0请求标志。(8)IT0外部中断0触发方式选择位。 3.2 键盘电路 图 3.3 键盘电路 Fig.3.3 The keyboard circuit本系统的键盘电路采用普通键盘，每个按健对应单片机P1.0P1.4的一个管脚。当按键没有按下时为高电平，有键按下时对应的端口变为低电平。其中K1为启动，按下K1时，中断允许,K2停制按键, K3反转按键,K4加速按键, K5减速按键。3.3 显示电路 图 3.4 显示电路 Fig.3.4 The display circuit3.3.1 LCD1

53、602芯片介绍1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM)已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”。因为1602识别的是ASCII码，试验可以用ASCII码直接赋值，在单片机编程中还可以用字符型常量或变量赋值。1602采用标准的16脚接口，其中：VSS为电源地VDD接5V电源正极V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时

54、会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）。RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。RW为读写信号线，高电平(1)时进行读操作，低电平(0)时进行写操作。E(或EN)端为使能(enable)端。RB0RB7为8位双向数据端。BLA脚背光正极。BLK脚背光负极。3.3.2 寄存器选择控制表 表 3.9 寄存器选择控制表Tab. 3.9 The select control table of Register RSR/W操作说明00写入指令寄存器（清除屏等）01读busy flag（DB7）并读取位址计数器（DB0DB6）值10写入数据寄存器（显示各

55、字型等）11从数据寄存器读取数据3.3.3 LCD1602字符集简介 1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM)已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”。因为1602识别的是ASCII码，试验可以用ASCII码直接赋值，在单片机编程中还可以用字符型常量或变量赋值，如A。3.4 单片机复位与晶振电路 图 3.5 复位与晶振电路 Fig.3.5 The crysta

56、l circuit（1）晶振电路：单片机系统里都有晶振，在单片机系统里晶振作用非常大，全程叫晶体振荡器，他结合单片机内部电路产生单片机所需的时钟频率，单片机晶振提供的时钟频率越高，那么单片机运行速度就越快，单片接的一切指令的执行都是建立在单片机晶振提供的时钟频率。 在通常工作条件下，普通的晶振频率绝对精度可达百万分之五十。高级的精度更高。有些晶振还可以由外加电压在一定范围内调整频率，称为压控振荡器（VCO）。晶振用一种能把电能和机械能相互转化的晶体在共振的状态下工作，以提供稳定，精确的单频振荡。 单片机晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。有些通讯

57、系统的基频和射频使用不同的晶振，而通过电子调整频率的方法保持同步。晶振通常与锁相环电路配合使用，以提供系统所需的时钟频率。如果不同子系统需要不同频率的时钟信号，可以用与同一个晶振相连的不同锁相环来提供。（2）复位电路：为确保微机系统中电路稳定可靠工作，复位电路是必不可少的一部分，复位电路的第一功能是上电复位。一般微机电路正常工作需要供电电源为5V5%，即4.755.25V。由于微机电路是时序数字电路，它需要稳定的时钟信号，因此在电源上电时，只有当VCC超过4.75V低于5.25V以及晶体振荡器稳定工作时，复位信号才被撤除，微机电路开始正常工作。 目前为止，单片机复位电路主要有四种类型：（1）微

58、分型复位电路；（2）积分型复位电路；（3）比较器型复位电路；（4）看门狗型复位电路。单片机在启动时都需要复位，以使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初态开始工作。89系列单片机的复位信号是从RST引脚输入到芯片内的施密特触发器中的。当系统处于正常工作状态时，且振荡器稳定后，如果RST引脚上有一个高电平并维持2个机器周期(24个振荡周期)以上，则CPU就可以响应并将系统复位。单片机系统的复位方式有：手动按钮复位和上电复位。手动按钮复位需要人为在复位输入端RST上加入高电平。一般采用的办法是在RST端和正电源Vcc之间接一个按钮。当人为按下按钮时，则Vcc的+5V电平就会直接加到RST端。

59、手动按钮复位的电路如所示。由于人的动作再快也会使按钮保持接通达数十毫秒，所以，完全能够满足复位的时间要求。 单片机在启动时都需要复位，以使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初态开始工作。89系列单片机的复位信号是从RST引脚输入到芯片内的施密特触发器中的。当系统处于正常工作状态时，且振荡器稳定后，如果RST引脚上有一个高电平并维持2个机器周期(24个振荡周期)以上，则CPU就可以响应并将系统复位。单片机系统的复位方式有：手动按钮复位和上电复位。上电复位只要在RST复位输入引脚上接一电容至Vcc端，下接一个电阻到地即可。对于CMOS型单片机，由于在RST端内部有一个下拉电阻，故可将外部电

60、阻去掉。上电复位的工作过程是在加电时，复位电路通过电 容加给RST端一个短暂的高电平信号，此高电平信号随着Vcc对电容的充电过程而逐渐回落，即RST端的高电平持续时间取决于电容的充电时间。为了保证系统能够可靠地复位，RST端的高电平信号必须维持足够长的时间。上电时，Vcc的上升时间约为10ms，而振荡器的起振时间取决于振荡频率，如晶振频率为10MHz，起振时间为1ms；晶振频率为1MHz，起振时间则为10ms。在复位电路中，当Vcc掉电时，必然会使RST端电压迅速下降到0V以下，但是，由于内部电路的限制作用，这个负电压将不会对器件产生损害。另外，在复位期间，端口引脚处于随机状态，复位后，系统将端口置为全“l”态。如果系统在上电时得不到有效的复位，则程序计数器PC将得不到一个合适的初值，因此，CPU可能会从一个未被定义的位置开始执行程序。复位电路工作原理如图所示，VCC上电时，C充电，在10K电阻上出现电压，使得单片机复位；几个毫秒后，C充满，10K电阻上电流降为0，电压也为0，使得单片机进入工作状态。工作期间，按下k，C放电。3.5 速度检测电路 图 3.6 速度检测电路