基于单片机的直流电动机控制系统设计-毕业设计(共60页)

1、本科生毕业设计（论文） PAGE IV摘 要电动机作为最主要(zhyo)的机电能量转换装置，其应用范围已遍及国民经济的各个领域和人们的日常生活。无论是在工农业生产、国防、医疗卫生、交通运输和办公设备中，还是在日常生活的家用电器和消费电子产品中，都大量使用着各种各样的电动机。电动机有直流电动机和交流(jioli)电动机，直流电动机发展的比较早，因其具有良好的调速性能、较大的起动转矩和过载能力强等许多优点，因此在许多行业中仍有应用。本设计(shj)研究的就是直流电动机控制系统，实现了对电动机的简单控制，也就是指对电动机进行启动、制动和加减速控制。设计中采用了单片机AT89C51与三相桥式全控整流电

2、路配合的控制方法来控制直流电动机的转速。通过键盘键入转速的初始值，液晶显示屏作为实时监控界面显示设定速度和实时速度，由测速发电机和电流传感器构成反馈环，从而构成一台直流电机双闭环控制系统。设计中采用PI调节，在PI控制系统中，速度目标值与速度反馈值比较，将误差信号送到速度调节器，速度调节器的输出与电流反馈值比较，将误差信号送到电流调节器，最后由单片机计算触发时间来控制晶闸管的导通，从而来实现可控整流。关键词：AT89C51；整流电路；PI控制；双闭环控制AbstractAs for the most primary electric energy conversion device, elec

3、tormotor has applied extensively among each field of national economy and mankind daily life. We use all kinds of electormotors not only in the industrial and agricultural production, national defense, medical treatment and public health, transportation and office equipment, but also in the use of h

4、ousehold appliances and CE in daily life. Electormotor divide into DC generator and alternator. DC generator, which has advantages on speed, starting torgue and overload, thus it is still used in many industries. This design is the study of the DC generator and it has made the simple control of the

5、electormotors came true, that is to say, the start, brake, speed addition and subtract control of electormotor. In order to regulate the revolving speed of the DC electormotors, I used the method of making AT89C51 and three-phase bridge type all control rectifier control system to cooperate with eac

6、h other. A keyboard was used to type the revolving speed of initial value and a LCD was used as the monitor system, tachomoter generator and CT make up a feedback loop, so a DC motor speed control system was achieved. The self-turning PI was applied in this system. In the PI control system, the targ

7、et value of speed has to compare with the feedback value of speed, and then send the error signal to ASR. Comparing the output of the ASR with the current feedback value, sending the error signal to the ACR. At last, in order to control the breakover of thyristoe, I used a singlechip to calculate th

8、e trigger point. Thus, the controlled rectifier achieved.Key words：AT89C51;Rectifier circuit;PI control; Dual closed loop control目 录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc391360080 第1章 绪 论 PAGEREF _Toc391360080 h 1 HYPERLINK l _Toc391360081 1.1 题目背景(bijng)和意义 PAGEREF _Toc391360081 h 1 HYPERLINK l _Toc3913

9、60082 1.2 国内外研究发展(fzhn)现状 PAGEREF _Toc391360082 h 2 HYPERLINK l _Toc391360083 第2章 系统(xtng)设计方案 PAGEREF _Toc391360083 h 4 HYPERLINK l _Toc391360084 2.1 概述 PAGEREF _Toc391360084 h 4 HYPERLINK l _Toc391360085 2.2 直流调速系统的选择 PAGEREF _Toc391360085 h 4 HYPERLINK l _Toc391360086 2.2.1 G-M系统 PAGEREF _Toc3913

10、60086 h 4 HYPERLINK l _Toc391360087 2.2.2 V-M系统 PAGEREF _Toc391360087 h 4 HYPERLINK l _Toc391360088 2.2.3 PWM系统 PAGEREF _Toc391360088 h 5 HYPERLINK l _Toc391360089 2.3 系统总体结构图 PAGEREF _Toc391360089 h 5 HYPERLINK l _Toc391360090 2.3.1 双闭环调速系统结构图 PAGEREF _Toc391360090 h 5 HYPERLINK l _Toc391360091 2.3

11、.2 系统整体结构图 PAGEREF _Toc391360091 h 6 HYPERLINK l _Toc391360092 第3章 硬件设计 PAGEREF _Toc391360092 h 7 HYPERLINK l _Toc391360093 3.1 控制器 PAGEREF _Toc391360093 h 7 HYPERLINK l _Toc391360094 3.1.1 控制器的选择 PAGEREF _Toc391360094 h 7 HYPERLINK l _Toc391360095 3.1.2 最小系统设计 PAGEREF _Toc391360095 h 9 HYPERLINK l

12、_Toc391360096 3.2 键盘电路 PAGEREF _Toc391360096 h 10 HYPERLINK l _Toc391360097 3.2.1 CH451简介 PAGEREF _Toc391360097 h 11 HYPERLINK l _Toc391360098 3.2.2 键盘电路硬件连接 PAGEREF _Toc391360098 h 12 HYPERLINK l _Toc391360099 3.3 显示电路 PAGEREF _Toc391360099 h 13 HYPERLINK l _Toc391360100 3.3.1 LCD1602显示器简介 PAGEREF

13、_Toc391360100 h 14 HYPERLINK l _Toc391360101 3.3.2 LCD 1602的性能指标 PAGEREF _Toc391360101 h 15 HYPERLINK l _Toc391360102 3.3.3 LCD1602与单片机的连接 PAGEREF _Toc391360102 h 16 HYPERLINK l _Toc391360103 3.4 报警电路 PAGEREF _Toc391360103 h 17 HYPERLINK l _Toc391360104 3.5 A/D转换电路 PAGEREF _Toc391360104 h 18 HYPERLI

14、NK l _Toc391360105 3.6 三相全控整流电路 PAGEREF _Toc391360105 h 19 HYPERLINK l _Toc391360106 3.6.1 主电路的设计 PAGEREF _Toc391360106 h 19 HYPERLINK l _Toc391360107 3.6.2 触发电路的设计 PAGEREF _Toc391360107 h 22 HYPERLINK l _Toc391360108 3.7 检测(jin c)电路 PAGEREF _Toc391360108 h 24 HYPERLINK l _Toc391360109 3.7.1 电流环检测(j

15、in c)电路 PAGEREF _Toc391360109 h 24 HYPERLINK l _Toc391360110 3.7.2 电压环检测(jin c)电路 PAGEREF _Toc391360110 h 25 HYPERLINK l _Toc391360111 3.8 执行机构 PAGEREF _Toc391360111 h 27 HYPERLINK l _Toc391360112 第4章 软件设计 PAGEREF _Toc391360112 h 28 HYPERLINK l _Toc391360113 4.1 PI控制介绍 PAGEREF _Toc391360113 h 28 HYP

16、ERLINK l _Toc391360114 4.1.1 PI控制方法 PAGEREF _Toc391360114 h 28 HYPERLINK l _Toc391360115 4.1.2 PI调节器的工作原理 PAGEREF _Toc391360115 h 28 HYPERLINK l _Toc391360116 4.1.3 双闭环调速系统PI调节器的动态响应 PAGEREF _Toc391360116 h 29 HYPERLINK l _Toc391360117 4.2 主程序设计 PAGEREF _Toc391360117 h 31 HYPERLINK l _Toc391360118 4

17、.3 初始化程序设计 PAGEREF _Toc391360118 h 31 HYPERLINK l _Toc391360119 4.3.1 LCD初始化 PAGEREF _Toc391360119 h 31 HYPERLINK l _Toc391360120 4.3.2 CH451初始化 PAGEREF _Toc391360120 h 32 HYPERLINK l _Toc391360121 4.3.3 中断初始化 PAGEREF _Toc391360121 h 33 HYPERLINK l _Toc391360122 4.3.4 A/D转换初始化 PAGEREF _Toc391360122

18、h 33 HYPERLINK l _Toc391360123 4.4 子程序设计 PAGEREF _Toc391360123 h 34 HYPERLINK l _Toc391360124 4.4.1 中断程序的设计 PAGEREF _Toc391360124 h 34 HYPERLINK l _Toc391360125 4.4.2 触发程序的设计 PAGEREF _Toc391360125 h 35 HYPERLINK l _Toc391360126 4.4.3 PI子程序的设计 PAGEREF _Toc391360126 h 35 HYPERLINK l _Toc391360127 第5章

19、结论 PAGEREF _Toc391360127 h 36 HYPERLINK l _Toc391360128 参考文献 PAGEREF _Toc391360128 h 37 HYPERLINK l _Toc391360129 致谢 PAGEREF _Toc391360129 h 39 HYPERLINK l _Toc391360130 附录 PAGEREF _Toc391360130 h 40 HYPERLINK l _Toc391360131 附录 PAGEREF _Toc391360131 h 41 HYPERLINK l _Toc391360132 附录 PAGEREF _Toc391

20、360132 h 51 PAGE 56绪 论题目(tm)背景(bijng)和意义(yy)电气传动技术以电动机控制为控制对象，以微电子装置为核心，以电力电子 功率变换装置为执行机构，在自动控制理论指导下组成电气传动控制系统。因电 机种类的不同分为直流电动机传动(简称直流传动)、交流电动机传动(简称交流传动)、步进电机传动(简称步进传动)、伺服电动机传动(简称伺服传动)等等。众所周知，与交流调速系统相比，由于直流调速系统的调速精度高，调速范围广，变流装置控制简单，长期以来在调速传动中占统治地位。在要求调速性能较高的场合，一般都采用直流电气传动。目前，通过对电动机的控制，将电能转换为机械能进而控制工

21、作机械按给定的运动规律运行且使之满足特定要求的新型电气传动自动化技术已广泛应用于国民经济的各个领域。三十多年来，直流电机传动经历了重大的变革。首先实现了整流器的更新换代，以晶闸管整流装置取代了习用已久的直流发电机电动机组及水银整流装置使直流电气传动完成了一次大的跃进。同时，控制电路已经实现高集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技术的应用，使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用范围不断扩大。直流调速技术不断发展，走向成熟化、完善化、系列化、标准化，在可逆脉宽调速、高精度的电气传动领域中仍然难以替代。由于直流电气传动技术的研究和应用已达到比较成熟的地步，应用相当普遍，尤其是全数字直流系统的出现，

22、更提高了直流调速系统的精度及可靠性。所以，今后一个阶段在调速要求较高的场合，如轧钢厂、海上钻井平台等，直流调速仍然处于主要地位。 早期直流传动的控制系统采用模拟分离器件构成，由于模拟器件有其固有的缺点，如存在温漂、零漂电压，构成系统的器件较多，使得模拟直流传动系统的控制精度及可靠性较低。随着计算机控制技术的发展，直流传动系统已经广泛使用微机，实现了全数字化控制。由于微机以数字信号工作，控制手段灵活方便，抗干扰能力强。所以，全数字直流调速控制精度和可靠性比模拟直流调速系统大大提高。而且通过系统总线全数字化控制系统，能与管理计算机、过程计算机、远程电控装置进行交换，实现生产过程的自动化分级控制。所

23、以，直流传动控制采用微机实现全数字化，使直流调速系统进入一个崭新的阶段。国内外研究发展现状电力电子技术是电机控制技术发展的最重要的助推器，电力电机技术的迅猛 发展，促使了电机控制技术水平有了突破性的提高。从20世纪60年代第一代电力电子器件-晶闸管(SCR)发明至今，已经历了第二代有自关断能力的电力电子器 件-GTR、GTO、MOSFET，第三代复合场控器件-IGBT、MCT等，如今正蓬勃发展的第四代产品-功率集成电路(PIC)。每一代的电力电子元件也未停顿，多年来其结构、工艺不断改进，性能有了飞速提高，在不同应用领域它们在互相竞争，新的应用不断出现。同时电机控制技术的发展得力于微电子技术、电

24、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电动机控制技术在近二十多年内发生了天翻地覆的变化。早期直流传动的控制器由模拟分离器件(qjin)构成，由于模拟器件有其固有的缺点，如存在温漂、零漂电压，构成系统的器件较多，使得模拟直流传动系统的控制精度及可靠性较低。20世纪(shj)70年代以来(yli)，利用单片机作为控制器开始在电机控制系统中被广泛使用，如AT89C51等。在单片机控制系统中，单片机作为系统控制的核心，主要用来完成一些算法，同时还要处理一些输入/输出、显示任务等，单片机的使用使电动机控制系统的性能得到了很大提高。微机出现于2

25、0 世纪70 年代，随着大规模及超大规模集成电路制造工艺的 迅速发展，微机的性能越来越高，价格越来越便宜。此外，电力电子的发展，使得大功率电子器件的性能迅速提高。因此就有可能比较普遍地应用微机来控制电 机，完成各种新颖的、高性能的控制策略，使电机的各种潜在能力得到充分的发挥，使电机的性能更符合使用要求，还可以制造出各种便于控制的新型电机，使电机出现新的面貌。比较简单的电机微机控制，只要用微机控制继电器或电子开 关元件使电路开通或关断就可以了。在各种机床设备及生产流水线中，现在已普 遍采用带微机的可编程控制器，按一定的规律控制各类电机的动作。对于复杂的 电机控制，则要用微机控制电机的电压、电流、

26、转矩、转速、转角等等，使电机按给定的指令准确工作。通过微机控制，可使电机的性能有很大的提高。传统的直流电机和交流电机各有优缺点，直流电机调速性能好，但带有机械换向器，有机械磨损及换向火花等问题。交流电机不论是异步电机还是同步电机，结构都比直流电机简单，工作也比直流电机可靠，但在频率恒定的电网上运行时，它们的速度不能方便而经济地调节。电机调速系统采用微机实现数字化控制，是电气传动发展的主要方法之一。从80 年代中后期起，世界各大电气公司都在竞相开发数字式调速传动装置，直流调速已发展到一个很高的技术水平：功率元件采用可控硅；控制板采用表面安装技术；控制方式采用电源换相、相位控制。特别是采用了微机及

27、其他先进技术， 使数字式直流调速装置具有很高的精度、优良的控制性能和强大的抗干扰能力，在国内外得到广泛的应用。数字化直流调速装置作为最新控制水平的传动方式更显示了强大优势。 数字化直流调速系统不断推出，为工程应用提供了优越的条件。采用微机控制后，整个调速系统实现全数字化，结构简单，可靠性高，操作维护方便，电机稳态运行时转速精度可达到较高水平。直流电机具有优良的调速特性，调速平滑，调速范围广，过载能力大，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速起动、制动和反转，能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求。由于微机具有较佳的性能价格比，所以微机在工业过程及设备控制中得到日益广泛的应用。系统(

28、xtng)设计方案概述(i sh)本次毕业设计的主要内容是用单片机做控制器，完成对直流电动机控制系统(kn zh x tn)的自动控制，系统采用单片机与三相桥式全控整流电路配合的控制方法(fngf)由单片机键盘输入转速设定值，该数值与数字测速装置采样的转速值进行比较，得到一个差值，再经过转速环和电流环的PI调节控制程序运算，得到整流电路中可控硅对应的触发时刻，输出可变整流电压。 本课题的设计要达到的目标是以AT89C51单片机为核心以小型直流电机为控制对象，实现双闭环PI控制，通过改变三相电路中可控硅的移向触发脉冲来改变整流电路，进而实现调速的目的。直流调速系统的选择在现代化工业生产中，生产机

29、械都不停的运动着，几乎无处不使用电力传动装置。由于各种不同的生产机械运动规律不一样，对传动装置性能的要求也不一样。为了提高产品质量，增加产量，提高生产效率，越来越多的生产机械要求能实现转速调节与相应的自动化控制，并且对电力传动装置的拖动性能要求也越来越高。所以直流调速系统也在不断的发展，到现在为止有三种主要的控制系统G-M系统、V-M系统和PWM系统。G-M系统此系统由原动机(柴油机、交流异步或同步电动机)拖动直流发电机G实现变流，由G给需要调速的直流电动机M供电，调节G的励磁电流if即可改变其输出电压U，从而调节电动机的转速n。这样的调速系统简称G-M系统，国际上统称Ward-Leonard

30、系统。这种控制系统有很多缺点，包括设备多、体积大、费用高、效率低和运行有噪声等。V-M系统晶闸管-电动机调速系统(简称V-M系统，又称静止的Ward-Leonard系统)，VT是晶闸管可控整流器，通过调节触发装置GT的控制电压Uc来触发脉冲的相位，即可改变整流电压Ud，从而实现平滑调速。与G-M系统相比较，晶闸管整流装置(zhungzh)不仅在经济性和可靠性上都有很大提高，而且在技术性能上也显示较大的优越性。晶闸管可控整流器的功率放大倍数在104以上，其门极电流可以直接用晶闸管来控制，不再像直流发电机那样需要较大功率的放大器。在控制作用的快速性上，交流(jioli)机组是秒级，而晶闸管整流器是

31、毫秒级，这将大大提高系统的动态性能。但是(dnsh)V-M系统也有缺点，由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。晶闸管对过电压、过电流和高的dv/dt与di/dt都十分敏感，若超过允许值会在很短的时间内损坏器件。由谐波与无功功率引起电网电压波形畸变，殃及附近的用电设备，造成“电力公害”。三种可控直流电源，V-M系统在上世纪60-70年代得到广泛应用，目前主要用于大容量系统。PWM系统此系统用恒定直流电源或不控整流电源供电，利用电力电子开关器件斩波或进行脉宽调制，以产生可变的平均电压。在要求快速响应的直流调速场合PWM变换电源具有不可替代的优势。这种控制系统较前两种控

32、制系统有很多优点，主电路线路简单，需要的功率器件少。开关频率高，电流容易连续，谐波少。低速性能好，调速范围宽，可达1：10000左右。若与快速响应的电机配合，动态响应快，动态抗扰能力强。功率开关器件工作在开关状态，道童损耗小，当开关频率适当时，开关损耗不大，因而装置效率较高。直流PWM调速系统作为一种新技术，发展迅速，应用日益广泛，特别在中、小容量的系统中，已取代V-M系统成为主要的直流调速方式。系统总体结构图比较以上三种控制系统，由于G-M系统缺点，本设计不考虑第一种控制系统。虽然V-M系统比较PWM系统来说也有很多缺点，但是由于本毕业设计的方向是用于大容量系统，而且考虑到经费的问题，所以本

33、设计选择V-M系统作为主控制系统。双闭环调速系统结构图本设计为了实现转速和电流两种负反馈分别作用，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈，二者之间实行嵌套联接。把转速调节器的输出当作电流调节器输入，再用电流调节器的输出去控制触发器。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。结构图如图2.1。图2.1双闭环调速系统(xtng)结构图系统(xtng)整体(zhngt)结构图本控制系统的核心是数字控制器，选用 Atmel公司生产的AT89C51，与其它电路连接组成控制系统。由键盘电路实现转速的设定，显

34、示电路实现转速的实时监控，测速发电机实现速度的检测和反馈，电流传感器实现电流的检测和反馈，过零检测实现零点电压的检测，报警电路实现异常报警，由三相全控整流电路与控制器相配和实现直流电动机的控制。结构图如图2.2。图2.2系统整体结构图硬件设计控制器控制器的选择(xunz)本设计(shj)选用Atmel公司(n s)生产的AT89C51单片机，AT89C51是一个低电压，高性能CMOS8位单片机带有4K字节的可反复擦写的程序存储器（PENROM）。和128字节的存取数据存储器（RAM），这种器件采用ATMEL公司的高密度、不容易丢失存储技术生产，并且能够与MCS-51系列的单片机兼容。片内含有8

35、位中央处理器和闪烁存储单元，有较强的功能的AT89C51单片机能够被应用到控制领域中。AT89C51提供以下的功能标准：4K字节闪烁存储器，128字节随机存取数据存储器，32个I/O口，2个16位定时/计数器，1个5向量两级中断结构，1个串行通信口，片内震荡器和时钟电路。另外，AT89C51还可以进行0HZ的静态逻辑操作，并支持两种软件的节电模式。闲散方式停止中央处理器的工作，能够允许随机存取数据存储器、定时/计数器、串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存随机存取数据存储器中的内容，但震荡器停止工作并禁止其它所有部件的工作直到下一个复位。单片机引脚图如图3.1所示。图3.1 AT89C51

36、引脚图引脚说明如下：VCC：电源电压 GND：地P0口：P0口是一组8位漏极开路(kil)双向I/O口，即地址(dzh)/数据总线复用口。作为(zuwi)输出口时，每一个管脚都能够驱动8个TTL电路。当“1”被写入P0口时，每个管脚都能够作为高阻抗输入端。P0口还能够在访问外部数据存储器或程序存储器时，转换地址和数据总线复用，并在这时激活内部的上拉电阻。P0口在闪烁编程时，P0口接收指令，在程序校验时，输出指令，需要接电阻。P1口：P1口一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动4个TTL电路。对端口写“1”，通过内部的电阻把端口拉到高电平，此时可作为输入口。因为内部有电阻，

37、某个引脚被外部信号拉低时输出一个电流。闪烁编程时和程序校验时，P1口接收低8位地址。P2口：P2口是一个内部带有上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动4个TTL电路。对端口写“1”，通过内部的电阻把端口拉到高电平，此时，可作为输入口。因为内部有电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器时，P2口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器时，P2口线上的内容在整个运行期间不变。闪烁编程或校验时，P2口接收高位地址和其它控制信号。P3口：P3口是一组带有内部电阻的8位双向I/O口，P3口输出缓冲故可驱动4个TTL电路。对P3口

38、写如“1”时，它们被内部电阻拉到高电平并可作为输入端时，被外部拉低的P3口将用电阻输出电流。P3口除作为一般的I/O口外，更重要的用途是它的第二功能，如表3.1所示：表3.1 P3口第二功能 端口引脚 第二功能 P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 （外中断0） P3.3 （外中断1） P3.4 T0（定时/计数器器0外部输入） P3.5 T1（定时/计数器器1外部输入） P3.6 （外部数据存储器写选通） P3.7 （外部数据存储器读选通）P3 口还接收一些用于闪烁存储器编程和程序校验的控制信号。RST：复位输入。当震荡器工作时，RET引脚出现两个机器周期

39、以上的高电平将使单片机复位。ALE/ ：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。即使不访问外部存储器，ALE以时钟震荡频率的1/16输出固定的正脉冲信号，因此它可对输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲时，闪烁存储器编程时，这个引脚还用于输入编程脉冲。如果必要，可对特殊寄存器区中的8EH单元的D0位置禁止ALE操作。这个位置后只有一条MOVX和MOVC指令ALE才会被应用。此外，这个引脚会微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE无效。：程序储存允许(ynx)输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C51由外部

40、程序存储器读取指令时，每个机器(j q)周期两次PSEN 有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部(wib)数据存储器时，这两次有效的PSEN 信号不出现。EA/VPP：外部访问允许。欲使中央处理器仅访问外部程序存储器，EA端必须保持低电平。需要注意的是：如果加密位LBI被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平，CPU则执行内部程序存储器中的指令。闪烁存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电压VPP，当然这必须是该器件是使用12V编程电压VPP。XTAL1：震荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。XTAL2：震荡器反相放大器的输出端。最小系统设计AT89C51可以采用片内震

41、荡或者片外震荡。片内震荡：芯片中中有一个用于构成内部震荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自然震荡器。外接石英晶体及电容C1，C2接在放大器的反馈回路中构成并联震荡电路。对外接电容C1，C2虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响震荡频率的高低、震荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性。用户也可以采用外部时钟。片外震荡：外部时钟脉冲接到XTAL1端，即内部时钟发生器的输入端，XTAL2则悬空。由于外部时钟信号是通过一个2分频触发器后作为内部时钟信号的，所以对外部时钟信号的占空

42、比没有特殊要求，但最小高电平持续时间和最大的低电平持续时间应符合产品技术条件的要求。本设计采用的是片内震荡，复位电路采用简单上电自动复位和手动复位电路，上电自动复位是在上电瞬间，电压VCC短时间内从0V上升到5V，这一瞬间相当于 HYPERLINK /search?word=%E4%BA%A4%E6%B5%81%E7%94%B5&fr=qb_search_exp&ie=utf8 t _blank 交流电，电容相当于导线，5V的电压全部加在10K电阻上，也就是说，这时RESET的 HYPERLINK /search?word=%E7%94%B5%E5%B9%B3&fr=qb_search_exp

43、&ie=utf8 t _blank 电平状态为 HYPERLINK /search?word=%E9%AB%98%E7%94%B5%E5%B9%B3&fr=qb_search_exp&ie=utf8 t _blank 高电平。但是从上电开始，电容自己就慢慢充电，其两端电压呈曲线上升，最终达到5V，也就是说其正端电位为5V，负端电位为0V，其负端也就正好是RESET，此时RESET为 HYPERLINK /search?word=%E4%BD%8E%E7%94%B5%E5%B9%B3&fr=qb_search_exp&ie=utf8 t _blank 低电平， HYPERLINK /search

44、?word=%E5%8D%95%E7%89%87%E6%9C%BA&fr=qb_search_exp&ie=utf8 t _blank 单片机开始正常工作。手动复位是当按键按下时，电容两端构成回路并放电，使RST端重新变为 HYPERLINK /search?word=%E9%AB%98%E7%94%B5%E5%B9%B3&fr=qb_search_exp&ie=utf8 t _blank 高电平，按键抬起时电容又充电使RST变回 HYPERLINK /search?word=%E4%BD%8E%E7%94%B5%E5%B9%B3&fr=qb_search_exp&ie=utf8 t _bla

45、nk 低电平，从而达到复位效果。单片机最小系统如图3.2。图3.2 AT89C51最小系统(xtng)键盘(jinpn)电路键盘(jinpn)电路分为独立式按键和矩阵式按键。独立式按键是指直接用I/O口线构成的单个按键电路。每个独立式按键单独占有一跟I/O口线，每根I/O口线的工作状态不会影响其他I/O口线的工作状态，这是一种最简单易懂的按键结构。独立式按键虽然电路配置灵活，硬件结构简单，但在每个按键必须占用一根I/O口线的情况下，在按键较多时，I/O口线浪费较大。故只在按键数量不多时采用这种按键电路。在此电路中，按键输入都采用低电平有效，上拉电阻保证了按键断开时，I/O口线有确定的高电平。矩

46、阵式按键也称行列是按键，矩阵式键盘中，行、列线分别连接到按键开关的两端，行线通过上拉电阻接到+5V上。当无键按下时，行线处于高电平状态；当有键按下时，行、列线将导通，此时，行线电平将由与此行线相连的列线电平决定。这一点是识别矩阵按键是否被按下的关键。然而，矩阵键盘中的行线、列线和多个键相连，各按键按下与否均影响该键所在行线和列线的电平，各按键间将相互影响，因此，必须将行线、列线信号配合起来作适当处理，才能确定闭合键的位置。矩阵式按键适用于按键较多的场合，可以减少对CPU的占用。1单片机在开发过程中，常常会因为资源不足而不得不使用扩展接口芯片以满足应用系统的需要，其中原因之一是人机界面中的键盘显

47、示占用了系统太多资源，从而造成系统庞大，同时降低了系统的可靠性。在单片机应用系统中，键盘显示通常可采用以下几种方式：1采用并行接口的键盘显示专用芯片8279。但8279所需外围元件多（显示驱动、译码等）、占用电路板面积大、综合成本高，在中小系统中常常大材小用；2采用(ciyng)通用并行I/O扩展(kuzhn)芯片（如用8155、8255等），但此方案同样(tngyng)需要驱动显示，同时键盘显示扫描还需占用CPU大量时间；3 采用专用显示控制器，并用CPU的I/O引脚完成键盘输入（如MC14499、PS7219、MAX7219、ICM7218、TLC5921等，大多是串行接口并有显示驱动能力

48、，I/O占用少）。这种接口方式省去了显示的扫描，而且电路大多也很简单，通常在系统需要的按键较少时比较适用；4 采用带I2C总线的键盘显示芯片（如显示用SAA1066，键盘用PCF8574），不过这种方式对于无I2C总线接口的CPU来说，编程显得有些不便；5采用串行接口的键盘显示专用芯片，如BC728081、HD7279、CH451等。这类芯片占用CPU的资源少，传输速度较快，外围器件要求也较少，在中小系统中都可得到广泛的应用。综上所述，本设计采用44矩阵式键盘和CH451芯片组合构成键盘电路。CH451简介CH451是一个整合了数码管显示驱动和键盘扫描控制以及P监控的多功能外围芯片。CH451

49、内置RC振荡电路，可以直接动态驱动8位数码管或者64位LED，具有BCD译码或不译码功能，可实现数据的左移、右移、左循环、右循环、各数字独立闪烁等控制功能。CH451内置大电流驱动级，段电流不小于30mA，字电流不小于160mA，并有16级亮度控制功能；在键盘控制方面，该器件内置64键键盘控制器，可实现88矩阵键盘扫描，并内置去抖动电路，可提供按键中断与按键释放标志位等功能；在外部接口方面，CH451可选择简洁的1线串行接口或高速4线串行接口，且内置上电复位，可提供高电平有效复位和低电平有效复位两种输出，同时内置看门狗电路Watch-Dog。（1）显示驱动：内置大电流驱动级，段电流不小于25m

50、A,字电流不小于150mA。动态显示扫描控制，直接驱动8位数码管或64只发光LED。可选数码管的段与数据位相对应的不译码方式或者BCD译码方式。数码管的字数据左移、右移、左循环、右循环。各数码管数字独立闪烁控制。任意段位寻址，独立控制各个LED或者数码管的各个段的亮与灭。支持段电流上限调整，可以省去所有限流电阻。扫描极限控制，支持1到8个数码管，只为有效数码管分配扫描时间。（2）键盘控制：内置64键键盘控制器，基于8x8矩阵键盘扫描。内置按键状态输入的下拉电阻，内置去抖电路。键盘中断，低电平有效输出。提供按键释放标志位，可供按键按下查询释放。（3）其他：高速的4线串行接口，支持多片级联，时钟速

51、度从0到10MHZ。串行接口中的DIN和DCLK信号线可以与其他接口电路共用，节约引脚。内置时钟振荡电路，不需外接晶体或阻容振荡。内置上电复位和看门狗，提供高电平有效和低电平有效复位输出。该芯片支持3V到5V电源电压。（4）电气(dinq)特性：CH451显示(xinsh)扫描的周期最大为6.5毫秒，所以数码管不会出现闪屏现象。键盘扫描间隔(jin g)，按键响应时间最大为70毫秒；数码管闪烁显示值0.7HZ；看门狗溢出范围300到930毫秒，典型值为550毫秒 6。键盘电路硬件连接本设计设置了16个按键，09键为数字键，AF为功能键，其中A为启动键，B为停止键，C为加速键，D为减速键，E为速

52、度设定键，F为确定键。（1）CH451与单片机的连接与单片机连接一共需要4根控制线，其中DIN和单片机的P2.1连接， DCLK和单片机的P2.0连接，DOUT和单片机的中断口P3.3连接，LOAD和单片机的P3.6连接。连接图如图3.3。 图3.3 CH451与单片机的连接（2）CH451与矩阵键盘的连接CH451和矩阵键盘电路的连接如图3.4所示。CH451对应的键盘编码值如表3.2所示。图3.4 CH451与矩阵键盘(jinpn)的连接表3.2 按键(n jin)编码按键代码DIG7DIG6DIG5DIG4DIG3DIG2DIG1DIG0 SEG047H46H45H44H43H42H41

53、H40H SEG14FH4EH4DH4CH4BH4AH49H48H SEG257H56H55H54H53H52H51H50H SEG35FH5EH5DH5CH5BH5AH59H58H SEG467H66H65H64H63H62H61H60H SEG56FH6EH6DH6CH6BH6AH69H68H SEG677H76H75H74H73H72H71H70H SEG77FH7EH7DH7CH7BH7AH79H78H显示(xinsh)电路为方便人们的观察和监视单片机的运行情况，通常需要用一种显示器作为单片机的输出设备，用来显示单片机的键输入值、中间信息及运算结果等。常用的显示器主要有LED（发光二极

54、管显示器）和LCD（液晶显示器）。这两种显示器具有耗电省、配置灵活、线路简单、安装方便、耐振动、寿命长等优点。两者相比，LED显示器价格更低廉，结构更简单，LCD显示功耗更低，显示清晰度更高。所以本设计选用LCD作为显示器，型号为LCD 1602。LCD1602显示器简介1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的 HYPERLINK /view/545607.htm t _blank 点阵型液晶模块。它由若干个5X7或者5X11等 HYPERLINK /view/545607.htm t _blank 点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间

55、有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形（用自定义CGRAM，显示效果也不好）。1602LCD是指显示的内容为16X2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字）。市面上字符液晶大多数是基于HD44780液晶芯片的，控制原理是完全相同的，因此基于HD44780写的控制程序可以很方便地应用于市面上大部分的字符型液晶。实物图如图3.5。图 3.5 LCD 1602显示器正反面LCD1602引脚功能(gngnng)：第1脚：VSS为电源(dinyun)地，接GND。第2脚：VDD接5V正电源(dinyun)。第3脚：VO为液晶

56、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，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选数据寄存器、低电平时选指令寄存器。第5脚：RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平RW为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。第6脚：EN为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。第714脚：D0D7为8位双向数据线。第15脚：BLA背光电源正极(+5V)输入引脚。 第16脚：BLK背光电源负极，接G

57、ND。 引脚接口说明如表3.3 6。表3.3 引脚接口说明编号符号 引脚说明编号符号引脚说明 1VSS 电源地9D2数据口 2VDD 电源正极10D3数据口 3VO 液晶显示器对比度调整端11D4数据口 4RS 数据/命令选择端(H/L)12D5数据口 5R/W 读/写选择端(H/L)13D6数据口 6E 使能信号14D7数据口 7D0 数据口15BLA背光源正极 8D1 数据口16BLK背光源负极LCD 1602的性能指标LCD1602可显示(xinsh)两行，每行16个字符，不能显示(xinsh)汉字，内置含128个字符的ASCII字符集字库，只有(zhyu)并行接口，无串行接口。这种16

58、02字符型LCD通常有14条引脚线或16条引脚线的LCD，多出来的2条线是背光电源线。字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，目前常用161，162，202和402行等的模块。1602字符型LCD的主要技术参数为：（1）显示容量：162个字符；（2）芯片工作电压：4.55.5V；（3）工作电流2mA(5.0V)不包括背光电流；（4）模块最佳工作电压：5V；（5）字符尺寸：2.954.35(WH)mm。1602字符型LCD的基本操作时序： 读状态 输入：RS=L，R/W=H，E=H 输出：D0D7=状态字 读数据 输入：RS=H，R/W=H，E=H 输出：无写指令 输

59、入：RS=L，R/W=L，D0D7=指令码，E=高脉冲 输出：D0D7=数据写指令 输入：RS=H，R/W=L，D0D7=数据，E=高脉冲 输出：无液晶显示模块是一个慢显示器件，所以在执行每条指令之前一定要确认模块的忙标志为低电平，表示不忙，否则此指令失效。要显示字符时要先输入显示字符地址，也就是告诉模块在哪里显示字符。液晶显示模块有80个字节的显示缓冲区，分两行，地址分别为00H27H，40H67H，它们实际显示位置的排列顺序跟LCD的型号有关，LCD1602的显示地址与实际显示位置的关系如图3.6。 LCD 16字2行000102030405060708090A0B0C0D0E0F1027

60、404142434445464748494A4B4C4D4E4F5067 图3.6 LCD1602的显示地址与实际显示位置的关系当向图中的000F、404F地址中任一处写入显示数据(shj)时，液晶都可立即显示出来，当写入到1027或5067地址处时，必须通过移屏指令(zhlng)将它们移入可显示区域方可显示正常 6。LCD1602与单片机的连接(linji)1602液晶显示模块可以和单片机AT89C51直接接口，RS、R/W和E分别接单片机P2.5、P2.6和P2.7，D0D7接单片机P0.0P0.7，VO口接一个滑动电阻用于手动调节液晶显示器的对比度，VSS和BLK都接地，VDD接电源来给