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江苏技术师范学院毕业设计说明书（论文）第1页共54页单片机及接口控制试验平台设计序言自从单片机问世以来，在国外，它已广泛应用于自动控制、数据采集和处理、家用电器等各方面，同时也渗透到其它各个科技领域。在国内，虽然起步较晚，但由于单片机价廉物美、功能强、体积小、使用灵活方便，得到发展越来越多的发展，尤其在工业过程控制、自动化仪器等领域得到广泛应用。对推动国家的工业现代化进程有着重大意义。现代工业中绝大部分的动力装置都是用电机来实现的，由于电机并不能自身对转速进行控制，在以前只能用机械装置对电机进行调速，随着机械调速装置在实际应用中暴露出来的噪音、能耗大以及易磨损、占用空间大、安装不便等问题，人们开始把目光投向了电子调速。本设计目的就是利用单片机对当前国内使用最多的三种电机进行调速。本说明书共分为4章，第一章课题分析与方案论证；第二章对硬件进行了详细的说明；第三章对系统的软件进行了分析；第四章有选择地列举了软硬件在调试过程中出现的问题，并对问题作出了分析；其中重点是单片机的各接口单元电路的设计，以及数据的显示处理。设计的最终成果是能通过按钮对电机的速度进行控制，并实现对交流电机转速模拟量的采集，并通过LED进行显示。江苏技术师范学院毕业设计说明书（论文）第2页共54页第1章课题分析与方案论证1.1课题任务分析本课题主要实现用单片机控制交流、直流、步进三种电机转速的目的，并采集变频器转速输出口的电流信号将交流电机的实际转速显示出来。实验室现有的西门子变频器有一模拟量输入口，在该口输入0-10V的电压，变频器就可以输出不同频率的交流电，达到控制交流电机转速的目的，为此对于交流电机的转速控制只要将单片机产生的数字信号转化为模拟电压信号与实验室现有的西门子变频器的模拟量输入口接驳即可；交流电机的转速显示则需将变频器输出的电流模拟信号转换为数字信号送单片机。步进电机通过环行分配器控制各绕组的通电顺序运转，分配器有软件和硬件之分。实验室的步进电机是通过硬件环行分配器驱动的，因而只要使单片机输出不同频率的脉冲至硬件环行分配器就可以控制步进电机的转速。还可以从单片机上引出一个口，通过控制这个口的高低电平让步进电机正转或反转。直流电机的转速控制只要改变直流电机的输入电压就能实现，为此利用单片机产生PWM脉冲送直流电机的驱动电路，由驱动电路产生不同的电压至直流电机，从而达到直流电机的转速控制。本实验平台要求三种电机的调速电路以及模/数转换电路相互独立，以便在以后做不同的实验时只需将相应的电路与单片机控制电路接驳。为此需要将各电路的硬件和系统的软件模块化，其中硬件部分首先将各电路设计成一个个独立的单元，然后用插口将各单元电路与单片机控制单元相连；软件的模块化则通过在主程序中调用各子程序实现。1.2方案论证尽管所要控制的交流电机的额定转速为1400r/min，所要的A/D、D/A芯片的分辨率最小为1/1400，但考虑到本次设计任务只是锻炼我们的实践能力和方便以后教学，没有必要去片面的追求高精度而增加硬件成本，为此直接选用了市面上较为常见的八位D/A（DAC0809）、A/D（ADC0832）转换芯片，而没有将D/A、江苏技术师范学院毕业设计说明书（论文）第3页共54页A/D芯片的选择在方案中作为考虑对象。本次方案论证主要对键盘/显示接口电路进行选择。方案一：1.键盘/显示器单元电路方案选用通用并行接口芯片8155作LED显示和键盘的输入。其中，8155的PA口为输出口，控制键盘列线的扫描，PA口同时又是4位LED显示器的位扫描口，PB作为显示器的段码口，PC口作为键盘行线状态的输入口。2.交流电机单元的转速控制方案由AT89C51单片机将键盘输入信号进行判断处理后经P0输出8位数字量信号经D/A转换芯片DAC0832进行转换,产生相应的模拟电压信号，再将模拟电压信号通过二级运算器放大后，输入西门子变频器MM420的模拟量输入口,去控制交流电动机的转动。3.步进电机单元的转速控制方案由AT89C51单片机将键盘输入信号进行判断处理后经P1.0、P1.1口输出步进电机的控制信号，经74LS07正向放大后送步进电机驱动电路。4.直流电机单元的转速控制方案由AT89C51单片机将键盘输入信号进行判断处理后经P1.0口输出PWM信号，将此脉冲信号送直流电机驱动电路控制直流电机的转动。方案二：1.键盘/显示器单元的电路方案选用五片“串入并出”移位寄存器74LS164扩展五个8位并行输出口：一个8位并行输出口用于键盘的列线使用，其余的四个8位并行输出口用于控制4个LED段选口作静态显示。2.交流电机单元的转速控制方案由AT89C51单片机将键盘输入信号进行判断处理后经P0输出8位数字量信号经D/A转换芯片DAC0832进行转换,产生相应的模拟电压信号，再将模拟电压信号通过二级运算器放大后，输入西门子变频器MM420的模拟量输入口,去控制交流电动机的转动。3.步进电机单元的转速控制方案江苏技术师范学院毕业设计说明书（论文）第4页共54页由AT89C51单片机将键盘输入信号进行判断处理后经P1.0、P1.1口输出步进电机的控制信号，经74LS07正向放大后送步进电机驱动电路。4.直流电机单元的转速控制方案由AT89C51单片机将键盘输入信号进行判断处理后经P1.0口输出PWM信号，将此脉冲信号送直流电机驱动电路控制直流电机的转动。综合上述两种方案，区别在于所采用的键盘、显示接口电路不同。方案一：选用通用并行接口芯片8155作LED显示和键盘的输入，这样就会和D/A转换芯片DAC0832共用P0口资源，需要进行片选，软件工作量大，硬件接线复杂。方案二：直接使用89C51的串换行口外扩键盘/显示器。应用串行口方式0的输入方式，在串行口外接移位寄存器74LS164，构成键盘/显示器接口。这种静态显示方式的优点是亮度大，显示闪烁感小，且CPU不必频繁地为显示服务，因而主程序可不必扫描显示器，软件设计比较简单，整个接口电路硬件也不复杂。通过比较我发现：第二种方案软、硬较第一种方案简单，且充分利用了89C51单片机的串行口资源，节约了成本。为此，我采用第二种方案。最终确定的整体方案框图如下：图1-1整体方案框图显示单元A/D转换单元交流电机单元步进电机单元直流电机单元单片机键盘单元江苏技术师范学院毕业设计说明书（论文）第5页共54页第2章硬件电路根据第一章中的各单元电路方案，细化总体框图如下：图2－1系统结构图下面先介绍涉及的硬件知识点，再说明各单元电路的设计方法，最后给出总体设计图。2.1主要芯片简介2.1.1AT89C51AT89C51是ATMEL公司生产的MCS-51系列芯片，是一种低功耗、高性能的片内含有4KB快闪可编程/擦除只读存（FPEROM-FLASHPROGRAMMABLEANDERASABLEREADONLYMEMORY）的8位CMOS微控制器。芯片上的FPEROM允许在线编程或采用通用的非易失存储编程器对程序存储器重复编程。AT89C51的引脚图如图2-1所示：键盘接口单元电路单片机D/A转换接口单元电路显示接口单元电路A/D转换接口单元电路变频器交流电机步进电机直流电机硬件环行分配器直流驱动接口单元电路电路江苏技术师范学院毕业设计说明书（论文）第6页共54页图2-2AT89C51引脚图AT89C51各个引脚功能说明如下：（1）输入/输出引脚：P0口：在不接外部存储器与不扩展I/O时，可做为准双向的输入/输出口。在接有外部存储器或有扩展I/O口时，该口分时复用为低8位的数据总线和地址总线。P1口的字节地址位90H，位地址为90H—97H。P1口只能作为通用I/O口使用，是准双向口。当P1口作为输出口使用时，已能对外提供推拉电流负载，外电路无需再接上拉电阻。当P1口作为输入口使用时，应先向锁存器写入“1”，使输出驱动电路的FET截止。P2口：P2口的字节地址位0A0H，位地址为0A0H—0A7H。在实际应用中P2口用于为系统提供高位地址，。此外，P2口也可以作为通用I/O口使用，这时多路转接开关倒向锁存器Q端。P3口：除了作为准双向口使用外，还可以将每一位用于地二功能，而且P3口的每一条引脚都可以独立的定义为第一功能的输入输出或第二功能。（2）控制线：ALE/PROG：地址锁存有效信号输出端。ALE在每个机器周期内输出两个脉冲。PSEN：片外程序存储器读选通信号输出端，低电平有效。RST/Vpd：该引脚为单片机的上电复位和掉电保护端。江苏技术师范学院毕业设计说明书（论文）第7页共54页RST引脚是复位信号的输入端,复位信号是高电平有效。复位操作有上电自动复位和按键手动复位两种方式。（3）、主电源引脚：Vcc：接+5V电源正极（4）、外接晶体引脚：XTAL1：接外部石英晶体的一端。它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成了片内震荡器。当采用外部时钟时，对于HMOS单片机，该引脚接地；对于CHMOS单片机，该引脚作为外部震荡信号是输入端。XTAL2：接外部石英晶体的另一端。在单片机内部，它是片内震荡器的反相放大器的输出端。当采用外部时钟时。2.1.2D/A转换芯DAC0832D/A转换接口设计，主要是选择D/A转换集成芯片，配置外围电路及器件，实现数字量至模拟量的线性转换，并不涉及D/A转换器的结构设计，也不必对其内部电路作详细分析。1．DAC0832的内部结构及其引脚DAC0832的内部结构主要由两面三个8位寄存器与一个D/A转换器组成。这种结构使输入的数据能有两次缓冲，因此在操作上十分方便与灵活。DAC0832是电流型输出，应用时需要外接运算放大器使之成为电压型输出。DAC0832为20脚双列直插芯片,芯片的引脚与逻辑结构如图所示。图2-3DAC0832芯片的引脚与逻辑结构江苏技术师范学院毕业设计说明书（论文）第8页共54页DAC0832的各管脚的功能如下：——8位数据输入端，常和CPU的数据总线相连，用于输入CPU送来的待换的数字量，DI7为最高位。ILE——数据允许锁存信号引脚，高电平有效。CS——输入寄存器选择信号脚，低电平有效。1WR——输入寄存器写选信号，输入寄存器的锁存信号/LE1由ILE、CS、1WR的逻辑组合产生，1LE为高电平时，输入寄存器状态随输入数据线变化，1LE的负跳变将输入数据锁存。XFER——传送控制输入线，低电平有效。2WR——DAC寄存器的写选通信号。DAC寄存器的锁存器锁存信号2LE由2WR和XFER/XFER的逻辑组合而成，2LE为高电平时，DAC寄存器的输出随寄存器的输入变化，2LE负跳变时，输入寄存器的内容打入DAC寄存并开始D/A转换。REFV——参考电压输入端，一般在，由稳压电源提供。fbR——运算放大器反馈信号输入端，通常接到运算放大器输出端。Iout1、Iout2——电流输出端，其值随DAC内容线性变化、Iout1+Iout2=常数。为保证额定负载下输出电流的线形度，Iout1、Iout2引脚上的电位尽量接近地电平。因此，Iout1、Iout2通常接运算放大器输入端。当输入数字为全”1”时,Iout1输出电流最大，约为：EBREFRV256255,全”0”时,输出电流为0。ccV——电源输入端，可在范围内。AGND——模拟地。DGND——数字地。通常上两种地线接在一起。江苏技术师范学院毕业设计说明书（论文）第9页共54页2.1.3A/D转换芯片ADC08091．主要参数（1）8路8位A/D转换器。（2）具有转换起停控制端。（3）转换时间为100μs（4）单个＋5V电源供电（5）模拟输入电压范围0～＋5V，不需零点和满刻度校准。2．内部结构ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A／D转换器，内部结构如图13．22所示，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型D／A转换器、逐次逼近寄存器、三态输出锁存器等其它一些电路组成。因此，ADC0809可处理8路模拟量输入，且有三态输出能力，既可与各种微处理器相连，也可单独工作。ADC0809引脚ADC0809逻辑结构图2-4ADC0809引脚与