基于单片机的电机测速及显示课程设计.docx
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基于单片机的电机测速及显示课程设计
单片机创新设计报告
设计题目:
基于单片机的电机测速及显示
学院:
机电工程学院
专业:
测控技术与仪器
班级学号:
071
姓名:
董新彬
同组人员:
李爽、朱浩波
指导教师:
王军冯梅林
设计时间:
2010、10、10--2010、10、30
单片机简介
单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。
概括的讲:
一块芯片就成了一台计算机。
它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。
同时,学习使用单片机了解计算机原理与结构的最佳选择。
1.1单片机历史
1)第一阶段(1976-1978):
单片机的控索阶段。
以Intel公司的MCS–48为代表。
MCS–48的推出是在工控领域的控索,参与这一控索的公司还有Motorola、Zilog等,都取得了满意的效果。
这就是SCM的诞生年代,“单机片”一词即由此而来。
2)第二阶段(1978-1982)单片机的完善阶段。
Intel公司在MCS–48基础上推出了完善的、典型的单片机系列MCS–51。
它在以下几个方面奠定了典型的通用总线型单片机体系结构。
①完善的外部总线。
MCS-51设置了经典的8位单片机的总线结构,包括8位数据总线、16位地址总线、控制总线及具有很多机通信功能的串行通信接口。
②CPU外围功能单元的集中管理模式。
③体现工控特性的位地址空间及位操作方式。
④指令系统趋于丰富和完善,并且增加了许多突出控制功能的指令。
3)第三阶段(1982-1990):
8位单片机的巩固发展及16位单片机的推出阶段,也是单片机向微控制器发展的阶段。
Intel公司推出的MCS–96系列单片机,将一些用于测控系统的模数转换器、程序运行监视器、脉宽调制器等纳入片中,体现了单片机的微控制器特征。
随着MCS–51系列的广应用,许多电气厂商竞相使用80C51为内核,将许多测控系统中使用的电路技术、接口技术、多通道A/D转换部件、可靠性技术等应用到单片机中,增强了外围电路路功能,强化了智能控制的特征。
4)第四阶段(1990—):
微控制器的全面发展阶段。
随着单片机在各个领域全面深入地发展和应用,出现了高速、大寻址范围、强运算能力的8位/16位/32位通用型单片机,以及小型廉价的专用型单片机
1.2AT89C51的主要特性
·与MCS-51兼容
·4K字节可编程闪烁存储器
·寿命:
1000写/擦循环
·数据保留时间:
10年
·全静态工作:
0Hz-24Hz
·三级程序存储器锁定
·128*8位内部RAM
·32可编程I/O线
·两个16位定时器/计数器
·5个中断源
·可编程串行通道
·低功耗的闲置和掉电模式
·片内振荡器和时钟电路
1.3管脚说明
VCC:
供电电压。
GND:
接地。
P0口:
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口,每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时,被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时,P0口作为原码输入口,当FIASH进行校验时,P0输出原码,此时P0外部必须被拉高。
P1口:
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口,P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后,被内部上拉为高,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时,P1口作为第八位地址接收。
P2口:
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2口缓冲器可接收,输出4个TTL门电流,当P2口被写“1”时,其管脚被内部上拉电阻拉高,且作为输入。
并因此作为输入时,P2口的管脚被外部拉低,将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时,P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时,它利用内部上拉优势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时,P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口:
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口,可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入。
作为输入,由于外部下拉为低电平,P3口将输出电流(ILL)这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口,如下表所示:
P3.0RXD(串行输入口)
P3.1TXD(串行输出口)
P3.2/INT0(外部中断0)
P3.3/INT1(外部中断1)
P3.4T0(记时器0外部输入)
P3.5T1(记时器1外部输入)
P3.6/WR(外部数据存储器写选通)
P3.7/RD(外部数据存储器读选通)
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST:
复位输入。
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。
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。
/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。
/EA/VPP:
当/EA保持低电平时,则在此期间外部程序存储器(0000H-FFFFH),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(VPP)。
XTAL1:
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2:
来自反向振荡器的输出。
1.4振荡器特性
XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。
该反向放大器可以配置为片内振荡器。
石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。
如采用外部时钟源驱动器件,XTAL2应不接。
有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器,因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求,但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。
1.5芯片擦除
整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合,并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。
在芯片擦操作中,代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前,该操作必须被执行。
此外,AT89C51设有稳态逻辑,可以在低到零频率的条件下静态逻辑,支持两种软件可选的掉电模式。
在闲置模式下,CPU停止工作。
但RAM,定时器,计数器,串口和中断系统仍在工作。
在掉电模式下,保存RAM的内容并且冻结振荡器,禁止所用其他芯片功能,直到下一个硬件复位为止。
二、硬件电路的设计
2.1AT89C51下载器部分
SP-51Pro(即Easy51pro)编程器可以烧录Atmel公司系列单片机芯片,具有性能稳定,烧录速度快,性价比高等优点。
产品性能介绍如下:
支持的芯片
支持目前最为经典和市场占有量最大的ATMEL公司生产的AT89C51、C52、C55和最新的S51、S52;AT89C1051、2051、4051等芯片。
产品特点
1.使用串口通讯,芯片自动判别,编程过程中的擦除、烧写、校验各种操作完全由编程器上的监控芯片89C51控制,不受PC配置及其主频的影响,因此烧写成功率高可以达到100%,烧写速度很快并且烧写速度和微机的档次无关。
2.采用57600高速波特率进行数据传送,编程速度可以和一般并行编程器相媲美,经测试,烧写一片4KROM的AT89C51仅需要9.5S,而读取和校验仅需要3.5S。
3.体积小巧,省去笨重的外接电源适配器,直接使用USB端口5V电源,携带方便,非常初学者学习51单片机的要求。
4.软件界面友好,菜单、工具栏、快捷键齐全,全中文操作,提供加密功能,可以保护您的创作产权。
可以说是麻雀虽小,五脏俱全!
5.功能完善,具有编程、读取、校验、空检查、擦除、加密等系列功能;
6.40pin和20pin锁紧插座,所有器件全部以第一脚对齐,无附加跳线,对于DIP封装芯片无需任何适配器;
7.采用优质万用锁紧插座,和接触不良等问题彻底说再见,可烧写40脚单片机芯片和20脚单片机芯片
8.改进的烧写深度确保每一片C51系列芯片的反复烧写次数都能达到1000以上!
内部数据至少保存10年。
9.因为采用了9针传口通讯,这样一来就不会再和打印机抢一个打印口,随时随地想烧就烧,让芯片编程成为一种快乐!
(3)硬件连接
1.通讯电缆与编程器连接好,
2.将串口插头插入电脑串口,
3.USB插头插入电脑任一个USB口,此时编程器上LED点亮,表明电源接通。
4.接着安装软件,本软件支持Win9x/me/2000/NT,标准Window操作界面。
本软件属于绿色软件,不需要安装,直接把相关的软件拷贝到硬盘中,运行其中的Easy51Pro2_0程序即可。
软件使用
程序启动后,会自动检测硬件及连接,状态框中显示“就绪”字样,表示编程器连接和设置均正常。
否则请检查硬件连接和端口设置。
把单片机芯片正确地放到编程器的相应插座上,注意,芯片的缺口要朝向插座的把手方向。
芯片放好后,就可以对芯片进行读写操作了,读写操作按下面的步骤进行:
1、程序运行,请先选择器件(点下选框)
2、用“打开文件”选择打开要编写的.HEX和.BIN文件
3、用“保存文件”可以保存读出来的文件
4、用“擦除器件”擦除芯片
5、用“写器件”编程
6、用“读器件”读取芯片中的程序,加密的读不出来
7、用“校验数据”检查编程的正确与否
8、用“自动完成”自动执行以上各步骤
9、用“加密”选择加密的级数2.12电机驱动部分
2.2电机驱动部分
图4-3中所示为一个典型的直流电机控制电路。
电路得名于“H桥驱动电路”是因为它的形状酷似字母H。
4个三极管组成H的4条垂直腿,而电机就是H中的横杠(注意:
图4.12及随后的两个图都只是示意图,而不是完整的电路图,其中三极管的驱动电路没有画出来)。
如图所示,H桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机。
要使电机运转,必须导通对角线上的一对三极管。
根据不同三极管对的导通情况,电流可能会从左至右或从右至左流过电机,从而控制电机的转向。
图4-3H桥简易驱动电路
要使电机运转,必须使对角线上的一对三极管导通。
例如,如图4-4所示,当Q1管和Q4管导通时,电流就从电源正极经Q1从左至右穿过电机,然后再经Q4回到电源负极。
按图中电流箭头所示,该流向的电流将驱动电机顺时针转动。
当三极管Q1和Q4导通时,电流将从左至右流过电机,从而驱动电机按特定方向转动(电机周围的箭头指示为顺时针方向)。
图4-4H桥电路驱动电机顺时针转动
图4-5所示为另一对三极管Q2和Q3导通的情况,电流将从右至左流过电机。
当三极管Q2和Q3导通时,电流将从右至左流过电机,从而驱动电机沿另一方向转动(电机周围的箭头表示为逆时针方向)。
图4-5H桥驱动电机逆时针转动
驱动电机时,保证H桥上两个同侧的三极管不会同时导通非常重要。
如果三极管Q1和Q2同时导通,那么电流就会从正极穿过两个三极管直接回到负极。
此时,电路中除了三极管外没有其他任何负载,因此电路上的电流就可能达到最大值(该电流仅受电源性能限制),甚至烧坏三极管。
基于上述原因,在实际驱动电路中通常要用硬件电路方便地控制三极管的开关。
图4-6所示就是基于这种考虑的改进电路,它在基本H桥电路的基础上增加了4个与门和2个非门。
4个与门同一个“使能”导通信号相接,这样,用这一个信号就能控制整个电路的开关。
而2个非门通过提供一种方向输人,可以保证任何时候在H桥的同侧腿上都只有一个三极管能导通。
(与本节前面的示意图一样,图4.15所示也不是一个完整的电路图,特别是图中与门和三极管直接连接是不能正常工作的。
)
图4-6具有使能控制和方向逻辑的H桥电路
采用以上方法,电机的运转就只需要用三个信号控制:
两个方向信号和一个使能信号。
如果DIR-L信号为0,DIR-R信号为1,并且使能信号是1,那么三极管Q1和Q4导通,电流从左至右流经电机(如图4.-7所示);如果DIR-L信号变为1,而DIR-R信号变为0,那么Q2和Q3将导通,电流则反向流过电机。
图4-7使能信号与方向信号的使用
实际使用的时候,用分立元件制作H桥是很麻烦的,好在现在市面上有很多封装好的H桥集成电路,接上电源、电机和控制信号就可以使用了,在额定的电压和电流内使用非常方便可靠。
比如常用的L293D、L298N、TA7257P、SN754410等。
三、程序设计
3.1下载器程序
#include
BYTEComBuf[18];//串口通讯数据缓存,发送和接收都使用
UINTnAddress;//ROM中地址计数
UINTnTimeOut;//超时计数
ProWorkpw;//编程器一般操作
voidDelay_us(BYTEnUs)//微秒级延时<255us
{
TH0=0;
TL0=0;
TR0=1;
while(TL0 { } TR0=0; }voidDelay_ms(UINTnMs)//豪秒级的延时<65535ms { UINTn=0; TR0=1; while(n { TH0=0; TL0=20; while(TH0<4) { } n++; } TR0=0; } BOOLWaitComm()//等待上位机的命令,18字节 { BYTEn=0; RI=0; while(! RI){}//等待第一个字节 ComBuf[n]=SBUF; RI=0; n++; for(n;n<=17;n++) { nTimeOut=0; while(! RI) { nTimeOut++; if(nTimeOut>10000)//后17个字节都有超时限制 return0; } ComBuf[n]=SBUF; RI=0; } return1; } BOOLWaitResp()//等待上位机回应,1字节,有超时限制 { nTimeOut=0; RI=0; while(! RI) { nTimeOut++; if(nTimeOut>50000) { return0; } } RI=0; ComBuf[0]=SBUF; return1; } BOOLWaitData()//写器件时等待上位机数据,18字节,有超时限制 { BYTEn; RI=0; for(n=0;n<=17;n++) { nTimeOut=0; while(! RI) { nTimeOut++; if(nTimeOut>10000) { return0; } } RI=0; ComBuf[n]=SBUF; } return1; } voidSendData()//发送数据或回应操作完成,18字节 { BYTEn=0; for(n;n<=17;n++) { TI=0; SBUF=ComBuf[n]; while(! TI){} TI=0; } } voidSendResp()//回应上位机1个字节,在写器件函数中使用 { TI=0; SBUF=ComBuf[0]; while(! TI){} TI=0; } voidSetVpp5V()//设置Vpp为5v { P3_4=0; P3_3=0; } voidSetVpp0V()//设置Vpp为0v { P3_3=0; P3_4=1; } voidSetVpp12V()//设置Vpp为12v { P3_4=0; P3_3=1; } voidRstPro()//编程器复位 { pw.fpProOver();//直接编程结束 SendData();//通知上位机,表示编程器就绪,可以直接用此函数因为协议号(ComBuf[0])还没被修改,下同 } voidReadSign()//读特征字 { pw.fpReadSign(); SendData();//通知上位机,送出读出器件特征字 } voidErase()//擦除器件 { pw.fpErase(); SendData();//通知上位机,擦除了器件 } voidWrite()//写器件 { BYTEn; pw.fpInitPro();//编程前的准备工作 SendData();//回应上位机表示进入写器件状态,可以发来数据 while (1) { if(WaitData())//如果等待数据成功 { if(ComBuf[0]==0x07)//判断是否继续写 { for(n=2;n<=17;n++)//ComBuf[2~17]为待写入数据块 { if(! pw.fpWrite(ComBuf[n]))//<<<<<<<<<<<<<<<<<<<调用写该器件一个单元的函数 { pw.fpProOver();//出错了就结束编程 ComBuf[0]=0xff; SendResp();//回应上位机一个字节,表示写数据出错了 WaitData();//等待上位机的回应后就结束 return; } nAddress++;//下一个单元 } ComBuf[0]=1;//回应上位机一个字节,表示数据块顺利完成,请求继续 SendResp(); } elseif(ComBuf[0]==0x00)//写器件结束 break; else//可能是通讯出错了 { pw.fpProOver(); return; } } else//等待数据失败 { pw.fpProOver(); return; } } pw.fpProOver();//编程结束后的工作 Delay_ms(50);//延时等待上位机写线程结束 ComBuf[0]=0;//通知上位机编程器进入就绪状态 SendData(); } voidRead()//读器件 { BYTEn; pw.fpInitPro();//先设置成编程状态 SendData();//回应上位机表示进入读状态 while (1) { if(WaitResp())//等待上位机回应1个字节 { if(ComBuf[0]==0)//ComBuf[0]==0表示读结束 { break; } elseif(ComBuf[0]==0xff)//0xff表示重发 { nAddress=nAddress-0x0010; } for(n=2;n<=17;n++)//ComBuf[2~17]保存读出的数据块 { ComBuf[n]=pw.fpRead();//<<<<<<<<<<<<<<<<<<<调用写该器件一个单元的函数 nAddress++;//下一个单元 } ComBuf[0]=6;//向上位机发送读出的数据块 SendData(); } else break;//等待回应失败 } pw.fpProOver();//操作结束设置为运行状态 ComBuf[0]=0;//通知上位机编程器进入就绪状态 SendData(); } voidLock()//写锁定位 { pw.fpLock(); SendData(); } 所支持的FID,请在这里继续添加 externvoidPreparePro00();//FID=00: AT89C51编程器 externvoidPreparePro01();//FID=01: AT89C2051编程器 externvoidPreparePro02();//FID=02: AT89S51编程器 voidmain() { SP=0x60; SetVpp5V();//先初始化Vpp为5v SCON=0x00; TCON=0x00; //PCON=0x00;//波特率*2 IE=0x00; //TMOD: GATE|C/! T|M1|M0|GATE|C/! T|M1|M0 //00100001 TMOD=0x21;//T0用于延时程序 TH1=0xff; TL1=0xff;//波特率28800*2,注意PCON //SCON: SM0|SM1|SM2|REN|TB8|RB8|TI|RI //01010000 SCON=0x50; TR1=1; Delay_ms(1000);//延时1秒后编程器自举 ComBuf[0]=0; SendData(); while (1)//串口通讯采用查询方式 { if(! WaitComm())//如果超时,通讯出错 { Delay_ms(500); ComBuf[0]=0;//让编程器复位,使编程器就绪 } switch(ComBuf[1])//根据FID设置(ProWork)pw中的函数指针 { case0: //at89c51编程器 PreparePro00(); break; case1: //at89c2051编程器 PreparePro01(); break; case2: //at89s51编程器 PreparePro02(); break; //case3: 支持新器件时,请继续向下添加 //break; //case4: //break; default: ComBuf[0]=0xff; ComBuf[1]=0xff;//表示无效的操作
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