課程設計洗衣機水位控制.doc

物理與電子工程學院洗衣機水位控制系統(tǒng)課程設計報告書 設計題目： 洗衣機水位控制系統(tǒng)的軟件設計 專 業(yè)： 自動化 班 級： 一班 學生姓名: 喬彬 學 號: 2010341121 指導教師： 尹世忠 2013年 11月 11 日物理與電子工程學院 課程設計任務書專業(yè)： 自動化 班級： 一班 學生姓名喬彬學號2010341121課程名稱單片機設計題目洗衣機水位控制系統(tǒng)的軟件設計設計目的、主要內容（參數(shù)、方法）及要求設計一個基于單片機的洗衣機控制系統(tǒng)，洗衣機的工作流程由進水、洗衣、排水和脫水四個過程組成，并且能達到“正常運行”和“強制停止”兩種控制要求：（1）按下啟動按鈕，開始進水直到水滿（即水位達到高水位）時停止進水開始洗滌。（2）洗滌時，正轉30秒，停2秒；然后反轉30秒，停2秒，如此循環(huán)5次，總共320秒開始排水。（3）水位下降到低水位時開始脫水并繼續(xù)排水，脫水30秒。（4）開始清洗，重復（1）（4），清洗三遍。（5）清洗完成，報警3秒并自動停機。（6）若按下排水按鈕，可實現(xiàn)手動排水。（7）若按下停止按鈕，不管洗衣機工作在什么狀態(tài)，洗衣機需停止工作。工作量2周時間，每天3學時，共計42學時進度安排第1-3天：根據(jù)任務書的要求查閱相關資料。閱讀相關文獻。搞清楚本課題的設計內容，對本課題的設計有個初步的設想。第4-5天：完成本課題設計的基本設計方案，通過指導老師的審核。第6-7天：完成課題的硬件電路的設計,完成程序設計。第8-9天：進行調試。第10-11天：撰寫課題設計報告書，并根據(jù)指導教師的意見進行修改。第12天：完成課程設計報告書。第13天：提交報告書。第14天：指導教師批閱課程設計報告書。主要參考資料1、韓志軍，沈晉源，王振波.單片機應用系統(tǒng)設計M機械工業(yè)出版社，2005年2、李全利.單片機原理與接口技術M高等教育出版社，2009年第二版3、馬淑蘭.單片機技術及應用實例分析M西安電子科技大學出版社，2009年指導教師簽字教研室主任簽字摘 要本文詳細介紹了國內洗衣機控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，發(fā)展中所面臨的問題。從產品質量、性能及應用方面看洗衣機機的差距；整個行業(yè)看國產洗衣機機所存在的問題以及它的發(fā)展趨勢。同時也詳盡的介紹了此次設計中最重要的組成部件單片機的概念、工作原理及設備總體結構，其中包括MCS-51的發(fā)展歷程，選型依據(jù)。設計了一種基于單片機MCS-51的洗衣機機，介紹了所選用的8051、8255等單片機。關鍵詞：洗衣機 ；單片機 ； 電動機目 錄前言1第1章課題研究價值2第1.1節(jié)洗衣機的發(fā)展歷程2第1.2節(jié)洗衣機的分類4第1.3節(jié)洗衣機的工作原理5第1.4節(jié)任務要求6第2章 系統(tǒng)硬件設計7第2.1節(jié)MCS51單片機主要應用特性7第2.2節(jié)洗衣機控制系統(tǒng)面板設計及控制原理圖9第2.3節(jié)微型處理器10第2.4節(jié)系統(tǒng)擴展14第2.5節(jié)電源21第3章 電機控制系統(tǒng)的設計23第3.1節(jié)直流電機M1控制系統(tǒng)23第3.2節(jié)交流電機M2控制系統(tǒng)27第4章 系統(tǒng)軟件設計30第4.1節(jié)軟件構思30第4.2節(jié)洗滌過程流程圖31第4.3節(jié)脫水、漂洗流程圖32第4.4節(jié)內部中斷流程圖33第4.5節(jié)外部中斷流程圖34心得體會36參考文獻41附 錄 42前 言利用電能產生機械作用來洗滌衣物的清潔電器。按其額定洗滌容量分為家用和集體用兩類。中國規(guī)定洗滌容量在6kg以下的屬于家用洗衣機：家用洗衣機主要由箱體、洗滌脫水桶（有的洗滌和脫水桶分開）、傳動和控制系統(tǒng)等組成，有的還裝有加熱裝置。洗衣機一般專指使用水作為主要的清洗液體，有別于使用特制清潔溶液，及通常專人負責的干洗。要了解硬件上單片機內部功能部件，如A/D,D/A,PWM.WATCHDOG,LCD驅動器，串行口等，又要認識C語言在計算機仿真調試，產品更新以及軟件升級中的重要作用。但是要做實際的系統(tǒng)，單單從網站上的學習是不夠的，所以我從書籍和期刊上查閱了大量的資料。以下是關于洗衣機的一些文獻資料。第1章 課題研究價值第1.1節(jié) 洗衣機的發(fā)展歷程從古到今，洗衣服都是一項難于逃避的家務勞動，而在洗衣機出現(xiàn)以前，對于許多人而言，它并不像田園詩描繪的那樣充滿樂趣，手搓、棒擊、沖刷、甩打這些不斷重復的簡單的體力勞動，留給人的感受常常是：辛苦勞累。 1858年，一個叫漢密爾頓史密斯的美國人在匹茨堡制成了世界上第一臺洗衣機。該洗衣機的主件是一只圓桶，桶內裝有一根帶有槳狀葉子的直軸。軸是通過搖動和它相連的曲柄轉動的。同年史密斯取得了這臺洗衣機的專利權。但這臺洗衣機使用費力，且損傷衣服，因而沒被廣泛使用，但這卻標志了用機器洗衣的開端。次年在德國出現(xiàn)了一種用搗衣杵作為攪拌器的洗衣機，當搗衣杵上下運動時，裝有彈簧的木釘便連續(xù)作用于衣服。19世紀末期的洗衣機已發(fā)展到一只用手柄轉動的八角形洗衣缸，洗衣時缸內放入熱肥皂水，衣服洗凈后，由軋液裝置把衣服擠干。1874年,“手洗時代”受到了前所未有的挑戰(zhàn)，美國人比爾布萊克斯發(fā)明了木制手搖洗衣機。布萊克斯的洗衣機構造極為簡單，是在木筒里裝上6塊葉片，用手柄和齒輪傳動，使衣服在筒內翻轉，從而達到“凈衣”的目的。這套裝置的問世，讓那些為提高生活效率而冥思苦想的人士大受啟發(fā)，洗衣機的改進過程開始大大加快.1880年，美國又出現(xiàn)了蒸氣洗衣機，蒸氣動力開始取代人力。經歷了上百年的發(fā)展改進，現(xiàn)代蒸汽洗衣機較早期有了無與倫與的提高，但原理是相同的?，F(xiàn)代蒸汽洗衣機的功能包括蒸汽洗滌和蒸汽烘干，采用了智能水循環(huán)系統(tǒng)，可將高濃度洗滌液與高溫蒸氣同時對衣物進行雙重噴淋，貫穿全部洗滌過程，實現(xiàn)了全球獨創(chuàng)性的“蒸汽洗”全新洗滌方式。與普通滾筒洗衣機在洗滌時需要加熱整個滾筒的水不同，蒸汽洗滌是以深層清潔衣物為目的，當少量的水進入蒸汽發(fā)生盒并轉化為蒸汽后，通過高溫噴射分解衣物污漬。蒸汽洗滌快速、徹底，只需要少量的水，同時可節(jié)約時間。對于放在衣柜很長時間產生褶皺、異味的冬季衣物，能讓其自然舒展，撫平褶皺?！罢羝娓伞钡墓ぷ髟韯t是把恒定的蒸汽噴灑在衣物上，將衣物舒展開之后，再進行恒溫冷凝式烘干。通過這種方式，厚重衣物不僅干得更快，并且具有舒展和熨燙的效果。蒸汽洗衣機之后，水力洗衣機、內燃機洗衣機也相繼出現(xiàn)。水力洗衣機包括洗衣筒、動力源和與船相連接的連接件，洗衣機上設有進、出水孔，洗衣機外殼上設有動力源，洗衣筒上設有衣物進口孔，其進口上設有密封蓋，洗衣機通過連接件與船相連。它無需任何電力，只需自然的河流水力就能洗滌衣物，解脫了船民在船上洗滌衣物的煩惱，節(jié)約時間，減輕家務勞動強度。1910年，美國的費希爾在芝加哥試制成功世界上第一臺電動洗衣機。電動洗衣機的問世，標志著人類家務勞動自動化的開端。 1922年，美國瑪塔依格公司改造了洗衣機的洗滌結構，把拖動式改為攪拌式，使洗衣機的結構固定下來，這也就是第一臺攪拌式洗衣機的誕生。這種洗衣機是在筒中心裝上一個立軸，在立軸下端裝有攪拌翼，電動機帶動立軸，進行周期性的正反擺動，使衣物和水流不斷翻滾，相互摩擦，以此滌蕩污垢。攪拌式洗衣機結構科學合理，受到人們的普遍歡迎。1932年，美國本德克斯航空公司宣布，他們研制成功第一臺前裝式滾筒洗衣機，洗滌、漂洗、脫水在同一個滾筒內完成。這意味著電動洗衣機的型式躍上一個新臺階，朝自動化又前進了一大步！第一臺自動洗衣機于1937年問世。這是一種前置式自動洗衣機?？恳桓降妮S帶動的缸可容納4000克衣服。衣服在注滿水的缸內不停地上下翻滾，使之去污除垢。到了40年代便出現(xiàn)了現(xiàn)代的上置式自動洗衣機。隨著工業(yè)化的加速，世界各國也加快了洗衣機研制的步伐。首先由英國研制并推出了一種噴流式洗衣機，它是靠筒體一側的運轉波輪產生的強烈渦流，使衣物和洗滌液一起在筒內不斷翻滾，洗凈衣物。1955年，在引進英國噴流式洗衣機的基礎之上，日本研制出獨具風格、并流行至今的波輪式洗衣機。至此，波輪式、滾筒式、攪拌式在洗衣機生產領域三分天下的局面初步形成。60年代的日本出現(xiàn)了帶干桶的雙桶洗衣機，人們稱之為“半自動型洗衣機”。70年代，生產出波輪式套桶全自動洗衣機。70年代后期，以電腦（實際上微處理器）控制的全自動洗衣機在日本問世，開創(chuàng)了洗衣機發(fā)展史的新階段。80年代，“模糊控制”的應用使得洗衣機操作更簡便，功能更完備，洗衣程序更隨人意，外觀造型更為時尚。誕生了許多新水流洗衣機。此后，隨著電機驅動技術的發(fā)展與提高，日本生產出了電機直接驅動式洗衣機，省去了齒輪傳動和變速機構，引發(fā)了洗衣機驅動方式的巨大革命。 之后，隨著科技的進一步發(fā)展，滾筒90年代，由于電機調速技術的提高，洗衣機實現(xiàn)了寬范圍的轉速變換與調節(jié)，洗衣機已經成了大家耳濡目染的產品。伴隨著科技的進一步發(fā)展，相信新型更適合人們使用的洗衣機會給我們的生活帶來新的方式。第1.2節(jié) 洗衣機的分類當今主流洗衣機主要有三大類，分別是波輪式洗衣機，滾筒式洗衣機和攪拌式洗衣機。三種洗衣機各有所長，下面我們詳細介紹一下三種洗衣機的特點：（1）波輪式洗衣機洗衣特點：微電腦控制洗衣及甩干功能、省時省力。缺點：耗電、耗水、衣物易纏繞、清潔性不佳，適合洗滌衣物：除需要特別洗滌之外的所有衣物。輪式洗衣機流行于日本、中國、東南亞等地。（2）滾筒式洗衣機洗衣特點：微電腦控制所有功能衣物無纏繞。最不會損耗衣物的方式。缺點：耗時，時間是普通的幾倍，而且一旦關上門，洗衣過程中無法打開，潔凈力不強，適合洗滌衣物：羊毛、羊絨以及絲綢、純毛類織物。流行于歐洲、南美等主要穿毛、綿為主的地區(qū)，幾乎100的家庭使用的都是滾筒洗衣機。滾筒洗衣機優(yōu)點：全面的洗滌能力鶴立雞群。因為衣物在洗滌過程中不纏繞、洗滌均勻、磨損小，所以就連羊絨、羊毛、真絲衣物也能在機內洗滌，做到真正的全面洗滌性能?？梢岳眉訜峒せ钕匆路壑械幕钚悦?，充分發(fā)揮出洗衣粉的去污效能。由于用水量較小，可以在桶內形成高濃度洗衣液，在節(jié)水的情況下帶來理想的洗衣效果。這種發(fā)源于歐洲的洗衣機是模仿棒錘擊打衣物原理設計，利用電動機的機械 做功使?jié)L筒旋轉，衣物在滾筒中不斷地被提升摔下，再提升再摔下，做重復運動，加上洗衣粉和水的共同作用使衣物洗滌干凈。滾筒洗衣機的發(fā)展最為成熟，多年來在結構上沒有多少變化，基本是不銹鋼內桶，機械程序控制器，經過磷化、電泳、噴涂三重保護的外殼，和兩塊笨重的水泥塊用于平衡滾筒旋轉時產生的巨大離心力，由于用料比波輪洗衣機好，所以壽命一般在1520年，而以塑料件為主的波輪壽命一般只有810年左右。（3）攪拌式洗衣機洗衣特點：衣物潔凈力最強，省洗衣粉。缺點：喜歡纏繞相比前兩種方式損壞性加大，噪音最大，適合洗滌衣物，除需要特別洗滌之外的所有衣物，北美普遍使用。第1.3節(jié) 洗衣機的工作原理普通型波輪洗衣機： 結構：由洗衣桶、電動機、定時器、傳動部件、箱體、箱蓋及控制面板等組成。 工作原理：依靠裝在洗衣桶底部的波輪正、反旋轉，帶動衣物上、下、左、右不停地翻轉，使衣物之間、衣物與桶壁之間，在水中進行柔和地磨擦，在洗滌劑的作用下實現(xiàn)去污清洗。 機械全自動洗衣機： 結構：由電動程控器、水位開關、安全開關（蓋開關）、排水選擇開關、不排水停機開關、貯水開關、漂洗選擇開關、洗滌選擇開關等組成。 工作原理：通過各種開關組成控制電路，來控制電動機、進水閥、排水電磁鐵及蜂鳴器的電壓輸出，使洗衣機實現(xiàn)程序運轉。 為使洗衣機長期運轉正常好用，必需按時認真進行正確的潤滑維護保養(yǎng)，需要潤滑的地方主要是軸承和齒輪，軸承需由注油孔注入抗磨性和抗氧化安定性好的L-TSA22號防銹抗氧化潤滑油，一般2-3年加油一次，如用一般機械油則需每年加油一次。齒輪則應用粘附性好的2號極壓鋰基潤滑脂，或油性好的，加質量分數(shù)為1%的二烷基二硫代磷酸鋅，或質量分數(shù)為3%的MoS2，L-CKC100號中等極壓抗磨齒輪油進行潤滑。甩干機的軸承和齒輪都應每年或半年加入抗氧化防銹抗磨性好的L-AN15和L-AN68號潤滑油。用密封滾動軸承的，則應由軸承廠封入使用壽命在1000h以上的，聚脲基稠化精制石油潤滑油，并加防銹抗氧化劑的2號潤滑脂。 中國家電研究院的洗衣機專家指出，洗衣機內部的環(huán)境非常潮濕，閑置幾天之后，就會孳生大量霉菌。使用時間越長，內部孳生霉菌的機會就越多。一臺洗衣機用久了之后，如不及時清洗，慢慢地就會出現(xiàn)水發(fā)渾，漂洗不干凈。久而久之，對下一次要洗的衣物就會造成污染。人們如果長期使用有霉菌的洗衣機洗衣服，就有可能產生交叉感染，引發(fā)各種皮膚病。 第1.4節(jié) 任務要求設計一個基于單片機的洗衣機控制系統(tǒng)，洗衣機的工作流程由進水、洗衣、排水和脫水四個過程組成，并且能達到“正常運行”和“強制停止”兩種控制要求：（1）按下啟動按鈕，開始進水直到水滿（即水位達到高水位）時停止進水開始洗滌。（2）洗滌時，正轉30秒，停2秒；然后反轉30秒，停2秒，如此循環(huán)5次，總共320秒開始排水。（3）水位下降到低水位時開始脫水并繼續(xù)排水，脫水30秒。（4）開始清洗，重復（1）（4），清洗三遍。（5）清洗完成，報警3秒并自動停機。（6）若按下排水按鈕，可實現(xiàn)手動排水。（7）若按下停止按鈕，不管洗衣機工作在什么狀態(tài)，洗衣機需停止工作。第2章 系統(tǒng)硬件設計第2.1節(jié) MCS51單片機主要應用特性MCS-51單片機是美國Intel公司于1980年推出的產品,與MCS-48單片機相比，它的結構更先進，功能更強，在原來的基礎上增加了更多的電路單元和指令,指令數(shù)達111條，MCS-51單片機可以算是相當成功的產品，一直到現(xiàn)在，MCS-51系列或其兼容的單片機仍是應用的主流產品，各高校及專業(yè)學校的培訓教材仍用MCS-51單片機作為代表進行理論基礎學習。我們也以這一代表性的機型進行系統(tǒng)的設計。MCS-51系列單片機主要包括8031、8051和8751等通用產品，其主要功能如下：8位CPU；4kbytes 程序存儲器(ROM)；128bytes的數(shù)據(jù)存儲器(RAM)；32條I/O口線；111條指令，大部分為單字節(jié)指令；21個專用寄存器；2個可編程定時/計數(shù)器；5個中斷源，2個優(yōu)先級；一個全雙工串行通信口；外部數(shù)據(jù)存儲器尋址空間為64kB；外部程序存儲器尋址空間為64kB；邏輯操作位尋址功能；雙列直插40PinDIP封裝；單一+5V電源供電。MCS-51以其典型的結構和完善的總線專用寄存器的集中管理，眾多的邏輯位操作功能及面向控制的豐富的指令系統(tǒng)，堪稱為一代“名機”，為以后的其它單片機的發(fā)展奠定了基礎。正因為其優(yōu)越的性能和完善的結構，導致后來的許多廠商多沿用或參考了其體系結構，有許多世界大的電氣商豐富和發(fā)展了MCS-51單片機，像PHILIPS、Dallas、ATMEL等著名的半導體公司都推出了兼容MCS-51的單片機產品，就連我國的臺灣WINBOND公司也發(fā)展了兼容MCS-51的單片機品種。近年來MCS-51獲得了飛速的發(fā)展，MCS-51的發(fā)源公司Intel由于忙于開發(fā)PC及高端微處理器而無精力繼續(xù)發(fā)展自己的單片機，而由其它廠商將其發(fā)展，最典型的是PHILIPS和ATMEL公司，PHILIPS公司主要是改善其性能，在原來的基礎上發(fā)展了高速I/O口，A/D轉換器，PWM(脈寬調制)、WDT等增強功能，并在低電壓、微功耗、擴展串行總線(I2C)和控制網絡總線(CAN)等功能加以完善。ATMEL公司推出的AT89Cxx系列兼容MCS-51的單片機，完美地將Flash(非易失閃存技術)EPROM與80C51內核結合起來，仍采用MCS-51的總體結構和指令系統(tǒng)，F(xiàn)lash的可反擦寫程序存儲器能有效地降低開發(fā)費用，并能使單片機作多次重復使用。8051是MCS-51系列單片機中的代表產品，它內部集成了功能強大的中央處理器，包含了硬件乘除法器、21個專用控制寄存器、4kB的程序存儲器、128字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器、4組8位的并行口、兩個16位的可編程定時/計數(shù)器、一個全雙工的串行口以及布爾處理器。MCS-51采用模塊式結構，MCS-51系列中各種加強型單片機都是以8051為核心加上一定的新的功能部件后組成的，從而使它們完全兼容。表2.1為MCS-51系列單片機常用產品特性。表2.1 MCS-51系列單片機常用產品特性型號片內存儲器I/O線定時器/計數(shù)器片外尋址空間（KB）程序數(shù)據(jù)程序數(shù)據(jù)80514K ROM128322個16位646487514K EPROM128322個16位64648031無128322個16位646480C514K ROM128322個16位646487C514K EPROM128322個16位646480C31無128322個16位646480524K ROM256323個16位646487524K EPROM256323個16位64648032無256323個16位6464MCS-51具有比較大的尋址空間，地址線寬達16條，即外部數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器的尋址范圍達216=64kB，這作為單片機控制來說已是比較大的，這同時具備對I/O口的訪問能力。此外，MCS-51采用模塊化結構，可方便地增刪一個模塊就可使引腳和指令兼容的新產品，從而容易使產品形成系列化。由于MCS-51集成了幾乎完善的8位中央處理單元，處理功能強，中央處理單元中集成了方便靈活的專用寄存器，硬件的加、減、乘、除法器和布爾處理機及各種邏輯運算和轉移指令，這給應用提供了極大的便利。MCS-51的指令系統(tǒng)近乎完善，指令系統(tǒng)中包含了全面的數(shù)據(jù)傳送指令、完善的算術和邏輯運算指令、方便的邏輯操作和控制指令、對于編程來說，是相當靈活和方便的。MCS-51單片機的工作頻率為2-12MHz，當振蕩頻率為12MHz時，一個機器周期為1us,這個速度應該說是比較快的。MCS-51把微型計算機的主要部件都集成在一塊芯片上，使得數(shù)據(jù)傳送距離大大縮短，可靠性更高，運行速度更塊。由于屬于芯片化的微型計算機，各功能部件在芯片中的布局和結構達最優(yōu)化，抗干擾能力加強，工作亦相對穩(wěn)定。因此，在工業(yè)測控系統(tǒng)中，使用單片機是最理想的選擇。單片機屬于典型的嵌入式系統(tǒng)，所以它是低端控制系統(tǒng)最佳器件。鑒于MCS-51的以上特點，本文的設計就是基于MCS-51的8051型號單片機來設計的洗衣機控制系統(tǒng)。第2.2節(jié) 洗衣機控制系統(tǒng)面板設計及控制原理圖2.2.1 面板設計洗衣機控制控制系統(tǒng)面板如圖2.1所示。圖2.1 控制面板在圖2.1中控制面板中設置了一個電源開關，啟動按紐，洗滌控制等按紐。2.2.2 系統(tǒng)控制原理圖圖2.2 洗衣機控制系統(tǒng)控制原理圖在本系統(tǒng)設計的洗衣機控制系統(tǒng)中，采用8051單片機設計一個最小系統(tǒng)，為了增加單片機的驅動能力，系統(tǒng)中擴展一組上位排阻電路和一組數(shù)碼管位驅動電路,其原理圖如圖2.2所示。第2.3節(jié) 微型處理器2.3.1 8051性能特點8051引腳功能：MCS-51是標準的40引腳雙列直插式集成電路芯片，引腳分布請參照-單片機引腳圖： (1)P0.0P0.7 P0口8位雙向口線（在引腳的3932號端子）。 (2)P1.0P1.7 P1口8位雙向口線（在引腳的18號端子）。 (3)P2.0P2.7 P2口8位雙向口線（在引腳的2128號端子）。 (4)P3.0P3.7 P3口8位雙向口線（在引腳的1017號端子）。圖2.3 單片機8051管腳圖 2.3.2 8051主要性能晶體管的動態(tài)掃描P0口有三個功能：1、外部擴展存儲器時，當做數(shù)據(jù)總線（如圖1中的D0D7為數(shù)據(jù)總線接口） 2、外部擴展存儲器時，當作地址總線（如圖1中的A0A7為地址總線接口） 3、不擴展時，可做一般的I/O使用，但內部無上拉電阻，作為輸入或輸出時應在外部接上拉電阻。 P1口只做I/O口使用：其內部有上拉電阻。 P2口有兩個功能： 1、擴展外部存儲器時，當作地址總線使用 2、做一般I/O口使用，其內部有上拉電阻； P3口有兩個功能： 除了作為I/O使用外（其內部有上拉電阻），還有一些特殊功能，由特殊寄存器來設置，具體功能請參考我們后面的引腳說明。有內部EPROM的單片機芯片（例如8751），為寫入程序需提供專門的編程脈沖和編程電源，這些信號也是由信號引腳的形式提供的， 即：編程脈沖：30腳（ALE/PROG） 編程電壓（25V）：31腳（EA/Vpp） 接觸過工業(yè)設備的兄弟可能會看到有些印刷線路板上會有一個電池，這個電池是干什么用的呢？這就是單片機的備用電源，當外接電源下降到下限值時，備用電源就會經第二功能的方式由第9腳（即RST/VPD）引入，以保護內部RAM中的信息不會丟失。 在介紹這四個I/O口時提到了一個“上拉電阻”那么上拉電阻又是一個什么東東呢？他起什么作用呢？都說了是電阻那當然就是一個電阻啦，當作為輸入時，上拉電阻將其電位拉高，若輸入為低電平則可提供電流源；所以如果P0口如果作為輸入時，處在高阻抗狀態(tài)，只有外接一個上拉電阻才能有效。 ALE/PROG 地址鎖存控制信號：在系統(tǒng)擴展時，ALE用于控制把P0口的輸出低8位地址送鎖存器鎖存起來，以實現(xiàn)低位地址和數(shù)據(jù)的隔離。（在后面關于擴展的課程中我們就會看到8051擴展 EEPROM電路，在圖中ALE與74LS373鎖存器的G相連接，當CPU對外部進行存取時，用以鎖住地址的低位地址，即P0口輸出。ALE有可能是高電平也有可能是低電平，當ALE是高電平時，允許地址鎖存信號，當訪問外部存儲器時，ALE信號負跳變（即由正變負）將P0口上低8位地址信號送入鎖存器。當ALE是低電平時，P0口上的內容和鎖存器輸出一致。關于鎖存器的內容，我們稍后也會介紹。 在沒有訪問外部存儲器期間，ALE以1/6振蕩周期頻率輸出（即6分頻），當訪問外部存儲器以1/12振蕩周期輸出（12分頻）。從這里我們可以看到，當系統(tǒng)沒有進行擴展時ALE會以1/6振蕩周期的固定頻率輸出，因此可以做為外部時鐘，或者外部定時脈沖使用。 PORG為編程脈沖的輸入端：在第五課 單片機的內部結構及其組成中，我們已知道，在8051單片機內部有一個4KB或8KB的程序存儲器（ROM），ROM的作用就是用來存放用戶需要執(zhí)行的程序的，那么我們是怎樣把編寫好的程序存入進這個ROM中的呢？實際上是通過編程脈沖輸入才能寫進去的，這個脈沖的輸入端口就是PROG。 PSEN 外部程序存儲器讀選通信號：在讀外部ROM時PSEN低電平有效，以實現(xiàn)外部ROM單元的讀操作。 (1)內部ROM讀取時，PSEN不動作； (2)外部ROM讀取時，在每個機器周期會動作兩次； (3)外部RAM讀取時，兩個PSEN脈沖被跳過不會輸出； (4)外接ROM時，與ROM的OE腳相接。 EA/VPP 訪問和序存儲器控制信號 1、接高電平時：CPU讀取內部程序存儲器（ROM）擴展外部ROM：當讀取內部程序存儲器超過0FFFH（8051）1FFFH（8052）時自動讀取外部ROM。 2、接低電平時：CPU讀取外部程序存儲器（ROM）。 在前面的學習中我們已知道，8031單片機內部是沒有ROM的，那么在應用8031單片機時，這個腳是一直接低電平的。 3、8751燒寫內部EPROM時，利用此腳輸入21V的燒寫電壓。RST 復位信號：當輸入的信號連續(xù)2個機器周期以上高電平時即為有效，用以完成單片機的復位初始化操作，當復位后程序計數(shù)器PC=0000H，即復位后將從程序存儲器的0000H單元讀取第一條指令碼。XTAL1和XTAL2 外接晶振引腳。當使用芯片內部時鐘時，此二引腳用于外接石英晶體和微調電容；當使用外部時鐘時，用于接外部時鐘脈沖信號。 VCC：電源+5V輸入 ；VSS：GND接地。 AVR和PIC都是跟8051結構不同的8位單片機，因為結構不同，所以匯編指令也有所不同，而且區(qū)別于使用CISC指令集的8051,他們都是RISC指令集的，只有幾十條指令，大部分指令都是單指令周期的指令，所以在同樣晶振頻率下，較8051速度要快。另PIC的8位單片機前幾年是世界上出貨量最大的單片機，飛思卡爾的單片機緊隨其后。 ARM實際上就是32位的單片機，它的內部資源（寄存器和外設功能）較8051和PIC、AVR都要多得多，跟計算機的CPU芯片很接近了。常用于手機、路由器等等。DSP其實也是一種特殊的單片機，它從8位到32位的都有。它是專門用來計算數(shù)字信號的。在某些公式運算上，它比現(xiàn)行家用計算機的最快的CPU還要快。比如說一般32位的DSP能在一個指令周期內運算完一個32位數(shù)乘32位數(shù)積再加一個32位數(shù)。應用于某些對實時處理要求較高的場合。第2.4節(jié) 系統(tǒng)擴展2.4.1晶體管的動態(tài)掃描LED顯示屏的基本工作原理是動態(tài)掃描。顯示控制的過程是先從數(shù)據(jù)存儲器讀得字模數(shù)據(jù)，再通過單片機的串行口或并行口將數(shù)據(jù)寫給LED點陣片，然后再行掃描。 動態(tài)掃描方案和靜態(tài)顯示方案相比節(jié)省驅動元件，但要求刷新頻率高于50Hz，以避免顯示的圖像或文字出現(xiàn)閃爍。由于刷新頻率的限制，一片單片機能控制顯示元件的片數(shù)是較少的。現(xiàn)在大屏幕LED顯示屏的應用已越來越廣泛。為了對成百、上千片的LED點陣片實現(xiàn)有序的、快速的顯示控制，人們動了許多腦筋，雙CPU、雙RAM的方案，F(xiàn)PGA的方案等都獲得了成功的應用;但是這些方案的顯示控制過程還是先讀后寫。本方案另開思路：用一條讀指令，將讀和寫合在一步完成，可大大地提高顯示控制的效率，且電路簡單。2.4.1 LED顯示屏的工作原理LED顯示屏的基本工作原理是動態(tài)掃描。動態(tài)掃描又分為行掃描和列掃描兩種方式，常用的方式是行掃描。行掃描方式又分為8行掃描和16行掃描兩種。在行掃描工作方式下，每一片LED點陣片都有一組列驅動電路，列驅動電路中一定有一片鎖存器或移位寄存器，用來鎖存待顯示內容的字模數(shù)據(jù)。在行掃描工作方式下，同一排LED點陣片的同名行控制引腳是并接在一條線上的，共8條線，最后連接在一個行驅動電路上;行驅動電路中也一定有一片鎖存器或移位寄存器，用來鎖存行掃描信號。LED顯示屏的列驅動電路和行驅動電路一般都采用單片機進行控制，常用的單片機是MCS51系列。LED顯示屏顯示的內容一般按字模的形式存放在單片機的外部數(shù)據(jù)存儲器中，字模是8位二進制數(shù)。單片機對LED顯示屏的控制過程是先讀后寫。按LED點陣片在屏幕上的排列順序，單片機先對第1排的第1片LED點陣片的列驅動鎖存器，寫入從外部數(shù)據(jù)存儲器讀得的字模數(shù)據(jù)，接著對第2片、第3片直到這一排的最后一片都寫完字模數(shù)據(jù)后，單片機再對這一排的行驅動鎖存器寫行掃描信號，于是第1排第1行與字模數(shù)據(jù)相關的發(fā)光二極管點亮。接著第2排第1行、第3排第1行直到最后一排第1行的點亮。各排第1行都點亮后，延時一段時間，然后黑屏，這樣就算完成了單片機對LED顯示屏的一行掃描控制。單片機對LED顯示屏第2行的掃描控制、第3行的掃描控制直到第8行的掃描控制，其過程與第1行的掃描控制過程相同。對全部8行的控制過程都完成后，LED顯示屏也就完成了1幀圖像的完整顯示。雖然按這種工作方式，LED顯示屏是一行一行點亮的，每次都只有一行亮，但只要保證每行每秒鐘能點亮50次以上，即刷新頻率高于50Hz，那么由于人的視覺惰性，所看到的LED顯示屏顯示的圖像還是全屏穩(wěn)定的圖像。2.4.2LED顯示屏的傳統(tǒng)控制方法顯示控制電路是按行掃描方式工作的，列控制電路分為兩大類。列控制電路中，一類是用74LS377之類的芯片作為列驅動電路的鎖存器，CPU通過并行總線給列驅動電路的鎖存器寫字模數(shù)據(jù);另一類是用移位寄存器74LS595之類的芯片作為列驅動電路的鎖存器，CPU通過串行總線給列驅動電路的鎖存器寫字模數(shù)據(jù)。 無論是并行總線的控制方式還是串行總線的控制方式，其工作過程都是先給數(shù)據(jù)指針DPTR賦值，接著累加器A按數(shù)據(jù)指針DPTR的指向，從外部數(shù)據(jù)存儲器RAM中讀得字模數(shù)據(jù)。然后，并行總線時，再給數(shù)據(jù)指針DPTR賦值，接著CPU將累加器A中的字模數(shù)據(jù)，按數(shù)據(jù)指針DPTR的指向，寫給LED點陣片列驅動電路的鎖存器;串行總線時，CPU將累加器A中的字模數(shù)據(jù)，通過串行口寫給LED點陣片列驅動電路的鎖存器。一般顯示控制中，使用較多的單片機是MCS51系列。假設單片機系統(tǒng)的晶振頻率是12MHz，機器周期是1s，上述兩種控制方式完成1片LED點陣片的顯示控制都得十幾s。本文提出的高速控制方案，完成1片LED點陣片的顯示控制大約只要4s。按此推算，1片MCS51系列的單片機，差不多可以對600多片LED點陣片進行顯示控制。與傳統(tǒng)的控制方法相比，顯示控制的效率成倍提高。8051具有很強的擴展功能，允許擴展各種外圍電路以補充片內資源不足，適應特定應用的需要，擴展內容包括數(shù)據(jù)存儲器、程序存儲器、I/O接口等擴展結構如圖2.4所示： 8051數(shù)據(jù)存儲器I/O接口程序存儲器圖2.4 8031系統(tǒng)擴展結構圖2.4.3 I/O接口的擴展由于我們采集的數(shù)據(jù)量較多，因此CPU的I/O口線不夠用，所以我們使用8255A來擴展I/O口，以滿足系統(tǒng)的要求。 8255A是Intel公司生產的通用可編程并行I/O接口芯片。8031和8255A相連可為外設提供三個8位I/O端口，允許采用同步、異步和中斷方式傳送I/O數(shù)據(jù)。 (1) 8255A內部結構和引腳功能 內部結構8255A內部由四部分電路組成。它們是A口、B口和C口，A組控制器和B控制器，數(shù)據(jù)緩沖器及讀寫控制邏輯。 1.A口、B口和C口。A口、B口和C口均為8位I/O數(shù)據(jù)口，但結構上略有差別。A口由一個8位的數(shù)據(jù)輸出緩沖/鎖存器和一個8位的數(shù)據(jù)輸入緩沖/鎖存器組成。B口由一個8位的數(shù)據(jù)輸出緩沖/鎖存器和一個8位的數(shù)據(jù)輸入緩沖器組成。三個端口都可以和外設相連，分別傳送外設的輸入/輸出數(shù)據(jù)或控制信息。 2. A、B組控制電路。這是兩組根據(jù)CPU的命令字控制8255工作方式的電路。A組控制A口及C口的高4位，B組控制B口及C口的低4位。 3.數(shù)據(jù)總線緩沖器。它是一個8位的雙向三態(tài)驅動器，用于與單片機的數(shù)據(jù)總線相連，傳送數(shù)據(jù)或控制信息。 4.讀/寫控制邏輯。這部分電路接收MCS-51送來的讀/寫命令和選口地址，用于控制對8255A的讀/寫。圖2.5 8255A芯片的內部結構圖引腳功能8255A有40條引腳，采用雙列直插式封裝。如圖2.6所示。圖2.6 8255A引腳圖1.數(shù)據(jù)總線（8條）：D0D7:三態(tài)雙向數(shù)據(jù)總線，8255A與CPU數(shù)據(jù)傳送的通道，當CPU 執(zhí)行輸入輸出指令時，通過它實現(xiàn)8位數(shù)據(jù)的讀/寫操作，控制字和狀態(tài)信息也通過數(shù)據(jù)總線傳送。2.控制總線（6條）：RESET: 復位信號，輸入高電平有效。一般和單片機的復位相連，復位后，8255A所有內部寄存器清0，所有口都為輸入方式。:片選信號線，當這個輸入引腳為低電平時有效，表示芯片被選中，允許8255A與CPU進行通訊。:讀信號線，當這個輸入引腳為低電平時，允許8255A通過數(shù)據(jù)總線向CPU發(fā)送數(shù)據(jù)或狀態(tài)字。:寫入信號，當這個輸入引腳為低電平時，允許CPU將數(shù)據(jù)或控制字寫入8255A。A0、A1：地址輸入線。當=0，芯片被選中時，這兩位的4種組合00、01、10、11分別用于選擇A、B、C口和控制寄存器。其組合如表2.2。表2.2 8255A控制信號功能表A1A2端口地址端口功能0000100 HA口讀A口0001000 HA口寫A口0010101HB口讀B口0011001HB口寫B(tài)口0100102HC口寫C口0101002HC口讀C口0111003H控制口寫控制字1總線高阻3.并行I/O總線（24條）：這些總線用于和外設相連，分別與A、B、C口相對應，用于8255A和外設之間傳送數(shù)據(jù)，共分三組：PA0PA7:端口A輸入輸出線，一個8位的數(shù)據(jù)輸出鎖存器/緩沖器，一個8位的數(shù)據(jù)輸入鎖存器。PB0PB7:端口B輸入輸出線，一個8位的I/O鎖存器，一個8位的輸入輸出緩沖器。PC0PC7:端口C輸入輸出線，一個8位的數(shù)據(jù)輸出鎖存器/緩沖器，一個8位的數(shù)據(jù)輸入緩沖器。4.電源線（2條）：VCC為5V電源線，允許變化10%；GND為地線。 (2)8255A方式控制字8255A有兩個控制字：方式控制字和C口單一置復位控制字。用戶通過程序可以把這兩個控制字送到8255A的控制寄存器（A1A011B），以設定8255A的工作方式和C口各位狀態(tài)。這兩個控制字以D7位狀態(tài)作為標志。8255A各端口工作于什么方式和是輸入還是輸出方式，是由方式控制字決定的。方式控制字格式如圖2-7所示。D7為控制字標志位，若D7=1,則本控制字為方式控制字，若D70，則本控制字為C口單一置復位控制字。D6D3為A組控制位。其中，D6和D5位A組方式選擇位：若D6D500，則A組設定為方式0；若D6D501，則A組設定為方式1：若D6D51（為任意），則A組設定為方式2。D4為A口輸入/輸出控制位：若D40，則PA0PA7，用于輸出數(shù)據(jù)；若D40，則PA0PA7用于輸入數(shù)據(jù)。D3位C口高4位輸入/輸出控制位：若D30，則PC4PC7為輸出數(shù)據(jù)方式；若D31，則PC4PC7為輸入方式。圖2.7 方式控制字D2D0為B組控制位，其作用和D6D3類似。其中，D2為方式選擇位，若D20，則B組設定為方式0，若D21，則B組設定為方式1。D0為C口低4位輸入/輸出控制位，若D00，則PC0PC3用于輸出數(shù)據(jù)，若D01，則PC0PC3用于輸入數(shù)據(jù)。如圖2.8所示：圖2.8 置位控制字(3)8255A的工作方式8255A有三種工作方式：方式0（Mode0）、方式1（Mode1）和方式2(Mode2)。正確的選用方式控制字，并把它通過程序送給8255A的控制字寄存器就可設定8255A的工作方式。方式0（基本輸入/輸出方式）：這種方式不需要任何選通信號。A口、B口及C口的兩個4位口中的任何一個端口都可以被設定為輸入或輸出。輸出鎖存，輸入不鎖存。根據(jù)控制字D4、D3、D1、D0位的變化，方式0有16種不同的輸入、輸出組合方式。方式1（選通輸入/輸出方式）：這種方式下，A口、B口、C口分為兩組。A組包括A口和C口的高4位，A口可由編程設定為輸入口或輸出口，C口的高四位則用來作為輸入/輸出操作的控制和同步信號；B組包括B口和C口的低4位，B口可由編程設定為輸入口或輸出口，C口的低四位則用來作為輸入/輸出操作的控制和同步信號。A口和B口的輸入輸出數(shù)據(jù)都被鎖存。方式2（雙向總線方式）：這種方式下，A口為8位雙向總線口，C口的PC3PC7用來作為輸入/輸出操作的控制和同步信號；B口和C口的PC0PC2則可編程為方式0或方式1工作。第2.5節(jié) 電源除了220V的電源，我們還選擇了LM7805三端穩(wěn)壓器產生一個5V的電源。其電路如圖2.9所示。圖2.9 +5V電源電路三端固定輸出集成穩(wěn)壓器，它是一種串連調整式穩(wěn)壓器。它將全部電路集成在單塊硅片上，整個集成穩(wěn)壓電路只有輸入、輸出和公共三個引出端，使用非常方便。典型的有78正電壓輸出系列，79負電壓輸出系列。當輸入的電壓VI、輸出電流IO或溫度變化時，輸出電壓VO可保持不變；另外，當輸出短路。可使輸出電流IO限制為一定值；若穩(wěn)壓器過熱，則它就停止工作，以免穩(wěn)壓器遭到損壞。三端固定輸出電壓集成穩(wěn)壓器，因內部有過熱、過流保護電路，因此它的性能優(yōu)良、可靠性高。有因這種穩(wěn)壓器具有體積小、使用方便、價格低廉等優(yōu)點，所以我們選用了這種芯片。第3章 電機控制系統(tǒng)的設計第3.1節(jié) 直流電機M1控制系統(tǒng)3.1.1 電機的選取直流電動機按勵磁方式不同可分為他勵、并勵、串勵和復勵四種。下面一常用的他勵和并勵電動機為例介紹其機械特性、起動、反轉和調速，他勵和并勵電動機只是連接方式上的不同，兩者的特性是一樣的，如圖3.1所示。圖3.1 洗衣機電機控制他勵電動機的勵磁繞組與電樞是分離的，分別由勵磁電源電壓Uf和電樞電源電壓U兩個直流供電；而在并勵電動機中兩者是并聯(lián)的，由同一電壓U供電。并勵電動機的勵磁繞組與電樞并聯(lián)，其電壓與電流間的關系為：U=E+RaIa 即： (31)當電源電壓U和勵磁電路的電阻Rf（包括勵磁繞組的電阻和勵磁調節(jié)電阻）保持不變時，勵磁電流If以及由它所產生的磁通也保持不變，即=常數(shù)。則電動機的轉距也就和電樞電流成正比，T= KTIa= KIa這是并勵電動機的特點。當電動機的電磁轉距T必須與機械負載轉距T2及空載損耗轉距T0相平衡時，電動機將等速轉動；當軸上的機械負載發(fā)生變化時，將引起電動機的轉速、電流及電磁轉距等發(fā)生變化。，稱為： (32) 并勵電動機在穩(wěn)定運行時，其電樞電流位：，因電樞電阻Ra很小，所以電動機在正常運行時，電源電壓U與反電動勢E近似相等.在起動時，n=0，所以EkEn0。這時電樞電流及起動電流為 ，由于Ra很小，因此起動電流Iast可達額定電流IN的1020倍，這時不允許的。同時并勵電動機的轉距正比于電樞電流Ia，這么大的起動電流引起極大的起動轉距，會對生產機械的傳動機構產生沖擊和破壞。限制起動電流的方法就是在起動時的電樞電路中串接起動電阻Rst，見圖。這時起動電樞中的起動電流的初始值為： 則起動電阻為： 一般：Iast=（1.52.5）IN起動時，可將起動電阻Rst放在最大值處，待起動后，隨著電動機轉速的上升，再把它逐段切除。注意：直流電動機在起動或工作時，勵磁電路一定要保持接通，不能斷開（滿勵磁起動）。否則，由于磁路中只有很小的剩磁，就有可能發(fā)生以下：要改變電動機的轉動方向，就必須改變電磁轉距T的方向， 可通過改變磁通（勵磁電流）或電樞電流Ia的方向實現(xiàn)。3.1.2 并勵電動機的調速電動機的調速就是在同一負載下獲得不同的轉速，以滿足不同的要求。由轉速公式： 可知常用的調速方式有調磁調速和調壓調速兩種。3.1.3 改變磁通（調磁調速 ）當保持電源電壓U為額定值不變時，調節(jié)勵磁電路的電阻，改變勵磁電流If而改變磁通。由式 可見，當磁通減小時，n0升高了，轉速降也增大了；但與2成正比，所以磁通愈小，機械特性曲線也愈陡，但仍有一定的硬度。見圖3.2圖3.2 磁通調速曲線由于電動機一般是在額定狀態(tài)下運行的，它的磁路已接近于飽和，所以在一定負載下，通常是減小磁通調速（N），轉速上調（nnN）。調磁調速是恒功率調速，即轉速升高后，輸出轉距必須減小，否則電樞電流Ia會超過原來的額定電流，使電動機發(fā)熱燒壞。調磁調速的優(yōu)點：1. 調速平滑，可得到無級調速；2. 調速經濟，控制方便；3. 機械特性較硬，穩(wěn)定性較好。 對專門生產的調磁調速的電動機，其調速幅度可達到34倍3.1.4 改變電壓U（調壓調速 ）當保持他勵直流電動機的勵磁電流If為額定值時，降低電樞電壓U，使轉速n降低。由式可見，在一定負載下，U愈低，轉速n愈小，但機械特性的硬度不變，見圖3.3圖3.3 電壓調速曲線一般電動機都處在額定狀態(tài)下運行，再進行調壓調速時，為保證電動機的絕緣，一般是將電動機的電壓下調UU N，而轉速也下調nnN。調壓調速是在額定電流下調速，是恒轉距調速。調壓調速的優(yōu)點：1. 機械特性較硬，電壓降低后硬度不變，穩(wěn)定性較好。2. 調速幅度較大，其調速幅度可達到610倍。3. 可均勻調節(jié)電樞電壓，得到平滑的無級調速。這里采用電壓調節(jié)方式實現(xiàn)對直流伺服電機的調速。第3.2節(jié) 交流電機M2控制系統(tǒng)目前較常用的交流電動機有兩種：1、三相異步電動機。2、單相交流電動機。第一種多用在工業(yè)上，而第二種多用在民用電器上。3.2.1 三相異步電動機的旋轉原理三相異步電動機要旋轉起來的先決條件是具有一個旋轉磁場，三相異步電動機的定子繞組就是用來產生旋轉磁場的。我們知道，但相電源相與相之間的電壓在相位上是相差120度的，三相異步電動機定子中的三個繞組在空間方位上也互差120度，這樣，當在定子繞組中通入三相電源時，定子繞組就會產生一個旋轉磁場，其產生的過程如圖1所示。圖中分四個時刻來描述旋轉磁場的產生過程。電流每變化一個周期，旋轉磁場在空間旋轉一周，即旋轉磁場的旋轉速度與電流的變化是同步的。旋轉磁場