直流电机控制原理及C程序
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EEPROM
单片机 MCU
RAM 人机通道
输入/输出设备
输入通道 输出通道 通信接口
传感器等 执行机构
测控 பைடு நூலகம்象
其他计算机系统或智能设备
图 8-1 典型单片机产品结构
从图 8-1 不难看出单片机产品所需要的一般配置： （1）单片机。如 AT89C51、AT89C52、AT89S51 以及 AT89S52 等单片机。 （2）人机交流设备。输入设备有键盘和按键，输出设备有数码管、液晶显示模块和指 示灯等。 （3）信号采集的输入通道。如出租车的测距、测速装置，温控系统的温度传感器、洗 衣机的水位测量等设备。 （4）向操作对象发出各种控制信号的输出通道。如空调启动压缩机的开关电路，控制 彩电的频道切换、颜色、音量等的接口电路。 （ 5） 与 其 他 计 算 机 系 统 或 智 能 设 备 实 现 信 息 交 换 ， 还 需 配 置 通 信 接 口 电 路 。 如 RS-232、RS-485 等。 （6）有时还需扩展外部 RAM、EEPROM 用于存放数据。如彩电遥控系统中存放系统数据 的存储器。
首先，应根据任务的繁杂程度和技术指标要求选择机型。选定机型后，再选择产品中要 用到的其它外围元器件，如传感器、执行器件等。
在总体方案设计过程中，对软件和硬件进行分工是一个首要的环节。原则上，能够由软 件来完成的任务就尽可能用软件来实现，以降低硬件成本，简化硬件结构。同时，还要求大 致规定各接口电路的地址、软件的结构和功能、上下位机的通信协议、程序的驻留区域及工 作缓冲区等。总体方案一旦确定，系统的大致规模及软件的基本框架就确定了。
项目八 键盘控制电机方向和转速
【教学目标】
终极目标
能利用 AT89S52 单片机及独立键盘，通过 C 语言程序实现键盘控制步进电机和直流电 机的速度和方向，完成单片机输入输出控制系统的设计、运行及调试。
促成目标
1. 了解单片机产品开发的流程； 2. 了解步进电机和直流电机结构和工作原理； 3. 掌握步进电机和直流电机速度、方向控制关键技术； 4. 掌握头文件的编写方法； 5. 掌握电机速度、方向控制的电路设计和编程的方法； 6. 会利用单片机 I/O 口实现电机速度、方向控制。
8.1 单片机产品开发
单片机产品开发是为完成某项任务而研制开发的单片机应用系统，是以单片机为核心， 配以外围电路和软件，能实现确定任务、功能的实际应用系统。根据不同的用途和要求，单 片机产品的系统配置及软件也有所不同，但它们的开发流程和方法大致相同。
8.1.1 单片机产品的结构
单片机产品是由硬件和软件组成。硬件是指单片机、扩展的存储器、输入输出设备等硬 件部件组成的，软件是各种工作程序的总称。一个典型单片机产品结构如图 8-1 所示。
A/D 和 D/A 电路芯片主要根据精度、速度和价格等来选用，同时还要考虑与系统的连接 是否方便。
（3）地址译码电路 通常采用全译码、部分译码或线选法，应考虑充分利用存储空间和简化硬件逻辑等方面 的问题。MCS-51 系统有充分的存储空间，包括 64 KB 程序存储器和 64 KB 数据存储器，所以 在一般的控制应用系统中，主要是考虑简化硬件逻辑。当存储器和 I/O 芯片较多时，可选用 专用译码器 74S138 或 74LS139 等。 （4）总线驱动能力 MCS-51 系列单片机的外部扩展功能很强，但 4 个 8 位并行口的负载能力是有限的。P0 口能驱动 8 个 TTL 电路，P1～P3 口只能驱动 4 个 TTL 电路。 在实际应用中，这些端口的负载不应超过总负载能力的 70%，以保证留有一定的余量。 如果满载，会降低系统的抗干扰。在外接负载较多的情况下，如果负载是 MOS 芯片，因负载 消耗电流很小，所以影响不大。如果驱动较多的 TTL 电路，则应采用总线驱动电路，以提高 端口的驱动能力和系统的抗干扰能力。 数据总线宜采用双向 8 路三态缓冲器 74LS245 作为总线驱动器，地址和控制总线可采用 单向 8 路三态缓冲区 74LS244 作为单向总线驱动器。 （5）系统速度匹配 MCS-51 系列单片机时钟频率可在 2～12 MHz 之间任选。在不影响系统技术性能的前提下， 时钟频率选择低一些为好，这样可降低系统中对元器件工作速度的要求，从而提高系统的可 靠性。
3．硬件设计
硬件设计是指应用系统的电路设计，包括主机、控制电路、存储器、I/O 接口、A/D 和 D/A 转换电路等。硬件设计时，应考虑留有充分余量，电路设计力求正确无误，因为在系统 调试中不易修改硬件结构。硬件电路设计时应注意以下几个问题：
（1）程序存储器 一般可选用容量较大的 EPROM 芯片，如 27128（16 KB）、27256（32 KB）或 27512（64 KB）等。尽量避免用小容量的芯片组合扩充成大容量的存储器，程序存储器容量大些，则编 程空间宽裕些，价格相差也不会太多。 （2）数据存储器和 I/O 接口 根据系统功能的要求，如果需要扩展外部 RAM 或 I/O 口，那么 RAM 芯片可选用 6116（2 KB）、6264（8 KB）或 62256（32 KB），原则上应尽量减少芯片数量，使译码电路简单。 I/O 接口芯片一般选用 8155（带有 256 KB 静态 RAM）或 8255。这类芯片具有口线多、 硬件逻辑简单等特点。若口线要求很少，且仅需要简单的输入或输出功能，则可用不可编程 的 TTL 电路或 CMOS 电路。
8.1.2 单片机产品开发流程
1．确定功能技术指标
单片机产品开发流程是以确定产品的功能和技术指标开始的。 首先要细致分析、研究实际问题，明确各项任务与要求，综合考虑系统的先进性、可靠 性、可维护性以及成本、经济效益，拟订出合理可行的技术性能指标。
2．单片机产品总体设计
在对单片机产品进行总体设计时，应根据单片机产品提出的各项技术性能指标，拟订出 性价比最高的一套方案。
4．抗干扰措施
单片机产品的工作环境往往都是具有多种干扰源的现场，抗干扰措施在单片机产品设计 中显得尤为重要。
根据干扰源引入的途径，抗干扰措施可以从以下两个方面考虑。 （1）电源供电系统 为了克服电网以及来自系统内部其它部件的干扰，可采用隔离变压器、交流稳压、线滤 波器、稳压电路各级滤波等防干扰措施。 （2）电路上的考虑 为了进一步提高系统的可靠性，在硬件电路设计时，应采取一系列防干扰措施： 1）大规模 IC 芯片电源供电端 VCC 都应加高频滤波电容，根据负载电流的情况，在各级 供电节点还应加足够容量的退耦电容； 2）开关量 I/O 通道与外界的隔离可采用光电耦合器件，特别是与继电器、可控硅等连 接的通道，一定要采用隔离措施； 3）可采用 CMOS 器件提高工作电压（+15 V），这样干扰门限也相应提高； 4）传感器后级的变送器尽量采用电流型传输方式，因电流型比电压型抗干扰能力强； 5）电路应有合理的布线及接地方式； 6）与环境干扰的隔离可采用屏蔽措施。
单片机 MCU
RAM 人机通道
输入/输出设备
输入通道 输出通道 通信接口
传感器等 执行机构
测控 பைடு நூலகம்象
其他计算机系统或智能设备
图 8-1 典型单片机产品结构
从图 8-1 不难看出单片机产品所需要的一般配置： （1）单片机。如 AT89C51、AT89C52、AT89S51 以及 AT89S52 等单片机。 （2）人机交流设备。输入设备有键盘和按键，输出设备有数码管、液晶显示模块和指 示灯等。 （3）信号采集的输入通道。如出租车的测距、测速装置，温控系统的温度传感器、洗 衣机的水位测量等设备。 （4）向操作对象发出各种控制信号的输出通道。如空调启动压缩机的开关电路，控制 彩电的频道切换、颜色、音量等的接口电路。 （ 5） 与 其 他 计 算 机 系 统 或 智 能 设 备 实 现 信 息 交 换 ， 还 需 配 置 通 信 接 口 电 路 。 如 RS-232、RS-485 等。 （6）有时还需扩展外部 RAM、EEPROM 用于存放数据。如彩电遥控系统中存放系统数据 的存储器。
首先，应根据任务的繁杂程度和技术指标要求选择机型。选定机型后，再选择产品中要 用到的其它外围元器件，如传感器、执行器件等。
在总体方案设计过程中，对软件和硬件进行分工是一个首要的环节。原则上，能够由软 件来完成的任务就尽可能用软件来实现，以降低硬件成本，简化硬件结构。同时，还要求大 致规定各接口电路的地址、软件的结构和功能、上下位机的通信协议、程序的驻留区域及工 作缓冲区等。总体方案一旦确定，系统的大致规模及软件的基本框架就确定了。
项目八 键盘控制电机方向和转速
【教学目标】
终极目标
能利用 AT89S52 单片机及独立键盘，通过 C 语言程序实现键盘控制步进电机和直流电 机的速度和方向，完成单片机输入输出控制系统的设计、运行及调试。
促成目标
1. 了解单片机产品开发的流程； 2. 了解步进电机和直流电机结构和工作原理； 3. 掌握步进电机和直流电机速度、方向控制关键技术； 4. 掌握头文件的编写方法； 5. 掌握电机速度、方向控制的电路设计和编程的方法； 6. 会利用单片机 I/O 口实现电机速度、方向控制。
8.1 单片机产品开发
单片机产品开发是为完成某项任务而研制开发的单片机应用系统，是以单片机为核心， 配以外围电路和软件，能实现确定任务、功能的实际应用系统。根据不同的用途和要求，单 片机产品的系统配置及软件也有所不同，但它们的开发流程和方法大致相同。
8.1.1 单片机产品的结构
单片机产品是由硬件和软件组成。硬件是指单片机、扩展的存储器、输入输出设备等硬 件部件组成的，软件是各种工作程序的总称。一个典型单片机产品结构如图 8-1 所示。
A/D 和 D/A 电路芯片主要根据精度、速度和价格等来选用，同时还要考虑与系统的连接 是否方便。
（3）地址译码电路 通常采用全译码、部分译码或线选法，应考虑充分利用存储空间和简化硬件逻辑等方面 的问题。MCS-51 系统有充分的存储空间，包括 64 KB 程序存储器和 64 KB 数据存储器，所以 在一般的控制应用系统中，主要是考虑简化硬件逻辑。当存储器和 I/O 芯片较多时，可选用 专用译码器 74S138 或 74LS139 等。 （4）总线驱动能力 MCS-51 系列单片机的外部扩展功能很强，但 4 个 8 位并行口的负载能力是有限的。P0 口能驱动 8 个 TTL 电路，P1～P3 口只能驱动 4 个 TTL 电路。 在实际应用中，这些端口的负载不应超过总负载能力的 70%，以保证留有一定的余量。 如果满载，会降低系统的抗干扰。在外接负载较多的情况下，如果负载是 MOS 芯片，因负载 消耗电流很小，所以影响不大。如果驱动较多的 TTL 电路，则应采用总线驱动电路，以提高 端口的驱动能力和系统的抗干扰能力。 数据总线宜采用双向 8 路三态缓冲器 74LS245 作为总线驱动器，地址和控制总线可采用 单向 8 路三态缓冲区 74LS244 作为单向总线驱动器。 （5）系统速度匹配 MCS-51 系列单片机时钟频率可在 2～12 MHz 之间任选。在不影响系统技术性能的前提下， 时钟频率选择低一些为好，这样可降低系统中对元器件工作速度的要求，从而提高系统的可 靠性。
3．硬件设计
硬件设计是指应用系统的电路设计，包括主机、控制电路、存储器、I/O 接口、A/D 和 D/A 转换电路等。硬件设计时，应考虑留有充分余量，电路设计力求正确无误，因为在系统 调试中不易修改硬件结构。硬件电路设计时应注意以下几个问题：
（1）程序存储器 一般可选用容量较大的 EPROM 芯片，如 27128（16 KB）、27256（32 KB）或 27512（64 KB）等。尽量避免用小容量的芯片组合扩充成大容量的存储器，程序存储器容量大些，则编 程空间宽裕些，价格相差也不会太多。 （2）数据存储器和 I/O 接口 根据系统功能的要求，如果需要扩展外部 RAM 或 I/O 口，那么 RAM 芯片可选用 6116（2 KB）、6264（8 KB）或 62256（32 KB），原则上应尽量减少芯片数量，使译码电路简单。 I/O 接口芯片一般选用 8155（带有 256 KB 静态 RAM）或 8255。这类芯片具有口线多、 硬件逻辑简单等特点。若口线要求很少，且仅需要简单的输入或输出功能，则可用不可编程 的 TTL 电路或 CMOS 电路。
8.1.2 单片机产品开发流程
1．确定功能技术指标
单片机产品开发流程是以确定产品的功能和技术指标开始的。 首先要细致分析、研究实际问题，明确各项任务与要求，综合考虑系统的先进性、可靠 性、可维护性以及成本、经济效益，拟订出合理可行的技术性能指标。
2．单片机产品总体设计
在对单片机产品进行总体设计时，应根据单片机产品提出的各项技术性能指标，拟订出 性价比最高的一套方案。
4．抗干扰措施
单片机产品的工作环境往往都是具有多种干扰源的现场，抗干扰措施在单片机产品设计 中显得尤为重要。
根据干扰源引入的途径，抗干扰措施可以从以下两个方面考虑。 （1）电源供电系统 为了克服电网以及来自系统内部其它部件的干扰，可采用隔离变压器、交流稳压、线滤 波器、稳压电路各级滤波等防干扰措施。 （2）电路上的考虑 为了进一步提高系统的可靠性，在硬件电路设计时，应采取一系列防干扰措施： 1）大规模 IC 芯片电源供电端 VCC 都应加高频滤波电容，根据负载电流的情况，在各级 供电节点还应加足够容量的退耦电容； 2）开关量 I/O 通道与外界的隔离可采用光电耦合器件，特别是与继电器、可控硅等连 接的通道，一定要采用隔离措施； 3）可采用 CMOS 器件提高工作电压（+15 V），这样干扰门限也相应提高； 4）传感器后级的变送器尽量采用电流型传输方式，因电流型比电压型抗干扰能力强； 5）电路应有合理的布线及接地方式； 6）与环境干扰的隔离可采用屏蔽措施。