1、基于PCF8951单片机设计1 引言 现在工业生产中，电机是主要的驱动设备，目前在直流电机拖动系统中已大量采用晶闸管装置控制电机的KZD拖动系统，取代了笨重的发电机-电动机的FD系统，又伴随着电子技术的高度发展，促进使直流电机调速逐步从模拟化向数字化转变，特别是单片机技术的应用，使直流电机调速又进入了一个新的阶段，智能化，高可靠性已成为它的发展趋势。直电机调速基本原理是比较简单的（相对于交流电机），只要改变电机的电压就可以改变转速了。1.1设计任务与要求设计一个基于PCF8591的直流电动机转速控制电路，在相应的软件控制下可以完成要求的功能，即使用具有IIC接口的PCF8591模数与数模转换芯
2、片，使用1602LCD液晶显示屏显示PCF8591模数与数模转换芯片上的4个通道的模数转换结果，同时，0通道的转换结果再通过PCF8591转换为模拟信号，经过放大后调控直流电动机的转速。2 设计过程21 设计过程与步骤2.1.1 芯片介绍1）PCF8591PCF8591 是一种具有 I2C 总线接口的 8 位 A/D D/A 转换芯片，在与 CPU的信息传输过程中仅靠时钟线 SCL 和数据线 SDA 就可以实现。 I2C 总线是Philips （飞利浦）公司推出的串行总线，它与传统的通信方式相比具有读写方便，结构简单 ，可维护性好， 易实现系统扩展， 易实现模块化标准化设计， 可靠性高等优点。
3、PCF8591 为单一电源供电（2.5 6 V）典型值为 5 V，CMOS 工艺 PCF8591 有 4 路 8 位 A/D 输入，属逐次比较型，内含采样保持电路； 1 路 8 位 D/A 输出，内含有 DAC的数据寄存器 A/D D/A 的最大转换速率约为 11 kHz，但是转换的基准电源需由外部提供 PCF8591 的引脚功能如图2.1所图 2.1 PCF8591引脚功能在 PCF8591 内部的可编程功能控制字有两个，一个为地址选择字，另一个为转换控制字 PCF8591 采用典型的I2C总线接口的器件寻址方法，即总线地址由器件地址引脚地址和方向位组成 Philips （飞利浦）公司规定
4、A/D器件高四位地址为 1001，低三位地址为引脚地址A0A1A2，由硬件电路决定，地址选择字格式具体描述如表2 所示 因此 I2C 系统中最多可接 23=8 个具有总线接口的 A/D 器件 地址的最后一位为方向位 R/W，当主控器对 A/D 器件进行读操作时为 1，进行写操作时为 0 总线。操作时，由器件地址 引脚地址和方向位组成的从地址为主控器发送的第一字节。图2.2 地址选择字格式描述D0：读写控制位，对转换器件进行读操作时为1 ，进行写操作时为0。D1,D2,D3：引脚硬件地址设置位，由硬件电路设定该PCF8591的物理地址。D7,D6,D5,D4：器件地址位固定为1001.PCF85
5、91的转换控制字存放在控制寄存器中，用于实现器件的各种功能 总线操作时为主控器发送的第二字节 转换控制字的格式功能具体描述如图2.3所示图2.3 转换控制字格式描述D0,D1：通道选择位。00 ：通道 0； 01：通道1 ； 10：通道2； 11：通道3。D2：自动增量允许位，为 1时，每对一个通道转换后自动切换到下一通道进行转换，为0 时不自动进行通道转换，可通过软件修改进行通道转换D3：特征位，固定位0。D4,D5：模拟量输入方式选择位 。00：输入方式0 ，四路单端输入；01 ：输入方式 1，三路差分输入；10 ：输入方式2，二路单端输入，一路差分输入； 11：输入方式3 ，两路差分输入
6、。D6：模拟输出允许位，A/D 转换时设置为 （地址选择字D0 位此时设置为1 ），D/A 转换时设置为 1（地址选择字 位此时设置为 ）。D7：特征位，固定为0。PCF8591的A/D 转换为逐次比较型，在 A/D转换周期中借用 DAC及高增益比较器 对 PCF8591进行写读操作后便立即启动 A/D转换，并读出A/D 转换结果 在每个应答信号的后沿触发 转换周期，采样模拟电压并读出前一次转换后的结果。A/D转换中，一旦 A/D采样周期被触发，所选择通道的采样电压便保存在采样，保持电路中，并转换成8 位二进制码（单端输入）或二进制补码（差分输入）存放在ADC数据寄存器中等待器件读出。如果控制
7、字节中自动增量选择位置 1，则一次A/D 转换完毕后自动选择下一通道 。读周期中读出的第一个字节为前一个周期的转换结果 。上电复位后读出的第一字节为80H。PCF8591的A/D 转换亦使用的是I2C 总线的读方式操作完成的 。其数据操作格式如图 2.4所示。图2.4 A/D转换数据操作格式其中data0datan 为 A/D的转换结果，分别对应于前一个数据读取期间所采样的模拟电压。A/D 转换结束后，先发送一个非应答信号位A 再发送结束信号位P。 灰底位由主机发出，白底位是由PCF8591 产生。 上电复位后控制字节状态为00H ，在 A/D转换时须设置控制字，即须在读操作之前进行控制字节的
8、写入操作。逻辑操作波形时序图如图2.5所示。图2.5 A/D转换逻辑操作波形时序图2）LCD1602 LCD1602液晶显示容量:162个字符，芯片工作电压:4.55.5V，工作电流:2.0mA(5.0V)，模块最佳工作电压:5.0V，字符尺寸:2.954.35(WH)mm。1602液晶模块的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。（说明：1为高电平、0为低电平）指令1：清显示，指令码01H,光标复位到地址00H位置。指令2：光标复位，光标返回到地址00H。指令3：光标和显示模式设置 I/D：光标移动方向，高电平右移，低电平左移 S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高电平表示有效，
9、低电平则无效。指令4：显示开关控制。 D：控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示 C：控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标 B：控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁。指令5：光标或显示移位 S/C：高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标。指令6：功能设置命令 DL：高电平时为4位总线，低电平时为8位总线 N：低电平时为单行显示，高电平时双行显示 F: 低电平时显示5x7的点阵字符，高电平时显示5x10的点阵字符。指令7：字符发生器RAM地址设置。指令8：DDRAM地址设置。指令9：读忙信号和光标地址 BF：为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令
10、或者数据，如果为低电平表示不忙。指令10：写数据。指令11：读数据。2.1.2 设计思路本次设计要求设计利用带有IIC接口的PCF8592模数与数模转换芯片，实现对直流电机转速的控制。利用PCF8591芯片通道0采集到的模拟量，再次由AD转换成模拟量输出去控制直流电机的转速，由于D/A输出的的电流普遍偏小，而此不能直接驱动电机，要加上放大电路，而选用的直流电机是12V的DA的最大输出电压是5V，因此要先进行电压放大，采用LM358运放，将电压放大两倍，这样最高输出电压是10V，由于运放的驱动能力还是很弱，因此要进行电流放大，这边采用三极管进行电压放大，以射极跟随器的方式进行放大。2.1.3 电
11、路设计由设计思路在Ptotues上面画出总的电路图如下：图2.6 总的电路图2)放大电路及直流电机驱动电路如 图2.7图2.7 放大电路 如图所示PCF8591的D/A输出经过电阻R6接到运放LM358的同向输入端，设DA的输出电压为VDA，LM358运放的输出电压为VDA*（1+R5/R4）=2*VDA，所以LM358对PCF8591的D/A输出电压放大两倍，LM358输出的电压经过三极管S8050组成的射极跟随器后的输出到直流电机的电压为2*VDA-Vbe(三极管基极和发射极的导通电压)。这样就组成了对D/A输出的电压，进行电压放大和电流放大，最后去驱动直流电机的驱动电路。3)PCF859
12、1应用电路如下图2.8图2.8 PCF8591应用电路 PCF8591应用电路如上图所示，IIC接口SCL，SDA各接一个10K的上拉电阻。A0、A1、A2接地，这样对PCF8591写话地址为0x90,对PCF8591写的话地址为0x90。PCF8591的VREF参考电压引脚接+5V，这样A/D的最大输入电压是5V，D/A的最大输出电压也是5V，PCF8591的四个A/D道道接四个可调电阻，用来改变输入电压的大小。4）单片机最小系统电路图2.9 单片机最小系统电路 单片机最小系统电路主要包含两个部分，一个是由电阻电容组成的上电复位电路，让单片机在上电时先复位一下，再继续工作，另外一部分是由无源
13、晶振和瓷片电容组成的时钟电路，为单片机提供工作时的必要的时钟信号。3 测试 实验的结果测试如图所示在A0电压为5V时，电机转速为235图3.1 在A0电压为5V时电机的转速 如图3.2在A0通道电压为3V时电机的转速为205图3.2 在A0电压为3V时电机的转速如图3.3在A0通道电压为1.3V时，电机的转速为80.2转图3.3 在A0通道电压为1.3V 时电机的转速4 总结 采用PCF8591对A0-A3的四个通道模拟量的采样，并在LCD1602液晶上面显示，对应的值，并将A0通道采集到到值输出给D/A去控制直流电机的转速，由于D/A的驱动能力很弱，因此加上了由LM358组成的电压放大电路，
14、和由S8050三极管组成的电流放大电路再去驱动直流电机，通过在Protues仿真验证此方案是合理可行的。附录A：源程序#include/PCF8591相关定义 sbit SCL=P20; /时钟脉冲sbit SDA=P21; /双向输入输出数据端#define SCL_SET SCL=1#define SCL_CLR SCL=0#define SDA_SET SDA=1#define SDA_CLR SDA=0#define AddWr 0x90 /写数据地址#define AddRd 0x91 /读数据地址#define adCon 0x40 /AD控制字节/LCD1602相关定义sbit
15、RS=P26;sbit RW=P25;sbit E=P27;#define setRS RS=1#define clrRS RS=0#define setRW RW=1#define clrRW RW=0#define setE E=1#define clrE E=0unsigned int time=0;unsigned char ADFlag=0;unsigned char str8=Ai n.mv ;/延时1USvoid delay(unsigned int cnt) while(-cnt);/延时1MSvoid delayms(unsigned int time) unsigned i
16、nt i; for(i=0; itime; i+) delay(120);/写数据，P0void writeData(unsigned char Data) setRS; clrRW; delay(1); setE; delay(1); P0=Data; delay(5); clrE;/写命令，P0void writeCom(unsigned char Com) clrRS; clrRW; delay(1); setE; delay(1); P0=Com; delay(5); clrE;/清屏函数 void clear_scr(void) writeCom(0x01); delayms(5);
17、 /写一个字符串在（X,Y ）位置void disStr(unsigned char x, unsigned char y, unsigned char *str) if(y=0) writeCom(0x80+x); /第一行 else writeCom(0xc0+x); /第二行 while(*str) writeData(*str); str+; /LCD1602初始化void lcdInitial() writeCom(0x38); /显示模式设置 delayms(5); writeCom(0x08); /显示关闭 clear_scr(); /清屏 writeCom(0x06); /显示
18、光标移动设置 delayms(5); writeCom(0x0C); /显示开及光标设置 void start() SDA_SET; delay(1); SCL_SET; delay(5); SDA_CLR;void stop() SDA_CLR; delay(1); SCL_SET; delay(5); SDA_SET; void ack() SDA_CLR; SCL_SET; delay(1); SCL_CLR;void noAck() SDA_SET; SCL_SET; delay(1); SCL_CLR;void send(unsigned char Data) unsigned ch
19、ar i=0; unsigned char temp=0; temp=Data; for(i=0; i8; i+) SCL_CLR; delay(1); if(temp&0x80) SDA_SET; else SDA_CLR; delay(1); SCL_SET; delay(1); temp=1; SCL_CLR;unsigned char recive() unsigned char i=0; unsigned char temp=0;SDA_SET; /必须设置 for(i=0; i8; i+) SCL_CLR; /拉低允许数据改变 delay(1); SCL_SET; /拉高保持数据，
20、等待读走 delay(2); if(SDA) temp|=0x01; else temp&=0xfe; if(i7) temp=1; /最低位发送完成不能移位，否则出错 SCL_CLR; return temp;unsigned char read(unsigned char ch ) unsigned char temp=0;start(); send(AddWr); /确认芯片 ack(); send(adCon|ch); /确认通道 ack(); /读出数据，放进temp start(); send(AddRd); ack(); temp=recive(); noAck(); stop(
21、); return temp;void DAC(unsigned char light) start(); send(AddWr); ack(); send(0x40); /写入控制位，使能DAC输出 ack(); send(light); ack(); stop();void dis(unsigned char *date) float j; unsigned int k; unsigned char i=0; unsigned char ch1, ch2, ch3;for(i=0; i1) disStr(i*8-16, 1, str); else disStr(i*8, 0, str); void main() unsigned char i=0; unsigned char vot4; lcdInitial(); while(1) vot3=read(0); vot0=read(1); vot1=read(2); vot2=read(3); DAC(vot0); /DA转换函数，A0的模拟量值送到DA输出 dis(vot); delayms(5); 参考文献： 1 彭伟. 单片机C语言程序设计实训基于8051+Protues仿真M.电子工业出版社.20102 徐玮,徐富军,沈建良. C51单片机高效入门M.机械工业出版社.2010
