小麦面粉面筋测定系统设计与实现—硕士学位论文.doc

小麦面粉面筋测定系统设计与实现 摘要论文以小麦面粉面筋测定仪为研究对象，应用了先进的自动控制技术，设计了一种全数字的面粉面筋测定仪控制系统。本论文分析了小麦面粉面筋测定仪工作原理以及其具体的控制过程，然后阐述了其设计原理以及所涉及到的相关AT89C51芯片，接着对所要应用的51系统单片机方面的知识进行了简要地介绍，这些为论文的具体设计部分提供了理论基础。本系统针对需要实现对交流电机的调速，设计出了一种符合要求的连续可调的脉冲信号发生器。系统采用了模块化的设计思路，为系统的设计和维护提供了方便，同时也提高了系统性能的可扩展性。系统采用一种模块化的设计思路，应用了C语言，该语言较容易理解。软件也是采用了目前应用比较广泛的KEIL工具。本系统采用AT89C51芯片，此芯片非常普及，价格便宜，完全可以实现对小麦面粉面筋测定仪的控制。软件编程是本系统设计的核心部分，软件分为显示、键盘、电机控制、定时、中断等模块。整个系统设计采用了全数字化的控制方案，使系统更加紧凑、更加合理以及经济节约。由于系统的全数字化，使得整个系统运行变得十分稳定，调试也极为方便。对整个系统进行模块化设计，并且每个子模块都通过了测试。通过了硬件的修改与设计的软件重新编程、下载及多次调试，已经交付使用。关键词：中断，定时器，显示,PWMAbstract Wheat gluten measuring system for wheat flour as the research object, is usesd advanced automatic control technology, and designed an all-digital automatic control system。This paper analyzes whea tgluten measuring system for wheat flour how to work as well as its specifically controlling process, then describes the design principles and is involved in the related AT89C51 chip, then briefly introduces the knowledge of 51 chip。 The specific design section provides a theoretical basis。The system for the need to achieve the right motor speed control, designed to meet the requirements of the one kind of pulse signal generator continuously adjustable。The system uses a modular design concept, brings to design and maintenance for the system to provide a convenient, but also improve the performance of the system scalability. The system uses software modularization design, application of the C language. The language is easy to understand. KEIL is a Software tool used widely。51 chip is used on the system. The kind of chip is popular, and its cost is inexpensive and could control absolutely wheat gluten measuring equipment. To program software codes are core of designing the system. Software codes are composed of display，key，controling motor，interrupt modlue and so on. The system adopted all-digital control strategy and made it compatct，reasonable，economical。Because of all-digital , the system works stablely, tests conveniently。Though hardware is designed and modified again and again, software was programmed and loaddowned and tested。modular design of the entire system and each sub-module have passed the test.。Now we has finished the project and gave client to use。Key Words： interrupt, timer, display, PWM 目录摘要iAbstractii图目录III表目录IV第1章 绪论51.1 课题背景51.1.1 小麦面粉面筋测定仪在应用中的意义51.1.2 电机在现实生活中的应用51.2 研究的方向及进展71.3 研究内容及其安排111.3.1 研究内容111.3.2 本文的安排111.4 本章小结11第2章 系统总体设计122.1系统设计框图122.1.1 时间设置132.1.2时间存贮162.2电机的PWM控制192.2.1 PWM的定义202.2.2 PWM的调速原理202.2.3 PWM的控制方法212.2.4 PWM波的实现242.3电机的按键控制242.3.1键盘原理与键盘分类242.3.2编制键盘程序262.3.3键盘的工作方式262.4 LED的显示控制272.4.1数码管简介272.4.2数码管两种显示接口292.5设计的目的及其要求302.6本章小结30第3章 硬件电路设计313.1控制器模块313.2数码显示模块373.3驱动电机模块383.4硬件测试393.5本章小结39第4章 软件设计404.1软件总体考虑404.1.1软件的流程图404.1.2软件的初始化设计414.2 LED显示软件设计424.2.1时间显示的软件设计424.3中断设计454.3.1 倒计时软件设计474.3.2键盘处理设计504.4 PWM软件设计564.5软件测试604.6本章小结61第5章 总结及其展望62参考文献64作者简介66致谢67图目录图 2.1系统设计框图12图 2.2单片机挂载多个I2C设备原理17图 2.3 I2C总线基本时序18图 2.4数码管外形结构图28图 3.1 AT89C51的块图32图 3.2 AT89C51的外部封装33图 3.374LS373的引脚分布图34图 3.4控制电机的原理图35图 3.574LS244引脚分布图35图 3.6LS244控制数码显示的原理图36图 3.7 PWM脉冲产生电路37图 3.8数码显示原理图37图 3.9驱动左电机的原理图38图 4.1 系统软件流程图40图 4.2 80C51中断系统的结构45表目录表 2.1数码管字型编码表29表 3.1AT89C51端口3的各引脚特殊功能表33表 3.274LS373功能表34表 3.3L S373的真值表34表 4.1定时/计数器工作方式设置表48第1章 绪论1.1 课题背景1.1.1 小麦面粉面筋测定仪在应用中的意义小麦面粉面筋测定仪是对小麦粉粉质测定, 对小麦粉质的测定是分析面团流变学特性的重要实验之一，也是目前我国乃至世界用来评价小麦及面粉内在品质的重要方法。这种方法已广泛地用于食品加工、小麦育种、制粉生产、等领域的科研、生产、商检和进出口贸易等部门。同时为优质小麦育种、制粉企业配麦配粉、保证面粉原料质量的稳定、指导面制食品加工的开发利用等方面，提供了重要的科学依据。对小麦粉质进行测定有面粉中湿（干）面筋的含量、湿面筋水分含量、面筋质量（面筋指数）及面筋吸水率。这种能精确地有效地的测定成为了这一方法推广应用的关键。此时小麦粉质测定仪应需而生。目前国内已经研发出了一些的小麦粉质测定仪，如北京微讯超技仪器技术有限公司研制的全自动粉质分析仪（doughLAB），北京东方孚德技术发展中心今年来研制的JFZD系列小麦粉品质检测仪、电子粉质仪和面粉品质测试仪，以及波通瑞华科学仪器（北京）有限公司（瑞典perten）的同类产品等缓解了在此之前在农业、粮食、制粉、食品加工企业对优质商品小麦生产、收购及调拨环节上，存在着以次充好、品质混杂现象。以往优质小麦品质的现场验收，采用的常常是用眼看、手摸、牙咬等原始的方法，验收不准，手段落后，误差很大，造成优质不能优价、经济纠纷时有发生，严重影响优质小麦的流通，损坏了农民的利益，制约着优质小麦产业化的发展，伤害了农民的种植积极性。只有利用粉质测定仪才能使优质小麦产、销、加过程中，确保专用粉生产优质原料的高均匀度、高效益，高质量、维护农民和企业的利益。1.1.2 电机在现实生活中的应用现代在高度自动化和机械化的条件下，电动机一直在日常的生产和生活中起着十分重要的作用。不论农业生产、交通运输、航空航天、国防、医疗卫生、商务与办公设备，还是日常生活中，家用电器、通讯设备等都大量使用着各种不同的电动机。据相关资料表明，现在有90%以上的动力源来自电动机，同时我国生产的电能大约有60%用于电动机。电动机与现代人们生活、工作密切相关益1。众所周知，现实生活中各类运动都常伴随着能量消耗，而电动机 在是常生产生活中是最普通的消耗源，它消耗了大量的能量。目前社会大力提倡节能减排，这就涉及到对电动机能耗的控制，使其能更有效地工作。采取有效的方法控制电动机运动，降低能耗将能产生巨大的经济效益和环境效益。尽管电机产品本身盈利水平不高，但采用高效、超高效电机的直接效果是降低损耗，提高能源利用效率，对整个社会实现节能减排，也是各个国家对改善大气环境非常有利的一项重要措施。因此，提高电机效率，降低电机能源消耗，研发推广应用高效、超高效电动机，具有其十分重要能源战略意义和现实的社会效益。 要实现这一目标，可以改变电动机的结构、优化其设计、改进制造工艺和采用更有效的控制系统。在小麦面粉质量测定仪中，最主要的动力部分是电机转动和各类传动。据了解，有高达82%的小麦面粉生产厂家在检测仪器使用方面认为精确度是对产品的核心要求，其次是检测速度和操作方便性，分别占55%和52%3。因此开发出精确度高、检测速度快、操作简易的小麦面粉测定仪具有重大的现实意义。本次研究着重研究了电机速度控制。要求性能稳定、操作便捷、离心时间数显可调及转速精度高等问题2。1.2 研究的方向及进展研究的方向是重点研究电机的单片机控制技术。目前电动机的控制器主要有工业控制计算机、微处理器、可编程控制器（PLC）、数字信号处理器（DSP）等。而最常用的是微处理器（单片机）。工业控制计算机是工业自动化设备和信息产业基础设备的核心。它是一类具有采集来自工业生产过程的模拟式和(或)数字式数据的能力，并能向工业过程发出模拟式和(或)数字式控制信号，以实现工业过程控制和(或)监视的数字计算机。功能强大，具有极高的速度、强大的运算能力和接口功能、方便的软件环境，目前工控技术已经发展到以CompactPCI作为工控机标准的第三代；但由于成本高、体积大，所以只用于大型控制系统1 4 。可编程逻辑控制器（PLC），又称为可编程控制器（PC），是一种为工业控制特别设计的专用计算机。它的发展经历了四个阶段，到90年代末发展到第四阶段，表现高可靠性、强抗干扰能力、真正意义上的EIC三电一体化、易学易用等特点。目前在我国主要应用于开关量逻辑控制、模拟量控制、运动控制、过程控制、数据处理以及网络通信等。PLC从无到有，实现了工业控制领域接线逻辑到存储逻辑的飞跃；其功能从弱到强，实现了逻辑控制到数字控制的进步；其应用领域从小到大，实现了单体设备简单控制到胜任运动控制、过程控制及集散控制等各种任务的跨越。今天的PLC正在成为工业控制领域的主流控制设备，在世界各地发挥着越来越大的作用5 。单片机介于工业控制计算机和可编程控制器之间，它有较强的控制功能、低廉的成本。出于这方面的功能和成本考虑，单片机往往成为人们优先选择的目标。从最近的统计数字也可以看出，世界上每年要有25亿片各种单片机投入使用。单片机是目前世界上使用量最大的微处理器。与模拟电路相比，微处理器作为电动机的控制器有（1）使电路变简单。（2）灵活性和适应性。（3）可以实现较复杂的控制。（4）无零点漂移，控制精度高。（5）可提供人机界面，多机联网工作等特点1 6 。当前，单片机(MCU)技术取得的进步能够比以往任何时候都更加有效地控制电机，而成本却更低。这种进步对市场的影响一方面加速了从机电控制到电子式控制的转变，另一方面可以实现电机的变速控制，优化电机的运行。而且，对整个市场而言，降低了元器件的整体成本8。单片机控制的无刷直流电机与电机控制中经常使用的有刷电机不同，单片机控制的无刷直流(BLDC)电机不存在电刷磨损和电弧，因而电机的使用寿命实质上只受到轴承寿命的影响。此外，单片机控制的无刷直流电机系统的优越性还包括：（1）更高的效率.（2）转矩-惯性比高.（3）能达到更高的速度.（4）听得见的噪声更低.（5）更高的热效率.（6）更低的电磁干扰。大量专门针对电机控制应用而设计的8位单片机在解决数字电机控制问题上是成本效益最高的方法之一。但在过去，集成的程度和可供选择的产品一直有限。而现在，单片机性能高达10MIPS，具备的运动控制专用硬件包括中心对齐的14位脉宽调制器(PWM)、运动反馈模块和高速模数转换器(ADC)，使以往需要较昂贵处理器的应用可以采用成本较低的8位单片机来实现。某些单片机，如PIC18F4431，在进行三相PWM控制时，可用硬件实现对无刷直流电机所有三个相的驱动，从而最大限度地降低了软件的开发和调试工作量。该单片机最多有8个PWM通道，而一般只需6个通道即可驱动三相电机。因此，可以用另外两个通道来实现其它功能，无需再添加其它元器件。带有正交编码器接口的运动反馈模块是单片机的一个组成部分，可减少元器件数目，降低系统成本 。数字信号处理器DSP是近来涌现的一个后起之秀。它也属于微处理器的一种，是将模拟信号变换成数字信号以后进行高速实时处理的专用处理器。它的工作原理是将现实世界的模拟信号转换成数字信号，再用数学方法处理此信号，得到相应的结果。DSP应用广泛，主要应用市场为3C(Communication、Computer、Consumer)领域，合占整个市场需求的90% 。DSP出现在20世纪80年代，随着销售价格的下降开始逐渐进入电动机的控制领域7 。例如，美国TI公司的TMS320C24X系列，美国AD公司的ADMC系列，这些公司都研制出以DSP为内核的集成电动机控制芯片。这些芯片不但具有高速信号处理能力和数字控制功能，而且还有为电动机控制应用所必须的外围功能。例如，TMS320F240 DSP有32位累加器、8KB FLASH ROM、512B的RAM、3个定时器、16位外部数据总线这些强大的数字处理功能；此外，还有12路PWM输出、2个10位ADC转换器、可编程死区控制功能、可编程空间PWM控制方式等电动机控制所特有的资源。研究电机的单片机控制技术的发展，自然离不开单片机技术的进步对控制技术产生的影响。单片机产生于20世纪70年代。在我国经历了Z80单板机时代和MCS-51单片机时代。现在老的MCS-51单片机时代已渐渐过去了，新一代的各种各样的单片机不断出现，以至于无法给出哪一种最好。新型单片机都具有如下特点:（1）功能增强许多单片机生产公司将16位单片机的性能下移到8位单片机，在单片机的内部增加了如PWM口、比较和捕捉功能、A/D转换器等，并增加了看门狗、各种串行总线接口等功能，使新一代的单片机功能更加强大。（2）速度更快速度更快了是新一代单片机的又一个最大特点。用单片机对电动机进行实时控制，经常采用一些优化算法，如数字PID控制、数字滤波等。对于实时性很强的控制，速度低的单片机往往不能胜任，新一代单片机的速度比老式单片机的速度提高了1倍多，例如，PHILIPS公司生产的89CXX系列8位单片机的工作频率已达33MHz；WINBOND公司生产的W78系列8位单片机的工作频率高达41MHz；SIEMENS公司的SAB-C5系列8位单片机的工作频率已达到48MHz。（3）小型化和低功耗由于采用了同步串行总线，可以减少无用的引脚。另外，由于采用了内部FLASH存储器，没有必要保留外接并行存储器的引脚，这些都是单片机引脚的数目可以大大减小。这一方面提供了更多的引脚作为I/O口使用，另一方面也可以去掉众多引脚而使芯片小型化。例如，美国Microchip公司推出8引脚和18引脚的8位PIC系列单片机；台湾义隆公司的18引脚的8位EM78系列单片机；中国武汉力源公司和LG半导体公司合作生产的20引脚的8位GMS97C1051/2051单片机；ATMEL公司生产的20引脚的8位AT89C2051单片机。小型化的单片机给用户提供了低成本、电路尺寸小的选择1 。总体来说，电机的单片机控制器向着高效多能、小型和低耗方向发展。单片机的低电压和低功耗也是新一代单片机的特色。大多数单片机都有休眠省电工作方式，一些单片机还采用3V电压供电，这些措施都可以减少单片机耗电。这对于移动设备的电动机控制提供了帮助。这样的设备诸如数码摄像机、便携式仪器、便携式视听设备、笔记本电脑中的光盘驱动器和磁盘驱动器等。过去多数人认为8位单片机不适合作为电动机的控制器，而转向使用16位单片机，但是现在应当刮目相看了。由于8位单片机的功能和速度都与16位单片机不相上下，而且价格便宜，易于与多数的8位芯片接口，同时越来越多的电动机专用集成电路的使用使单片机减轻了许多沉重的负担；因此，8位单片机会成为普通电动机控制的主流处理器。存在问题在电动机控制中采用单片机控制器，很难实现如矢量控制，直接转矩控制这样的控制算法，缺乏相关条件完成现代控制理论或智能控制理论的一些复杂算法，如自适应控制、神经网络等。此时需要采用电动机专用的DSP方能实现 。随着控制算法在各个市场领域中复杂程度的不断提高，数字电机控制器的处理能力需要从单片机的性能水平提升到数字信号处理器(DSP)的性能水平。数字信号控制器(DSC)性能更高而价格适中，采用设计人员熟悉的单片机技术，适用于更加复杂的电机控制设计，包括矢量控制设计。DSC的运行速度高达30MIPS，并具有高达144KB的闪存和电机控制专用的集成外设，可实现先进的新型电机控制应用。有了基于单片机和DSC的电子电机控制，家用电器、工业控制及汽车不仅运行效率更高、功能更丰富，而价格也合适 8。1.3 研究内容及其安排1.3.1 研究内容介绍了AT89C51单片机控制器电机技术.采用了一种基于KEIL平台，采用通俗的C语言加进行设计。具体的设计内容为：1. 分析了电机的基本特点及其工作原理还有一些关键性技术，并且对电机的PWM控制进行了分析。2. 对要进行的项目进行分析，采用模块化设计，包括PWM产生模块，显示模块，定时模块，中断模块等。3. 项目系统的重点数码显示模块，找到一种切实可行的方案，以满足系统的要求。1.3.2 本文的安排本文总包括五章的内容。第一张首先阐述了小麦面粉面筋测定系统的特点及其应用，分析了研究的意义，提出了设计基于KEIL的51系列控制器技术，并且对本项目的内容进行分析。第二章介绍了本次设计的系统框图，并且对各个模块进行了分析。第三章介绍了硬件模块的详细设计及测试。第四章着重介绍了软件的设计流程及组成的各软件的模块及测试。第五章总结和展望。1.4 本章小结在本章中，首先介绍小麦面粉面筋仪在生活中的应用，电机在生活中的广泛应用，电机的特点，以及本文的按排等。第2章 系统设计2.1系统设计框图主控单片机时间控制铵键接口电路PWM接口电路LED显示电路I2C总线接口 图 2.1系统设计框图面筋仪测试系统，是对一定量小麦面粉进行和面和洗涤的过程，洗出的面筋，拿到另外的称量设备上测量不是我们的要考虑的。我们设计的重点是和面和洗涤的过程，也就是对电机自动控制的过程。在自动控制的过程中主要是采用ATC8951芯片，来实现控制的过程。这个系统主要实现的是和面和洗涤时间的设定，数码显示，铵键的操作，还有PWM的设计，及I2C总线挂接一个小的存贮器。对于所述的几个模块下面分别加一介绍。2.1.1 时间设置在进行和面之前，先进行和面电机转动的时间设定。本系统是采用倒计时的方式，到时间归为零时，电机自动停止。这里的定时是通过ATC89C51内部的定时器设计时间的。单片机的定时有软件定时，硬件定时，可编程定时器时。软件定时在计算机高级语言编程中经常应用，即通过循环程序实现延时，系统不需要增加任何硬件，但该定时方法需要长期占用CPU。硬件定时需要系统额外增加电路，而且使用上不够灵活。单片机对还集成了定时电路，被称为定时器/计数器，定时器通过对系统时钟脉冲进行计数实现定时功能，计数器则对单片机引脚上输入的相同脉冲计数。80C51的单片机内部有2个16位可编程的定时器/计数器，它们有4种工作方式，其控制字和状态均在相应的特殊功能寄存器中，通过对控制寄存器的编程就可以方便的实现相应的工作。一、与定时有关的几个概念：时钟周期也叫振荡周期或晶振周期，即晶振的单位时间发出的脉冲数，一般有外部的振晶产生，比如12MHZ=12×10的6次方，即每秒发出12000000个脉冲信号，那么发出一个脉冲的时间就是时钟周期，也就是1/12微秒。通常也叫做系统时钟周期。是计算机中最基本的、最小的时间单位。 在8051单片机中把一个时钟周期定义为一个节拍（用P表示），二个节拍定义为一个状态周期（用S表示）。机器周期： 在计算机中，为了便于管理，常把一条指令的执行过程划分为若干个阶段，每一阶段完成一项工作。例如，取指令、存储器读、存储器写等，这每一项工作称为一个基本操作。完成一个基本操作所需要的时间称为机器周期。一般情况下，一个机器周期由若干个S周期（状态周期）组成。8051系列单片机的一个机器周期同6个S周期（状态周期）组成。前面已说过一个时钟周期定义为一个节拍（用P表示），二个节拍定义为一个状态周期（用S表示），8051单片机的机器周期由6个状态周期组成，也就是说一个机器周期=6个状态周期=12个时钟周期。在标准的51单片机中，一般情况下，一个机器周期等于12个时钟周期，也就是机器周期=12*时钟周期。单片机工作时，是一条一条地从RoM中取指令，然后一步一步地执行。单片机访问一次存储器的时间，称之为一个机器周期，这是一个时间基准。 机器周期不仅对于指令执行有着重要的意义，而且机器周期也是单片机定时器和计数器的时间基准。例如一个单片机选择了12MHZ晶振，那么当定时器的数值加1时，实际经过的时间就是1us，这就是单片机的定时原理。 指令周期是执行一条指令所需要的时间，一般由若干个机器周期组成。指令不同，所需的机器周期数也不同。对于一些简单的的单字节指令，在取指令周期中，指令取出到指令寄存器后，立即译码执行，不再需要其它的机器周期。对于一些比较复杂的指令，例如转移指令、乘法指令，则需要两个或者两个以上的机器周期。系统时钟：系统时钟就是CPU指令运行的频率，这个才是CPU真正的频率。单片机内部所有工作，都是基于由晶振产生的同一个触发信号源，由这个信号来同步协调工作步骤，我们把这个信号称为系统时钟，系统时钟一般由晶振产生，但在单片机内部系统时钟不一定等于晶振频率，有可能小于晶振频率，也有可能大于晶振频率，具体是多少由单片机内部结构决定，正常情况和晶振频率会存在一个整数倍关系。系统时种是整个单片机工作节奏的基准，它每振荡一次，单片机就被触发执行一次操作。 一般来说,单片机只有一个时钟源.用了外部晶振,就不用内部RC,用了内部RC,就不用外部晶振. 振荡器振荡,产生周期波.单片机在这样的周期波的作用一下有规律的一拍一拍的工作,波的频率越高,单片工作得就越快,波的频率越低,单片机工作得就越慢。 二、定时器的工作原理有了以上的概念以后，就可以正确的理解定时器的工作原理了，在8051单片机中，有2个定时器，如果定时器1工作在模式1下，如工作模式1下，是16位的计时器，最大数值是65535,当再加1时（65536），就会发生溢出，产生中断，所以如果我们要它计1000个数， 那么定时初值就是655361000，结果就是64536，这个值送给TH、TL，因为是16进制的，所以高位是64536/256取商，低位是64536%256取余。 一般我们取12M晶振时，一个周期刚好是1us，计数1000个就是1ms，这是因为标准的51单片机是12时钟周期的（STC有6时钟和1时钟方式）。那么，如果我们晶振是12M，就比较好算，如果是其它的，就用12去除好了。比如是6M的，那么就是12/62，每个计数是2us，那么你要定时1ms就只要计数500个即可以。 定时器的初值跟定时器的工作方式，跟晶振频率都有关系。一个机器周期Tcy=晶振频率X12，计数次数N=定时时间t/机器周期Tcy，那么初值就X=65536-N，得出的数化成十六进制就行了。这里是用定时器O工作方式1做例子，如果是其它工作方式，就不能是65535了。工作方式0是8192，方式2，3是256。公式：TH(65536-time/(12/ft)/256其中，time就是要延时的100ms（要取100000us），ft是晶振频率。这个式子又可以简化成TH(65536-time*ft/12)/256TL(65536-time*ft/12)%256另一种方式计算定时初值的：TH0=-(50235/256);  /重装100ms定时初值TL0=-(50235%256);    /这里使用的6M晶体，那么，定时器初值要 65536-5000015536，转成16进是3CB0。这就是要送给TH（3C） 和TL（B0）的值。在面筋仪的系统中，和面的初始值设为75秒，洗涤的初始时间是17分。在按键中有三个功能按键，分的增加，秒个位增加，分十位增加值。在电机没有起动之前。可以按下按键，修改它们的值。2.1.2时间存贮要对和面和洗涤的初始值设定好之后进行贮存，采用I2C总线挂一个24C01存贮器来实现的。I2C总线是后挂接一个存贮器，可以把和面设定的初值存放在存贮器中。I2C(InterIntegrated Circuit)总线是一种由PHILIPS公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。 I2C总线的结构与原理:I2C总线使用两根信号线来进行数据传输，一根是串行数据线(SDA)，另一根是串行时钟线(SCL)。它允许若干兼容器件(如存储器、A/D和D/A转换器，以及LED、LCD驱动器等)共享总线。 I2C总线上理论上可以允许的最大设备数，是以总线上所有器件的电容总和不超过400pF为限(其中包括连线本身的电容和与它连接端的引出电容)，总线上所有器件要依靠SDA发送的地址信号寻址，不需要片选线。任何时刻总线只能由一个主器件控制，各从器件在总线空闲时启动数据传送，由I2C总线仲裁来决定哪个主器件控制总线。SDA与SCL为双向I/O线，都是开漏极端(输出1时，为高阻抗状态)。因此I2C总线上的所有设备的SDA、SCL引脚都要外接上拉电阻。目前有的单片机内部直接集成了I2C处理模块，对于没有集成I2C处理模块的单片机可以用单片机的通用IO口线来模拟SDA和SCL，如2.2图所示。在I2C总线中，具有主控能力的器件的数据传输和寻址也是在仲裁中进行的。当有多个主控器企图同时占用总线传输数据时，根据I2C总线的规约它们之间会有一个仲裁过程，以决定谁将占用总线。仲裁是在时钟线SCL为高电平时，根据数据线SDA的状态进行的。因此，仲裁过程和时钟电平、数据线状态是相辅相成的。也正是这种相辅相成的机制，使在总线仲裁过程中，当有其他主控器在数据线上传送低电平时，发送高电平的主控器将会发现此时数据线上的电平与其输出电平不一致，从而被裁决失去总线的主控权，并立即关闭其数据输出。图 2.2单片机挂载多个I2C设备原理I2C总线的时序分析I2C总线系统是由SCL（串行时钟）和SDA（串行数据）两根总线构成的。该总线有严格的时序要求，总线工作时，由串行时钟线SCL传送时钟脉冲，由串行数据线SDA传送数据。总线协议规定，各主节点进行通信时都要有起始、结束、发送数据和应答信号器9 。这些信号都是通信过程中的基本单元。总线传送的每1帧数据均是1个字节，每当发送完1个字节后，接收节点就相应给一应答信号。协议规定，在启动总线后的第1个字节的高7位是对从节点的寻址地址，第8位为方向位（“0”表示主节点对从节点的写操作；“1”表示主节点对从节点的读操作），其余的字节为操作数据。图2.3列出I2C总线上几个基本信号的时序。假定使用单片机P1.0模拟I2C总线的SDA，P1.1模拟I2C总线的SCL。图 2.3 I2C总线基本时序（1） 总线空闲I2C总线在空闲状态时，也就是不在进行任何操作控制时，数据线SDA和时钟线SCL总是处于高电平输出状态。当操作控制系统时， I2C总线的主机将发出启动信号，使数据线SDA由高电平变为低电平，同时时钟线SCL也发出时钟信号，程序实现如下： SCL_I2C BIT P1.1；预定义I2C总线的SCL SDA_I2C BIT p1.0；预定义I2C总线的SDA SETB SCL_I2C SETB SDA_I2C（2）开始信号SCL保持高电平的状态下，SDA出现下降沿。出现开始信号以后，总线被认为"忙"，时序图如图2.3 所示,程序实现如下：Start: SETB SDA_I2C ;发送起始条件的数据信号 SETB SCL_I2CNOP NOP CLR SDA_I2C ;发送起始信号NOP NOP NOP CLR SCL_I2C ;钳住I2C总线准备发送或接受数据 RET（3）停止信号 SCL保持高电平的状态下，SDA出现上升沿。停止信号过后，总线被认为"空闲"，如图2.3 所示，程序实现如下：Stop: CLR SDA_PCF8563 ;发送停止条件的数据信号 NOP NOP NOP SETB SCL_PCF8563 ;发送停止条件的时钟信号 NOP ;起始条件建立时间大于4s NOP NOP SETB SDA_PCF8563 ;发送I2C总线停止信号 RET2.2电机的PWM控制本次设计PWM产生模块的主要内容就是要设计一个可调占空比的PWM来控制水泵电机的转速。而PWM占空比的调节是通过定时器T1赋一定值，把从51芯片上引出一个引脚在一定时间内赋值1或赋值得0，形成不同占空比的脉冲。由于直流电机的实际转速与设定值之间有一定的关联，改变PWM的占空比，从而实现调整水泵电机的转速的功能。2.2.1 PWM的定义脉冲宽度调制（PWM）是英文Pulse Width Modulation的缩写，简称脉宽调制。它是利用微处理器的数字信号输出来对模拟电路进行控制的一种很有效的技术，广泛应用于测量、通信、功率控制和变换等很多领域的一种模拟控制方式。根据载荷的变化来调节晶体管的栅极或者基极的偏置，从而实现开关稳压电源输出晶体管或者晶体管的导通时间的改变，这种方式使得电源输出电压在工作条件变化的时候还能够保持恒定。脉冲宽度调制（PWM）是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平新星编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有（on），要么完全无（off）。电压或者电流源是以一种通或者断的重复脉冲序列被加到模拟负载上去。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何的模拟值都可以使用PWM来进行编码。2.2.2 PWM的调速原理PWM是通过固定电压的直流电源的开关频率，来改变负载的两端电压，从而达到能够控制的要求的一种电压调制方法。在PWM驱动控制的调速系统中，按照一个固定频率来联通和关断电源，并且根据需要改变一个周期内联通和关断时间的长短 。通过改变直流电机电枢上电压的占空比来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速。因此PWM又被称为开关驱动装置。在脉冲的作用下，当电机通电的时候，速度加快；电机断电的时候，速度减慢。只要按照一定的规律，改变电机的平均速度得到控制。假设电机始终接通电源，电机转速最大为Vmax，假设占空比为D=t1/T，则电机的平均速度为Vd=Vmax*D。由此可见，当我们改变占空比D=t1/T的时候，就可以得到不同的电机平均速度Vd，从而达到调速的目的。严格来讲，平均速度Vd与占空比D并不是十分严格的线性关系，但在一般应用中，可以将其近似看成线性关系。2.2.3 PWM的控制方法1.相电压控制PWM等脉宽PWM法1VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)装置在早期是采用PAM（Pulse Amplitude Modulation）控制技术来实现的，其逆变器部分只能输出频率可调的方波电压而不能调压。等脉宽PWM法正是为了克服PAM法的这个缺点发