实验内容

1. 在液晶显示屏上显示出直流电机的：当前转速、低目标转速、高目标转速。
2. 固定向P1.1输出0，然后测量每秒钟电机转动的转数，将其显示在数码管，每秒刷新一次即可。
3. 使用脉宽调制的方法，动态调整向P1.1输出的内容，使得电机转速能够稳定在一个预定值附近，同时实时显示当前转速。
4. 根据输入修改电机得目标转速值，设置两个转速目标值：低转速和高转速。
5. 每隔一秒钟读取两个开关的状态，如果S1按下，动态调整输出，使得电机转速能够稳定到低转速目标值附近，如果S2按下，动态调整输出，使得电机转速能够稳定到高转速目标值附近。交替显示目标值和当前转速值。

1 基础知识

1.1 占空比

使用单片机实现PWM，就是根据预定的占空比δ来输出0和1，这里δ就是控制变量。最简单的办法就是以某个时间单位（如0.1ms，相当于10kHz）为基准，在前N段输出1，后M-N段输出0，总体的占空比就是N/M。这种方法由于0和1分布不均匀，所以要求基准频率要足够高，否则会出现颠簸现象

1.2 累加进位法：

设置一个累加变量x，每次加N，若结果大于等于M，则输出1，并减去M；否则输出0。这样整体的占空比也是N/M。在实验中取M=256可以使程序更加简单。
另外，由于本实验板的设计，输出0使电机工作。因此对于本实验，上面所说的0和1要翻转过来用。
（注意: 结果大于等于M,不是大于M，具体原因看思考题第二问）

这次我把思考题放到了前面，因为好不容易画一回图，必须得放前面( •̀ ω •́ )✧

2 思考题

1. 讨论脉宽调速和电压调速的区别、优缺点和应用范围。

• 区别：
  脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）是一种能够通过开关量输出达到模拟量输出效果的方法。脉宽调速就是利用脉宽调制，以数字方式调节电机转速。
  而电压调速，则是通过：直接调节电压这个模拟量来调节电机转速。
• 优缺点（脉宽调速对应于PWM，电压调速对应于模拟电路）：

尽管模拟控制看起来可能直观而简单，但它并不总是非常经济或可行的。其中一点就是，模拟电路容易随时间漂移，因而难以调节。能够解决这个问题的精密模拟电路可能非常庞大、笨重(如老式的家庭立体声设备)和昂贵。模拟电路还有可能严重发热，其功耗相对于工作元件两端电压与电流的乘积成正比。模拟电路还可能对噪声很敏感，任何扰动或噪声都肯定会改变电流值的大小。

• 通过以数字方式控制模拟电路，可以大幅度降低系统的成本和功耗。此外，许多微控制器和DSP已经在芯片上包含了PWM控制器，这使数字控制的实现变得更加容易了。
• PWM的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，也才能对数字信号产生影响。（来源）

应用范围：

电压调速工作时不能超过特定电压，优点是机械特性较硬并且电压降低后硬度不变，稳定性好，适用于对稳定性要求较高的环境。脉宽调速可大大节省电量，具有很强的抗噪性，且节 约空间、比较经济，适用于低频大功率控制。（这段是从上届学长学姐那摘的，因为我没找到相关的资料。。。）

2. 说明程序原理中累加进位法的正确性。
   先来举几个例子感受和验证一下
   
   占空比：128/256=1/2
   
   占空比：64/256=1/4
   
   占空比：192/256=3/4
   
   占空比：129/256
   注意第二排的“128 1”那块。从x=129到第二次x=129之间有256个时间片，其中有129个是高电平，127个是低电平，多出来的那个高电平就是“128 1”里的那个x=1时的高电平。
   证明：
   x+N<M的为低，x从0开始，到刚好x+N>=M之前有(M/N-1)次低电平，之后会有一次高电平。
   这是从平均的角度来说的，即：平均(M/N-1)次低电平后会有一次高电平
   因为M/N不一定能恰好除尽，所以我们两边同时乘上N
   得 ：(M-N)次低电平 N次高电平。恰好对应于占空比的概念。

3. 计算转速测量的最大可能误差，讨论减少误差的办法。
   最多差1转。
   如果转轮的那个孔起始位置在光电对管旁边且刚好挡住光电对管，也就是只要稍微转一转就会触发一次外部中断，那测第一转的时候就会多算一转。1s时间到的时候也可能恰好挡住光电对管，那就会少算一转。
   减少误差的办法：
   如果在变速过程中我觉得这种误差是无法避免的，如果是最后稳定状态了，那相邻两次测量结果取平均就好了，因为你上次多算一转，下次就会少算一转，一取平均刚刚好。

3 设置INT0为下降沿触发

IT0=1;

3.1 控制寄存器 TCON

控制寄存器 TCON 的高 4 位存放定时器的运行控制位和溢出标志位，低 4 位 存放外部中断控制位，格式如下：

ITn 是外部中断的触发方式控制位。当 ITn＝0 时是电平触发方式，外部引脚 出现低电平时产生中断请求。当 ITn＝1 时是边沿触发方式。

4 完整代码

注意：本代码的显示没有完全按照实验内容要求的“交替显示目标值和当前转速值”而是同时显示两者了，因为我觉着这样比较清楚。

#include <REG51.h>
#include <intrins.h>
int cur_speed = 0, low_target = 100, high_target = 180;
int speed = 0;
int x = 0;
int M = 512;
int CUR_N = 96, LOW_N = 72, HIGH_N = 128; //这是M=512时对应的参数
//之所以选择512而不是256主要是因为接近目标速度时更容易进行微小的调整//int CUR_N=48,LOW_N=36,HIGH_N=64;//这是M=256时对应的参数
//N 为48时 转速为130-155zhuan/s
//64 190z/s 这个转速只是个大概，不同的机器，相同的机器不同的时间都会有差别
//36 94z/s//LCD显示部分对实验5的LCD显示部分稍作修改就行
enum SCREEN_CHOICE
{LEFT,  //左半屏RIGHT, //右半屏WHOLE  //全屏
};
char DISPALY_PAGE = 0;
//定义LCD引脚
#define LCD_DATA P2 //P2口为LCD的数据口
sbit RST = P1 ^ 5;  //复位引脚
sbit CS1 = P1 ^ 7;  //左半屏选择
sbit CS2 = P1 ^ 6;  //右半屏选择
sbit BUSY = P2 ^ 7; //BUSY位
sbit E = P3 ^ 3;    //使能引脚
sbit RW = P3 ^ 4;   //读/写选择器引脚(R/W)
sbit RS = P3 ^ 5;   //数据/命令选择器引脚(R/S)
//LCD 汉字字码 一个汉字32个字节，分别为“当”，“前”，“转”，“速”，“低”，“目”，“标”，“高”
char code dang[] = {0x00, 0x40, 0x42, 0x44, 0x58, 0x40, 0x40, 0x7F, 0x40, 0x40, 0x50, 0x48, 0xC6, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x40, 0x44, 0x44, 0x44, 0x44, 0x44, 0x44, 0x44, 0x44, 0x44, 0x44, 0xFF, 0x00, 0x00, 0x00};
char code qian[] = {0x08, 0x08, 0xE8, 0x29, 0x2E, 0x28, 0xE8, 0x08, 0x08, 0xC8, 0x0C, 0x0B, 0xE8, 0x08, 0x08, 0x00, 0x00, 0x00, 0xFF, 0x09, 0x49, 0x89, 0x7F, 0x00, 0x00, 0x0F, 0x40, 0x80, 0x7F, 0x00, 0x00, 0x00};
char code zhuan[] = {0xC8, 0xB8, 0x8F, 0xE8, 0x88, 0x88, 0x40, 0x48, 0x48, 0xE8, 0x5F, 0x48, 0x48, 0x48, 0x40, 0x00, 0x08, 0x18, 0x08, 0xFF, 0x04, 0x04, 0x00, 0x02, 0x0B, 0x12, 0x22, 0xD2, 0x0A, 0x06, 0x00, 0x00};
char code su[] = {0x40, 0x40, 0x42, 0xCC, 0x00, 0x04, 0xF4, 0x94, 0x94, 0xFF, 0x94, 0x94, 0xF4, 0x04, 0x00, 0x00, 0x00, 0x40, 0x20, 0x1F, 0x20, 0x48, 0x44, 0x42, 0x41, 0x5F, 0x41, 0x42, 0x44, 0x48, 0x40, 0x00};
char code di[] = {0x00, 0x80, 0x60, 0xF8, 0x07, 0x00, 0xFC, 0x84, 0x84, 0x84, 0xFE, 0x82, 0x83, 0x82, 0x80, 0x00, 0x01, 0x00, 0x00, 0xFF, 0x00, 0x00, 0xFF, 0x40, 0x20, 0x00, 0x41, 0x8E, 0x30, 0x40, 0xF8, 0x00};
char code mu[] = {0x00, 0x00, 0xFE, 0x22, 0x22, 0x22, 0x22, 0x22, 0x22, 0x22, 0x22, 0x22, 0xFE, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0xFF, 0x42, 0x42, 0x42, 0x42, 0x42, 0x42, 0x42, 0x42, 0x42, 0xFF, 0x00, 0x00, 0x00};
char code biao[] = {0x10, 0x10, 0xD0, 0xFF, 0x90, 0x10, 0x20, 0x22, 0x22, 0x22, 0xE2, 0x22, 0x22, 0x22, 0x20, 0x00, 0x04, 0x03, 0x00, 0xFF, 0x00, 0x13, 0x0C, 0x03, 0x40, 0x80, 0x7F, 0x00, 0x01, 0x06, 0x18, 0x00};
char code gao[] = {0x04, 0x04, 0x04, 0x04, 0xF4, 0x94, 0x95, 0x96, 0x94, 0x94, 0xF4, 0x04, 0x04, 0x04, 0x04, 0x00, 0x00, 0xFE, 0x02, 0x02, 0x7A, 0x4A, 0x4A, 0x4A, 0x4A, 0x4A, 0x7A, 0x02, 0x82, 0xFE, 0x00, 0x00};
//LCD 数字字码 一个数字16个字节
char code NUMBER[10][16] = {{0x00, 0xE0, 0x10, 0x08, 0x08, 0x10, 0xE0, 0x00, 0x00, 0x0F, 0x10, 0x20, 0x20, 0x10, 0x0F, 0x00}, /*"0"*/{0x00, 0x10, 0x10, 0xF8, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x20, 0x20, 0x3F, 0x20, 0x20, 0x00, 0x00}, /*"1"*/{0x00, 0x70, 0x08, 0x08, 0x08, 0x88, 0x70, 0x00, 0x00, 0x30, 0x28, 0x24, 0x22, 0x21, 0x30, 0x00}, /*"2"*/{0x00, 0x30, 0x08, 0x88, 0x88, 0x48, 0x30, 0x00, 0x00, 0x18, 0x20, 0x20, 0x20, 0x11, 0x0E, 0x00}, /*"3"*/{0x00, 0x00, 0xC0, 0x20, 0x10, 0xF8, 0x00, 0x00, 0x00, 0x07, 0x04, 0x24, 0x24, 0x3F, 0x24, 0x00}, /*"4"*/{0x00, 0xF8, 0x08, 0x88, 0x88, 0x08, 0x08, 0x00, 0x00, 0x19, 0x21, 0x20, 0x20, 0x11, 0x0E, 0x00}, /*"5"*/{0x00, 0xE0, 0x10, 0x88, 0x88, 0x18, 0x00, 0x00, 0x00, 0x0F, 0x11, 0x20, 0x20, 0x11, 0x0E, 0x00}, /*"6"*/{0x00, 0x38, 0x08, 0x08, 0xC8, 0x38, 0x08, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x3F, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00}, /*"7"*/{0x00, 0x70, 0x88, 0x08, 0x08, 0x88, 0x70, 0x00, 0x00, 0x1C, 0x22, 0x21, 0x21, 0x22, 0x1C, 0x00}, /*"8"*/{0x00, 0xE0, 0x10, 0x08, 0x08, 0x10, 0xE0, 0x00, 0x00, 0x00, 0x31, 0x22, 0x22, 0x11, 0x0F, 0x00},/*"9"*/};
//英文字符，/*"/" 和 "s",":"*/
char code per[] = {0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0xC0, 0x38, 0x04, 0x00, 0x00, 0x60, 0x18, 0x07, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00};
char code s[] = {0x00, 0x00, 0x80, 0x80, 0x80, 0x80, 0x80, 0x00, 0x00, 0x33, 0x24, 0x24, 0x24, 0x24, 0x19, 0x00};
//colon是冒号的意思
char code colon[] = {0x00, 0x00, 0x00, 0xC0, 0xC0, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x30, 0x30, 0x00, 0x00, 0x00};
//函数声明
void delay_nops(int);
void turn_on_display();
void display_result();
void init_lcd();
void wait_until_not_busy();
void choose_screen(enum SCREEN_CHOICE screen);
void clear(enum SCREEN_CHOICE);
void set_page(char);
void set_col(char);//LCD初始化函数
void init_lcd()
{wait_until_not_busy();RST = 0; //复位delay_nops(200);RST = 1;delay_nops(200);turn_on_display();clear(WHOLE); //清屏 这个必须有!因为复位后显示RAM不会自动清0
}//读取LCD状态字
void get_lcd_sw()
{RS = 0;RW = 1;E = 1;
}
//等待直到LCD非忙
void wait_until_not_busy()
{get_lcd_sw();while (BUSY){}// E = 0;
}
//写控制lcd代码
void set_lcd(char control_code)
{wait_until_not_busy();RS = 0;RW = 0;LCD_DATA = control_code;//下跳沿写入E = 1;delay_nops(200);E = 0;
}
//写LCD数据
void lcd_data_write(char lcd_data)
{wait_until_not_busy();RS = 1;RW = 0;LCD_DATA = lcd_data;//下跳沿写入E = 1;delay_nops(200);E = 0;
}
//设置显示行
void set_row(char row)
{row = row & 0x3f; //Row范围0到63,高两位清零set_lcd(0xc0 + row);
}
//设置显示列
void set_col(char col)
{col = col & 0x3f; //Col范围0到63,高两位清零set_lcd(0x40 + col);
}
//设置显示页
void set_page(char page)
{page = page & 0x07; //Page范围0到7,取低三位set_lcd(0xb8 + page);
}
//开显示
void turn_on_display()
{set_lcd(0x3f);
}
//选择屏
void choose_screen(enum SCREEN_CHOICE screen)
{switch (screen){case LEFT:CS1 = 1;CS2 = 0;break; //左屏case RIGHT:CS1 = 0;CS2 = 1;break; //右屏case WHOLE:CS1 = 1;CS2 = 1;break; //全屏default:CS1 = 1;CS2 = 1;break; //全屏}
}
//清屏
void clear(enum SCREEN_CHOICE screen)
{int i, j;choose_screen(screen);for (i = 0; i < 8; i++){set_page(i);set_col(0x00);/*注意这里的j是从0到63因为如果我们选择全屏的话，它也不是把整块屏幕算做一个屏，而是同时对左右两个半屏做相同的操作。所以最多能操作的列数还是64列。*/for (j = 0; j < 64; j++){lcd_data_write(0x00);}}
}//显示汉字
void display_Chinese(enum SCREEN_CHOICE screen, char page, char col, char *Chinese)
{//汉字是16*16，即16行，16列。一页有8行，所以需要两页int i = 0;choose_screen(screen);set_page(page);set_col(col);//汉字的上半部分for (i = 0; i < 16; i++){lcd_data_write(Chinese[i]);}//汉字的下半部分set_page(page + 1);set_col(col);for (i = 16; i < 32; i++){lcd_data_write(Chinese[i]);}
}
//显示英文字符
void display_number(enum SCREEN_CHOICE screen, char page, char col, char *English)
{//数字是16*8，即16行，8列。一页有8行，所以需要两页int i = 0;choose_screen(screen);set_page(page);set_col(col);//数字的上半部分for (i = 0; i < 8; i++){lcd_data_write(English[i]);}//数字的下半部分set_page(page + 1);set_col(col);for (i = 8; i < 16; i++){lcd_data_write(English[i]);}
}
//这个函数用来清 低/高目标转速那行字
void clear_lower_part()
{int i, j;for (i = DISPALY_PAGE + 3; i <= DISPALY_PAGE + 4; i++){choose_screen(WHOLE);set_page(i);set_col(0x00);for (j = 0; j < 64; j++){lcd_data_write(0x00);}}
}
//显示当前转速
void display_result_cur()
{int cur_ones, cur_tens, cur_hundreds;cur_hundreds = cur_speed / 100;  //百位cur_tens = cur_speed % 100 / 10; //十位cur_ones = cur_speed % 10;       //个位display_Chinese(LEFT, DISPALY_PAGE, 0, dang);display_Chinese(LEFT, DISPALY_PAGE, 1 * 16, qian);display_Chinese(LEFT, DISPALY_PAGE, 2 * 16, zhuan);display_Chinese(LEFT, DISPALY_PAGE, 3 * 16, su);display_number(RIGHT, DISPALY_PAGE, 0, colon);display_number(RIGHT, DISPALY_PAGE, 1 * 8, NUMBER[cur_hundreds]);display_number(RIGHT, DISPALY_PAGE, 2 * 8, NUMBER[cur_tens]);display_number(RIGHT, DISPALY_PAGE, 3 * 8, NUMBER[cur_ones]);display_number(RIGHT, DISPALY_PAGE, 4 * 8, per);display_number(RIGHT, DISPALY_PAGE, 5 * 8, s);
}//显示低目标转速
void display_result_low()
{int low_ones, low_tens, low_hundreds;display_result_cur();low_hundreds = low_target / 100;low_tens = low_target % 100 / 10;low_ones = low_target % 10;display_Chinese(LEFT, DISPALY_PAGE + 3, 0, di);display_Chinese(LEFT, DISPALY_PAGE + 3, 1 * 16, mu);display_Chinese(LEFT, DISPALY_PAGE + 3, 2 * 16, biao);display_Chinese(LEFT, DISPALY_PAGE + 3, 3 * 16, zhuan);display_Chinese(RIGHT, DISPALY_PAGE + 3, 0, su);display_number(RIGHT, DISPALY_PAGE + 3, 16, colon);display_number(RIGHT, DISPALY_PAGE + 3, 3 * 8, NUMBER[low_hundreds]);display_number(RIGHT, DISPALY_PAGE + 3, 4 * 8, NUMBER[low_tens]);display_number(RIGHT, DISPALY_PAGE + 3, 5 * 8, NUMBER[low_ones]);display_number(RIGHT, DISPALY_PAGE + 3, 6 * 8, per);display_number(RIGHT, DISPALY_PAGE + 3, 7 * 8, s);
}
//显示高目标转速
void display_result_high()
{int high_ones, high_tens, high_hundreds;high_hundreds = high_target / 100;high_tens = high_target % 100 / 10;high_ones = high_target % 10;display_result_cur();//高目标转速display_Chinese(LEFT, DISPALY_PAGE + 3, 0, gao);display_Chinese(LEFT, DISPALY_PAGE + 3, 1 * 16, mu);display_Chinese(LEFT, DISPALY_PAGE + 3, 2 * 16, biao);display_Chinese(LEFT, DISPALY_PAGE + 3, 3 * 16, zhuan);display_Chinese(RIGHT, DISPALY_PAGE + 3, 0, su);display_number(RIGHT, DISPALY_PAGE + 3, 16, colon);display_number(RIGHT, DISPALY_PAGE + 3, 3 * 8, NUMBER[high_hundreds]);display_number(RIGHT, DISPALY_PAGE + 3, 4 * 8, NUMBER[high_tens]);display_number(RIGHT, DISPALY_PAGE + 3, 5 * 8, NUMBER[high_ones]);display_number(RIGHT, DISPALY_PAGE + 3, 6 * 8, per);display_number(RIGHT, DISPALY_PAGE + 3, 7 * 8, s);
}
/* 对于延时很短的，要求在us级的，采用"_nop_"函数，这个函数相当汇编NOP指令，延时几微秒。NOP指令为单周期指令，可由晶振频率算出延时时间，对于12M晶振，12/12M=1uS。*/
void delay_nops(int n)
{while (n--){_nop_();}
}sbit PWM_OUT = P1 ^ 1;
//开关
sbit S1 = P3 ^ 6;
sbit S2 = P3 ^ 7;void int0_service() interrupt 0
{speed++;/*在本实验板中，电机每转动一次，与之相连的偏心轮将遮挡光电对管一次，因此会产生一个脉冲，送到INT0。要测量转速可以测量一秒种之内发生的中断次数。*/
}
//multiple：倍数。24个1/24s的定时器为1s
int multiple = 24;void T0_service() interrupt 1
{int error;//TH0,TL0都是内部自带的寄存器，所以我们无需自己定义寄存器啥的，直接用就行TH0 = 0x5D;TL0 = 0x3E;/*因为执行到这时已经过去了一个定时时间，所以是--multiple不是multiple--即先减multiple后用multiple*/while (--multiple == 0){cur_speed = speed;multiple = 24;if (S1 == 0) //s1按下 低目标转速{CUR_N = LOW_N;/*与low_target+1比较而不是与low_target比较是因为本程序未对速度进行取平均处理，所以最后稳定时速度有+-1的浮动*/if (cur_speed > (low_target + 1)){error = 0.1 * (cur_speed - low_target); //用这个来修正N/*如果error算出来特别小，那强制类型转换后error就是0了所以为了在这种情况下依旧可以调整N，我们可以令error为1*/if (error < 1)error = 1;LOW_N -= error;}else if (cur_speed < (low_target - 1)){error = 0.1 * (low_target - cur_speed);if (error < 1)error = 1;LOW_N += error;}}else if (S2 == 0) //s2按下 高目标转速{CUR_N = HIGH_N;if (speed > high_target + 1){/*注意这里的系数是0.15而低目标时的系数是0.1系数是自己设的，不是用确定的公式计算得到的。之所以这里写0.15是因为如果是0.1那么当speed与high_target相差小于10的时候error就会被置为1，那就会导致speed就会每次变化1。也就是说大约10s后才能到目标值。当系数为0.2时，这个过程需要5s，但是系数越大，稳定前每次调整的幅度就越大，因为这个调整有一定的滞后性，所以如果调整的幅度比较大，就更不容易稳定。所以这里折中考虑选择了0.15;而慢速时，对调整幅度更加敏感，所以低目标那写的是0.1*/error = 0.15 * (speed - high_target);if (error < 1)error = 1;HIGH_N -= error;}else if (speed < high_target - 1){error = 0.15 * (high_target - speed);if (error < 1)error = 1;HIGH_N += error;}}speed = 0;}
}void T1_service() interrupt 3
{TH1 = 0XFF; //0.1msTL1 = 0x9C;x += CUR_N;if (x >= M) //注意这里是大于等于M，不是大于M{PWM_OUT = 0; //输出0使电机工作x -= M;}else{PWM_OUT = 1;}
}void init()
{TMOD = 0x11; //T0，T1作为定时器并工作在方式一TH0 = 0x5D; //1/24sTL0 = 0x3E;TH1 = 0XFF; //0.1msTL1 = 0x9C;ET0 = 1; //允许定时器0 中断ET1 = 1; //允许定时器1 中断IT0 = 1; //设置INT0为下降沿触发EX0 = 1; //允许INT0 中断EA = 1;  //允许CPU响应中断TR0 = 1; //定时器0开始运行TR1 = 1; //定时器0开始运行
}
void main()
{init_lcd();init();while (1){if (S1 == 0) //s1按下 低目标转速{display_result_low();}else if (S2 == 0) //s2按下 高目标转速{display_result_high();}else{display_result_cur();clear_lower_part(); //这里记得清一下 下面那行字，以表示此时没有键按下}}
}