1、吉林建筑大學城建學院電氣信息工程系畢業設計第1章 前言1.1 課題的研究意義現代化的工業生產過程中，幾乎無處不使用電力傳動裝置，尤其是在石油、化工、電力、冶金、輕工、核能等工業生產中對電動機的控制更是起著舉足輕重的作用。因此調速系統成為當今電力拖動自動控制系統中應用最廣泛的一種系統。隨著生產工藝、產品質量要求不斷提高和產量的增長，使得越來越多的生產機械要求能實現自動調速，而且，當今控制系統已進入了計算機時代，在許多領域已實現了智能化控制。對傳統的過程工業而言，利用先進的自動化硬件及軟件組成工業過程自動化調速系統，大大提高了生產過程的安全性、可靠性、穩定性。提高了產品產量和質量、提高了勞動生產率

2、，企業的綜合經濟效益，同時，也大大促進了綜合國力的增強。對可調速的傳動系統，可分為直流調速和交流調速。直流調速系統憑借優良的調速特性，調速平滑、范圍寬、精度高、過載能力大、動態性能好、易于控制以及良好的起、制動性能等優點，能滿足生產過程自動化系統中各種不同的特殊運行要求，所以在電氣傳動中獲得了廣泛應用。為了提高直流調速系統的動靜態性能指標，通常采用閉環控制系統(包括單閉環系統和多閉環系統)。對調速指標要求不高的場合，采用單閉環系統，而對調速指標較高的則采用多閉環系統。按反饋的方式不同可分為轉速反饋，電流反饋，電壓反饋等。在單閉環系統中，轉速單閉環使用較多。本次設計是基于51系列單片機對直流電動

3、機單閉環調速系統進行設計，能實現對直流電動機轉速控制的功能，實現控制目的同時還配有顯示裝置，能實時反映當下直流電機的轉速值，以優化整個系統的完整性。通過這次設計，可以使我對51系列單片機的應用和直流電機閉環調節系統進行進一步的學習，增強知識的整合度使相關知識融匯貫通，為以后的工作奠定一定的知識基礎。1.2 直流電機調速的發展由于直流電動機具有極好的運動性能和控制特性，盡管它不如交流電動機那樣結構簡單、價格便宜、制造方便、維護容易，但是長期以來，直流調速系統一直占據壟斷地位。當然，近年來，隨著計算機技術、電力電子技術和控制技術的發展，交流調速系統發展快，在許多場合正逐漸取代直流調速系統。但是就目

4、前來看，直流調速系統仍然是自動調速系統的主要形式。在我國許多工業部門，如軋鋼、礦山采掘、海洋鉆探、金屬加工、紡織、造紙以及高層建筑等需要高性能可控電力拖動場合，仍然廣泛采用直流調速系統。而且，直流調速系統在理論和實踐上都比較成熟，從控制技術角度來看，它又是交流調速系統的基礎。因此加強對直流調速系統的發展有利于更進一步發展交流調速系統，促進調速系統的進一步完善。首先直流調速系統的發展過程是一個從簡單到復雜、從開環到閉環、從單環到多環、從單向調速到可逆調速的不斷豐富完善的過程。不僅存在從單一調速方式向多種調速方式的縱向發展過程，而且每一種調速系統本身也都在發展完善之中。如開環閉環、單閉環、雙閉環、

5、三環、有環流可逆調速系統和無環流可逆調速系統都在不斷的完善和發展之中。單閉環不僅是轉速閉環一種，根據應用要求不同可以采用電壓負反饋、電流補償等替代措施。有環流可逆調速系統目前有兩種，無環流可逆調速系統目前有三種，它們都在不斷完善和發展之中。其次，直流調速系統的產生與發展都與其他學科存在緊密聯系。第一它與電機學有緊密地聯系，因為對于調速來說，電機是控制對象，對控制對象的研究越深入控制效果才會越好。第二與半導體變流技術的發展密不可分，電力電子技術元器件的性能越好可供選擇的種類越多，調速系統的性能才會越好。微型計算機的發展，尤其是微控制器的發展為直流調速系統的進一步發展插上了翅膀。微控制器在這里的應

6、用，改變了控制系統的結構，改變了傳感元件的檢測技術，并且使各種先進控制算法得以實現。任何設計都不是終極設計，都在隨著其他科技的發展而不斷完善。1.3 設計任務內容根據課題要求研制以單片機為核心的直流電機測速控制系統。系統設計主要包含以下任務：1、實現對直流電機轉速的測量；2、通過按鍵調節電機轉速值，在電機轉速的可控范圍內控制電機轉速；3、實時顯示直流電機轉速實際測量值；4、利用控制電機定子電壓接通和斷開的占空比（PWM），即脈寬調速；本設計采用紅外對射傳感器將轉速轉換成頻率與速度一一對應的脈沖信號，將脈沖信號送給單片機進行檢測，最終計算出電機的轉速。采用四位一體八段數碼管顯示器，顯示測量值。對

7、于直流電機的轉速控制，選擇合適的PWM方式驅動實現。設計的總體模塊化方案如圖1-1所示，整個設計采用模塊化設計、分布調試、整體組合的方法。AT89S52單片機（測速、調速、顯示、計算、按鍵輸入及系統控制）顯示器按鍵測速電路直流電機直流電機驅動電路PWM圖1-1 系統設計總體模塊化方案第2章 系統組成模塊原理概述2.1 直流電機概述2.1.1 直流電機結構直流電機的結構應由定子和轉子兩大部分組成。直流電機運行時靜止不動的部分稱為定子，定子的主要作用是產生磁場，由機座、主磁極、換向極、端蓋、軸承和電刷裝置等組成。運行時轉動的部分稱為轉子，其主要作用是產生電磁轉矩和感應電動勢，是直流電機進行能量轉換

8、的樞紐，所以通常又稱為電樞，由轉軸、電樞鐵心、電樞繞組、換向器和風扇等組成。直流電機的結構如圖2-1所示。圖2-1 直流電機結構圖2.1.2 直流電機工作原理直流電機模型如圖2-2所示，磁極N,S間裝著一個可以轉動的鐵磁圓柱體，圓柱體的表面固定著線圈abcd。當線圈流過電流的時候，線圈受到電磁力的作用，產生旋轉。根據左手定則可知，當流過線圈中電流改變方向時，線圈的受力方向也將改變，因此通過改變線圈電流的方向實現改變電機的方向。圖2-2 直流電機工作原理模型2.1.3 直流電機主要技術參數額定功率Pn：在額定電流和電壓下，電機的負載能力。額定電壓Ue：長期運行的最高電壓。額定電流Ie：長期運行的

9、最大電流。額定轉速n：單位時間里面電機轉速的快慢。勵磁電流If：施加到電極線圈上的電流。2.1.4 直流電機的調速的技術指標1.調速范圍 調速范圍是指最低可控轉速到最高可控轉速的范圍，最低可控轉速對最高可控轉速的比值，叫電機的調速比。2.調速的相對穩定性和靜差度 所謂相對穩定性，是指負載轉矩在給定的范圍里面變化所引起的速度的變化，它決定于機械特性的斜率。靜差度（又稱靜差率）是指當電動機在一條機械特性上運行時，由理想空載到滿載時的轉速降落與理想空載轉速n0的比值。用百分數表示，即 （2-1）在一般的情況下，取額定轉矩下的速度落差，有 （2-2）3.調速的平滑性調速的平滑性是在一定的調速范圍內，相

10、鄰兩極速度變化的程度，用平滑系數表示，即 (2-3)式中和相鄰兩極，即i級與i-1級的速度4.調速時的容許輸出 調速時的容許輸出是指電動機在得到充分利用的情況下，在調速的過程中軸能夠輸出的功率和轉矩。2.2 單片機概述2.2.1 單片機的簡介單片機是一種集成在電路芯片，是采用超大規模集成電路技術把具有數據處理能力的中央處理器CPU隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統、定時器/計時器等功能（可能還包括顯示驅動電路、脈寬調制電路、模擬多路轉換器、A/D轉換器等電路）集成到一塊硅片上構成的一個小而完善的計算機系統。2.2.2 單片機的發展史1.四位單片機1975年，美國德克薩斯

11、公司首次推出4位單片機TMS-1000，此后各個計算機公司競相推出4位單片機。日本松下公司的MN1400系列。美國洛克威爾公司的PPS/1系列等。4位單片機的主要的應用的領域有：PC機的輸入裝置、電池的充電器、運動器材、帶液晶顯示器的音/視頻產品控制器、一般家用電器的控制及遙控器、電子玩具、鐘表、計算器、多功能電話等。2.八位單片機1972年，美國Intel公司首先推出8位微處理器8008，并與1976年9月率先推出MCS-48系列單片機。在這以后，8位單片機紛紛面世。例如莫斯特克和仙童公司合作生產的3870系列，摩托羅拉公司生產的6801系列等。隨著集成電路工藝水平的提高，一些高性能的8位單

12、片機相繼問世，例如1978年摩托羅拉公司的MC6801。這類單片機的尋址能力達到64KB，片內ROM的容量達4-8KB，片內除帶有并行I/O口，甚至還有A/D轉換器的功能。8位單片機由于性能強大，被廣泛用于自動化裝置，智能接口，過程控制等各領域。3.十六位單片機1983年以后，集成電路的集成度可達幾十萬只管/片，各系列16位單片機紛紛面世，這一階段的代表產品有1983年Intel公司推出的MCS-96系列，1987年Intel公司推出了80C96 ，美國半導體公司推出了HPC16040。16位單片機主要用于工業控制，智能儀器儀表等場合。4.三十二位單片機隨著高新技術智能機器人，激光打印機，圖像

13、與數據實時處理，復雜實時控制，網絡服務器等領域的應用和發展，20世紀80年代末，推出了32位單片機，如摩托羅拉公司的MC683XX系列。32位單片機是單片機的發展趨勢，隨著技術的發展和開發成本的降低，將會和8位單片機并駕齊驅。5.六十四位單片機近年來，64位單片機在引擎控制，智能機器人，磁盤控制，算法密集的實時控制場所已有應用。如英國的Inmos 公司的Transputer T800是高性能的64位單片機。2.2.3 單片機的特點1.高集成度，體積小，高可靠性 單片機將各功能部件集成在一塊晶體芯片上，集成度很高，體積自然也是最小的。芯片本身是按工業測控環境要求設計的，內部布線很短，其抗工業噪音

14、性能優于一般通用的CPU。單片機程序指令，常數及表格等固化在ROM中不易破壞，許多信號通道均在一個芯片內，故可靠性高。 2.控制功能強 為了滿足對對象的控制要求，單片機的指令系統均有極豐富的條件，即分支轉移能力，I/O口的邏輯操作及位處理能力，非常適用于專門的控制功能。 3.低電壓，低功耗，便于生產便攜式產品 為了滿足廣泛使用于便攜式系統，許多單片機內的工作電壓僅為1.8V3.6V，而工作電流僅為數百微安。 4.易擴展 片內具有計算機正常運行所必需的部件。芯片外部有許多供擴展用的三總線及并行、串行輸入/輸出管腳，很容易構成各種規模的計算機應用系統。 5.優異的性能價格比 單片機的性能極高。為了

15、提高速度和運行效率，單片機已開始使用RISC流水線和DSP等技術。單片機的尋址能力也已突破64KB的限制，有的已可達到1MB和16MB，片內的ROM容量可達62MB，RAM容量則可達2MB。由于單片機的廣泛使用，因而銷量極大，各大公司的商業競爭更使其價格十分低廉，其性能價格比極高。2.2.4 AT89S52單片機介紹AT89S52單片機是一款低功耗、低電壓、高性能CMOS8位單片機，片內含8KB（可經受1000次擦寫周期）的FLASH可編程可反復擦寫的只讀程序存儲器（EPROM），器件采用CMOS工藝和ATMEL公司的高密度，非易失性存儲器（NURAM）技術制造，其輸出引腳和指令系統都與MCS

16、-51兼容，片內的FLASH存儲器允許在系統內可改編程序或用常規的非易失性存儲編程器來編程。因此，AT89S52是一種功能強，靈活性高且價格合理的單片機，可方便的應用在各個控制領域。AT89S52單片機引腳結構如圖2-3所示。AT89S52具有以下主要性能：1.8KB可改編程序FLASH存儲器；2.全表態工作 ：024HZ；3.256X8字節內部RAM；4.32個外部雙向輸入，輸出（I、O）口；圖2-3 AT89S52引腳說明部分引腳功能說明如下：VCC：電源電壓。GND：地。P0口：P0口是一組8位漏極開路型雙向I/O口，也即地址/數據線復用口。作為輸出口時，每位能吸收電流的方式驅動8個TT

17、L邏輯門電路，對端口寫“1”可作為高阻抗輸入端。在訪問外部數據儲存器或程序儲存器時，這組口線分時轉換地址（低8位）和數據總線復用，在訪問期間激活內部上拉電阻。FLASH編程時，P0口接收指令字節，而在程序校驗時，輸出指令字節，校驗時，要求外接上拉電阻。P1口：P1是一個帶內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1的輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作為輸入口。作為輸入口使用時，因為內部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流。FLASH編程和程序校驗期間，P1接收低8位地址。P2口：P2是一個帶內部上拉電阻的

18、8位雙向I/O口，P2的輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作為輸入口。作為輸入口使用時，因為內部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流。在訪問外部程序儲存器或16位地址的外部數據儲存器（例如執行MOVXDPTR指令）時，P2口送出高8位地址數據。在訪問8位地址的外部數據儲存器（例如執行MOVXRI指令）時，P2口線上的內容（也即特殊功能寄存器（SFR）區中R2寄存器的內容），在整個訪問期間不改變。FLASH編程或校驗時，P2亦接收高位地址和其他控制信號。P3口：P3是一個帶內部上拉電阻的8位雙向I/O

19、口，P3的輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作為輸入口。作為輸入口使用時，因為內部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流。P3除了作為一般的I/O口線外，更重要的用途是它的第二功能，具體功能說明如表2-1。P3口還接收一些用于FLASH閃速存儲器編程和程序校的控制信號。RST:復位輸入。當振蕩器工作時，RST引腳出現兩個機器周期以上高電平將使單片機復位。ALE/PROG：當訪問外部程序存儲器或數據存儲器時，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節。即使不訪問外部存儲器，ALE仍以是時鐘振

20、蕩頻率的1/6輸出固定的正脈沖信號，因此他可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當訪問外部數據存儲器時將跳過一個ALE脈沖。對FLASH存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（PROG）。如有必要，可通過對特殊功能寄存器（SFR）區中的8EH單元的D0位置位，可禁止ALE操作。該位置位后，只有一條MOVX和MOVC指令ALE才會被激活。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機執行外部程序時，應設置ALE無效。PSEN：程序儲存允許（PSEN）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當AT80C51由外部程序存儲器取指令（或數據）時，每個機器周期兩次PSEN有效，即輸出兩個脈沖。在此期間，當訪問外部數

21、據存儲器，這兩次有效的PSEN信號不出現。EA/VPP：外部訪問允許。欲使CPU僅訪問外部程序儲存器（地址為0000H-FFFFH），EA端必須保持低電平（接地）。需要注意的是：如果加密位LB1被編程，復位時內部會鎖存EA端狀態。如EA端為高電平（Vcc端），CPU則執行內部程序儲存器中的指令。FLASH儲存器編程時，該引腳加上+12V的編程允許電源Vpp，當然這必須是該器件是使用12v編程電壓。XTAL1：振蕩器反相放大器的及內部時鐘發生器的輸入端。XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端表2-1 P3端口第二功能表端口引腳第二功能P3.0RXD(串行輸出口)P3.1TXD(串行輸入口)P3.2

22、INT0（外部中斷0）P3.3INT1（外部中斷1）P3.4T0(定時/計數器0)P3.5T1(定時/計數器0)P3.6WR(外部數據寫選通)P3.7RD(外部數據讀選通)2.3 調速方案的選擇及PWM概述2.3.1 方案的選擇直流電動機的轉速控制方法可以分為兩大類：對勵磁磁通進行控制的勵磁控制法和對電樞電壓進行控制的電樞電壓法。其中勵磁控制法在低速時受磁飽和的限制，在高速時受換向火花和換向器件結構強度的限制。并且勵磁線圈電感較大，動態性能響應較差，所以這種控制方法用的很少，多使用電樞控制法。本設計將采用電樞控制方法對電動機的速度進行控制。某些場合往往要求直流電機的轉速在一定范圍內可調節，例如

23、，電車、機床等，調節范圍根據負載的要求而定。調速可以有三種方法：（1）改變電機兩端電壓；（2）改變磁通；（3）在電樞回路中，串聯調節電阻。本設計采用第一種方法：通過改變施加于電機兩端的電壓大小達到調節直流電機轉速的目的。方案一：PWM波調速采用由達林頓管組成的H型PWM電路（圖2-4）。用單片機控制達林頓管使之工作在占空比可調的開關狀態，精確調整電動機轉速。這種電路由于工作在管子的飽和截止模式下，效率非常高；H型電路保證了可以簡單地實現轉速和方向的控制；電子開關的速度很快，穩定性也極佳，是一種廣泛采用的PWM調速技術。我采用了脈寬調頻方式，因為采用這種方式，電動機在運轉時比較穩定；并且在采用單

24、片機產生PWM脈沖的軟件實現上比較方便。且對于直流電機，采用軟件延時所產生的定時誤差在允許范圍。圖2-4 PWM波調速電路方案二：晶閘管調速采用閘流管或汞弧整流器的離子拖動系統是最早應用靜止式變流裝置供電的直流電動機調速系統。1957年，晶閘管（俗稱“可控硅”）問世，到了60年代，已生產出成套的晶閘管整流裝置，并應用于直流電動機調速系統，即晶閘管可控整流器供電的直流調速系統（V-M系統）。如圖2-5，VT是晶閘管可控整流器，通過調節觸發裝置GT的控制電壓U來移動觸發脈沖的相位；即可改變整流電壓，從而實現平滑調速。晶閘管整流裝置不僅在經濟性和可靠性上都有很大提高，而且在技術性能上也顯示出較大的優

25、越性；晶閘管可控整流器的功率放大倍數在十的四次方以上，其門極電流可以直接用晶體管來控制，不再像直流發電機那樣需要較大功率的放大器。因此，在60年代到70年代，晶閘管可控整流器供電的直流調速系統（V-M系統）代替旋轉變流機組直流電動機調速系統（G-M系統），得到了廣泛的應用。但是由于晶閘管的單向導電性，它不允許電流反向，給系統的可逆運行造成困難；晶閘管對過電壓、過電流和過高的du/dt與di/dt都十分敏感，若超過允許值會在很短的時間內損壞器件。另外，由諧波與無功功率引起電網電壓波形畸變，殃及附近的用電設備，造成“電力公害”，因此必須添置無功補償和諧波濾波裝置。 圖2-5 晶閘管可控整流器供電的

26、直流調速系統（V-M系統）構成直流斬波器的開關器件過去用得較多的是普通晶閘管和逆導晶閘管，它們本身沒有自關斷的能力，必須有附加的關斷電路，增加了裝置的體積和復雜性，增加了損耗，而且由它們組成的斬波器開關頻率低，輸出電流脈動較大，調速范圍有限。自20世紀70年代以來，電力電子器件迅速發展，研制并生產了多種既能控制其導通又能控制其關斷的全控型器件，如門極可關斷晶閘管（GTO）、電力電子晶體管（GTR）、電力場效應管（P-MOSFET）、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）等，這些全控型器件性能優良，由它們構成的脈寬調制直流調速系統（簡稱PWM調速系統）近年來在中小功率直流傳動中得到了迅猛的發展，與V-M

27、調速相比，PWM調速系統有以下優點：采用全控型器件的PWM調速系統，其脈寬調制電路的開關頻率高，一般在幾kHz，因此系統的頻帶寬，響應速度快，動態抗擾能力強。（1）由于開關頻率高，僅靠電動機電樞電感的濾波作用就可以獲得脈動很小的直流電流，電樞電流容易連續，系統的低速性能好，穩速精度高，調速范圍寬，同時電動機的損耗和發熱都較小。（2）PWM系統中，主回路的電力電子器件工作在開關狀態，損耗小，裝置效率高，而且對交流電網的影響小，沒有晶閘管整流器對電網的“污染”，功率因數高，效率高。（3）主電路所需的功率元件少，線路簡單，控制方便。目前，受到器件容量的限制，PWM直流調速系統只用于中、小功率的系統，

28、兼于方案一調速特性優良；調整平滑；調速范圍廣；過載能力大，因此本設計采用方案一。2.3.2 直流電機PWM調速概述PWM(Pulse Width Modulation)即脈沖寬度調制是通過控制固定電壓的直流電源開關頻率，從而改變負載兩端的電壓，進而達到控制要求的一種電壓調制方法。在PWM驅動控制的調制系統中，按一個固定的頻率來接通和斷開電源，并根據需要改變一個周期內“接通”和“斷開”時間的長短。通過改變直流電機電樞上電壓的“占空比”來改變平均電壓的大小，從而控制電動機的轉速。如圖2-6所示，在脈沖作用下，當電機通電時，速度增加；電機斷電時，速度逐漸減少。只要按一定規律，改變通、斷電的時間，即可

29、讓電機轉速得到控制。設電機始終接通電源時，電機轉速最大為Vmax，設占空比為D=t1/T，則電機的平均速度為 Vd=Vmax*D,其中，Vd 為電機的平均速度；Vmax 為電機全通電時的速度(最大)；D=t1/T為占空比。由公式可見，當我們改變占空比D時，就可以得到不同的電機平均速度 ，從而達到調速的目的。圖2-6 脈沖信號作用下電機轉速變換規律2.4 軟件系統簡介本設計使用的軟件是Keil編程軟件。Keil軟件是目前最流行的開發MCS-51系列單片機的軟件，Keil提供了包括C51編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調試器等在內的完整開發方案，通過一個集成開發環境（Vision

30、）將這些部分組合在一起。使用Keil Software工具時的項目開發流程和其他軟件開發項目的流程極其相似：創建一個項目，從器件庫中選擇目標器件，配置工具設置。用C語言或匯編語言創建源程序。用項目管理器生成應用。修改源程序中的錯誤。測試連接應用。一個完整的8051工具集的框圖可以最好地表述上述開發流程，如圖2-7所示。本設計采用C語言進行編程。雖然匯編語言在控制底層硬件方面有著良好的性能且執行效率高，但是編程效率低，可移植性和可讀性差，維護極其不便，從而導致整個系統的可靠性也較差。C語言與匯編語言相較而言有以下優勢：可以大幅加快開發進度，特別是開發一些復雜的系統，程序量越大，用C語言就越有優勢

31、?？梢詫崿F軟件的結構化編程，C語言使得軟件的邏輯結構變得清晰、有條理。省去了人工分配單片機資源（包括寄存器、RAM等）的工作。在匯編語言中要每一個子程序分配單片機的資源，而在C語言中，只要在代碼中聲明一下變量的類型，編譯器就會自動分配相關資源，從而有效地避免了人工分配單片機資源可能帶來的差錯。當寫好一個算法后，需要移植到不同的MCU上時，在匯編語言中只有重新編寫代碼，因而匯編語言的可移植性很差；而用C語言開發時，符合ANSI C標準的程序基本不必修改，只要將一些與硬件相關的代碼做適度的修改，就可以移植到其他種類的單片機上。C語言提供data、idata、pdata、xdata、和code等存儲

32、器類型，針對單片機的內部數據存儲空間、外部數據存儲空間和程序空間自動為變量合理地分配空間，而且C語言提供復雜的數據類型，如指針、數組、結構體等，極大地增強了程序的處理能力和靈活性。C語言較匯編語言的不足之處就是使用C語言寫出來的代碼會比用匯編語言占用的空間大5%20%，所以執行起來效率就不及匯編語言。Vision2集成開發環境C51ANSI C編譯器A51宏編譯器ANSI C標準庫LIB51庫管理器RTX51實時操作系統BL51連接器/定位器Vision2 調試器高速CPU/外設模擬器Monitor-51目標調試器仿真器與PROM編程器高級仿真與目標調試GDI接口圖2-7 Keil Visio

33、n2 軟件開發流程第3章 硬件電路分析與設計3.1控制電路的設計控制電路主要由單片機來控制，編寫一段程序使單片機發出的PWM脈沖來實現對驅動的控制。新一代的單片機增加了很多的功能，其中包括PWM功能。單片機通過初始化設置，使其能自動的發出PWM脈沖波，只有在改變占空比的時候CPU才干預?？刂齐娐返脑O計主要為單片機的最小系統，其中包括時鐘電路，復位電路以及輸入輸出端口。時鐘電路是指就單片機內部每個部件要想協調一致地工作，必須在統一口令時鐘信號的控制下工作。單片機工作所需要的時鐘信號有兩種產生方式，即內部時鐘方式和外部時鐘方式。單片機內部有一個構成振蕩器的增益反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2

34、分別是此放大器的輸入端和輸出端，這個放大器與作為反饋元件的片外晶振一起構成自激振蕩器。在圖3-1中，電容C1和C2取30pf，晶體的振蕩頻率取11.0592MHZ，晶體振蕩頻率高，則系統的時鐘頻率也高，單片機運行速度也就快。圖3-1 晶振電路圖復位電路是指單片機在啟動時都需要復位，使CPU及系統部件處于確定的初始狀態，并從初始狀態開始工作。單片機的復位信號從RST引腳接入到芯片的施密特觸發器中。當單片機系統處于正常工作狀態，且振蕩器穩定后，在每個機器周期都要對RST引腳的狀態進行采樣。當外部通過按鍵手動復位時，單片機內部數據均變成初始狀態。如圖3-2所示。圖3-2 復位電路圖輸入輸出端口是指根

35、據單片機所要實現的功能而與外部進行數據交換的通道，此部分電路依據系統的不同功能而有不同的連接方法，具體依功能而定。本設計中單片機主要用到的I/O接口如表所示。表3-1 主要I/O接口連接方式I/O接口作用P0.0-P0.7傳遞數碼管顯示器段選信號P2.0-P2.3傳遞數碼管顯示器位選信號P1.0-P1.2加速按鍵、減速按鍵、正反轉按鍵輸入P3.2外部中斷輸入口（P3口第二功能）晶振電路、復位電路以及電源統稱為單片機最小系統，其電路圖如圖3-3所示。圖3-3 單片機最小系統3.2隔離電路的設計隔離電路主要作用是防止因電源短路而在電路中產生的電流過大，與單片機直接相連是可能會燒毀單片機而加的保護性

36、電路。正常工作情況下通電后電流經限流電阻通過發光二極管使其導通發光，若電源故障或短路，根據發光二極管的單向導電性，阻止了電流對其他各部分電路的損害。其電路圖如下圖3-4所示。電阻起限流左右。電阻阻值為510。圖3-4 隔離電路原理圖3.3 紅外測速部分電路的設計紅外測速部分，電阻R17用來限制發射二極管的電流。發射管的電流大則發射功率大，但不能超過它的極限電流，它的極限輸入正向電流為50mA。原理圖如圖3-5。圖3-5 紅外測速部分電路原理圖 U3為紅外對射管，其中左側為紅外發射二極管，電機的不同轉速會影響右側的接收，接收到紅外時二極管導通會使兩個二極管的電路內的電流變化，當電流變化時，會通過

37、Q6的基極，當接收到信號時，Q6會導通，當接收不到信號時，回路中沒有電流，Q6斷開，Q6的導通與斷開形成了連續的脈沖，電機的轉速不同，Q6所形成的脈沖的頻率不同，單片機根據輸送的脈沖的頻率的不同根據C語言算法可以測出不同的速度，通過顯示電路顯示。3.4 驅動電路設計通過調節直流電機的電壓可以改變電機的轉速，但是一般我們設計的電源大都是固定的電壓，而且模擬可調電源不易于單片機控制，數字可調電源設計麻煩。所以這里用脈寬調制（PWM）來實現調速。方波的有效電壓跟電壓幅值和占空比有關，我們可以通過改變占空比實現改變有效電壓。一般用軟件模擬PWM可以有延時和定時兩種方法，延時方法占用大量的CPU，所以這

38、里采用定時方法。在實際電路板焊接操作中，為了使電路板美觀、走線方便并正常實現預定功能，我采用了L293D芯片來控制電機PWM輸入，該芯片采用16引腳DIP封裝，其內部集成了雙極型H-橋電路，所有的開量都做成n型。這種雙極型脈沖調寬方式具有很多優點，如電流連續，電機可四角限運行，電機停止時有微振電流，起到“動力潤滑”作用，消除正反向時的靜摩擦死區，低速平穩性好等。L293D通過內部邏輯生成使能信號，使能信號可以用于脈寬調整（PWM）。另外，L293D將2個H-橋電路集成到1片芯片上，這就意味著用1片芯片可以同時控制2個電機。每1個電機需要3個控制信號EN12、IN1、IN2，其中EN12是使能信

39、號。選用一路PWM連接EN12引腳，通過調整PWM的占空比可以調整電機的轉速。L293D的引腳功能如下： P1：控制M1電機PWM1輸入引腳。D1：控制M1電機轉向輸入引腳。P2：控制M2電機PWM2輸入引腳。 D2：控制M2電機轉向輸入引腳。GND：電源地接口。 5V：邏輯電源+5V接口。 VC：輸入電機驅動電壓接口。 GND： 電源地接口。 M1+：M1電機驅動輸出引腳正極。M1-：M1電機驅動輸出引腳負極。M2+：M2電機驅動輸出引腳正極。M2-：M2電機驅動輸出引腳負極。L293D芯片與直流電機連接電路原理圖如圖3-

40、6所示：圖3-6 驅動電路原理圖3.5 顯示電路設計3.5.1 顯示電路方案選擇方案一：采用LCD液晶顯示采用1602液晶顯示，可以顯示數字還可以形象的顯示字母，能顯示相關詞組，還能實現單片機編程控制。1602液晶體積較小，工作亮度可調。但1602編程相對繁瑣，需要獨有的液晶取模軟件來實現，且造價相對較高。方案二：采用八段LED數碼管 采用八段LED數碼管進行速度的測量值的顯示，省電且易編程、操作和控制都比較簡單容易。而且八段LED數碼管成本低廉，使用方便，集成到四位一體的八段LED數碼管還可以采用動態顯示的方法完成多位數據顯示，省時省力。但八段LED數碼管在硬件連接時占用I/O口多。方案論證

41、的結果：根據系統預期完成的要求，顯示部分只做數據的實時顯示，從成本方面考慮選擇八段LED數碼管即可，故選擇方案二。3.5.2 動態顯示概述LED數碼管是一種半導體發光器件，其基本單元是發光二極管，通過對其不同的管腳輸入相對的電流，會使其發亮，從而顯示出數字?？梢燥@示：時間、日期、距離等可以用數字代替的參數。 數碼管按段數分為七段數碼管和八段數碼管，八段數碼管比七段數碼管多一個發光二極管單元（多一個小數點顯示）；按能顯示多少個“8”可分為1位、2位、4位等等數碼管；按發光二極管單元連接方式分為共陽極數碼管和共陰極數碼管。共陽極數碼管是指將所有發光二極管的陽極接到一起形成公共陽極(COM)的數碼管

42、。共陽極數碼管在應用時應將公共極COM接到+5V，當某一字段發光二極管的陰極為低電平時，相應字段就點亮。當某一字段的陰極為高電平時，相應字段就不亮。動態驅動是將所有數碼管的8個顯示筆劃"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端連在一起，另外為每個數碼管的公共極COM增加位選通控制電路，通過由各自獨立的I/O線控制，當單片機的P0口輸出字形碼時，所有數碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個數碼管會顯示出字形，取決于單片機對P2.0-P2.3位選通COM端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數碼管的選通控制打開，該位就顯示出字形，沒有選通的數碼管就不會亮。通過分時輪流控制各個

43、數碼管的COM端，就使各個數碼管輪流受控顯示，這就是動態驅動。在本設計中采用的四位八段數碼管，用動態驅動來顯示測量的值，如圖3-7所示。圖3-7 顯示電路原理圖第4章 軟件系統設計與分析4.1 軟件總體設計分析設計中當單片機上電后，單片機處于上電復位狀態，內部所有定時/計數器清零。軟件部分設計的總體思路如圖4-1所示。在單片機上電后，首先對單片機內部進行初始化，包括所采用的中斷方式，占用的I/O口，定時/計數器的設置等。開始單片機初始化軟件變量初始化PWM初始化結束Y計算電機轉速與給定占空比對應轉速是否相同YPID控制電機檢測轉子位置N圖4-1 軟件系統設計總體流程圖對單片機初始化完成后定義變

44、量，這些變量是指在單片機內部做數據運算時的必要數據，變量被定義后，根據其定義的位置，它的作用范圍也隨之確定。對于PWM的初始化主要是指控制方波高電平產生的時間，時間的長短受被要求轉速限制，即受調節電機高電平作用的占空比限制。通過與轉子連接的葉輪在若干秒內所測得出的脈沖數，計算出電機此時平均每秒轉的圈數，從而計算出轉速，轉速越快，占空比越大，反之，轉速越慢，占空比越小。當占空比達到軟件內部規定的檔位時，保持當前轉速，直到有按鍵按下時執行對應操作。4.2按鍵控制軟件設計分析按鍵查詢成功加速鍵減速鍵正反轉控制鍵復位鍵增大占空比減小占空比改變正反轉標示位單片機初始化圖4-2 按鍵控制軟件設計流程圖圖4

45、-2是PWM按鍵控制框圖，硬件中有4個按鍵分別是加速鍵、減速鍵、正反轉控制鍵以及復位鍵。當加速鍵按下時，電機開始轉動，加速鍵每按下一次，占空比會相應的增加一定值，同時電機開始加速。根據PI的調節轉速會穩定在設定值的附近。當減速鍵按下時，設定值會相應的減小，電機的轉速會減小，同樣根據PI的調節轉速會穩定在設定值的附近。按下復位鍵時，啟動中斷，單片機復位。4.3 直流電機PWM控制軟件分析電機控制部分在軟件中所用的變量如表4-1。這部分軟件主要通過switch選擇語句實現。調速檔通過加減速檔固定占空比，即相應檔位相應改變高電平持續時間PWM-ON的值，以實現調速檔位的變換。而要實現按鍵加速，按鍵減

46、速。每次按鍵加速鍵時，PWM-ON占空比會相應的增加，按減速鍵時占空比相應的減少，加速和減速通過占空比的大小來控制電機的轉速。表4-1 使用變量定義表變量名稱變量作用num數據變量PWM-ON高電平持續時間Flat正反轉標識位電機加速部分軟件設計流程，主要由switch（num）選擇語句完成，通過賦予PWM-ON不同值（即不同的占空比）實現檔位調換。其中規定PWM周期T為10ms，加速時占空比檔位定義為10%、40%以及最高轉速100%。加速部分軟件設計流程如圖4-3所示加速按鍵掃描成功延時消抖num>3否Ynum+轉速保持N圖4-3 加速部分軟件流程圖電機減速部分軟件設計流程同加速部分

47、相同，依舊由switch（num）選擇語句完成，通過賦予PWM-ON不同值（即不同的占空比）實現檔位調換。減速時占空比檔位定義為40%、10%以及直流電機停止時占空比0%。減速部分軟件設計流程如圖4-4所示。減速按鍵掃描成功延時消抖num<0否Ynum-轉速保持N圖4-4 減速部分軟件設計流程圖電機正反轉部分軟件設計流程，主要是通過判別正反轉標志位Flat實現，控制電機正反轉的信號由51單片機的P1.3、P1.4引腳提供，產生的信號在軟件中變量名正轉為PWM1，反轉為PWM2，這兩個引腳產生的信號作用于芯片L293D的電機轉向控制接口，從而控制電機的轉動方向。正反轉控制軟件設計流程圖如圖

48、4-5所示。正反轉按鍵掃描成功延時消抖flat=0PWM1=0PWM2=1（電機正轉）flat=1PWM1=1PWM2=0（電機反轉）圖4-5 電機正反轉部分軟件設計流程圖4.4 PID控制器4.4.1 PID控制的原理PID控制即比例（Proportional）、積分（Integrating）、微分（Differentiation）控制。在PID控制系統中，完成PID控制規律的部分稱為PID控制器。它是一種線形控制器，用輸出y(t)和給定量r(t)之間的誤差的時間函數e(t)=r(t)-y(t)。在實際應用中，可以根據受控對象的特性和控制的性能要求，靈活地采用不同的控制組合， 比例（P）控制

49、器 (4-1)比例積分（PI）控制器， (4-2)比例+積分+微分（PID）控制器： (4-3)式中，Kp為比例運算放大系數，Ti為積分時間，Td為微分時間。4.4.2 PID參數分析通過使用MATLAB軟件中SIMULINK 的系統仿真功能對PID算法進行仿真，現將結果作以下概括。比例調節作用：是按比例反映系統的偏差，系統一旦出現了偏差，比例調節立即產生調節作用用以減少偏差，屬于“即時”型調節控制。比例作用大，可以加快調節，減少誤差，但是過大的比例，使系統的穩定性下降甚至造成系統的不穩定。積分調節作用：使系統消除靜態誤差，提高無誤差度。因為有誤差，積分調節就進行，直至無誤差，積分調節停止，積

50、分調節輸出一常值，屬于“歷史積累”型調節控制。積分作用的強弱取決于積分時間常數Ti，Ti越小，積分作用就越強。反之Ti大則積分作用弱，加入積分調節可使系統穩定性下降，動態響應變慢。積分作用常與另兩種調節規律結合，組成PI調節器或PID調節器。微分調節作用：微分作用反映系統偏差信號的變化率，具有預見性，能預見偏差的變化趨勢，因此能產生超前的控制作用，在偏差還沒有形成之前，以被微分調節作用消除，因此屬于“超前或未來”型調節控制。因此，可以改善系統的動態性能。在微分時間選擇合適的情況下，可以減少超調，減少調節時間。微分作用對噪聲干擾有放大作用，因此過強的加微分調節，對系統抗干擾不利。此外，微分反映的

51、是變化率，而當輸入沒有變化時，微分作用輸出為零。微分作用不能單獨使用，需要與另外兩種調節規律相結合，組成PD或PID控制器。4.4.3數字PID算法在單片機數字控制系統中，PID控制算法是通過單片機程序來實現的。對于數字信號處理，不論是積分還是微分，只能用數值計算去逼近。當采樣周期相當短時，用求和代替積分，用差商來代替微商，使PID算法離散化，將描述連續時間PID算法的微積分方程，變為描述離散時間PID算法的差分方程。其算法變換如下?？刂屏浚?（4-4）比例比例： （4-5）積分求和： （4-6）微分差商： （4-7） （4-8） 式中，為比例系數，為積分系數，為微分系數。T為采樣周期。上式P

52、ID算法為非遞推形式稱為全量算法。為了求和，必須將系統偏差的全部過去值e(j)(j=0,1,2)值都存儲起來。這種算法得出了控制量的全量輸出u(k)，是控制量的絕對數值。在控制系統中，這種控制量決定了執行機構的的位置，比如，在本設計電機控制系統中，這種算法的輸出對應了相應的速度值。因此，人們將這種算法稱為“位置PID算法”。除了“位置PID算法”以外，常見的還有增量式PID控制算法。當執行機構需要的不是控制量的絕對值，而是控制量的增量（例如去驅動步進電動機）時，需要用PID“增量算法”。此算法可由“位置PID算法”求出。綜合兩種算法，本設計是產生一個PWM信號去控制直流電機，PWM信號的高電平

53、持續時間對應的控制量是一個絕對值，而不是一個控制量的增量。但是如果采用“位置PID算法”則需要考慮控制量的基值u0,即Kp=0時的控制量，而直接用增量式PID算法只能計算出控制量的增量。所以，設計中，先采用增量式控制控制算法計算出控制量的增量，然后加上上一次的控制量即可以得到本次的控制量，本系統的PID算法是以增量式算法實現“位置PID算法”的結果，使控制得到簡化、容易實現。4.5 PID算法的實現4.5.1 PID控制C語言實現要編寫一個已知算法的單片機程序，首先要考慮的就是數據的結構和存儲方式了。因為它直接影響到系統的控制精度，以及PID算法的實現質量。本系統之所以專門采用一片單片機來實現

54、PID算法，就是因為從一開始的設計思路就是盡可能高的提高系統的控制精度。要提高系統的控制精度，在計算過程中僅取整數或定點小數是不夠的，所以本設計采用三字節浮點數運算。對于AT89S52單片機而言，有足夠的內存去存儲和處理這些數據。另外，為了使程序的參數修改方便，更易于應用到其他PID控制系統中去，在一開始的參數賦值程序中，參數是以十進制BCD碼浮點數存儲的，參數賦值完成后接著就是對參數進行二進制浮點數的歸一化處理，以及復合參數的計算。這些工作在系統啟動后迅速就完成了，之后PID控制器只進行PID核心控制算法的計算。由于本系統采用的是單級調速， 所以當PID控制算法的輸出結果的值為負數時就將其清

55、另零了，當大于系統飽和值時，賦值為飽和值。4.5.2 PID算法的改進抑制PID算法的“飽和”作用，通常有兩種方法。一種算法是遇限削弱積分法，其基本思想是：一旦控制變量進入飽和區，將只執行削弱積分項的運算而停止進行增大積分項的運算。具體地說，在計算數值時將判斷上一時刻的控制量的值是否已超出限制范圍，如果已超出，那么將根據偏差的符號，判斷系統輸出是否在超調區域，由此決定是否將相應偏差計入積分項。另一種算法是積分分離法。減小積分飽和的關鍵在于不能使積分項累積過大。第一種修正方法是一開始就積分，但進入限制范圍后即停止累積。后者介紹的積分分離法正好與其相反，它在開始時不進行積分，直到偏差達到一定的閥值

56、后才進行積分累計。這樣一方面防止了一開始有過大的控制量，另一方面即使進入飽和后，因積分累積小，也能較快退出，減少了超調。 由于本系統的控制對象是一個具有慣性或稱其為滯后特性的直流電機，一方面要求控制要盡可能高的反映速度，另一方面也要盡可能減少超調。因此，積分分離法比較適合本系統。綜合上面關于PID算法的研究，已經得出一個針對本系統的PID算法“增量式積分分離PID控制算法”。在此控制算法中，誤差較大時采用的是PD算法控制。在PID控制器的實現過程中，發現不同的電機除了慣性不同外，還有一個參數不容忽略，那就是電機在轉動過程中的摩擦力。由于摩擦力總是阻礙電機轉動，所以相當于額外的給控制量對應的電動機轉矩加了一不定量的負轉矩。如果PID的輸出的控制增量對應的轉矩為正，則會抵消一部分增量，但如果PID輸出的控制增量對應的轉矩為負，則會助長這一增量。如此以來，如果電機在加速過程中使用和減速過程中同樣的PID參