毕业设计（论文）-基于单片机的直流电机调速系统的设计.docx

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黑龙江大学

本科生毕业设计说明书

论文题目：

基于单片机的直流电机调速系统的设计

学 院：

机电工程学院

年级：

2006 专业：

电气工程及其自动化姓名：

学 号：

指导教师：

2010年5月19日

摘要

本文主要介绍了基于单片机的直流调速系统，确定了直流电机速度控制系统的基本设计方案。

本设计以8051单片机为核心，以小型直流电机为对象，以4´4矩阵键盘作为输入，LED显示输出，从而实现了直流电机的启停、速度和方向的控制。

本设计分析了对直流电机进行速度测量的原理，采用了PWM技术对电机进行控制，通过对占空比的计算达到精确调速的目的。

实时测量电机的实际转速，并在LED数码管上显示出来，并对电机进行PID转速调节，使其转速趋近于设定值。

该系统解决了以往复杂的模拟电路设计问题，增强了对直流电机速度的可控性，提高了调速系统的精度。

关键词

单片机；直流电机；PWM；PID算法

Abstract

ThispaperintroducestheDCmotorspeedcontrolsystembasedon8051singlechipcomputer,anddeterminesthebasisschemeofthissystem.Thesystemtakes8051singlechipcomputerasacoredevice,DCmotorasaplant,4*4keyboardmatrixasaninputdevice,LEDasanoutputdevice,thenthissystemcanachievetheoperationofthestart-stop,speedanddirection.

ThisdesignanalyzestocarryontheprincipleofthespeedmeasurestotheDCmotor,usesthePWMtechnologytocontrolthemotor,andthroughthecomputationofdutyfactortoachievetheprecisevelocitymodulationtogetthegoal.Measuredthemotor'sactualrotationalspeedbythereal-time,showeditontheLEDnixietubeandcarriedonthePIDrotationalspeedadjustmenttothemotor,causeditsrotationalspeedapproachtothesettingvalue.Thissystemhassolvedformerlythecomplexanalogouscircuitdesignproblem,strengthenedtotheDCmotorspeedcontrollability,andincreasedthevelocitymodulationsystem'sprecision.

KeyWords

Singleshipcomputer;Dcmotor;PWM;PIDalgorithm

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1课题研究背景 1

1.2课题研究方法 2

第二章8051单片机简介 3

2.1单片机概述 3

2.28051单片机引脚图及引脚功能 4

2.38051单片机的特点及基本组成 5

2.48051单片机中央处理器模块及内部结构 7

2.58051单片机的片外总线结构及并行I/O口 10

第三章系统硬件电路设计 13

3.1总体方案设计 13

3.2直流电机的工作原理和调速方法 14

3.3转换电路 16

3.4转速测量电路 18

3.5数码管显示电路 19

第四章PWM信号发生电路设计 20

4.1脉宽调制（PWM）的基本原理 20

4.2PWM波形发生电路 22

4.3PWM脉冲波的产生 23

4.4干扰问题的处理 23

第五章系统软件设计 25

5.1主程序设计 25

5.2PID算法 26

5.3源程序 27

结论 36

参考文献 37

致谢 38

第一章 绪论

1.1课题研究背景

在电气时代的今天，电动机在工农业生产与人们日常生活中都起着十分重要的作用。

直流电机作为最常见的一种电机，具有非常优秀的线性机械特性、较宽的调速范围、良好的起动性以及简单的控制电路等优点，因此在社会的各个领域中都得到了十分广泛的应用。

早期的电机电枢电压调节法采用串联电阻调速法，这种方法耗能大、且调速不太平稳，逐渐被其他调速装置代替。

以后又出现了晶闸管、MOSFET，IGBT等为主控元件的调速装置。

电子技术的高速发展，促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，使直流电机调速技术进入一个新的阶段。

传统的晶闸管直流调速系统控制回路的硬件设备极其复杂，安装调试困难，相对故障率较高，维修比较困难.而采用单片机控制的电机调速系统，其控制方案是依靠软件实现的，控制器由可编程功能模块组成，配置和参数调整简单方便，工作稳定。

而当今，单片微型计算机的功能不断加强，运算速度不断提高，价格降低且可靠性增强，数字控制技术的迅猛发展，给电力拖动自动控制系统增添了新的技术手段，数字控制可由通用的单片微型计算机来实现，单片微型计算机除完成数字运算外，还可以实现PID以及其它各种特殊的控制规律，可以存储和计算不同条件下的速度设定值及变化规律，同时对各种工艺参数进行检测、显示、越限报警和打印报表等。

通过分时采样还可以用一台计算机控制多台调速装置，这些技术特点为直流调速控制器装置由模拟向数字化发展提供了契机。

因此,电动机速度控制器采用以单片机为核心的数字控制系统是电气传动发展的主要方向之一。

一般直流调速系统通常采用三相全控桥式整流电路对直流电动机进行供电，通过改变电路的输出电压从而控制电动机的转速。

传统的控制系统采用模拟元件，如晶体管、各种线性运算电路等，虽在一定程度上满足了生产要求，但是因为元件容易老化和在使用中易受外界干扰影响，并且线路复杂、通用性差，控制效果受到器件性能、温度等因素的影响，从而致使系统的运行特性也随之变化，故系统的运行可靠性及准确性得不到保证，甚至出现事故。

当前，在世界范围内，一个以微电子技术，计算机和通信技术为先导的，以信息技术和信息产业为中心的信息革命方兴未艾。

随着微电子技术，微处理机以及计算机软件的发展，使直流调速控制的各种功能几乎均可通过基于微处理机的控制器硬件结合软件模块来加以实现，即从过去的模拟控制向模拟--数字混合控制发展，乃至实现全数字化的直流调速控制系统。

直流电动机调速系统通过单片机控制可实现人机对话，极大地提高设备的自动化程度，能提高生产率、可靠性与柔性。

在数字化系统中除具有常规的调速功能外，还可实现故障报警、诊断及显示等功能。

1.2课题研究方法

本文主要研究了利用MCS-51系列单片机，以PID调节算法为基础，完成对直流电机转速的调节，达到了较好的控制性能，而且成本低廉。

脉宽调制本质上是一种电压调速，它结合其他元件改变电机电枢在一定周期内的导通时间，调节电机两端的平均电压，达到调节电机速度的目的。

采用脉宽调制控制电机电枢的通断与串电阻调节法相比，减少了电能在电阻中的损耗，能够节约能源。

在硬件电路的搭建上，一般采用闭环控制方式。

冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。

PWM控制技术就是以该结论为理论基础，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形。

按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。

脉宽调制调速法突破传统的串电阻调速，节省了电能。

本文就是利用这种控制方式来改变电压的占空比实现直流电机速度的控制。

文中采用了专门的芯片组成了PWM信号的发生系统，通过运算放大器来驱动电机。

利用一组鼠标用的红外对管测得电机速度，经过滤波电路得到直流电压信号，把电压信号输入给A/D转换芯片最后反馈给单片机，在内部进行PID运算，输出控制量完成闭环控制，实现电机的调速控制。

第二章8051单片机简介

2.1单片机概述

单片微型计算机简称为单片机，又称为微型控制器，是微型计算机的一个重要分支，自70年代问世以来，以及其高的性能价格，受到人们的重视和关注，应用很广，发展也很快。

单片机体积小，重量轻，抗干扰能力强，环境要求不高，价格低廉，可靠性高，灵活性好，开发较为容易。

由于单片机的硬件结构与指令系统的功能都是按工业控制要求而设计的，常用在工业的检测、控制装置中，因而也称为微控制器

（Micro-Controller）或嵌入式控制器（Embedded-Controller）。

Intel公司单片机是目前应用最广、品种最多的单片机。

在80年代初又推出了MCS-51系列的高性能的8位单片机。

HMOS制造工艺的MCS-51单片机都采用40引脚的直插封装（DIP方式），制造工艺为CHMOS的80C51/80C31芯片除采用DIP封装方式外，还采用方型封装工艺。

其中方型封装的CHMOS芯片有44只引脚，但其中

4只引脚，即标有NC的引脚1、12、23、34是不使用的。

在以后的讨论中，除有特殊说明以外，所述内容皆适用于CHMOS芯片。

在单片机的40条引脚中有2条专用于主电源的引脚，2条外接晶体的引脚，4条控制或与其它电源复用的引脚，32条输入/输出（I/O）引脚。

单片机按照其用途可分为通用型和专用型两大类。

通用型单片机是把可开发资源（如ROM、RAM、EPROM、I/O口）全部提供给使用者。

专用型单片机其硬件结构和指令是按照某个特定用途而设计的。

通常，单片机由单块集成电路芯片构成，内部包含有计算机的基本功能部件：

中央处理器、存储器和I/O接口电路等。

因此，单片机只需要和适当的软件及外部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统。

单片机经过1、2、3、3代的发展，目前单片机正朝着高性能和多品种方向发展，它们的CPU功能在增强，内部资源在增多，引角的多功能化，以及低电压底功耗。

如果将8位单片机的推出作为起点，那么单片机的发展历史大致可以分为以下几个阶段：

第一阶段（1976—1978）：

单片机的探索阶段。

以Intel公司的MCS-48为代表。

MCS-48的推出是在工控领域的探索，参与这一探索的公司还有Motorola、Zilog等都

取得了满意的效果。

这就是SCM的诞生年代，“单片机”一词即由此而来。

第二阶段（1978—1982）：

单片机的完善阶段。

Intel公司在MCS-48基础上推出了完善的、典型的单片机系列MCS-51。

它在以下几个方面奠定了典型的通用总线型单片机体系结构。

第三阶段（1982—1990）：

8位单片机的巩固发展及16位单片机的推出阶段，也是单片机向微控制器发展的阶段。

Intel公司推出的MCS-96系列单片机，将一些用于测控系统的模数转换器、程序运行监视器、脉宽调制器等纳入片中，体现了单片机的微控制器特征。

第四阶段（1990—）：

微控制器的全面发展阶段。

随着单片机在各个领域全面、深入地发展和应用，出现了高速、大寻址范围、强运算能力的8位/16位/32位通用型单片机，以及小型廉价的专用型单片机。

目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展，今后单片机的发展趋势将是进一步向着CMOS化、低功耗化、低电压化、低噪声与高可靠性、大容量化、高性能化、小容量、低价格化、外围电路内装化和串行扩展技术。

随着半导体集成工艺的不断发展，单片机的集成度将更高、体积将更小和功能将更强[1]。

2.28051单片机引脚图及引脚功能

图2-18051单片机引脚图 图2-28051单片机引脚功能图

单片机引脚图及引脚功能图分别如图2-1、图2-2所示。

各引脚功能如下：

1）电源引脚Vcc和Vss：

Vcc：

电源端，接＋5V。

Vss：

接地端。

2）时钟电路引脚XTAL1和XTAL2：

XTAL1：

接外部晶振和微调电容的一端，在片内它是振荡器倒相放大器的输入，若使用外部TTL时钟时，该引脚必须接地。

XTAL2：

接外部晶振和微调电容的另一端，在片内它是振荡器倒相放大器的输出，若使用外部TTL时钟时，该引脚为外部时钟的输入端。

地址锁存允许ALE：

系统扩展时，ALE用于控制地址锁存器锁存P0口输出的低8位地址，从而实现数据与低位地址的复用。

3）外部程序存储器读选通信号PSEN：

PSEN是外部程序存储器的读选通信号，低电平有效。

程序存储器地址允许输入端EA/VPP：

当EA为高电平时，CPU执行片内程序存储器指令，但当PC中的值超过0FFFH时，将自动转向执行片外程序存储器指令。

当EA为低电平时，CPU只执行片外程序存储器指令。

4）复位信号RST：

该信号高电平有效，在输入端保持两个机器周期的高电平后，就可以完成复位操

作。

2.38051单片机的特点及基本组成

单片机以其卓越的性能，得到了广泛的应用，已深入到了各个领域。

单片机应用在检测、控制领域中，有如下特点：

有小巧灵活、成本低、易于产品化，可靠性好，适应温度范围宽，易扩展，很容易构成各种规模的应用系统，控制功能强，可以很方便地实现各种控制功能使用指令。

一个8051单片机包含下列部件:

（1）一个8位微处理器CPU。

（2）片内数据存储器RAM和特殊功能寄存器SFR。

（3）片内程序存储器ROM。

（4）两个定时/计数器

T0、T1，可用作定时器，也可用以对外部脉冲进行计数。

（5）四个8位可编程的并行

I/O端口，每个端口既可作输入，也可作输出。

（6）一个串行端口，用于数据的串行通。

（7）中断控制系统；（8）内部时钟电路。

其基本组成如图2-3所示。

图2-38051单片机基本组成图

计算机的一条指令由若干个字节组成。

执行一条指令需要多长时间则以机器周期为单位。

所谓一个机器周期是指CPU访问存储器一次所需要的时间。

例如取指令、读

存储器、写存储器等等。

每个机器周期由6个状态周期组成，即S1、S2······

S6，而每个状态周期由两个时相组成（即为2个主振荡周期）。

所以一个机器周期可

依次表示为S1P1、S1P2、S2P1 S6P1、S6P2。

一般情况下，算术逻辑操作发

生在时相P1期间，而内部寄存器之间的传送发生在时相P2期间，这些内部时钟信号无法从外部观察，故用XTAL2振荡信号作参考，而ALE可作为外部工作状态指示信号用。

1）单片机的振荡周期、时钟周期、机器周期和指令周期相互关系如图2-4所示。

图2-4单片机各种周期的相互关系

振荡周期：

为单片机提供时钟信号的振荡源的周期。

时钟周期：

振荡源信号经二分频后形成的时钟脉冲信号，为振荡周期的2倍。

机器周期：

完成一个基本操作所需的时间，通常为12个振荡周期。

指令周期：

指CPU执行一条指令所需要的时间，一个指令周期通常含有1～4个机器周期。

2）单片机时钟电路通常有两种形式，如图2-5所示。

内部振荡方式：

8051单片机片内有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。

把放大器与作为反馈元件的晶体振荡器或陶瓷谐振器连接，就构成了内部自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。

外部振荡方式：

外部振荡方式就是把外部已有的时钟信号引入单片机内。

图2-5单片机的振荡方式

2.48051单片机中央处理器模块及内部结构

中央处理器是单片机内部的核心部件，它决定了单片机的主要功能特性。

中央处

理器主要由运算部件和控制部件组成。

下面我们把中央处理器功能模块和有关的控制信号联系起来加以讨论，并涉及相关的硬件设备。

（1）运算部件

它包括算术、逻辑部件ALU、布尔处理器、累加器ACC、寄存器B、暂存器

TMP1和TMP2、程序状态字寄存器PSW以及十进制调整电路等。

运算部件的功能是实现数据的算术逻辑运算、位变址处理和数据传送操作。

MCS-51单片机的ALU功能十分强，它不仅可对8位变量进行逻辑“与”、“或”、

“异或”、循环、求补、清零等基本操作，还可以进行加、减、乘、除等基本运算。

为了乘除运算的需要，设置了B寄存器。

在执行乘法运算指令时，用来存放其中一个乘数和乘积的高8位数；在执行除法运算指令时，B中存入除数及余数。

MCS-51单片

机的ALU还具有一般微机ALU，如Z80、MCS-48所不具备的功能，即布尔处理功能。

单片机指令系统中的布尔指令集、存储器中的位地址空间与CPU中的位操作构成了片内的布尔功能系统，它可对位（bit）变量进行布尔处理，如置位、清零、求补、测试转移及逻辑“与”、“或”等操作。

在实现位操作时，借用了程序状态标志器（PSW）中的进位标志Cy作为位操作的“累加器”。

运算部件中的累加器ACC是一个8位的累加器（ACC也可简写为A）。

从功能上看，它与一般微机的累加器相比没有什么特别之处，但需要说明的是ACC的进位标志

Cy就是布尔处理器进行位操作的一个累加器。

MCS-51单片机的程序状态PSW，是一个8位寄存器，它包含了程序的状态信息。

内部结构如图2-6所示。

（2）控制部件

图2-6 8051单片机内部结构图

控制部件是单片机的神经中枢，它包括时钟电路、复位电路、指令寄存器、译码以及信息传送控制部件。

它以主频率为基准发出CPU的时序，对指令进行译码，然后发出各种控制信号，完成一系列定时控制的微操作，用来控制单片机各部分的运行。

其中有一些控制信号线能简化应用系统外围控制逻辑，如控制地址锁存的地址锁存信号ALE，控制片外程序存储器运行的片内外存储器选择信号EA，以及片外取指信号

PSEN。

8051在物理上有3个存储器空间：

1）片内数据存储器RAM 。

2）片外数据存储器

RAM。

3）程序存储器ROM。

程序存储器ROM地址空间为64kB，片外数据存储器RAM也有64kB的寻址区，在地址上是与ROM重叠的。

8051单片机通过不同信号来选通ROM或RAM。

当从外部ROM中取指令时，采用选通信号PSEN，而从外部RAM中读写数据时则采用读

RD和写WR信号或来选通，因此不会因地址重叠而发生混乱。

片内数据存储器RAM：

片内RAM有256个字节，其中00H～7FH地址空间是直

接寻址区，该区域内从00H～1FH地址为工作寄存器区，安排了4组工作寄存器，每组都为R0～R7，在某一时刻，CPU只能使用其中任意一组工作寄存器，由程序状态字PSW中RS0和RS1的状态决定。

片内RAM的20H～2FH地址单元为位寻址区，其中每个字节的每一位都规定了位地址。

每个地址单元除了可进行字节操作之外，还可进行位操作。

片内RAM的80H～FFH地址空间是特殊功能寄存器SFR区，对于51子系列在该区域内安排了21个特殊功能寄存器，对于52子系列则在该区域内安排了

26个特殊功能寄器，同时扩展了128个字节的间接寻址片内RAM，地址也为

80～FFH，与SFR区地址重叠。

片外数据存储器RAM：

当片内RAM不能满足数量上的要求时，可通过总线端口和其他I/O口扩展外部RAM，其最大容量可达64KB字节。

在片内数据存储器中，数据区和扩展的I/O口是统一编址的，使用的指令也完全相同，因此，用户在应用系统设计时，必须合理地进行外部RAM和I/O端口的地址分配，并保证译码的唯一性。

程序存储器ROM：

程序存储器ROM包括片内ROM和片外ROM两个部分。

主要用来存放编好的用户程序和表格常数，它以16位的程序计数器PC作为地址指针，寻址空间为64KB。

当EA接高电平时，单片机从片内ROM的4kB字节存储器区取指令，当指令地址超过0FFFH后，自动地转向片外ROM取指令。

当EA接低电平时，所有的取指操作均对片外程序存储器进行。

2.58051单片机的片外总线结构及并行I/O口

总线是多个系统部件之间进行信息传送的公共通路。

一个单处理器系统中的总线，按其所处位置的不同，大致可分为三类：

内总线是指同一部件如CPU内部连接各寄

存器及运算部件之间的总线。

系统总线是指同一台计算机系统内部各部件之间进行通信的总线。

根据总线所完成的功能的不同，总线可分为地址总线，数据总线和控制总线。

外部存储器与单片机的连接如图2-7所示。

（1）地址总线（AB）：

用来传输主存的单元地址码、外部设备的设备码或地址码。

地址总线宽度为16位，由P0口经地址锁存器提供低8位地址（A0～A7）；P2口

直接提供高8位地址（A8～A15）。

地址信号是由CPU发出 的，故地址总线是单方向的。

（2）数据总线（DB）：

用来在总线上的两个部件之间传送数据。

数据总线宽度为

8位，用于传送数据和指令，由P0口提供。

（3）控制总线（CB）：

用来传输全机的控制信号。

控制总线随时掌握各种部件的状态，并根据需要向有关部件发出命令，主要有PSEN、WR、RD信号。

图2-78051与外部存储器连接图

8051单片机有4个并行I/O口，称为P0、P1、P2和P3，每个端口都有8根引脚，它们都是双向通道，每一条I/O引脚都能独立地用做输入或输出，作为输出时数据可以锁存，作为输入时数据可以缓冲。

P0、P1、P2和P3这4个I/O口的结构不尽相同，因此它们的功能和用途也不相同。

P0口为三态双向口，可驱动8个TTL电路，

P1、P2、P3口为准双向口（作为输入时，需要先向口锁存器写入1，故称为准双向口）

，其负载能力为4个TTL电路。

P0口（P0.0～P0.7）是三态双向I/O口，可作为通用I/O口使用，也可以作为系统扩展时的低8位地址/8位数据总线使用。

当单片机系统需要扩展片外存储器或者需要扩展具有数据/地址线的芯片时，P0口只能作为低8位地址/8位数据总线使用，不能再作通用I/O口使用。

其结构图分别如图2-8所示。