最新毕业设计论文数字式直流电机调速控制系统软件设计Word文档格式.docx

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TheSoftwareDesignoftheDigitalDCMotorSpeedGoverningSystem

ABSTRACT

TheDCspeedcontrolhasthefollowiingexcellence：

therangeofspeedregulationisverywide；

thecharacteristicofspeedregulationissmooth；

thetorqueofcommissioningisstrong；

highperformanceofcommssioningandsoon.Soit’swidlyusedinindustrialdrivesysterm.ThetriggerandregulatoroftheDCindustrialspeedgoverningsystermareachievedbyimitatecircuit，whichhasmanydisadvangtage.Furthermore,thecontrolsoftwareofdigitalcontrolsystemcancarrythroughlogicaljudgmentandsophisticatedoperation,andithasthecontrollawsofoptimality,adaptivetrait,nonlinearandintelligence,whicharedifferentfromtheordinarylinearadjustability.Inmanyaspectsthefunctionofdigitalcontrolsystemhasexceededanalogcontrolsystemandisbeingusedwidely.

MypaperisadigitalDCspeedcontrolsystemand89C51single-chipcomputer.Thenintroduceandanalyzethecharacteristicsofsingle-chip，atlast，designthesoftwareofthedigitalDCmotorspeedcontrolsystem，includingthemainprogramandsubprogram.

It’sbetterthantheImitatedDCSpeedControlSystemGoingthroughtestingeveryperformanceparameter.Asaresult,thedigitalDCspeedcontrolsystemcouldbeappliedintoproductionandordinarylifetosatisfytheneedsofmodernmanufacture.

Keywords：

Single-chipcomputer；

Doubleclosed-loop；

DCspeedcontrolsystem；

Digitalmodel

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表格清单

第1章绪论

近年来，虽然交流变频调速技术快速发展并不断在更广泛的领域得到应用，但实际上在很多场合直流驱动依然拥有大量的用户，包括旧设备的改造以及新设备上的应用；

我们所了解的国内各主要直流电动机厂商这几年的出产量也在连续增长。

但是，目前国内直流调速的市场却基本被西门子、欧陆、CT等垄断，尤其是在全数字式的中高端产品领域，国内生产厂家寥寥，近乎是空白。

1.1数字式直流调速控制技术

直流调速具有调速范围宽，调速平滑，启动转矩大，启动性能好等优点，因而在工业传动系统中得到广泛的应用。

传动直流调速系统的触发器以及调节器都是由模拟电路来实现，其缺点是：

（1）触法精度易受电网电压波动的影响。

（2）触发脉冲不对称度较大。

（3）调节器中的运算放大器会因为电网电压和温度变化引起漂移儿产生运算误差。

（4）模拟器件的老化也会引起运算误差，甚至使已经整定到得系统性能变差。

20世纪80年代以来，随着计算机技术以及通讯技术的发展，出现了数字式直流调速系统，使直流调速技术的发展出现了新的生机。

最早的研究限于用数字调节器代替模拟调节器，即用微机执行数字PID运算程序代替模拟转速调节器和电流调节器，转速给定和转速反馈以及电流反馈经A/D转化器变成数字量作为可控整流装置的触发控制电压。

这种方式克服了电网电压波动对触法精度的影响，在一定程度上减小了因为器件老化，电网电压和温度变化引起的运算误差，但不能充分发挥计算机处理信息的能力，缺乏实用性。

后来在上述基础上增添了数字触发器，主要是利用微机的定时功能，通过接口产生移相脉冲，经功放后触发三相全控桥。

这样便形成了数字化的直流调速装置，也就是所谓的数字式直流调速装置。

1.2设计的意义

目前在不少机械制造企业中使用的B2151，B2152等大型龙门刨床，其所使用的KTS300/200A直流无级调速控制柜属于可控制逻辑控制无环流可逆直流调速控制系统。

这种传统的控制直流调速系统控制回路的硬件设备及其复杂，故障率高，维修费用较高，该控制技术显得过时。

对已经商品化集成化的产品进行微机化全数字式直流控制系统的更行改造，有极其高的经济价值和应用前景。

现在全球进入数字化时代，先进的制造技术是改造传统制造企业的有效手段，纵观国内外先进制造技术的现状和发展，可以看到数字化制造技术是先进制造技术的核心技术，是实施其先进技术的平台。

数字化技术是制造业优质低耗，降低成本和快速响应市场的首选技术。

由于电力电子技术，计算机技术和通讯技术的快速发展，使得直流调速系统数字式方面的研究得到了很多国家的重视。

现阶段较为先进的机床直流调速系统采用微机化数字控制的直流调速控制器。

这类产品成功的用于冷，热连压机以及卷取机张力控制等生产机械，而且由过程控制模块组成，其结构和参数设置非常方便简单，工作稳定，不受环境影响，具有很强的自保护功能，因而使传动系统不仅具有很大的灵活性，还有很高的可靠性。

对被控对象电动机的各种状态可实现快速，宽范围，高分辨率，高精度的检测，为高性能传动系统的实现提供了基本条件。

数字式传动装置控制器内有多种形式的存储器，能存储大量的实时数据，实现系统的保护，故障自诊断，报警显示，波形分析，故障自动复原等多种原先难以实现的功能。

数字控制器具有很强的通信组网功能，不仅可以与上位机通信，在数字式直流传动装置之间，PLC之间和数字式交流传动装置之间都可以进行快速交换数据，实现生产过程的全局自动化。

数字控制不仅简化了系统的硬件结构，使维修方便，故障率下降，提高系统运行的可靠性，很方便的对外部或内部信息实现数字滤波，提高系统的抗干扰能力。

本设计引入微机系统为调速系统的监控，管理和数据处理的设备，具有非常友好的人机界面，控制灵活方便，系统的硬件结构简单，计算机浮点运算性能好，响应速度快，可以实现比较复杂的控制算法，以满足不同的控制要求。

1.3本文主要工作

设计一个基于单片机控制的数字式直流电动机软件控制系统。

基本要求：

本系统在调速过程中需要采集电机的转速，工作电压，工作电流以及电网电压四路模拟信号；

每隔10ms循环采样一次，采样满5次后进行中值滤波，同时将采集的四路模拟信号经A/D转换后，显示各参数的实际值。

四个参数的测量范围、报警上下限要求如下：

（1）转速：

0~2000r/min，700~1800r/min，超限1#发光二极管亮，反之，灭。

（2）工作电压：

0~250V，200~240V，超限2#发光二极管亮，反之，灭。

（3）工作电流：

0~200A，20~170A，超限3#发光二极管亮，反之，灭。

（4）电网电压：

0~500V，330~430V，超限4#发光二极管亮，反之，灭。

（5）通过软件设计实现不同按键下的不同显示要求以及对电机的控制。

本文分为四章，各章工作如下：

第1章绪论。

第2章单片机概述。

第3章硬件电路简要结构。

第4章系统软件设计以及仿真。

第2章单片机概述

2.1单片机应用概念

所谓单片机，即把组成微型计算机的各个功能部件，如中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、输入/输出接口电路、定时器/计数器以及串行通信接口等集成在一块芯片中，构成一个完整的微型计算机。

因此单片机早期的含义为单片微型计算机（singlechipmicrocomputer），直接译为单片机，并一直沿用至今。

由于单片机面对的是测控对象，突出的是控制功能，所以它从功能和形态上来说都是应控制领域应用的要求而诞生的。

随着单片机技术的发展，它在芯片内集成了许多面对测控对象的接口电路，如ADC、DAC、高速I/O口、PWM、WDT等。

这些对外电路及外设接口已经突破了微型计算机（microcomputer）传统的体系结构，所以更为确切反映单片机本质的名称应是微控制器[4]。

单片机是单芯片形态作为嵌入式应用的计算机，它有惟一的、专门为嵌入式应用而设计的体系结构和指令系统，加上它的芯片级体积的优点和在现场环境下可高速可靠地运行的特点，因此单片机又称之为嵌入式微控制器（embeddedmicrocontroller）。

但是，在国内单片机的叫法仍然有着普遍的意义。

我们已经把单片机理解为一个单芯片形态的微控制器，它是一个典型的嵌入式应用计算机系统。

目前按单片机内部数据通道的宽度，把它们分为4位、8位、16位及32位单片机。

随着大规模与超大规模集成电路技术的快速发展，微计算机技术形成了两大分支：

微处理器（microprocessorunit，MPU）和单片机（microcontrollerunit，MCU）。

微处理器MPU是微型计算机的核心部件，它的性能决定了微型计算机的性能。

通用型的计算机已从早期的数值计算、数据处理发展到当今的人工智能阶段。

它不仅可以处理文字、字符、图形、图像等信息，而且还可以处理音频、视频等信息，并正向多媒体、人工智能、数字模拟和仿真、网络通信等方向发展。

它的存储容量和运算速度正在以惊人的速度发展。

高性能的32位、64位微型计算机系统正向中、大型计算机挑战。

单片机MCU主要用于控制领域。

它构成的检测控制系统应该有实时的、快速的外部响应，应该能迅速采集到大量数据，能在做出正确的逻辑推理和判断后实现对被控制对象参数的调整与控制。

单片机的发展直接利用了MPU的成果，也发展了16位、32位的机型。

但它的发展方向是高性能、高可靠性、低功耗、低电压、低噪音和低成本。

目前，单片机的主流仍然是以8位机为主，16位、32位机为辅。

单片机的发展主要还是表现在其接口和性能不断满足多种多样检测控制对象的要求上，尤其突出表现在它的控制功能上，构成各种专用的控制器和多机控制系统[5]。

面向检测控制对象，嵌入到应用系统中去的计算机系统称之为嵌入式系统。

实时性是它的主要特征，对系统的物理尺寸、可靠性、重启动和故障恢复方面也有特殊的要求。

由于被嵌入对象的体系结构、应用环境等的要求，嵌入式计算机系统比通用的计算机系统应用设计更为复杂，涉及面也更为广泛。

从形式上可将嵌入式系统分为系统级、板级和芯片级。

系统级嵌入式系统为各种类型的工控机，包括进行机械加固和电气加固的通用计算机系统，各种总线方式工作的工控机和模块组成的工控机。

它们大都有丰富的通用计算机软件及周边外设的支持，有很强的数据处理能力，应用软件的开发也很方便。

但由于体积庞大，适用于具有大空间的嵌入式应用环境，如大型实验装置、船舶、分布式测控系统等。

板级嵌入式系统则有各种类型的带CPU的主板及OEM产品。

与系统级相比，板级嵌入式系统体积较小，可以满足较小空间的嵌入式应用环境。

芯片级嵌入式系统则以单片机最为经典。

单片机嵌入到对象的环境、结构体系中去作为其中一个智能化的控制单元，是最典型的嵌入式计算机系统。

它有惟一的专门为嵌入式应用而设计的体系结构和指令系统，加上它的芯片级的体积和在现场运行环境下的高可靠性，它最能满足各种中、小型对象的嵌入式应用要求。

因此，单片机是目前发展最快、品种最多、数量最大的嵌入式计算机系统。

但是，一般的单片机目前还没有通用的系统管理软件或监控程序，而只是放置由用户调试好的应用程序。

它本身不具备开发能力，常常需要专门的开发工具。

2.2单片机的特点和应用

1．单片机的基本组成

单片机的结构特征是将组成计算机的基本部件集成在一块晶体芯片上，构成一台功能独特的、完整的单片微型计算机[6]。

图2-1为单片机的典型结构框图

图21单片机的典型结构框图

下面简要介绍各组成部分。

（1）中央处理器

单片机中的中央处理器CPU和通用微处理器基本相同，由运算器和控制器组成，另外增设了“面向控制”的处理功能，如位处理、查表、多种跳转、乘除法运算、状态检测、中断处理等，增强了实时性。

（2）存储器

单片机的存储空间有两种基本结构。

一种是普林斯顿结构（Princeton），将程序和数据合用一个存储器空间，即ROM和RAM的地址同在一个空间里分配不同的地址。

CPU访问存储器时，一个地址对应惟一的一个存储单元，可以是ROM，也可以是RAM，用同类的访问指令。

另一种是将程序存储器和数据存储器截然分开，分别寻址的结构，称为哈佛（Harvard）结构。

CPU用不同的指令访问不同的存储器空间。

由于单片机实际应用中“面向控制”的特点，一般需要较大的程序存储器。

目前，包括MCS-51和80C51系列的单片机均采用程序存储器和数据存储器截然分开的哈佛结构。

①数据存储器（RAM）

在单片机中，用随机存取的存储器（RAM）来存储数据，暂存运行期间的数据、中间结果、缓冲和标志位等，所以称之为数据存储器。

一般在单片机内部设置一定容量（64B～256B）的RAM，并以高速RAM的形式集成在单片机内，以加快单片机的运行速度。

同时，单片机内还把专用的寄存器和通用的寄存器放在同一片内RAM统一编址，以利于运行速度的提高。

对于某些应用系统，还可以外部扩展数据存储器。

②程序存储器（ROM）

单片机的应用中常常将开发调试成功后的应用程序存储在程序存储器中，因为不再改变，所以这种存储器都采用只读存储器ROM的形式。

单片机内部的程序存储器常有以下几种形式：

掩膜ROM（MaskROM）

它是由半导体厂家在芯片生产封装时，将用户的应用程序代码通过掩膜工艺制作到单片机的ROM区中，一旦写入后用户则不能修改。

所以它适合于程序已定型，并大批量使用的场合。

8051就是采用掩膜ROM的单片机型号。

EPROM

此种芯片带有透明窗口，可通过紫外线擦除程序存储器的内容。

应用程序可通过专门的写入器脱机写入到单片机中，需要更改时可通过紫外线擦除后重新写入。

8751就是采用EPROM的单片机型号。

ROMLESS

这种单片机内部没有程序存储器，使用时必须在外部并行扩展一片EPROM作为程序存储器。

89C51就是ROMLESS型的单片机。

OTP（onetimeprogrammable）ROM

这是用户一次性编程写入的程序存储器。

用户可通过专用的写入器将应用程序写入OTPROM中，但只允许写入一次。

FlashROM（MTPROM）闪速存储器

这是一种可由用户多次编程写入的程序存储器。

它不需紫外线擦除，编程与擦除完全用电实现，数据不易挥发，可保存10年。

编程/擦除速度快，4KB编程只需数秒，擦除只需10ms。

例如AT89系列单片机，可实现在线编程，也可下载。

这是目前大力发展的一种ROM，大有取代EPROM型产品之势。

（3）并行I/O口

单片机为了突出控制的功能，提供了数量多、功能强、使用灵活的并行I/O口。

使用上不仅可灵活地选择输入或输出，还可作为系统总线或控制信号线，从而为扩展外部存储器和I/O接口提供了方便。

（4）串行I/O口

高速的8位单片机都可提供全双工串行I/O口，因而能和某些终端设备进行串行通信，或者和一些特殊功能的器件相连接。

（5）定时器/计数器

在实际的应用中，单片机往往需要精确地定时，或者需对外部事件进行计数，因而在单片机内部设置了定时器/计数器电路，通过中断，实现定时/计数的自动处理[7]。

2．单片机的特点

单片机独特的结构决定了它具有如下特点。

（1）高集成度、高可靠性

单片机将各功能部件集成在一块晶体芯片上，集成度很高，体积自然也是最小的。

芯片本身是按工业测控环境要求设计的，内部布线很短，其抗工业噪音性能优于一般通用的CPU。

单片机程序指令，常数及表格等固化在ROM中不易破坏，许多信号通道均在一个芯片内，故可靠性高。

（2）控制功能强

为了满足对对象的控制要求，单片机的指令系统均有极丰富的条件：

分支转移能力、I/O口的逻辑操作及位处理能力，非常适用于专门的控制功能。

（3）低电压、低功耗

为了满足广泛使用于便携式系统，许多单片机内的工作电压仅为1.8V～3.6V，而工作电流仅为数百微安。

（4）优异的性能价格比

单片机的性能极高。

为了提高速度和运行效率，单片机已开始使用RISC流水线和DSP等技术。

单片机的寻址能力也已突破64KB的限制，有的已可达到1MB和16MB，片内的ROM容量可达62MB，RAM容量则可达2MB。

由于单片机的广泛使用，因而销量极大，各大公司的商业竞争更使其价格十分低廉，其性能价格比极高[8]。

3．单片机的应用

由于单片机功能的飞速发展，它的应用范围日益广泛，已远远超出了计算机科学的领域。

小到玩具、信用卡，大到航天器、机器人，从实现数据采集、过程控制、模糊控制等智能系统到人类的日常生活，到处都离不开单片机。

其主要的应用领域如下。

（1）在测控系统中的应用

单片机可以用于构成各种工业控制系统、自适应控制系统、数据采集系统等。

例如，工业上的锅炉控制、电机控制、车辆检测系统、水闸自动控制、数控机床及军事上的雷达、导弹系统等。

（2）在智能化仪器仪表中的应用

单片机应用于仪器仪表设备中促使仪器仪表向数字化、智能化、多功能化和综合化等方向发展。

单片机的软件编程技术使长期以来测量仪表中的误差修正、线性化的处理等难题迎刃而解。

（3）在机电一体化中的应用

单片机与传统的机械产品结合使传统的机械产品结构简化，控制走向智能化，构成新一代的机电一体化产品。

这是机械工业发展的方向。

（4）在智能接口中的应用

计算机系统，特别是较大型的工业测控系统中采用单片机进行接口的控制管理，单片机与主机并行工作，可大大提高系统的运行速度。

例如，在大型数据采集系统中，用单片机对模/数转换接口进行控制不仅可提高采集速度，还可以对数据进行预处理。

如数字滤波、误差修正、线性化处理等。

（5）在人类生活中的应用

单片机由于其价格低廉、体积小巧，被广泛应用在人类生活的诸多场合，如洗衣机、电冰箱、空调器、电饭煲、视听音响设备、大屏幕显示系统、电子玩具、信用卡、楼宇防盗系统等。

单片机将使人类的生活更加方便舒适，丰富多彩[14]。

第3章硬件电路结构

根据毕业设计任务要求，提出如图3-1所示的硬件电路组成框图：

图31总体硬件电路组成框图

设计采用以89C51为核心的基于单片机控制的数字直流电动机调速控制系统，其中个单元模块的硬件组成说明如下：

单片机采用89C51，8位CPU，4KB的ROM程序存储器，128字节的RAM数据存储器，2个16位的定时/计数器，1个双工的异步串行口，5个中断源，两级中断优先级的中断控制器。

数据采集电路构成：

本系统采用8155芯片，以其A口、B口连接ADC0809芯片，由B口提供ADC0809各采样通道的地址选通号以及启动信号。

由A口连接ADC0809芯片的DB0～DB7,以读取A/D转换结果。

8155芯片是通用I/O接口芯片，与MCS-51单片机的接口简单，ADC0809是一种8位模拟量输入、8位逐次逼近式A/D，适用于多路数据采集。

显示电路构成：

显示模块采用的扩展8255A芯片引脚结构，通过A口、B口、C口作为输出口和6个74LS48译码/驱动器，连接6个LED8段数码管构成显示电路。

报警模块构成：

以8155的C口的低4位（PC0～PC3）控制4个报警灯，已实现各参数的超限报警，包括电动机转速过高、过低；

电机的工作电压过高或者过低；

电机的工作电流过高或者过低；

电网电压过高或者过低。

键盘控制电路构成：

系统以74LS244芯片配合4×

4行列式键盘，实现键盘扫描。

在本设计中，单片机系统使用简单的键盘来完成输入操作的人机接口。

行列式键盘与89C52单片机的接口电路中，键盘的输入信息的主要过程如下：

CPU判断是否有键按下。

确定按下的是哪个键。

把该键的信息翻译成计算机能识别的代码，确定键值。

输出执行模块构成：

通过89C51连接数模转换器DAC0832。

根据DAC0832的数据锁存器和DAC寄存器的不同控制方式，DAC0832有3中工作方式：

直通方式，单缓冲方式，双缓冲方式，其中双缓冲方式适用于多路DAC0832同步输出的情况，所以本设计采用该方式[12]。

第4章系统软件设计

系统软件设计中将完成主程序、时钟初值输入子程序、显示子程序、键扫描子程序KEY、键分析子程序KAYA以及中断服务程序的设计。

4.1单片机软件开发流程

在单片机测量系统中国，软件的重要性与硬件同样重要。

硬件是躯体，软件是灵魂，当系统的硬件电路确定以后，系统的主要功能还是要依靠软件来实现。

而且软的设计很大程度上就决定了产品的性能。

为了满足系统的要求，编制软件的时候一般要符合以下基本要求：

（1）易于理解，易于维护。

要达到易理解、易维护等指标，在软件的设计中，结构化设计是最好的一种设计方法。

这种设计方法是由整体到局部，再由局部到细节，先考虑整个系统所要实现的功能，确定整体目标，然后把整个目标分成一个一个的任务，任务中可以分成若干个子任务，这样逐层细分，逐个实现。

（2）实时性。

实时性是电子测量系统的普通要求，既