畢業(yè)設(shè)計---基于單片機的直流電機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計

1、<p>　　單片機直流電機調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計</p><p>　　摘 要: 本文主要研究了利用MCS-51系列單片機控制PWM信號從而實現(xiàn)對直流電機轉(zhuǎn)速進行控制的方法。文章中采用了專門的芯片組成了PWM信號的發(fā)生系統(tǒng)，并且對PWM信號的原理、產(chǎn)生方法以及如何通過軟件編程對PWM信號占空比進行調(diào)節(jié)，從而控制其輸入信號波形等均作了詳細(xì)的闡述。此外，本文中還采用了芯片IR2110作為直流電機正轉(zhuǎn)調(diào)速功率放大電路的

2、驅(qū)動模塊，并且把它與延時電路相結(jié)合完成了在主電路中對直流電機的控制。另外，本系統(tǒng)中使用了測速發(fā)電機對直流電機的轉(zhuǎn)速進行測量，經(jīng)過濾波電路后，將測量值送到A/D轉(zhuǎn)換器，并且最終作為反饋值輸入到單片機進行PI運算，從而實現(xiàn)了對直流電機速度的控制。在軟件方面，文章中詳細(xì)介紹了PI運算程序，初始化程序等的編寫思路和具體的程序?qū)崿F(xiàn)。</p><p>　　關(guān)鍵詞： PWM信號，測速發(fā)電機，PI運算</p>&l

3、t;p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　一．概述1</b></p><p><b>　?。ㄒ唬╅_發(fā)背景1</b></p><p>　?。ǘ┻x題的目的和意義1</p><p><b>　?。ㄈ┭芯糠椒?</b><

4、/p><p>　　二、硬件電路設(shè)計2</p><p>　　（一）、系統(tǒng)總體設(shè)計框圖2</p><p>　　1、8051單片機簡介3</p><p>　?。ǘ﹩纹瑱C系統(tǒng)中所用其他芯片選型4</p><p><b>　　1.地址鎖存器4</b></p><p><

5、b>　　2．程序存儲器5</b></p><p><b>　　3．?dāng)?shù)據(jù)存儲器5</b></p><p>　　4. 8051單片機擴展電路及分析6</p><p>　　（三）、PWM信號發(fā)生電路設(shè)計7</p><p>　　1、PWM的基本原理7</p><p>　　2、P

6、WM信號發(fā)生電路設(shè)計8</p><p>　?。ㄋ模㏄WM發(fā)生電路主要芯片的工作原理9</p><p><b>　　1．?dāng)?shù)據(jù)比較器9</b></p><p><b>　　2．串行計數(shù)器9</b></p><p>　?。ㄎ澹?、主電路設(shè)計10</p><p>　　1、延時

7、保護電路10</p><p><b>　　2、主電路10</b></p><p>　　3、輸出電壓波形12</p><p>　　4、系統(tǒng)總體電路圖13</p><p>　?。?、測速發(fā)電機13</p><p>　　三、系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計14</p><p>　

8、?。ㄒ唬I 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖及參數(shù)計算14</p><p>　?。ǘ?、系統(tǒng)中的部分程序設(shè)計14</p><p>　　1、主程序設(shè)計14</p><p>　　1. PI控制算法子程序設(shè)計15</p><p><b>　　四、系統(tǒng)調(diào)試19</b></p><p>　?。ㄒ唬?、軟件調(diào)試

9、19</p><p>　?。ǘ?、系統(tǒng)仿真20</p><p><b>　　致 謝21</b></p><p><b>　　參考文獻22</b></p><p><b>　　一．概述</b></p><p><b>　　（一）開發(fā)背景&

10、lt;/b></p><p>　　現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，電動機是主要的驅(qū)動設(shè)備，目前在直流電動機拖動系統(tǒng)中已大量采用晶閘管(即可控硅)裝置向電動機供電的KZ—D拖動系統(tǒng)，取代了笨重的發(fā)電動一電動機的F—D系統(tǒng)，又伴隨著電子技術(shù)的高度發(fā)展，促使直流電機調(diào)速逐步從模擬化向數(shù)字化轉(zhuǎn)變，特別是單片機技術(shù)的應(yīng)用，使直流電機調(diào)速技術(shù)又進入到一個新的階段，智能化、高可靠性已成為它發(fā)展的趨勢。直流電機調(diào)速基本原理是比較簡單的（相

11、對于交流電機），只要改變電機的電壓就可以改變轉(zhuǎn)速了。改變電壓的方法很多，最常見的一種PWM脈寬調(diào)制，調(diào)節(jié)電機的輸入占空比就可以控制電機的平均電壓，控制轉(zhuǎn)速。</p><p>　　PWM控制的基本原理很早就已經(jīng)提出，但是受電力電子器件發(fā)展水平的制約，在上世紀(jì)80年代以前一直未能實現(xiàn)。直到進入上世紀(jì)80年代，隨著全控型電力電子器件的出現(xiàn)和迅速發(fā)展，PWM控制技術(shù)才真正得到應(yīng)用。隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和自動控制技

12、術(shù)的發(fā)展以及各種新的理論方法，如現(xiàn)代控制理論、非線性系統(tǒng)控制思想的應(yīng)用，PWM控制技術(shù)獲得了空前的發(fā)展，到目前為止，已經(jīng)出現(xiàn)了多種PWM控制技術(shù)。</p><p>　　（二）選題的目的和意義</p><p>　　直流電動機具有良好的起動、制動性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。從控制的角度來看，直流調(diào)速還是交流拖動系統(tǒng)的基礎(chǔ)。早期直流電

13、動機的控制均以模擬電路為基礎(chǔ)，采用運算放大器、非線性集成電路以及少量的數(shù)字電路組成，控制系統(tǒng)的硬件部分非常復(fù)雜，功能單一，而且系統(tǒng)非常不靈活、調(diào)試?yán)щy，阻礙了直流電動機控制技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用范圍的推廣。隨著單片機技術(shù)的日新月異，使得許多控制功能及算法可以采用軟件技術(shù)來完成，為直流電動機的控制提供了更大的靈活性，并使系統(tǒng)能達到更高的性能。采用單片機構(gòu)成控制系統(tǒng)，可以節(jié)約人力資源和降低系統(tǒng)成本，從而有效的提高工作效率。</p>

14、<p>　　傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)采用模擬元件，雖在一定程度上滿足了生產(chǎn)要求，但是因為元件容易老化和在使用中易受外界干擾影響，并且線路復(fù)雜、通用性差，控制效果受到器件性能、溫度等因素的影響，故系統(tǒng)的運行可靠性及準(zhǔn)確性得不到保證，甚至出現(xiàn)事故。</p><p>　　目前，直流電動機調(diào)速系統(tǒng)數(shù)字化已經(jīng)走向?qū)嵱没殡S著電子技術(shù)的高度發(fā)展，促使直流電機調(diào)速逐步從模擬化向數(shù)字化轉(zhuǎn)變，特別是單片機技術(shù)的應(yīng)用，使直流電機調(diào)

15、速技術(shù)又進入到一個新的階段，智能化、高可靠性已成為它發(fā)展的趨勢。</p><p><b>　　（三）研究方法</b></p><p>　　本文主要研究了利用MCS-51系列單片機，通過PWM方式控制直流電機調(diào)速的方法。PWM控制技術(shù)以其控制簡單、靈活和動態(tài)響應(yīng)好的優(yōu)點而成為電力電子技術(shù)最廣泛應(yīng)用的控制方式，也是人們研究的熱點。由于當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)沒有了學(xué)科之間的

16、界限，結(jié)合現(xiàn)代控制理論思想或?qū)崿F(xiàn)無諧振軟開關(guān)技術(shù)將會成為PWM控制技術(shù)發(fā)展的主要方向之一。</p><p>　　本文就是利用這種控制方式來改變電壓的占空比實現(xiàn)直流電機速度的控制。文章中采用了專門的芯片組成了PWM信號的發(fā)生系統(tǒng)，然后通過放大來驅(qū)動電機。利用直流測速發(fā)電機測得電機速度，經(jīng)過濾波電路得到直流電壓信號，把電壓信號輸入給A/D轉(zhuǎn)換芯片最后反饋給單片機，在內(nèi)部進行PI運算，輸出控制量完成閉環(huán)控制，實現(xiàn)電機的

17、調(diào)速控制。</p><p><b>　　二、硬件電路設(shè)計</b></p><p>　　（一）、系統(tǒng)總體設(shè)計框圖</p><p>　　本系統(tǒng)采用89C51控制輸出數(shù)據(jù)，由PWM信號發(fā)生電路產(chǎn)生PWM信號，送到直流電機，直流電機通過測速電路，濾波電路，和A/D轉(zhuǎn)換電路交數(shù)據(jù)重新送回單片機，進行PI運算，從而實現(xiàn)對電機速度和轉(zhuǎn)向的控制，達到直流電機調(diào)

18、速的目的。</p><p>　　圖2-1系統(tǒng)總體設(shè)計圖</p><p>　　1、8051單片機簡介</p><p>　?。?051單片機的基本組成</p><p>　　8051單片機由CPU和8個部件組成，它們都通過片內(nèi)單一總線連接，其基本結(jié)構(gòu)依然是通用CPU加上外圍芯片的結(jié)構(gòu)模式，但在功能單元的控制上采用了特殊功能寄存器的集中控制方法。&l

19、t;/p><p>　?。瓹PU及部分部件的作用功能介紹如下</p><p>　　中央處理器CPU：它是單片機的核心，完成運算和控制功能。</p><p>　　內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器：8051芯片中共有256個RAM單元，能作為存儲器使用的只是前128個單元，其地址為00H—7FH。通常說的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器就是指這前128個單元，簡稱內(nèi)部RAM。</p><p&

20、gt;　　內(nèi)部程序存儲器：8051芯片內(nèi)部共有4K個單元，用于存儲程序、原始數(shù)據(jù)或表格，簡稱內(nèi)部ROM。</p><p>　　定時器：8051片內(nèi)有2個16位的定時器，用來實現(xiàn)定時或者計數(shù)功能，并且以其定時或計數(shù)結(jié)果對計算機進行控制。</p><p>　　中斷控制系統(tǒng)：該芯片共有5個中斷源，即外部中斷2個，定時/計數(shù)中斷2個和串行中斷1個。</p><p>　?。?

21、051單片機引腳圖</p><p>　　圖2-3 8051單片機引腳圖</p><p>　?。ǘ﹩纹瑱C系統(tǒng)中所用其他芯片選型</p><p><b>　　1.地址鎖存器</b></p><p>　　地址鎖存器可以選擇多種，有地址鎖存功能的器件有74LS373、8282、74LS273等，8282是地址鎖存器，功能與74

22、LS373類似，但本系統(tǒng)選用74LS373作為地址鎖存器，考慮到其應(yīng)用的廣泛性以及具有良好的性價比，成為目前在單片機系統(tǒng)中應(yīng)該較廣泛的地址鎖存器。74LS373片內(nèi)是8個輸出帶三態(tài)門的D鎖存器。</p><p>　　當(dāng)使能端呈高電平時，鎖存器中的內(nèi)容可以更新，而在返回低電平的瞬間實現(xiàn)鎖存。如果此時芯片的輸出控制端為低，也即是輸出三態(tài)門打開，鎖存器中的地址信息便可以通過三態(tài)門輸出。其引腳圖如圖2-4所示：</

23、p><p>　　圖2-4 74L373引腳圖</p><p><b>　　2．程序存儲器</b></p><p>　　存儲器是單片機的又一個重要組成部分，其中程序存儲器是單片機中非常重要的存儲器，但由于其存儲空間不足，常常需要對單片機的存儲器空間進行擴展，擴展程序存儲器常用芯片有EPROM（紫外線可擦除型），如2716（2KB）、2732（4KB）

24、、2764（8KB）、27128（16KB）、27256（32KB）等，另外還有＋5V電擦除E2PROM，如2816（2KB）、2864（8KB）等等。考慮到系統(tǒng)功能的可擴展性以及程序功能的擴展，本系統(tǒng)采用16KB的27128作為程序存儲器擴展芯片，在滿足系統(tǒng)要求的前提下還存有一定的擴展空間，是本系統(tǒng)最合適的程序存儲器擴展芯片。27128的引腳圖如圖2-5所示：</p><p>　　圖2-5 27128結(jié)構(gòu)圖&l

25、t;/p><p><b>　　3．?dāng)?shù)據(jù)存儲器</b></p><p>　　8051單片機有128B RAM，當(dāng)數(shù)據(jù)量超過128B也需要把數(shù)據(jù)存儲區(qū)進一步擴展。常用RAM芯片分靜態(tài)和動態(tài)兩種。靜態(tài)RAM有6116(2KB)、6264(8KB)等，動態(tài)DRAM2164(8KB)等，另外還有集成IRAM和E2PROM。使用E2PROM作數(shù)據(jù)存儲器有斷電保護數(shù)據(jù)的優(yōu)點。</

26、p><p>　　數(shù)據(jù)存儲器擴展常使用隨機存儲器芯片，用的較多的是Intel公司的6116容量為2KB和6264容量為8KB。本系統(tǒng)采用容量8KB的6264作為數(shù)據(jù)存儲器擴展芯片。其引腳圖如圖2-6所示：</p><p>　　4. 8051單片機擴展電路及分析</p><p>　　圖2-7 8051單片機擴展電路及分析</p><p><b&

27、gt;　　接線分析：</b></p><p>　　P0.7---P0.0：這8個引腳共有兩種不同的功能，分別使用于兩種不同的情況。第一種情況是8051不帶片外存儲器，P0口可以作為通用I/O口使用，P0.7---P0.0用于傳送CPU的I/O數(shù)據(jù)。第二種情況是8051帶片外存儲器，P0.7---P0.0在CPU訪問片外存儲器時先是用于傳送片外存儲器的低8位地址，然后傳送CPU對片外存儲器的讀寫數(shù)據(jù)。&

28、lt;/p><p>　　P2.7---P2.0：這組引腳的第一功能可以作為通用的I/O使用。它的第二功能和P0口引腳的第二功能相配合，用于輸出片外存儲器的高8位地址，共同選中片外存儲器單元，但是并不能像P0口那樣還可以傳送存儲器的讀寫數(shù)據(jù)。</p><p>　　P3.7---P3.0：這組引腳的第一功能為傳送用戶的輸入/輸出數(shù)據(jù)。它的第二功能作為控制用，每個引腳不盡相同。</p>

29、<p>　　VCC為+5V電源線，VSS為接地線。</p><p>　　ALE/：地址鎖存允許/編程線，配合P0口引腳的第二功能使用，在訪問片外存儲器時，8051CPU在P0.7---P0.0引腳線上輸出片外存儲器低8位地址的同時還在ALE/線上輸出一個高電位脈沖，其下降沿用于把這個片外存儲器低8位地址鎖存到外部專用地址鎖存器，以便空出P0.7---P0.0引腳線去傳送隨后而來的片外存儲器的讀寫數(shù)據(jù)。

30、</p><p>　　/VPP：允許訪問片外存儲器/編程電源線，可以控制8051使用片內(nèi)ROM還是片外ROM。如果=1，那么允許使用片內(nèi)ROM；如果=0，那么允許使用片外ROM。</p><p>　　XTAL1和XTAL2：片內(nèi)振蕩電路輸入線，這兩個端子用來外接石英晶體和微調(diào)電容，即用來連接8051片內(nèi)OSC的定時反饋電路。石英晶振起振后，應(yīng)能在XTAL2線上輸出一個3V左右的正弦波，以便

31、于8051片內(nèi)的OSC電路按石英晶振相同頻率自激振蕩，電容C1、C2可以幫助起振，調(diào)節(jié)它們可以達到微調(diào)fOSC的目的。</p><p>　　（三）、PWM信號發(fā)生電路設(shè)計</p><p>　　1、PWM的基本原理</p><p>　　PWM（脈沖寬度調(diào)制）是通過控制固定電壓的直流電源開關(guān)頻率，改變負(fù)載兩端的電壓，從而達到控制要求的一種電壓調(diào)整方法。PWM可以應(yīng)用在許

32、多方面，比如：電機調(diào)速、溫度控制、壓力控制等等。</p><p>　　在PWM驅(qū)動控制的調(diào)整系統(tǒng)中，按一個固定的頻率來接通和斷開電源，并且根據(jù)需要改變一個周期內(nèi)“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”來達到改變平均電壓大小的目的，從而來控制電動機的轉(zhuǎn)速。也正因為如此，PWM又被稱為“開關(guān)驅(qū)動裝置”。如圖2-8所示：</p><p>　　圖2-8 PWM方波<

33、;/p><p>　　設(shè)電機始終接通電源時，電機轉(zhuǎn)速最大為Vmax，設(shè)占空比為D= t1 / T，則電機的平均速度為Va = Vmax * D，其中Va指的是電機的平均速度；Vmax 是指電機在全通電時的最大速度；D = t1 / T是指占空比。</p><p>　　由上面的公式可見，當(dāng)我們改變占空比D = t1 / T時，就可以得到不同的電機平均速度Vd，從而達到調(diào)速的目的。嚴(yán)格來說，平均速度

34、Vd 與占空比D并非</p><p>　　2、PWM信號發(fā)生電路設(shè)計</p><p>　　圖2-9PWM信號發(fā)生電路</p><p>　　PWM波可以由具有PWM輸出的單片機通過編程來得以產(chǎn)生，也可以采用PWM專用芯片來實現(xiàn)。當(dāng)PWM波的頻率太高時，它對直流電機驅(qū)動的功率管要求太高，而當(dāng)它的頻率太低時，其產(chǎn)生的電磁噪聲就比較大，在實際應(yīng)用中，當(dāng)PWM波的頻率在18K

35、Hz左右時，效果最好。在本系統(tǒng)內(nèi)，采用了兩片4位數(shù)值比較器4585輸出X的值，而PWM信號由三片通用數(shù)字電路生成，這樣可以和一片12位串行計數(shù)器4040組成了PWM信號發(fā)生電路。</p><p>　　兩片數(shù)值比較器4585，即圖上U2、U3的A組接12位串行4040計數(shù)輸出端Q2—Q9，而U2、U3的B組接到單片機的P1端口。只要改變P1端口的輸出值，那么就可以使得PWM信號的占空比發(fā)生變化，從而進行調(diào)速控制。&

36、lt;/p><p>　　12位串行計數(shù)器4040的計數(shù)輸入端CLK接到單片機C51晶振的振蕩輸出XTAL2。計數(shù)器4040每來8個脈沖，其輸出Q2—Q9加1，當(dāng)計數(shù)值小于或者等于單片機P1端口輸出值X時，圖中U2的（A>B）輸出端保持為低電平，而當(dāng)計數(shù)值大于單片機P1端口輸出值X時，圖中U2的（A>B）輸出端為高電平。隨著計數(shù)值的增加，Q2—Q9由全“1”變?yōu)槿?”時，圖中U2的（A>B）輸出端又

37、變?yōu)榈碗娖?，這樣就在U2的（A>B）端得到了PWM的信號，它的占空比為（255 -X / 255）*100%，那么只要改變X的數(shù)值，就可以相應(yīng)的改變PWM信號的占空比，從而進行直流電機的轉(zhuǎn)速控制。</p><p>　　使用這個方法時，單片機只需要根據(jù)調(diào)整量使得軟件大大簡化，同時也有利于單片機系統(tǒng)的正常工作。由于單片機上電復(fù)位時P1端口輸出全為“1”，使用數(shù)值比較器4585的B組與P1端口相連，升速時P0端口

38、輸出X按一定規(guī)律減少，而降速時按一定規(guī)律增大。</p><p>　?。ㄋ模㏄WM發(fā)生電路主要芯片的工作原理</p><p><b>　　1．?dāng)?shù)據(jù)比較器</b></p><p>　　具有數(shù)據(jù)比較功能的芯片有74LS6828，74LS6838等8位數(shù)值比較器，4位數(shù)值比較器4585等。本PWM發(fā)生電路通過兩片4位數(shù)值比較器4585就可實現(xiàn)PWM信號

39、的產(chǎn)生，因此選用4585作為信號發(fā)生電路。芯片4585的引腳圖：</p><p><b>　　2．串行計數(shù)器 </b></p><p>　　系統(tǒng)PWM信號發(fā)生電路中還使用到一片串行計數(shù)器，有串行計數(shù)功能的芯片有4024、4040等，它們具有相同的電路結(jié)構(gòu)和邏輯功能，但4024是7位二進制串行計數(shù)器，而芯片4040是一個12位的二進制串行計數(shù)器，所有計數(shù)器位為主從觸發(fā)器

40、，計數(shù)器在時鐘下降沿進行計數(shù)。當(dāng)CR為高電平時，它對計數(shù)器進行清零，由于在時鐘輸入端使用施密特觸發(fā)器，故對脈沖上升和下降時間沒有限制，所有的輸入和輸出均經(jīng)過緩沖。本系統(tǒng)使用4040作為串行計數(shù)器，芯片4040的引腳圖如圖2-11所示：</p><p>　　圖2-11 4040引腳圖</p><p><b>　?。ㄎ澹?、主電路設(shè)計</b></p><

41、p><b>　　1、延時保護電路</b></p><p>　　利用IR2110芯片的完善設(shè)計可以實現(xiàn)延時保護電路。</p><p>　　IR2110使它自身可對輸入的兩個通道信號之間產(chǎn)生合適的延時，保證了加到被驅(qū)動的逆變橋中同橋臂上的兩個功率MOS器件的驅(qū)動信號之間有一互瑣時間間隔，因而防止了被驅(qū)動的逆變橋中兩個功率MOS器件同時導(dǎo)通而發(fā)生直流電源直通路的危險。

42、</p><p><b>　　2、主電路</b></p><p>　　從上面的原理可以看出，產(chǎn)生高壓側(cè)門極驅(qū)動電壓的前提是低壓側(cè)必須有開關(guān)的動作，在高壓側(cè)截止期間低壓側(cè)必須導(dǎo)通，才能夠給自舉電容提供充電的通路。因此在這個電路中，Q1、Q4或者Q2、Q3是不可能持續(xù)、不間斷的導(dǎo)通的。我們可以采取雙PWM信號來控制直流電機的正轉(zhuǎn)以及它的速度。</p><

43、;p>　　將IC1的HIN端與IC2的LIN端相連，而把IC1的LIN端與IC2的HIN端相連，這樣就使得兩片芯片所輸出的信號恰好相反。</p><p>　　在HIN為高電平期間，Q1、Q4導(dǎo)通，在直流電機上加正向的工作電壓。其具體的操作步驟如下：</p><p>　　當(dāng)IC1的LO為低電平而HO為高電平的時候，Q2截止，C1上的電壓經(jīng)過VB、IC內(nèi)部電路和HO端加在Q1的柵極上，從

44、而使得Q1導(dǎo)通。同理，此時IC2的HO為低電平而LO為高電平，Q3截止，C3上的電壓經(jīng)過VB、IC內(nèi)部電路和HO端加在Q4的柵極上，從而使得Q4導(dǎo)通。</p><p>　　電源經(jīng)Q1至電動機的正極經(jīng)過整個直流電機后再通過Q4到達零電位，完成整個的回路。此時直流電機正轉(zhuǎn)。</p><p>　　在HIN為低電平期間，LIN端輸入高電平，Q2、Q3導(dǎo)通，在直流電機上加反向工作電壓。其具體的操作步

45、驟如下：</p><p>　　當(dāng)IC1的LO為高電平而HO為低電平的時候，Q2導(dǎo)通且Q1截止。此時Q2的漏極近乎于零電平，Vcc通過D1向C1充電，為Q1的又一次導(dǎo)通作準(zhǔn)備。同理可知，IC2的HO為高電平而LO為低電平，Q3導(dǎo)通且Q4截止，Q3的漏極近乎于零電平，此時Vcc通過D2向C3充電，為Q4的又一次導(dǎo)通作準(zhǔn)備。</p><p>　　電源經(jīng)Q3至電動機的負(fù)極經(jīng)過整個直流電機后再通過Q

46、2到達零電位，完成整個的回路。此時，直流電機反轉(zhuǎn)。</p><p>　　因此電樞上的工作電壓是雙極性矩形脈沖波形，由于存在著機械慣性的緣故，電動機轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速是由矩形脈沖電壓的平均值來決定的。</p><p>　　設(shè)PWM波的周期為T，HIN為高電平的時間為t1，這里忽略死區(qū)時間，那么LIN為高電平的時間就為T-t1。HIN信號的占空比為D=t1/T。設(shè)電源電壓為V，那么電樞電壓的平均值為：

47、</p><p>　　Vout= [ t1 - ( T - t1 ) ] V / T</p><p>　　= ( 2 t1 – T ) V / T</p><p>　　= ( 2D – 1 )V</p><p>　　定義負(fù)載電壓系數(shù)為λ，λ= Vout / V， 那么 λ= 2D – 1 ；當(dāng)T為常數(shù)時，改變HIN為高電平的時間t1，也就改變

48、了占空比D，從而達到了改變Vout的目的。D在0—1之間變化，因此λ在±1之間變化。如果我們聯(lián)系改變λ，那么便可以實現(xiàn)電機正向的無級調(diào)速。</p><p>　　當(dāng)λ=0.5時，Vout=0，此時電機的轉(zhuǎn)速為0；</p><p>　　當(dāng)0.5<λ<1時，Vout為正，電機正轉(zhuǎn)；</p><p>　　當(dāng)λ=1時，Vout=V，電機正轉(zhuǎn)全速運行。&l

49、t;/p><p>　　圖2-13 系統(tǒng)主電路</p><p><b>　　3、輸出電壓波形</b></p><p>　　系統(tǒng)電路經(jīng)過單片機控制的PWM信號產(chǎn)生電路送來的PWM信號，經(jīng)過功率放大電路，形成輸出電壓的波形圖如下圖如示：</p><p><b>　　4、系統(tǒng)總體電路圖</b></p>

50、;<p>　　直流電機調(diào)速系統(tǒng)總體電路設(shè)計由單片機產(chǎn)生控制PWM信號發(fā)生電路產(chǎn)生PWM信號的數(shù)據(jù)，控制直流電機調(diào)速電路對電機進行調(diào)速。</p><p>　　圖2-15 系統(tǒng)總休電路圖</p><p><b>　　（六）、測速發(fā)電機</b></p><p>　　測速發(fā)電機是一種測量轉(zhuǎn)速的微型發(fā)電機，他把輸入的機械轉(zhuǎn)速變換為電壓信號輸

51、出，并要求輸出的電壓信號與轉(zhuǎn)速成正比，分為直流與交流兩種。其繞組和磁路經(jīng)過精確設(shè)計，輸出電動勢E和轉(zhuǎn)速n成線性關(guān)系，即E=kn，其中k是常數(shù)。改變旋轉(zhuǎn)方向時，輸出電動勢的極性即相應(yīng)改變。</p><p>　　當(dāng)被測機構(gòu)與測速發(fā)電機同軸連接時，只要檢測出輸出電動勢，即可以獲得被測機構(gòu)的轉(zhuǎn)速，所以測速發(fā)電機又稱速度傳感器。測速發(fā)電機廣泛應(yīng)用于各種速度或者位置控制系統(tǒng)，在自動控制系統(tǒng)中作為檢測速度的元件，以調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)

52、速或者通過反饋來提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和精度。</p><p>　　三、系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計</p><p>　?。ㄒ唬?、PI 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖及參數(shù)計算</p><p>　　按照典型II型系統(tǒng)的參數(shù)選擇方法， 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)和電阻電容值關(guān)系如下:</p><p>　　Kn = Rn/ R0 Γn = Rn/ Cn Ton = 1/4

53、 R0 * Con</p><p>　　參數(shù)求法： 電動機 P=10KW U=220V I=55A n=1000轉(zhuǎn)/分 電樞電阻R=0.5歐姆 取濾波電路中Ro=40千歐 Rn=470千歐 Cn=0.2uF Con=1uF 則：</p><p><b>　　Umax=220V</b></p><p>　　Umin=（220/0.9）

54、*0.5=122V</p><p>　　Yi-1=0 W=1000轉(zhuǎn)/分</p><p>　　P=Kp=Rn/Ro=11.7</p><p>　　I=Kp*T/Ti=125</p><p>　?。ǘ?、系統(tǒng)中的部分程序設(shè)計</p><p>　　軟件由1個主程序、1個中斷子程序和1個PI控制算法子程序組成。</p&

55、gt;<p><b>　　1、主程序設(shè)計</b></p><p>　　主程序主程序是一個循環(huán)程序，其主要思路是，先設(shè)定好速度初始值，這個初始值與測速電路送來的值相比較得到一個誤差值，然后用PI算法輸出控制系數(shù)給PWM發(fā)生電路改變波形的占空比，進而控制電機的轉(zhuǎn)速。其程序流程圖如圖所示。軟件由1個主程序、1個中斷子程序和1個PI控制算法子程序組成。主程序主程序是一個循環(huán)程序，其主要

56、思路是由單片機P1口生數(shù)據(jù)送到PWM信號發(fā)生電路，然后用PI算法輸出控制系數(shù)給PWM發(fā)生電路改變波形的占空比進而控制電機的轉(zhuǎn)速。</p><p>　　主程序流程圖如圖3-2所示：</p><p>　　1. PI控制算法子程序設(shè)計</p><p>　　/*PI控制算法子程序*/</p><p>　　void PID_work()</p&g

57、t;<p><b>　　{</b></p><p>　　negsum=0;possum=0;</p><p><b>　　if(BJ==0)</b></p><p><b>　　{</b></p><p>　　possum+=k1;</p><

58、p>　　temp[2]=temp[2]+temp[0];}</p><p><b>　　else</b></p><p><b>　　{</b></p><p>　　negsum+=k1;</p><p>　　temp[2]=temp[2]-temp[0];</p><p&

59、gt;<b>　　}</b></p><p>　　k3=temp[2]/10;</p><p>　　if(possum>negsum)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　k2=possum-negsum; //存儲結(jié)果</p><p><

60、b>　　CY=0;</b></p><p>　　temp[1]=k3+k1; //誤差積累，</p><p><b>　　{</b></p><p>　　if(CY==1) //16位判斷。</p><p><b>　　UK=0xfe;</b></p><

61、;p><b>　　else</b></p><p>　　UK=k1+k3; </p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　else</b></p><p><b>　　UK=1;</b></p><p>

62、;<b>　　P3=UK;</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　2．程序</b></p><p><b>　?。?）延時程序</b></p><p>　　void dealy()</p><p&g

63、t;<b>　　{</b></p><p><b>　　uchar i;</b></p><p>　　for(i=0;i<100;i++);</p><p><b>　　}</b></p><p>　　void t0(void) interrupt 1 using 0 /

64、/定時T0中斷服務(wù)函數(shù)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　tcnt++; //每過250ust tcnt 加一</p><p>　　if(tcnt==40) //計滿40 次（1/100 秒）時</p><p><b>　　{</b>&

65、lt;/p><p>　　tcnt=0; //重新再計</p><p><b>　　sec++;</b></p><p>　　if(sec==10) //定時0.1 秒，在從零開始計時</p><p><b>　　{</b></p><p>

66、;<b>　　sec=0;</b></p><p>　　TH0=0x06; //對TH0 TL0 賦值</p><p><b>　　TL0=0x06;</b></p><p>　　miaoshu=count;</p><p><b>　　count=0;</b>&l

67、t;/p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　?。?）PID運算子程序</p><p>　　void PID_work()</p><p>

68、<b>　　{</b></p><p>　　negsum=0;possum=0;</p><p><b>　　if(BJ==0)</b></p><p><b>　　{</b></p><p>　　possum+=k1;</p><p>　　temp[2

69、]=temp[2]+temp[0];}</p><p><b>　　else</b></p><p><b>　　{</b></p><p>　　negsum+=k1;</p><p>　　temp[2]=temp[2]-temp[0];</p><p><b>　

70、　}</b></p><p>　　k3=temp[2]/10;</p><p>　　if(possum>negsum)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　k2=possum-negsum; //存儲結(jié)果</p><p><b>　　CY=0;&

71、lt;/b></p><p>　　temp[1]=k3+k1; //誤差積累，</p><p><b>　　{</b></p><p>　　if(CY==1) //16位判斷。</p><p><b>　　UK=0xfe;</b></p><p><b&g

72、t;　　else</b></p><p>　　UK=k1+k3; </p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　else</b></p><p><b>　　UK=1;</b></p><p><b>　　P

73、3=UK;</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　(3)主程序</b></p><p>　　void main() </p><p><b>　　{ </b></p><p><b>

74、;　　P1=0x00;</b></p><p><b>　　P3=0x00;</b></p><p>　　TMOD=0x01; /*定時器0方式1*/ </p><p>　　TH0=0xfc; /*定時器裝載初值*/ </p><p>　　TL0=0x18; <

75、/p><p>　　ET0=1; /*開定時器0中斷*/ </p><p>　　TR0=1; /*啟動定時器0*/ </p><p>　　while(1) </p><p><b>　　{</b></p><p>　　if(P1_0==1)</p>

76、<p><b>　　P1=0xff;</b></p><p>　　if(P1_1==1)</p><p>　　EA=0; /*關(guān)CPU中斷*/</p><p>　　if(P1_2==1)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　dir=~

77、dir; /*轉(zhuǎn)向控制*/</p><p>　　while(P1_2!=0)</p><p><b>　　{};</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　if(P1_3==1)</p><p><b>　　{</b>&l

78、t;/p><p><b>　　high++;</b></p><p>　　if(high==30)</p><p><b>　　high=0;</b></p><p>　　while(P1_3!=0)</p><p><b>　　{};</b></p&

79、gt;<p><b>　　}</b></p><p><b>　　} </b></p><p><b>　　四、系統(tǒng)調(diào)試</b></p><p><b>　?。ㄒ唬④浖{(diào)試</b></p><p>　　在程序編寫的過程中，出現(xiàn)了很多問題

80、，包括鍵盤掃描處理、PWM信號發(fā)生電路的控制、以及單片機控制直流電機的轉(zhuǎn)動方向等問題，雖然問題不是很大，但是也讓我研究了好長時間，在解決這些問題的時候，我不斷向老師和同學(xué)請教，希望能通過大家一塊的努力把軟件編寫的更完整，讓系統(tǒng)的功能更完備。經(jīng)過多天的努力探索，也經(jīng)過老師的指導(dǎo)，大部分問題都已經(jīng)解決，就是程序還是不能實現(xiàn)應(yīng)該實現(xiàn)的功能，這讓我很著急。后來經(jīng)過一點一點的調(diào)試，并認(rèn)真總結(jié)，發(fā)現(xiàn)了問題其實在編寫中斷處理程序時出現(xiàn)了錯誤，修改后即

81、可實現(xiàn)直流電機調(diào)速的目的?？偨Y(jié)這次軟件調(diào)試，讓我認(rèn)識到了做軟件調(diào)試的基本方法與流程：</p><p>　?。?）認(rèn)真檢查源代碼，看是否有文字或語法錯誤</p><p>　?。?）逐段子程序進行設(shè)計，找出錯誤出現(xiàn)的部分，重點排查</p><p>　　（3）找到合適的方法，仔細(xì)檢查程序，分步調(diào)試直到運行成功</p><p><b>　　

82、（二）、系統(tǒng)仿真</b></p><p>　　仿真軟件選擇Proteus ，在Proteus中畫出系統(tǒng)電路圖，當(dāng)程序在Keil C中調(diào)試通過后，會生成以hex為擴展名的文件，這就是使系統(tǒng)能夠在Proteus中成功進行仿真的文件。將些文件加載到單片機仿真系統(tǒng)中，驗證是否能完成對直流電機的速度調(diào)節(jié)。若不成功，則重新回到軟件調(diào)試步驟，進行軟件調(diào)試。找出錯誤所在，更正后重新運行系統(tǒng)。硬件仿真電路的設(shè)計完全按照

83、論文設(shè)計方案進行。在仿真的過程中也遇到了很多問題，比如元件選擇、電路設(shè)計等，在元件選擇方面，有的芯片是我以前學(xué)習(xí)的時候所沒有遇到過的，所以在尋找和使用的過程中也遇到很多麻煩，但經(jīng)過自己的努力，并借鑒從互聯(lián)網(wǎng)上找到的資料，我逐漸掌握這些元件的使用方法和原理，為系統(tǒng)設(shè)計和仿真提供了良出的基礎(chǔ)。另外，在進行仿真的時候，也經(jīng)常出現(xiàn)程序沒有錯誤了，但是仿真通不過的情況，這些大部分原因是在管腳定義上，很多系統(tǒng)仿真的問題都出在這。經(jīng)過這段時間的努力，

84、使我對仿真軟件以及系統(tǒng)設(shè)計電路有了更深一步的認(rèn)識，也為系統(tǒng)的成功奠定了基礎(chǔ)。</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　這次畢業(yè)設(shè)計，凝結(jié)了很多人的心血，在此我表示由衷的感謝。沒有他們的幫助，我將無法順利完成這次設(shè)計。 首先，我要特別感謝xx老師對我的悉心指導(dǎo)，在畢業(yè)設(shè)計期間曲老師指導(dǎo)我、幫助我收集文獻資料，理清設(shè)計思路，完善操作方法，

85、并對我所做的設(shè)計提出有效的改進方案。老師淵博的知識、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖黠L(fēng)、誨人不倦的態(tài)度和學(xué)術(shù)上精益求精的精神讓我受益終生。作為一個本科生的畢業(yè)設(shè)計，由于經(jīng)驗的匱乏，難免有許多考慮不周全的地方，如果沒有導(dǎo)師的督促指導(dǎo)，想要完成這個設(shè)計是難以想象的。因此，特別需要感謝xx老師給予的耐心細(xì)致的指導(dǎo)，在此，再一次向曲培新教師以及關(guān)心幫助我的教師同學(xué)表示最誠摯的謝意！</p><p>　　其次，學(xué)校在這方面也給我們提供了很大的支持

86、和幫助，學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)比較重視，每個設(shè)計小組配有專門的指導(dǎo)老師，幫助我們能順利完成整個設(shè)計。對于學(xué)校和老師為我的畢業(yè)設(shè)計所提供的極大幫助和關(guān)心，在此我致以衷心的感謝！</p><p>　　最后，還要感謝同學(xué)四年來對我的關(guān)心與支持，感謝各位老師在學(xué)習(xí)期間對我的嚴(yán)格要求。同時也要感謝身邊朋友的熱心幫助，沒有你們的關(guān)心與支持，我不可能這么快完成我的畢業(yè)設(shè)計！這幾個月的歲月是我學(xué)生生涯中最有價值的一段時光，也將會成為我以后永遠(yuǎn)

87、的美好的回憶，在這里有治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)而不失親切的老師，也有互相幫助情同骨肉的同學(xué)，更有和諧、融洽的學(xué)習(xí)生活氛圍，這里將是我永遠(yuǎn)向往的地方。借此論文之際，我想向所有人表達我的最誠摯的謝意，愿我們將來都越來越好。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]張友德等，單片機原理應(yīng)用與實驗[M]，復(fù)旦大學(xué)出版社1992.</p><

88、p>　　[2]張毅剛，彭喜源，譚曉鈞，曲春波.MCS－51單片機應(yīng)用設(shè)計[M].哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社2001.1.</p><p>　　[3]宋慶環(huán)，才衛(wèi)國，高志，89C51單片機在直流電動機調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用[M]。唐山學(xué)院，2008.4</p><p>　　[4]陳　錕　危立輝，基于單片機的直流電機調(diào)速器控制電路[J]，中南民族大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2003.9.</p&g

89、t;<p>　　[5]李維軍 韓小剛 李 晉，基于單片機用軟件實現(xiàn)直流電機PWM調(diào)速系統(tǒng)[J]，維普資訊，2007.9</p><p>　　[6]曹巧媛.單片機原理及應(yīng)用[M].北京，電子工業(yè)出版社，1997.</p><p>　　[7]劉大茂，嚴(yán)飛.單片機應(yīng)用系統(tǒng)監(jiān)控主程序的設(shè)計方法[J].福州大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)福建農(nóng)林大學(xué)碩士論文版)，1998.2.</p>

90、<p>　　[9]朱定華，戴汝平編著.單片機原理與應(yīng)用[M].清華大學(xué)出版社北方交通大學(xué)出版社，2003.8.</p><p><b>　　[10] </b></p><p>　　[11]薛鈞義 張彥斌編著. MCS—51/96系列單片微型計算[M].西安交通大學(xué)出版社，1997.8</p><p>　　[12]陳國呈 編著.PWM