基于PID控制的直流電機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計

1、基于基于 PIDPID 控制的直流電機調(diào)速系統(tǒng)控制的直流電機調(diào)速系統(tǒng)【摘要】：在工業(yè)自動控制系統(tǒng)和各種智能產(chǎn)品中常常會用用電機進行驅(qū)動、傳動和控制，而現(xiàn)代智能控制系統(tǒng)中，對電機的控制要求越來越精確和迅速，對環(huán)境的適應(yīng)要求越來越高。隨著科技的發(fā)展，通過對電機的改造，出現(xiàn)了一些針對各種應(yīng)用要求的電機，如伺服電機、步進電機、開關(guān)磁阻電機等非傳統(tǒng)電機。但是在一些對位置控制要求不高的電機控制系統(tǒng)如傳動控制系統(tǒng)中，傳統(tǒng)電機如直流電機乃有很大的優(yōu)勢，而要對其進行精確而又迅速的控制，就需要復(fù)雜的控制系統(tǒng)。隨著微電子和計算機的發(fā)展，PID 控制技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛，數(shù)字控制系統(tǒng)有控制精確，硬件實現(xiàn)簡單，受環(huán)境影響

2、小，功能復(fù)雜，系統(tǒng)修改簡單，有很好的人機交換界面等特點。本設(shè)計以上面提到的數(shù)字 PID 為基本控制算法，以單片機為控制核心，產(chǎn)生占空比受數(shù)字 PID 算法控制的 PWM 脈沖實現(xiàn)對直流電機轉(zhuǎn)速的控制。同時利用霍爾傳感器將電機速度轉(zhuǎn)換成脈沖頻率反饋到單片機中，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，達到轉(zhuǎn)速無靜差調(diào)節(jié)的目的?！娟P(guān)鍵詞】:直流電機；單片機；霍爾傳感器；PID 控制【Abstract】：In industrial automatic control systems and a variety of smartproducts are often used to drive electric motor,

3、transmission andcontrol, and modern intelligent control systems, motor control requirements for more accurate and rapid adaptation to the environment have become increasingly demanding high. With the development of technology, through the transformation of the motor, there are some requirements of t

4、he motor for various applications such as servo motors, stepper motors, switched reluctance motors and other non-traditional motor. However, insome of the less demanding position control motor controlsystems such as transmission control systems, such asconventional DC motors is a great advantage, bu

5、t to be preciseand quick control, we need a complex control system. With the development of microelectronics and computers, PID controltechnology becomes more widespread, digital control system, precise control and simple hardware implementation, subject toenvironmental impact, functional complexity

6、, system changessimple, good man-machine interface and other exchangecharacteristics.The design for the above-mentioned basic digital PID control algorithm for the control of the microcontroller core, produced by the digital PID algorithm to control the duty cycle of the PWMpulse to achieve the DC m

7、otor speed control. At the same timethe use of Hall sensors into pulse frequency motor speedfeedback to the microcontroller to achieve closed-loop speedcontrol, to adjust the speed of the purpose of static error-free.【Key words】：DC motor ; single - chip Microcomputer ; hall position sensor ; PID con

8、trol目目錄錄1緒緒論論. 11.1本課程的選題背景. 11.2直流電機簡介. 21.3系統(tǒng)開發(fā)軟硬件概述. 91.4本課題研究的基本內(nèi)容. 122直流電機直流電機 PID 調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計方案調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計方案 .132.1系統(tǒng)總體設(shè)計方案. 132.2系統(tǒng)設(shè)計原理. 283直流電機直流電機 PID 系統(tǒng)硬件設(shè)計系統(tǒng)硬件設(shè)計 . 363.1H 橋驅(qū)動電路設(shè)計方案. 363.2調(diào)速設(shè)計方案. 373.3系統(tǒng)硬件電路設(shè)計. 383.4基于單片機控制流程. 404直流電機直流電機 PID 系統(tǒng)軟件設(shè)計系統(tǒng)軟件設(shè)計 . 424.1如何應(yīng)用 PID 控制電機轉(zhuǎn)速 .424.2調(diào)速系統(tǒng)主程序原理框圖. 48

9、4.3中斷服務(wù)程序原理框圖. 495結(jié)結(jié)論論. 516致致 謝謝. 517參考文獻參考文獻. 528附附 錄錄. 53基于 PID 控制的直流電機調(diào)速系統(tǒng) 11緒緒論論1.1 本課程的選題背景本課程的選題背景PID 控制器（按閉環(huán)系統(tǒng)誤差的比例、積分和微分進行控制的調(diào)節(jié)器）自 30年代末期出現(xiàn)以來，在工業(yè)控制領(lǐng)域得到了很大的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。它的結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)易于調(diào)整，在長期應(yīng)用中已積累了豐富的經(jīng)驗。特別是在工業(yè)過程控制中，由于被控制對象的精確的數(shù)學(xué)模型難以建立，系統(tǒng)的參數(shù)經(jīng)常發(fā)生變化，運用控制理論分析綜合不僅要耗費很大代價，而且難以得到預(yù)期的控制效果。在應(yīng)用計算機實現(xiàn)控制的系統(tǒng)中，PID 很

10、容易通過編制計算機語言實現(xiàn)。由于軟件系統(tǒng)的靈活性，PID 算法可以得到修正和完善，從而使數(shù)字 PID 具有很大的靈活性和適用性，其中數(shù)字 PID 控制器是由軟件編程在計算機內(nèi)部實現(xiàn)的。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 80 年代以前一直未能實現(xiàn)。直到進入上世紀 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)。PWM 控制技

11、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。在電機控制系統(tǒng)開發(fā)中，常常需要消耗各種硬件資源，系統(tǒng)構(gòu)建時間長，而在調(diào)試時很難對硬件系統(tǒng)進行修改，從而延長開發(fā)周期。隨著計算機仿真技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，可用計算機對電機控制系統(tǒng)進行仿真，從而減小系統(tǒng)開發(fā)開支和周期。計算機仿真可分為整體仿真和實時仿真。整體仿真是對系統(tǒng)各個時間段對各個對象進行計算和分析，從而對各個對象的變化情況有直觀的整體的了解，即能對系統(tǒng)進行精確的預(yù)測，

12、如 Proteus 就是一個典型的實時仿真軟件。實時仿真是對時間點的動態(tài)仿真，即隨著時間的推移它能動態(tài)仿真出當(dāng)時系統(tǒng)的狀態(tài)。Proteus 是一個實時仿真軟件，用來仿真各種嵌入式系統(tǒng)。它能對各種微控制器進行仿真，本系統(tǒng)即用基于 PID 控制的直流電機調(diào)速系統(tǒng) 2Proteus 對直流電機控制系統(tǒng)進行仿真。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

13、成閉環(huán)控制，實現(xiàn)電機的調(diào)速控制。1.2 直流電機簡介直流電機簡介1.2.11.2.1 直流電機的發(fā)展歷史直流電機的發(fā)展歷史電機原理最早的提出者是英國的科學(xué)家法拉第，他首先證明了電力可以轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)動力，而后據(jù)說是德國的雅克比最先將之付諸實踐，制造出了第一臺電機。電機最早先的樣子是在兩個 U 型磁鐵中間安裝了一個六臂輪，并在每個臂上帶兩根棒型磁鐵，通電后磁鐵的吸引力和排斥力推動輪軸轉(zhuǎn)動。電機在雅克比手上還有進一步的發(fā)展，他制造了一個大型的裝置為小艇提供動力，并在易北河上試航，雖然當(dāng)時的時速只達到了 2.2 公里，但這不影響電機實驗的成功。電機的另一個發(fā)展者美國的達文波特，在幾乎相同的時間里，也成功

14、的制造了電動的印刷機，只可惜這個型號的印刷機成本太大，幾乎沒有商業(yè)價值。電機被廣泛應(yīng)用的推動力來自直流電機的問世，在 1870 年時比利時的工程師格拉姆發(fā)明了這種實用機械，并把它大量制造出來，而后還不斷的對電機的效率進行提高。電機的另一個研究單位德國西門子也在努力研究，幾乎也是在格拉姆成功的同一時間，西門子推出了電機車，這個不燒油的車在柏林工業(yè)展覽會上獲得一片喝彩聲。1.2.2直流電機的特點直流電機的特點直流勵磁的磁路在電工設(shè)備中的應(yīng)用，除了直流電磁鐵（直流繼電器、直流接觸器等）外，最重要的就是應(yīng)用在直流旋轉(zhuǎn)電機中。在發(fā)電廠里，同步發(fā)電機的勵磁機、蓄電池的充電機等，都是直流發(fā)電機；鍋爐給粉機的

15、原動機是直流電機。此外，在許多工業(yè)部門，例如大型軋鋼設(shè)備、大型精密機床、礦井卷揚機、市內(nèi)電車、電纜設(shè)備要求嚴格線速度一致的地方等，通常都采用直流電機作為原動機來拖動工作機械的。直流發(fā)電機通常是作為直流電源，向負載輸出電能；直流電機則是作為原動機帶動各種生產(chǎn)機械工作，向負載輸出機械能。在控制系統(tǒng)中，直流電機還有其它的用途，例如測速電機、伺服電機等?；?PID 控制的直流電機調(diào)速系統(tǒng) 3雖然直流發(fā)電機和直流電機的用途各不同，但是它們的結(jié)構(gòu)基本上一樣，都是利用電和磁的相互作用來實現(xiàn)機械能與電能的相互轉(zhuǎn)換。直流電機的最大弱點就是有電流的換向問題，消耗有色金屬較多，成本高，運行中的維護檢修也比較麻煩。

16、因此，電機制造業(yè)中正在努力改善交流電機的調(diào)速性能，并且大量代替直流電機。不過，近年來在利用可控硅整流裝置代替直流發(fā)電機方面，已經(jīng)取得了很大進展。包括直流電機在內(nèi)的一切旋轉(zhuǎn)電機，實際上都是依據(jù)我們所知道的兩條基本原則制造的。一條是：導(dǎo)線切割磁通產(chǎn)生感應(yīng)電動勢；另一條是：載流導(dǎo)體在磁場中受到電磁力的作用。因此，從結(jié)構(gòu)上來看，任何電機都包括磁場部分和電路部分。從上述原理可見，任何電機都體現(xiàn)著電和磁的相互作用，是電、磁這兩個矛盾著的對立面的統(tǒng)一。我們在這一章里討論直流電機的結(jié)構(gòu)和工作原理，就是討論直流電機中的“磁”和“電”如何相互作用，相互制約，以及體現(xiàn)兩者之間相互關(guān)系的物理量和現(xiàn)象（電樞電動勢、電磁

17、轉(zhuǎn)矩、電磁功率、電樞反應(yīng)等）。1.2.3直流電機的分類直流電機的分類一般的電機多采用電流勵磁。勵磁的方式分為他勵和自勵兩大類。 他勵直流電機由獨立的電源為電機勵磁繞組提供所需的勵磁電流。例如用獨立的直流電源為直流發(fā)電機的勵磁繞組供電；由交流電源對異步電機的電樞繞組供電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場等等。前者為直流勵磁，后者為交流勵磁。同步電機按電網(wǎng)的情況,可以是轉(zhuǎn)子的勵磁繞組直流勵磁,也可以定子上由電網(wǎng)提供交流勵磁，一般以直流勵磁為主。如直流勵磁不足，則從電網(wǎng)輸入滯后的無功電流對電機補充勵磁；如直流勵磁過強，則電機就向電網(wǎng)輸出滯后的無功電流,使電機內(nèi)部磁場削弱。采用直流勵磁時,勵磁回路中只有電阻引起的電壓降,所

18、需勵磁電壓較低,勵磁電源的容量較小。采用交流勵磁時，由于勵磁線圈有很大的電感電抗，所需勵磁電壓要高得多，勵磁電源的容量也大得多。 他勵式勵磁電源，原來常用直流勵磁機。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，已較多地采用交流勵磁機經(jīng)半導(dǎo)體整流后對勵磁繞組供電的方式勵磁。勵磁調(diào)節(jié)可以通過調(diào)節(jié)交流勵磁機的勵磁電流來實現(xiàn)；也可以在交流勵磁機輸出電壓基本保持不變的情況下，利用可控整流調(diào)節(jié)。后者調(diào)節(jié)比較快速，還可以方便地利用可控整流橋的逆變工作狀態(tài)達到快速滅磁和減磁，從而取消常用的滅磁開關(guān)。前一種方式，整流元件為二極管，如把它和交流勵磁機電樞繞組、同步電機勵磁繞組一起都裝在轉(zhuǎn)子上，則勵磁電流就可以直接由交流勵磁機經(jīng)整流橋

19、輸入勵磁繞組,不再需要集電環(huán)和電刷，可構(gòu)成無刷勵磁系統(tǒng),為電機的運行、維護帶來很多方便。當(dāng)然整流元件、快速熔斷器等器件在運行中均處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，要承受相當(dāng)大的離心力，這在結(jié)構(gòu)設(shè)計時必須加以考慮?；?PID 控制的直流電機調(diào)速系統(tǒng) 4自勵直流電機利用電機自身所發(fā)電功率的一部分供應(yīng)本身的勵磁需要。電機采用自勵時，不需要外界單獨的勵磁電源,設(shè)備比較簡單。但如果原先電機內(nèi)部沒有磁場,它就不可能產(chǎn)生電動勢，也就不可能進行自勵。所以實現(xiàn)自勵的條件是電機內(nèi)部必須有剩磁。 自勵系統(tǒng)又可分為并勵和復(fù)勵兩種。并勵指僅由同步電機的電壓取得能量的自勵系統(tǒng)，復(fù)勵指由同步電機的電壓及電流兩者取得能量的自勵系統(tǒng)。并勵發(fā)

20、電機進行自勵的條件和起勵過程如圖 1 和圖 2 所示。圖 1 是并勵直流發(fā)電機的原理接線圖。圖 2 為其起勵過程。其中曲線 1 為發(fā)電機的磁化曲線f(If)。由于在一定轉(zhuǎn)速下電機的感應(yīng)電動勢與磁通成正比,所以曲線 1 同時也就是電機的空載特性曲線 E 0=f(If)，即電機的感應(yīng)電動勢與勵磁電流 If 之間的關(guān)系。而曲線 2 為勵磁回路的電阻特性 UIfR,它表示勵磁電流與電機電壓之間的關(guān)系。它實際是一條斜率為 R 的直線。其中R 為勵磁回路的總電阻，它包括勵磁繞組的電阻和外加的調(diào)節(jié)電阻 Rr。1.2.4直流電機的結(jié)構(gòu)及基本工作原理直流電機的結(jié)構(gòu)及基本工作原理直流電機的結(jié)構(gòu)分為兩部分：定子與轉(zhuǎn)

21、子。 定子包括：主磁極，機座，換向極，電刷裝置等。 轉(zhuǎn)子包括：電樞鐵芯，電樞繞組，換向器，軸和風(fēng)扇等。 （1）定子 定子就是發(fā)動機中固定不動的部分，它主要由主磁極、機座和電刷裝置組成。主磁極是由主磁極鐵芯（極心和極掌）和勵磁繞組組成，其作用時用來產(chǎn)生磁場。極心上放置勵磁繞組，極掌的作用是使電機空氣隙中磁感應(yīng)強度分配最為合理，并用來阻擋勵磁繞組。主磁極用硅鋼片疊成，固定在機座上。機座也是磁路的一部分，常用鑄鋼制成。電刷是引入電流的裝置，其位置固定不變。它與轉(zhuǎn)動的交換器作滑動連接，將外加的直流電流引入電樞繞組中，使其轉(zhuǎn)化為交流電流。 直流電機的磁場是一個恒定不變的磁場，是由勵志繞組中的直流電流形成

22、的磁場方向和勵磁電流的關(guān)系由由有螺旋法則確定。 在微型直流電機中，也有用永久磁鐵作磁極的。 （2）轉(zhuǎn)子 轉(zhuǎn)子是電機的轉(zhuǎn)動部分，主要由電樞和換向器組成。電樞是電機中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的部分，主要包括電樞鐵芯和點數(shù)饒組。電樞鐵芯成圓柱形，由硅鋼片疊成，表面沖有槽，槽中放電樞繞組。通有電流的電樞繞組在磁場中受到電基于 PID 控制的直流電機調(diào)速系統(tǒng) 5磁力矩的作用，驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，起了能量轉(zhuǎn)換的樞紐作用，故稱“電樞”。 換向器又稱整流子，是直流電機的一種特殊裝置。它是由楔形銅片疊成，片間用云母墊片絕緣。換向片嵌放在套筒上，用壓圈固定后成為換向器再壓裝，在轉(zhuǎn)軸上電樞繞組的導(dǎo)線按一定的規(guī)則焊接在換向片突出的叉

23、口中。 在換向器表面用彈簧壓著固定的電刷，使轉(zhuǎn)動的電樞繞組得以同外電路連接起來，并實現(xiàn)將外部直流電流轉(zhuǎn)化為電樞繞組內(nèi)的交流電流。直流電機的基本工作原理導(dǎo)體受力的方向用左手定則確定。這一對電磁力形成了作用于電樞一個力矩，這個力矩在旋轉(zhuǎn)電機里稱為電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩的方向是逆時針方向，企圖使電樞逆時針方向轉(zhuǎn)動。如果此電磁轉(zhuǎn)矩能夠克服電樞上的阻轉(zhuǎn)矩（例如由摩擦引起的阻轉(zhuǎn)矩以及其它負載轉(zhuǎn)矩），電樞就能按逆時針方向旋轉(zhuǎn)起來。圖 1-1 直流電機的原理模型當(dāng)電樞轉(zhuǎn)了 180后，導(dǎo)體 cd 轉(zhuǎn)到 N 極下，導(dǎo)體 ab 轉(zhuǎn)到 S 極下時，由于直流電源供給的電流方向不變，仍從電刷 A 流入，經(jīng)導(dǎo)體 cd 、ab 后，

24、從電刷B 流出。這時導(dǎo)體 cd 受力方向變?yōu)閺挠蚁蜃?，?dǎo)體 ab 受力方向是從左向右，產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩的方向仍為逆時針方向。因此，電樞一經(jīng)轉(zhuǎn)動，由于換向器配合電刷對電流的換向作用，直流電流交替地由導(dǎo)體 ab 和 cd 流入，使線圈邊只要處于 N 極下，其中通過電流的方向總是由電刷 A 流入的方向，而在 S 極下時，總是從電刷 B 流出的方向。這就保證了每個極下線圈邊中的電流始終是一個方向，從而形成一種方向不變的轉(zhuǎn)矩，使電機能連續(xù)地旋轉(zhuǎn)。這就是直流電機的工作原理。直流電機的機械特性直流電機按勵磁方式不同可分為他勵、并勵、串勵和復(fù)勵四種。下面一?；?PID 控制的直流電機調(diào)速系統(tǒng) 6用的他勵和并勵

25、電機為例介紹其機械特性、起動、反轉(zhuǎn)和調(diào)速，他勵和并勵電機只是連接方式上的不同，兩者的特性是一樣的。圖 1-2 直流電機的接線圖圖 1-2 是他勵和并勵直流電機的接線原理圖。他勵電機的勵磁繞組與電樞是分離的，分別由勵磁電源電壓 Uf 和電樞電源電壓 U 兩個直流供電；而在并勵電機中兩者是并聯(lián)的，由同一電壓 U 供電。并勵電機的勵磁繞組與電樞并聯(lián)，其電壓與電流間的關(guān)系為：U=E+RaIa 即：Ia=aREU （Ra 為電樞電壓）ffIUII=Ia+IfIa當(dāng)電源電壓 U 和勵磁電路的電阻 Rf 保持不變時，勵磁電流 If 以及由它所產(chǎn)生的磁通 也保持不變，即 =常數(shù)。則電機的轉(zhuǎn)距也就和電樞電流成正

26、比，T= KTIa= KIa 這是并勵電機的特點。當(dāng)電機的電磁轉(zhuǎn)距 T 必須與機械負載轉(zhuǎn)距 T2 及空載損耗轉(zhuǎn)距 T0 相平衡時，電機將等速轉(zhuǎn)動；當(dāng)軸上的機械負載發(fā)生變化時，將引起電機的轉(zhuǎn)速、電流及電磁轉(zhuǎn)距等發(fā)生變化。，稱為： 基于 PID 控制的直流電機調(diào)速系統(tǒng) 7nTNTnNn0n 圖 1-3 并勵電機的機械特性曲線nnTKKRKUkRIUKEnTEaEEaaE02式中并勵電機的起動與反轉(zhuǎn)：并勵電機在穩(wěn)定運行時，其電樞電流位：aaREUI因電樞電阻 Ra 很小，所以電機在正常運行時，電源電壓 U 與反電動勢 E近似相等。在起動時，n=0，所以 EkEn0。這時電樞電流及起動電流為：aast

27、RUI由于 Ra 很小，因此起動電流 Iast 可達額定電流 IN 的 1020 倍，這時不允許的。同時并勵電機的轉(zhuǎn)距正比于電樞電流 Ia，這么大的起動電流引起極大的起動轉(zhuǎn)距，會對生產(chǎn)機械的傳動機構(gòu)產(chǎn)生沖擊和破壞。限制起動電流的方法就是在起動時的電樞電路中串接起動電阻 Rst，見圖。這時起動電樞中的起動電流的初始值為：staastRRUI則起動電阻為：RaRaURst一般：Iast=（1.52.5）IN起動時，可將起動電阻 Rst 放在最大值處，待起動后，隨著電機轉(zhuǎn)速的上基于 PID 控制的直流電機調(diào)速系統(tǒng) 8升，再把它逐段切除。注意：直流電機在起動或工作時，勵磁電路一定要保持接通，不能斷開（

28、滿勵磁起動）。普則，由于磁路中只有很小的剩磁，就有可能發(fā)生以下：要改變電機的轉(zhuǎn)動方向，就必須改變電磁轉(zhuǎn)距 T 的方向， 可通過改變磁通（勵磁電流）或電樞電流 Ia 的方向?qū)崿F(xiàn)。 1.并勵電機的調(diào)速電機的調(diào)速就是在同一負載下獲得不同的轉(zhuǎn)速，以滿足不同的要求。由轉(zhuǎn)速公式：可知常用的調(diào)速方式有調(diào)磁調(diào)速和調(diào)壓調(diào)速兩種。EaaKRIUn2.改變磁通 （調(diào)磁調(diào)速 ）當(dāng)保持電源電壓 U 為額定值不變時，調(diào)節(jié)勵磁電路的電阻，改變勵磁電流 If 而改變磁通 。由式可見，當(dāng)磁通 減小時，n0升TKKRKUnTEaE2高了，轉(zhuǎn)速降 n 也增大了；但 n 與 2 成正比，所以磁通愈小，機械特性曲線也愈陡，但仍有一定的

29、硬度。見圖 1-4Tcn2n1n0UnnNnnT小減通磁圖 1-4 改變時的機械特性曲線由于電機一般是在額定狀態(tài)下運行的，它的磁路已接近于飽和，所以在一定負載下，通常是減小磁通調(diào)速（N），轉(zhuǎn)速上調(diào)（nnN）。 基于 PID 控制的直流電機調(diào)速系統(tǒng) 91.3 系統(tǒng)開發(fā)軟硬件概述系統(tǒng)開發(fā)軟硬件概述1.3.1單片機最小系統(tǒng)單片機最小系統(tǒng)單片機最小系統(tǒng)，或者稱為最小應(yīng)用系統(tǒng),是指用最少的元件組成的單片機可以工作的系統(tǒng)。對 51 系列單片機來說,最小系統(tǒng)一般應(yīng)該包括：單片機、晶振電路、復(fù)位電路。下面給出一個 51 單片機的最小系統(tǒng)電路圖（圖 1）： 詳細說明如下：復(fù)位電路:由電容串聯(lián)電阻構(gòu)成，由圖并結(jié)合

30、電容電壓不能突變的性質(zhì)，可以知道，當(dāng)系統(tǒng)一上電，RST 腳將會出現(xiàn)高電平，并且，這個高電平持續(xù)的時間由電路的 RC 值來決定。典型的 51 單片機當(dāng) RST 腳的高電平持續(xù)兩個機器周期以上就將復(fù)位，所以，適當(dāng)組合 RC 的取值就可以保證可靠的復(fù)位。一般教科書推薦 C 取 10u，R 取 10K。原則就是要讓 RC 組合可以在 RST 腳上產(chǎn)生不少于 2個機周期的高電平。至于如何具體定量計算，可以參考電路分析相關(guān)書籍。（2） 晶振電路：典型的晶振取 11.0592MHz(因為可以準確地得到 9600 波特率和 19200 波特率,用于有串口通訊的場合)/12MHz(產(chǎn)生精確的 uS 級時歇,方便

31、定時操作)，在本電路中，取 12M。（3） 單片機：一片 AT89S51/52 或其他 51 系列兼容單片機。對于 31 腳(EA/Vpp)，當(dāng)接高電平時，單片機在復(fù)位后從內(nèi)部 ROM 的 0000H 開始執(zhí)行;當(dāng)接低電平時,復(fù)位后直接從外部 ROM 的 0000H 開始執(zhí)行。單片機的共 40 個引腳功總共 40 個腳，電源用 2 個(Vcc 和GND)，晶振用 2 個，復(fù)位 1 個，EA/Vpp 用 1 個，剩下還有 34 個。29 腳PSEN，30 腳 ALE 為外擴數(shù)據(jù)/程序存儲器時才有特定用處，一般情況下不用考慮，這樣，就只剩下 32 個引腳，它們是：（圖1）圖 1基于 PID 控制的

32、直流電機調(diào)速系統(tǒng) 10 P0 端口 P0.0 - P0.7 共 8 個； P1 端口 P1.0 - P1.7 共 8 個； P2 端口 P2.0 - P2.7 共 8 個； P3 端口 P3.0 - P3.7 共 8 個；1.3.2Proteus 仿真軟件簡介仿真軟件簡介Proteus ISIS 是英國 Labcenter 公司開發(fā)的電路分析與實物仿真軟件9。它運行于 Windows 操作系統(tǒng)上，可以仿真、分析(SPICE)各種模擬器件和集成電路，該軟件的特點是：實現(xiàn)了單片機仿真和 SPICE 電路仿真相結(jié)合。具有模擬電路仿真、數(shù)字電路仿真、單片機及其外圍電路組成的系統(tǒng)的仿真、RS232動態(tài)仿

33、真、I2C 調(diào)試器、SPI 調(diào)試器、鍵盤和 LCD 系統(tǒng)仿真的功能；有各種虛擬儀器，如示波器、邏輯分析儀、信號發(fā)生器等。支持主流單片機系統(tǒng)的仿真。目前支持的單片機類型有：68000 系列、8051 系列、AVR 系列、PIC12 系列、PIC16 系列、PIC18 系列、Z80 系列、HC11 系列以及各種外圍芯片。提供軟件調(diào)試功能。在硬件仿真系統(tǒng)中具有全速、單步、設(shè)置斷點等調(diào)試功能，同時可以觀察各個變量、寄存器等的當(dāng)前狀態(tài)，因此在該軟件仿真系統(tǒng)中，也必須具有這些功能；同時支持第三方的軟件編譯和調(diào)試環(huán)境，如 Keil C51 uVision2 等軟件。具有強大的原理圖繪制功能?？傊?，該軟件是一

34、款集單片機和 SPICE 分析于一身的仿真軟件，功能極其強大。Proteus 主要用于繪制原理圖并可進行電路仿真，Proteus ARES 主要用于PCB 設(shè)計。ISIS 的主界面主要包括：1 是電路圖概覽區(qū)、2 是元器件列表區(qū)、3 是繪圖區(qū)。繪制電路圖的過程如下：單擊 2 區(qū)的 P 命令即彈出元器件選擇（Pick Devices）對話框，Proteus 提供了豐富的元器件資源，包括 30 余種元器件庫，有些元器件庫還具有子庫。利用該對話框提供的關(guān)鍵詞（Keywords）搜索功能，輸入所要添加的元器件名稱，即可在結(jié)果（Results）中查找，找到后雙擊鼠標左鍵即可將該元器件添到2 區(qū)，待所有需

35、要的元器件添加完成后點擊對話框右下角的 OK 按鈕，返回主界面。接著在 2 區(qū)中選中某一個元器件名稱，直接在 3 區(qū)中單擊鼠標左鍵即可將該元器件添加到 3 區(qū)。由于是英國的軟件，特別要注意的是繪圖區(qū)中鼠標的操作和一般軟件的操作習(xí)慣不同，這正像是司機座位和人行道走向和國內(nèi)不同一樣。單擊左鍵是完成在 2 區(qū)中被選中的元器件的粘貼功能；將鼠標置于某元器件上并單擊右鍵則是選中該元器件（呈現(xiàn)紅色），若再次單擊右鍵的話則刪除該元器件，而單擊左鍵的話則會彈出該元器件的編輯對話框（Edit Component）；若不需再選中任何元器件，則將鼠標置于 3 區(qū)的空白處單擊右鍵即可；另外如果想移動某元器件，則選中該

36、元器件后再按住鼠標左鍵即可將之移動?；?PID 控制的直流電機調(diào)速系統(tǒng) 11元器件之間的連線方法為：將鼠標移至元器件的某引腳，即會出現(xiàn)一個“”符號，按住鼠標左鍵后移動鼠標，將線引至另一引腳處將再次出現(xiàn)符號“”，此時單擊鼠標左鍵便可完成連線。連線時在需拐彎的地方單擊鼠標左鍵即可實現(xiàn)方向的改變。繪制好電路后，可利用 1 區(qū)的綠色邊框?qū)?3 區(qū)的電路進行定位。Keil 編譯及調(diào)試軟件簡介編譯及調(diào)試軟件簡介目前流行的 51 系列單片機開發(fā)軟件是德國 Keil 公司推出的 Keil C51 軟件，它是一個基于 32 位 Windows 環(huán)境的應(yīng)用程序，支持 C 語言和匯編語言編程，其 6.0 以上的版

37、本將編譯和仿真軟件統(tǒng)一為 Vision（通常稱為 V2）。Keil提供包括 C 編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，由以下幾部分組成：Vision IDE 集成開發(fā)環(huán)境（包括工程管理器、源程序編輯器、程序調(diào)試器）、C51 編譯器、A51 匯編器、LIB51庫管理器、BL51 連接/定位器、OH51 目標文件生成器以及 Monitor-51、RTX51實時操作系統(tǒng)。應(yīng)用 Keil 進行軟件仿真開發(fā)的主要步驟為：編寫源程序并保存建立工程并添加源文件設(shè)置工程編譯/匯編、連接，產(chǎn)生目標文件程序調(diào)試。Keil 使用“工程”（Project）的概念，對工程（而不能

38、對單一的源程序）進行編譯/匯編、連接等操作。工程的建立、設(shè)置、編譯/匯編及連接產(chǎn)生目標文件的方法非常易于掌握。首先選擇菜單 FileNew，在源程序編輯器中輸入?yún)R編語言或 C 語言源程序（或選擇 FileOpen，直接打開已用其他編輯器編輯好的源程序文檔）并保存，注意保存時必須在文件名后加上擴展名.asm（.a51）或.c；然后選擇菜單 ProjectNew Project，建立新工程并保存（保存時無需加擴展名，也可加上擴展名.uv2）；工程保存后會立即彈出一個設(shè)備選擇對話框，選擇 CPU 后點確定返回主界面。這時工程管理窗口的文件頁（Files）會出現(xiàn)“Target1”，將其前面+號展開，接

39、著選擇 Source Group1，右擊鼠標彈出快捷菜單，選擇“Add File to Group Source Group1”，出現(xiàn)一個對話框，要求尋找并加入源文件（在加入一個源文件后，該對話框不會消失，而是等待繼續(xù)加入其他文件）。加入文件后點 close 返回主界面，展開“Source Group1”前面+號，就會看到所加入的文件，雙擊文件名，即可打開該源程序文件。緊接著對工程進行設(shè)置，選擇工程管理窗口的 Target1，再選擇 ProjectOption for Target Target1（或點右鍵彈出快捷菜單再選擇該選項），打開工程屬性設(shè)置對話框，共有 8 個選項卡，主要設(shè)置工作包括

40、在 Target 選項卡中設(shè)置晶振頻率、在 Debug 選項卡中設(shè)置實驗仿真板等，如要寫片，還必須在 Output選項卡中選中“Creat Hex Fi”；其他選項卡內(nèi)容一般可取默認值。工程設(shè)置后按 F7 鍵（或點擊編譯工具欄上相應(yīng)圖標）進行編譯/匯編、連接以及產(chǎn)生目標文件。 基于 PID 控制的直流電機調(diào)速系統(tǒng) 12成功編譯/匯編、連接后，選擇菜單 DebugStart/Stop Debug Session（或按Ctrl+F5 鍵）進入程序調(diào)試狀態(tài)，Keil 提供對程序的模擬調(diào)試功能，內(nèi)建一個功能強大的仿真 CPU 以模擬執(zhí)行程序。Keil 能以單步執(zhí)行（按 F11 或選擇DebugStep

41、）、過程單步執(zhí)行（按 F10 或選擇 DebugStep Over）、全速執(zhí)行等多種運行方式進行程序調(diào)試。如果發(fā)現(xiàn)程序有錯，可采用在線匯編功能對程序進行在線修改（DebugInline Assambly），不必執(zhí)行先退出調(diào)試環(huán)境、修改源程序、對工程重新進行編譯/匯編和連接、然后再次進入調(diào)試狀態(tài)的步驟。對于一些必須滿足一定條件（如按鍵被按下等）才能被執(zhí)行的、難以用單步執(zhí)行方式進行調(diào)試的程序行，可采用斷點設(shè)置的方法處理（DebugInsert/Remove Breakpoint 或 DebugBreakpoints等）。在模擬調(diào)試程序后，還須通過編程器將.hex 目標文件燒寫入單片機中才能觀察目標

42、樣機真實的運行狀況。Keil 軟件 Eval 版（免費產(chǎn)品）的功能與商業(yè)版相同，只是程序的最大代碼量不得超過 2kB，但對初學(xué)者而言已是足夠。Keil 軟件由于其強大的軟件仿真功能，友好的用戶界面以及易于掌握的特點而受到工程技術(shù)人員的歡迎，有人甚至認為 Keil 是目前最好的 51 單片機開發(fā)應(yīng)用軟件。1.4 本課題研究的基本內(nèi)容本課題研究的基本內(nèi)容 學(xué)習(xí) PID 控制直流電機的設(shè)計方法；學(xué)習(xí) PWM 控制理論；學(xué)習(xí)數(shù)字 PID 算法在單片機上的實現(xiàn)方法。 基于 PID 控制的直流電機調(diào)速系統(tǒng) 132直流電機直流電機 PID 調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計方案調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計方案2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案系統(tǒng)總體設(shè)計

43、方案2.1.1調(diào)速方案比較及選調(diào)速方案比較及選擇擇（一）方案一：PWM 波調(diào)速采用由達林頓管組成的 H 型 PWM 電路（圖 21）。用單片機控制達林頓管使之工作在占空比可調(diào)的開關(guān)狀態(tài)，精確調(diào)整電機轉(zhuǎn)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(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制；電子開關(guān)的速度很快，穩(wěn)定性也極佳，是一種廣泛采用的 PWM 調(diào)速技術(shù)。我們采用了定頻調(diào)寬方式，因為采用這種方式，電機在運轉(zhuǎn)時比較穩(wěn)定；并且在采用單片機產(chǎn)生 PWM 脈沖的軟件實現(xiàn)上比較方便。且對于直流電機，采用軟件延時所產(chǎn)生的定時誤差在允許范圍。K1K2A-+VCCVCC圖 2-1 PWM 波調(diào)

44、速電路其結(jié)構(gòu)圖如圖 2-2 所示：基于 PID 控制的直流電機調(diào)速系統(tǒng) 14單片機（速度的測量計算、輸入設(shè)定及系統(tǒng)控制）霍爾傳感器速度采集單片機（PID 運算控制器、PWM 模擬發(fā)生器）直流電動機電機驅(qū)動電路圖 2-2 電機 PID 調(diào)速系統(tǒng)總體設(shè)計框圖（二）方案二：晶閘管調(diào)速采用閘流管或汞弧整流器的離子拖動系統(tǒng)是最早應(yīng)用靜止式變流裝置供電的直流電機調(diào)速系統(tǒng)。1957 年，晶閘管（俗稱“可控硅”）問世，到了 60 年代，已生產(chǎn)出成套的晶閘管整流裝置，并應(yīng)用于直流電機調(diào)速系統(tǒng)，即晶閘管可控整流器供電的直流調(diào)速系統(tǒng)（V-M 系統(tǒng)）。如圖 1-3，VT 是晶閘管可控整流器，通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置 GT 的

45、控制電壓來移動觸發(fā)脈沖的相位，即可改變cU整流電壓，從而實現(xiàn)平滑調(diào)速。晶閘管整流裝置不僅在經(jīng)濟性和可靠性上都dU有很大提高，而且在技術(shù)性能上也顯示出較大的優(yōu)越性；晶閘管可控整流器的功率放大倍數(shù)在以上，其門極電流可以直接用晶體管來控制，不再像直流發(fā)410電機那樣需要較大功率的放大器。在控制作用的快速性上，變流機組是秒級，而晶閘管整流器是毫秒級，這將大大提高系統(tǒng)的動態(tài)性能。因此，在 60 年代到70 年代，晶閘管可控整流器供電的直流調(diào)速系統(tǒng)（V-M 系統(tǒng)）代替旋轉(zhuǎn)變流機組直流電機調(diào)速系統(tǒng)（G-M 系統(tǒng)），得到了廣泛的應(yīng)用。但是由于晶閘管的單向?qū)щ娦裕辉试S電流反向，給系統(tǒng)的可逆運行造成困難；晶閘

46、管對過電壓、過電流和過高的與都十分敏感，若超過允許值會在很短的時間內(nèi)損du dtdi dt壞器件。另外，由諧波與無功功率引起電網(wǎng)電壓波形畸變，殃及附近的用電設(shè)備，造成“電力公害”，因此必須添置無功補償和諧波濾波裝置。兼于方案二調(diào)速特性優(yōu)良、調(diào)整平滑、調(diào)速范圍廣、過載能力大，因此本基于 PID 控制的直流電機調(diào)速系統(tǒng) 15設(shè)計采用方案一。2.1.2 檢測方案選擇檢測方案選擇 電機控制系統(tǒng)中信號檢測是必不可少的，不僅開環(huán)控制狀態(tài)的極限控制需要，如過電流、過電壓、過熱和欠電壓等嚴重影響系統(tǒng)正常工作的信號，而且對于絕大多數(shù)閉環(huán)控制系統(tǒng)，狀態(tài)信息的檢測更是不可缺少，即進行實時檢測并利用檢測信號控制電機的

47、正常運行。檢測信號分為電量和非電量兩類。電量有電流、電壓、電荷量和電功率等。在檢測系統(tǒng)中占絕大多數(shù)檢測信號屬于非電量信號，如位置、速度等。在電機控制系統(tǒng)中，常用的檢測信號主要有電流、電壓、轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速等物理量。下面分別介紹這些 物理量的檢測方法。 1.霍爾傳感器檢測方案 位置傳感器主要用于轉(zhuǎn)子位置檢測和速度計算，為了正確的獲得轉(zhuǎn)子位置信息，不僅要合理地設(shè)計轉(zhuǎn)子位置傳感器與單片機的接口，還要考慮位置信號處理的方法。合理選擇測速元件，這里我們選擇霍爾傳感器作為測速元件。2.霍爾傳感器（1）霍爾傳感器由于霍爾元件產(chǎn)生的電勢差很小，故通常將霍爾元件與放大器電路、溫度補償電路及穩(wěn)壓電源電路等集成在一個

48、芯片上，稱之為霍爾傳感器。圖 2-4 霍爾元件 接線圖：圖 2-5 霍爾原件接線圖霍爾傳感器也稱為霍爾集成電路，其外形較小，如圖所示，是其中一種型號的外形圖。（2）霍爾效應(yīng)如圖 2-3 所示，在半導(dǎo)體薄片兩端通以控制電流 I，并在薄片的垂直方向施加基于 PID 控制的直流電機調(diào)速系統(tǒng) 16磁感應(yīng)強度為 B 的勻強磁場，則在垂直于電流和磁場的方向上，將產(chǎn)生電勢差為 UH 的霍爾電壓，它們之間的關(guān)系為：。HIBU =kd圖 2-3 霍爾原理圖式中 d 為薄片的厚度，k 稱為霍爾系數(shù)，它的大小與薄片的材料有關(guān)。上述效應(yīng)稱為霍爾效應(yīng)，它是德國物理學(xué)家霍爾于 1879 年研究載流導(dǎo)體在磁場中受力的性質(zhì)時

49、發(fā)現(xiàn)的。（3）霍爾元件根據(jù)霍爾效應(yīng)，人們用半導(dǎo)體材料制成的元件叫霍爾元件。它具有對磁場敏感、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、頻率響應(yīng)寬、輸出電壓變化大和使用壽命長等優(yōu)點，因此，在測量、自動化、計算機和信息技術(shù)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。2.霍爾傳感器的分類霍爾傳感器分為線性型霍爾傳感器和開關(guān)型霍爾傳感器兩種。線性型霍爾傳感器由霍爾元件、線性放大器和射極跟隨器組成，它輸出模擬量。開關(guān)型霍爾傳感器由穩(wěn)壓器、霍爾元件、差分放大器，斯密特觸發(fā)器和輸出級組成，它輸出數(shù)字量。3.霍爾傳感器的特性（1）線性型霍爾傳感器的特性圖 2-5 電壓與外磁場關(guān)系輸出電壓與外加磁場強度呈線性關(guān)系，如圖 2-5 所示，可見，在 B1B2 的

50、磁感應(yīng)強度范圍內(nèi)有較好的線性度，磁感應(yīng)強度超出此范圍時則呈現(xiàn)飽和狀態(tài)。基于 PID 控制的直流電機調(diào)速系統(tǒng) 17（2）開關(guān)型霍爾傳感器的特性如圖 2-6 所示，其中 BOP 為工作點“開”的磁感應(yīng)強度，BRP 為釋放點“關(guān)”的磁感應(yīng)強度。圖 2-6 霍爾原件特性BV0OBrpBopV+onoff當(dāng)外加的磁感應(yīng)強度超過動作點 Bop 時，傳感器輸出低電平，當(dāng)磁感應(yīng)強度降到動作點 Bop 以下時，傳感器輸出電平不變，一直要降到釋放點 BRP 時，傳感器才由低電平躍變?yōu)楦唠娖?。Bop 與 BRP 之間的滯后使開關(guān)動作更為可靠。 另外還有一種“鎖鍵型”（或稱“鎖存型”）開關(guān)型霍爾傳感器，其特性如圖 2

51、-7 所示。 V0BopOBrpB圖 2-7 鎖鍵型特性基于 PID 控制的直流電機調(diào)速系統(tǒng) 18當(dāng)磁感應(yīng)強度超過動作點 Bop 時，傳感器輸出由高電平躍變?yōu)榈碗娖剑谕獯艌龀废?，其輸出狀態(tài)保持不變（即鎖存狀態(tài)），必須施加反向磁感應(yīng)強度達到 BRP 時，才能使電平產(chǎn)生變化。4.霍爾傳感器的應(yīng)用按被檢測對象的性質(zhì)可將它們的應(yīng)用分為：直接應(yīng)用和間接應(yīng)用。前者是直接檢測受檢對象本身的磁場或磁特性，后者是檢測受檢對象上人為設(shè)置的磁場，這個磁場是被檢測的信息的載體，通過它，將許多非電、非磁的物理量，例如速度、加速度、角度、角速度、轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速以及工作狀態(tài)發(fā)生變化的時間等，轉(zhuǎn)變成電學(xué)量來進行檢測和控制。

52、線性型霍爾傳感器主要用于一些物理量的測量。例如：1電流傳感器由于通電螺線管內(nèi)部存在磁場，其大小與導(dǎo)線中的電流成正比，故可以利用霍爾傳感器測量出磁場，從而確定導(dǎo)線中電流的大小。利用這一原理可以設(shè)計制成霍爾電流傳感器。其優(yōu)點是不與被測電路發(fā)生電接觸，不影響被測電路，不消耗被測電源的功率，特別適合于大電流傳感。 2-8 霍爾電流傳感器原理圖霍爾電流傳感器工作原理如圖 2-8 所示，標準圓環(huán)鐵芯有一個缺口，將霍爾傳感器插入缺口中，圓環(huán)上繞有線圈，當(dāng)電流通過線圈時產(chǎn)生磁場，則霍爾傳感器有信號輸出。2位移測量如圖 2-9 所示，兩塊永久磁鐵同極性相對放置，將線性型霍爾傳感器置于中間，其磁感應(yīng)強度為零，這個

53、點可作為位移的零點，當(dāng)霍爾傳感器在 Z 軸上作Z 位移時，傳感器有一個電壓輸出，電壓大小與位移大小成正比。 圖 2-9 位移測量如果把拉力、壓力等參數(shù)變成位移，便可測出拉力及壓力的大小，如圖 2-10 所示，是按這一原理制成的力傳感器?；?PID 控制的直流電機調(diào)速系統(tǒng) 19圖 2-10 壓力傳感器開關(guān)型霍爾傳感器主要用于測轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速、風(fēng)速、流速、接近開關(guān)、關(guān)門告知器、報警器、自動控制電路等。1測轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)數(shù)如圖 2-11 所示，在非磁性材料的圓盤邊上粘一塊磁鋼，霍爾傳感器放在靠近圓盤邊緣處，圓盤旋轉(zhuǎn)一周，霍爾傳感器就輸出一個脈沖，從而可測出轉(zhuǎn)數(shù)（計數(shù)器），若接入頻率計，便可測出轉(zhuǎn)速。圖 2-

54、11 霍爾傳感器測轉(zhuǎn)速如果把開關(guān)型霍爾傳感器按預(yù)定位置有規(guī)律地布置在軌道上，當(dāng)裝在運動車輛上的永磁體經(jīng)過它時，可以從測量電路上測得脈沖信號。根據(jù)脈沖信號的分布可以測出車輛的運動速度。2.1.2單片機的選擇單片機的選擇AT89S51 是美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的低功耗，高性能 CMOS8 位單片機，片內(nèi)含 4K 的可編程的 Flash 只讀程序存儲器，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標準 8051 指令系統(tǒng)及引腳。它集 Flash 程序存儲器既可在線編程（ISP）也可用傳統(tǒng)方法進行編程及通用 8 位微處理器于單片機芯片中，ATMEL 公司的功能強大，低價位 AT8

55、9C51 單片機可為您提供許多高性價比的應(yīng)用場合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。主要性能參數(shù)：與 MCS-51 產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容4K 字節(jié)在系統(tǒng)編程（ISP）Flash 閃速存儲器1000 次擦寫周期4.0-5.5V 的工作電壓范圍全靜態(tài)工作模式：0HZ-33MHZ基于 PID 控制的直流電機調(diào)速系統(tǒng) 20三級程序加密鎖128*8 字節(jié)內(nèi)部 RAM32 個可編程 I/O 口線2 個 16 位定時/計數(shù)器6 個中斷源全雙工串行 UART 通道低功耗空閑和掉電模式中斷可從空閑模式喚醒系統(tǒng)看門狗（WDT）及雙數(shù)據(jù)指針掉電標示和快速編程特性AT89S51 引腳圖如下圖：2-12 AT89S51 引腳圖

56、1.功能特性概述： AT89S51 提供以下標準功能：4K 字節(jié)閃速存儲器，128 字節(jié)內(nèi)部 RAM，32 個I/O 口線，看門狗（WDT），兩個數(shù)據(jù)指針，兩個 16 位定時/計數(shù)器，一個 5 向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。同時，AT89S51 可降至 0HZ 的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止 CPU 的工作，但允許 RAM，定時/計數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存 RAM 中到內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有工作部件直到下一個硬件復(fù)位。引腳功能說明：Vcc:電源電壓基于 PID 控制的直流電機調(diào)速系統(tǒng) 21GN

57、D: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(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口時，每位能驅(qū)動 8 個 TTL 邏輯門電路，對端口寫“1”可作為高阻抗輸入端用。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉(zhuǎn)換地址（低 8 位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。在 Flash 編程時，P0 口接收指令字節(jié)，而在程序校驗時，輸出指令字節(jié)，校驗時，要求外接上拉電阻。P1 口：P1 是一個帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P1 的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4 個 TTL 邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作為輸入口

58、。作輸入口使用時，因為內(nèi)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（IIL）。P2 口：P2 口是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P2 的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4 個 TTL 邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸出口，作輸入口使用時，因為內(nèi)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（IIL）。在訪問外部程序存儲器或 16 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行 MOVE DPTR 指令）時，P2 口送出高 8 位地址數(shù)據(jù)。在訪問 8 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（如執(zhí)行 MOVX Ri 指令）時，P2 口線上的內(nèi)容（

59、也即特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中 P2 寄存器的內(nèi)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 口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口。P3 口輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4 個 TTL 邏輯門電路。對 P3 口寫入“1”時，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸出端口。作輸入端時，被外部拉低的 P3 口將用上拉電阻輸出電流（IIL）。P3 口除了作為一般的 I/O 口線外，更重要的用途是它的第二功能。RST:復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時，RST 引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將使單片機復(fù)位。WDT 溢出將使該引腳輸出高電平，

60、設(shè)置 SFR AUXR 的 DISRTO 位（地址 8EH）可打開或關(guān)閉該功能。DISRTO 位缺省為 RESET 輸出高電平打開狀態(tài)。ALE/PROG:當(dāng)訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，ALE（地址所存允許）輸出脈沖用于所存地址的低 8 位字節(jié)。即使不訪問外部存儲器，ALE 仍以時鐘振蕩頻率的 1/6 輸出固定的正脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)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(qū)中的 8EH 單元的 D0 位置位，可禁止 ALE 操作。