大連理工大《單片機原理及應用》作業(yè)

網(wǎng)絡教育學院《單片機原理及應用》大作業(yè)題目：直流電機控制系統(tǒng)研究學習中心：甘肅農(nóng)墾河西分校奧鵬學習中心層次：專升本專業(yè)：電氣工程及其自動化年級：2013年春季學號：131462309039學生姓名：郭曉鋒

1.緒論1.1課題研究背景目前，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。隨著我國經(jīng)濟和文化事業(yè)的發(fā)展，在很多場合，都要求有直流電機PWM調(diào)速系統(tǒng)來進行調(diào)速，諸如汽車行業(yè)中的各種風扇、刮水器、噴水泵、熄火器、反視鏡、賓館中的自動門、自動門鎖、自動窗簾、自動給水系統(tǒng)、柔巾機、導彈、火炮、人造衛(wèi)星、宇宙飛船、艦艇、飛機、坦克、火箭、雷達、戰(zhàn)車等場合。1.251單片機簡介（1）89C51的基本結(jié)構(gòu)89C51單片機的基本結(jié)構(gòu)如下：圖180C51單片機基本結(jié)構(gòu)由圖1可見，80C51單片機主要由以下幾部分組成：①CPU系統(tǒng)：8位CPU，含布爾處理器時鐘電路總線控制邏輯②存儲器系統(tǒng)：4K字節(jié)的程序存儲器（ROM/EPROM/Flash，可外擴至64KB）128字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器（RAM，可再外擴64KB）特殊功能寄存器SFR③I/O和其他功能單元：4個并行I/O口2個16位定時/計數(shù)器1個全雙工異步串行口中斷系統(tǒng)（5個中斷源、2個優(yōu)先級）（2）80C51的應用模式①總線型單片機應用模式總線型應用的“三總線”模式非總線型應用的“多I/O”模式圖2總線型應用的“三總線”模式圖3非總線型應用的“多I/O”模式②非總線型單片機應用模式非總線型單片機已經(jīng)將用于外部總線擴展用的I/O口線和控制功能線去掉，從而使單片機的引腳數(shù)減少、體積減小。對于不需進行并行外圍擴展，裝置的體積要求苛刻且程序量不大的系統(tǒng)極其適合。非總線型單片機典型產(chǎn)品如AT89C2051/AT89C4051。AT89S51是一個低功耗，高性能CMOS8位單片機，片內(nèi)含4kBytesISP(In-systemprogrammable)的可反復擦寫1000次的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)制造，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISPFlash存儲單元，功能強大的微型計算機的AT89S51可為許多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案。89C51單片機的基本組成如圖2.1所示。(1)中央處理器（CPU）中央處理器是單片機的核心，完成運算和控制功能。80C51的CPU能處理8位二進制數(shù)或代碼。(2)內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器（內(nèi)部RAM）89C51芯片中共有256個RAM單元，但其中后128單元被專用寄存器占用，能作為寄存器供用戶使用的只是前128單元，用于存放可讀寫的數(shù)據(jù)。因此通常所說的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器就是指前128單元，簡稱內(nèi)部RAM圖1.189C51單片機結(jié)構(gòu)框圖(3)內(nèi)部程序存儲器（內(nèi)部ROM）89C51共有4KB掩膜ROM為程序存儲器，簡稱內(nèi)部ROM。(4)定時/計數(shù)器共有兩個16位的定時/計數(shù)器，以實現(xiàn)定時或計數(shù)功能，并以其定時或計數(shù)結(jié)果對計算機進行控制。(5)時鐘電路89C51芯片的內(nèi)部有時鐘電路，但石英晶體和微調(diào)電容需外接。時鐘電路為單片機產(chǎn)生時鐘脈沖序列。系統(tǒng)允許的晶振頻率一般為6MHz和89C51是標準的40引腳雙列直插式集成電路芯片，引腳排列如圖2.2所示。圖1.289C51單片機引腳分配圖ALE：地址鎖存控制信號。在系統(tǒng)擴展時，ALE用于控制把P0口輸出的低8位地址鎖存起來，以實現(xiàn)低位地址和數(shù)據(jù)的隔離。此外，由于ALE是以晶振1/6的固定頻率輸出的正脈沖，因此,可作為外部時鐘或外部定時脈沖使用。：外部程序存儲器讀選通信號。在讀外部ROM時，有效（低電平），以實現(xiàn)外部ROM單元的讀操作。：訪問程序存儲控制信號。當信號為低電平時，對ROM的讀操作限定在外部程序存儲器；當信號為高電平時，對ROM的讀操作是從內(nèi)部程序存儲器開始，并可延至外部程序存儲器。RST：復位信號。當輸入的復位信號延續(xù)兩個機器周期以上的高電平時即為有效，用以完成單片機的復位初始化操作。XTAL1和XTAL2：外接晶體引線端。當使用芯片內(nèi)部時鐘時，此二引線端用于外接石英晶體和微調(diào)電容；當使用外部時鐘時，用于接外部時鐘脈沖信號。VSS：地線。VCC：+5V電源。2.設計方案2.1總體設計方案單片機直流電機調(diào)速簡介：單片機直流調(diào)速系統(tǒng)可實現(xiàn)對直流電動機的平滑調(diào)速。PWM是通過控制固定電壓的直流電源開關(guān)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(diào)整方法。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”來改變平均電壓的大小，從而控制電動機的轉(zhuǎn)速。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)速的目的。主控芯片PWM信號的產(chǎn)生與放大主控芯片PWM信號的產(chǎn)生與放大直流電機測速發(fā)電機濾波電路A/D轉(zhuǎn)換圖2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2.2硬件電路設計和軟件流程2.2.1硬件電路設計1、AT89C51單片機系統(tǒng)單片機系統(tǒng)中所用其他芯片選型：1.1地址鎖存器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74LS373類似，但本系統(tǒng)選用74LS373作為地址鎖存器，考慮到其應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。當使能端呈高電平時，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：圖2-274L373引腳圖1．2程序存儲器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）、2764（8KB）、27128（16KB）、27256（32KB）等，另外還有＋5V電擦除E2PROM，如2816（2KB）、2864（8KB）等等?？紤]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2-3所示：圖2-327128結(jié)構(gòu)圖1.3數(shù)據(jù)存儲器51單片機有128BRAM，當數(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。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2-4所示：圖2-圖2-46264引腳圖圖2-58051單片機擴展電路及分析2、PWM信號發(fā)生電路設計圖2-6PWM信號發(fā)生電路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，就可以相應的改變PWM信號的占空比，從而進行直流電機的轉(zhuǎn)速控制。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，而當它的頻率太低時，其產(chǎn)生的電磁噪聲就比較大，在實際應用中，當PWM波的頻率在18KHz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和一片12位串行計數(shù)器4040組成了PWM信號發(fā)生電路。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。3、濾波電路經(jīng)整流后的單向直流或單向脈動直流電，都是由強度不變的直流成分和一個以上的交流成分疊加形成的。為了使脈動直流電變得較為平穩(wěn)，把其中的交流成分濾掉，叫做濾波。濾波有電容濾波、電感濾波等。本系統(tǒng)中對直流電采用電容濾波的方式，使得直流電壓變得更加平穩(wěn)，調(diào)速更加精確。電路圖如圖2-7所示：圖2-7濾波電路4、A/D轉(zhuǎn)換能夠進行A/D轉(zhuǎn)換的芯片很多，其中AD系列的有8位A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809、AD570、AD670、AD673、AD7574等，TLC系列的有TLC545等，其中較為常用的是ADC0809和TLC545，TLC545是美國TEXAS儀器公司新推出的一種開關(guān)電容結(jié)構(gòu)逐次逼近式8位A/D轉(zhuǎn)換器，具有19個模擬輸入端。而ADC0809是采樣頻率為8位的、以逐次逼近原理進行模—數(shù)轉(zhuǎn)換的器件。其內(nèi)部有一個8通道多路開關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通8路模擬輸入信號中的一個進行A/D轉(zhuǎn)換，具有地址鎖存控制的8路模擬開關(guān)，應用單一的+5V電源，其模擬量輸入電壓的范圍為0V---+5V，其對應的數(shù)字量輸出為00H---FFH，轉(zhuǎn)換時間為100μs，無須調(diào)零或者調(diào)整滿量程。因此本系統(tǒng)采用ADC0809作為A/D轉(zhuǎn)換芯片。圖2-8ADC0809引腳圖2.2.2軟件流程軟件由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，其主要思路是，先設定好速度初始值，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。主程序流程圖如圖2-9所示：圖圖2-9主程序流程圖3.結(jié)論和心得體會通過本次設計，我對一些電子元件有了進一步的了解，如：電阻、電容、二極管和三極管等元件，還對一些常用的集成塊有了一些了解，如：AT89S51。在用ProtelDXP繪制電路板時用到許多知識，也發(fā)現(xiàn)許多問題，還有以前上課沒有學到的知識。通過小組成員及指導老師的指導解決問題。這次設計后對用ProtelDXP繪制電路板的知識更加鞏固。在軟件方面，通過串行口調(diào)試工具的開發(fā)，使我