毕业设计（论文）-基于单片机的直流电机调速系统.docx

单片机直流电机调速系统的设计摘 要：本文主要研究了利用MCS-51系列单片机控制PWM信号从血实现对直流电 机转速进行控制的方法文章中采用了专门的芯片组成了 PWM信号的发生系统, 并且对PWM信号的原理、产生方法以及如何通过软件编程对PWM信号占空比进行 调节，从而控制其输入信号波形等均作了详细的阐述此外，本文中还采用了芯 片IR2110作为直流电机正转调速功率放大电路的驱动模块，并且把它与延时电 路相结合完成了在主电路小对直流电机的控制另外，本系统中使用了测速发电 机对直流屯机的转速进行测量，经过滤波电路后，将测量值送到A/D转换器，并 且最终作为反馈值输入到单片机进行PI运算，从而实现了对直流电机速度的控 制在软件方面，文章中详细介绍了 PI运算程序，初始化程序等的编写思路和 具体的程序实现关键词：PWM信号，测速发电机，PT运算目录一、 概述 1（一）开发背景 1（-）选题的H的和意义 1（三）研究方法 2二、 硬件电路设计 2（一） 、系统总体设计框图 21. 8051单片机简介 3（二） 单片机系统中所用其他芯片选型 41 •地址锁存器 42. 程序存储器 53. 数据存储器 54. 8051单片机扩展电路及分析 6（三） 、PWM信号发生电路设计 71、 PWM的基本原理 72、 PWM信号发生电路设计 8（四） PWM发生电路主要芯片的工作原理 91. 数据比较器 92. 串行计数器 9（五） 、主电路设计 101、 延时保护电路 102、 主电路 103、 输出电压波形 124、 系统总体电路图 13（六） 、测速发电机 13三、 系统软件部分的设计 14（一） 、PI转速调节器原理图及参数计算 14（二） 、系统小的部分程序设计 141、主程序设计 141.PI控制算法子程序设计 15四、 系统调试 19（一） 、软件调试 19（二） 、系统仿真 20致谢 21参考文献 22概述（-）开发背景现代工业生产中，电动机是主要的驱动设备，H前在直流电动机拖动系统中 已大量采用晶闸管（即可控硅）装置向电动机供电的KZ-D拖动系统，取代了笨重 的发电动一电动机的F—D系统,乂伴随着电子技术的高度发展，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 术乂进入到一个新的阶段，智能化、高可靠性己成为它发展的趋势。

直流电机调 速基本原理是比较简单的（相对于交流电机），只要改变电机的电压就可以改变 转速了改变电压的方法很多，最常见的一种卩WM脉宽调制，调节电机的输入占 空比就可以控制电机的平均电压，控制转速PWM控制的基本原理很早就己经提出，但是受电力电子器件发展水平的制约, 在丄世纪80年代以前一直未能实现直到进入上世纪80年代，随着全控型电力 电子器件的出现和迅速发展，PWM控制技术才真正得到应用随着电力电子技术、 微电子技术和口动控制技术的发展以及各种新的理论方法，如现代控制理论、非 线性系统控制思想的应用，卩WM控制技术获得了空前的发展，到H前为止，已经 出现了多种PWM控制技术选题的目的和意义直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多 需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用从控制的角度来 看，直流调速还是交流拖动系统的基础早期直流电动机的控制均以模拟电路为 基础，采用运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成，控制系统的 硬件部分非常复杂，功能单一，而且系统非常不灵活、调试困难，阻碍了直流电 动机控制技术的发展和应用范围的推广随着单片机技术的日新月界，使得许多 控制功能及算法可以采用软件技术来完成，为直流电动机的控制提供了更大的灵 活性，并使系统能达到更高的性能。

采用单片机构成控制系统，可以节约人力资 源和降低系统成木，从而有效的提高工作效率传统的控制系统采用模拟元件，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，故系统的运行可靠性及准确性得不到保证, 甚至出现事故□前，直流电动机调速系统数字化已经走向实用化，伴随着电子技术的高度 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又进入到一个新的阶段，智能化、高可靠性已成为它发展的 趋势三）研究方法本文主要研究了利用MCS-51系列单片机，通过PWM方式控制直流电机调速 的方法PWM控制技术以其控制简单、灵活和动态响应好的优点而成为电力电子 技术最广泛应用的控制方式，也是人们研究的热点由于当今科学技术的发展已 经没有了学科之间的界限，结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会 成为PWM控制技术发展的主要方向之一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 文章中采用了专门的芯片组成了 PWM信号的发生系统，然后通过放大来驱动电 机。

利用直流测速发电机测得电机速度，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PI运算，输出控制 量完成闭环控制，实现电机的调速控制二、硬件电路设计（一）、系统总体设计框图本系统采用89051控制输出数据，由PWM信号发生电路产生PWM信号，送到 直流电机，直流电机通过测速电路，滤波电路，和A/D转换电路交数据重新送回 单片机，进行PI运算，从而实现对电机速度和转向的控制，达到直流电机调速 的H的主控芯片PWM信号的产生与放人图2・1系统总体设计图1、8051单片机简介① .8051单片机的基本组成8051单片机由CPU和8个部件组成，它们都通过片内单一总线连接，其基 本结构依然是通用CPU加上外围芯片的结构模式，但在功能单元的控制上采用了 特殊功能寄存器的集中控制方法② .CPU及部分部件的作用功能介绍如下处理器CPU：它是单片机的核心，完成运算和控制功能内部数据存储器:8051芯片中共有256个RAM单元,能作为存储器使用的 只是前128个单元，其地址为00II-7FIU通常说的内部数据存储器就是指这前 128个单元,简称内部RAM内部程序存储器：8051芯片内部共有4K个单元，用于存储程序、原始数据 或表格，简称内部ROM。

定时器：8051片内有2个16位的定时器，用来实现定时或者计数功能，并 且以其定时或计数结果对计算机进行控制中断控制系统：该芯片共有5个中断源,即外部中断2个,定时/计数中断 2个和串行中断1个③ .8051单片机引脚图P1.0 —140—VCC8051Pl. 1 —239—P0.0P1.2 —338—P0. 1P1.3 —437—P0.2P1.4 —536—P0.3P1.5 —635—P0.4P1.6 —734—P0.5P1.7 —833—P0.6RST/VPD —932—P0.7RXD/P3. 0 —1031—EA/VPPTXD/P3.1 —1130—ALE/PR0GINT0/P3. 2 —1229一PSEN"INT1/P3. 3 —1328—P2.7T0/P3.4 一1427—P2.6T1/P3.5 —1526—P2.5WR/P3.6 —1625——P2. 4RD/P3.7 —1724—P2.3XTAL2 —1823—P2.2XTAL1 一1922——P2. 1VSS —2021—P2.0图2・3 8051单片机引脚图（-）单片机系统中所用其他芯片选型1 •地址锁存器地址锁存器可以选择多种，有地址锁存功能的器件有74IS373、8282、74LS273 等,8282是地址锁存器,功能与74LS373类似,但本系统选用74LS373作为地 址锁存器，考虑到其应用的广泛性以及具有良好的性价比，成为门前在单片机系 统中应该较广泛的地址锁存器。

74LS373片内是8个输出带三态门的D锁存器当使能端呈高电平时，锁存器中的内容可以更新，而在返回低电平的瞬间实 现锁存如果此时芯片的输出控制端为低，也即是输出三态门打开，锁存器中的 地址信息便可以通过三态门输出其引脚图如图2-4所示：0E —120—Vcc1Q —219—8Q1D —318—8D2D —417—7D2Q —574LS37316—7Q3Q —615—6Q3D —714—6D4D —813—5D4Q —912—5QGND —1011—G图2・4 74L373引脚图2.程序存储器存储器是单片机的乂一个重要组成部分，其中程序存储器是单片机中非常重 要的存储器，但由于其存储空间不足，常常需要对单片机的存储器空问进行扩展, 扩展程序存储器常用芯片有EPROM(紫外线可擦除型)，如2716(2KB)、2732(4KB)、 2764 (8KB)、27128 (16KB)、27256 (32KB)等，另外还有+ 5V 电擦除 E2PROM, 如2816 (2KB)、2864 (8KB)等等考虑到系统功能的可扩展性以及程序功能的 扩展，本系统采用16KB的27128作为程序存储器扩展芯片，在满足系统要求的 前提下还存有一定的扩展空间，是本系统最合适的程序存储器扩展芯片。

27128 的引脚图如图2-5所示：Vpp 1 》28 VccA12——227 PGMA7——326 A13A6 425 A8A5524——A9A4623——AllA372712822—0EA2 —821——A10A1——920——CEAO1019 070 o —1118 0601 ——1217 0502——131604GND——1415 03图2-5 27128结构图3.数据存储器8051单片机有128B RAM,半数据量超过128B也需要把数据存储区进-•步扩 展常用RAM芯片分静态和动态两种静态RAM有6116(2KB)、6264(8KB)等，动态DRAM2164(8KB)等，另外还有集成I RAM和E2PR0Mo使用E2PR0M作数据存储 器有断电保护数据的优点数据存储器扩展常使用随机存储器芯片，用的较多的是Intel公司的6116 容量为2KB和6264容量为8KBO本系统采用容量8KB的6264作为数据存储器扩 展芯片其引脚图如图2-6所示：图2・6 6264引脚图4. 8051单片机扩展电路及分析VccXTAL1XTAL2 RESET/VPD EA/VDD 8051P3・ B/TOCP3・ 7/RDALE/PROG222222P。