毕业设计(论文)基于单片机实现直流电机PWM调速系统.doc
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1、目 录摘要3英文摘要4前言5第一章 系统硬件电路的设计6第一节 系统总体设计框图及单片机系统的设计61.1.1 系统总体设计框图61.1.2 8051单片机简介 61.1.3 单片机系统中所用其他芯片简介 81.1.4 8051单片机扩展电路及分析10第二节 PWM信号发生电路设计131.2.1 PWM的基本原理131.2.2 PWM信号发生电路设计141.2.3 PWM发生电路主要芯片的工作原理15第三节 功率放大驱动电路设计171.3.1 芯片IR2110性能及特点171.3.2 芯片IR2110引脚图及功能18第四节 主电路设计201.4.1 延时保护电路201.4.2 主电路201.4
2、.3 输出电压波形22第五节 测速发电机22第六节 滤波电路23第七节 A/D转换231.7.1 芯片ADC0809介绍231.7.2 ADC0809的引脚及其功能23第二章 系统软件程序的设计24第一节 PI转速调节器原理图及参数计算24第二节 系统中部分程序的设计252.2.1 单片机资源分配252.2.2 程序流程图29结论30结束语30参考文献30摘 要本文主要研究了利用MCS-51系列单片机控制PWM信号从而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
3、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中对直流电机的控制。另外,本系统中使用了测速发电机对直流电机的转速进行测量,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 PI运算AbstractThis article mainly introduces the method to generate the PW
4、M signal by using MCS-51 single-chip computer to control the speed of a D.C. motor. It also clarifies the principles of PWM and the way to adjust the duty cycle of PWM signal. In addition, IR2110 has been used as an actuating device of the power amplifier circuit which controls the speed of rotation
5、 of D.C. motor. Whats more, tachogenerator is used in this system to measure the speed of D.C. motor. The result of the measurement is sent to A/D converter after passing the filtering circuit, and finally the feedback single is stored in the single-chip computer and participates in a PI calculation
6、. As for the software, this article introduces in detail the idea of the programming and how to make it.Key words: PWM signal tachogenerator PI calculation前 言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。冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同。PWM控制技术就是以该结论为理论基础,使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲,用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的规则
7、对各脉冲的宽度进行调制,既可改变逆变电路输出电压的大小,也可改变输出频率。PWM控制的基本原理很早就已经提出,但是受电力电子器件发展水平的制约,在上世纪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、微电子技术和自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,PWM控制技术获得了空前的发展。到目前为止,已经出现了多种PWM控制技术。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
8、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。第一节 系统总体设计框图及单片机系统的设计1.1.1 系统总体设计框图8051单片机PWM信号的产生与放大直流电机测速发电机滤波电路A/D转换1.1.2 8051单片机简介18051单片
9、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。其基本组成如下图所示: 2CPU及8个部件的作用功能介绍如下中央处理器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00H7FH。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。特殊功能寄存器:是用来对片内各部件进行管理、控制、监视的控制寄存器和状态寄存器,是一个特殊功能的RAM区,位于内部RAM的
10、高128个单元,其地址为80HFFH。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。并行I/O口:8051芯片内部有4个8位的I/O口(P0,P1,P2,P3),以实现数据的并行输入输出。串行口:它是用来实现单片机和其他设备之间的串行数据传送。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。振荡电路:它外接石英晶体和微调电容即可构成8051单片机产生时钟脉冲序列的时钟电路。系统允许的最高晶振频率为12M
11、Hz。38051单片机引脚图 1.1.3 单片机系统中所用其他芯片简介1地址锁存器74LS37374LS373片内是8个输出带三态门的D锁存器。其结构如下图所示:当使能端G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。以下是其引脚图: 2程序存储器27128(1)芯片引脚 (2)功能表 引脚 工作方式(片选)(允许输出)VPP(编程控制)输出读LLVCCH数据输出维持H*VCC*高阻编程LHVPPL数据输入编程校验LLVPPH数据输出编程禁止H*VPP*高阻3数据存储器6264(1)
12、芯片引脚 (2)芯片功能表 引脚工作方式I/O0I/O7未选中H*高阻未选中*L*高阻输出禁止LHHH高阻读LHLH数据输出写LHHL数据输入写LHLL数据输入1.1.4 8051单片机扩展电路及分析接线分析P0.7-P0.0:这8个引脚共有两种不同的功能,分别使用于两种不同的情况。第一种情况是8051不带片外存储器,P0口可以作为通用I/O口使用,P0.7-P0.0用于传送CPU的I/O数据。第二种情况是8051带片外存储器,P0.7-P0.0在CPU访问片外存储器时先是用于传送片外存储器的低8位地址,然后传送CPU对片外存储器的读写数据。P2.7-P2.0:这组引脚的第一功能可以作为通用的
13、I/O使用。它的第二功能和P0口引脚的第二功能相配合,用于输出片外存储器的高8位地址,共同选中片外存储器单元,但是并不能像P0口那样还可以传送存储器的读写数据。P3.7-P3.0:这组引脚的第一功能为传送用户的输入/输出数据。它的第二功能作为控制用,每个引脚不尽相同,如下表所示:P3口的位第二功能注释P3.0RXD串行数据接收口P3.1TXD串行数据发送口P3.2外中断0输入P3.3外中断1输入P3.4T0计数器0计数输入P3.5T1计数器1计数输入P3.6外部RAM写选通信号P3.7外部RAM读选通信号 VCC为+5V电源线,VSS为接地线。ALE/:地址锁存允许/编程线,配合P0口引脚的第
14、二功能使用,在访问片外存储器时,8051CPU在P0.7-P0.0引脚线上输出片外存储器低8位地址的同时还在ALE/线上输出一个高电位脉冲,其下降沿用于把这个片外存储器低8位地址锁存到外部专用地址锁存器,以便空出P0.7-P0.0引脚线去传送随后而来的片外存储器的读写数据。在不访问片外存储器时,8051自动在ALE/线上输出频率为1/6 fOSC的脉冲序列。该脉冲序列可以用作外部时钟源或者作为定时脉冲源使用。 / VPP:允许访问片外存储器/编程电源线,可以控制8051使用片内ROM还是片外ROM。如果=1,那么允许使用片内ROM;如果=0,那么允许使用片外ROM。:片外ROM选通线,在执行访
15、问片外ROM的指令MOVC时,8051自动在线上产生一个负脉冲,用于片外ROM芯片的选通。其他情况下,线均为高电平封锁状态。RST/VPD:复位备用电源线,可以使8051处于复位工作状态。XTAL1和XTAL2:片内振荡电路输入线,这两个端子用来外接石英晶体和微调电容,即用来连接8051片内OSC的定时反馈电路。石英晶振起振后,应能在XTAL2线上输出一个3V左右的正弦波,以便于8051片内的OSC电路按石英晶振相同频率自激振荡,电容C1、C2可以帮助起振,调节它们可以达到微调fOSC的目的。第二节 PWM信号发生电路设计1.2.1 PWM的基本原理PWM(脉冲宽度调制)是通过控制固定电压的直
16、流电源开关频率,改变负载两端的电压,从而达到控制要求的一种电压调整方法。PWM可以应用在许多方面,比如:电机调速、温度控制、压力控制等等。在PWM驱动控制的调整系统中,按一个固定的频率来接通和断开电源,并且根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来达到改变平均电压大小的目的,从而来控制电动机的转速。也正因为如此,PWM又被称为“开关驱动装置”。如下图所示: 设电机始终接通电源时,电机转速最大为Vmax,设占空比为D= t1 / T,则电机的平均速度为Va = Vmax * D,其中Va指的是电机的平均速度;Vmax 是指电机在全通电时的最大速度
17、;D = t1 / T是指占空比。由上面的公式可见,当我们改变占空比 D = t1 / T时,就可以得到不同的电机平均速度Vd,从而达到调速的目的。严格来说,平均速度Vd 与占空比D并非严格的线性关系,但是在一般的应用中,我们可以将其近似地看成是线性关系。1.2.2 PWM信号发生电路设计 PWM波可以由具有PWM输出的单片机通过编程来得以产生,也可以采用PWM专用芯片来实现。当PWM波的频率太高时,它对直流电机驱动的功率管要求太高,而当它的频率太低时,其产生的电磁噪声就比较大,在实际应用中,当PWM波的频率在18KHz左右时,效果最好。在本系统内,采用了两片4位数值比较器4585和一片12位
18、串行计数器4040组成了PWM信号发生电路。两片数值比较器4585,即图上U2、U3的A组接12位串行4040计数输出端Q2Q9,而U2、U3的B组接到单片机的P1端口。只要改变P1端口的输出值,那么就可以使得PWM信号的占空比发生变化,从而进行调速控制。12位串行计数器4040的计数输入端CLK接到单片机C51晶振的振荡输出XTAL2。计数器4040每来8个脉冲,其输出Q2Q9加1,当计数值小于或者等于单片机P1端口输出值X时,图中U2的(AB)输出端保持为低电平,而当计数值大于单片机P1端口输出值X时,图中U2的(AB)输出端为高电平。随着计数值的增加,Q2Q9由全“1”变为全“0”时,图
19、中U2的(AB)输出端又变为低电平,这样就在U2的(AB)端得到了PWM的信号,它的占空比为(255 -X / 255)*100%,那么只要改变X的数值,就可以相应的改变PWM信号的占空比,从而进行直流电机的转速控制。使用这个方法时,单片机只需要根据调整量输出X的值,而PWM信号由三片通用数字电路生成,这样可以使得软件大大简化,同时也有利于单片机系统的正常工作。由于单片机上电复位时P1端口输出全为“1”,使用数值比较器4585的B组与P1端口相连,升速时P0端口输出X按一定规律减少,而降速时按一定规律增大。1.2.3 PWM发生电路主要芯片的工作原理1芯片4585 (1)芯片4585的用途:对
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