课程设计(论文)基于单片机的直流伺服电机脉冲宽度调制控制系统.doc
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1、一.单片机简介1.1单片机的发展史单片机作为微型计算机的一个重要分支,应用面很广,发展很快。自单片机诞生至今以发展为上百种系列的近千个分支。如果将8位单片机的推出作为起点,那么单片机的发展历史大致可以分为以下几个阶段:(1)第一阶段(19761978):单片机的控索阶段。以Intel公司的MCS48的推出是在工控领域的控索,参与这一控索的公司还有Motorola、Zilog等,都取 得了满意的效果。这就是SCM的诞生年代,“单片机”一词由此而来。(2)第二阶段(19781982):单片机的完善阶段。Intel公司在MCS48的基础上推出了完善的,典型的单片机系列MCS51.它在以下几个方面奠定
2、了典型的通用总线型单片机体系结构。 完善的外部总线。MCS51设置了经典的8位单片机的总线结构,包 括 8位数据总线16位地址总线控制总线及具有很多通信功能的串行通信接口。 CPU外围功能单元的集中管理模式。 体现工控特性的位地址空间及位操作方式。 指令系统趋于丰富和完善,并且增加了许多突出控制功能的指令。(3)第三阶段(19821990):8位单片机的巩固发展及16位单片机的推出阶段,也是单片机向微控制器发展的阶段。Intel公司推出的MCS96系列单片机,将一些用于测控系统的模数转换器、程序运行监视器、脉宽调制器等纳入片中,体现了单片机的微控制器的特征。随着MCS51系列的广泛应用,许多电
3、气厂商竞相使用80C51为内核,将许多测控系统中使用的电路技术、接口技术、多通道A/D转换部件、可靠性技术等应用到单片机中,增强了外围电路的功能,强化了智能控制的特征。(4)第四阶段(1990):微控制器的全面发展阶段。随着单片机在各个领域全面深入地发展和应用,出现了高速、大寻址范围、强运算能力的8位/16位/32位通用型单片机,以及小型廉价的专用型单片机。 1.2 AT89C51简介AT89C51是一种带4K字节闪存可编程可擦除只读存储器(FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory)的低电压、高性能CMOS 8位微处理器,俗称
4、单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造,与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中,ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器,AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。1) 主要特性:a) 与MCS-51 兼容 b) 4K字节可编程闪烁存储器 c) 寿命:1000写/擦循环d) 数据保留时间:10年e) 全静态工作:0Hz-24MHzf
5、) 三级程序存储器锁定g) 1288位内部RAMh) 32可编程I/O线i) 两个16位定时器/计数器j) 5个中断源 k) 可编程串行通道l) 低功耗的闲置和掉电模式m) 片内振荡器和时钟电路2) 单片机内部结构图:图 1.13) AT89C51引脚图:图 1.24) 管脚说明: VCC:供电电压。 GND:接地。 P0口:P0口为一个8位漏级开路双向I/O口,每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时,被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时,P0 口作为原码输入口,当FIASH进行校验时,P0输出原码,此时P0外部必
6、须被拉高。 P1口:P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口,P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后,被内部上拉为高,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时,P1口作为第八位地址接收。 P2口:P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2口缓冲器可接收,输出4个TTL门电流,当P2口被写“1”时,其管脚被内部上拉电阻拉高,且作为输入。并因此作为输入时,P2口的管脚被外部拉低,将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时,P2口输出地址的高八位。在给出地
7、址“1”时,它利用内部上拉优势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时,P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口:P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口,可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入。作为输入,由于外部下拉为低电平,P3口将输出电流(ILL)这是由于上拉的缘故。 P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口,如下表所示: 口管脚 备选功能 P3.0 RXD(串行输入口) P3.1 TXD(串行输出口) P3.2 /INT0(外部中断0) P3.3 /INT1(外部中断1)
8、P3.4 T0(记时器0外部输入) P3.5 T1(记时器1外部输入) P3.6 /WR(外部数据存储器写选通) P3.7 /RD(外部数据存储器读选通) P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST:复位输入。当振荡器复位器件时,要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG:当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。在平时,ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是:每当用作外部数据存储器时,将跳过一个ALE脉冲。
9、如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时, ALE只有在执行MOVX,MOVC指令是ALE才起作用。另外,该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止,置位无效。 /PSEN:外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间,每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时,这两次有效的/PSEN信号将不出现。 /EA/VPP:当/EA保持低电平时,则在此期间外部程序存储器(0000H-FFFFH),不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时,/EA将内部锁定为RESET;当/EA端保持高电平时,此间内部程序存储器。在FLASH编程期间,此引脚也用于施加12V
10、编程电源(VPP)。 XTAL1:反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2:来自反向振荡器的输出。 振荡器特性: XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件,XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器,因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求,但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。二.硬件电路设计2.1硬件组成本系统由PC机、MCS-51单片机开发系统、PWM脉宽调制控制板以及直流伺服电动机等组成。具体相关硬件如下:二极管(1N4077)4个,场效应管(2SJ50)4个
11、,非门74LS04 1个,与门74LS08 2个,电容(CAPACITOR) 2个,芯片(AT89C51) 1个,开关(BUTTON)3个,直流伺服电动机(MOTOR)1个,电阻(RES)4个,电源3个,地(GROUND)4个。表2.1元件表硬件型号数量硬件型号数量1N40774MOTOR12SJ504RES474LS041CAPACITOR274LS082GROUND4AT89C511VCC3BUTTON32.2主要器件功能介绍2.2.1直流伺服电机简介伺服电机也称执行电机,它具有一种服从控制信号的要求而动作的电机,在信号来到之前,转子静止不动;信号来到之后,转子立即转动;当信号小时,转子能
12、即使自行停转,由于这种“伺服”性能,因此而得名。按照在自动控制系统中的功用所要求,伺服电机具备可控性好、稳定性高和速应性强等基本性能。可控制性好是指寻好消失以后,能立即自行停转;稳定性高是指转速随转矩的增加而均匀下降,速应性强是指反应快,灵敏。直流伺服电动机在自动控制系统中常用作执行元件,对它的要求是要有下垂的机械特性、线性的调节特性和对控制信号能作出快速反应。该系统采用的是电磁式直流伺服电动机,其型号为45SY01型,其转速n的计算公式如下n=E/K=(Ua-IaRa)/K式中n为转速;为磁通;E为电枢反电势;Ua为外加电压;IaRa为电枢电流和电阻。直流伺服电机与普通直流电机以及交流伺服电
13、机的比较:直流伺服电机的工作原理和普通直流电机相同。只要在其励磁绕组中有电流通过且产生了磁通,当电枢绕组中通过电流时,这个电枢电流与磁通互相作用而产生转矩使伺服电机投入工作。这两个绕组其中的一个断电时,电动机立即停转,它不象交流伺服电动机那样有“自转”现象。所以我们选择直流伺服电动机来进行自动门的拖动。2.2.2 PWM简介及调速原理(1)简介:PWM控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术,即通过对一系列脉冲的宽度进行调制,来等待地获得所需要波形。PWM的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的,无需进行数模转换。让信号保持在数字形式可将噪声影响降到最小。PWM控制技术以其控制简单,灵活和动
14、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。(2)调速原理:占空比表示了在一个周期T里,开关管导通的时间与周期的比值。其变化范围为01。在电源电压不变的情况下,电枢的端电压的平均值U取决于占空比的大小。改变其值就可以改变端电压的平均值,从而达到调速的目的。在PWM调速时,占空比是一个重要的参数。以下是3种方式都可以改变占空比的值图 2.1计算公式:占空比=ton/Ta) 定宽调频法b) 调宽调频法c) 定频调宽法目前,在直流伺服电机的控制中,主要使用定频调宽法。(3)与V-M系统相比,PWM调速系统有下列优点:由于PWM调速系统的开关频率较高,仅靠电枢电感的滤波作用可能就足以获得脉冲
15、动很小的直流电流,电枢容易连续,系统的低速运行平稳,调速范围较宽,可达1:10000左右。又由于电流波形比V-M系统好,在相同的平均电流即相同的输出转矩下,电动机的损耗和发热都较小。同样由于开关频率高,若与快速响应的电机配合,系统可以获得很宽的频带,因此快速响应性能好,动态抗干扰能力强。由于电力电子器件只工作在开关状态,主电路损耗较小,装置效率比较高。2.2.3 二极管的应用1) 整流二极管 利用二极管单向导电性,可以把方向交替变化的交流电变换成单一方向的脉动直流电。2) 开关元件 二极管在正向电压作用下电阻很小,处于导通状态,相当于一只接通的开关;在反向电压作用下,电阻很大,处于截止状态,如
16、同一只断开的开关。利用二极管的开关特性,可以组成各种逻辑电路。3) 限幅元件 二极管正向导通后,它的正向压降基本保持不变(硅管为0.7V,锗管为0.2V)。利用这一特性,在电路中作为限幅元件,可以把信号幅度限制在一定范围内。4) 继流二极管 在开关电源的电感中和继电器等感性负载中起继流作用。5) 检波二极管 在收音机中起检波作用。6) 变容二极管 使用于电视机的高频头中。7) 显示元件 用于电视机显示器上。2.3 电路组成2.3.1 晶振电路图2.3.1振电路图,由两个电容和一个晶振组成,晶振频率为12MHZ图2.22.3.2 复位电路图2.3.2为复位电路图,由直流电源,电容和电阻组成,其主
17、要功能是对单片机进行复位功能。图2.32.3.3 单相桥式整流电路图2.3.3是单相桥式整流电路图,由4个场效应管IGBT和四个二极管组成,其功能是将交流电转化成直流电。其负载为伺服直流电机,通过门控信号的改变可以调节电机的转速和转向图2.42.3.4 调制电路图2.3.4是调制电路图,由两个与门和一个非门组成,其功能主要是产生PWM脉冲来控制IGBT。图2.5三.系统软件设计3.1 Proteus介绍Proteus软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件(该软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司)。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能,还能仿真单片机及
18、外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步,但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真软件),从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真,一键切换到PCB设计,真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台,其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等,2010年即将增加Cortex和DSP系列处理器,并持续增加其他
19、系列处理器模型。在编译方面,它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。 3.1.2其功能特点 Proteus软件具有其它EDA工具软件(例:multisim)的功能。这些功能是:(1)原理布图;(2)PCB自动或人工布线;(3)SPICE电路仿真。 革命性的特点:(1)互动的电路仿真 用户甚至可以实时采用诸如RAM,ROM,键盘,马达,LED,LCD,AD/DA,部分SPI器件,部分IIC器件。 (2)仿真处理器及其外围电路 可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流单片机。还可以直接在基于原理图的虚拟原型 上编程,再配合显示及输出,能看到运行后输入输出的效果。配合系统配置的
20、虚拟逻辑分析仪、示波器等,Proteus建立了完备的电子设计开发环境。 3.1.3具有4大功能模块(1)智能原理图设计(ISIS)丰富的器件库:超过27000种元器件,可方便地创建新元件:智能的器件搜索:通过模糊搜索可以快速定位所需要的器件;智能化的连线功能:自动连线功能使连接导线简单快捷,大大缩短绘图时间;支持总线结构:使用总线器件和总线布线使电路设计简明清晰;可输出高质量图纸:通过个性化设置,可以生成印刷质量的BMP图纸,可以方便地供WORD、POWERPOINT等多种文档使用。 (2)完善的电路仿真功能(Prospice) ProSPICE混合仿真:基于工业标准SPICE3F5,实现数字
21、/模拟电路的混合仿真; 超过27000个仿真器件:可以通过内部原型或使用厂家的SPICE文件自行设计仿真器件,Labcenter也在不断地发布新的仿真器件,还可导入第三方发布的仿真器件;多样的激励源:包括直流、正弦、脉冲、分段线性脉冲、音频(使用wav文件)、指数信号、单频FM、数字时钟和码流,还支持文件形式的信号输入;丰富的虚拟仪器:13种虚拟仪器,面板操作逼真,如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、直流电压/电流表、交流电压/电流表、数字图案发生器、频率计/计数器、逻辑探头、虚拟终端、SPI调试器、I2C调试器等;生动的仿真显示:用色点显示引脚的数字电平,导线以不同颜色表示其对地电压大小,结合
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