【正文】 he DC motor speed controllability, and increased the velocity modulation system39。 本設(shè)計(jì) 分析了 對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行速度測量的原理， 采用了 PWM 技術(shù)對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，通過對(duì)占空比的計(jì)算達(dá)到精確調(diào)速的目的。 本設(shè)計(jì)以 8051 單片機(jī)為核心，以小型直流電機(jī)為對(duì)象，以 4? 4 矩陣鍵盤 作為 輸入 ， LED 顯示輸出，從而實(shí)現(xiàn) 了 直流電機(jī)的啟停、速度和方向 的控制。 關(guān)鍵詞 單片 機(jī) ； 直流電機(jī)； PWM； PID 算法 Abstract This paper introduces the DC motor speed control system based on 8051 single chip puter, and determines the basis scheme of this system. The system takes 8051 single chip puter as a core device,DC motor as a plant,4*4 keyboard matrix as an input device, LED as an output device ,then this system can achieve the operation of the startstop, speed and direction. This design analyzes to carry on the principle of the speed measures to the DC motor, uses the PWM technology to control the motor, and through the putation of dutyfactor to achieve the precise velocity modulation to get the goal. Measured the motor39。 PWM。 以后又出現(xiàn)了晶閘管、 MOSFET， IGBT 等為主 控元件的調(diào)速裝置 。通過分時(shí)采樣還可以用一臺(tái)計(jì)算機(jī)控制多臺(tái)調(diào)速裝置，這些技術(shù)特點(diǎn)為直流調(diào)速控制器裝置由模擬向數(shù)字化發(fā)展提供了契機(jī)。 基于單片機(jī)的直流電機(jī)調(diào)速 系統(tǒng)的 設(shè)計(jì) 2 當(dāng)前，在世界范圍內(nèi)，一個(gè)以微電子技術(shù)，計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)為先導(dǎo)的，以信息技術(shù)和信息產(chǎn)業(yè)為中心的信息革命方興未艾。 課題研究方法 本文主要研究了利用 MCS51 系列單片機(jī)， 以 PID 調(diào)節(jié) 算法為基礎(chǔ) ， 完成對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié) ， 達(dá)到了較好的控制性能 ， 而且成本低廉。 沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。 本文就是利用這種控 制方式來改變電壓的占空比實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)速度的控制。單片機(jī)體積小，重量輕，抗干擾能力強(qiáng)，環(huán)境要求不高，價(jià)格低廉，可靠性高，靈活性好，開發(fā)較為容易。 HMOS 制造工藝的 MCS51 單片機(jī)都采用 40引腳的直插封裝（ DIP 方式），制造工藝為 CHMOS 的 80C51/80C31 芯片除采用 DIP封裝方式外，還采用方型封裝工藝 。 單片機(jī)按照其用途可分為通用型和專用型兩大類。因此，單片機(jī)只需要和適當(dāng)?shù)能浖巴獠吭O(shè)備相結(jié)合，便可成為一個(gè)單片機(jī)控制系統(tǒng)。MCS48 的推出是在工控領(lǐng)域的探索，參與這一探索的公司還有 Motorola、 Zilog 等都基于單片機(jī)的直流電機(jī)調(diào)速 系統(tǒng)的 設(shè)計(jì) 4 取得了滿意的效果。它在以下幾個(gè)方面奠定了典型的通用總線型單片機(jī)體系結(jié)構(gòu)。隨著單片機(jī)在各個(gè)領(lǐng)域全面、深入地發(fā)展和應(yīng)用，出現(xiàn)了高速、大尋址范圍、強(qiáng)運(yùn)算能力的 8 位 /16 位 /32 位通用型單片機(jī)，以及小型廉價(jià)的專用型單片機(jī)。 各引腳功能如下： 1） 電源引腳 Vcc 和 Vss： Vcc：電源端，接＋ 5V。 地址鎖存允許 ALE： 系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)， ALE 用于控制地址鎖存器鎖存 P0 口輸出的低 8 位地址，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與低位地址的復(fù)用。 4） 復(fù)位信號(hào) RST： 該信號(hào)高電平有效，在輸入端保持兩個(gè)機(jī)器周期的高電平后，就可以完成復(fù)位操作 。（ 2）片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 RAM 和特殊功能寄存器 SFR。（ 6）一個(gè)串行端口，用于數(shù)據(jù)的串行通 。執(zhí)行一條指令需要多長時(shí)間則以機(jī)器周期為單位。 圖 24 單片機(jī)各種周期的相互關(guān)系 基于單片機(jī)的直流電機(jī)調(diào)速 系統(tǒng)的 設(shè)計(jì) 7 振蕩周期：為單片機(jī)提供時(shí)鐘信號(hào) 的振蕩源的周期。 2) 單片機(jī)時(shí)鐘電路通常有兩種形式 ， 如圖 25 所示 。 圖 25 單片機(jī)的振蕩方式 8051 單片機(jī) 中央處理器 模塊 及內(nèi)部結(jié)構(gòu) 中央處理器是單片機(jī)內(nèi)部的核心部件，它決定了單片機(jī)的主要功能特性。運(yùn)算部件的功能是 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的算術(shù)邏輯運(yùn)算、位變址處理和數(shù)據(jù)傳送操作。 MCS51 單片機(jī)的 ALU 還具有一般微機(jī) ALU，如 Z80、 MCS48 所不具備的功能，即布爾處理功能。從功能上看，它與一般微機(jī)的累加器相比沒有什么特別之處，但需要說明的是 ACC 的進(jìn)位標(biāo)志 Cy 就是布爾處理器進(jìn)行位操作的一個(gè)累加器。它以主 頻率為基準(zhǔn)發(fā)出 CPU 的時(shí)序，對(duì)指令進(jìn)行譯碼，然后發(fā)出各種控制信號(hào)，完成一系列定時(shí)控制的微操作，用來控制單片機(jī)各部分的運(yùn)行。 3)程序存儲(chǔ)器 ROM 。 片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 RAM： 片內(nèi) RAM 有 256 個(gè)字節(jié)，其中 00H～ 7FH 地址空間是直接尋址區(qū)，該區(qū)域內(nèi)從 00H～ 1FH 地址為工作寄存器區(qū)，安排了 4 組工作寄存器，每組都為 R0～ R7，在某一時(shí)刻， CPU 只能使用其中任意一組工作寄存器，由程序狀態(tài)字 PSW 中 RS0 和 RS1 的狀態(tài)決定。 片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 RAM： 當(dāng)片 內(nèi) RAM 不能滿足數(shù)量上的要求時(shí)，可通過總線端口和其他 I/O 口擴(kuò)展外部 RAM，其最大容量可達(dá) 64KB 字節(jié)。當(dāng) EA 接高電平時(shí)，單片機(jī)從片內(nèi) ROM 的 4kB 字節(jié)存儲(chǔ)器區(qū)取指令， 當(dāng)指令地址超過 0FFFH 后，自動(dòng)地轉(zhuǎn)向片外 ROM 取指令。 系統(tǒng)總線 是 指同一臺(tái)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部各部件之間進(jìn)行通信的總線 。 地址總線寬度為 16 位，由 P0 口經(jīng)地址鎖存器提供低 8 位地址（ A0 ～ A7）；P2 口直接提供高 8 位地址（ A8～ A15）。 （ 3）控制總線（ CB）： 用來傳輸全機(jī)的控制信號(hào) 。 P0 口為三態(tài)雙向口，可驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) TTL 電路， P基于單片機(jī)的直流電機(jī)調(diào)速 系統(tǒng)的 設(shè)計(jì) 11 P P3 口為準(zhǔn)雙向口（作為輸入時(shí)，需要先向口鎖存器寫入 1， 故稱為準(zhǔn)雙向口），其負(fù)載能力為 4 個(gè) TTL 電路 。 圖 28 P0口的結(jié)構(gòu)圖 P1 口 （ ～ ） 是一個(gè)準(zhǔn)雙向 I/O 口，它只能作為通用 I/O 口使用，沒有第二功能。 圖 29 P1口的結(jié)構(gòu)圖 P2（ ～ ） 口是一個(gè)準(zhǔn)雙向 I/O 口， P2 口作為通用 I/O 口使用時(shí)，不需要再外接上拉電阻；當(dāng) P2 口作為輸入口使用時(shí)，需要向 P2 口鎖存器先寫入 “ 1” ，然后基于單片機(jī)的直流電機(jī)調(diào)速 系統(tǒng)的 設(shè)計(jì) 12 再讀取 P2 口的輸入信號(hào)。 P3 端口和 Pl端口的結(jié)構(gòu)相似，區(qū)別僅在于P3 端口的各端口線有兩種功能選擇。 其結(jié)構(gòu)如圖 211 所示。由于受單片機(jī) I/O 口的限制。 圖 32 電樞電壓占空比和平均電壓的關(guān)系圖 單片機(jī) PWM控制 直流 電機(jī) 轉(zhuǎn)速測量 及變送 A/D 轉(zhuǎn)換 D/A 轉(zhuǎn)換 LED 顯示 基于單片機(jī)的直流電機(jī)調(diào)速 系統(tǒng)的 設(shè)計(jì) 14 直流電機(jī) 的工作 原理 和 調(diào)速 方法 直流發(fā)電機(jī)的工作原理就是把電樞線圈中感應(yīng)的交變電動(dòng)勢，靠換向器配合電刷的換向作用，使之從電刷端引出時(shí)變?yōu)橹绷麟妱?dòng)勢的原理。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(fù)載轉(zhuǎn)矩），電樞就能按逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)起來。由此可見我們改變電樞電壓時(shí) ， 轉(zhuǎn)速 n 即可隨之改變 [4]。例如在機(jī)組供電調(diào)速系統(tǒng)中，只要改變發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流場，便可改變發(fā)電機(jī)的輸出電壓 dU ，從而改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 n 。把斷續(xù)區(qū)的曲線近似地用一條具有很大等效電阻 39。在這種調(diào)速方法中，由于電動(dòng)機(jī)在任何轉(zhuǎn)速下磁通和等效電阻都不變，只是改變電動(dòng)機(jī)的供電電壓，因而在額定電流下，如果不考慮低速通風(fēng)惡化的影響 (也就是說假定電動(dòng)機(jī)是強(qiáng)迫通風(fēng)或?yàn)榉忾]的自冷式 )，則不論在高速還是低速下，電動(dòng)機(jī)都能輸出額定轉(zhuǎn)矩，故稱這種調(diào)速方法為恒定轉(zhuǎn)矩調(diào)速，這是它的一個(gè)極為重要的特點(diǎn)。 轉(zhuǎn) 換 電路 （ 1） A/D 轉(zhuǎn)換接口電路的設(shè)計(jì) A/D 轉(zhuǎn)換 采用 ADC0809 芯片 來實(shí)現(xiàn)。轉(zhuǎn)換結(jié)束，數(shù)據(jù)送三態(tài)緩沖鎖存器，同時(shí)發(fā)出 EOC 信號(hào)。 2)轉(zhuǎn)換時(shí)間 ： 轉(zhuǎn)換時(shí)間指 A/D 轉(zhuǎn)換器從轉(zhuǎn)換控制信號(hào)到來開始，到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字信號(hào)所經(jīng)過的時(shí)間。 （ 2） D/A 轉(zhuǎn)換接口電路的設(shè)計(jì) D/A 轉(zhuǎn)換 采用 DAC0832 芯片 來實(shí)現(xiàn)。 DAC0832 的寄存器選擇信號(hào) CS 及數(shù)據(jù)傳送信號(hào) XFER 都與地址線相連 ， 當(dāng)?shù)刂肪€選擇好 DAC0832 后 ， 只要輸出 WR 控制信號(hào) ， DAC0832 就能一步完成數(shù)字量的輸入鎖存和 D/A 轉(zhuǎn)換輸出 ， 并由 UA741 集成運(yùn)放將電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸出控制比較器的參考電壓 [6]。 圖 39 轉(zhuǎn)速測量電路 原理圖 基于單片機(jī)的直流電機(jī)調(diào)速 系統(tǒng)的 設(shè)計(jì) 19 當(dāng)紅外發(fā)射管與紅外接收管之間被直流電機(jī)光柵轉(zhuǎn)盤的不透明部分遮擋時(shí)，紅外接收管處于截止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)圖中的 SPEED 輸出高電平。ULN2021A 是 7 路達(dá)林頓三極管陣列，這里用到了其中的 4 路，分別連接到數(shù)碼管的4 個(gè)位選腳 G1～ G4，如下圖 310 所示。 PWM 脈寬調(diào)制，是靠改變脈沖寬度來控制輸出電壓，通過改變周期來控制其輸出頻率。利用 PWM 逆變器能夠抑制或消除低次諧波。 圖 42 沖量相同的各種 窄脈沖的響應(yīng)波形 基于單片機(jī)的直流電機(jī)調(diào)速 系統(tǒng)的 設(shè)計(jì) 21 面積等效原理： 分別將 圖 42 所示 電壓窄脈沖加在一階慣性環(huán)節(jié)（ RL 電路）上，其輸出電流 ??ti 對(duì)不同窄脈沖時(shí)的響應(yīng)波形如圖 43 所示。用傅里葉級(jí)數(shù)分解后將可看出，各 ??ti 在低頻段的特性將非常接近，僅在高頻段有所不同。按一定的規(guī)則對(duì)各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，即可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。 簡而言之， PWM 是一種對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。通的時(shí)候即是直流供電被加到負(fù)載上的時(shí)候，斷的時(shí)候即是供電被斷開的時(shí)候。這些脈沖寬度相等，但幅值不等，且脈沖頂部不是水平直線，而是曲線，各脈沖的幅值按正弦規(guī)律變化。 圖 46 PWM波形產(chǎn)生電路 基于單片機(jī)的直流電機(jī)調(diào)速 系統(tǒng)的 設(shè)計(jì) 23 在 圖 46 中 ， 1U 和 2U 為兩片 4 位比較器 74LS85， 3U 為 8 位的計(jì)數(shù)器。 0B ～ 3B 分別 接 0Q ～ 3Q 、 4Q ～ 7Q 。它是最早期的方式，現(xiàn)在已經(jīng)被淘汰了。 (3)專用 PWM 集成電路 。 (4)利用 單片機(jī)的 PWM 接 口 。 干擾問題的處理 信號(hào)的干擾問題是 每個(gè)單片機(jī)設(shè)計(jì)者都遇到的問題，在干擾問題上 本論文 做了以下處理 ： 基于單片機(jī)的直流電機(jī)調(diào)速 系統(tǒng)的 設(shè)計(jì) 24 1)PWM 信號(hào)工作頻率是 4kHz，頻率較高，會(huì)使導(dǎo)線阻抗變得較大，此時(shí)應(yīng)盡量降低地線阻抗，采用了就近多點(diǎn)接地法。如有可能，接地線寬在 2mm 以上為好。 基于單片機(jī)的直流電機(jī)調(diào)速 系統(tǒng)的 設(shè)計(jì) 25 第 五 章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 主程序設(shè)計(jì) 主程序使用 A/D 轉(zhuǎn)換 電路采樣輸出直流電壓值 ， 以及采樣外部調(diào)節(jié)電位器的電壓值作為控制期望值 。 PID 控制算法簡單，結(jié)構(gòu)可靈活 改變，技術(shù)成熟，可靠性高，在線性連續(xù)控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。 由式 (52)可得 : ? ? ? ? ? ? ? ?? ?211)1( 10 ???????? ??? kekeKjeKkeKkm DkjIp （ 53） 式 (52)減去式 (53)，得 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?1 2 1 2P I D P D Dm k m k m k K K K e k K K e k K e k? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （ 54） 由式 (54)經(jīng)過簡單變換得 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?1 2 1 2P I D P D Dm k m k K K K e k K K e k K e k? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （ 55） 設(shè)置寄存器 ??te 、 ? ?1?te 、 ? ?2?te 分別放置第 k 次、 (k1)次、 (k2)次測量時(shí)測量值與標(biāo)準(zhǔn)值的偏差