直流电机转速控制系统设计开发

1、I直流电机转速控制系统设计开发直流电机转速控制系统设计开发摘摘 要要在电气时代的今天，电动机一直在现代化的生产和生活中起着十分重要的作用。直流电机的结构复杂，成本高，运行维护困难，在转速控制中，直流电机的稳速指标一般很难达到要求。本文针对直流电机的特点，根据自动控制原理，采用 PWM 控制方式，设计了直流脉宽调速系统以更好地控制直流电机的转速。本系统设计以 89S52 单片机为控制核心，以小直流电机为控制对象，实现单闭环控制速度控制，用键盘输入有关控制信号及参数,采用单片机接口输出 PWM 脉冲和 H 桥驱动电路控制直流电机，实现电机的正方转和速度调节，并使用光电开关检测电机转速，在 LED

2、上实时显示有关参数。本系统软件部分采用模块化的思想进行设计，首先画出主要模块，即主程序模块、按键扫描模块、中断处理模块和 PID 算法模块的流程框图，再采用 C 语言编写出相关程序，然后调试程序，使其完成相应功能。最终通过系统测试，电机经过约 5 秒钟进入稳定状态，没有出现过大的超调或欠调。稳态时，转速误差在3 转/秒。由于转速测量装置晃动大，由此引起的测量值会意外发生错误，使电机有时会出现转速的瞬间飙升或骤减，但不会引起系统失调，系统会迅速自动调整转速，再次达到稳定状态。关键词：单片机关键词：单片机 直流电机调速直流电机调速 PWMPWM PIDPID 控制控制 II III 目目 录录摘

3、要.IABSTRACT.II前 言.11.直流电机概述.21.1 直流电机的主要结构 .21.1.1 定子部分.21.1.2 转子部分.31.1.3 气隙.31.2 直流电机的特性 .31.3 本章小结 .42. PWM 控制和 PID 调节 .52.1 PWM 控制.52.2 PID 调节.62.3 本章小结 .83.系统方案论证.103.1 系统结构方案论证 .103.2 转速测量方案论证 .103.3 电机调速控制方案论证 .113.4 键盘及显示方案论证 .113.5 PWM 的调速工作以及软件实现方案论证.113.5.1 PWM 调速工作方式 .113.5.2 PWM 的软件实现 .

4、123.6 本章小结 .124.控制部分设计.134.1 AT89S52 单片机简介.134.1.1AT89S52 单片机的引脚功能 .134.1.2 AT89S52 单片机的存储器结构 .164.2 AT89S52 单片机的中断系统.19 IV4.2.1 中断申请与控制.194.2.2 中断响应.204.3 AT89S52 单片机的定时/计数.214.4 本章小结 .225.硬件电路设计.235.1 系统原理框图.235.2 各模块电路 .235.2.1 电源模块.235.2.2 电机速度检测模块.245.2.3 按键模块.245.2.4 电机驱动模块.255.2.5 速度显示模块.265.

5、3 本章小结 .276.软件设计.286.1 主程序设计 .286.2 键盘中断处理程序 .296.3 PID 算法程序.306.4 本章小结 .31结论.32致谢.33参考文献.33附录一：系统原理图.34附录二：PCB 图 .35附录三：源程序代码.361前前 言言直流电机是最常见的一种电机，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等各个领域中得到了广泛的应用。与交流电机相比，直流电机结构复杂，成本高，运行维护困难。但是直流电机具有良好的调速性能、较大的起动转矩和过载能力强等许多优点。因此在许多行业中仍有应用，因此具有很好的发展前景。工业生产中

6、，电机转速的检测与控制占有很大的比重，它对系统的稳态误差及动态响应性能都有着至关重要的影响，因此具有高分辨率的快捷而准确的测速系统是必不可少的。在对电动机转速检测的过程中单片机和传感技术的应用目前已经相当重要和成熟。单片机技术作为计算机技术的一个重要分支，广泛应用于工业控制、智能化仪器仪表、家用电器以及过程控制方面，甚至电子玩具等各个领域，单片机都扮演着越来越重要的角色。它具有体积小、功能多、价格低廉、使用方便、系统设计灵活等优点。采用单片机技术对电动机参数进行高精度测量，既简单易行、开发方便，同时又能实现电机运行参数的在线检测，对提高电机的运行，改善其性能起到一定的作用。在与单片机相结合的应

7、用中，传感、检测和电子测量技术也是影响自动控制系统相当重要的因素，传感器件在信息采集和传输的准确度及即时性对于采用自动检测系统进行实时测量和分析产品性能有着至关重要的作用，可以说现代感测技术中传感器件的精度是保证产品性能和质量的重要环节。本设计就是要以单片机为核心部件，可对直流电机的转向和转速进行设定，并利用 PID 调节使直流电机的转速的趋于设定值，并在数码管实时显示转速。本设计包括对硬件电路和软件系统的设计。通过这种方式达到对相关知识的系统掌握，并加强实际动手能力，做到理论与实际相结合。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本，从而有效的提高工作效率，可以实现复杂的控制，控制

8、灵活性和适应性好，无零点漂移，控制精密高，可提供人机界面，多机联网工作。随着现代化步伐的迈进，人们对自动化的需求越来越高，使电动机控制向更复杂的控制发展，通过各种方法对直流电机转速系统的研究，对提高直流电机转速控制系统的精度起着至关重要的作用。21.1.直流电机概述直流电机概述1.11.1 直流电机的主要结构直流电机的主要结构如图 1.1 所示是一台小型直流电机的结构剖面图,它是由定子和转子两部分组成，还有一部分是气隙，图中各个数字标号对应直流电机的一部分结构，1换向器；2电刷装置；3机座；4主磁极；5换向极；6端盖；7风扇；8电枢绕组；9电枢铁心。主要组成部分简述如下：1.11.1 直流电机

9、结构图直流电机结构图1.1.11.1.1 定子部分定子部分(1) 主磁极 主磁极的作用是在气隙中建立磁场,它包含主极铁芯和励磁绕组两部分。在直流电机中,主磁铁也可以采用永久磁铁,它不需要励磁绕组,叫做永磁直流电机。(2) 换向极 换向器又叫附加极,装在相邻磁铁之间的几何中心线,其作用是改善直流电机的换向。换向极也由换向及铁芯和换向极绕组两部分组成.换向极绕组须与电枢绕组串联。在 1KW 以下的容量直流电机中,有时换向极的数目只有主铁极的一半,或不装换向极。3(3) 机座 直流电机的机座既是磁的通路又起固定的作用,因此要求机座既要导磁面积,又要有足够的机械强度和刚度.对于换向要求很高的电机,机座

10、可以用薄钢板冲片叠压而成。 (4) 电刷装置 电刷与换向器相配合,起到整流或逆变器。1.1.21.1.2 转子部分转子部分(1) 电枢铁芯 电枢铁芯是电机主磁路的一部分,而且用来嵌置电枢绕组.为了减少电枢旋转时电枢铁芯中损耗,电枢铁芯通常用 0.5mm 厚的两面涂有绝缘的硅钢片叠加而成。(2) 电枢绕组 电枢绕组是用来产生感应电动势和电磁转矩,实现机电能量转换的关键部件.现代直流电机的电枢,在其圆周上均匀地分布有许多个线圈,每个线圈可以单匝也可以多匝,称为元件.每个元件的两个有效边分别嵌放在相隔一定槽数的电枢铁芯的两个槽中.每个元件的首端与尾端,按一定的规律分别与换向器上的两个换向片相连。(3

11、) 换向器 换向器的作用是在电刷见得到直流电动势,并保证每个磁极下电枢导体电流方向不变,以产生恒定方向的电磁转矩.电枢绕组有许多元件而组成而每个元件的两个引出端分别连结两片换向片,换向器有许多彼此互相绝缘的铜片组成。1 1.1.3.1.3 气隙气隙气隙是定子磁极和电枢之间自然形成的间隙,它是主磁路的一部分,气隙中的磁场的电机进行电能转换的媒介,气隙的大小对电机的运行有很大的影响.小容量直流电机的气隙约 13mm,大容量电机的气隙可达几毫米。1.21.2 直流电机的特性直流电机的特性直流电机的基本工作原理，如下所述：4图图 1.21.2 直流电机工作模型直流电机工作模型如图 1.2 所示，是一个

12、直流发电机的工作模型，图中 N，S 是两个在空间固定不动的磁极，abcd 是一个装在可以转动的铁磁圆柱体上的线圈（合称线圈） ；线圈的首，末端分别连接到与电枢同轴旋转的两个圆弧形铜片（称为换向片）上，换向片之见及换向片与转轴之间是互相绝缘的；A 和 B 是两个与换向片相接触，但在空间上静止不动的铜片（称为电刷） ，从电刷 A，B 引出即可对负载供电。绝大多数的电动机都须作连续的旋转运动的电磁力形成一种方向不变的转矩，才能构成电动机。N、S 为对固定的磁极(一般是电磁铁，也可以是永久磁铁)，两磁极间装着一个可以转动的铁质圆柱体，圆柱体的表面上固定着一个线圈。当线圈中通入直流电流时，线圈边上受到电

13、磁力，根据左手定则确定力的方向，这一对电磁力形成了作用于电枢的一个电磁转矩，转矩的方向是逆时针方向。若电枢转动，线圈两边的位置互换，而线圈中通过的还是直流电流，则所产生的电磁转矩的方向却变为顺时针方向了，因此电枢受到一种方向交变的电磁转矩。种交变的电磁转矩只能使电枢来回摇摆，而不能使电枢连续转动。显然，要使电枢受到一个方向不变的电磁转矩，关键在于，当线圈边在不同极性的磁极下，如何将流过线圈中的电流方向及时地加以变换，即进行所谓“换向” 。为此必须增添一个叫做换向器的装置，换向器由互相绝缘的铜质换向片构成，装在轴上，也和电枢绝缘，这且和电枢一起旋转。换向器又与两个固定不动的由石墨制成的电刷 A、

14、B 相接触。装了这种换向器以后，若将直流电压加于电刷端，直流电流经电刷流过电枢上的线圈，则产生电磁转矩，电枢在电磁转矩的作用下就旋转起来。电枢一经转动，由于换向器配合电刷对电流的换向作用，直流电流交替地由线圈边 ab 和 cd 流入，使线圈边只要处于 N 极下，其中通过电流的方向总是由电刷 A 流入的方向，而在 S 极下时，总是从电刷 B流出的方向。这就保证了每个极下线圈边中的电流始终是一个方向。这样的结构，就可使电动机能连续地旋转。这就是直流电动机的工作原理1.31.3 本章小结本章小结本系统是设计直流电机的转速控制系统，因此我们首先应该对直流电机的相关知识有一个比较全面的认识了解，通过对直

15、流电机的学习了解，使我对直流电机有了更进一步的熟悉，特别是对直流电机的工作原理有了一个比较深入的认识，使得我对设计也会更加的有帮助，也加深了我对设计本系统设计意义认识。52.2. PWMPWM 控制和控制和 PIDPID 调节调节2.12.1 PWMPWM 控制控制PWM（Pulse Width Modulation）脉冲宽度调制，简称脉宽调制，是一种最初用语无线电通信的信号调制技术，后来在控制领域中（比如电机调速）也得到了很好的应用，于是形成了独特的 PWM 控制技术。PWM 控制是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领

16、域中。PWM 基本原理: PWM 是通过控制固定电压的直流电源开关频率，从而改变负载两端的电压，进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，如电机调速、温度控制、压力控制等。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改变平均压的大小，从而控制电动机的转速。简而言之，PWM 是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何适合，满幅值的直流供电要么完全有，

17、要么完全无。电压或电流源是以一种通或断的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的，通的时候即是直流供电被加到负载上去，断的时候即是供电被断开。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用 PWM 进行编码。采样控制理论中有一个重要结论：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，对半导体开关器件的导通和关断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替所需要的波形。按一定的规则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

18、20 世纪 80 年代以前一直未能实现。知道进入 20 世纪 80 年代，随着全控型电力电子器件的出现及其迅速发展，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，已出现了多种 PWM 控制技术。6一般情况下，调节脉宽调制信号的脉宽有两种方法，一种方法是采用模拟电路中的调制方法，另一种方法是使用脉冲计数法。对于一般电机控制，采用第一种方法在控制电压变化时滤波的实现存在较大的困难，这主要是因为滤波频率较低、滤波精度要求高和滤波电路的参数不易调整。在脉冲作用

19、下，当电机通电时，速度增加；电机断电时，速度逐渐减少。只要按一定规律，改变通、断电的时间，即可让电机转速得到控制。占空比是指高电平在一个周期之内所占的时间比率，设电机始终接通电源时，设占空比为 D=t1T 以上公式中 t1 为高电平时间，T 为 PWM 周期。当我们改变当我们改变占空比D=t1T 时，就可以得到不同的电机平均速度 Vd ,严格地讲平均速度 Vd 与占空比 D 并不是严格的线性关系，在一般的应用中，可以将其近似地看成线性关系。PWM 特点：(1) 主电路简单，所用功率元件少，且工作于开关状态，因此电路的导通损耗小，装置效率比较高。(2) 采用功率比较小的底惯量电机时具有高的定位速

20、度和精度。(3)低速性能好，稳速精度高，调速范围宽。(4)响态性能好，抗干扰能力强。2.22.2 PIDPID 调节调节 当今的自动控制技术都是基于反馈的概念。反馈理论的要素包括三个部分：测量、比较和执行。测量关心的变量，与期望值相比较，用这个误差纠正调节控制系统的响应。这个理论和应用自动控制的关键是，做出正确的测量和比较后，如何才能更好地纠正系统。 PID（比例-积分-微分）控制器作为最早实用化的控制器已有 50 多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID 控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。PID 控制器由比例单元（P） 、积分单元（I

21、）和微分单元（D）组成。它由于用途广泛、使用灵活，已有系列化产品，使用中只需设定三个参数（Kp， Ki 和 Kd）即可。在很多情况下，并不一定需要全部三个单元，可以取其中的一到两个单元，但比例控制单元是必不可少的。PID 是周期性地控制操作。假定控制器的执行频率7足够高，以使系统得到真确控制。误差信号是通过将被控参数的期望设定值减去该参数的实际测量值来获得的。误差的符号表明控制输入所需的变化方向。(1) P 项（比例） 由误差信号乘以一个 P 增益因子形成，使 PID 控制响应为误差幅值的函数。当误差信号增大时，控制器的 P 项将变大以提供更大的校正量。(2)I 项（积分） 对全部误差信号进行

22、连续积分。因此，小的静态误差随时间累计为一个较大的误差值。累计误差信号乘以一个 I 增益因子即成为 PID 控制器的 I 输出项。(3) D 项（微分）D 项输入是计算前次误差值与当前误差值的差来获得的。该误差乘以一个 D 项增益因子即成为 D 输出项。系统误差变化的越快，控制器的 D 项将产生更大的控制输出。PID 控制具有以下优点：(1)应用范围广。虽然很多工业过程是非线性或时变的，但通过对其简化可以变成基本线性和动态特性不随时间变化的系统，这样 PID 就可控制了。(2)参数较易整定。也就是，PID 参数 Kp，Ki 和 Kd 可以根据过程的动态特性及时整定。如果过程的动态特性变化，例如

23、可能由负载的变化引起系统动态特性变化，PID 参数就可以重新整定。PID 调节中参数的选择方法：在数字 PID 控制中，如果采样周期选得比较小，则 PID 控制参数 Kp、Ki 和 K D可按模拟 PID 控制器中的方法来选择。在对电动机控制中，首先要求系统是稳定的，在给定值变化时，被控量应能迅速、平稳地跟踪，超调量要小。在各种干扰下，被控量应能保持在给定值附近。另外，控制变量不宜过大，以避免系统过载。显然，上述要求要都满足是很困难的，因此，必须根据具体的实际情况，抓主要方面，兼顾其他方面。在选择控制器参数前，应首先确定控制器结构。对于电动机控制系统，一般常用 PI 或 PID 控制器接口，以

24、保证被控系统的稳定，并尽可能清楚静态误差。PID 参数的选择有两种可用方法：理论设计法和试验确定发。理论设计法确定 PID控制参数的前提，是要有被控对象准确的数学模型，这在电动机控制中往往很难做到。因此，用下列试验确定法来选择 PID 控制参数，就成为目前经常采用的，并且8是行之有效的方法,称作试凑法。凑试法是通过模拟或闭环运行系统，来观察系统的响应曲线，然后根据各控制参数对系统响应的大致影响，来改变参数，反复凑试，直到认为得到满意的响应为止。凑试前，要先了解 PID 控制器参数值对系统的响应有哪些影响。增大比例系数 Kp ，可以加快系统的响应速度，有利于减少静态误差；但是，过大的比例系数会使

25、系统有较大的超调，因此产生振荡，破坏系统的稳定性。增大积分常数 Ki ，会有利于减少超调，减少振荡，使系统更稳定；但系统静态误差的消除将随之减慢。增大微分常数 Kd ，也可以加快系统的响应，使超调量减少，稳定性增加；但系统的抗干扰能力降低。在考虑了以上参数对控制过程的影响后，凑试时，可按先比例后积分再微分的顺序反复调试参数。具体步骤如下：首先只调节比例部分，将比例系数由小变大，并观察系统所对应的响应，知道得到响应快，超调量小的响应曲线为止。如果这时系统的静态误差已在允许范围内，并且达到 1/4 衰减度的响应曲线（最大超衰减到 1/4 时，已进入允许的静态误差范围） ，那么只需用比例环节即可，比

26、例系数可由此确定。如果在比例调节的基础上，系统的静态误差还达不到设计要求，则必须加入积分环节。积分常数在凑试时，先给一个较大值，并将上一步调整时获得的比例系数略微减少（例如取原值的 80%） ，然后逐渐减少积分常数进行凑试，并根据所获得的响应曲线进一步调试比例系数值和积分常数值，直到消除静态误差，并且保持良好的动态性能为止。如果使用比例积分环节虽然消除了静态误差,但系统的动态性能仍不能令人满意,这时可加入微分环节。在凑试时，可先给一个很小的微分常数，以后逐渐增大，同时响应地改变比例系数和积分常数，知道获得满意的效果为止。2.32.3 本章小结本章小结本章通过对 PWM 控制的学习了解，让我对

27、PWM 的基本原理有了一个大致的了解，对于 PWM 的控制技术有了进一步的认识，也熟悉了输出的 PWM 是怎样去控制直流电机的转速。通过对 PID 控制器的学习，我对 PID 调节有了一个更加深入的了解，对 PID 的各项参数，即比例项，积分项和微分项各自对调节对象所起到的明确作用有了一定9的掌握，并且学会了用有效地方法，试凑法来确定 PID 的控制参数，从而达到利用PID 算法提高电机转速的控制精度。本设计主要就是利用 PID 调节来控制电机转速的精度，因此对 PID 控制算法的了解学习，加强了完成本系统设计的信心。3.3.系统方案论证系统方案论证3.13.1 系统结构方案论证系统结构方案论

28、证方案一：采用一片单片机（AT89S52）完成系统所有测量、控制运算，并输出PWM 控制信号。 方案二：采用两片单片机（AT89S52）,其中一片做成 PID 控制器，专门进行PID 运算和 PWM 控制信号输出；另一片则作为系统主芯片，完成电机速度的键盘设定、测量、显示，并向 PID 控制器提供设定值和测量值，设定 PID 控制器的控制速度。 方案一的优点是系统硬件简单，结构紧凑。但是其造成 CPU 资源紧张，程序的多任务处理难度增大，不利与提高和扩展系统性能，也不利于向其他系统移植。方案二则与方案一相反，虽然硬件增加，但在程序设计上有充分的自由去改善速度测量精度，缩短测量周期，优化键盘，显

29、示及扩展其它功能。与此同时，PID 控制算法的实现可以更加精确，对程序算法或参数稍加改动即可移植到其他 PID 控制系统中。因此通过比较，显然方案二更加好，但是由于就我而言，不用去考虑的那么复杂，只要能够满足要求，应使系统结构简单，且更为经济，方案一已经可以满足所实现的功能，所以我选择方案一。3.23.2 转速测量方案论证转速测量方案论证方案一：采用记数的方法。具体是通过单片机记录单位时间 S（秒）内的脉冲数 N，每分钟的转速：M=N/S60。方案二：采用定时的方法。是通过定时器记录脉冲的周期 T，这样每分钟的转速：M=60/T。比较两个方案，方案一的误差主要是1 误差（量化误差） ，设电机的

30、最低设计转速为 120 转/分，则记数时间 S=1s，所以其误差得绝对值|=|(N1)/S60-N/S60|=60（转/分） ，误差计算公式表明，增大记数时间可以提高测量精度，但这样做却增大了速度采样周期，会降低系统控制灵敏度。而方案二所产生的误差主要10是标准误差，并且使采样时间降到最短，误差 =60/（T1）-60/T，设电机速度在 1206000 转/分之间，那么 0.01sT0.5s，代入公式得：0.00024|0.6（转/分） 。由此明显看出,方案二在测量精度及提高系统控制灵敏度等方面优于方案一，所以本设计采用方案二。3.33.3 电机调速控制方案论证电机调速控制方案论证方案一：采用

31、电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速的目的。但是电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵。更主要的问题在于一般电动机的电阻很小，但电流很大；分压不仅会降低效率，而且实现很困难。方案二：采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对小车的速度进行调整。这个方案的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间慢、机械结构易损坏、寿命较短、可靠性不高。方案三：采用由达林顿管组成的 H 型 PWM 电路。用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机转速。这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高；H 型电路保证了可以简单地实现转速和方向的控

32、制；电子开关的速度很快，稳定性也极佳，是一种广泛采用的 PWM 调速技术。兼于方案三调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大，因此本设计采用方案三。3.43.4 键盘及显示方案论证键盘及显示方案论证方案一：采用 44 键盘，可直接输入设定值。显示部分是使用支持中文显示的 LCD，优点是美观大方，有利于人与系统的交互，及显示内容的扩展,显示部分也使用为了系统容易扩展、操作以及美观，缺点是成本较高。方案二：使用 4 个独立按键，进行逐位设置。显示部分使用 4 位数码管，优点是显示亮度大，缺点是功耗大，不符合智能化趋势而且不美观。本设计从经济及其实用价值考虑，选用方案二。113.53.5 PW

33、MPWM 的调速工作以及软件实现方案论证的调速工作以及软件实现方案论证3.5.13.5.1 PWMPWM 调速工作方式调速工作方式方案一：双极性工作制。双极性工作制是在一个脉冲周期内，单片机两控制口各输出一个控制信号，两信号高低电平相反，两信号的高电平时差决定电动机的转向和转速。方案二：单极性工作制。单极性工作制是单片机控制口一端置低电平，另一端输出 PWM 信号，两口的输出切换和对 PWM 的占空比调节决定电动机的转向和转速。由于单极性工作制电压中的交流成分比双极性工作制的小，其电流的最大波动也比双极性工作制的小，所以我们采用了单极性工作制。3.5.23.5.2 PWMPWM 的软件实现的软

34、件实现脉宽调制的方式有三种：定频调宽、定宽调频和调宽调频。后两种方法由于在调速时改变了控制脉冲的周期或频率，当控制脉冲的频率与系统的固有频率接近时，将会引起震荡，因此这 2 种方法用得很少。目前在直流电机的控制中，主要用定频调宽法。本设计就采用了定频调宽方式，采用这种方式的优点是电动机在运转时比较稳定，并且在采用单片机产生 PWM 脉冲的软件实现上比较方便。对于实现方式则有两种方案。方案一：采用定时器作为脉宽控制的定时方式，这一方式产生的脉冲宽度极其精确，误差只在几个 us。方案二：采用软件延时方式，这种方式在引入中断后，将有一定的误差。但是基于不占用定时器资源，且对于直流电机，采用软件延时所

35、产生的定时误差在允许范围，但是方案一得控制精度较高，所以本设计从控制精度方面考虑选用方案一。3.63.6 本章小结本章小结通过对系统整体结构以及各个主要模块方案的提出，并对每个方案进行分析比较，然后对每个方案进行合理的论证，从而选择出较为合理的方案，这样通过方案论证以后就会对整个系统的大致框架有一个比较清晰地认识，对接下来系统硬件电路的设计和软件的设计奠定了一个坚实的基础，使得以后的工作将会达到事半功倍的效果。124.4.控制部分设计控制部分设计4.14.1 AT89S52AT89S52 单片机简介单片机简介AT89S52 单片机是一种低功耗高性能的 CMOS8 位微控制器，内置 8KB 可在

36、线编程闪存。该器件采用 Atmel 公司的高密度非易失性存储技术生产，其指令与工业标准的 80C51 指令集兼容。片内程序存储器允许重复在线编程，允许程序存储器在系统内通过 SPI 串行口改写或用同用的非易失性存储器改写。通过把通用的 8 位 CPU与可在线下载的 Flash 集成在一个芯片上，AT89S52 便成为一个高效的微型计算机。它的应用范围广，可用于解决复杂的控制问题，且成本较低。其结构框图如 4.1 所示。13图图 4.14.1 AT89S52AT89S52 结构框结构框4.1.1AT89S524.1.1AT89S52 单片机的引脚功能单片机的引脚功能(1)多功能 I/O 口 AT

37、89S52 共有四个 8 位的并行 I/口：P0、P1、P2、P3 端口，对应的引脚分别是 P0.0 P0.7，P1.0 P1.7，P2.0 P2.7，P3.0 P3.7，共 32根 I/O 线。每根线可以单独用作输入或输出。 AT89S52 的引脚如图 4.2 所示 14图图 4.24.2 AT89S52AT89S52 引脚图引脚图P0 端口，该口是一个 8 位漏极开路的双向 I/O 口。在作为输出口时，每根引脚可以带动 8 个 TTL 输入负载。当把“1”写入 P0 时，则它的引脚可用作高阻抗输入。当对外部程序或数据存储器进行存取时，P0 可用作多路复用的低字节地址/数据总线，在该模式，P

38、0 口拥有内部上拉电阻。在对 Flash 存储器进行编程时，P0 用于接收代码字节；在校验时，则输出代码字节；此时需要外加上拉电阻。P1 端口，该口是带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 端口，P1 口的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4 个 TTL 输入。对端口写“1”时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，此时可用作输入口。P1 口作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。在对 Flash 编程和程序校验时，P1 口接收低 8 位地址。另外，P1.0 与 P1.1 可以配置成定时/计数器 2 的外部计数输入端（P1.0/T2）与定时/计数器 2

39、的触发输入端（P1.0/T2EX）。P1 端口管脚复用功能见下表 4.1。表表 4.14.1 AT89S52AT89S52 单片机单片机 P1P1 口复用功能口复用功能端口引脚复用功能P1.0T2（定时器/计算器 2 的外部输入端）P1.1T2EX（定时器/计算器 2 的外部触发端和双向控制）P1.5MOSI（用于在线编程）15P1.6MISO（用于在线编程）P1.7SCK（用于在线编程） P2 端口，该口是带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 端口，P2 口的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4 个 TTL 输入。对端口写“1”时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，此时可用作输入口。

40、P2 口作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。在访问外部程序存储器或 16 位的外部数据存储器时，P2 口送出高 8 位地址，在访问 8 位地址的外部数据存储器时，P2 口引脚上的内容（就是专用寄存器（SFR）区中 P2 寄存器的内容），在整个访问期间不会改变。在对 Flash 编程和程序校验期间，P2 口也接收高位地址或一些控制信号。P3 端口，该口是带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 端口，P3 口的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4 个 TTL 输入。对端口写“1”时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，此时可用作输入口。P3 口作输入口

41、使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。在 AT89S52 中，同样 P3 口还用于一些复用功能，如表 4.2 所示。在对 Flash 编程。和程序校验期间，P3 口还接收一些控制信号。表表 4.24.2 AT89S52AT89S52 单片机单片机 P3P3 口复用功能口复用功能(2) RST 复位输入端。在振荡器运行时，在此脚上出现两个机器周期的高电平将使其单片机复位。看门狗定时器（Watchdog）溢出后，该引脚会保持 98 个振荡周期的高电平。在 SFR AUXR（地址 8EH）寄存器中的 DISRTO 位可以用于屏蔽这种功能。DISRTO 位的默认状态，是

42、复位高电平输出功能使能。(3)ALE/PROG 地址锁存允许信号。在存取外部存储器时，这个输出信号用于锁存低字节地址。在对 Flash 存储器编程时，这条引脚用于输入编程脉冲 PROG。一般情况端口引脚复用功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2INT0（外部中断 0）P3.3INT1（外部中断 1）P3.4T0（定时器 0 的外部输入）P3.5T1（定时器 1 的外部输入）P3.6 WR（外部数据存储器写选通）P3.7RD（外部数据存储器读选通）16下，ALE 是振荡器频率的 6 分频信号，可用于外部定时或时钟。但是，在对外部数据存储器每次存取中，会跳过一个 AL

43、E 脉冲。在需要时，可以把地址 8EH 中的 SFR寄存器的 0 位置为“1”，从而屏蔽 ALE 的工作；而只有在 MOVX 或 MOVC 指令执行时ALE 才被激活。在单片机处于外部执行方式时，对 ALE 屏蔽位置“1”并不起作用。(4)PSEN 程序存储器允许信号。它用于读外部程序存储器。当 AT89S52 在执行来自外部存储器的指令时，每一个机器周期 PSEN 被激活 2 次。在对外部数据存储器的每次存取中，PSEN 的 2 次激活会被跳过。(5)EA/Vpp 外部存取允许信号。为了确保单片机从地址为 0000HFFFFH 的外部程序存储器中读取代码，故要把 EA 接到 GND 端，即地

44、端。但是，如果锁定位 1 被编程，则 EA 在复位时被锁存。当执行内部程序时，EA 应接到 Vcc。在对 Flash 存储器编程时，这条引脚接收 12V 编程电压 Vpp。(6) XTAL1 振荡器的反相放大器输入，内部时钟工作电路的输入。(7) XTAL2 振荡器的反相放大器输出。4.1.24.1.2 AT89S52AT89S52 单片机的存储器结构单片机的存储器结构所有的 ATMEL Flash 单片机都将程序存储器和数据存储器分为不同的存储空间。89 系列单片机的典型存储器的结构如图 4.3 所示。程序和数据存储器分为不同的逻辑空间，使得可用 8 位地址来访问数据存储器。这样可提高 8

45、位 CPU 的存储和处理速度。尽管如此，也可通过数据指针（DPTR）寄存器来产生 16 位的数据存储器地址。程序存储器只可读不可写，用于存放编好的程序和表格常数。89 系列单片机可寻址的程序存储器总空间为 64KB。外部程序存储器的读选通脉冲为 PSEN（程序存储允许信号）。数据存储器在物理上和逻辑上都分为两个地址空间：一个内部和一个外部数据存储器空间。外部数据存储器的寻址空间可达 64KB。访问外部数据存储器时，CPU发出读和写的信号RD 和 WR。17将 RD 和 PSEN 两个信号加到一个与门的输入端，然后用与门的输出作为外部程序/数据存储器的读选通脉冲。这样就可将外部程序存储器空间和外

46、部数据存储器空间合并在一起。图图 4.34.3 存储器结构存储器结构(1) 程序存储器89 系列单片机可寻址的内部和外部程序存储器总空间为 64KB。每个外部程序和数据存储器的可寻址范围高达 64KB。它没有采用程序存储器分区的方法，64KB 的地址空间是统一的。EA 引脚接低电平时，单片机就从外部程序存储器中取指。对于AT89S52，EA 引脚接高电平时，程序直接从单片机内部存储器中的 0000H 到 1FFFH 单元执行，2000H 到 FFFFH 单元到外部存储器中执行。程序存储器中有几个单元专门用来存放特定的程序。 图图 4.44.4 存储存储器中断入口配置器中断入口配置这几个单元的配

47、置情况如图 4.3 所示。由图 4.4 可知，0000H0002H 单元用于初始化程序。单片机复位后，CPU 总是从0000H 单元开始执行程序。另外，每个中断在程序存储器中都分配有一个固定的入18口地址。中断响应后，CPU 便跳到该单元，在这里开始执行中断服务子程序。例如，外部中断 0 的入口地址被放在 0003H 单元，如果使用外部中断 0，则它的中断服务子程序必须从 0003H 单元开始。如果中断没有使用，那么它的服务单元也可作一般用途的程序存储器用。每个中断入口地址的间隔为 8 个单元；外部中断 0 的入口地址为 0003H；定时器 0 的入口地址为 000BH；外部中断 1 的入口地

48、址为 0013H；定时器 1 的入口地址为001BH；以此类推。如果一个中断服务子程序足够短的话，则可全部存放在这 8 个单元中。对较长的服务子程序，则可利用一条跳转指令跳过后续的中断入口地址。程序存储器最低端的地址可以在片内 Flash 中，或在外部存储器中。将外部存取（EA）引脚接 Vcc 或接地，就可进行这种选择。例如，在带有 4KB 片内 Flash 的AT89C51 中，如果把 EA 引脚连到 Vcc，当地址为 0000H0FFFH 时，则访问内部Flash；当地址为 1000HFFFFH 时，则访问外部程序存储器。在 AT89C52（8KB Flash）中，当 EA 端保持高电平时

49、，如果地址不超过 1FFFH，则访问内部 Flash；地址超过 1FFFH（即为 2000HFFFFH）时，将自动转向外部程序存储器。如果 EA 端接地，则只访问外部程序存储器，不管是否有内部 Flash 存储器。外部程序存储器读选通信号 PSEN 用于读取所以的外部程序；读取内部程序时，不产生 PSEN 信号。注意，在访问外部程序存储器时，16 条 I/O 线（P0 和 P2）作为总线使用。P0端口作为地址/数据总线使用。它先输出 16 位地址的低 8 位 PCL，然后进入悬浮状态，等待程序存储器送出的指令字节。当有效地址 PCL 出现在 P0 总线上时，ALE（允许地址锁存）把这个地址锁存

50、到地址锁存器中。同时，P2 端口输出地址的高 8 外 PCH。然后 PSEN 选通外部程序存储器，使指令送到 P0 总线上，由 CPU 取入。即使所用的程序存储器的实际空间可能小于 64KB，程序存储器的地址总是为 16 位的。在访问外部程序存储器时，要用到两个 8 位端口P0 和 P2 来产生程序存储器的地址。（2）数据存储器数据存储器在物理上逻辑上都分为两个地址空间：一个为内部数据存储器空间；一个为外部数据存储器空间。访问外部 RAM 期间，CPU 根据需要发送 RD 和 WR 信号。外部数据存储器的寻址空间可达 64KB。外部数据存储器的地址可以是 8 位或 16 位的。使用 8 位地址

51、时，19要连同另外一条或几条 I/O 线作为 RAM 的页地址，这时 P2 的部分引线可作为为通用的 I/O 线。若采用 16 位地址，则由 P2 端口传送高 8 位地址。内部数据存储器的地址是 8 位的，也就是说其地址空间只有 256 字节，但内部RAM 的寻址方式实际上可提供 384 字节。高于 7FH 的直接地址访问同一个存储空间，高于 7FH 的间接地址访问另一个存储空间。这样，虽然高 128 字节区与专用寄存器，即特殊功能寄存器（SFR）区的地址是重合的（80HFFH），但实际上它们是分开的。究竟访问哪一区，是通过不同的寻址方式加以区分的。访问高 128 字节区时，采用间接寻址方式；

52、访问 SFR 区时，采用直接寻址方式；访问低 128 字节区时，两种寻址方式都可采用。4.24.2 AT89S52AT89S52 单片机的中断系统单片机的中断系统单片机与外部设备交换信息可以采用两种方式，即查询方式和中断方式。由于中断方式具有 CPU 效率高、适合于实时控制系统等优点，因而更为常用。中断系统也就是中断管理系统。所谓“中断” ，即 CPU 暂时终止当前正在执行的程序而转去执行中断服务子程序。常见的中断类型有种：（1）屏蔽中断，也称直接中断。它是通过指令使中断系统与外界隔开，使外界发来的中断请求不起作用，不引起中断。这是常见的一种中断方式。（2）非评比中断。它是计算机一定要处理的中

53、断方式，不能用软件来加以屏蔽。这种中断方式一般用于掉点等紧急情况。（3）软件中断。它是一种用指令系统中专门的中断指令来实现的一种中断，一般用语程序中断点的设置，以便于程序的调试4.2.14.2.1 中断申请与控制中断申请与控制89S52 单片机的中断系统从面向用户的角度来看，就是若干个功能寄存器：(1)定时器控制寄存器 TCON；(2)中断允许寄存器 IE；(3)中断优先级寄存器 IP；(4)串行口控制寄存器 SCON。其中 TCON 和 SCON 只有一部分位是用于中断控制。通过对以上各特殊功能寄存20器中相应位的置 1 或清 0，可实现各种中断控制功能。89S52 单片机是个多中断源的系统

54、，有 6 个中断源，即两个外部中断、三个定时器/计数器中断和一个串行口中断。对于 51 单片机来说，它还多一个定时器/计数器 T2 中断。两个外部中断源分别从（P3.2）和（P3.3）引脚输入。外部中断0_INT1_INT请求信号可以有两种方式，即电平输入方式和负边沿输入方式。若是电平输入方式，则在或引脚上检测到低电平即为有效的中断申请。若是边沿输入方式，0_INT1_INT则需要在或引脚上检测到从 1 到 0 的负脉冲跳变，才属于有效申请。0_INT1_INT三个定时器/计数器中断是当 T0 或 T1 或 T2 溢出（有全 1 进入全 0）时发出中断申请，属于一种内部中断。串行口中断也属于内

55、部中断，它是在串行口每接收或发送完一组串行数据后自动发出的中断申请。CPU 在检测到中断申请后，使某些相应的标志位置 1，CPU 在下一个机器周期检测这些标志以决定是否要响应中断。这些标志位分别对应与特殊功能寄存器 TCON和 SCON 的相应位。4.2.24.2.2 中断响应中断响应若有某个中断源请求中断，同时特殊功能寄存器 IE 中响应控制位处于置 1 状态，则 CPU 就可以响应中断。89S52 单片机有 6 个中断源，但只有两个中断优先级，因此必然会有若干个中断源于同样的中断优先级。当两个同样级别的中断申请同时到来时，CPU 应该如何响应呢？在这种情况下，89S52 单片机的内部有一个

56、固定的查询顺序。当出现同级中断申请时，就按这个顺序来处理中断响应。89S52 单片机的 6个中断源及其优先级顺序如表 4.3 所列。21表表 4 4。3 3 单片机中断源单片机中断源4.34.3 AT89S52AT89S52 单片机的定时单片机的定时/ /计数计数定时/计数器是单片机系统一个重要的部件，其工作方式灵活、编程简单、使用方便，可用来实现定时控制、延时、频率测量、脉宽测量、信号发生、信号检测等。此外，定时/计数器还可作为串行通信中波特率发生器。(1) 89S52 单片机内部有三个定时/计数器 T0，T1 和 T2，其核心是计数器，基本功能是加 1。(2)对外部事件脉冲（下降沿）计数，

57、是计数器；对片内机周脉冲计数，是定时器。(3) 计数器由二个 8 位计数器组成。(4) 定时时间和计数值可以编程设定，其方法是在计数器内设置一个初值，然后加1 计满后溢出。调整计数器初值，可调整从初值到计满溢出的数值，即调整了定时时间和计数值。(5) 定时/计数器作为计数器时，外部事件脉冲必须从规定的引脚输入。且外部脉冲的最高频率不能超过时钟频率的 1/24。中断源入口地址优先级顺序说明外部中断 00003H最高来自 P3.2 引脚（INT0）的外部中断请求定时器/计数器 0000BH定时器/计数器 T0 溢出中断请求外部中断 10013H来自 P3.3 引脚（INT1）的外部中断请求定时器/

58、计数器 1001BH定时器/计数器 T1 溢出中断请求串行口0023H串行口完成一帧数据的发送或接收中断定时器/计数器2 002BH 最低定时器/计数器 T2 溢出中断请求224.44.4 本章小结本章小结通过多控制核心器件 AT89S52 单片机的引脚功能，它的存储结构，各种中断源以及定时/计数的了解学习，使我们对控制核心器件 AT89S52 单片机有一个比较全面的认识，以便可以很好的利用单片机的各个接口设计硬件电路，合理利用单片机的中断和定时/计数功能，而且为以后的软件设计业奠定了一个良好的基础。235.5.硬件电路设计硬件电路设计5.15.1 系统原理框图系统原理框图根据前面我们了解和学

59、习到的本设计相关知识，我们就可以对系统构建一个原理框图，然后按着系统的原理框图对每一个模块进行设计，系统原理框图如图 5.1所示，是一个带按键输入和显示的闭环测量控制系统。主体思想是通过系统设定信息和测量反馈信息计算出输出控制信息。图图 5.15.1 系统原理框图系统原理框图5.25.2 各模块电路各模块电路5.2.15.2.1 电源模块电源模块由于驱动直流电机工作需要提供一个 12V 的电压，而是单片机工作只需提供5V 的电压，因此为了使电路简单只用一个供电源，需要设计一个稳压电路把 12V的电压转换成 5V 的电压给单片机工作。稳压电路如图 5.2 所示。24图图 5.25.2 稳压电路稳

60、压电路 5.2.25.2.2 电机速度检测模块电机速度检测模块速度的检查模块电路图，如下图 5.3 所示。 图图 5.35.3 电机测速模块电机测速模块此电路为简单的红外光电传感器，即一个光电开关，它具有体积小、功能多、寿命长、精度高、响应速度快以及刚干扰能力强等优点。它由一对红外发射管及接收管组成，红外发射管及接收管分别固定在电机叶片的两侧，当电机转动时，叶片因为可以挡光而使红外接收管在叶片旋转一周内产生多个脉冲，脉冲个数取决于叶片的数量。该脉冲信号（也可以先将它整形）被送入单片机 p3.2 口（即外部中断 0）进行计数和处理。5.2.35.2.3 按键模块按键模块此电路采用独立按键电路，如