基于单片机的直流电机调速系统毕业设计论文

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审核通过切勿外传论文题：于单片机的直流电调速系统设计学生姓：所在院：所学专：

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摘要本文主要究了利用系列单片机制PWM信号而实现对直流电机速进行控制方法。文章采用了专门芯片组成了PWM信号的发生统，并且对PWM信号的原、产生方法及如何通过件编程对PWM信号占比进行调节从而控制其入信号波形均作了详细的阐述。外，本文中采用了芯片IR2110作为直流电正转调速功放大电路驱动模块，且把它与延电路相结合成了在主电中对直流电机的制。另外，系统中使用测速发电机直流电机的速进行测量，经滤波电路后将测量值送AD转换，并且最终为反馈值输入到单机进行PI运算从而实现了直流电机速的控制在软件方面，章中详细介了PI运算程初始化程序的编写思路具体的程序实现。关词

：PWM信号测速发电机PI运算

ofCurrentMotorspeedBasedOnSCMChenliSchoolInformationEngineeringAbstractarticlemainlyintroducesthePWMsignalbyusingMCS-51aD.C.ItclarifiesprinciplesofPWMthethecyclePWMsignal.Inaddition,usedasdevicethepoweramplifiercircuitthespeedofofD.C.Whatmore,usedthismeasuretheD.C.motor.ofsenttoADfilteringcircuit,andtheisstoredaPIthethisindetailoftheprogramming

1.引言

目开发背..........................................................................................................1选题的的和意义研究方..........................................................................................................22.总体设计述

总体硬电路设计系统体设计框图.8051单片机简介.单片系统中所用他芯片选型........................................................4PWM信号发生电路计..............................................................................7PWM的基本原理.................................................................................7PWM信号发生电路设.....................................................................8PWM发生电路主要芯的工作原.................................................9功率放驱动电路设...............................................................................10芯片性能及点....................................................................10的引脚图及功能.................................................................11主电路计....................................................................................................11延时保护电......................................................................................主电路.................................................................................................11输出电压波......................................................................................13系统体电路图...................................................................................14测速发机....................................................................................................15滤波电........................................................................................................15AD转换

芯片型ADC0809的引脚及其能3.系统软部分的设计

...............................................................................PI转速调节器理图及参数算系统中部分程序设...............................................................................17主程设计...........................................................................................17PI控制法子程序设4.系统调试

19软件调试系统仿真结论致谢

............................................................................................................21............................................................................................................21参考文献

22附录

............................................................................................................23

引开发背现代工业产中，电动是主要的驱设备，目前直流电动机动系统中已量采用晶闸(即可硅)装臵电动机供电KZ—拖动系统，取代笨重的发电一电动机的F—系统，伴随着电子术的高度发展，使直流电机速逐步从模化向数字化变，特别是片机技术的应用使直流电机速技术又进到一个新的段，智能化高可靠性已成为发展的趋势直流电机调基本原理是较简单的（对于交流电机只要改变电的电压就可改变转速了改变电压的法很多，最常见的种脉宽调，调节电机输入占空比可以控制电的平均电压控制转速。PWM控制的本原理很就已经提出但是受电力子器件发展平的制约，在世纪代以前一直能实现直到进入世纪年代，随着全控电力电子器的出现和迅发展，PWM控制技术才真得到应用。随电力电子技、微电子技和自动控制术的发展以各种新的理论方，如现代控理论、非线系统控制思的应用，PWM控制技术获得空前的发展到目前为止已经出现了种PWM控制技术。选题的的和意义直流电动具有良好的动、制动性，宜于在大围内平滑调，在许多需调速或快速反向的电力动领域中得了广泛的应。从控制的角度看，直流调还是交流拖系统的基础早期直流电机的控制均以模电路为基础采用运算放器、非线性成电路以及量的数字电路组，控制系统硬件部分非复杂，功能一，而且系非常不

灵活、调困难，阻碍直流电动机制技术的发和应用范围推广。随着单片技术的日新异，使得许控制功能及法可以采用件技术来完成，直流电动机控制提供了大的灵活性并使系统能到更高的性能。用单片机构控制系统，以节约人力源和降低系成本，从而有效提高工作效。传统的控系统采用模元件，虽在定程度上满了生产要求但是因为元容易老化和使用中易受界干扰影响并且线路复、通用性差，控效果受到器性能、温度因素的影响故系统的运可靠性及准确性不到保证，至出现事故目前，直电动机调速统数字化已走向实用化伴随着电子术的高度发，促使直流机调速逐步模拟化向数化转变，特是单片机技术的用，使直流机调速技术进入到一个的阶段，智化、高可靠性已为它发展的势。研究方本文主要究了利用系列单片机，过PWM方式控直流电机调速方法。控制技术其控制简单灵活和动态应好的优点而成为力电子技术广泛应用的制方式，也人们研究的点。由于当今科技术的发展经没有了学之间的界限结合现代控理论思想或实现谐振软开关术将会成为PWM控制技术展的主要方之一。本文就是用这种控制式来改变电的占空比实直流电机速的控制。章中采用了门的芯片组了PWM信号发生系统，后通过放大来动电机。利直流测速发机测得电机度，经过滤电路得到直流电信号，把电信号输入给AD转换芯最后反馈给片机，在

内部进行PI运算，输出制量完成闭控制，实现机的调速控。总设概单片机直电机调速简：单片机直调速系统可现对直流电机的平滑调。是通控制固定电的直流电源关频率，从改变负载两端电压，进而到控制要求一种电压调方法。在PWM驱动控制的调系统中，按个固定的频来接通和断电源，并根需要改变一个周内接通和开时间的长。通过改变流电机电枢电压的占空来改变平均压的大小，从而制电动机的速。因此，又被称为关驱动装。本统以89C51单机为核心，过单片机控制，C语言编实现对直流机的平滑调。系统控制案的分析：直流电机调系统以单片系统为依托根据PWM调速的基本理，以直流机电枢上电的占空比来变平均电压的大小，从控制电动机转速为依据实现对流电动机的滑调速，并通过单机控制速度变化。本文研究的直流机调速系统要是由硬件和软两大部分组。硬件部分前提，是整系统执行的础，它主要为软提供程序运的平台。而件部分，是硬件端口所现的信号，加以集、分析、理，最终实控制器所要现的各项功，达到控制器自对电机速度有效控制。总体硬电路设计系统总体计框图本系统采89C51制输出数，由PWM信号生电路产生PWM信号，送直流电机，流电机通过速电路，滤电路，和AD转换电路交数据新送回单片进行PI运算，从实现对电机度和转向的制，达到流电机调速目的。

图系统体设计图8051单片机简介1．单片机的基本组8051单片机由CPU和8个部组成，们都通过片单一总线连，其基本结依然是通用CPU加上外围片的结构式，但在功单元的控制上采了特殊功能存器的集中制方法。其本组成如下所示：图2-2基本结构图

2．及部部件的作用能介绍如下中央处理CPU：是单片机的心，完成运和控制功能内部数据储器：芯片中共有256RAM单元，能为存储器使用的只前128个单，其地址为—7FH通常说的内数据存储器就是指前个单元，称内部RAM。内部程序储器：芯片部共有单元，用存储程序原始数据或格，简称内。定时器：8051片内有2个16位的定时，用来实现时或者计数能，并且其定时或计结果对计算进行控制。中断控制统：该芯片有5个中断源，即外中断个，定时计中断2个和串行断1。3．单片机引脚图图单片机引脚图

单片机系中所用其他片选型1．地址锁器地址锁存可以选择多有地址锁存能的器件有74LS373、74LS273等，8282是地址存器，功能类似，但本统选用74LS373作为地锁存器虑到其应的广泛性以具有良好的价比，成为目前单片机系统应该较广泛地址锁存器74LS373片内是个输出带三门的锁存器当使能端高电平时，存器中的内可以更新，在返回低电的瞬间实现存如果此时片的输出控端为低也即是输三态门打开锁存器中地址信息便以通过三态输出。其引图如图所示图2-474L373引脚图2．程存储器存储器是片机的又一重要组成部，其中程序储器是单片中非常重要存储器，但于其存储空不足，常常要对单片机存储器空间进行展，扩展程存储器常用片有EPROM（紫外线擦除型如（2KB27324KB276427128（27256（）等，另外有＋电擦除E2PROM如（、2864（）等

等。考虑系统功能的扩展性以及序功能的扩，本系统采16KB的作为程序存器扩展芯片在满足系统求的前提下存有一定的扩展空，是本系统合适的程序储器扩展芯。27128的引脚图图2-5所示：图结构图3．数存储器8051单片机有，当数量超过也需把数据存储进一步扩用RAM芯片分态和动态两静RAM、6264(8KB)等，动DRAM2164(8KB)等，另外还有集成IRAM和E2PROM。使E2PROM作数据存储有断电保护据的优点。数据存储扩展常使用机存储器芯，用的较多是公司的6116容量为2KB和6264量为8KB本系统采用量8KB的6264作为数据存储扩展芯片。引脚图如图2-6示：8051单片机扩展电路分析

图2-7单机扩展电路及分析接线分析：这8个引脚有两种不同功能，分别用于两种不的情况。一种情况是8051不带片存储器，P0口可以作为用IO口使用，用于传送CPU的IO数据第二种情况带片外存储器CPU访问片外存器时先是用传送片外存器的低8位地，然后传送CPU对片外存储器的写数据。：这引脚的第一能可以作为用的IO使用它的第二功能和口引脚的第二能相配合，于输出片外储器的高位地址，共同选中外存储器单，但是并不像P0口那还可以传送储器的读写数据：这组引脚的一功能为传用户的输入出数据。它第二功能为控制用，个引脚不尽同。

V为+5V电源线V为接地线SS：地址锁存允编程线，配口引脚第二功能使，在访问片外存器时，8051CPU在引脚线上出片外存储低8位地址的时还在ALE线上输出一高电位脉冲其下降沿用把这个片外存储低8位地址锁存到外专用地址存器，以便出P0.7---P0.0引脚线去送随后而来片外存储器读写数据。V允许问片外存储编程电源线可以控制使用片内ROM还是片外ROM。如=1，么允许使用内ROM；如果0那么允许用片外ROM。XTAL1和：片内振荡路输入线，两个端子用外接石英晶体和微电容，即用连接8051内OSC定时反馈电。石英晶振起振后，能在线上输出一个3V左右正弦波，以于8051片内的OSC电路按石英晶相同频率自振荡电C1C2可以帮起振，调节它们以达到微调f的目的。OSCPWM信号发生电路计PWM的基本原理PWM（脉冲度调制）是过控制固定压的直流电开关频率，改变负载端的电压，而达到控制求的一种电调整方法。PWM可以应用在多方面，比：电机调速温度控制、力控制等等在PWM驱动控制的整系统中，一个固定的率来接通和开电源，并且据需要改变个周期内接通和断时间的长。通过改变直流电机枢上电压的空比来达改变平均压大小的目，从而来控制电动的转速。也因为如此，又被称为关驱动装臵如图2-8所示：

图2-8PWM方波设电机始接通电源时电机速最大为V设占比为D=T，则电机的均速度为V=V*D，其中V指的是机的平均速Vmaxamax是指电机全通电时的大速度；D=T是指空比。由上面的式可见，当们改变占空=t1T时，就以得到不同的电机均速度V，从而达到速的目的。格来说，平速度V与d占空比并非严的线性关系但是在一般应用中，我可以将其近地看成是性关系。PWM信号发生电路计

图2-9PWM信号发生电路PWM可以由具输出的片机通过编来得以产生也可以采用PWM专用芯片来实。当PWM波的率太高时，对直流电机驱动的功管要求太高而当它的频太低时，其生的电磁噪就比较大，在实应用中，当PWM波频率在18KHz左右时，效最好。在本系统内，采了两片位数值比较4585和片12串行计器组成了PWM信号发生电路两片数值较器4585即图上的组接12位串行计数输出端Q2—，而U2U3的B接到单片的P1端口。要改变P1端口的输值，那么就以使得PWM号的占空比生变化，从进行调速控制12位串行数器4040计数输入CLK接到单片C51晶振振

荡输出。计数器4040每来个脉冲其输出Q2加1当计数值小于者等于单片P1端口输值X时，中U2（）输出端保持为低平，而当计值大于单片端口输出X时，图中的（）出端为高电随着计数值增加，Q2—Q9由全‖变全0‖时，图中U2（A>B）输端又变为低平，这样就U2的）端得到了PWM的信号，它的空比为（255-X255）*100%，那只要改变X的数值，就可以应的改变信号的占空，从而进直流电机的转速控。使用这个法时单片机只要根据调整输出X的值，而信号由三片用数字电路成，这样可使得软件大简化，同时有利于单片机系的正常工作由于单片机电复位时P1端口输全为1‖，使用数值比器的B组P1口相连，升时端口输出X按一定规律减少而降速时按定规律增大PWM发生电路主要片的工作原1．数比较器具有数据较功能的芯有74LS682874LS6838等位数值比器，4数值比较器等PWM生电路通过片位数值比较4585就可实现PWM号的产生因选用作为信号生电路芯片的引脚图

2．串计数器系统PWM信号发生路中还使用一片串行计器，有串行数功能的芯片4040等它们具相同的电路构和逻辑功但是7位二制串行计数芯片4040是一个位的二进制行计数器所有计数位为主从触器，计数器时钟下降沿行计数。当CR高电平时，对计数器进清零，由于时钟输入端用施密特触器，故对脉冲上和下降时间有限制，所的输入和输均经过缓冲本系统使用作为串行计数器，片4040的引脚图如图示：功率放驱动电路设

功率放大动芯片有多，其中较常的芯片有IR2110和，但由于IR2110具有双通驱动特性，电路简单，用方便，价相对EXB841便宜，具较高的性价，且对于直电机调速使起来更加简便，因此驱动电路采了IR2110集成芯，使得该集电路具有较的驱动能和保护功能芯片IR2110性能及特点是美国际整流公司利用自独有的高压成电路以及闩锁CMOS技术，于1990年前后发并且投放场的一种双通道高压高速的功率件栅极驱动单片式集成动器。它把动高压侧和低压MOSFET或IGBT所需的大部分功能成在一个高能的封装内，接很少的分元件就能提极快的功耗它的特点在，将输入逻辑信转换成同相阻输出驱动号可以动同一桥臂两路输出，驱动能力响应速度，工作电压较高，可以到600V其内设欠封锁，成低、易于调。高压侧驱采用外部自电容上电，其他驱动电路相，它在设计大大减少了动变压器和容的数目，得MOSFET和IGBT的驱动路设计大简化而它可以实现MOSFET和IGBT的最驱动，还具快速完整的护功能。与同时，研制成功且投入应用以极大地提控制系统的靠性。降低产品成本和减少积。引脚图以及能输入逻辑信转换成同相阻输出驱动号可以驱动一桥臂的两输出，驱动力强，响应度快，工作压比较高，目前功率放大驱电路中使用多的驱动芯。其结构也较简单，芯引脚图如下所示

图引脚图主电路计延时保护路利用IR2110芯片的完设计可以现延时保护路。它自身可对入的两个通信号之间产合适的延时保证了加到被动的逆变桥同桥臂上的个功率MOS器件的驱信号之间有一互琐间间隔，因防止了被驱的逆变桥中个功率MOS器件同时导通而生直流电源通路的危险主电路从上面的理可以看出产生高压侧极驱动电压前提是低压必须有开关动作，在高侧截止期间压侧必须导，才能够给举电容提供充电通路。因此这个电路中Q1、Q4或者Q2、是不可能持续、不间的导通的。们可以采取PWM信号来控制直流机的正转以及它的度。将IC1的HIN端与IC2LIN端相连而把的LIN与IC2的

ouHIN端相连这样就使得片芯片所输的信号恰好反。ou在HIN为高电期间、Q4导通，直流电机上正向的工作压。其具的操作步骤下：当IC1的LO低电平而为高电平的时候止，上的压经过VB、内部电和HO加在Q1栅极上，而使得通。同理，此的HO为低平而LO为高电平Q3截，上的电经过、IC部电路和HO加在的栅极上，从而使通。电源经Q1至电动机正极经过整直流电机后通过Q4到达零电位，完成个的回路。时直流电机转。在HIN为低电期间，LIN端输入高平，Q2、通，在直电机上加反工作电压。具体的操作骤如下：当IC1的LO高电平而为低电平的时候导通且截止。此时Q2的漏极乎于零电平通过向电为的又一导通作准。同理可知的HO高电平而LO为低平，Q3导通且截止的漏极近乎于电平，此时Vcc通过D2向C3充电为Q4的又一次通作准备。电源经Q3至电动机负极经过整直流电机后通过Q2到达零电位，完成个的回路。时，直流电反转。因此电枢的工作电压双极性矩形冲波形，由存在着机械性的缘故，动机转向和速是由矩形冲电压的平值来决定的设PWM波的周期为THIN为高电平的间为t1这里忽略区时间那么LIN为高平的时间就T-t1HIN信号的占空为D=t1T。电源电压V，那电枢电压的均值为：V=[t1-(T-)]VT(2–TVT

(–)V定义负载压系数为λ，λ=V，么λ=2D–当T为数时改变HIN为高电的时间也就改变占空比D，从达到了改变目的。在—1之间变化因此λ±1间变化。如我们联系改变，那么可以实现电正向的无级速。当时，Vout=0，此电机的转速0；当λ<1时，为正电机正转；当时，Vout=V，机正转全速行。图系统主电路输出电压形系统电路过单片机控的信号产生路送来的信号，经过功率大电路，形输出电压的形图如下图示：

系统总体路图直流电机速系统总体路设计由单机产生控制PWM信号生电路产生PWM信号的数据，制直流电机速电路对电进行调速。

图系统总休电路图测速发机测速发电是一种测量速的微型发机，他把输的机械转速换为电压信输出，并要输出的电压号与转速成比，分为直与交流两种。其组和磁路经精确设计，出电动势E和转速线性关系即E=kn，其是常数。变旋转方向，输出电动的极性即相改变。当被测机与测速发电同轴连接时只要检测出出电动势，可以获得被机构的转速所以测速发机又称速度感器。测速电机广泛应用于种速度或者臵控制系统在自动控制统中作为检速度的元件，以节电动机转或者通过反来提高系统定性和精度滤波电经整流后单向直流或向脉动直流，都是由强不变的直流分和一个以的交流成分加形成的。了使脉动直电变得较为稳，把其中的交成分滤掉，做滤波。滤有电容滤波电感滤波等本系统中对直流采用电容滤的方式，使直流电压变更加平稳，速更加精确。电图如图所示：

图滤波电路AD转芯片选型能够进行AD转换芯片很多，中AD系列的有位转换器AD570、AD670、AD7574，TLC系的有TLC545等，其中为常用的是ADC0809TLC545是国仪器公司新出的一种开电容结构逐逼近式8位AD转换器具有19个模拟输端。而是采样频率8位的、以逐逼近原理进模—数换的器件。内部有一个8道多路关，它可以据地址码锁存译码后信号，只选8路模拟输入号中的一进行AD转换，有地址锁存制的8路拟开关，应单一的+5V电源其模拟量输电压的范围为0V---+5V，其对的数字量输为

，转换时为100μs，无须调零者调整满量。因此本系采用ADC0809作为AD转换芯片。ADC0809的引脚其功能ADC0809有个引脚其中IN---IN接路模拟输入。ALE是7

址锁存允、接准电源在精度要不太高的情下，供电源就可以作为基准源。是芯片的启引脚其上脉冲的降沿起动一新的转EOC转换结束信可以用于向片机申请中或者供单片机查询是输出许端。CLK是时钟端。---DB是数字量输出。ADDA、ADDB、ADDC接地址线以选定8路输中的一路，脚详见图。图ADC0809引脚图统件分设PI转速调节器理图及参数算

按照典型II型系的参数选择法，转速节器参数和阻电容值关系如下:Kn=RnR0Γn=RnCnTon=14*Con参数求法电动机P=10KWU=220Vn=1000转分

电枢电阻R=0.5欧姆Con=1uF则：

取滤波电中Ro=40千欧Rn=470千欧Umax=220VUmin=（）*0.5=122VYi-1=0转分P=Kp=RnRo=11.7I=Kp*TTi=125系统中部分程序设软件由1主程序、1个中子程序和1个PI控算法子程序成。主程序设主程序主序是一个循程序，主要思路先设定好速初始值，这个初始与测速电路来的值相比得到一个误值然后用PI算法输出控制系给发生电改变波形的空比，进而制电机的转。其程序流图如图所示软件由主程序1中断子程和1个PI控制算法子序组成。主序主程序是个循环程序其主要思路由单片机口生数据送到PWM信号发电路然后用PI算法输出控制数给PWM发生电路改变形的占空比而控制电机转速。主程序流图如图所示：PI控制法子程序设

*PI控制算法子程序*voidPID_work()negsum=0;possum=0;temp[2]=temp[2]+temp[0];}k3=temp[2]10;存储结果CY=0;temp[1]=k3+k1;if(CY==1)UK=k1+k3;

误差积累16判断。

UK=1;P3=UK;4.系调软件调试在程序编的过程中，现了很多问，包括键盘描处理、PWM信号发生路的控制、及单片机控直流电机的动方向等问，虽然问题不是大，但是也我研究了好时间，在解这些问题的候，我不断向老和同学请教希望能过大家一的努力把软编写的更完，让系统的能更完备。过多天的努探索，也经老师的指导大部分问题都已解决，是程序还不能实现应实现的功能，这我很着急。后来经过点一点的调，并认真总，发现了问其实在编写断处理程序时出了错误，修后即可实现流电机调速目的。总结次软件调试，让认识到了做件调试的基方法与流程（1认真检查代码，看是有文字或语错误（2逐段子程进行设计，出错误出现部分，重点查（3找到合适方法，仔细查程序，分调试直到运成功系统仿真仿真软件择Proteus在Proteus画出系电路图当程序在C中调试通过，会生成为扩名的文件，就是使系统够在Proteus中成功进行真的文件。将文件加载到片机仿真系中，验证是否能完对直流电机速度调节。若不成功则重新到软件调试骤，

进行软件试。找出错所在，更正重新运行系。硬件仿真路的设计完全按论文设计方进行。在仿的过程中也到了很多问，比如元件选择电路设计等在元件选择面，有的芯是我以前学的时候所没有遇过的，所以寻找和使用过程中也遇很多麻烦，经过自己的努力并借鉴从互网上找到的料，我逐渐握这些元件使用方法和原理为系