唐成勇基于單片機的PWM調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計

1、畢業(yè)設(shè)計（論文）題目基于單片機的PWM調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計作者唐成勇學(xué)院物理學(xué)院專業(yè)電子信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)號0508020322指導(dǎo)教師羅韓君二九 年六月二日湖南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書物理學(xué)院電子系（教研室）系（教研室）主任:（簽名）年月日學(xué)生姓名:唐成勇學(xué)號: 0508020322 專業(yè):電子信息科學(xué)與技術(shù)1 設(shè)計（論文）題目及專題：基于單片機的PWM調(diào)速系統(tǒng)2 學(xué)生設(shè)計（論文）時間：自2009年4月1日開始至2009年6月2日止3 設(shè)計（論文）所用資源和參考資料：電腦，中國期刊網(wǎng)，百度，軟件，軟件KeiluVision2專業(yè)漢化版1陳國呈,周娟.PWM變頻調(diào)速技術(shù)M.北京:機械工業(yè)出版社,1

2、998.2宋健,姜軍生,趙文亮,孫學(xué)巖.基于單片機的直流電動機PWM調(diào)速系統(tǒng)J.農(nóng)機化研究, 2006,1:102-103.3 潘新民.微型計算機控制技術(shù)M.北京: 電子工業(yè)出版社,2003.4 西安唐都科技儀器公司.單片機試驗系統(tǒng)用戶手冊C.2006.5 西安唐都科技儀器公司.單片機實驗指導(dǎo)書C.2006.6張靖武,周靈彬.單片機系統(tǒng)的PROTEUS設(shè)計與仿真M.北京:北京電子工業(yè)出版社,2007.7 江世明.脈寬調(diào)制技術(shù)中PWM 波形程序設(shè)計方法J.邵陽學(xué)院學(xué)報,2006(4):25-26.8 陳伯時.自動控制系統(tǒng)M.北京:機械工業(yè)出版社,1981.9 李瑋,趙江,劉建業(yè).一種實用的單片機

3、控制的數(shù)字式調(diào)速系統(tǒng)J.吉林化工學(xué)院學(xué)報,2002,6(2):21-24.10 王小明.電動機的單片機控制M.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2002.11 林蔚天.微機控制直流調(diào)速J.上海電機技術(shù)高等專科學(xué)校學(xué)報,2001,12(4):13-15.12 蔣力培,曹建樹,付小美.單片機微機系統(tǒng)實用教程M.北京:機械工業(yè)出版社,2004.13 王益全.電動機原理與實用技術(shù)M.北京:科學(xué)出版社,2005.14 顧繩谷.電機及拖動基礎(chǔ)M.北京:機械工業(yè)出版社,1987.15 胡偉,季曉衡.單片機C程序設(shè)計與應(yīng)用實例M.北京:人民郵電出版社,2003.4 設(shè)計（論文）應(yīng)完成的主要內(nèi)容：本課題研究直流調(diào)速

4、系統(tǒng)，要求設(shè)計出調(diào)速系統(tǒng)的控制部分、顯示部分，并研究直流電動機的工作原理和控制方法。應(yīng)用Proteus軟件設(shè)計出單片機控制的軟硬件實現(xiàn)方案并仿真，最后將設(shè)計方案在實際硬件系統(tǒng)中測試。5 提交設(shè)計（論文）形式（設(shè)計說明與圖紙或論文等）及要求：（1）查閱PWM調(diào)速技術(shù)方面的相關(guān)資料，了解其原理；（2）設(shè)計單片機控制系統(tǒng)電路并仿真及其它相關(guān)硬件電路；（3）在實際的單片機實驗環(huán)境中測試驗證；6 發(fā)題時間：2008年12月2日指導(dǎo)教師：（簽名）學(xué)生：（簽名）湖南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）指導(dǎo)人評語主要對學(xué)生畢業(yè)設(shè)計（論文）的工作態(tài)度，研究內(nèi)容與方法，工作量，文獻(xiàn)應(yīng)用，創(chuàng)新性，實用性，科學(xué)性，文本（圖紙）規(guī)

5、范程度，存在的不足等進(jìn)行綜合評價指導(dǎo)人：（簽名）年月日指導(dǎo)人評定成績：湖南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）評閱人評語主要對學(xué)生畢業(yè)設(shè)計（論文）的文本格式、圖紙規(guī)范程度，工作量，研究內(nèi)容與方法，實用性與科學(xué)性，結(jié)論和存在的不足等進(jìn)行綜合評價評閱人：（簽名）年月日評閱人評定成績：湖南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯記錄日期：學(xué)生：學(xué)號：班級：題目：提交畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯委員會下列材料：1 設(shè)計（論文）說明書共頁2 設(shè)計（論文）圖紙共頁3 指導(dǎo)人、評閱人評語共頁畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯委員會評語：主要對學(xué)生畢業(yè)設(shè)計（論文）的研究思路，設(shè)計（論文）質(zhì)量，文本圖紙規(guī)范程度和對設(shè)計（論文）的介紹，回答問題情況等進(jìn)行綜合

6、評價答辯委員會主任：（簽名）委員：（簽名）（簽名）（簽名）（簽名）答辯成績：總評成績：摘要本文研究了利用at89c51單片機控制PWM信號從而實現(xiàn)對直流伺服電機轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制的方法。文中對PWM信號的調(diào)速原理做了詳細(xì)的論述。此外，系統(tǒng)中采用了芯片L298作為直流伺服電機的驅(qū)動模塊，完成了在主電路中對直流電機的控制。另外，文中介紹了Proteus的使用，并對該調(diào)速系統(tǒng)做了仿真。鑒于版本不能直接使用C語言進(jìn)行仿真，采用了Keil生成了Hex文件，并導(dǎo)入到Protues工程中進(jìn)行仿真。最后，文中詳細(xì)給出了電路圖和相應(yīng)的C程序。關(guān)鍵詞：PWM調(diào)速；單片機；直流伺服電機AbstractThis artic

7、le mainlyintroduce the method to generate the PWM signal by usingAT89C51 single-chip computer to control the speed of a DC servo motor. In this works, we will detaildiscuss the principle of speed control in PWM signals. In addition, the chip L298 is used as the DC servo motor drive modules in the sy

8、stem, and to control DC motor in the main circuit will be completed. Additionally, we will introduce the use of Proteus, and make a simulation to the speed governing system. In the light of Proteus7.1 version cant directly use the C language to be simulated. Therefore, we will use the Keil to genera

9、te the hex file,and import it into the projects to be simulated.Finally,we will give a detailed circuit diagram and the corresponding C program.Key words: PWM Speed Regulation；Single Chip Microcomputer；DC servo motor目錄第一章概述11.1 PWM調(diào)速系統(tǒng)的組成和功能11.1.1 PWM信號發(fā)生與調(diào)節(jié)模塊11.1.2 PWM信號放大與電機驅(qū)動模塊1負(fù)載模塊11.2 單片機概述2單片機

10、及其發(fā)展歷程2單片機的應(yīng)用領(lǐng)域及發(fā)展趨勢21.3 計算機仿真概述2第二章 PWM調(diào)速技術(shù)42.1 PWM的基本原理4.1 PWM信號簡介42.1.2 PWM調(diào)速原理52.2 系統(tǒng)設(shè)計方案62.2.1系統(tǒng)總體設(shè)計思想62.2.2系統(tǒng)總體設(shè)計框圖6第三章PWM調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計73.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計73.主電路設(shè)計73.1.2 AT89C51單片機簡介7.3功率放大驅(qū)動芯片介紹10伺服電機介紹12系統(tǒng)軟件設(shè)計133.2.1程序流程圖133.2.2 C語言程序設(shè)計133.3 PWM調(diào)速系統(tǒng)仿真16系統(tǒng)仿真電路圖 16電壓輸出波形 16第四章結(jié)論19參考文獻(xiàn)20致謝21附錄AProteus的介紹與使用 22

11、附錄B Keil的介紹與使用26第一章概述本文主要研究了利用與MCS-51兼容的at89c51單片機，通過PWM方式控制直流電機調(diào)速的方法。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，其效果基本相同1。PWM控制技術(shù)就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ)，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的規(guī)則對各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，既可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。PWM控制的基本原理很早就已經(jīng)提出，但是受電力電子器件發(fā)展水平的制約，在上世紀(jì)80年代以前一直未能實現(xiàn)。直到進(jìn)入上世紀(jì)80年代，隨著全控型電力電子器件的出現(xiàn)和迅速發(fā)展，PWM控制技

12、術(shù)才真正得到應(yīng)用。隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和自動控制技術(shù)的發(fā)展以及各種新的理論方法，如現(xiàn)代控制理論、非線性系統(tǒng)控制思想的應(yīng)用，PWM控制技術(shù)獲得了空前的發(fā)展。到目前為止，已經(jīng)出現(xiàn)了多種PWM控制技術(shù)。PWM控制技術(shù)以其控制簡單、靈活和動態(tài)響應(yīng)好的優(yōu)點而成為電力電子技術(shù)最廣泛應(yīng)用的控制方式，也是人們研究的熱點。由于當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)沒有了學(xué)科之間的界限，結(jié)合現(xiàn)代控制理論思想或?qū)崿F(xiàn)無諧振軟開關(guān)技術(shù)將會成為PWM控制技術(shù)發(fā)展的主要方向之一。本文就是利用這種控制方式來改變電壓的占空比實現(xiàn)直流電機速度的控制。文章中采用了C程序來控制單片機，產(chǎn)生PWM信號。并自動調(diào)節(jié)PWM信號的占空比。將信號輸入

13、L298驅(qū)動芯片從而達(dá)到控制直流伺服電機的效果。該程序能使電機先正轉(zhuǎn)加速再正轉(zhuǎn)減速到0然后反轉(zhuǎn)加速再減速到0.而電機采用的是價格低廉的直流有刷電機。另使用一個反應(yīng)靈敏的數(shù)字電壓表觀察直流伺服電機兩端的電壓。最后還給出仿真方法和相關(guān)仿真圖形。1.1 PWM調(diào)速系統(tǒng)的組成和功能21.1.1 PWM信號發(fā)生與調(diào)節(jié)模塊作為一個PWM調(diào)速系統(tǒng)，首要的是需要產(chǎn)生PWM信號。PWM的產(chǎn)生方法有很多，包括純硬件電路產(chǎn)生方法和采用基于可編程器件的軟件實現(xiàn)方法。本文采用單片機編程生成PWM信號，PWM占空比的調(diào)節(jié)也采用軟件實現(xiàn)。1.1.2 PWM信號放大與電機驅(qū)動模塊由單片機產(chǎn)生的PWM信號很微弱，PWM信號產(chǎn)生

14、后并不能直接驅(qū)動電機等負(fù)載模塊，而需要使用專門的電路對該PWM信號進(jìn)行放大和處理，使其能驅(qū)動電機。本文采用專門的驅(qū)動芯片對電機進(jìn)行驅(qū)動。負(fù)載模塊 PWM信號經(jīng)過處理后，可用于驅(qū)動電機等負(fù)載，電機作為電信號轉(zhuǎn)化為機械動力的裝置在調(diào)速系統(tǒng)中必不可少。該文采用的是廉價的低電壓驅(qū)動的直流有刷電機。1.2 單片機概述單片機及其發(fā)展歷程單片機是一種集成電路芯片，采用超大規(guī)模技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力(如算術(shù)運算，邏輯運算、數(shù)據(jù)傳送、中斷處理)的微處理器(CPU)、隨機存取數(shù)據(jù)存儲器(RAM)、只讀程序存儲器(ROM)、輸入輸出電路(I/O口)、可能還包括定時計數(shù)器、串行通信口(SCI)、顯示驅(qū)動電路(LCD或

15、LED驅(qū)動電路)、脈寬調(diào)制電路(PWM)、模擬多路轉(zhuǎn)換器及A/D轉(zhuǎn)換器等電路集成到一塊芯片上，構(gòu)成一個最小而完善的計算機系統(tǒng)3。這些電路能在軟件的控制下準(zhǔn)確、迅速、高效地完成程序設(shè)計者事先規(guī)定的任務(wù)。所以，單片機有著微處理器所不具備的功能，它可單獨地完成現(xiàn)代工業(yè)控制所要求的智能化控制功能，這是單片機最大的特征。單片機誕生于20世紀(jì)70年代，自1971年美國Intel公司制造出第一塊4位微處理器以來，其發(fā)展十分迅猛，到目前為止，大致可分為以下幾個階段4。（2）4位單片機（19711974）：如Intel4004；（2）低檔8位單片機（19741978）: 如Intel公司的8084，Mostek

16、公司的3870等；（3）高檔8位單片機（19781982）: 如Intel公司的8051、Motorola公司的Z8和NEC公司的MPD7800等產(chǎn)品；（4）16位單片機（19821990）:如Mostek公司的68200、Intel公司的8096等；（5）新一代單片機（90年代以來）：如NEC公司的MPD7800，Mitsubishi公司的M37700，Reckwell公司R6500/21、R65C29，Intel公司的8044、UPI452等。單片機的應(yīng)用領(lǐng)域及發(fā)展趨勢隨著單片機的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣，大致有：智能儀器儀表、工業(yè)控制、家用電器、計算機網(wǎng)絡(luò)和通信、醫(yī)用設(shè)備等領(lǐng)域，此外，單

17、片機在工商、金融、科研、教育、國防航空航天等領(lǐng)域都有著十分廣泛的用途。世界上各大芯片制造公司都推出了自己的單片機，從8位、16位到32位，應(yīng)有盡有，有與主流C51系列兼容的，也有不兼容的，但它們各具特色，互成互補，為單片機的應(yīng)用提供廣闊的天地?？v觀單片機的發(fā)展過程，可以預(yù)示單片機的發(fā)展趨勢，大致有5：（1）低功耗CMOS化；（2）微型單片化；（3）主流與多品種共存。1.3 計算機仿真概述計算機仿真不僅在沒有具體硬件環(huán)境的條件下模擬出具體硬件環(huán)境，以判斷系統(tǒng)的可行性，而且在設(shè)計的系統(tǒng)出錯時，不至于損害具體硬件環(huán)境6。因此，采用系統(tǒng)仿真是非常必要的。當(dāng)前能夠用于計算機仿真學(xué)習(xí)單片機的軟件也已日趨成

18、熟，比如Keil都出了以上版本，Proteus也出了以上版本，而各種集成開發(fā)環(huán)境更是層出不窮，極大地方便了學(xué)生通過計算機仿真學(xué)習(xí)單片機。尤其是當(dāng)前最熱的幾種8位和16位單片機，比如：51系列、AVR系列、PIC系列，仿真學(xué)習(xí)的條件最為成熟。甚至32位的ARM單片機也能通過計算機仿真來進(jìn)行學(xué)習(xí)。所以，當(dāng)前計算機仿真學(xué)習(xí)單片機的條件已經(jīng)成熟，應(yīng)該抓住這個機會，積極地利用它，并為學(xué)習(xí)單片機服務(wù)。第二章 PWM調(diào)速技術(shù)PWM的基本原理2.1.1 PWM信號簡介脈寬調(diào)制(PWM:Pulse Width Modulation)是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測

19、量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中1。如圖所示，PWM是一種對模擬信號電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。通過高分辨率計數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來對一個具體模擬信號的電平進(jìn)行編碼。PWM信號仍然是數(shù)字的，因為在給定的任何時刻，滿幅值的直圖模擬電平的PWM數(shù)字編碼流供電要么完全有(ON)，要么完全無(OFF)。電壓或電流源是以一種通(ON)或斷(OFF)的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負(fù)載上去的。通的時候即是直流供電被加到負(fù)載上的時候，斷的時候即是供電被斷開的時候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進(jìn)行編碼。PWM的一個優(yōu)點是從處理器到被控系統(tǒng)信號都是數(shù)字形式的，無需進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。讓信號保持為數(shù)字形

20、式可將噪聲影響降到最小。噪聲只有在強到足以將邏輯1改變?yōu)檫壿?或?qū)⑦壿?改變?yōu)檫壿?時，也才能對數(shù)字信號產(chǎn)生影響。對噪聲抵抗能力的增強是PWM相對于模擬控制的另外一個優(yōu)點，而且這也是在某些時候?qū)WM用于通信的主要原因。從模擬信號轉(zhuǎn)向PWM可以極大地延長通信距離。在接收端，通過適當(dāng)?shù)腞C或LC網(wǎng)絡(luò)可以濾除調(diào)制高頻方波并將信號還原為模擬形式。PWM控制技術(shù)一直是變頻技術(shù)的核心技術(shù)之一。1964年和首先提出把這項通訊技術(shù)應(yīng)用到交流傳動中，從此為交流傳動的推廣應(yīng)用開辟了新的局面5。從最初采用模擬電路完成三角調(diào)制波和參考正弦波比較，產(chǎn)生正弦脈寬調(diào)制SPWM信號以控制功率器件的開關(guān)開始，到目前采用全數(shù)字

21、化方案，完成優(yōu)化的實時在線的PWM信號輸出，可以說直到目前為止，PWM在各種應(yīng)用場合仍在主導(dǎo)地位，并一直是人們研究的熱點5。由于PWM可以同時實現(xiàn)變頻變壓反抑制諧波的特點。由此在交流傳動及至其它能量變換系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。PWM控制技術(shù)大致可以為為三類，正弦PWM（包括電壓，電流或磁通的正弦為目標(biāo)的各種PWM方案，多重PWM也應(yīng)歸于此類），優(yōu)化PWM及隨機PWM。正弦PWM已為人們所熟知，而旨在改善輸出電壓、電流波形，降低電源系統(tǒng)諧波的多重PWM技術(shù)在大功率變頻器中有其獨特的優(yōu)勢（如ABB ACS1000系列和美國ROBICON公司的完美無諧波系列等）；而優(yōu)化PWM所追求的則是實現(xiàn)電流諧波畸變

22、率（THD）最小，電壓利用率最高，效率最優(yōu)，及轉(zhuǎn)矩脈動最小以及其它特定優(yōu)化目標(biāo)。在70年代開始至80年代初，由于當(dāng)時大功率晶體管主要為雙極性達(dá)林頓三極管，載波頻率一般最高不超過5kHz，電機繞組的電磁噪音及諧波引起的振動引起人們的關(guān)注。為求得改善，隨機PWM方法應(yīng)運而生。其原理是隨機改變開關(guān)頻率使電機電磁噪音近似為限帶白噪音（在線性頻率坐標(biāo)系中，各頻率能量分布是均勻的），盡管噪音的總分貝數(shù)未變，但以固定開關(guān)頻率為特征的有色噪音強度大大削弱。正因為如此，即使在IGBT已被廣泛應(yīng)用的今天，對于載波頻率必須限制在較低頻率的場合，隨機PWM仍然有其特殊的價值（DTC控制即為一例）；別一方面則告訴人們消

23、除機械和電磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作頻率，因為隨機PWM技術(shù)提供了一個分析、解決問題的全新思路。2.1.2 PWM調(diào)速原理PWM（脈沖寬度調(diào)制）是通過控制固定電壓的直流電源開關(guān)頻率，改變負(fù)載兩端的電壓，從而達(dá)到控制要求的一種電壓調(diào)整方法。PWM可以應(yīng)用在許多方面，比如：電機調(diào)速、溫度控制、壓力控制等等7。在PWM驅(qū)動控制的調(diào)整系統(tǒng)中，按一個固定的頻率來接通和斷開電源，并且根據(jù)需要改變一個周期內(nèi)“接通”和“斷開”時間的長短。通過改變直流電機電樞上電壓的“占空比”來達(dá)到改變平均電壓大小的目的，從而來控制電動機的轉(zhuǎn)速。也正因為如此，PWM又被稱為“開關(guān)驅(qū)動裝置”。如圖所示：圖 PWM信號的占

24、空比設(shè)電機始終接通電源時，電機轉(zhuǎn)速最大為Vmax，設(shè)占空比為D= t1 / T，則電機的平均速度為Va = Vmax * D，其中Va指的是電機的平均速度；Vmax 是指電機在全通電時的最大速度；D = t1 / T是指占空比。由上面的公式可見，當(dāng)我們改變占空比 D = t1 / T時，就可以得到不同的電機平均速度Vd，從而達(dá)到調(diào)速的目的。嚴(yán)格來說，平均速度Vd與占空比D并非嚴(yán)格的線性關(guān)系，但是在一般的應(yīng)用中，我們可以將其近似地看成是線性關(guān)系。2.2 系統(tǒng)設(shè)計方案2.2.1系統(tǒng)總體設(shè)計思想PWM調(diào)速系統(tǒng)按有無反饋可以分成開環(huán)PWM調(diào)速系統(tǒng)系統(tǒng)和閉環(huán)PWM調(diào)速系統(tǒng)的系統(tǒng)8，閉環(huán)系統(tǒng)有著良好的速度

25、性能，使控制信號與電機速度基本保持同步，但是需要器件多，成本較高，而且硬件和軟件設(shè)計相對開環(huán)系統(tǒng)而言要困難。因此本文采用開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。系統(tǒng)首先采用AT89C51單片機發(fā)生和調(diào)節(jié)PWM調(diào)速信號9，然后利用L298作為直流伺服電機的驅(qū)動芯片10，最后把L298的輸出作為直流伺服電機的輸入。數(shù)字電壓表可以用來測量電機兩端的電壓值，從而反映出直流伺服電機的速度變化。2.2.2系統(tǒng)總體設(shè)計框圖系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖所示:圖2.3 PWM調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計框圖第三章 PWM調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計主電路設(shè)計系統(tǒng)的主電路圖如圖所示:圖 PWM調(diào)速系統(tǒng)電路圖圖的左上方是一個諧振電路，產(chǎn)生一個特定的時鐘頻率，使AT

26、89C51單片機能正常的工作。晶振片(CRYSTAL)用于產(chǎn)生時鐘頻率，該晶振能產(chǎn)生的頻率。兩個旁路電容，有頻率微調(diào)作用，主要是讓電路更容易起振，兩個電容的值要求一樣，至少要非常接近，否則容易造成諧振的不平衡，容易造成停振或者干脆不起振6。本設(shè)計中采用的是30pf的電容。AT89C51的RST引腳接上一個高電平使其處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài)11。單片機的引腳接電機驅(qū)動芯片的ENA引腳，用于啟動橋的正常工作，引腳接L298的IN2引腳，接L298的IN1引腳，而電機接在L298的OUT1和OUT2引腳兩端。關(guān)于引腳介紹在相應(yīng)的芯片介紹處有詳細(xì)介紹。SENSA與SENSB可單獨引出連接電流采樣電阻器，形成電

27、流傳感信號，也可以直接接地。VCC接芯片的工作電壓+5V，GND接地，VS接驅(qū)動電壓+23V。元器件說明：X1 是晶振頻率為2的晶振片，R1為10K電阻，C1，C2為30pF的無極性電容，C3為10uF有極性電容， C4為1nF的電容。3.1.2 AT89C51單片機簡介AT89C51是一種與8051兼容的帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROM：Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲

28、器可以反復(fù)擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡版本。AT89C51單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案1。主要特性12：與MCS-51 兼容、4K字節(jié)可編程閃爍存儲器、壽命：1000寫/擦循環(huán)、數(shù)據(jù)保留時間為10年、全靜態(tài)工作于0Hz到24Hz、三級程序存儲器鎖定、128*8位內(nèi)部RAM、32位可編程I/O線、兩個16位定時器/計數(shù)器、5個中斷源、可編程串行通道、低功耗

29、的閑置和掉電模式、片內(nèi)振蕩器和時鐘電路。其引腳圖如圖所示:圖 AT89C51單片機引腳圖管腳說明：VCC：供電電壓。GND：接地。P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫“1”時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。P1口：P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4個TTL門電流。P1口管腳寫入“1”后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，

30、將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。P2口：P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。P3口：P3口管腳是

31、8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如表所示：表 P3口各引腳功能表接口管腳備選功能RXD串行輸入口TXD串行輸出口/INT0外部中斷0/INT1外部中斷1T0記時器0外部輸入T1記時器1外部輸入/WR外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通/RD外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。ALE/PROG：當(dāng)訪

32、問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置“0”。此時， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。/PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器

33、時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。/EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。振蕩器特性：XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅(qū)動器件，XTAL2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通

34、過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。芯片擦除：整個PEROM陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合，并保持ALE管腳處于低電平10ms 來完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。此外，AT89C51設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，CPU停止工作。但RAM，定時器，計數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存RAM的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個硬件復(fù)位為止。功率放大驅(qū)動芯片介紹在直流電動機

35、的驅(qū)動中, 對大功率的電動機常采用IGBT 作為主開關(guān)元件; 對中小功率的電機常采用功率場效應(yīng)管作為主開關(guān)元件, 另外還可以采用集成電路來完成對電機的驅(qū)動13。本系統(tǒng)采用集成電路L298來驅(qū)動電機。L298N是SGS公司的產(chǎn)品，內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動電路，是一種二相和四相電機的專用驅(qū)動器，即內(nèi)含二個H橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動器，接收標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號，可驅(qū)動46V、2A以下的電機。其引腳排列如下圖所示，1腳和15腳可單獨引出連接電流采樣電阻器，形成電流傳感信號。L298N可驅(qū)動2個電機，OUTl、OUT2和OUT3、OUT4之間分別接2個電動機。（5、10）、（7、12）腳接輸入控制電

36、平，控制電機的正反轉(zhuǎn)，ENA，ENB接控制使能端，控制電機的停轉(zhuǎn)。L298N的邏輯功能如表所示。表 L298N邏輯功能表ENA(B)IN1(IN3）IN2(IN4)電機運行狀況HHL正轉(zhuǎn)HLH反轉(zhuǎn)H同IN2(IN4)同IN1(IN3）快速停止LXX停止其引腳圖如圖所示:圖 L298N的引腳圖引腳介紹：第1、15腳：可單獨引出連接電流采樣電阻器，形成電流傳感信號，也可直接接地。第2、3腳：A電機輸出端口。第4腳：接邏輯控制的+5V電源。第6腳：A橋使能端口。第5、7腳：輸入標(biāo)準(zhǔn)TTL電點平對A橋的輸出OUT1、OUT2進(jìn)行控制。第8腳：接電源地。第9腳：接電機驅(qū)動電源，最高可達(dá)50V。第11腳：

37、B橋使能端口。第10、12腳：輸入標(biāo)準(zhǔn)TTL電平對B橋的輸出OUT3、OUT4進(jìn)行控制。第13、14腳：B電機輸出端口。伺服電機介紹伺服電動機又稱執(zhí)行電動機，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動機兩大類，其主要特點是，當(dāng)信號電壓為零時無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降14。定義：在伺服系統(tǒng)中控制機械元件運轉(zhuǎn)的發(fā)動機.是一種補助馬達(dá)間接變速裝置。作用：可使控制速度,位置精度非常準(zhǔn)確。將電壓信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動控制對象。分類：直流伺服電機和交流伺服電機。直流伺服電機分為有刷電機和無刷電機兩種。有刷電機成本低，結(jié)構(gòu)簡

38、單，啟動轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍寬，控制容易，需要維護，但維護方便（換碳刷），產(chǎn)生電磁干擾，對環(huán)境有要求。因此它可以用于對成本敏感的普通工業(yè)和民用場合。無刷電機體積小，重量輕，出力大，響應(yīng)快，速度高，慣量小，轉(zhuǎn)動平滑，力矩穩(wěn)定?？刂茝?fù)雜，容易實現(xiàn)智能化，其電子換相方式靈活，可以方波換相或正弦波換相。電機免維護，效率很高，運行溫度低，電磁輻射很小，長壽命，可用于各種環(huán)境。3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計.1程序流程圖圖 PWM調(diào)速系統(tǒng)程序流程圖3.2.2 C語言程序設(shè)計/* =直流電機的PWM速度控制程序= */ /* 晶振采用11.0592M,產(chǎn)生的PWM的頻率約為91Hz */ #include #includ

39、e #define uchar unsigned char #define uint unsigned int 15sbit en1=P10; /* L298的Enable A */ sbit s1=P12; /* L298的Input 1 */ sbit s2=P11; /* L298的Input 2 */ uchar t=0; /* 中斷計數(shù)器 */ uchar m=0; /* 電機速度值 */ uchar tmp; /* 電機當(dāng)前速度值 */ /* speed-電機速度(-100100) */ void motor(char speed) if(speed=-100 & speed=10

40、0) m=abs(speed); /* 取速度的絕對值 */ if(speed0;j-); void main() uchar i; TMOD=0x02; /* 設(shè)定T0的工作模式為2 */ TH0=0x9B; /* 裝入定時器的初值 */ TL0=0x9B; EA=1; /* 開中斷 */ ET0=1; /* 定時器0允許中斷 */ TR0=1; /* 啟動定時器0 */ while(1) /* 電機實際控制演示 */ for(i=0;i0;i-) /* 正轉(zhuǎn)減速 */ motor(i); delay(5000); for(i=0;i0;i-) /* 反轉(zhuǎn)減速 */ motor(-i); d

41、elay(5000); void timer0() interrupt 1 /* T0中斷服務(wù)程序 */ if(t=0) /* 1個PWM周期完成后才會接受新數(shù)值 */ tmp=m; if(t=100) t=0; /* 1個PWM信號由100次中斷產(chǎn)生 */ 3.3 PWM調(diào)速系統(tǒng)仿真本文采用C語言編程，利用Keil編譯成功后生成Hex文件，導(dǎo)入到Proteus的工程中。仿真時，在AT89C51上加載Hex文件，即可實現(xiàn)仿真。系統(tǒng)仿真電路圖圖 PWM調(diào)速系統(tǒng)仿真圖電壓輸出波形下面所示圖至圖是系統(tǒng)仿真時從L298的OUT1引腳得出的波形圖。圖 電壓輸出波形（1）圖電壓輸出波形（2）圖電壓輸出波形

42、（3）圖電壓輸出波形（4）圖電壓輸出波形（5）圖電壓輸出波形（6）圖電壓輸出波形（7）圖 電壓輸出波形（8）從上面一系列波形圖可以看出PWM調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速過程。即PWM從最小的占空比到一個最大占空比，然后從最大的占空比到最小的占空比。再是反向最小的占空比到最大的占空比，然后從最大的占空比到最小的占空比。這樣周而復(fù)始的實現(xiàn)調(diào)速過程。第四章結(jié)論本文所述的直流電機調(diào)速系統(tǒng)是以低價位的單片微機at89c51為核心的開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。目前，已經(jīng)有多種方法來實現(xiàn)對電機調(diào)速，相對于其他用硬件或者硬件與軟件相結(jié)合的方法實現(xiàn)對電機進(jìn)行調(diào)速，采用PWM軟件方法來實現(xiàn)的調(diào)速過程具有更大的靈活性和更低的成本。它能夠充分發(fā)

43、揮單片機的效能，為簡易速度控制系統(tǒng)的實現(xiàn)提供了一種有效的途徑。而在軟件方面，采用C語言編寫程序，工作量小，程序易懂。本文曾試圖用單片機閉環(huán)控制產(chǎn)生PWM波形，但因水平有限，不能成功。該調(diào)速系統(tǒng)的一個比較嚴(yán)重的缺點就是不能準(zhǔn)確調(diào)速，整個電路的固有延時以及直流電機的物理機械特性等將會影響調(diào)速。參考文獻(xiàn)1 陳國呈,周娟.PWM變頻調(diào)速技術(shù)M.北京:機械工業(yè)出版社,1998.2 宋健,姜軍生,趙文亮,孫學(xué)巖.基于單片機的直流電動機PWM調(diào)速系統(tǒng)J.農(nóng)機化研究, 2006,1:102-103.3 潘新民.微型計算機控制技術(shù)M.北京: 電子工業(yè)出版社,2003.4 西安唐都科技儀器公司.單片機試驗系統(tǒng)用戶

44、手冊C.2006.5 西安唐都科技儀器公司.單片機實驗指導(dǎo)書C.2006.6 張靖武,周靈彬.單片機系統(tǒng)的PROTEUS設(shè)計與仿真M.北京:北京電子工業(yè)出版社,2007.7 江世明.脈寬調(diào)制技術(shù)中PWM 波形程序設(shè)計方法J.邵陽學(xué)院學(xué)報,2006(4):25-26.8 陳伯時.自動控制系統(tǒng)M.北京:機械工業(yè)出版社,1981.9 李瑋,趙江,劉建業(yè).一種實用的單片機控制的數(shù)字式調(diào)速系統(tǒng)J.吉林化工學(xué)院學(xué)報,2002,6(2):21-24.10 王小明.電動機的單片機控制M.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2002.11林蔚天.微機控制直流調(diào)速J.上海電機技術(shù)高等專科學(xué)校學(xué)報,2001,12(4):

45、13-15.12 蔣力培,曹建樹,付小美.單片機微機系統(tǒng)實用教程M.北京:機械工業(yè)出版社,2004.13 王益全.電動機原理與實用技術(shù)M.北京:科學(xué)出版社,2005.14 顧繩谷.電機及拖動基礎(chǔ)M.北京:機械工業(yè)出版社,1987.15 胡偉,季曉衡.單片機C程序設(shè)計與應(yīng)用實例M.北京:人民郵電出版社,2003.致謝從論文選題到搜集資料，從提綱的完成到正文的反復(fù)修改，我感慨良多，畢竟四年所學(xué)的東西太少了，自己努力程度不夠。很多論文中的問題經(jīng)過老師們和同學(xué)們的幫助，才最終解決。我要感謝我的導(dǎo)師羅韓君老師。他們?yōu)槿穗S和熱情，治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)心。從選題、定題、撰寫提綱，到論文的反復(fù)修改、潤色直至定稿，羅老師

46、老師始終認(rèn)真負(fù)責(zé)地給予我深刻而細(xì)致地指導(dǎo)。正是有了老師們的無私幫助與熱忱鼓勵，我的畢業(yè)論文才得以順利完成。我還要感謝我的班主任賀乾格老師以及在大學(xué)四年中給我們授課的所有老師們，是他們讓我學(xué)到了很多很多知識，讓我看到了世界的精彩，讓我學(xué)會了做人做事。最后感謝四年里陪伴我的同學(xué)們、朋友們，我的室友，有了他們我的人生才更豐富，有了他們我在奮斗的路上才不孤獨，謝謝他們。附錄AProteus的介紹與使用Proteus的介紹Proteus與其它單片機仿真軟件不同的是，它不僅能仿真單片機CPU的工作情況，也能仿真單片機外圍電路或沒有單片機參與的其它電路的工作情況。因此在仿真和程序調(diào)試時，關(guān)心的不再是某些語句

47、執(zhí)行時單片機寄存器和存儲器內(nèi)容的改變，而是從工程的角度直接看程序運行和電路工作的過程和結(jié)果。對于這樣的仿真實驗，從某種意義上講，是彌補了實驗和工程應(yīng)用間脫節(jié)的矛盾和現(xiàn)象6。(1)Proteus軟件所提供的元件資源Proteus軟件所提供了30多個元件庫，數(shù)千種元件。元件涉及到數(shù)字和模擬、交流和直流等。(2)Proteus軟件所提供的儀表資源對于一個仿真軟件或?qū)嶒炇?，測試的儀器儀表的數(shù)量、類型和質(zhì)量，是衡量實驗室是否合格的一個關(guān)鍵因素。在Proteus軟件包中，不存在同類儀表使用數(shù)量的問題。Proteus還提供了一個圖形顯示功能，可以將線路上變化的信號，以圖形的方式實時地顯示出來，其作用與示波器相似但功能更多。(3)Proteus軟件所提供的調(diào)試手段Proteus提供了比較豐富的測試信號用于電路的測試。這些測試信號包括模擬信號和數(shù)字信號。對于單片機硬件電路和軟件的調(diào)試，Proteus