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王秋毕业设计论文定稿
摘要
本文是对直流电机PWM调速器设计的研究，主要实现对电机的控制。
本课程设计主要是实现PWM调速器的正转、反转、加速、减速、停止等操作。
并实现电路的仿真。
为实现系统的微机控制，在设计中，采用了AT89S51单片机作为整个控制系统的控制电路的核心部分，配以各种显示、驱动模块，实现对电动机转速参数的显示和测量；由命令输入模块、光电隔离模块及H型驱动模块组成。
采用带中断的独立式键盘作为命令的输入，单片机在程序控制下，不断给光电隔离电路发送PWM波形，H型驱动电路完成电机正反转控制.在设计中，采用PWM调速方式，通过改变PWM的占空比从而改变电动机的电枢电压，进而实现对电动机的调速。
设计的整个控制系统，在硬件结构上采用了大量的集成电路模块，大大简化了硬件电路，提高了系统的稳定性和可靠性，使整个系统的性能得到提高。
关键词：
AT89S51单片机；PWM调速；正反转控制；仿真。
Abstract
ThisarticleisaDCmotorPWMspeedcontroldesignstudy,themainachievementofmotorcontrol.ThiscourseisprimarilydesignedtoachievePWMspeedcontrollerforforwardandreverse,acceleration,deceleration,andstopsuchanoperation.Andtoachievethecircuitsimulation.Toachievesystem,microcomputercontrol,inthedesign,usingAT89S51microcontrollercontrolsystemasawhole,thecoreofthecontrolcircuit,accompaniedbyavarietyofshows,drivemoduleenablesthemotorspeedparameterdisplayandmeasurement;fromthecommandinputmodule,OpticalisolationmoduleandH-drivemodule.Withthestand-alonekeyboardwithabreakasacommandinput,single-chipintheprocesscontrol,continuingtotheopticalisolationcircuittosendPWMwaveform,H-typemotordrivingcircuittocompletepositiveinversioncontrol.Inthedesign,usingPWMspeedmode,bychangingthePWMdutycycletochangethemotorarmaturevoltage,soastorealizethespeedofthemotor.Designofthecontrolsystemhardwarestructurewithalargenumberofintegratedcircuitmodules,greatlysimplifyingthehardwarecircuitrytoimprovestabilityandreliabilityofthesystemsothatthewholesystemperformanceisimproved.
Keywords:
AT89S51microcontroller;PWMspeed;positiveinversioncontrol;Simulation。
第一章绪论
当今，自动化控制系统已经在各行各业得到了广泛的应用和发展，而直流调速控制作为电气传动的主流在现代化生产中起着主要作用，无论是在工农业生产、交通运输、国防、航天航空、医疗卫生、商务与办公设备、还是在日常生活中的家用电器都大量使用着各式各样的电气传动系统，其中许多系统有调速的要求：
如车辆、电梯、机床、造纸机械等等。
为了满足运行、生产、工艺的要求往往需要对另一类设备如风机、水泵等进行控制：
为了减少运行损耗，节约电能也需要对电机进行调速[1]。
电机调速系统由控制部分、功率部分和电动机三大要素组成一个有机整体。
各部分之间的不同组合，可构成多种多样的电机调速系统。
三十多年来，直流电机传动经历了重大的变革。
首先实现了整流器的更新换代，以晶闸管整流装置取代了习用已久的直流发电机电动机组及水银整流装置使直流电气传动完成了一次大的跃进。
同时，控制电路已经实现高集成化、小型化、高可靠性及低成本。
以上技术的应用，使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用范围不断扩大。
直流调速技术不断发展，走向成熟化、完善化、系列化、标准化，在可逆脉宽调速、高精度的电气传动领域中仍然难以替代[2]。
随着微控制器尤其是脉宽调制PWM专门控制芯片的飞速发展，其对电机控制方面的应用起了很重要的作用，为设计性能更高的直流控制系统提供了基础。
本文对基于PIC单片机的直流电机PWM调速系统进行了较深入的研究，从直流调速系统原理出发，逐步建立了单闭环直流PWM调速系统的数学模型。
用微机硬件和软件发展的最新成果，探讨一个将微机和电力拖动控制相结合的新的控制方法，研究工作在对控制对象全面回顾的基础上，重点对控制部分展开研究，它包括对实现控制所需要的硬件和软件的探讨。
在硬件方面充分利用微机外设接口丰富，运算速度快的特点，采取软件和硬件相结合的措施，实现对转速闭环调速系统的控制。
在微机控制方面，讨论了显示、PWM、光电编码盘测速的原理,并给出了软、硬件实现方案。
该方案以驱动芯片与一些外围电路。
通过实时测试，调节电动机的转速，此调速系统可获得快速、精确的调速效果。
直流电气传动系统中需要有专门的可控直流电源，常用的可控直流电源有以下几种：
第一，最初的直流调速系统是采用恒定的直流电压向直流电动机电枢供电，通过改变电枢回路中的电阻来实现调速。
这种方法简单易行，设备制造方便，价格低廉。
但缺点是效率低、不能在较宽范围内平滑调速，所以目前极少采用。
第二，三十年代末，出现了发电机—电动机（也称为旋转变流组），配合采用磁放大器、电机扩大机、闸流管等控制器件，可获得优良的调速性能，如有较宽的调速范围（十比一至数十比一）、较小的转速变化率和调速平滑等[3]。
特别是当电动机减速时，可以通过发电机非常容易地将电动机轴上的飞轮惯量反馈给电网，这样，一方面可得到平滑的制动特性，另一方面又可减少能量的损耗，提高效率。
但发电机—电动机调速系统的主要缺点是需要增加两台与调速电动机相当的旋转电机和一些辅助励磁设备，因而体积设备较多、体积大、费用高、效率低、安装需要地基、运行有噪声、维修困难等。
第三，自出现汞弧变流器后，利用汞弧变流器代替上述发电机—电动机系统，使调速性能指标又进一步提高。
特别是它的系统快速响应性是发电机—电动机系统不能比拟的。
但是汞弧变流器仍存在一些缺点:
维修还是不太方便，特别是水银蒸汽对维护人员会造成一定的危害等。
第四，1957年，世界上出现了第一只晶闸管，与其它变流元件相比，晶闸管具有许多独特的优越性，因而晶闸管直流调速系统立即显示出强大的生命力[4]。
由于它具有体积小、响应快、工作可靠、寿命长、维修简便等一系列优点，采用晶闸管供电，不仅使直流调速系统经济指标上和可靠性有所提高，而且在技术性能上也显示出很大的优越性。
晶闸管变流装置的放大倍数在10000以上，比机组（放大倍数10）高1000倍，比汞弧变流器（1000）高10倍;在快速响应性上，机组是秒级，而晶闸管变流装置为毫秒级[5]。
因此，目前在直流调速系统中，除某些特大容量的设备而且供电电路容量较小的情况下，仍有采用机组供电、晶闸管励磁系统以外，几乎绝大部分都已改用晶闸管相控整流供电了。
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，在上世纪80年代以前一直未能实现。
直到进入上世纪80年代，随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展，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，已经出现了多种PWM控制技术[6]。
直流电动机具有良好的起动、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领域中得到了广泛的应用。
从控制的角度来看，直流调速还是交流拖动系统的基础。
早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础，采用运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成，控制系统的硬件部分非常复杂，功能单一，而且系统非常不灵活、调试困难，阻碍了直流电动机控制技术的发展和应用范围的推广。
随着单片机技术的日新月异，使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成，为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，并使系统能达到更高的性能。
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。
随着微电子技术的发展，微机功能的不断提高以及电力电子、计算机控制技术的发展，电气传动领域出现了以微机为核心的数字控制系统。
计算机的发展可以使复杂的控制规律较方便的实现，以计算机为核心的数字控制技术成为自控领域的主流，也给直流电气传动的发展注入了新的活力，使电气传动进入了更新的发展阶段。
本系统主要是利用单片机的定时器产生PWM脉冲通过驱动电路进行直流电机调速，键盘操纵电机进行停、转、正反转、加速、减速。
另一方面通过测速电路把电机的转速送给单片机在通过液晶显示出来，从而可以直观的控制电机转速。
系统可以划分为主控电路（单片机STC89C52）、直流电机驱动电路（采用L298设计驱动电路）、液晶显示按键功能电路（LCD1602）、电源电路、测速电路等模块，采用PWM基本原理，以硬件电路为基础，以C语言进行程序编写，只要通过软件编程，单片机根据程序进行控制，调节PWM信号占空比，，进一步控制了L298驱动电路的PWM输入信号，从而控制了直流电机的电压，改变电机电压的大小就可以改变电机转动的速度，改变电机电压的方向就可以改变电动机的转动方向，这样就可以实现了单片机控制直流电机调速系统的基本功能，可以通过LCD显示出电机的转速。
第二章系统方案设计
2.1设计思路
直流电机PWM控制系统的主要功能包括：
直流电机的加速、减速以及电机的正转和反转，并且可以调整电机的转速，还可以方便的读出电机转速的大小，能够很方便的实现电机的智能控制。
其间，还包括直流电机的直接清零、启动（置数）、暂停、连续功能。
该直流电机系统由以下电路模块组成：
振荡器和时钟电路：
这部分电路主要由80C51单片机和一些电容、晶振组成。
设计输入部分：
这一模块主要是利用带中断的独立式键盘来实现。
设计控制部分：
主要由AT89S51单片机的外部中断扩展电路组成。
设计显示部分：
包括液晶显示部分和LED数码显示部分。
液晶显示部分由1602LCD液晶显示模块组成;LED数码显示部分由七段数码显示管组成。
直流电机PWM控制实现部分：
主要由一些二极管、电机和L298直流电机驱动模块组成。
2.2基本原理
主体电路：
即直流电机PWM控制模块。
这部分电路主要由AT89S51单片机的I/O端口、定时计数器、外部中断扩展等控制直流电机的加速、减速以及电机的正转和反转，并且可以调整电机的转速，还可以方便的读出电机转速的大小和了解电机的转向，能够很方便的实现电机的智能控制。
其间，还包括直流电机的直接清零、启动（置数）、暂停、连续功能。
其间是通过AT89S51单片机产生脉宽可调的脉冲信号并输入到L298驱动芯片来控制直流电机工作的。
该直流电机PWM控制系统由以下电路模块组成：
设计输入部分：
这一模块主要是利用带中断的独立式键盘来实现。
设计控制部分：
主要由AT89S51单片机的外部中断扩展电路组成。
设计显示部分：
包括液晶显示部分和LED数码显示部分。
液晶显示部分由1602LCD液晶显示模块组成。
直流电机PWM控制实现部分：
主要由一些二极管、电机和L298直流电机驱动模块组成。
2.3总体设计框图
系统组成：
直流电机PWM调速方案如图1.1所示：
方案说明：
直流电机PWM调速系统以AT89S51单片机为控制核心，由命令输入模块、LCD显示模块及电机驱动模块组成。
采用带中断的独立式键盘作为命令的输入，单片机在程序控制下，定时不断给直流电机驱动芯片发送PWM波形，H型驱动电路完成电机正，反转控制；同时单片机不停的将从键盘读取的数据送到LCD显示模块去显示，从中不仅能读取其速度，而且能知晓其转向及一些温馨提示。
图1.1直流电机PWM调速方案
第三章系统硬件设计
本设计硬件模块主要采用AT89S51控制模块、L298电机驱动模块、LCD1602液晶显示模块、独立键盘控制模块、测速系统模块。
3.1单片机控制模块
3.1.1AT89S51的简介
AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kBytesISP（In-systemprogrammable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，AT89S51在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。
AT89S51可构成真正的单片机最小应用系统，缩小系统体积,增加系统的可靠性，降低了系统成本。
只要程序长度小于4k,四个I/O口全部提供给用户。
可用5V电压编程，而且写入时间仅10毫秒,仅为8751/87C51的擦除时间的百分之一，与8751/87C51的12V电压擦写相比,不易损坏器件,没有两种电源的要求，改写时不拔下芯片，适合许多嵌入式控制领域。
AT89S51芯片提供三级程序存储器锁定加密，提供了方便灵活而可靠的硬加密手段,能完全保证程序或系统不被仿制。
另外,AT89S51还具有MCS-51系列单片机的所有优点。
128×8位内部RAM,32位双向输入输出线,两个十六位定时器/计时器,5个中断源,两级中断优先级,一个全双工异步串行口及时钟发生器等。
AT89S51有间歇、掉电两种工作模式。
间歇模式是由软件来设置的,当外围器件仍然处于工作状态时,CPU可根据工作情况适时地进入睡眠状态,内部RAM和所有特殊的寄存器值将保持不变。
这种状态可被任何一个中断所终止或通过硬件复位。
掉电模式是VCC电压低于电源下限,当振荡器停止振动时,CPU停止执行指令。
该芯片内RAM和特殊功能寄存器值保持不变,一直到掉电模式被终止。
只有VCC电压恢复到正常工作范围而且在振荡器稳定振荡后，通过硬件复位、掉电模式可被终止。
基于以上优点和性能所以选择AT89S51作为控制模块的核心。
AT89S51有40引脚双列直插（DIP）形式。
其与80C51引脚结构基本相同，
各引脚功能叙述如下：
1．电源和晶振
VCC——运行和程序校验时加+5V
GND——接地
XTAL1——输入到振荡器的反向放大器
XTAL2——反向放大器的输出，输入到内部时钟发生器
（当使用外部振荡器时，XTAL1接地，XTAL2接收振荡器信号）
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。
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。
2．I/O（4个口，32根）
P0口——8位、漏极开路的双向I/O口。
当使用片外存储器（ROM、RAM）时，作地址和数据分时复用。
在程序校验期间，输出指令字节（需加外部上拉电路）。
P0口（作为总线时）能驱动8个LSTTL负载。
P1口——8位、准双向I/O口。
在编程/校验期间，用于输入低位字节地址。
P1口可驱动4个LSTTL负载。
对于80C51，P1.0——T2，是定时器的计数端且位输入；P1.1——T2EX，是定时器的外部输入端。
这时，读两个特殊输入引脚的输出锁存器应由程序置1。
P2口——8位、准双向I/O口。
当使用片外存储器（ROM及RAM）时，输出高8位地址。
在编程/校验期间，接收高位字节地址。
P2口可以驱动4个LSTTL负载。
P3口——8位、准双向I/O口，具有内部上拉电路。
P3口提供各种替代功能。
在提供这些功能时，其输出锁存器应由程序置1。
P3口可以输入/输出4个LSTTL负载。
3．串行口
P3.0——RXD（串行输入口），输入。
P3.1——TXD（串行输出口），输出。
4．中断
P3.2——INT0外部中断0，输入。
P3.3——INT1外部中断1，输入。
5．定时器/计数器
P3.4——T0定时器/计数器0的外部输入，输入。
P3.5——T1定时器/计数器1的外部输入，输入。
6．数据存储器选通
P3.6——WR低电平有效，输出，片外存储器写选通。
P3.7——RD低电平有效，输出，片外存储器读选通。
7．控制线（共4根）
输入：
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。
EA/Vpp——片外程序存储器访问允许信号，低电平有效。
在编程时，其上施加21V的编程电压。
注意：
在加密方式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编程电源（VPP）。
输入、输出：
ALE/PROG——地址锁存允许信号，输出。
ALE以1/6的振荡频率稳定速率输出，可用作对外输出的时钟或用于定时。
在EPROM编程期间，作输入，输入编程脉冲（PROG）。
ALE可以驱动8个LSTTL负载。
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低位字节。
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。
注意：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
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。
输出：
PSEN——片外程序存储器选通信号，低电平有效。
在从片外程序存储器取址期间，在每个机器周期中，当PSEN有效时，程序存储器的内容被送上P0口（数据总线）。
PSEN可以驱动8个LSTTL负载。
AT89S51系列单片机的功能单元
1．并行I/O接口：
单片机芯片内有一项主要功能就是并行I/O口。
51系列共有4个8位的并行I/O口，分别记作P0、P1、P2、P3每个口都包含一个锁存器，一个输出驱动器和输入缓冲器。
实际上，它们已被归入专用寄存器之列，并且具有字节寻址和位寻址功能。
在访问片外扩展存储器时，低八位地址和数据由P0口分时传送，高八位地址由P2口传送。
2．定时器/计数器
定时器/计数器（timer/counter）是单片机中的重要部件，其工作方式灵活、编程简单，使用它对减轻CPU的负担和简化外围电路都大有好处。
S51系列包含有两个16位的可编程定时器/计数器分别称为定时器/计数器T0和定时器/计数器T1；在C51部分产品中，还包含有一个用做看门狗的8位定时器。
定时器/计数器的核心是一个加1计数引脚上施加器，其基本功能是加1功能。
在单片机的定时器T0或T1中，有一个定时器发生由0到1的跳变时，计数器增1，即为计数功能；在单片机内部对机器周期或其分频进行计数，从而得到定时，这就是定时功能。
在单片机中，定时功能和计数功能的设定和控制都是通过软件来进行的。
定时器/计数器内部结构及其原理：
由定时器0、定时器1、定时器方式寄存器TMOD和定时器控制寄存器TCON组成。
当定时器/计数器设置为定时工作方式时，计数器对内部机器周期计数，每过一个机器周期，计数器加1，直至计满溢出。
定时器的定时时间与系统的振荡频率紧密相关，因为S51系列单片机的一个机器周期由12个振荡脉冲组成，所以，计数频率fc=fosc/12。
当定时器/计数器设置为计数工作方式时，计数器对来自输入引脚T0（P3.4）和T1（P3.5）的外部信号计数，外部脉冲的下降沿将触发计数。
在每个机器周期的S5P2期间采样引脚输入电平，若前一个机器周期采样值为1，后一个机器周期采样值为0，则计数器加1。
新的计数值是在检测到输入引脚电平发生1到0的负跳变后，于下一个机器周期的S3P1期间装入计数器中的，可见，检测一个由1到0的负跳变需要两个机器周期，所以最高检测频率为振荡频率的1/24。
计数器对外部输入信号的占空比没有特别的限制，但必须保证输入信号的高电平与低电平的持续时间在一个机器周期以上。
3．振荡器
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。
当输入至内部时钟信号时要通过一个二分频触发器，而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。
4．芯片擦除
整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。
在芯片擦除操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。
AT89S51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。
在闲置模式下，CPU停止工作。
但RAM、定时器、计数器、串口和中断系统仍在工作。
在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。
5．中断系统
中断系统是单片机的重要组成部分。
实时控制、故障自动处理、单片机与外围设备间的数据传送往往采用中断系统。
中断系统大大提高了系统的效率。
C51系统有关中断的寄存器有4个，分别为中断源寄存器TCON和SCON、中断允许控制寄存器IE和中断优先级控制寄存器IP；中断源有5个，分别为外部中断0请求INT0、外部中断1请求INT1、定时器0溢出中断请求TF0、定时器1溢出中断请求TF1和串行中断请求R1或T1。
5个中断源的排列顺序由中断优先级控制寄存器IP和顺序查询逻辑电路共同决定，5个中断源分别对应5个固定的中断入口地址。
中断的特点是分时操作，实时处理和故障处理。
简单介绍一下本次设计所需的单片机芯片AT89S51的中断系统中要用到的中断类型。
（1）外部中断源
AT89S51有INT0和INT1两条外部中断请求输入线,用于输入两个外部中断源的中断请求信号,并允许外部中断源以低电平或负边沿两种中断触发方式来输入中断请求信号。
AT89S51究竟工作于哪种中断触发方式,可由用户对定时器控制寄存器TCON中IT0和IT1
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