基于51单片机的温度控制直流电动机转速系统设计Word格式文档下载.docx
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当采用内部时钟时,片外连接石英晶体（或陶瓷振荡器）和微调电容C1、C2接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。
对外接电容C1、C2起稳定振荡频率、快速起振的作用。
虽然没有十分严格的要求但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡工作的稳定性、起振的难易程度及温度稳定性，如果使用石英晶体，推荐使用30pf±
10pf，而如使用陶瓷振荡器最好选择40pf±
10pf，产生原始的振荡脉冲信号。
采用外部时钟时,XTAL1输入即内部时钟发生器的输入端外部时钟脉冲信号,XTAL2悬空。
仿真如图2.1所示。
2.1.3单片机复位电路
复位是单片机的初始化操作。
单片机启运运行时，都需要先复位，其作用是使CPU和系统中其他部件处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。
因而，复位是一个很重要的操作方式。
但单片机本身是不能自动进行复位的，必须配合相应的外部电路才能实现。
当MCS-5l系列单片机的复位引脚RST（全称RESET）出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。
如果RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。
根据应用的要求，复位操作通常有两种基本形式：
上电复位和手动复位。
上电复位：
上电瞬间，电容充电电流最大，电容相当于短路，RST端为高电平，自动复位；
电容两端的电压达到电源电压时，电容充电电流为零，电容相当于开路，RST端为低电平，程序正常运行。
手动复位：
首先经过上电复位，当按下按键时，RST直接与VCC相连，为高电平形成复位，同时电解电容被短路放电；
按键松开时，VCC对电容充电，充电电流在电阻上，RST依然为高电平，仍然是复位，充电完成后，电容相当于开路，RST为低电平，正常工作，仿真如图2.2所示。
图2.2Protues仿真的晶振及复位图
2.2温度采集模块设计
温度是一种最基本的环境参数，在工农业生产及日常生活中对温度的测量及控制具有重要意义。
本模块的功能是进行温度采集，获取温度数据然后经过单片机处理，由单片机来控制PWM的输出。
方案论证：
方案一
由于本模块是测温电路，可以使用热敏电阻之类的器件利用其感温效应，在将随被测温度变化的电压或电流采集过来，进行A/D转换后，就可以用单片机进行数据的处理，在显示电路上，就可以将被测温度显示出来，这种设计需要用到A/D转换电路，其中还涉及到电阻与温度的对应值的计算，感温电路比较麻烦。
而且在对采集的信号进行放大时容易受温度的影响出现较大的偏差。
方案二
进而考虑到用温度传感器，在单片机电路设计中，大多都是使用传感器，所以这是非常容易想到的，所以可以采用一只温度传感器DS18B20，此传感器，可以很容易直接读取被测温度值，进行转换，电路简单，精度高，软硬件都以实现，而且使用单片机的接口便于系统的再扩展，满足设计要求。
从以上两种方案，很容易看出，采用方案二，电路比较简单，费用较低，可靠性高，软件设计也比较简单，故采用了方案二。
该模块通过AT89C51单片机驱动数字温度传感器DS18B20，进行温度数据采集、读取、处理，并通过LCD显示出来。
温度传感器是该模块的关键器件，本系统选用的是美国Dallas半导体公司生产的数字化温度传感器DS18B20。
DS18B20支持“一线总线”接口，测量温度范围为-55℃～+125℃，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出，在-10～+85℃范围内，精度为±
0.5℃。
DS18B20采集到的现场温度直接以先进的单总线数据通信方式传输，大大提高了系统的抗干扰性，适合于恶劣环境的现场温度测量，如：
环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。
DS18B20可程序设定9～12位的分辨率，精度可达±
DS18B20具有内置的EEPROM，用户设定的分辨率和报警温度都可存储在其中，且掉电后依然存在。
2.2.2DS18B20的内部结构
DS18B20内部结构由64bit闪速ROM、温度传感器、非易失性温度报警触发器TH和TL配置寄存器等4个数字器件组成，如图2.3。
温度传感器DS18B20是通过温度对振荡器的频率影响来测量温度，如图2.4。
DS18B20内部有2个不同温度系数的振荡器，低温度系数振荡器输出的时钟脉冲信号在高温度系数振荡器产生的门周期内进计数。
计数初值被预置-55℃相对的基数值，如计数器在高温度系数振荡器输出的门周期结束前计数为零，表示测量温度值高于-55℃，被预置在-55℃的温度寄存器的值加1，重复该过程，直到高温度系数振荡器门周期结束止，温度寄存器中的值就是被测的温度值。
该值由主机通过发读存储器命令读出，经取补和十进制转换，得到实测的温度值。
斜率累加器用于补偿和修正温度振荡器的非线性，以产生高分辨率的温度测量。
通过改变温度每升高1℃，计数器须经计数值实行补偿。
为获得所需分辨率，必须知道该数值及在给定温度处每1℃的计数值（斜率累加器的值）。
图2.3DS18B20的内部结构
图2.4DS18B20测温原理图
DS18B20的管脚排列如下图2.5所示:
图2.518B20管脚图
DQ为数字信号输入/输出端；
GND为电源地；
VCC为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。
光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码。
64位光刻ROM的排列是：
开始8位（28H）是产品类型标号，接着的48位是该DS18B20自身的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码（CRC=X8+X5+X4+1）。
光刻ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。
DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，以12位转化为例:
用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.0625℃/LSB形式表达，其中S为符号位。
表2.1DS18B20的RAM
这是12位转化后得到的12位数据，存储在DS18B20的两个8比特的RAM中如图7所示，二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度；
如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度。
例如+125℃的数字输出为07D0H，+25.0625℃的数字输出为0191H，-25.0625℃的数字输出为FF6FH，-55℃的数字输出为FC90H，温度代码对照如图8所示。
表2.2温度代码对照
2.2.3DS18B20温度传感器的存储器
DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的E
RAM,后者存放高温度和低温度触发器TH、TL和结构寄存器。
暂存存储器包含了8个连续字节如表2.3所示，前两个字节是测得的温度信息，第一个字节的内容是温度的低八位，第二个字节是温度的高八位。
第三个和第四个字节是TH、TL的易失性拷贝，第五个字节是结构寄存器的易失性拷贝，这三个字节的内容在每一次上电复位时被刷新。
第六、七、八个字节用于内部计算。
第九个字节是冗余检验字节。
表2.3DS18B20的寄存器
寄存器内容字节地址
温度最低数字位0
温度最高数字位1
高温限值2
低温限值3
保留4
保留5
计数剩余值6
每度计数值7
CRC校验8
该字节各位的意义如下：
TMR1R0
低五位一直都是1，TM是测试模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式。
在DS18B20出厂时该位被设置为0，用户不要去改动。
R1和R0用来设置分辨率，如下表2.4所示：
（DS18B20出厂时被设置为12位）分辨率设置表:
表2.4DS18B20分辨率设置表
R1
R0
分辨率
温度最大转换时间
9位
93.75ms
1
10位
187.5ms
11位
375ms
12位
750ms
根据DS18B20的通讯协议，主机控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤：
每一次读写之前都要对DS18B20进行复位，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。
复位要求主CPU将数据线下拉500微秒，然后释放，DS18B20收到信号后等待16～60微秒左右，后发出60～240微秒的存在低脉冲，主CPU收到此信号表示复位成功。
CPU只需一根端口线就能与DS18B20进行通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。
与前一代产品（DS1820温度传感器）不同，DS18B20支持3.0V～5.5V的电压范围，使系统设计更灵活、方便，而且DS18B20价格更便宜，体积更小。
（1）DS18B20芯片存储器操作指令表：
WriteScratchpad（向RAM中写数据）[4EH]
这是向RAM中写入数据的指令，随后写入的两个字节的数据将会被存到地址2（报警RAM之TH）和地址3（报警RAM之TL）。
写入过程中可以用复位信号中止写入。
ReadScratchpad（从RAM中读数据）[BEH]
此指令将从RAM中读数据，读地址从地址0开始，一直可以读到地址9，完成整个RAM数据的读出。
芯片允许在读过程中用复位信号中止读取，即可以不读后面不需要的字节以减少读取时间。
CopyScratchpad（将RAM数据复制到EEPROM中）[48H]
此指令将RAM中的数据存入EEPROM中，以使数据掉电不丢失。
此后由于芯片忙于EEPROM储存处理，当控制器发一个读时间隙时，总线上输出“0”，当储存工作完成时，总线将输出“1”。
在寄生工作方式时必须在发出此指令后立刻超用强上拉并至少保持10MS，来维持芯片工作。
ConvertT（温度转换）[44H]
收到此指令后芯片将进行一次温度转换，将转换的温度值放入RAM的第1、2地址。
此后由于芯片忙于温度转换处理，当控制器发一个读时间隙时，总线上输出“0”，当储存工作完成时，总线将输出“1”。
在寄生工作方式时必须在发出此指令后立刻超用强上拉并至少保持500MS，来维持芯片工作。
RecallEEPROM（将EEPROM中的报警值复制到RAM）[B8H]
此指令将EEPROM中的报警值复制到RAM中的第3、4个字节里。
由于芯片忙于复制处理，当控制器发一个读时间隙时，总线上输出“0”，当储存工作完成时，总线将输出“1”。
另外，此指令将在芯片上电复位时将被自动执行。
这样RAM中的两个报警字节位将始终为EEPROM中数据的镜像。
ReadPowerSupply（工作方式切换）[B4H]
此指令发出后发出读时间隙，芯片会返回它的电源状态字，“0”为寄生电源状态，“1”为外部电源状态。
b.DS18B20芯片ROM指令表：
ReadROM（读ROM）[33H]（方括号中的为16进制的命令字）
这个命令允许总线控制器读到DS18B20的64位ROM。
只有当总线上只存在一个DS18B20的时候才可以使用此指令，如果挂接不只一个，当通信时将会发生数据冲突。
MatchROM（指定匹配芯片）[55H]
这个指令后面紧跟着由控制器发出了64位序列号，当总线上有多只DS18B20时，只有与控制发出的序列号相同的芯片才可以做出反应，其它芯片将等待下一次复位。
这条指令适应单芯片和多芯片挂接。
SkipROM（跳跃ROM指令）[CCH]
这条指令使芯片不对ROM编码做出反应，在单总线的情况之下，为了节省时间则可以选用此指令。
如果在多芯片挂接时使用此指令将会出现数据冲突，导致错误出现。
SearchROM（搜索芯片）[F0H]
在芯片初始化后，搜索指令允许总线上挂接多芯片时用排除法识别所有器件的64位ROM。
AlarmSearch（报警芯片搜索）[ECH]
在多芯片挂接的情况下，报警芯片搜索指令只对附合温度高于TH或小于TL报警条件的芯片做出反应。
只要芯片不掉电，报警状态将被保持，直到再一次测得温度什达不到报警条件为止。
（2）DS18B20芯片存储器操作指令表：
WriteScratchpad（向RAM中写数据）[4EH]
这是向RAM中写入数据的指令，随后写入的两个字节的数据将会被存到地址2（报警RAM之TH）和地址3（报警RAM之TL）。
ReadScratchpad（从RAM中读数据）[BEH]
此指令将RAM中的数据存入EEPROM中，以使数据掉电不丢失。
收到此指令后芯片将进行一次温度转换，将转换的温度值放入RAM的第1、2地址。
在寄生工作方式时必须在发出此指令后立刻超用强上拉并至少保持500MS，来维持芯片工作。
此指令将EEPROM中的报警值复制到RAM中的第3、4个字节里。
2.2.4温度采集模块的电路连接
DS18B20有三个管脚：
GND为电源地，DQ为数字信号输入/输出端，VCC为外接供电电源接入端（用寄生电源方式时接地）。
在硬件上，DS18B20与单片机的连接有两种方法，一种是VCC接外部电源，GND接地，I/O与单片机的I/O线相连；
另一种是用寄生电源供电，此时VCC、GND接地，I/O接单片机I/O。
无论是内部寄生电源还是外部供电，I/O口线要接5KΩ左右的上拉电阻。
本系统中DS18B20的DQ口与单片机的P3.3口连接，GND接地。
Protues软件仿真图如图2.6所示。
图2.6DS18B20的Protues仿真图
2.3转速控制模块设计
2.3.1直流电机转速调节原理
直流电动机的转速n和其他参量的关系可表示为：
（公式1）
式中Ua——电枢供电电压（V）；
Ia——电枢电流（A）；
Ф——励磁磁通（Wb）；
Ra——电枢回路总电阻（Ω）；
CE——电势系数，
，p为电磁对数，a为电枢并联支路数，N为导体数。
可知调速方法：
（1）改变电枢回路总电阻Ra；
（2）改变电枢供电电压Ua；
（3）改变励磁Ф。
由第二种方法知道，直流电机转速与加在电机两端电压有关，故可选用单片机产生PWM方波，经驱动电路放大后驱动电机旋转。
2.3.2电机调速控制方案论证
方案一：
采用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，通过开关的切换对电机的速度进行调整。
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：
采用专用芯片L298的PWM控制。
用单片机控制PWM信号的输出给L298驱动芯片使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机转速。
这种电路效率非常高；
单片机和芯片L298保证了可以简单地实现转速和方向的控制。
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。
PWM系统在很多方面具有较大的优越性：
●主电路线路简单，需用的功率元件少；
●开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗和发热都较小；
●低速性能好，稳速精度高，调速范围宽；
●系统频带宽，快速响应性能好，动态抗干扰能力强；
●主电路元件工作在开关状态，导通损耗小，装置效率高；
●直流电源采用不控三相整流时，电网功率因数高。
2.3.3PWM方式选择
在PWM调速时，占空比D是一个重要的参数。
以下3种方法都可以改变占空比的值。
（1）定宽调频法：
这种保持t1
不变，只改变t2，这样使得周期T也随之改变。
（2）调宽调频法：
这种是保持t2不变，而改变t1
这样使得周期T或频率也随之改变
（3）定频调宽法：
这种是周期T不变，而改变t1和t2
前两种方法由于在调速是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。
2.3.4PWM控制信号的产生方式
（1）分立电子元件组成的PWM信号发生器
这种方法是用分立的逻辑电子元件组成PWM信号发生器，其为早期的方法，现在逐渐被淘汰。
（2）专用PWM集成电路
从PWM控制技术出现以来就有芯片制造商生产专用PWM集成电路芯片，现在市场上有多种这样的芯片，这些芯片除了具有PWM发生器以外，还具有死区调节功能，保护功能。
在用单片机直接控制的电路中，使用专用的PWM芯片可以减轻单片机的负担，工作可靠。
（3）软件模拟法
利用单片机的一个I/O口的引脚，通过软件对这这个引脚不断地输出高低电平来实现PWM波的输出，51系列单片机无PWM输出功能，可以采用定时器配合软件的方法输出。
对精度要求不高的场合，非常实用。
MCS-51系列典型产品8051具有两个定时器T0和T1。
通过控制定时器初值T0和T1,，从而可以实现从8051的任意输出口输出不同占空比由于PWM信号软件实现的核心是单片机内部的定时器，而不同单片机的定时器具有不同的特点，即使是同一台单片机由于选用的晶振不同，选择的定时器工作方式不同，其定时器的定时初值与定时时间的关系也不同。
2.3.5直流电机PWM调速原理
所谓脉冲宽度调制是指用改变电机电枢电压接通与断开的时间的占空比来控制电机转速的方法，称为脉冲宽度调制（PWM）。
PWM驱动装置是利用全控型功率器件的开关特性来调制固定电压的直流电源，按一个固定的频率来接通和断开，并根据需要改变一个周期内“接通”与“断开”时间的长短，改变直流电动机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速。
因此，这种装置又称为“开关驱动装置”。
对于直流电机调速系统，其方法是通过改变电机电枢电压导通时间与通电时间的比值（即占空比）来控制电机速度。
PWM调速原理如图11所示。
在脉冲作用下，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、断电时间，即可让电机转速得到控制。
设电机永远接通电源时，其转速最大为Vmax，设占空比为D=t1/T，则电机的平均速度为
Vd=Vmax•D（公式2）
式中，Vd——电机的平均速度
Vmax——电机全通时的速度（最大）
D=t1/T——占空比
平均速度Vd与占空比D的函数曲线，如图2.7所示。
图2.7平均速度和占空比的关系
由图11可以看出，Vd与占空比D并不是完全线性关系（图中实线），理想情况下，可以将其近似地看成线性关系（图中虚线）。
因此也就可以看成电机电枢电压Ua与占空比D成正比，改变占空比的大小即可控制电机的速度。
占空比决定输出到直流电机电枢电压的平均电压，进而决定了直流电机的转速。
如果能够实现占空比的连续调节即可实现直流电机无级调速。
由以上叙述可知：
电机的转速与电机电枢电压成比例，而电机电枢电压与控制波形的占空比成正比，因此电机的速度与占空比成比例，占空比越大，电机转得越快，当占空比α＝1时，电机转速最大。
2.4直流电机驱动模块的选择
2.4.1方案选择
采用继电器对电动机的开和关进行控制，通过开关的切换对电机的速度进行调整。
这个方案的优点是电路较为简单，实现容易；
缺点是继电器的响应速度慢、机械结构易损坏、寿命较短。
采用DSP芯片，配以电机控制所需要的外围功能电路，通过数控电压源调节电机运行速度，实现控制物体的运动轨迹。
该方案优点是体积小、结构紧凑、使用便捷、可靠性提高。
但系统软硬件复杂、成本高。
采用专用芯片L298。
L
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