基于单片机的直流电机调速系统Word格式.docx
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如果此时芯片的输出控制端为低，也即是输出三态门打开，锁存器中的地址信息便可以通过三态门输出。
其引脚图如图2-4所示：
图2-474L373引脚图
2．程序存储器
存储器是单片机的又一个重要组成部分，其中程序存储器是单片机中非常重要的存储器，但由于其存储空间不足，常常需要对单片机的存储器空间进行扩展，扩展程序存储器常用芯片有EPROM（紫外线可擦除型），如2716（2KB）、2732（4KB）、2764（8KB）、27128（16KB）、27256（32KB）等，另外还有＋5V电擦除E2PROM，如2816（2KB）、2864（8KB）等等。
考虑到系统功能的可扩展性以及程序功能的扩展，本系统采用16KB的27128作为程序存储器扩展芯片，在满足系统要求的前提下还存有一定的扩展空间，是本系统最合适的程序存储器扩展芯片。
27128的引脚图如图2-5所示：
图2-527128结构图
3．数据存储器
8051单片机有128BRAM，当数据量超过128B也需要把数据存储区进一步扩展。
常用RAM芯片分静态和动态两种。
静态RAM有6116（2KB）、6264（8KB）等，动态DRAM2164（8KB）等，另外还有集成IRAM和E2PROM。
使用E2PROM作数据存储器有断电保护数据的优点。
数据存储器扩展常使用随机存储器芯片，用的较多的是Intel公司的6116容量为2KB和6264容量为8KB。
本系统采用容量8KB的6264作为数据存储器扩展芯片。
其引脚图如图2-6所示：
图2-66264引脚图
2.1.48051单片机扩展电路及分析
图2-78051单片机扩展电路及分析
接线分析：
P0.7---P0.0：
这8个引脚共有两种不同的功能，分别使用于两种不同的情况。
第一种情况是8051不带片外存储器，P0口可以作为通用I/O口使用，P0.7---P0.0用于传送CPU的I/O数据。
第二种情况是8051带片外存储器，P0.7---P0.0在CPU访问片外存储器时先是用于传送片外存储器的低8位地址，然后传送CPU对片外存储器的读写数据。
P2.7---P2.0：
这组引脚的第一功能可以作为通用的I/O使用。
它的第二功能和P0口引脚的第二功能相配合，用于输出片外存储器的高8位地址，共同选中片外存储器单元，但是并不能像P0口那样还可以传送存储器的读写数据。
P3.7---P3.0：
这组引脚的第一功能为传送用户的输入/输出数据。
它的第二功能作为控制用，每个引脚不尽相同。
VCC为+5V电源线，VSS为接地线。
ALE/
：
地址锁存允许/编程线，配合P0口引脚的第二功能使用，在访问片外存储器时，8051CPU在P0.7---P0.0引脚线上输出片外存储器低8位地址的同时还在ALE/
线上输出一个高电位脉冲，其下降沿用于把这个片外存储器低8位地址锁存到外部专用地址锁存器，以便空出P0.7---P0.0引脚线去传送随后而来的片外存储器的读写数据。
/VPP：
允许访问片外存储器/编程电源线，可以控制8051使用片内ROM还是片外ROM。
如果
=1，那么允许使用片内ROM；
=0，那么允许使用片外ROM。
XTAL1和XTAL2：
片内振荡电路输入线，这两个端子用来外接石英晶体和微调电容，即用来连接8051片内OSC的定时反馈电路。
石英晶振起振后，应能在XTAL2线上输出一个3V左右的正弦波，以便于8051片内的OSC电路按石英晶振相同频率自激振荡，电容C1、C2可以帮助起振，调节它们可以达到微调fOSC的目的。
2.2PWM信号发生电路设计
2.2.1PWM的基本原理
PWM（脉冲宽度调制）是通过控制固定电压的直流电源开关频率，改变负载两端的电压，从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，比如：
电机调速、温度控制、压力控制等等。
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，并且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”来达到改变平均电压大小的目的，从而来控制电动机的转速。
也正因为如此，PWM又被称为“开关驱动装置”。
如图2-8所示：
图2-8PWM方波
设电机始终接通电源时，电机转速最大为Vmax，设占空比为D=t1/T，则电机的平均速度为Va=Vmax*D，其中Va指的是电机的平均速度；
Vmax是指电机在全通电时的最大速度；
D=t1/T是指占空比。
由上面的公式可见，当我们改变占空比D=t1/T时，就可以得到不同的电机平均速度Vd，从而达到调速的目的。
严格来说，平均速度Vd与占空比D并非严格的线性关系，但是在一般的应用中，我们可以将其近似地看成是线性关系。
2.2.2PWM信号发生电路设计
图2-9PWM信号发生电路
PWM波可以由具有PWM输出的单片机通过编程来得以产生，也可以采用PWM专用芯片来实现。
当PWM波的频率太高时，它对直流电机驱动的功率管要求太高，而当它的频率太低时，其产生的电磁噪声就比较大，在实际应用中，当PWM波的频率在18KHz左右时，效果最好。
在本系统内，采用了两片4位数值比较器4585和一片12位串行计数器4040组成了PWM信号发生电路。
两片数值比较器4585，即图上U2、U3的A组接12位串行4040计数输出端Q2—Q9，而U2、U3的B组接到单片机的P1端口。
只要改变P1端口的输出值，那么就可以使得PWM信号的占空比发生变化，从而进行调速控制。
12位串行计数器4040的计数输入端CLK接到单片机C51晶振的振荡输出XTAL2。
计数器4040每来8个脉冲，其输出Q2—Q9加1，当计数值小于或者等于单片机P1端口输出值X时，图中U2的（A>
B）输出端保持为低电平，而当计数值大于单片机P1端口输出值X时，图中U2的（A>
B）输出端为高电平。
随着计数值的增加，Q2—Q9由全“1”变为全“0”时，图中U2的（A>
B）输出端又变为低电平，这样就在U2的（A>
B）端得到了PWM的信号，它的占空比为（255-X/255）*100%，那么只要改变X的数值，就可以相应的改变PWM信号的占空比，从而进行直流电机的转速控制。
使用这个方法时，单片机只需要根据调整量输出X的值，而PWM信号由三片通用数字电路生成，这样可以使得软件大大简化，同时也有利于单片机系统的正常工作。
由于单片机上电复位时P1端口输出全为“1”，使用数值比较器4585的B组与P1端口相连，升速时P0端口输出X按一定规律减少，而降速时按一定规律增大。
2.2.3PWM发生电路主要芯片的工作原理
1．数据比较器
具有数据比较功能的芯片有74LS6828，74LS6838等8位数值比较器，4位数值比较器4585等。
本PWM发生电路通过两片4位数值比较器4585就可实现PWM信号的产生，因此选用4585作为信号发生电路。
芯片4585的引脚图：
图2-104585引脚图
2．串行计数器
系统PWM信号发生电路中还使用到一片串行计数器，有串行计数功能的芯片有4024、4040等，它们具有相同的电路结构和逻辑功能，但4024是7位二进制串行计数器，而芯片4040是一个12位的二进制串行计数器，所有计数器位为主从触发器，计数器在时钟下降沿进行计数。
当CR为高电平时，它对计数器进行清零，由于在时钟输入端使用施密特触发器，故对脉冲上升和下降时间没有限制，所有的输入和输出均经过缓冲。
本系统使用4040作为串行计数器，芯片4040的引脚图如图2-11所示：
图2-114040引脚图
2.3功率放大驱动电路设计
功率放大驱动芯片有多种，其中较常用的芯片有IR2110和EXB841，但由于IR2110具有双通道驱动特性，且电路简单，使用方便，价格相对EXB841便宜，具有较高的性价比，且对于直流电机调速使用起来更加简便，因此该驱动电路采用了IR2110集成芯片，使得该集成电路具有较强的驱动能力和保护功能。
2.3.1芯片IR2110性能及特点
IR2110是美国国际整流器公司利用自身独有的高压集成电路以及无闩锁CMOS技术，于1990年前后开发并且投放市场的，IR2110是一种双通道高压、高速的功率器件栅极驱动的单片式集成驱动器。
它把驱动高压侧和低压侧MOSFET或IGBT所需的绝大部分功能集成在一个高性能的封装内，外接很少的分立元件就能提供极快的功耗，它的特点在于，将输入逻辑信号转换成同相低阻输出驱动信号，可以驱动同一桥臂的两路输出，驱动能力强，响应速度快，工作电压比较高，可以达到600V，其内设欠压封锁，成本低、易于调试。
高压侧驱动采用外部自举电容上电，与其他驱动电路相比，它在设计上大大减少了驱动变压器和电容的数目，使得MOSFET和IGBT的驱动电路设计大为简化，而且它可以实现对MOSFET和IGBT的最优驱动，还具有快速完整的保护功能。
与此同时，IR2110的研制成功并且投入应用可以极大地提高控制系统的可靠性。
降低了产品成本和减少体积。
2.3.2IR2110的引脚图以及功能
IR2110将输入逻辑信号转换成同相低阻输出驱动信号，可以驱动同一桥臂的两路输出，驱动能力强，响应速度快，工作电压比较高，是目前功率放大驱动电路中使用最多的驱动芯片。
其结构也比较简单，芯片引脚图如下所示：
图2-12IR2110引脚图
2.4主电路设计
2.4.1延时保护电路
利用IR2110芯片的完善设计可以实现延时保护电路。
IR2110使它自身可对输入的两个通道信号之间产生合适的延时，保证了加到被驱动的逆变桥中同桥臂上的两个功率MOS器件的驱动信号之间有一互琐时间间隔，因而防止了被驱动的逆变桥中两个功率MOS器件同时导通而发生直流电源直通路的危险。
2.4.2主电路
从上面的原理可以看出，产生高压侧门极驱动电压的前提是低压侧必须有开关的动作，在高压侧截止期间低压侧必须导通，才能够给自举电容提供充电的通路。
因此在这个电路中，Q1、Q4或者Q2、Q3是不可能持续、不间断的导通的。
我们可以采取双PWM信号来控制直流电机的正转以及它的速度。
将IC1的HIN端与IC2的LIN端相连，而把IC1的LIN端与IC2的HIN端相连，这样就使得两片芯片所输出的信号恰好相反。
在HIN为高电平期间，Q1、Q4导通，在直流电机上加正向的工作电压。
其具体的操作步骤如下：
当IC1的LO为低电平而HO为高电平的时候，Q2截止，C1上的电压经过VB、IC内部电路和HO端加在Q1的栅极上，从而使得Q1导通。
同理，此时IC2的HO为低电平而LO为高电平，Q3截止，C3上的电压经过VB、IC内部电路和HO端加在Q4的栅极上，从而使得Q4导通。
电源经Q1至电动机的正极经过整个直流电机后再通过Q4到达零电位，完成整个的回路。
此时直流电机正转。
在HIN为低电平期间，LIN端输入高电平，Q2、Q3导通，在直流电机上加反向工作电压。
当IC1的LO为高电平而HO为低电平的时候，Q2导通且Q1截止。
此时Q2的漏极近乎于零电平，Vcc通过D1向C1充电，为Q1的又一次导通作准备。
同理可知，IC2的HO为高电平而LO为低电平，Q3导通且Q4截止，Q3的漏极近乎于零电平，此时Vcc通过D2向C3充电，为Q4的又一次导通作准备。
电源经Q3至电动机的负极经过整个直流电机后再通过Q2到达零电位，完成整个的回路。
此时，直流电机反转。
因此电枢上的工作电压是双极性矩形脉冲波形，由于存在着机械惯性的缘故，电动机转向和转速是由矩形脉冲电压的平均值来决定的。
设PWM波的周期为T，HIN为高电平的时间为t1，这里忽略死区时间，那么LIN为高电平的时间就为T-t1。
HIN信号的占空比为D=t1/T。
设电源电压为V，那么电枢电压的平均值为：
Vout=[t1-（T-t1）]V/T
=（2t1–T）V/T
=（2D–1）V
定义负载电压系数为λ，λ=Vout/V，那么λ=2D–1；
当T为常数时，改变HIN为高电平的时间t1，也就改变了占空比D，从而达到了改变Vout的目的。
D在0—1之间变化，因此λ在±
1之间变化。
如果我们联系改变λ，那么便可以实现电机正向的无级调速。
当λ=0.5时，Vout=0，此时电机的转速为0；
当0.5<
λ<
1时，Vout为正，电机正转；
当λ=1时，Vout=V，电机正转全速运行。
图2-13系统主电路
2.4.3输出电压波形
系统电路经过单片机控制的PWM信号产生电路送来的PWM信号，经过功率放大电路，形成输出电压的波形图如下图如示：
图2-14输出电压波形
2.4.4系统总体电路图
直流电机调速系统总体电路设计由单片机产生控制PWM信号发生电路产生PWM信号的数据，控制直流电机调速电路对电机进行调速。
图2-15系统总休电路图
2.5测速发电机
测速发电机是一种测量转速的微型发电机，他把输入的机械转速变换为电压信号输出，并要求输出的电压信号与转速成正比，分为直流与交流两种。
其绕组和磁路经过精确设计，输出电动势E和转速n成线性关系，即E=kn，其中k是常数。
改变旋转方向时，输出电动势的极性即相应改变。
当被测机构与测速发电机同轴连接时，只要检测出输出电动势，即可以获得被测机构的转速，所以测速发电机又称速度传感器。
测速发电机广泛应用于各种速度或者位置控制系统，在自动控制系统中作为检测速度的元件，以调节电动机转速或者通过反馈来提高系统稳定性和精度。
2.6滤波电路
经整流后的单向直流或单向脉动直流电，都是由强度不变的直流成分和一个以上的交流成分叠加形成的。
为了使脉动直流电变得较为平稳，把其中的交流成分滤掉，叫做滤波。
滤波有电容滤波、电感滤波等。
本系统中对直流电采用电容滤波的方式，使得直流电压变得更加平稳，调速更加精确。
电路图如图2-15所示：
图2-16滤波电路
2.7A/D转换
2.7.1芯片选型
能够进行A/D转换的芯片很多，其中AD系列的有8位A/D转换器ADC0809、AD570、AD670、AD673、AD7574等，TLC系列的有TLC545等，其中较为常用的是ADC0809和TLC545，TLC545是美国TEXAS仪器公司新推出的一种开关电容结构逐次逼近式8位A/D转换器，具有19个模拟输入端。
而ADC0809是采样频率为8位的、以逐次逼近原理进行模—数转换的器件。
其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换，具有地址锁存控制的8路模拟开关，应用单一的+5V电源，其模拟量输入电压的范围为0V---+5V，其对应的数字量输出为00H---FFH，转换时间为100μs，无须调零或者调整满量程。
因此本系统采用ADC0809作为A/D转换芯片。
2.7.2ADC0809的引脚及其功能
ADC0809有28个引脚，其中IN0---IN7接8路模拟量输入。
ALE是地址锁存允许，
、
接基准电源，在精度要求不太高的情况下，供电电源就可以作为基准电源。
START是芯片的启动引脚，其上脉冲的下降沿起动一次新的A/D转换。
EOC是转换结束信号，可以用于向单片机申请中断或者供单片机查询。
OE是输出允许端。
CLK是时钟端。
DB0---DB7是数字量的输出。
ADDA、ADDB、ADDC接地址线用以选定8路输入中的一路，引脚详见图2-16。
图2-17ADC0809引脚图
3.系统软件部分的设计
3.1PI转速调节器原理图及参数计算
图3-1PI转速调节器原理图
按照典型II型系统的参数选择方法，转速调节器参数和电阻电容值关系如下:
Kn=Rn/R0Γn=Rn/CnTon=1/4R0*Con
参数求法：
电动机P=10KWU=220VI=55An=1000转/分电枢电阻R=0.5欧姆取滤波电路中Ro=40千欧Rn=470千欧Cn=0.2uFCon=1uF则：
Umax=220V
Umin=（220/0.9）*0.5=122V
Yi-1=0W=1000转/分
P=Kp=Rn/Ro=11.7
I=Kp*T/Ti=125
3.2系统中的部分程序设计
软件由1个主程序、1个中断子程序和1个PI控制算法子程序组成。
3.2.1主程序设计
主程序主程序是一个循环程序，其主要思路是，先设定好速度初始值，这个初始值与测速电路送来的值相比较得到一个误差值，然后用PI算法输出控制系数给PWM发生电路改变波形的占空比，进而控制电机的转速。
其程序流程图如图所示。
主程序主程序是一个循环程序，其主要思路是由单片机P1口生数据送到PWM信号发生电路，然后用PI算法输出控制系数给PWM发生电路改变波形的占空比进而控制电机的转速。
主程序流程图如图3-2所示：
图3-2主程序流程图
3.2.2PI控制算法子程序设计
/*PI控制算法子程序*/
voidPID_work（）
{
negsum=0;
possum=0;
if（BJ==0）
{
possum+=k1;
temp[2]=temp[2]+temp[0];
}
else
negsum+=k1;
temp[2]=temp[2]-temp[0];
k3=temp[2]/10;
if（possum>
negsum）
{
k2=possum-negsum;
//存储结果
CY=0;
temp[1]=k3+k1;
//误差积累，
{
if（CY==1）//16位判断。
UK=0xfe;
else
UK=k1+k3;
}
else
UK=1;
P3=UK;
附录
1．详细电路设计图
2．程序
（1）延时程序
voiddealy（）
uchari;
for（i=0;
i<
100;
i++）;
}
voidt0（void）interrupt1using0//定时T0中断服务函数
tcnt++;
//每过250usttcnt加一
if（tcnt==40）//计满40次（1/100秒）时
{
tcnt=0;
//重新再计
sec++;
if（sec==10）//定时0.1秒，在从零开始计时
sec=0;
TH0=0x06;
//对TH0TL0赋值
TL0=0x06;
miaoshu=count;
count=0;
}
（2）PID运算子程序
（3）主程序
voidmain（）
{
P1=0x00;
P3=0x00;
TMOD=0x01;
/*定时器0方式1*/
TH0=0xfc;
/*定时器装载初值*/
TL0=0x18;
ET0=1;
/*开定时器0中断*/
TR0=1;
/*启动定时器0*/
while
（1）
if（P1_0==1）
P1=0xff;
if（P1_1==1）
EA=0;
/*关CPU中断*/
if（P1_2==1）
dir=~dir;
/*转向控制*/
while（P1_2!
=0）
{};
if（P1_3==1）
high++;
if（high==30）
high=0;
while（P1_3!
}
}
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