基于at89s51控制的电机调速设计.docx
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基于at89s51控制的电机调速设计
摘要
随着数字技术的迅速发展，微控制器在社会的各个领域得到了广泛的应用，由于数字系统有着模拟系统所没有的优势，如抗干扰性强、便于和PC机相联、系统易于升级维护。
本毕业设计的主要内容是根据仓库的温度调节排气扇的转速从而达到控制仓库温度的作用，同时本系统还要实现将仓库的温度和电机的转速传送到控制室的PC机上，方便工作人员对仓库的温度和情况进行远程监控。
本设计利用数字测温计DS18B20测温、用市场上常见的AT89S52单片机作为控制器、采用易于和数字系统连接的PWM波调速、用MAX232实现TTL电平和RS232电平之间信号的转换。
整个系统采用的都是数字芯片，因此系统工作稳定，升级维护方便。
关键词：
数字系统；DS18B20；AT89S52；PWM调速；
Abstract
Withtherapiddevelopmentofdigitaltechnology,micro-controllerinallareasofsocietyhavebeenwidelyused.Becausedigitalsystemhasmanyadvantageswhichanalogsystemdoesnothave,suchasstronganti-interference,simpleinterfacewiththePC,easyupgradeandmaintenanceforsystem.
ThemaincontentofgraduationprojectisthatthesystemitselfcontrolsthespeedoftheDCmotoraccordingtothetemperatureofthewarehouse.Thusweachievetocontrolthetemperatureofthewarehouse.Atthesametime,thisdesignwouldalsoliketosendthespeedandtemperaturetoPCinordertoachieveRemoteControl.Takingintoaccountoftheadvantagesofdigitalsystem,thisdesignisalmostconsistofdigitalchips,suchasdigitalthermometerchipDS18B20,readilyavailablemicrocontrollerAT89S52,TTL/RS-232levelconverterchipMAX232anddigitalpwmcontroller.Thereforethesystemisstable,easytoupgradeandmaintain.
Keywords:
digitalsystem;DS18B20;AT89S52;PWM;
1引言
1.1研究背景
随着现代生产技术的不断改进发展，企业工厂的生产能力已远远大于市场的消费能力，另外许多商品在生产和消费之间都存在着时间间隔与地域差异，因此为了调整商品在生产和消费之间的时间、地域错位，几乎各个企业设置了自己的仓库将商品储存于其中，很好的解决了这一问题。
仓库还有一个重要的作用就是商品在入仓库这一环节，工作人员可以对即将进入市场的商品在仓库进行检验，防止质量不合格或质量低下的商品进入市场，从而可以最大限度的保护本企业的名誉。
但设置仓库也有其不利的一方面，最明显的就是增加了商品的成本，最重要的是如果仓库的管理不善，那么储存的商品极易变质，从而给企业带来巨大的损失，由此可以看出仓库对于一个现代企业来说是必不可少的。
目前来说对于仓库管理的研究主要集中在两个方向：
其一，如何尽最大限度的降低仓库的运行成本从而降低商品的成本，增强企业的市场竞争力；其二，如何保证仓库储存商品处于相对静止状态时不发生物理、化学变化，保证储存商品的质量。
本毕业设计主要就是从这两点展开的。
防潮、防霉、防腐、防爆是仓库日常工作的重要内容，是衡量仓库管理质量的重要指标。
它直接影响到储备物资的使用寿命和工作可靠性。
为保证日常工作的顺利进行，首要问题是加强仓库内温度的控制工作。
对于仓库内温度的控制可以说有多种方法如通风、保温、制冷等措施，但其中最为普遍、简单的措施就是通风。
所谓通风就是利用库内外空气温度不同而形成的气压差或借助于排气扇，使库内外空气形成对流，来达到调节库内温湿度的目的。
库内外温度差距越大或排气扇转速越大，空气流动就越快；若库外有风，借风的压力更能加速库内外空气的对流。
但风力也不能过大（风力超过5级，灰尘较多）。
正确地进行通风，不仅可以调节与改善库内的温湿度，还能及时散发商品及包装物的多余水分。
正如文中所说的那样，通风一般有两种措施：
其一，利用自然地气压差就行通风，对于要求不高的仓库这是可以的，但对于要就稍微高一点的仓库靠自然通风是决对不行的；其二，就是靠排气扇，即电动机带动的风扇就行通风。
这种方法可以人工控制电机的转速从而控制通风的强度，且可以在任何需要通风的地方安装排气扇，效果明显、与其它方法相比成本最低，此种方法在各种仓库中得到广泛应用。
而现在的大部分仓库的排气扇控制系统都是开环的，需要人工进行控制，反应比较慢。
造成了不必要的电能浪费。
本设计就是根据此问题对仓库的排气扇控制系统进行了改进，通过测量仓库的温度来控制排气扇的转速，以控制仓库的通风的强度。
由于其可以根据实际需要控制电机转速，因此避免了不必要的电能浪费，降低了仓库的成本，具有非常强的实际应用性。
1.2课题研究意义
随着科学技术的进步,科技成果越来越迅速地应用于社会生活中,为人类提供新的认识外部世界和自身的途径,带来巨大的利益和效益,深刻影响着人类的生存方式。
特别是近四十年来电子计算机的发展经历了从电子管、晶体管、中小规模集成电路到大规模集成电路这样四个阶段，尤其是随着半导体集成技术的飞跃发展，七十年代初诞生了新型的电子计算机—微型计算机，使得计算机应用日益广泛，而单片微型计算机的问世，则更进一步推动了这一发展趋势，使计算机应用渗透到各行各业，达到了前所未有的普及程度。
在国内由于单片机具有功能强、体积小、可靠性好、价格低廉等独特优点，因此，在智能仪器仪表、工业自动控制、计算机智能终端、家用电器、儿童玩具等许多方面，都已得到了很好的应用，因而受到人们高度重视，取得了一系列科研成果，成为传统工业技术改造和新产品更新换代的理想机种，具有广阔的发展前景。
本文就是针对目前的仓库排气扇控制系统大多数是模拟系统，虽然其技术成熟，但其致命的弱点就是不利于和最新的数字控制器结合，从而给整个仓库管理系统的升级带来了很大的不便，且其也不便与和PC上位机进行通信，以实现系统的远程监控，从而减少工作人员的工作量。
另外在目前的电机调速系统中，尽管交流电机在调速控制领域取得了飞速的发展，在许多领域取代了直流电机，但直流电机的控制技术最为成熟，且和交流电机相比其调速系统更为方便，最重要的还是其调速系统成本远远低于交流电机，虽然直流电机在高速运转时会出现一系列问题，但仓库排气扇的转速和高速相比要低的多，故不必考虑这一问题，因此本设计中的排气扇采用的就是直流电机。
传统的直流电机调速方法很多，如调压调速、弱磁调速等，它们存在着调速响应慢、精度差、调速装置复杂的缺点。
目前随着电力开关半导体器件的发展，直流电机脉宽调制（PWM）直流调速技术得到了飞速发展，它具有的调速精度高、响应速度快、调速范围宽和耗损低等特点，使它成成为直流电机应用的主要调速方式。
本文所要讲的就是基于市场上比较常见且价格便宜的AT89S52单片机所设计的。
利用价格只有几块钱的单片机来产生PWM波，其整体设计是在单片机里完成的因此系统升级、修改更加方便。
2系统概述
2.1系统结构图
本毕业设计采用模块化设计思想，整个系统由五大模块组成，分别是PWM波模块、电机模块、测温模块、显示模块、测速模块。
各个模块之间的关系如结构图2-1所示。
图2-1系统结构图
本设计的工作原理是，首先由测温电路每隔一秒测一次仓库的实际温度，再利用单片机将此温度储存起来：
一方面传给LCD和上位机显示；另一方面要对位读数据进行判断。
电机的调速方式有三种：
按键调速、上位机调速和根据温度自动调速。
现假设系统工作在方式三，且不妨设将温度数据储存在名字为wendu的内存中，当wendu<0（摄氏度，后面的不作说明默认即为此）时，说明仓库内温读较低，不需要降温，因此关闭电机，省电，当050时说明仓库温度过高，电机全速运行，最大限度的通风。
电机的调速方式可以通过按键调节，默认的是调速方式三。
另外系统还设了加速键、减速键，当然其只有系统工作在调速方式一时在起作用，系统中还有转向、工作模式调节键，这写功能也可以在上位机上直接实现。
设计中为了使工作人员更好的操作系统，设置了四个工作状态指示灯，正转、反转、转向以及工作模式指示灯。
系统中还把电机的转速测了出来并且显示出来，以监视电机是否工作正常。
2.2系统原理简介
2.2.1主控制器工作原理
下面将对结构图中的各个模块作一简单介绍以对本设计有一个大致的了解。
如图2-1系统结构图中所示本设计主要利用了单片机AT89S52以下三个资源：
其一，利用52单片机的定时器T0和T2来产生PWM波，这里没有采用定时器T1的原因是定时器T1要用来作为单片机异步串行通信口的波特率发生器，且T2口的16位计时器可以利用RCAP2H、RCAP2L实现自动重装，一方面是软件设计变得简单，另一方面使得定时器的定时误差降低。
具体怎样利用T0和T2产生PWM波将会在后面的章节中详细讲解；其二，利用单片机自身携带的异步串行通行口P3.0（TXD）和（P3.1RXD）和上位机（PC）进行通信，在本系统中将串行口设置为工作方式1，波特率为9600，通过RS-232串口座（9针）与上位机相连。
经过实际硬件检验，其通信效果非常好；其三，采用单片机的外部中断0（P3.2）对霍尔传感器传过来的脉冲进行计数，并且通过内部的数据处理程序来计算出电机的转速，然后将转速数据送到LCD显示器和上位机。
当然了单片机在本系统中还起其它着重要作用，如对温度传感器的驱动控制、大量的数据处理以及做出一些逻辑判断控制电机的转速等功能。
由于在后面的章节中还会详细阐述在这里不再详述。
2.2.2显示电路原理
设计中的显示部分采用两种方案：
LCD1602和上位机显示。
LCD1602主要是为了方便工作人员在现场查看以及现场维修调试系统时查看系统工作是否正常，这里使用的LCD1602用5V电压驱动，带背光，可显示两行，每行16个字符，不能显示汉字，内置含128个字符的ASCⅡ字符集字库，只有并行接口，无串行接口，操作方便、简捷，在实际应用中其显示的内容清晰、美观。
上位机显示主要是为了方便控制室的操作人员进行远程检测仓库的温度状况和系统工作情况。
本设计的单片机与PC机通信采用的是RS-232协议，这是因为计算机的串口为RS-232电平。
RS-232协议用的是负逻辑电平，其中高电平为-12V，低电平为+12V。
而单片机用的是TTL电平，其高电平时+5V，低电平为0V。
因此二者不能直接通信，本设计用的是常用的TTL/COMS和RS-232电平转换芯片MAX232，其操作简单，性能稳定，后面的章节中会给出其具体的用法，在这里不再详述。
系统中所用到的测温装置用的是集成数字测温芯片DS18B20该芯片效率高，具有较强的稳定性和灵活性，且其采用1—wire技术使其和单片机的接口大大简化，节约了单片机的I/O口。
系统中的电机驱动模块才用L298芯片，其内部实际上集成了两个H桥电路，使用方便，性能稳定，电机的测速电路采用的是霍尔传感器，霍尔传感器本身已带有滤波电路，所以外部就不用再加了。
系统中还设置了四个按键四个工作状态指示，按键有加速键、减速键、换向键和工作模式转换键，工作指示灯由LED发光二极管组成，分别为正转指示灯、反转指示灯、自动调速指示灯和手动调速指示灯。
3各模块的分析、计算与硬件电路设计
3.1PWM发生器模块
脉宽调制（PWM）调速是利用数字输出对模拟电路进行控制的一种有效技术，目前它在数字系统中是应用最多的调速方案，这是因为除了PWM技术容易与数字控制器相联接这一优点外，它在对电机的转速控制方面，可大大节省能量，PWM具有很强的抗噪性，且有节约空间、比较经济等特点，而模拟控制电路有以下缺陷:
模拟电路容易随时间漂移，会产生一些不必要的热损耗，以及对噪声敏感等。
而在用了PWM技术后，避免了以上的缺陷，实现了用数字方式来控制模拟信号，可以大幅度降低成本和功耗。
目前市场上有很多专用的PWM发生芯片，虽然其性能稳定、操作方便，但是像这种芯片价格一般都比较贵，所以本设计采用价格便宜的单片机来作PWM发生器。
用单片机来做PWM发生器的优点是明显的：
其一，系统设计成本大大降低；其二，单片机也是本系统的中心控制芯片，将PWM发生器模块设计在中心控制芯片内，不仅简化了系统的接口，而且使控制器更容易控制PWM波。
由于本设计是利用单片机AT89S52的资源来产生PWM波，故在对PWM波产生的原理介绍之前，应该先介绍一下AT89S52芯片。
3.1.1AT89S52单片机介绍
AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在线可编程Flash存储器。
使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在线可编程，亦适于常规编程器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在线可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
AT89S52具有以下标准功能：
8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。
另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单机一切工作停止，直到下一个硬件复位为止。
图3-1就是在实际应用中常用的引脚图。
图3-1AT89S52引脚图
AT89S52内部集成了很多资源，鉴于网上有很多这方面的资料，在这里不再一一详述，本文只对设计中用到的资源展开叙述。
①AT89S52内部设有三个16位可编程的定时器/计数器，简称定时器0、1、2，分别用T0、T1和T2来表示。
它们的工作方式、定时时间、量程、启动方式等均可以通过程序来设置和改变。
其中定时器T0和T1的用法一样，其内部由特殊功能寄存器TCON、TMOD以及T0、T1组成。
其中TMOD为模式控制寄存器，主要用来值定时器/计数器的工作模式；TCON为控制寄存器，主要用来控制定时器的启动和停止。
两个16位的工作寄存器T0、T1是定时器/计数器的核心，它们均可分成2个独立的8位计数器即TH0、TL0、TH1和TL1，均是加1的计数器。
加1计数器的脉冲有两个来源，一个是外部脉冲源，另一个是系统时钟振荡器。
计数器对两个脉冲源之一进行输入计数每输入一个脉冲，计数值加1。
T2定时器和T0、T1的用法有所不同，并且具有除了定时、计数的功能外还有捕捉、时钟输出这些额外功能。
本设计中只用到了其定时器功能，它的主要控制寄存器是T2CON。
②单片机中的串行接口是一个全双工通信接口，即能同时进行数据的发送和接收。
它可以作UART（通用异步接收和发送器）用，也可以用作同步移位寄存器，其帧格式和波特率均可通过软件编程设置。
本设计中串行口工作在UART方式，即工作在方式1。
方式1为10位数据，一个起始位、8个数据位和一个停止位，波特率可以改变（由定时器T1的溢出频率决定，并可由SMOD加倍）。
对其的控制主要在控制寄存器SCON和PCON。
③单片机有2个外部中断口INT0和INT1,其中断请求信号分别由P3.2、P3.3引脚输入，可选择低电平有效或下降沿有效（分别由IT0和IT1设置）。
中断的控制分别由中断请求标志寄存器TCON、SCON，中断允许寄存器IE，中断优先级寄存器IP。
3.1.2PWM发生器原理
在介绍如何用52单片机产生PWM之前，先向大家简单介绍一下PWM调速原理。
图3-2PWM波
图3-2即为单片机产生的PWM波，现不妨设方波高电平的时间为
，低电平的时间为
，且设PWM波的周期为T,易得T=
+
。
我们定义
为占空比，
（3-1）
则PWM波输出的平均电压
，其中
为高电平的电压，通过调节占空比
，即可达到调节平均电压U的目的，从而实现调压调速。
从上面的介绍中我们很容易得出产生PWM波的两个重要参数：
方波周期T和高电平时间
，显然
。
我们只要利用单片机来控制这两个参数就可以产生想要的PWM波。
脉宽调制的方式有三种：
定频调宽、定宽调频和调宽调频。
本设计采用了定频调宽方式上面介绍的PWM调速原理也就是基于此种方式，采用这种方式的优点是电动机在运转时比较稳定，并且在采用单片机产生PWM脉冲的软件实现上比较方便。
对于实现方式则有两种方案。
方案一：
采用定时器做为脉宽控制的定时方式，这一方式产生的脉冲宽度极其精确，误差只在几个us。
方案二：
采用软件延时方式，这一方式在精度上不及方案一，特别是在引入中断后，将有一定的误差。
但是基于不占用定时器资源，且对于直流电机，采用软件延时所产生的定时误差在允许范围。
本设计定时器并没有被占用，因此采用方案一。
3.1.3PWM波程序设计
设计中用到的定时器为T0、T2，T1用来控制串口的波特率。
由于T2定时具有16位自动重装功能，因此将其作为周期T的计数，设计中设定PWM波的周期T=10ms，晶振采用的是11.0592MHZ，晶振频率的选择主要是依据串口而定的，只有选择这样大小的晶振，串口波特率的计算结果和实际值的误差才会是0。
为了达到10ms计时，只需将寄存器TH2、RCAP2H初始化为0xdc，寄存器TL2、RCAP2L初始化为0x00即可，T2寄存器有多种工作方式，为了使其工作在自动重装模式只需将T2控制寄存器初始化为0x00即可。
这样当T2开始计数后，一旦计时到0xffff，RCAP2HRCAP2L的值会自动重装到TH2TL2，并且会在其中断程序中，将脉冲输出口clkz（若反转为clkf）清零，且启动定时器T0。
T0用来控制何时将clkz置为高电平，当T0口溢出时进入中断，关闭clkz=1、关闭T0，也就是说T0的计数初值越大，其进入中断的时间就越早，从而clkz高电平的时间就越长即占空比越大。
对T0的初始化为TMOD=0x21、TH0=pwmh、TL0=pwml，pwmh、pwml为T0计时初值根据情况而定。
图3-3即为PWM波程序的流程图。
图3-3PWM波流程图
3.2串行通信模块
本设计中用到的单片机串口其工作方式为1，由于单片机输出的是TTL电平而PC机com口为RS-232电平，因此二者不能够直接通信。
设计中采用了点品转换芯片MAX232，其工作性能稳定、抗干扰能力强，最重要的是对芯片的操作简单，不需要单片机对芯片进行控制操作，只需将引脚连接正确即可工作。
3.2.1MAX232芯片简介
在介绍单片机部分程序设计之前，我们先介绍一下MAX232芯片的用法，这要在后面介绍单片机通信模块电路设计时有利于大家的理解。
MAX232是由德州仪器公司（TI）推出的一款兼容RS232标准的芯片。
由于电脑串口RS232电平是-12v～+12v，而一般的单片机应用系统的信号电压是TTL电平0～+5v,MAX232就是用来进行电平转换的,该器件包含2驱动器、2接收器和一个电压发生器电路提供TIA/EIA-232-F电平。
该器件符合TIA/EIA-232-F标准，每一个接收器将TIA/EIA-232-F电平转换成5VTTL/CMOS电平。
每一个发送器将TTL/CMOS电平转换成TIA/EIA-232-F电平。
其引脚图如图3-4所示。
表3-1是MAX232芯片的引脚功能说明，在3.2节的最后会给出其实际应用中的连接图。
图3-4MAX232引脚图
表3-1MAX232引脚功能
引脚
引脚功能说明
1、3，3、4引脚
16（VCC）
15（GND）
2，6（V+，V-）
11（T1in）10（T2in）
14（T1out）
7（T2out）
12（R1out）
9（R2out）
13（R1in）
8（R2in）
电源变换电路一部分，实际应用中接0.1uF的非极性瓷片电容即可
16、15引脚分别接+5v电源和地，实际应用中器件对电源噪声很敏感，因此电源必须接0.1uF去耦电容
是电源变换电路的一部分，应当分别通过0.1uF的电容接电源和地
11、10引脚的功能一样，均是TTL/CMOS输入端，直接与单片机的TXD引脚相连即可
RS-232电平输出，直接和DB9插座相连即可
TTL/COMOS输出，直接和单片机的RXD引脚相接
RS-232输入，上位机PC通过该引脚相单片机发指令
3.2.2下位机程序设计
下位机的程序设计主要集中在单片机程序串口的初始化，由于PC上位机的波特率为9600，所以下位机单片机的程序也必须设置为9600，工作方式为1，单片机规定在工作方式为1时，其波特率由定时器/计数器T1的溢出率与SMOD位共同控制。
设晶振频率为f，其波特率可表示为：
（3-2）
在式3-2中，定时器T1的计数值等于M-X，X为计数初值，M为定时器最大的计数值，与工作方式有关。
使用时一般将其设置为方式2，即自动重装模式。
当T1工作在方式2时，其计数初值和波特率的关系如公式3-3，
（3-3）
根据公式3-3即可计算出本设计的计数初值，在本文中SMOD=0，波特率9600，晶振11.0592，所以X=0xfd。
在程序中不断查询RI标志位，若RI=1则说明接收到了上位机发送的数据，然后判断此数据的大小：
1若为0，就将温度值、速度值传送给PC机。
2若为1，系统自动进入手动调速模式，并且进行一次加速操作。
3若为2，系统自动进入手动调速模式，并且进行一次减速操作。
4若为3，转换电机的转动方向。
5
若为4，电机调速进入根据温度自动调速模式。
图3-5串口连接电路图
3.2.3上位机设计
上位机的设计我们采用专门对PC机串口操作的软件“串口调试助手”。
该串口调试助手是一款绿色软件，且其界面友好，操作简单。
该款软件可以支持计算机上的所有com串口，在毕业设计中采用的是电脑上的com1口；本软件支持多种串口传输方式，可以在软件中进行设置，本毕业设计中采用的是串口传输方式1；串口传输数据的波特率为1200～115200，计算机串口的波特率大多数位9600，所以在软件的波特率应设置成为9600。
本毕业设计中上位机软件的详细参数设置如图3-6所示。
图3-6上位机软件
3.3测温电路
在本设计中，由于大量使用了数字芯片，为了使测温电路的接口简单化，所以测温器件采用了单线数字温度传感器DS18B20,不需要专用A/D转换电路来实现温度量由模拟量到数字量的变换，并可与单片机直
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