基于单片机pwm

基于单片机实现直流电机PWM调速系统1完成日期：2009年6月12日答辩组长：年月日摘要本文主要研究了利用MCS-51系列单片机控制PWM信号从而实现对直流电机转速进行控制的方法。文章中采用了专门的芯片组成了PWM信号的发生系统，并且对PWM信号的原理、产生方法以及如何通过软件编程对PWM信号占空比进行调节，从而控制其输入信号波形等均作了详细的阐述。此外，本文中还采用了芯片IR2110作为直流电机正转调速功率放大电路的驱动模块，并且把它与延时电路相结合完成了在主电路中对直流电机的控制。另外，本系统中使用了测速发电机对直流电机的转速进行测量，经过滤波电路后，将测量值送到A/D转换器，并且最终作为反馈值输入到单片机进行PI运算，从而实现了对直流电机速度的控制。在软件方面，文章中详细介绍了PI运算程序，初始化程序等的编写思路和具体的程序实现。关键词：PWM信号测速发电机PI运算基于单片机实现直流电机PWM调速系统2目录1.系统硬件电路的设计………………………………………………………11.1系统总体设计框图及单片机系统的设计…………………………………11.1.1系统总体设计框图……………………………………………………11.1.28051单片机简介………………………………………………………11.1.3单片机系统中所用其他芯片简介……………………………………31.1.48051单片机扩展电路及分析…………………………………………51.2PWM信号发生电路设计……………………………………………………81.2.1PWM的基本原理…………………………………………………………81.2.2PWM信号发生电路设计…………………………………………………81.2.3PWM发生电路主要芯片的工作原理……………………………………101.3功率放大驱动电路设计……………………………………………………121.3.1芯片IR2110性能及特点………………………………………………121.3.2芯片IR2110引脚图及功能……………………………………………121.4主电路设计…………………………………………………………………151.4.1延时保护电路…………………………………………………………151.4.2主电路…………………………………………………………………151.4.3输出电压波形…………………………………………………………171.5测速发电机………………………………………………………………17基于单片机实现直流电机PWM调速系统31.6滤波电路…………………………………………………………………171.7A/D转换…………………………………………………………………181.7.1芯片ADC0809介绍………………………………………………………181.7.2ADC0809的引脚及其功能……………………………………………182.直流调速系统…………………………………………………………………202.1直流调速系统概述…………………………………………………………202.2单闭环直流调速系统………………………………………………………202.3开环系统机械特性和闭环系统静特性的比较……………………………223.系统软件程序的设计…………………………………………………………253.1PI转速调节器原理图及参数计算………………………………………253.2系统中部分程序的设计……………………………………………………253.2.1单片机资源分配………………………………………………………253.2.2程序流程图……………………………………………………………28总结……………………………………………………………………………30致谢……………………………………………………………………………31参考文献基于单片机实现直流电机PWM调速系统41.系统硬件电路的设计1.1系统总体设计框图及单片机系统的设计1.1.1系统总体设计框图图1.1系统总体设计框图1.1.28051单片机简介1.8051单片机的基本组成8051单片机由CPU和8个部件组成，它们都通过片内单一总线连接，其基本结构依然是通用CPU加上外围芯片的结构模式，但在功能单元的控制上采用了特殊功能寄存器的集中控制方法。其基本组成如下图所示：8051单片机PWM信号的产生与放大直流电机测速发电机滤波电路A/D转换基于单片机实现直流电机PWM调速系统5图1.28051单片机基本组成2.CPU及8个部件的作用功能介绍如下中央处理器CPU：它是单片机的核心，完成运算和控制功能。内部数据存储器：8051芯片中共有256个RAM单元，能作为存储器使用的只是前128个单元，其地址为00H—7FH。通常说的内部数据存储器就是指这前128个单元，简称内部RAM。特殊功能寄存器：是用来对片内各部件进行管理、控制、监视的控制寄存器和状态寄存器，是一个特殊功能的RAM区，位于内部RAM的高128个单元，其地址为80H—FFH。内部程序存储器：8051芯片内部共有4K个单元，用于存储程序、原始数据或表格，简称内部ROM。并行I/O口：8051芯片内部有4个8位的I/O口（P0，P1，P2，P3），以实现数据的并行输入输出。串行口：它是用来实现单片机和其他设备之间的串行数据传送。定时器：8051片内有2个16位的定时器，用来实现定时或者计数功能，并且以其定时或计数结果对计算机进行控制。中断控制系统：该芯片共有5个中断源，即外部中断2个，定时/计数中断2个和串行中断1个。振荡电路：它外接石英晶体和微调电容即可构成8051单片机产生时钟脉冲序列的时钟电路。系统允许的最高晶振频率为12MHz。3.8051单片机引脚图基于单片机实现直流电机PWM调速系统6图1.38051单片机引脚图1.1.3单片机系统中所用其他芯片简介1.地址锁存器74LS37374LS373片内是8个输出带三态门的D锁存器。其结构如下图所示：图1.474LS373片内三态门的D锁存器当使能端G呈高电平时，锁存器中的内容可以更新，而在返回低电平的瞬间实现锁存。如果此时芯片的输出控制端____OE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。以下是其引脚图：基于单片机实现直流电机PWM调速系统7图1.574LS37引脚图2.程序存储器27128(1)芯片引脚图1.6程序存储器27128引脚图（2）功能表引脚工作方式____CE（片选）____OE（允许输出）VPP_______PGM（编程控制）输出读LLVCCH数据输出维持H*VCC*高阻基于单片机实现直流电机PWM调速系统8编程LHVPPL数据输入编程校验LLVPPH数据输出编程禁止H*VPP*高阻表1.1功能表3．数据存储器6264（1）芯片引脚图1.7数据存储器6264芯片引脚（2）芯片功能表引脚工作方式_____1CE_____2CE_____OE_____WEI/O0-—I/O7未选中H***高阻未选中*L**高阻输出禁止LHHH高阻基于单片机实现直流电机PWM调速系统9读LHLH数据输出写LHHL数据输入写LHLL数据输入表1.2芯片功能表1.1.48051单片机扩展电路及分析图1.88051单片机扩展电路接线分析基于单片机实现直流电机PWM调速系统10P0.7---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，如下表所示：P3口的位第二功能注释P3.0RXD串行数据接收口P3.1TXD串行数据发送口P3.2______0INT外中断0输入P3.3______1INT外中断1输入P3.4T0计数器0计数输入P3.5T1计数器1计数输入P3.6_____WR外部RAM写选通信号P3.7____RD外部RAM读选通信号表1.3P3口功能表VCC为+5V电源线，VSS为接地线。ALE/_________PROG：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/_________PROG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。在不访问片外存储器时，8051自动在ALE/_________PROG线上输出频率为1/6fOSC的脉冲序列。该脉冲序列可以用作外部时钟基于单片机实现直流电机PWM调速系统11源或者作为定时脉冲源使用。____EA/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____EA=1，那么允许使用片内ROM；如果____EA=0，那么允许使用片外ROM。________PSEN：片外ROM选通线，在执行访问片外ROM的指令MOVC时，8051自动在________PSEN线上产生一个负脉冲，用于片外ROM芯片的选通。其他情况下，________PSEN线均为高电平封锁状态。RST/VPD：复位备用电源线，可以使8051处于复位工作状态。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。1.2PWM信号发生电路设计1.2.1PWM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”。如下图所示：基于单片机实现直流电机PWM调速系统12图1.9时序图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。1.2.2PWM信号发生电路设计图1.10PWM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，基于单片机实现直流电机PWM调速系统13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—