基于51單片機的直流電機的PID控制器畢業(yè)論文

1、第一章 緒論 1.1 前言21世紀，科學技術日新月異，科技的進步帶動了控制技術的發(fā)展，現(xiàn)代控制設備的性能和結構發(fā)生了翻天覆地的變化。我們已進入高速發(fā)展的信息時代，控制技術成為當今科技的主流之一，廣泛深入到研究和應用工程等各個領域?？刂评碚摰陌l(fā)展經歷了古典控制理論、現(xiàn)代控制理論和智能控制理論三個階段。其控制系統(tǒng)包括控制器傳感器變送器執(zhí)行機構輸入輸出接口。控制器的輸出經過輸出接口執(zhí)行機構、加到被控系統(tǒng)上；控制系統(tǒng)的被控量、經過傳感器、變送器、通過輸入接口送到控制器。不同的控制系統(tǒng)、傳感器變送器執(zhí)行機構是不一樣的。比如壓力控制系統(tǒng)要采用壓力傳感器。電加熱控制系統(tǒng)的傳感器是溫度傳感器。目前，pid控制

2、及其控制器或智能pid控制器已經很多，產品已在工程實際中得到了廣泛的應用。受益于數(shù)十年來全球經濟高速成長所獲得的pid控制成果,在中國市場，一大批機器設備制造商正處于蓬勃發(fā)展階段，除滿足本土市場龐大的機器設備需求外，走向國際市場，參與國際競爭也成為現(xiàn)實需求。在應用方面，這種控制技術已經滲透到了醫(yī)療、汽車制造、鐵道運輸、航天航空、鋼鐵生產、物流配送、飲料生產等多個方面。但是由于中國科技落后，為此，我們需要更進一步的學習、掌握與應用先進的控制技術與解決方案，以提升設備性能、檔次與市場競爭力。在國外，尤其在運動控制及過程控制方面pid控制技術的應用更是越來越廣泛和深入。隨著科技的進步，人們對生活舒適

3、性的追求將越來越高，pid控制技術作為一項具有發(fā)展前景和影響力的新技術，正越來越受到國內外各行業(yè)的高度重視。1.2 直流電動機控制的發(fā)展歷史常用的控制直流電動機有以下幾種:第一，最初的直流調速系統(tǒng)是采用恒定的直流電壓向直流電動機電樞供電，通過改變電樞回路中的電阻來實現(xiàn)調速。這種方法簡單易行設備制造方便，價格低廉。但缺點是效率低、機械特性軟、不能在較寬范圍內平滑調速，所以目前極少采用。第二，三十年代末，出現(xiàn)了發(fā)電機-電動機(也稱為旋轉變流組)，配合采用磁放大器、電機擴大機、閘流管等控制器件，可獲得優(yōu)良的調速性能，如有較寬的調速范圍(十比一至數(shù)十比一)、較小的轉速變化率和調速平滑等，特別是當電動機

4、減速時，可以通過發(fā)電機非常容易地將電動機軸上的飛輪慣量反饋給電網(wǎng)，這樣，一方面可得到平滑的制動特性，另一方面又可減少能量的損耗，提高效率。但發(fā)電機、電動機調速系統(tǒng)的主要缺點是需要增加兩臺與調速電動機相當?shù)男D電機和一些輔助勵磁設備，因而體積大，維修困難等。第三，自出現(xiàn)汞弧變流器后，利用汞弧變流器代替上述發(fā)電機、電動機系統(tǒng)，使調速性能指標又進一步提高。特別是它的系統(tǒng)快速響應性是發(fā)電機、電動機系統(tǒng)不能比擬的。但是汞弧變流器仍存在一些缺點:維修還是不太方便，特別是水銀蒸汽對維護人員會造成一定的危害等。第四，1957年世界上出現(xiàn)了第一只晶閘管，與其它變流元件相比，晶閘管具有許多獨特的優(yōu)越性，因而晶閘管

5、直流調速系統(tǒng)立即顯示出強大的生命力。由于它具有體積小、響應快、工作可靠、壽命長、維修簡便等一系列優(yōu)點，采用晶閘管供電，不僅使直流調速系統(tǒng)經濟指標上和可靠性有所提高，而且在技術性能上也顯示出很大的優(yōu)越性。晶閘管變流裝置的放大倍數(shù)在10000以上，比機組(放大倍數(shù)10)高1000倍，比汞弧變流器(放大倍數(shù)1000)高10倍;在響應快速性上，機組是秒級，而晶閘管變流裝置為毫秒級。從20世紀80年代中后期起，以晶閘管整流裝置取代了以往的直流發(fā)電機電動機組及水銀整流裝置，使直流電氣傳動完成一次大的躍進。同時，控制電路也實現(xiàn)了高度集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技術的應用，使直流調速系統(tǒng)的性能指標大

6、幅提高，應用范圍不斷擴大，直流調速技術不斷發(fā)展。隨著微型計算機、超大規(guī)模集成電路、新型電子電力開關器件和新型傳感器的出現(xiàn)，以及自動控制理論、電力電子技術、計算機控制技術的深入發(fā)展，直流電動機控制也裝置不斷向前發(fā)展。微機的應用使直流電氣傳動控制系統(tǒng)趨向于數(shù)字化、智能化，極大地推動了電氣傳動的發(fā)展。近年來，一些先進國家陸續(xù)推出并大量使用以微機為控制核心的直流電氣傳動裝置，如西門子公司的simoreg k 6ra24、abb公司的pad/psd等等。隨著現(xiàn)代化步伐的加快，人們生活水平的不斷提高，對自動化的需求也越來越高，直流電動機應用領域也不斷擴大。例如，軍事和宇航方面的雷達天線，火炮瞄準，慣性導航

7、，衛(wèi)星姿態(tài)，飛船光電池對太陽得跟蹤等控制；工業(yè)方面的各種加工中心，專用加工設備，數(shù)控機床，工業(yè)機器人，塑料機械，印刷機械，繞線機，紡織機械，工業(yè)縫紉機，泵和壓縮機等設備的控制；計算機外圍設備和辦公設備中的各種磁盤驅動器，各種光盤驅動器，繪圖儀，掃描儀，打印機，傳真機，復印機等設備的控制；音像設備和家用電器中的錄音機，錄像機，數(shù)碼相機，洗衣機，冰箱，電扇等的控制。隨著計算機，微電子技術的發(fā)展以及新型電力電子功率器件的不斷涌現(xiàn)，電動機的控制策略也發(fā)生了深刻的變化。電動機控制技術的發(fā)展得力于微電子技術，電力電子技術，傳感器技術，永磁材料技術，微機應用技術的最新發(fā)展成就。變頻技術和脈寬調制技術已成為電

8、動機控制的主流技術。正是這些技術的進步使電動控制技術在近二十年內發(fā)生了很大的變化。功率器件控制條件的變化和微電子技術的使用也使新型的電動機控制方法能夠得到實現(xiàn)。其中，脈寬調制（pwm）方法，變頻技術在直流調速和交流調速系統(tǒng)中得到了廣泛應用。永磁材料技術的突破與微電子技術的結合又產生了一批新型的電動機，如永磁直流電動機，交流伺服電動機，超聲波電動機等。由于有微處理器和傳感器作為新一代運動控制系統(tǒng)的組成部分，所以又稱這種運動控制系統(tǒng)為智能運動控制系統(tǒng)。所以應用先進控制算法，開發(fā)全數(shù)字化智能運動控制系統(tǒng)將成為新一代運動控制系統(tǒng)設計的發(fā)展方向。在那些對電動機控制系統(tǒng)的性能要求較高的場合（如數(shù)控機床，工

9、業(yè)縫紉機，磁盤驅動器，打印機，傳真機等設備中，要求電動機實現(xiàn)精確定位，適應劇烈負載變化），傳統(tǒng)的控制算法已難以滿足系統(tǒng)要求。為了適應時代的發(fā)展，現(xiàn)有的電動機控制系統(tǒng)也在朝著高精度，高性能，網(wǎng)絡化，信息化，模糊化的方向不斷前進。1.3直流電動機控制的研究現(xiàn)狀數(shù)字直流調速裝置，從技術上，它能成功地做到從給定信號、調節(jié)器參數(shù)設定、直到觸發(fā)脈沖的數(shù)字化，使用通用硬件平臺附加軟件程序控制一定范圍功率和電流大小的直流電機，同一臺控制器甚至可以僅通過參數(shù)設定和使用不同的軟件版本對不同類型的被控對象進行控制，強大的通訊功能使它易和plc等各種器件通訊組成整個工業(yè)控制過程系統(tǒng)，而且具有操作簡便、抗干擾能力強等特

10、點，尤其是方便靈活的調試方法、完善的保護功能、長期工作的高可靠性和整個控制器體積小型化，彌補了模擬直流調速控制系統(tǒng)的保護功能不完善、調試不方便、體積大等不足之處，且數(shù)字控制系統(tǒng)表現(xiàn)出另外一些優(yōu)點，如查找故障迅速、調速精度高、維護簡單，使其具備了廣一闊的應用前景。國外主要電氣公司如瑞典的abb公司、德國的西門子公司、aeg公司、日本的三菱公司、東芝公司、美國的ge公司、西屋公司等，均已經開發(fā)出多個數(shù)字直流調速裝置，有成熟的系列化、標準化、模板化的應用產品。我國從20世紀60年代初試制成功第一只硅晶閘管以來，晶閘管直流調速系統(tǒng)也得到迅速的發(fā)展和廣泛的應用。目前，晶閘管供電的直流調速系統(tǒng)在我國國民經

11、濟各部門得到廣泛的應用。我國關于數(shù)字直流調速系統(tǒng)的研究主要有:綜合性最優(yōu)控制，補償pid控制，pid算法優(yōu)化，也有的只應用模糊控制技術。隨著新型電力半導體器件的發(fā)展，igbt(絕緣柵雙極型晶體管)具有開關速度快、驅動簡單和可以自關斷等優(yōu)點，克服了晶閘管的主要缺點。因此我國直流電機調速也正向著脈寬調制（pulse width modulation,簡稱pwm）方向發(fā)展。我國現(xiàn)在大部分數(shù)字化控制直流調速裝置依靠進口。但由于進口設備價格昂貴，也給出了國產全數(shù)字控制直流調速裝置的發(fā)展空間。目前，國內許多大專院校、科研單位和廠家也都在開發(fā)全數(shù)字直流調速裝置。第二章 單片機的介紹2.1單片機的概述 單片機

12、自20世紀70年代問世以來，作為微型計算機的一個重要分支，得到了快速的發(fā)展。它以體積小、功能全、價格低等特點，贏得了廣泛的應用，已經滲透到了社會生活的各個領域。單片機（single-chip microcomputer）是一種集成電路芯片，采用超大規(guī)模技術把具有數(shù)據(jù)處理能力（算術運算、邏輯運算、數(shù)據(jù)傳送、中斷處理等）的微處理器（cpu）、隨機存儲器（ram）、只讀存儲器（rom）、輸入輸出接口電路（i/o）、串行通信口（sci）、脈寬調制電路（pwm）、定時計算器、a/d轉換器及d/a轉換器等電路集成到一塊半導體硅片上，這些電路能在軟件的控制下準確、迅速、高效的完成設計者事先規(guī)定的任務，這樣的

13、一塊具有一臺計算機的屬性，可以構成一個最小而完善的的計算機系統(tǒng)的電路芯片就稱為單片微型計算機，簡稱單片機。目前，單片機正朝著高性能和多品種方向發(fā)展趨勢將是進一步向著cmos（互補金屬氧化物半導體）化、低功耗、小體積、大容量、高性能、低價格和外圍電路內裝化等幾個方面發(fā)展。下面是單片機的主要發(fā)展趨勢。cmos化 cmos（complementary metal oxide semiconductor）電路的特點是低功耗、高密度、低速度、低價格。采用雙極型半導體工藝的ttl電路速度快，但功耗和芯片面積較大。隨著技術和工藝水平的提高，又出現(xiàn)了hmos（高密度、高速度mos）和chmos工藝。低功耗化

14、單片機的功耗已從ma級，甚至1ua以下；使用電壓在36v之間，完全適應電池工作。低功耗化的效應不僅是功耗低，而且?guī)砹水a品的高可靠性、高抗干擾能力以及產品的便攜化。低電壓化 幾乎所有的單片機都有wait、stop等省電運行方式。允許使用的電壓范圍越來越寬，一般在36v范圍內工作。低電壓供電的單片機電源下限已可達12v。目前0.8v供電的單片機已經問世。低噪聲與高可靠性 為提高單片機的抗電磁干擾能力，使產品能適應惡劣的工作環(huán)境，滿足電磁兼容性方面更高標準的要求。大容量化 以往單片機內的rom為1kb4kb，ram為64128b。但在需要復雜控制的場合，該存儲容量是不夠的，必須進行外接擴充。為了適

15、應這種領域的要求，運用新的工藝，使片內存儲器大容量化。目前，單片機內rom最大可達64kb，ram最大為2kb。高性能化 主要是指進一步改進cpu的性能，加快指令運算的速度和提高系統(tǒng)控制的可靠性。采用精簡指令集（risc）結構和流水線技術，可以大幅度提高運行速度。小容量、低價格化 與上述相反，以4位、8位機為中心的小容量、低價格化也是發(fā)展動向之一。這類單片機的用途是把以往用數(shù)字邏輯集成電路組成的控制電路單片化，可廣泛用于家電產品。外圍電路內裝化 這也是單片機發(fā)展的主要方向。隨著集成度的不斷提高，有可能把眾多的各種外圍功能器件集成在片內。除了一般必須具有的cpu、rom、ram、定時器/計數(shù)器等

16、以外，片內集成的部件還有模/數(shù)轉換器、dma控制器、聲音發(fā)生器、監(jiān)視定時器、液晶顯示驅動器、彩色電視機和錄像機用的鎖相電路等。串行擴展技術 在很長一段時間里，通用型單片機通過三總線結構擴展外圍器件成為單片機應用的主流結構。隨著低價位otp（one time program）及各種類型片內程序存儲器的發(fā)展，加之外圍接口不斷進入片內，推動了單片機“單片”應用結構的發(fā)展。特別是ic、spi等串行總線的引入，可以使單片機的引腳設計得更少，單片機系統(tǒng)結構更加簡化及規(guī)范化。2.2單片機的特點及應用領域2.2.1單片機的特點單片機把微型計算機的主要功能都集成在一塊芯片上，即一塊芯片就是一個微型計算機。因此，

17、單片機具有以下特點:（1）較高的性價比 目前國內市場上，有些單片機的芯片價格只有幾十元人民幣，再加上很少的外圍器件，就可以構成一臺多功能的控制機構。（2）集成度好，體積小，可靠性好 單片機把各種功能不見集成在一塊芯片上，內部采用總線結構，減少了各芯片之間的連線大大的提高了單片機的可靠性及其抗干擾能力。（3）控制功能強 單片機指令系統(tǒng)、硬件資源豐富，能充分滿足工業(yè)控制的各種要求。（4）低電壓，低功耗。 （5）開發(fā)周期短，易于產品化 可根據(jù)需要構成各種規(guī)模的應用系統(tǒng)。2.2.2單片機的應用領域單片機的應用范圍很廣，在社會生產的方方面面都得到了廣泛的應用。（1）工業(yè)自動化 如工廠流水線的智能化管理、

18、電梯智能化控制、各種報警系統(tǒng)，與計算機聯(lián)網(wǎng)構成二級控制系統(tǒng)。（2）智能儀器儀表 單片機用于各種儀器儀表，結合不同類型的傳感器，可實現(xiàn)諸如電壓、功率、頻率、濕度、溫度等物理的測量。（3）辦公自動化領域 現(xiàn)代的辦公室所使用的大部分現(xiàn)代產品多數(shù)都采用了單片機，如打印機、繪圖儀、復印機等等。（4）日常用品及家用電器領域 從電冰箱、洗衣機、空調機、數(shù)碼相機及其它視頻音像設備到智能卡、電子寵物等，形形色色，無處不在。（5）通信領域 單片機普遍具有通信接口，現(xiàn)在的通信設備基本上都實現(xiàn)了單片機的智能控制，從手機、電話機、小型程控交換機再到日常生活中的集群移動通信、限線對講機等。（6）商業(yè)營銷 采用單片機構成專

19、用系統(tǒng)已經廣泛的應用在了電子稱、收款機、條形數(shù)碼閱讀器、倉儲安全監(jiān)控系統(tǒng)、空氣調節(jié)系統(tǒng)、冷凍保鮮系統(tǒng)等生活當中的方方面面，極大的服務了人民。（7）汽車電子與航空航天電子系統(tǒng) 這些電子系統(tǒng)中的集中顯示系統(tǒng)、車上娛樂系統(tǒng)、車載安全裝置、導航系統(tǒng)、動力監(jiān)測系統(tǒng)、等都是采用單片機來實現(xiàn)控制的。雖然大多數(shù)普通單片機都具有熔絲燒斷保護單片機內代碼的功能，但由于通用低檔的單片機并非定位于制作安全類產品，因此，它們往往沒有提供有針對性的防范措施且安全級別較低。加上單片機應用場合廣泛，銷售量大，廠商間委托加工與技術轉讓頻繁，大量技術資料外瀉，使得利用該類芯片的設計漏洞和廠商的測試接口，并通過修改熔絲保護位等侵入

20、型攻擊或非侵入型攻擊手段來讀取單片機的內部程序變得比較容易。2.3 mcs-51系列單片機的結構及工作原理2.3.1 mcs-51單片機的硬件結構mcs-51是英特爾公司生產的8位高檔單片機系列，具有體積小、功能全、面向控制、開發(fā)應用方便等特點是測控領域當中較理想的八位微型計算機。mcs-51系列單片機芯片有許多種，但是它們的基本組成和基本性能是相同的。圖2-1所示是按功能劃分的mcs-51系列單片機內部結構框圖。圖2-1 mcs-51單片機內部結構框圖該圖中可以看出其各個功能部件是由內部總線緊密聯(lián)系在一起的。其基本機構如下所示:（1）1個8位中央處理器 單片機cpu的內部結構主要有算術邏輯運

21、算單元alu、累加器acc、程序狀態(tài)寄存器psw、堆棧指針sp、寄存器b、程序計數(shù)器（指令指針）pc、數(shù)據(jù)指針dptr、指令寄存器ir、暫存器（tmp）等部件構成。單片機cpu運算器內部包含一個專門進行位數(shù)據(jù)操作的布爾處理機，增加了面向控制的處理能力，可以進行位尋址等功能。（2）4k字節(jié)rom，128字節(jié)ram 片內4k字節(jié)rom存儲器為片內程序存儲器，用于存儲程序和表格。片內128字節(jié)ram為數(shù)據(jù)存儲器，可實現(xiàn)快速的數(shù)據(jù)存儲，用于存儲單片機運行期間的工作變量、運算的中間結果、數(shù)據(jù)暫存和緩沖、標志位等。（3）21個特殊功能寄存器 特殊功能寄存器反映了單片機的工作狀態(tài)，它和單片機cpu芯片的引腳

22、和內部功能的控制有關，實際上是狀態(tài)字和控制字寄存器，是一個具有特殊功能的片內ran區(qū)。用于cpu對片內各功能部件進行管理、控制和監(jiān)視等。（4）4個8位并行輸入輸出接口i/o口 4個8位并行輸入輸出接口p0口、p1口、p2口和p3口（共32根線），用于并行輸入和輸出數(shù)據(jù)。（5）1個全雙工串行i/o接口 全雙工串行口具有4種工作方式，用于單片機和其他微機之間的串行通信，可構成對及系統(tǒng)。（6）兩個16位的定時器/計數(shù)器 片內兩個16位定時器/計數(shù)器t0和t1，有4種工作方式，用于精確定時（或延時）控制及其對外部事件進行計數(shù)。（7）中斷系統(tǒng) 有5個中斷系統(tǒng)，2個可編程優(yōu)先級的中斷系統(tǒng)，用于外部中斷申請

23、，串行口中斷申請和定時器/計數(shù)器中斷申請。（8）片外可尋址64k程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器空間 片外最多可擴展64k程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器空間。（9）單一的+5v電源 片內振蕩器和定時電路，最高主時鐘頻率為12mhz。由以上可以看出，單片機的硬件結構具有功能部件種類齊全的特點，其基本組成和一般微型計算機是相同的，它只不過是把計算機的基本功能部件集成到了一塊芯片上，具有完成特定功能的微型計算機。2.3.2 mcs-51單片機的工作方式mcs-51系列單片機的工作方式有：復位方式，程序執(zhí)行方式，節(jié)電工作方式，低功耗方式以及eprom編程和校驗方式。單片機不同的工作方式，代表單片機處于不同的狀態(tài)。單片機

24、工作方式的多少是衡量單片機性能的一項重要標準。（1）復位方式：復位是單片機進入狀態(tài)的初始化操作，是使cpu和系統(tǒng)中其他部件都處于一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作。另外，當程序運行錯誤或由于錯誤操作而使單片機進入死鎖狀態(tài)時，可以通過復位進行重新啟動。復位后，單片機內部寄存器的值被初始化。mcs-51系列單片機的rst引腳是復位信號的引入端，復位信號高電平有效，單片機在時鐘電路工作以后，只是在rst端持續(xù)給出兩個機器周期（24個振蕩周期）以上的高電平就可以完成復位操作。mcs-51系列單片機的復位是由外部的復位電路來實現(xiàn)的，復位方式有：上電自動復位和按鍵手動復位。上電自動復位是通過電容充電

25、來實現(xiàn)的，通過選擇適當?shù)碾娙莺碗娮?，就能夠使rst引腳上的高電平保持兩個振蕩周期以上，以實現(xiàn)上電的同時完成單片機的復位；按鍵手動復位分為按鍵電平復位和按鍵脈沖復位兩種方式。（2）程序執(zhí)行方式：程序執(zhí)行方式是單片機的基本工作方式，也就是執(zhí)行用戶編好放在程序存儲器中的程序。程序執(zhí)行方式有兩種：連續(xù)執(zhí)行和單步執(zhí)行。連續(xù)執(zhí)行方式是所有單片機都需要的一種基本工作方式，用戶編寫好的被執(zhí)行程序放在片內或片外rom中；單步運行方式是用戶調試程序的一種工作方式，在單片機的開發(fā)系統(tǒng)上有一個專用的單步執(zhí)行按鍵，每按下一次，單片機就順序執(zhí)行一條指令（僅僅執(zhí)行一條），單片機的單步運行方式通常只在用戶調試程序時使用，用于

26、觀察每條指令的執(zhí)行情況。（3）節(jié)電工作方式：mcs-51系列單片機中有hmos（高密度溝道金屬氧化物半導體）和chmos（互補高密度溝道金屬氧化物半導體）兩種工藝芯片。hmos單片機的節(jié)電工作方式只有掉電工作方式；chmos單片機的節(jié)電工作方式有掉電工作方式和空閑工作方式兩種。單片機的節(jié)電工作方式是由其內部的電源控制寄存器pcon中的相關位來實現(xiàn)控制的，該特殊功能寄存器的地址為87h，mcs-51系列單片機的節(jié)電工作方式有空閑工作方式和掉電工作方式兩種情況，其中在掉電工作方式中，單片機的內部振蕩器停止工作，pcon的各位定義如表2-1所示。表2-1 pcon寄存器的位定義位序d7d6d5d4d

27、3d2d1d0位符號smodgf1gf0idlsmod：串行口波特率倍率控制位，用于串行口通信；gf1、gf0：通用標志位；pd：掉電方式控制位，pd=1進入掉電工作方式；idl：空閑方式控制位，idl=1進入空閑工作方式。其中退出空閑方式的方法有兩種，一種是中斷推出，另一種是按鍵復位退出；退出掉電方式的唯一方法是由硬件復位，復位時將所有的特殊功能寄存器的內容初始化，但不改變內部pam區(qū)的數(shù)據(jù)。（4）eprom編程和校驗方式：編程是指利用特殊手段對單片機內部的eprom進行寫入的過程，校驗則是對剛剛寫入的程序代碼讀出校驗的過程。內部eprom編程：編程的主要操作是將原始程序、數(shù)據(jù)寫入到內部ep

28、rom中，為了對片內eprom編程，mcs-51系列單片機的時鐘頻率應在46mhz的范圍內，要用專門的單片機開發(fā)系統(tǒng)，編程時各引腳的用法如下所示：p1口和p2口的p2.3p2.0為eprom的4k地址輸入，p1口為低8位地址；p0口為編程數(shù)據(jù)輸入；p2.6p2.4以及應為低電平，p2.7和rst為高電平；以上除rst的邏輯電平為2.5v外，其余均為ttl電平。應當注意的是ea/上編程電壓不能大于21.5v，因此要求該電壓非常穩(wěn)定。eprom校驗程序：校驗的主要操作是在向片內程序存儲器eprom寫入信息時或寫入信息后，可將片內eprom的內容讀出校驗，以保證寫入信息的正確性。第三章 直流電機3.

29、1直流電機的介紹定義輸出或輸入為直流電能的旋轉電機，稱為直流電機，它是能實現(xiàn)直流電能和機械能互相轉換的電機。直流電機是電機的主要類型之一。直流電動機以其良好的啟動性和調速性能著稱，直流發(fā)電機供電質量較好，常常作為勵磁電源。與交流電機相比直流電機的結構較復雜，成本較高，可靠性較差，使它的應用受到限制。近年來，與電力電子裝置結合而具有直流電機性能的電機不斷涌現(xiàn)，使直流電機有被取代的趨勢。盡管如此，直流電機仍有一定的理論意義和實用價值。直流電機的結構由定子和轉子兩大部分組成。直流電機運行時靜止不動的部分稱為定子，定子的主要作用是產生磁場，由機座、主磁極、換向極、端蓋、軸承和電刷裝置等組成。運行時轉動

30、的部分稱為轉子，其主要作用是產生電磁轉矩和感應電動勢，是直流電機進行能量轉換的樞紐，所以通常又稱為電樞，由轉軸、電樞鐵心、電樞繞組、換向器和風扇等組成。3.2直流電機的數(shù)學模型 直流電動機的等效電路如下圖所示。圖3-1直流電動機等效圖電路的電壓平衡方程和力矩平衡方程為: (公式3-1) (公式3-2)式中 ua 電源電壓;ia-電樞電流 ;ra-電樞電阻(包括電刷、換向器以及兩者之間的電阻);la-電樞電感;ea-電樞反電動勢;j-轉動慣量;-轉動的角速度;te-電磁轉距;tl-負載轉距;kd-轉動部分的阻尼系數(shù).永磁直流電動機的電樞反電動勢可表示為:ea=ke* (公式3-3)式中ke-反電

31、動勢常數(shù).電磁轉矩為:te=kt *ia (公式3-4)式中kt-磁轉矩常數(shù)。動態(tài)工作特性是指實際的動作與相應的動作命令之間的響應關系。將式 (3-1)、式(3-2)、式(3-3)和式(3-4)作拉氏變換，得到如下函數(shù):ua(s )=raia(s)+ lasia(s)+ ea(s) (公式3-5) js(s)=te(s)一tl(s)一kds(s) (公式3-6)ea(s)= ke(s) (公式3-7)te(s)=ktia(s) (公式3-8)上面的式子可以用下面的方框圖表示。圖3-2直流電動機數(shù)學模型第四章 仿真軟件4.1 proteus簡介 proteus 軟件是由英國 lab center

32、 electronics 公司開發(fā)的 eda 工具軟件。proteus軟件已有近 20 年的歷史，在全球已得到廣泛使用。proteus 軟件集成了高級原理布圖、混合模式spice 電路仿真、pcb 設計以及自動布線來實現(xiàn)一個完整的電子設計系統(tǒng)。如圖 4-1 所示，proteus 是一個完整的嵌入式系統(tǒng)軟、硬件平臺：isis 為功能強大的原理布線工具；ares pcb 設計為一個完整的 pcb 設計系統(tǒng)。高級圖形分析 proteus處理器仿真模塊動態(tài)器件庫混合模型反震原理圖編輯isis布線系統(tǒng)ares圖4-1 proteus分解圖4.2 keil簡介keil c51是美國keil softwar

33、e公司出品的51系列兼容單片機c語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，c語言在功能上、結構性、可讀性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學易用。keil提供了包括c編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調試器等在內的完整開發(fā)方案，通過一個集成開發(fā)環(huán)境（uvision）將這些部分組合在一起。運行keil軟件需要win98、nt、win2000、winxp、win7等操作系統(tǒng)。keil c51軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強大的集成開發(fā)調試工具，全windows界面。另外重要的一點，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會到keil 的優(yōu)勢。c51工具包的整體結構，uvision與ishell分別是c

34、51 for windows和for dos的集成開發(fā)環(huán)境(ide），可以完成編輯、編譯、連接、調試、仿真等整個開發(fā)流程。開發(fā)人員可用ide本身或其它編輯器編輯c或匯編源文件。然后分別由c51及c51編譯器編譯生成目標文件（.obj）。目標文件可由lib51創(chuàng)建生成庫文件，也可以與庫文件一起經l51連接定位生成絕對目標文件(.abs）。abs文件由oh51轉換成標準的hex文件，以供調試器dscope51或tscope51使用進行源代碼級調試，也可由仿真器使用直接對目標板進行調試，也可以直接寫入程序存貯器如eprom中。4.3 proteus系統(tǒng)特性 proteus 軟件支持許多通用的微控制器

35、，如 pci、avr、hc11 以及 8051；包含強大的調試工具，具有對寄存器和存儲器，斷點和單步模式 iar c-spy、keil、malab等開發(fā)工具的源程序進行調試的功能；能夠觀察代碼在仿真硬件上的實時運行效果、對顯示、按鈕、鍵盤等外設的交互可視化進行仿真；具有 6000 多種模擬和數(shù)字器件的模型庫；具有單步斷點設置等調試功能；能夠與常用的匯編器、編譯器如 iar、keil、proton 等協(xié)同調試；有直流電流表/電壓表、交流電壓表/電流表、示波器邏輯分析儀、計數(shù)/按時/頻率計虛擬終端、spi 調試器等虛擬儀器，以仿真中的測量記錄提供了方便；支持圖形化的分析功能，具有頻率特性、傅立葉、

36、失真、噪聲分析等多種繪圖方式、可將仿真曲線精美地繪制出來。 采用proteus 仿真軟件進行虛擬實驗，具有許多優(yōu)勢，如實驗資源豐富、實驗周期短、硬件投入少、實驗損耗小、與實際設計接近程度大等。(1) 實驗資源豐富 proteus 軟件所提供了30多個元件庫，數(shù)千種元件。元件涉及到數(shù)字和模擬、交流和直流等，如電阻、電容、二極管、三極管、mos管，變壓器、繼電器、各種放大器、各種激勵源、各種微控制器、各種門電路、各種終端。 對于一個仿真軟件或實驗室，測試的儀器儀表的數(shù)量、類型和質量，是衡量實驗室是否合格的一個關鍵因素。在proteus軟件包中，不存在同類儀表使用數(shù)量的問題，其提供的儀表有：交直流電

37、壓表、交直流電流表、邏輯分析儀、計數(shù)計時器、信號發(fā)生器等，而且proteus還提供了一個圖形顯示功能，可以將線路上變化的信號，以圖形的方式實時地顯示出來，其作用與示波器相似但功能更多。proteus提供了豐富的測試信號用于電路的測試。這些測試信號包括模擬信號和數(shù)字信號等。(2) 實驗周期短在proteus 軟件中設計電路可以很方便的判斷是硬件錯誤，還是軟件錯誤，方法如下：運行proteus的isis程序后，進入該仿真軟件的主界面。通過工具欄中的p命令(從庫中選擇元件命令)，在pick devices窗口中選擇電路所需的元件，將其放置在合適的位置，然后設置元件參數(shù)，當整體硬件電路連接完畢后，點擊

38、電路原理圖的左下角執(zhí)行建，如果有錯誤提示，則說明硬件電路連接有問題，需要對硬件電路進行更改，如果沒有錯誤，則電路可以運行，并且可以在各器件的輸入和輸出端顯示電路運行時，這些端點所處的高低電平狀態(tài)；然后開始編寫程序，在source菜單的define codegeneration tools菜單命令下，選擇程序編譯的工具、路徑、擴展名等項目；在source菜單的add/remove source files命令下，添加源文件，在源文件中進行所需程序的編寫，通過編譯器編譯無錯誤后，生成.hex文件，將其加入單片機硬件電路的對應程序；通過debug菜單的相應命令觀察程序和電路的運行情況。(3)硬件投入

39、少由于proteus 軟件實驗資源庫非常豐富，對于從模擬電路、數(shù)字電路、模數(shù)混合電路到單片機系統(tǒng)等領域都可以進行電路的設計，而且其虛擬元器件的參數(shù)都是由實際元器件廠家提供，然后生成spice(simulation program with integrated circuitemphasis)模型，這樣就可以用proteus軟件中的虛擬元器件代替實際元器件進行設計電路，而無需去購買實際的元器件。這樣就可以節(jié)省大量的實驗經費，減輕了學生們的負擔。(4)實驗過程中損耗小 用proteus仿真軟件進行的實驗教學，其在實驗的過程中，學生們可以將自己的構思付諸于設計，不用因為元器件和儀器儀表的損耗問題而

40、畏首畏尾。(5)與實際設計接近程度大由于proteus 軟件中的虛擬元器件參數(shù)都是由半導體元器件廠家提供，當學生們在proteus 軟件中進行軟硬件仿真調試成功后，可以直接進行實際電路的搭建，只要在電路板制作沒有問題的前提下，基本上都能成功。這樣可以讓學生了解將仿真軟件和具體的工程實踐如何結合起來，利于學生對工程實踐過程的了解和學習。4.4 proteus與keil的聯(lián)調 proteus 軟件包括匯編語言編譯系統(tǒng)，可以在軟件平臺上對單片機進行可視化調試。但是，現(xiàn)在的大部分的單片機研發(fā)人員都用 c 語言對單片機進行編程控制。應用 tcp/ip 協(xié)議，proteus 與 keil 的聯(lián)調很好地解決

41、了 proteus 自帶的編譯系統(tǒng)無法對c 語言進行編譯的問題。其中，keil 是目前世界上最好的 51 單片機的 c 語言的開發(fā)工具。以下是如何將 c 語言的開發(fā)環(huán)境移植到 proteus 的設計中的方法：首先，下載安裝這兩個軟件。第二步，安裝完畢，把 proteus 6 professionalmodels目錄下的 vdm51.dll 文件復制到 keilc51bin 文件夾下。第三步，用文本編譯器打開 keil 根目錄下的 tools.ini 文件，在c51 欄目下加入 tdrv3=binvdm51.dll (proteus vsm monitor-51 driver ) ，其中“tdr

42、v3” 中的 “3”要根據(jù)實際情況寫，不要和原來的重復。第四步，kei 的設置。在 kei 中打開一個項目，在option for target中的 debug標簽中選中 proteus vsm monitor-51 driver 。再點擊setting設置通信接口，在host 后面添上127.0.0.1，如果你是用的不是同一臺電腦，在這里添上另一臺電腦的ip 地址(另一臺電腦已安裝 proteus)， 在 port 后面添上8000，點擊ok按鈕即可。等待編譯工程。第五步，proteus 的設置。運行 proteus 的 isis，鼠標左鍵點擊菜單debug，選中use remote deb

43、ug monitor。按 ctrl+f5 進入調試界面或者點擊工具欄的調試按鈕。連接成功以后，在 keil 調試程序，單步、全速調試，設置斷點，觀察變量的值等，而 proteus 界面中電路開始運行，各種仿真元件的電器性質發(fā)生變化；當 proteus做硬件方面的模擬，如按按鍵、改變可調電阻的阻值等時，keil 中的調試窗口中監(jiān)控的寄存器也會有相應的變化。如果程序錯誤，設計人員很容易發(fā)現(xiàn)出錯的代碼段；并且，也可以很清晰地觀察到每句程序對單片機電路的控制。第五章 設計實現(xiàn) 5.1系統(tǒng)總體框架單片機（速度的測量計算、輸入設定及系統(tǒng)控制）單片機（pid運算控制器、pwm模擬發(fā)生器）電機速度采集電路電機

44、驅動電路鍵 盤顯示器圖5-1系統(tǒng)總流程圖本設計是以51單片機為控制中心，通過采集電機的當前速度，與設定的速度之間的差值進行pid運算，然后輸出相應的模擬pwm波，使得差值越來越小直到電機速度在允許的誤差范圍內。5.2 硬件電路5.2.1復位電路的作用在上電或復位過程中，控制cpu的復位狀態(tài)：這段時間內讓cpu保持復位狀態(tài)，而不是一上電或剛復位完畢就工作，防止cpu發(fā)出錯誤的指令、執(zhí)行錯誤操作，也可以提高電磁兼容性能。 無論用戶使用哪種類型的單片機,總要涉及到單片機復位電路的設計。而單片機復位電路設計的好壞,直接影響到整個系統(tǒng)工作的可靠性。許多用戶在設計完單片機系統(tǒng),并在實驗室調試成功后,在現(xiàn)場

45、卻出現(xiàn)了“死機”、“程序走飛”等現(xiàn)象,這主要是單片機的復位電路設計不可靠引起的。at89c51的上電復位電路如圖5-1所示，只要在rst復位輸入引腳上接一電容至vcc端，下接一個電阻到地即可。對于cmos型單片機，由于在rst端內部有一個下拉電阻，故可將外部電阻去掉，圖5-1 復位電路而將外接電容減至1f。上電復位的工作過程是在加電時，電容加給rst端一個短暫的高電平信號，此高電平信號隨著vcc對電容的充電過程而逐漸回落，即rst端的高電平持續(xù)時間取決于電容的充電時間。為了保證系統(tǒng)能夠可靠地復位，rst端的高電平信號必須維持足夠長的時間。上電時，vcc的上升時間約為10ms，而振蕩器的起振時間

46、取決于振蕩頻率，如晶振頻率為10mhz，起振時間為1ms；晶振頻率為1mhz，起振時間則為10ms。在圖2的復位電路中，當vcc掉電時，必然會使rst端電壓迅速下降到0v以下，但是，由于內部電路的限制作用，這個負電壓將不會對器件產生損害。另外，在復位期間，端口引腳處于隨機狀態(tài)，復位后，系統(tǒng)將端口置為全“l(fā)”態(tài)。如果系統(tǒng)在上電時得不到有效的復位，則程序計數(shù)器pc將得不到一個合適的初值，因此，cpu可能會從一個未被定義的位置開始執(zhí)行程序，所以需上電復位電路。5.2.2 鍵盤輸入模塊的設計 5.2.2.1 獨立式鍵盤的接線原理獨立式鍵盤是由若干個機械觸點開關構成的，把它與單片機的i/o口縣連接起來，

47、通過讀i/o口的電平狀態(tài)，即可識別出相應的按鍵是否被按下。如果按鍵不被按下，其端口就為高電平，如果相應的按鍵被按下，則端口變?yōu)榈碗娖?。在這種鍵盤的連接方法中，我們通常采用上拉電阻接法，即各按鍵開關一端接低電平，另一端接單片機i/o口線并通過上拉電阻與vcc相連，這是為了保證在按鍵斷開時，各i/o口線有確定的高電平，如果端口內部已經有上拉電阻，則外電路的上拉電阻就可以省去。圖5-2 鍵盤抖動5.2.2.2鍵盤消抖通常我們用來做鍵盤的 有觸點式和非觸點式兩種，單片機中應用的一般是由機械觸點構成的觸點式微動開關，這種開關具有結構簡單，使用可靠的優(yōu)點，但當我們按下按鍵或釋放按鍵的時候它有一個特點，就是

48、會產生抖動，看上圖的按鍵脈沖波形，這種抖動對于人來說是感覺不到的，但對單片機來說，則是完全可以感應到的，因為計算機處理的速度是在微秒級的，而機械抖動的時間至少是毫秒級，對計算機而言，這已是一個很“漫長”的過程了，如圖5-2。按鍵區(qū)抖動原則和方法常用的有兩種：硬件方法和軟件方法。硬件去抖動方法很多，這不在我們的討論范圍。單片機中常用軟件去抖動方法，軟件法其實很簡單，就是在單片機獲得端口低電平信息后，不是立即認定按鍵已被按下，而是在延時10ms或更長時間后再次檢查該端口，如果仍為低，說明此鍵確實被按下了，這實際上是避開了按鍵按下時的抖動時間；而在檢測到按鍵釋放后（端口電平為高電平時）再延時5-10

49、ms，消除后沿的抖動，然后再對按鍵進行處理，不過一般情況下，我們通常不對按鍵釋放后沿進行處理，實踐證明，也能滿足通常的要求。5.2.2.3 矩陣式鍵盤的連接方法和工作原理圖5-3 4*4鍵盤什么是矩陣式鍵盤？當鍵盤中按鍵數(shù)量較多時，為了減少i/o口線的占用，通常將按鍵排列成矩陣式，在矩陣式鍵盤中，每條水平線和垂直線在交叉處不直接連通，而是通過一個按鍵加以連接，如圖5-3。這樣做有什么好處呢？一個并行口可以構成4*4=16個按鍵，比之直接將端口線用于鍵盤多出了一倍多，而且線數(shù)越多，區(qū)別就越明顯。比如再多加一條線就可以構成20鍵的鍵盤，而直接用端口線則只能多出一個鍵（9鍵）。由此可見，在需要的按鍵

50、數(shù)量比較多的時候，采用矩陣法萊連接鍵盤是非常合理的，所以本設計采用矩陣式鍵盤。是否是返回等待按鍵釋放該列有鍵輸入？讀入行信號返回開始4列掃描完？初始化地址參數(shù)按照行列計算鍵值查表得鍵碼否輸出列掃描信號列掃描信號移位圖5-4 鍵盤掃描流程圖矩陣式結構的鍵盤顯然比獨立式鍵盤復雜些，識別也要復雜一些，在上圖中，列線通過單片機的輸出而呈現(xiàn)高電平，并將行線通過單片機的輸出而呈現(xiàn)低電平，這樣，當按鍵沒有被按下時，列線都是高電平，代表無按鍵按下，行線輸出是低電平；一旦有鍵按下，輸入線就會被拉低，這樣，通過讀入輸入線的狀態(tài)就可以得知是否有鍵按下了，具體的識別及編程方法如圖5-4。5.2.3輸出顯示模塊 圖5-

51、5顯示電路 讀得的字模數(shù)據(jù)，接著對第2片、第3片直到這一排的最后一片都寫完字模數(shù)據(jù)后，單片機再對這一排的行驅動鎖存器寫行掃描信號，于是第1排第1行與字模數(shù)據(jù)相關的發(fā)光二極管點亮。接著第2排第1行、第3排第1行直到最后一排第1行的點亮。各排第1行都點亮后，延時一段時間，然后黑屏，這樣就算完成了單片機對led顯示屏的一行掃描控制。單片機對led顯示屏第2行的掃描控制、第3行的掃描控制直到第8行的掃描控制，其過程與第1行的掃描控制過程相同。對全部8行的控制過程都完成后，led顯示屏也就完成了1幀圖像的完整顯示。雖然按這種工作方式，led顯示屏是一行一行點亮的，每次都只有一行亮，但只要保證每行每秒鐘能

52、點亮50次以上，即刷新頻率高于50hz，那么由于人的視覺惰性，所看到的led顯示屏顯示的圖像還是全屏穩(wěn)定的圖像。 本設計使用的驅動器件是74hc240，如圖5-6所示。74hc240是一款高速cmos器件，74hc240引腳兼容低功耗肖特基ttl（lsttl）系列。74hc240是雙線八路反相緩沖器/線路驅動器，具有三態(tài)輸出。該三態(tài)輸出由輸出使能端1oe和2oe控制。任意noe上的高電平將使輸出端呈現(xiàn)高阻態(tài)。 圖5-6 74hc240真值表5.2.4電機驅動模塊l298是雙電源大電流功率集成電路, 直接采用ttl邏輯電平控制,可用來驅動繼電器、線圈、直流電動機、步進電動機等電感性負載。其驅動電

53、壓可達46v,直流電流總和可達4a。其內部具有2個完全相同的pwm功率放大回路,其內部結構如圖5-7所示。l298是一種常用的電機驅動芯片, 一片l298即可驅動兩個直流電機或一個步進電機。內部部結構如圖5-8所示。圖5-7 l298真值表 圖5-8 l298內部結構5.2.5測速模塊我們只有知道當前電機的速度，才能夠控制輸出達到調速的目的。proteus軟件中的電機模塊提供了一個輸出脈沖，每當電機轉一圈時就會輸出一個脈沖，這也就注定了仿真出來的速度只能是按秒計數(shù)，亦決定了仿真的精度不會很高。電機輸出的脈沖是理想化的沒有毛刺，沒有畸變，所以可以直接輸入到單片機的中斷引腳，當有一個脈沖時，單片機

54、就會產生一個中斷，就會在相應的存儲單元加1，當計數(shù)器到達時間時就會把該存儲單元輸出到顯示模塊，然后清零，接著下一個周期計數(shù)，就達到了測速的目的。 5.2.6模擬pwm發(fā)生器眾所周知，直流電動機轉速n的表達式為 (r/min) （公式5-1）式中 電樞端電壓（v）電樞電流（a）電樞電路總電阻（）；每級磁通量（wb）；與電機結構有關的常數(shù)。由式（2-1）可知，直流電動機轉速n的可知方法可分為兩類，即勵磁可知法與電樞電壓可知法。勵磁控制法控制磁通，其控制功率雖然較小，但低速時受到磁極飽和的限制，高速時受到換向火花和換向器結構強度的限制；而且由于勵磁線圈電感較大，動態(tài)響應較差。所以常用控制方法是改變電

55、樞電壓調速的電樞電壓控制法。設直流電源電壓為ud,將電樞串聯(lián)一個電阻r，接到電源ud，則 （公式5-2）顯然，調節(jié)電阻r即可改變電壓，達到調速的目的。但這種傳統(tǒng)的調壓調速方法，其效率甚低。因此，隨著電子技術的進步，發(fā)展了許多新的電樞電壓控制方法。如：由交流電源供電，使用晶閘管整流器進行相控調壓；使用硅整流器將交流電整流成直流電或由蓄電池等直流電源供電，再由pwm斬波器進行斬波調壓等。晶閘管的相控調壓或pwm斬波器調壓比串電阻調壓損耗小，效率高。而斬波調壓比相控調壓又有許多優(yōu)點，如果需要的濾波裝置很小甚至只利用電樞電感已經足夠，不需要外加濾波裝置；電動機的損耗和發(fā)熱較?。粍討B(tài)響應快等。圖5-9為pwm斬波器的原理圖及輸出電壓波形。在圖5-9a 中，假定晶體管v1先導通t1秒（忽略v1的管壓降，這期間電源電壓ud全部加到電樞上），圖5-9 pwm斬波器原理圖電路及輸出電壓波形a：原理圖 b：輸出電壓波然后關斷t2秒（這期間電樞端電壓為零）。如此反復，則電樞端電壓波形如圖5-9b中所示。電機電樞端電壓ua為其平均值：