基于51单片机的直流电机闭环调速系统的设计

基于51单片机的直流电机闭环调速系统的设计

The Design of DC Motor Closed Loop Speed Control System-Based on 51 Single Chip Microcomputer

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目录

摘要 (Ⅰ)

ABSTRACT (Ⅱ)

第1章前言 (1)

1.1 课题的研究意义 (1)

1.2 直流电机的发展 (1)

1.3 设计任务要求 (2)

第2章系统组成模块原理概述 (4)

2．1 直流电机概述 (4)

2.1.1直流电机结构 (4)

2.1.2直流电机工作原理 (4)

2.1.3直流电机主要技术参数 (5)

2.1.4直流电机的调速技术指标 (5)

2．2 单片机概述 (6)

2.2.1单片机的简介 (6)

2.2.2单片机发展史 (6)

2.2.3单片机的特点 (7)

2.2.4 AT89S52单片机介绍 (8)

2.3 调速方案的选择及PWM概述 (11)

2.3.1方案的选择 (11)

2.3.2 PWM概述 (13)

2.4 软件系统简介 (14)

第3章硬件电路分析与设计 (16)

3.1 控制电路设计 (16)

3.2 隔离电路的设计 (18)

3.3 红外测速部分电路的设计 (18)

3.4 驱动电路的设计 (19)

3.5 显示电路的设计 (20)

3.5.1 显示电路方案的选择 (20)

3.5.2 动态显示概述 (21)

第4章软件系统设计与分析 (22)

4.1 软件总体设计分析 (22)

4.2 按键控制软件设计分析 (23)

4.3 直流电机PWM控制软件分析 (23)

4.4 PID控制器 (26)

4.4.1 PID控制原理 (26)

4.4.2 PID参数分析 (26)

4.4.3 数字PID算法 (27)

4.5 PID算法的实现 (28)

4.5.1 PID控制C语言实现 (28)

4.5.2 PID算法的改进 (28)

第5章系统调试 (30)

5.1 静态调试 (30)

5.2 程序下载 (30)

5.3 人机接口调试 (31)

5.3.1 显示部分 (31)

5.3.2 键盘部分 (31)

5.4 测量部分的调试 (31)

5.5 PID参数的整定 (32)

结论 (33)

参考文献 (34)

致谢 (35)

附录Ⅰ

附录Ⅱ

摘要

现代化的工业生产过程中，几乎无处不使用电力传动装置，工业生产中对电动机的控制更是起着举足轻重的作用。本次设计是基于51系列单片机对直流电动机闭环调速系统进行设计，能实现对直流电动机转速的控制功能，实现控制目的同时还配有显示装置，能实时反映当下直流电机的转速值，以优化整个系统的完整性。文章阐述了基于51系列单片机的直流电动机转速控制系统的特点和优势，介绍了在基于AT89S52单片机应用开发上，对直流电动机进行测速和控制的相关算法及软、硬件实现。设计中软件设计采用C语言编程，硬件设计采用PWM方式驱动电动机，利用红外对射传感器测量电动机的转速，在数码管显示器上实时显示电机的转速值。另外还可以通过按键调节电动机转速，在转速的可控范围内控制电动机转速，并在数码管显示器上实际转速值，便于观测。最后对实验数据进行了分析。

关键字：直流电机调速；PWM闭环调速系统；传感器测速；LED显示

ABSTRACT

In the industrial production process of modernization, almost ubiquitous use of electricity transmission, motor control in industrial production also plays an important role. This design was based on 51 series monolithic integrated circuits on the single closed-loop DC motor speed control system design on DC motor speed control could be achieved, for control purposes is also equipped with a display device can reflect contemporary values of DC motor speed in real time to optimize the integrity of the system as a whole. Elaborated in articles based on 51 series single-chip features and advantages of DC motor speed control system, introduced on the AT89S52 single-chip-based application development, related to DC motor speed measurement and control algorithm and realization of software and hardware. Design of software design using the c language programming, hardware design using PWM drive motors, using infrared laser sensors to measure the rotational speed of the motor, the motor speed values are displayed in real time on digital display. Plus you can by pressing the adjustment speed of motor and speed control to control the motor speed and the actual speed value on the digital display for easy observation. Lastly an analysis of experimental data.

Key words: DC motor speed; PWM closed-loop speed control system；sensor speed measurement; LED display

第1章前言

1.1 课题的研究意义

现代化的工业生产过程中，几乎无处不使用电力传动装置，尤其是在石油、化工、电力、冶金、轻工、核能等工业生产中对电动机的控制更是起着举足轻重的作用。因此调速系统成为当今电力拖动自动控制系统中应用最广泛的一种系统。随着生产工艺、产品质量要求不断提高和产量的增长，使得越来越多的生产机械要求能实现自动调速，而且，当今控制系统已进入了计算机时代，在许多领域已实现了智能化控制。对传统的过程工业而言，利用先进的自动化硬件及软件组成工业过程自动化调速系统，大大提高了生产过程的安全性、可靠性、稳定性。提高了产品产量和质量、提高了劳动生产率，企业的综合经济效益，同时，也大大促进了综合国力的增强。对可调速的传动系统，可分为直流调速和交流调速。

直流调速系统凭借优良的调速特性，调速平滑、范围宽、精度高、过载能力大、动态性能好、易于控制以及良好的起、制动性能等优点，能满足生产过程自动化系统中各种不同的特殊运行要求，所以在电气传动中获得了广泛应用。为了提高直流调速系统的动静态性能指标，通常采用闭环控制系统(包括单闭环系统和多闭环系统)。对调速指标要求不高的场合，采用单闭环系统，而对调速指标较高的则采用多闭环系统。按反馈的方式不同可分为转速反馈，电流反馈，电压反馈等。在单闭环系统中，转速单闭环使用较多。

本次设计是基于51系列单片机对直流电动机单闭环调速系统进行设计，能实现对直流电动机转速控制的功能，实现控制目的同时还配有显示装置，能实时反映当下直流电机的转速值，以优化整个系统的完整性。

通过这次设计，可以使我对51系列单片机的应用和直流电机闭环调节系统进行进一步的学习，增强知识的整合度使相关知识融汇贯通，为以后的工作奠定一定的知识基础。

1.2 直流电机调速的发展

由于直流电动机具有极好的运动性能和控制特性，尽管它不如交流电动机那样结构简单、价格便宜、制造方便、维护容易，但是长期以来，直流调速系统一直占据垄断地位。当然，近年来，随着计算机技术、电力电子技术和控制技术的发展，交流调速系统发展快，在许多场合正逐渐取代直流调速系统。但是就目前来看，直流调速系统仍然是自动调速系统的主要形式。在我国许多工业部门，如

轧钢、矿山采掘、海洋钻探、金属加工、纺织、造纸以及高层建筑等需要高性能可控电力拖动场合，仍然广泛采用直流调速系统。而且，直流调速系统在理论和实践上都比较成熟，从控制技术角度来看，它又是交流调速系统的基础。因此加强对直流调速系统的发展有利于更进一步发展交流调速系统，促进调速系统的进一步完善。

首先直流调速系统的发展过程是一个从简单到复杂、从开环到闭环、从单环到多环、从单向调速到可逆调速的不断丰富完善的过程。不仅存在从单一调速方式向多种调速方式的纵向发展过程，而且每一种调速系统本身也都在发展完善之中。如开环闭环、单闭环、双闭环、三环、有环流可逆调速系统和无环流可逆调速系统都在不断的完善和发展之中。单闭环不仅是转速闭环一种，根据应用要求不同可以采用电压负反馈、电流补偿等替代措施。有环流可逆调速系统目前有两种，无环流可逆调速系统目前有三种，它们都在不断完善和发展之中。

其次，直流调速系统的产生与发展都与其他学科存在紧密联系。第一它与电机学有紧密地联系，因为对于调速来说，电机是控制对象，对控制对象的研究越深入控制效果才会越好。第二与半导体变流技术的发展密不可分，电力电子技术元器件的性能越好可供选择的种类越多，调速系统的性能才会越好。微型计算机的发展，尤其是微控制器的发展为直流调速系统的进一步发展插上了翅膀。微控制器在这里的应用，改变了控制系统的结构，改变了传感元件的检测技术，并且使各种先进控制算法得以实现。任何设计都不是终极设计，都在随着其他科技的发展而不断完善。

1.3 设计任务内容

根据课题要求研制以单片机为核心的直流电机测速控制系统。系统设计主要包含以下任务：

1、实现对直流电机转速的测量；

2、通过按键调节电机转速值，在电机转速的可控范围内控制电机转速；

3、实时显示直流电机转速实际测量值；

4、利用控制电机定子电压接通和断开的占空比（PWM），即脉宽调速；

本设计采用红外对射传感器将转速转换成频率与速度一一对应的脉冲信号，将脉冲信号送给单片机进行检测，最终计算出电机的转速。采用四位一体八段数码管显示器，显示测量值。对于直流电机的转速控制，选择合适的PWM方式驱动实现。设计的总体模块化方案如图1-1所示，整个设计采用模块化设计、分布调试、整体组合的方法。

图1-1 系统设计总体模块化方案

第2章系统组成模块原理概述

2.1 直流电机概述

2.1.1 直流电机结构

直流电机的结构应由定子和转子两大部分组成。直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢，由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成。直流电机的结构如图2-1所示。

图2-1 直流电机结构图

2.1.2 直流电机工作原理

直流电机模型如图2-2所示，磁极N,S间装着一个可以转动的铁磁圆柱体，圆柱体的表面固定着线圈abcd。当线圈流过电流的时候，线圈受到电磁力的作用，产生旋转。根据左手定则可知，当流过线圈中电流改变方向时，线圈的受力方向也将改变，因此通过改变线圈电流的方向实现改变电机的方向。

图2-2 直流电机工作原理模型

2.1.3 直流电机主要技术参数

额定功率Pn ：在额定电流和电压下，电机的负载能力。

额定电压Ue ：长期运行的最高电压。

额定电流Ie ：长期运行的最大电流。

额定转速n ：单位时间里面电机转速的快慢。

励磁电流If ：施加到电极线圈上的电流。

2.1.4 直流电机的调速的技术指标

1.调速范围

调速范围是指最低可控转速到最高可控转速的范围，最低可控转速对最高可控转速的比值，叫电机的调速比。

2.调速的相对稳定性和静差度

所谓相对稳定性，是指负载转矩在给定的范围里面变化所引起的速度的变化，它决定于机械特性的斜率。

静差度（又称静差率）是指当电动机在一条机械特性上运行时，由理想空载到满载时的转速降落与理想空载转速n0的比值。用百分数表示，即

100%n n δ?=? （2-1） 在一般的情况下，取额定转矩下的速度落差N n ?，有

100%N n n δ?=? （2-2）

3.调速的平滑性

调速的平滑性是在一定的调速范围内，相邻两极速度变化的程度，用平滑系数Φ表示，即

1

n =i i n -Φ (2-3) 式中n i 和1i n -相邻两极，即i 级与i -1级的速度

4.调速时的容许输出

调速时的容许输出是指电动机在得到充分利用的情况下，在调速的过程中轴能够输出的功率和转矩。

2.2 单片机概述

2.2.1 单片机的简介

单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU 随机存储器RAM 、只读存储器ROM 、多种I/O 口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D 转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。

2.2.2 单片机的发展史

1.四位单片机

1975年，美国德克萨斯公司首次推出4位单片机TMS-1000，此后各个计算机公司竞相推出4位单片机。日本松下公司的MN1400系列。美国洛克威尔公司的PPS/1系列等。4位单片机的主要的应用的领域有：PC 机的输入装置、电池的充电器、运动器材、带液晶显示器的音/视频产品控制器、一般家用电器的控制及遥控器、电子玩具、钟表、计算器、多功能电话等。

2.八位单片机

1972年，美国Intel 公司首先推出8位微处理器8008，并与1976年9月率先推出MCS-48系列单片机。在这以后，8位单片机纷纷面世。例如莫斯特克和仙童公司合作生产的3870系列，摩托罗拉公司生产的6801系列等。随着集成电路工艺水平的提高，一些高性能的8位单片机相继问世，例如1978年摩托罗拉公司的MC6801。这类单片机的寻址能力达到64KB ，片内ROM 的容量达4-8KB ，片内除

带有并行I/O口，甚至还有A/D转换器的功能。8位单片机由于性能强大，被广泛用于自动化装置，智能接口，过程控制等各领域。

3.十六位单片机

1983年以后，集成电路的集成度可达几十万只管/片，各系列16位单片机纷纷面世，这一阶段的代表产品有1983年Intel公司推出的MCS-96系列，1987年Intel公司推出了80C96 ，美国半导体公司推出了HPC16040。16位单片机主要用于工业控制，智能仪器仪表等场合。

4.三十二位单片机

随着高新技术智能机器人，激光打印机，图像与数据实时处理，复杂实时控制，网络服务器等领域的应用和发展，20世纪80年代末，推出了32位单片机，如摩托罗拉公司的MC683XX系列。32位单片机是单片机的发展趋势，随着技术的发展和开发成本的降低，将会和8位单片机并驾齐驱。

5.六十四位单片机

近年来，64位单片机在引擎控制，智能机器人，磁盘控制，算法密集的实时控制场所已有应用。如英国的Inmos 公司的Transputer T800是高性能的64位单片机。

2.2.3 单片机的特点

1.高集成度，体积小，高可靠性

单片机将各功能部件集成在一块晶体芯片上，集成度很高，体积自然也是最小的。芯片本身是按工业测控环境要求设计的，内部布线很短，其抗工业噪音性能优于一般通用的CPU。单片机程序指令，常数及表格等固化在ROM中不易破坏，许多信号通道均在一个芯片内，故可靠性高。

2.控制功能强

为了满足对对象的控制要求，单片机的指令系统均有极丰富的条件，即分支转移能力，I/O口的逻辑操作及位处理能力，非常适用于专门的控制功能。

3.低电压，低功耗，便于生产便携式产品

为了满足广泛使用于便携式系统，许多单片机内的工作电压仅为1.8V～3.6V，而工作电流仅为数百微安。

4.易扩展

片内具有计算机正常运行所必需的部件。芯片外部有许多供扩展用的三总线及并行、串行输入/输出管脚，很容易构成各种规模的计算机应用系统。

5.优异的性能价格比

单片机的性能极高。为了提高速度和运行效率，单片机已开始使用RISC流水

线和DSP等技术。单片机的寻址能力也已突破64KB的限制，有的已可达到1MB 和16MB，片内的ROM容量可达62MB，RAM容量则可达2MB。由于单片机的广泛使用，因而销量极大，各大公司的商业竞争更使其价格十分低廉，其性能价格比极高。

2.2.4 AT89S52单片机介绍

AT89S52单片机是一款低功耗、低电压、高性能CMOS8位单片机，片内含8KB （可经受1000次擦写周期）的FLASH可编程可反复擦写的只读程序存储器（EPROM），器件采用CMOS工艺和ATMEL公司的高密度，非易失性存储器（NURAM）技术制造，其输出引脚和指令系统都与MCS-51兼容，片内的FLASH存储器允许在系统内可改编程序或用常规的非易失性存储编程器来编程。因此，AT89S52是一种功能强，灵活性高且价格合理的单片机，可方便的应用在各个控制领域。AT89S52单片机引脚结构如图2-3所示。

AT89S52具有以下主要性能：

1.8KB可改编程序FLASH存储器；

2.全表态工作：0～24HZ；

3.256X8字节内部RAM；

4.32个外部双向输入，输出（I、O）口；

图2-3 AT89S52引脚说明

部分引脚功能说明如下：

VCC：电源电压。

GND：地。

P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据线复用口。作为输出口时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端。在访问外部数据储存器或程序储存器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。FLASH编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。

P1口：P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作为输入口。作为输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。FLASH编程和程序校验期间，P1接收低8位地址。

P2口：P2是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作为输入口。作为输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。在访问外部程序储存器或16位地址的外部数据储存器（例如执行MOVX@DPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据储存器（例如执行MOVX@RI指令）时，P2口线上的内容（也即特殊功能寄存器（SFR）区中R2寄存器的内容），在整个访问期间不改变。FLASH编程或校验时，P2亦接收高位地址和其他控制信号。

P3口：P3是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作为输入口。作为输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。P3除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，具体功能说明如表2-1。P3口还接收一些用于FLASH闪速存储器编程和程序校的控制信号。

RST:复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。

ALE/PROG：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。即使不访问外部存储器，ALE仍以是时钟振荡频率的1/6输出固定的正脉冲信号，因此他可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。对FLASH存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。该位置位后，只有

一条MOVX和MOVC指令ALE才会被激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE无效。

PSEN：程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT80C51由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，这两次有效的PSEN信号不出现。

EA/VPP：外部访问允许。欲使CPU仅访问外部程序储存器（地址为0000H-FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。需要注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平（Vcc端），CPU则执行内部程序储存器中的指令。FLASH储存器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12v编程电压。

XTAL1：振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。

XTAL2：振荡器反相放大器的输出端

表2-1 P3端口第二功能表