目 录
引言 .......................................................................... 2 1 单片机概述及其直流调速现状分析 .............................................. 2
1.1 单片机的定义及其发展历程 .............................................. 2 1.2 单片机的发展趋势 ..................................................... 3 1.3 单片机的简述和应用应用领域 ............................................ 3
1.3.1 单片机的简述 ..................................................... 3 1.3.2 单片机应用领域 ................................................... 5 1.4 单片机直流调速现状分析 ................................................ 6 2 直流调速系统设计原理 ........................................................ 7
2.1 直流电机 .............................................................. 7 2.2 PWM调制原理 ........................................................... 7 2.3 桥式电路的设计 ........................................................ 8 2.4 采用PWM控制的调速方法 ................................................ 8 2.5 系统设计方案 .......................................................... 9
2.5.1 系统总体设计思想 ................................................. 9 2.5.2 闭环PID控制 .................................................... 10 2.5.3系统控制流程图设计 .............................................. 10
3 直流调速系统设计 ........................................................... 11
3.1 单片机最小系统电路设计 ............................................... 11 3.2 驱动电路部分 ......................................................... 11 3.3 78XX系列集成稳压器 ................................................... 13 3.4 电源部分 ............................................................. 13 3.5 测速电路设计 ......................................................... 13 3.6 MAX7219和LED显示转速 ................................................ 14 3.7系统电路总设计 ........................................................ 17 4 直流调速系统程序设计 ....................................................... 17 5 系统总电路图仿真 ........................................................... 21
5.1计算机仿真概述 ........................................................ 21
5.1.1 计算机仿真技术 .................................................. 21 5.1.2 Proteus仿真软件应用 ............................................ 21 5.1.3 Keil C51开发系统简述及应用 ..................................... 22 5.2系统总电路仿真图 ...................................................... 22 设计总结 ..................................................................... 24 致 谢 ....................................................................... 24 参考文献 ..................................................................... 25 附录 ......................................................................... 26
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基于单片机的直流调速系统的设计
摘 要：随着计算机在控制领域以及高频率开关、全控型二代电力半导体器件的发展，脉宽调制(PWM)的直流调速系统在调速控制中得到很好的应用。为此，本文将主要介绍基于单片机直流PWM调速系统的工作原理，单片机输出信号控制和外部直流电路所组成的软硬件相结合的直流调速系统。并对其进行霍尔传感器测速，进而更好地对其进行精确数字化的闭环控制。仿真运行实验表明，系统工作稳定可靠，满足直流电动机的调速要求。 关键词：自动控制技术；PWM调速系统；单片机信号控制；理论研究
引言
近年来，随着科技的飞速发展，电力电子技术也取得了巨大的进步，直流电动机被越来越广泛的应用。直流具有优良的调速性能，调速曲线平滑，调速方便、范围广；过载能力大，能承受频繁调速带来的冲击负载，起动、制动、反转可实现无级调速。它能满足生产过程中自动化系统各种不同的特殊要求，从而实现对直流电动机的调速所提出的更高要求，刚开始改变电枢回路电阻和电枢电压的方法被逐渐淘汰，这时PWM方式控制直流电机的调速应运而生。
传统的调速主要具有以下缺陷：模拟电路容易随时间发生漂移，会产生不必要的损耗，以及对噪声敏感等。而运用PWM方式调速可以避免以上缺陷，实现数字方式控制模拟信号，以达到降低成本和损耗。另外，由于PWM调速系统的开关频率较高，仅通过对电枢电感滤波就可以获得平稳的直流电流，低速特性好；它还具有快速响应特性好、动态抗干扰能力强、可获得宽频带的优点。开关器件只工作在开关状态，主电路损耗小，效率高。PWM抗噪性，节约空间，经济效益好。
本文利用这种控制方式来改变电压的占空比以实现对直流电机的速度控制。文中采用了C语言编程对单片机的输入信号进行控制，产生PWM信号。并自动调节PWM信号的占空比。目前运动系统的数字控制大都是采用硬件与软件相结合的控制方式，其中软件控制方式一般是利用单片机实现的。
本文主要研究了利用与MCS-51兼容的AT89S51单片机，通过PWM闭环方式控制直流电机调速的方法。
1 单片机概述及其直流调速现状分析
1.1 单片机的定义及其发展历程
单片机是一种集成电路芯片，采用超大规模技术把具有数字处理能力的微处理器、随即存取数据存储器、程序存储器、输入输出电路，还可能包括定时计数器、串行通信口、显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器及A/D转换器等电路集成到一块芯片上，构成了
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一个小而完善的计算机系统。从而使单片机中的这些电路在软件的控制下准确、高效、迅速地完成程序设计者规定的任务。所以，单片机可以独立完成现代化工业控制所要求的智能化控制功能。
单片机诞生于20世纪70年代，自1971年美国Intel公司制造出第一块4位微处理器以来，其发展十分迅速，至今大致可分为以下几个阶段。
（1）4位单片机（1971—1974）； （2）低档8位单片机（1974—1978）； （3）高档8位单片机（1978—1982）； （4）16位单片机（1982—1990）； （5）新一代单片机（90年代以来）。
1.2 单片机的发展趋势
单片机一路从8位、16位发展到32位，应有尽有，有与主流C51系列兼容的，也有不兼容的，但它们各具特色，互成互补。纵观单片机的发展过程，可以预示单片机的发展趋势，大致有：
1、低功耗CMOS化； 2、微型单片化； 3、主流与多品种共存。
在单片机应用中，可靠性是扩大应用范围和领域的首要因素。近年来，单片机的生产厂家在设计中采用了各种提高可靠性的新技术，这些新技术表现在以下：
1、EFT技术；
2、低噪声布线技术及驱动技术； 3、采用低频时钟。
单片机在目前的发展形势下，表现出几大趋势：
可靠性及应用越来越多，和互联网连接已是一种明显的走向。集成部件越来越多；功耗越来越低和模拟电路结合越来越多。随着半导体工艺技术的发展及系统设计水平的提高，单片机还会不断产生新的变化和进步，最后单片机与微机系统之间的距离会越来越小，甚至难以辨认。
1.3 单片机的简述和应用应用领域 1.3.1 单片机的简述
MCS-51单片机是美国因特尔公司于1980年推出的产品，典型产品有8031（内部没有程序存储器，已经被市场淘汰）、8051（芯片采用HMOS，已经被市场淘汰）和8751等通用产品，一直到现在，MCS-51内核系列兼容的单片机仍是应用的主流产品（比如目前流行的
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89S51、已经停产的89C51等），MCS-51单片机至今仍作为代表进行理论基础学习。
8051是早期的最典型的代表作，由于MCS-51单片机影响极深远，许多公司都推出了兼容系列单片机，就是说MCS-51内核实际上已经成为一个8位单片机的标准。
其他的公司的51单片机产品都是和MCS-51内核兼容的产品而已。不过在市场化方面，89C51受到了PIC单片机阵营的挑战，89C51最致命的缺陷在于不支持ISP（在线更新程序）功能，必须增加如ISP功能等新的功能才能更好延续MCS-51。从而89S51应运而生，现在，89S51目前已经成为了实际应用市场上新秀，作为市场占有率第一的ATMEL目前公司已经停产AT89C51，将用AT89S51代替。89S51在工艺上进行了改进，89S51采用0.35新工艺，在成本上降低,而且在功能上加快开发,增加了竞争力。89SXX可以向下兼容89CXX等51系列芯片。
AT89S51单片机是低功耗、具有4KB在线编程（ISP功能）Flash存储器的单片机。它与通用80C51系列单片机的指令系统和引脚兼容。片内的Flash可允许在线重新编程，也可使用非易失性存储器编程。它将通用CPU和在线可编程Flash集成在一个芯片上，形成了相对功能强大、使用灵活和具有较高性能性价比的微控制器。
AT89S51具有如下特性：
--片内程序存储器为4KB的Flash存储器，支持在线编程，可擦写1000次； --片内数据存储器内含128字节RAM； --I/O口具有32根可编程功能I/O线； --具有两个16位I/O线；
--中断系统中具有6个中断源、5个终端矢量、2个中断优先级； --串行口是一个全双工的串行通信口； --具有两个数据指针DPTR0和DPTR1； --低功耗有节电模式和掉电模式； --包含3级程序锁定位；
--AT89S51的电源电压为4.0-5.5V； -振荡器频率0-33MHz（AT89S51）； --具有片内看门狗定时器；
--灵活的在线片内编程模式（字节和页编程模式）； --具有断电标志模式POF。
89S51相对于89C51增加的新功能包括：
--新增加很多功能，性能有了较大提升，价格基本不变，甚至比89C51更低！
--ISP在线编程功能，该功能的优势在于改写单片机存储器内的程序时不需要把芯片从工作环境中单独拿出。是一个强大易用的功能。
--最高工作频率为33MHz，89C51的极限工作频率是24M，所以S51具有更高工作频率，从而使芯片计算速度更快。 --具有双工UART串行通道。
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--内部有集成看门狗计时器，不再需要像89C51外接看门狗计时器单元电路。 --具有双数据指示器。 --具有电源关闭标识。
--具有全新的加密算法，这使得对于89S51的解密变为不可能，程序的保密性大大加强，可以很好的保护用户资料。
--兼容性方面：向下完全兼容51全部子系列产品。 其封装图如下图1所示。
图1 51系列单片机的封装图
1.3.2 单片机应用领域
伴随着单片机的高速发展，其应用领域也越来越广泛，在智能仪器仪表、工业控制、家用电器、计算机网络和通信、医用设备等领域应用极为广泛。此外，在工商、金融、科研、教育、国防航空等领域也有它的身影。应用领域大致可分如下几个范畴： ①在智能仪器仪表上的应用
单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。
②在工业控制中的应用
用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。 ③在家用电器中的应用
可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭褒、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。
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