④在计算机网络和通信领域中的应用
现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机、电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。 ⑤单片机在医用设备领域中的应用
单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。 ⑥在各种大型电器中的模块化应用
某些专用单片机设计用于实现特定功能，从而在各种电路中进行模块化应用，而不要求使用人员了解其内部结构。在大型电路中，这种模块化应用极大地缩小了体积，简化了电路，降低了损坏、错误率，也方便于更换。 ⑦单片机在汽车设备领域中的应用
单片机在汽车电子中的应用非常广泛，例如汽车中的发动机控制器，基于CAN总线的汽车发动机智能电子控制器，GPS导航系统，abs防抱死系统，制动系统等等。
1.4 单片机直流调速现状分析
由于直流电动机具有很好的运动性能和控制特性，尽管它在结构简单、价格便宜、制造方便、维护容易等方面不如交流电动机，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，交流调速系统得到快速发展，直流调速系统在许多场合正逐渐被取代。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直流调速可控电力拖动系统。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。
直流调速系统是一个从简单到复杂、开环到闭环、单环到多环、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
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的进一步发展提供助力。微控制器的应用，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。任何设计都在随着其他科技的发展而不断完善。
2 直流调速系统设计原理
2.1 直流电机
直流电动机在自动控制系统中用作执行元件，把电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。其主要特点是，当信号电压为零时不转，转速随着转矩的增加而匀速下降。
定义：将直流电能转换成机械能(直流电动机)或将机械能转换成直流电能(直流发电机)的旋转电机。
作用：可使控制速度位置精度非常准确。将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。 直流电机分为有刷电机和无刷电机。有刷电机成本低，结构简单，启动转矩大，调速范围宽，控制容易，维护方便，产生电磁干扰，对环境有要求。无刷电机体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定。控制复杂，容易实现智能化，其电子换相方式灵活，可以方波换相或正弦波换相。电机免维护，效率很高，运行温度低，电磁辐射很小，长寿命。
2.2 PWM调制原理
在直流电机调速中，脉宽调速技术是利用数字输出对模拟电路进行控制尤其是在电机转速控制上的一种很有效的方法。它可以大大节省能量，PWM调制技术的基本原理为：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同（冲量既指窄脉冲的面积），使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。
控制直流电动机转速n的表示式为：
n?Ua?Ia?RaCe? （1）
上式中Ua——电枢供电电压（V）； Ia——电枢电流（A）； Ф——励磁磁通（Wb）； Ra——电枢回路总电阻（Ω）；
Ce——电势系数，p为电磁对数，a为电枢并联支路数，N为导体数。 直流电动机有三种基本调速方法：(1)改变电枢回路总电阻Ra；(2)改变电枢供电电压Ua；(3)改变励磁磁通Ф。
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2.3 桥式电路的设计
桥式电路：控制晶体管V1、V4同时导通同时关断，V2、V3也是同时导通同时关断（V1与V2、V3与V4不允许同时导通，否则电源Ud直通短路）。设V1、V4先同时导通T1秒后同时关断，间隔一定时间(为避免电源直通短路。该间隔时间称为死区时间)之后，再使V2、V3同时导通T2秒后同时关断，如此反复，则电动机电枢端电压波形如图2b所示。
V1 Ud/2 V3 Ud Ua M -Ud Ud/2 V4 V2 Ua T1 T2 t
2a)原理图 2b)输出电压波形 图2.桥式PWM降压斩波器原理电路及输出电压波形
电动机电枢端电压的平均值为
Ua?T1?T2T1?T2Ud?(2T1T?1)Ud?(2??1)Ud (2)
由于0≤?≤1，Ua值的范围是-Ud～+Ud，因而电动机可以在正、反两个方向调速运转。
2.4 采用PWM控制的调速方法
下图为PWM降压斩波器的原理电路及输出电压波形。在图3a中，假定晶体管V1先导通T1秒(忽略V1的管压降，这期间电源电压Ud全部加到电枢上)，然后关断T2秒(这期间电枢端电压为零)。如此反复，则电枢端电压波形如图3b中所示。电动机电枢端电压Ua为其平均值。
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V1 Ua UT2 M U
Ua 0 T1 t T 3a）原理图 3b)输出电压波形 图3 PWM降压斩波器原理电路及输出电压波形
所以电压与通电时间的关系式为：
Ua?T1T1?T2Ud?T1TUd??Ud (3)
式(3)中
??T1T1?T2?T1T （4）
式中?为一个周期T中，晶体管V1导通时间的比率，称为占空比。
2.5 系统设计方案 2.5.1 系统总体设计思想
PWM调速系统按有无反馈可以分成开环系统和闭环系统，闭环系统有着良好的速度性能，使控制信号与电机速度基本保持同步，它有自动修正偏差的能力。它控制的系统不仅有给定的电压进行控制，而且被控量也参与控制。或者说，是由给定量与被控量的反馈信号的差值进行控制。如当电动机的转速升高时，运用负反馈系统可以使电机电压适当降低，这样就可以使转速减低，达到稳定调速。所以本文使用闭环调速系统。
直流电机闭环控制电路关系图如图2所示：
信 号 速度控制环节 电机驱动电路 直流电动机 速度反馈 A
图2 驱动关系图
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2.5.2 闭环PID控制
闭环速度调节器采用比例积分微分控制（简称PID控制），其输出是输入的比例、积分和微分的函数。PID调节器控制结构简单，参数容易整定，不必求出被控对象的数学模型，因此PID调节器得到了广泛的应用。
速度设定值和电机转速的获取：
为在单片机中实现PID调节，需要得到电机速度设定值和电机的实际转速，这需要通过精心的设计才能完成。直流电机的实际转速可通过测量转子位置传感器（霍尔传感器）信号得到，在电机转动过程中，通过霍尔传感器可以得到周期信号。PID计算表达式如式（5）。
nu(n)?Kpe(n)?Ki?e(k)?Kd(e(n)?e(n?1))k?0 （5）
式（5）中
Ki?KpTTi
Kd?KpTdT
u(n)——第k个采样时刻的控制；Kp——比例放大系数；
Ki——积分放大系数；Kd——微分放大系数；T——采样周期。
2.5.3系统控制流程图设计
以下是89S51单片机系统和7812,、7805稳压电源系统以及L298功率放大驱动器组成控制电动机占空比的电路，有霍尔传感器测速，并用MAX7219和LED显示转速。控制流程图如图3所示。
AT89S51单片机 7812和 7805稳压电源系统 L298功率放大驱动器 直流电 机 霍尔测速MAX7219 LED 显示转 速 PID转速反馈
图3 控制流程图
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