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1、单片机课程设计1引引 言言直流电机脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation简称 PWM）调速产生于 20 世纪 70 年代中期，最早用于自动跟踪天文望远镜，自动记录仪表等的驱动，后来用于晶体管器件水平的提高及电路技术的发展，PWM 技术得到了高速发展，各式各样的脉宽调速控制器，脉宽调速模块也应运而生，许多单片机也都有了 PWM 输出功能。而 MCS51 系列单片机作为应用最广泛的单片机之一，却没有 PWM 输出功能，本课设采用配合软件的方法实现了 MCS51 单片机的PWM 输出调速功能，这对精度要求不高的场合时非常实用的。单片机课程设计21 1 系统设计介绍系统设计介绍 1
2、.11.1 系统简介系统简介该课设是基于单片机利用脉冲宽度调制来控制伺服直流电动机的转速以及转向，是一个典型的控制系统。脉冲宽度调制主要是改变脉冲信号的占空比来实现控制的。当增加脉冲的占空比，伺服直流电动机转速增加；反之，其速度降低。所以通过控制脉冲的占空比可以控制伺服直流电动机的转速。1.21.2 系统设计原理系统设计原理1.2.11.2.1 正反转控制原理正反转控制原理该系统中利用开关 K3 控制伺服直流电动机的正反转。当开关闭合时既输入信号为 1，通过单片机编程处理后，控制电动机的正转；反之，控制电动机的反转。实现该功能的子程序为：LOOP: JB K3,LOOPZF ；高电平逆时针转，
3、低电平顺时针转CLR ZF ；针转LJMP LOOPK1LOOPZF: SETB ZF1.2.21.2.2 加速控制原理加速控制原理该系统中利用开关 K1 控制伺服直流电动机的加速。当开关闭合时既输入信号为 1，通过单片机编程处理后，增加控制脉冲的占空比，从而增大了电动机两侧的电压，使伺服直流电动机加速；反之，电动机保持匀速转动。实现该功能的子程序为：LOOPK1: JB K1,LOOPK2 ；K1 按下加速LCALL DELAYMOV A,PWMLADD A,#1 ；调宽值低 4 位加 1MOV PWML,AMOV A,PWMHADDC A,#0 ；调宽值高 4 位加 1单片机课程设计3MO
4、V PWMH,AJNC LOOPK2 ；最大值时MOV PWMH,#0FFH1.2.31.2.3 减速控制原理减速控制原理该系统中利用开关 K2 控制伺服直流电动机的加速。当开关闭合时既输入信号为 1，通过单片机编程处理后，减少控制脉冲的占空比，从而减小了电动机两侧的电压，使伺服直流电动机减速；反之，电动机保持匀速转动。实现该功能的子程序为：LOOPK2: JB K2,OVER ；K2 按下减速LCALL DELAYMOV A,PWMLCLR CSUBB A,#1 ；调宽值低 4 位减 1MOV PWML,AMOV A,PWMHSUBB A,#0 ；调宽值高 4 位减 1MOV PWMH,AJ
5、NC OVERMOV PWMH,#00H ；最小值时1.31.3系统原理图系统原理图下图是系统的原理图，图中单片机 AT89C51，其主要功能就是将开关的模拟信号转化成数字信号，并通过固定程序，通过对信号的识别，输出相应的控制信号。系统图的最右侧是采用 IGBT 作为开关器件的单相桥式 PWM 逆变电路。以电动机作为负载，工作时 Q1,Q3 的通断状态互补，Q2,Q4 的通断状态也互补。PWM 逆变电路中间是调制电路，输入信号分别是信号波和载波，输出的信号分别送至 4 个 IGBT 的门极，对其控制。单片机课程设计4图图1.31.3单片机课程设计52 2 系统硬件设计系统硬件设计2.12.1
6、硬件组成硬件组成本系统由 PC 机、MCS-51 单片机开发系统、 、PWM 脉宽调制控制板以及直流伺服电动机等组成。具体相关硬件如下：二极管（1N4077）4 个，场效应管（2SJ50）4 个，非门 74LS04 1 个，与门74LS08 2 个，电容（CAPACITOR） 2 个，芯片（AT89C51） 1 个，开关（BUTTON）3 个，直流伺服电动机（MOTOR）1 个，电阻（RES）4 个，电源 3 个，地（GROUND）4 个。元件表硬件型号数量硬件型号数量1N40774MOTOR12SJ504RES474LS041CAPACITOR274LS082GROUND4AT89C511V
7、CC3BUTTON32.22.2 主要器件功能介绍主要器件功能介绍2.2.12.2.1 直流伺服电机简介直流伺服电机简介伺服电机也称执行电机，它具有一种服从控制信号的要求而动作的电机，在信号来到之前，转子静止不动；信号来到之后，转子立即转动；当信号小时，转子能即使自行停转，由于这种“伺服”性能，因此而得名。按照在自动控制系统中的功用所要求，伺服电机具备可控性好、稳定性高和速应性强等基本性能。可控制性好是指寻好消失以后，能立即自行停转；稳定性高是指转速随转矩的增加而均匀下降，速应性强是指反应快，灵敏。直流伺服电动机在自动控制系统中常用作执行元件,对它的要求是要有下垂单片机课程设计6的机械特性、线
8、性的调节特性和对控制信号能作出快速反应。该系统采用的是电磁式直流伺服电动机,其型号为 45SY01 型,其转速 n 的计算公式如下n=E/K=(Ua-IaRa)/K式中 n 为转速; 为磁通;E 为电枢反电势;Ua 为外加电压;IaRa 为电枢电流和电阻。直流伺服电机与普通直流电机以及交流伺服电机的比较：直流伺服电机的工作原理和普通直流电机相同。只要在其励磁绕组中有电流通过且产生了磁通，当电枢绕组中通过电流时，这个电枢电流与磁通互相作用而产生转矩使伺服电机投入工作。这两个绕组其中的一个断电时，电动机立即停转，它不象交流伺服电动机那样有“自转”现象。所以我们选择直流伺服电动机来进行自动门的拖动。
9、2.2.22.2.2 PWMPWM 简介及调速原理简介及调速原理（1）简介：PWM 控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等待地获得所需要波形。PWM 的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。让信号保持在数字形式可将噪声影响降到最小。PWM 控制技术以其控制简单，灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式。（2）调速原理：占空比表示了在一个周期 T 里，开关管导通的时间与周期的比值。其变化范围为 01。在电源电压不变的情况下，电枢的端电压的平均值 U 取决于占空比的大小。改变其值就可以改变端电压的平均值，从而达到调
10、速的目的。在 PWM 调速时，占空比是一个重要的参数。以下是 3 种方式都可以改变占空比的值单片机课程设计7图图2.2.22.2.2计算公式：占空比=t ton/Ta) 定宽调频法b) 调宽调频法c) 定频调宽法目前，在直流伺服电机的控制中，主要使用定频调宽法。（3）与 V-M 系统相比，PWM 调速系统有下列优点：由于 PWM 调速系统的开关频率较高，仅靠电枢电感的滤波作用可能就足以获得脉冲动很小的直流电流，电枢容易连续，系统的低速运行平稳，调速范围较宽，可达 1：10000 左右。又由于电流波形比 V-M 系统好，在相同的平均电流即相同的输出转矩下，电动机的损耗和发热都较小。同样由于开关频
11、率高，若与快速响应的电机配合，系统可以获得很宽的频带，因此快速响应性能好，动态抗干扰能力强。由于电力电子器件只工作在开关状态，主电路损耗较小，装置效率比较高。2.2.32.2.3 单片机概述单片机概述单片机是把微型计算机主要部分都集成在一个芯片上的单芯片微型计算机，即将运算器，控制器，输入输出接口，部分存储器以及其他一些逻辑部件集成在一个芯片上，故可以把单片机看成是一个不带外部设备的微型计算机，相当于一个没有显示器，没有键盘，不带监控程序的单板机。其结构如下：单片机课程设计8图2.2.32.2.42.2.4 AT89C51AT89C51 简介简介AT89C51 是一种带 4K 字节闪存可编程可
12、擦除只读存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能 CMOS 8 位微处理器，俗称单片机。AT89C2051 是一种带 2K 字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除 1000 次。该器件采用ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 MCS-51 指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的 AT89C51 是一种高效微控制器，AT89C2051 是它的一种精简版本。AT89C 单片机为很多嵌入式控制
13、系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。1) 主要特性：a) 与 MCS-51 兼容 b) 4K 字节可编程闪烁存储器 c) 寿命：1000 写/擦循环d) 数据保留时间：10 年e) 全静态工作：0Hz-24MHzf) 三级程序存储器锁定g) 1288 位内部 RAMh) 32 可编程 I/O 线i) 两个 16 位定时器/计数器j) 5 个中断源 k) 可编程串行通道单片机课程设计9l) 低功耗的闲置和掉电模式m) 片内振荡器和时钟电路2) 单片机内部结构图：图2.2.413) AT89C51 引脚图：单片机课程设计10图2.2.424) 管脚说明：VCC：供电电压。GND：接地。P0 口：P
14、0 口为一个 8 位漏级开路双向 I/O 口，每脚可吸收 8TTL 门电流。当 P1 口的管脚第一次写 1 时，被定义为高阻输入。P0 能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在 FIASH 编程时，P0 口作为原码输入口，当 FIASH 进行校验时，P0 输出原码，此时 P0 外部必须被拉高。P1 口：P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P1 口缓冲器能接收输出 4TTL 门电流。P1 口管脚写入 1 后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在 FLASH编程和校验时，P1 口作为第八位地址接
15、收。 P2 口：P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 口缓冲器可接收，输出 4 个 TTL 门电流，当 P2 口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存取时，P2 口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，单片机课程设计11当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2 口输出其特殊功能寄存器的内容。P2 口在 FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3 口：P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I/O 口，可接收输出 4 个TTL 门电流。当 P3 口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3 口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3 口也可作为 AT89C51 的一些特殊功能口，如下表所示：口管脚 备选功能P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断 0）P3.3 /INT1（外部中断 1）P3.4 T0（记时器 0 外部输入）P3.5 T1（记时器 1 外部输入）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）P3.7 /RD（外部数
