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1、1基于基于 80518051 单片机直流电机调速系统单片机直流电机调速系统2.12.1 总体硬件电路设计总体硬件电路设计2.1.1 系统总体设计框图本系统采用 89C51 控制输出数据,由 PWM 信号发生电路产生 PWM 信号,送到直流电机,直流电机通过测速电路,滤波电路,和 A/D 转换电路交数据重新送回单片机,进行 PI 运算,从而实现对电机速度和转向的控制,达到直流电机调速的目的。图图 2-12-1 系统总体设计图系统总体设计图2.1.2 8051 单片机简介18051 单片机的基本组成8051 单片机由 CPU 和 8 个部件组成,它们都通过片内单一总线连接,其基本结构依然是通用 C
2、PU 加上外围芯片的结构模式,但在功能单元的控制上采用了特殊功能寄存器的集中控制方法。其基本组成如下图所示:主控芯片PWM 信号的产生与放 大直流 电机测速 发电机滤波 电路A/D 转换2图图 2-22-2 80518051 基本结构图基本结构图2CPU 及部分部件的作用功能介绍如下中央处理器 CPU:它是单片机的核心,完成运算和控制功能。内部数据存储器:8051 芯片中共有 256 个 RAM 单元,能作为存储器使用的只是前 128 个单元,其地址为 00H7FH。通常说的内部数据存储器就是指这前128 个单元,简称内部 RAM。内部程序存储器:8051 芯片内部共有 4K 个单元,用于存储
3、程序、原始数据或表格,简称内部 ROM。定时器:8051 片内有 2 个 16 位的定时器,用来实现定时或者计数功能,并且以其定时或计数结果对计算机进行控制。中断控制系统:该芯片共有 5 个中断源,即外部中断 2 个,定时/计数中断2 个和串行中断 1 个。38051 单片机引脚图3图图 2-32-3 80518051 单片机引脚图单片机引脚图2.1.3 单片机系统中所用其他芯片选型1地址锁存器地址锁存器可以选择多种,有地址锁存功能的器件有74LS373、8282、74LS273 等,8282 是地址锁存器,功能与 74LS373 类似,但本系统选用 74LS373 作为地址锁存器,考虑到其应
4、用的广泛性以及具有良好的性价比,成为目前在单片机系统中应该较广泛的地址锁存器。74LS373 片内是 8个输出带三态门的 D 锁存器。当使能端呈高电平时,锁存器中的内容可以更新,而在返回低电平的瞬间实现锁存。如果此时芯片的输出控制端为低,也即是输出三态门打开,锁存器中的地址信息便可以通过三态门输出。其引脚图如图 2-4 所示:图图 2-42-4 74L37374L373 引脚图引脚图2程序存储器存储器是单片机的又一个重要组成部分,其中程序存储器是单片机中非常重要的存储器,但由于其存储空间不足,常常需要对单片机的存储器空间进行扩展,扩展程序存储器常用芯片有 EPROM(紫外线可擦除型) ,如 2
5、716(2KB) 、2732(4KB) 、2764(8KB) 、27128(16KB) 、27256(32KB)等,另外还有5V电擦除 E2PROM,如 2816(2KB) 、2864(8KB)等等。考虑到系统功能的可扩展性以及程序功能的扩展,本系统采用 16KB 的 27128 作为程序存储器扩展芯片,在满足系统要求的前提下还存有一定的扩展空间,是本系统最合适的程序存储器扩展芯片。27128 的引脚图如图 2-5 所示:4图图 2-52-5 2712827128 结构图结构图3数据存储器8051 单片机有 128B RAM,当数据量超过 128B 也需要把数据存储区进一步扩展。常用 RAM
6、芯片分静态和动态两种。静态 RAM 有 6116(2KB)、6264(8KB)等,动态 DRAM2164(8KB)等,另外还有集成 IRAM 和 E2PROM。使用 E2PROM 作数据存储器有断电保护数据的优点。数据存储器扩展常使用随机存储器芯片,用的较多的是 Intel 公司的 6116容量为 2KB 和 6264 容量为 8KB。本系统采用容量 8KB 的 6264 作为数据存储器扩展芯片。其引脚图如图 2-6 所示:2.1.4 8051 单片机扩展电路及分析图图 2-6 6264 引脚引脚图图5图图 2-72-7 80518051 单片机扩展电路及分析单片机扩展电路及分析接线分析:P0
7、.7-P0.0:这 8 个引脚共有两种不同的功能,分别使用于两种不同的情况。第一种情况是 8051 不带片外存储器,P0 口可以作为通用 I/O 口使用,P0.7-P0.0 用于传送 CPU 的 I/O 数据。第二种情况是 8051 带片外存储器,P0.7-P0.0 在 CPU 访问片外存储器时先是用于传送片外存储器的低 8 位地址,然后传送 CPU 对片外存储器的读写数据。P2.7-P2.0:这组引脚的第一功能可以作为通用的 I/O 使用。它的第二功能和 P0 口引脚的第二功能相配合,用于输出片外存储器的高 8 位地址,共同选中片外存储器单元,但是并不能像 P0 口那样还可以传送存储器的读写
8、数据。P3.7-P3.0:这组引脚的第一功能为传送用户的输入/输出数据。它的第二功能作为控制用,每个引脚不尽相同。VCC为+5V 电源线,VSS为接地线。ALE/:地址锁存允许/编程线,配合 P0 口引脚的第二功能使用,在_ PROG访问片外存储器时,8051CPU 在 P0.7-P0.0 引脚线上输出片外存储器低 8 位地址的同时还在 ALE/线上输出一个高电位脉冲,其下降沿用于把这个片_ PROG外存储器低 8 位地址锁存到外部专用地址锁存器,以便空出 P0.7-P0.0 引脚线去传送随后而来的片外存储器的读写数据。/VPP:允许访问片外存储器/编程电源线,可以控制 8051 使用片内 R
9、OM_ EA还是片外 ROM。如果=1,那么允许使用片内 ROM;如果=0,那么允许使_ EA_ EA6用片外 ROM。XTAL1 和 XTAL2:片内振荡电路输入线,这两个端子用来外接石英晶体和微调电容,即用来连接 8051 片内 OSC 的定时反馈电路。石英晶振起振后,应能在XTAL2 线上输出一个 3V 左右的正弦波,以便于 8051 片内的 OSC 电路按石英晶振相同频率自激振荡,电容 C1、C2 可以帮助起振,调节它们可以达到微调 fOSC的目的。2.22.2 PWMPWM 信号发生电路设计信号发生电路设计2.2.1 PWM 的基本原理PWM(脉冲宽度调制)是通过控制固定电压的直流电
10、源开关频率,改变负载两端的电压,从而达到控制要求的一种电压调整方法。PWM 可以应用在许多方面,比如:电机调速、温度控制、压力控制等等。在 PWM 驱动控制的调整系统中,按一个固定的频率来接通和断开电源,并且根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来达到改变平均电压大小的目的,从而来控制电动机的转速。也正因为如此,PWM 又被称为“开关驱动装置” 。如图 2-8 所示:图图 2-82-8 PWMPWM 方波方波设电机始终接通电源时,电机转速最大为 Vmax,设占空比为 D= t1 / T,则电机的平均速度为 Va = Vmax * D,其中 V
11、a指的是电机的平均速度;Vmax 是指电机在全通电时的最大速度;D = t1 / T 是指占空比。由上面的公式可见,当我们改变占空比 D = t1 / T 时,就可以得到不同的电机平均速度 Vd,从而达到调速的目的。严格来说,平均速度 Vd 与占空比 D并非严格的线性关系,但是在一般的应用中,我们可以将其近似地看成是线性关系。2.2.2 PWM 信号发生电路设计7图图 2-9PWM2-9PWM 信号发生电路信号发生电路PWM 波可以由具有 PWM 输出的单片机通过编程来得以产生,也可以采用 PWM专用芯片来实现。当 PWM 波的频率太高时,它对直流电机驱动的功率管要求太高,而当它的频率太低时,
12、其产生的电磁噪声就比较大,在实际应用中,当PWM 波的频率在 18KHz 左右时,效果最好。在本系统内,采用了两片 4 位数值比较器 4585 和一片 12 位串行计数器 4040 组成了 PWM 信号发生电路。两片数值比较器 4585,即图上 U2、U3 的 A 组接 12 位串行 4040 计数输出端 Q2Q9,而 U2、U3 的 B 组接到单片机的 P1 端口。只要改变 P1 端口的输出值,那么就可以使得 PWM 信号的占空比发生变化,从而进行调速控制。12 位串行计数器 4040 的计数输入端 CLK 接到单片机 C51 晶振的振荡输出XTAL2。计数器 4040 每来 8 个脉冲,其
13、输出 Q2Q9 加 1,当计数值小于或者等于单片机 P1 端口输出值 X 时,图中 U2 的(AB)输出端保持为低电平,而当计数值大于单片机 P1 端口输出值 X 时,图中 U2 的(AB)输出端为高电平。随着计数值的增加,Q2Q9 由全“1”变为全“0”时,图中 U2 的(AB)输出端又变为低电平,这样就在 U2 的(AB)端得到了 PWM 的信号,它的占空比为(255 -X / 255)*100%,那么只要改变 X 的数值,就可以相应的改变 PWM 信号的占空比,从而进行直流电机的转速控制。使用这个方法时,单片机只需要根据调整量输出 X 的值,而 PWM 信号由三片通用数字电路生成,这样可
14、以使得软件大大简化,同时也有利于单片机系统的正常工作。由于单片机上电复位时 P1 端口输出全为“1” ,使用数值比较器84585 的 B 组与 P1 端口相连,升速时 P0 端口输出 X 按一定规律减少,而降速时按一定规律增大。2.2.3 PWM 发生电路主要芯片的工作原理1数据比较器具有数据比较功能的芯片有 74LS6828,74LS6838 等 8 位数值比较器,4 位数值比较器 4585 等。本 PWM 发生电路通过两片 4 位数值比较器 4585 就可实现PWM 信号的产生,因此选用 4585 作为信号发生电路。芯片 4585 的引脚图:2串行计数器 系统 PWM 信号发生电路中还使用
15、到一片串行计数器,有串行计数功能的芯片有 4024、4040 等,它们具有相同的电路结构和逻辑功能,但 4024 是 7 位二进制串行计数器,而芯片 4040 是一个 12 位的二进制串行计数器,所有计数器位为主从触发器,计数器在时钟下降沿进行计数。当 CR 为高电平时,它对计数器进行清零,由于在时钟输入端使用施密特触发器,故对脉冲上升和下降时间没有限制,所有的输入和输出均经过缓冲。本系统使用 4040 作为串行计数器,芯片 4040 的引脚图如图 2-11 所示:图图 2-11 4040 引脚引脚图图图图 2-10 4585 引脚引脚图图92.32.3 功率放大驱动电路设计功率放大驱动电路设
16、计功率放大驱动芯片有多种,其中较常用的芯片有 IR2110 和 EXB841,但由于 IR2110 具有双通道驱动特性,且电路简单,使用方便,价格相对 EXB841 便宜,具有较高的性价比,且对于直流电机调速使用起来更加简便,因此该驱动电路采用了 IR2110 集成芯片,使得该集成电路具有较强的驱动能力和保护功能。2.3.1 芯片 IR2110 性能及特点IR2110 是美国国际整流器公司利用自身独有的高压集成电路以及无闩锁CMOS 技术,于 1990 年前后开发并且投放市场的,IR2110 是一种双通道高压、高速的功率器件栅极驱动的单片式集成驱动器。它把驱动高压侧和低压侧MOSFET 或 IGBT 所需的绝大部分功能集成在一个高性能的封装内,外接很少的分立元件就能提供极快的功耗,它的特点在于,将输入逻辑信号转换成同相低阻输出驱动信号,可以驱动同一桥臂的两路输出,驱动能力强,响应速度快,工作电压比较高,可以达到 600V,其内设欠压封锁,成本低、易于调试。高压侧驱