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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
