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1、基于单片机的直流电机测速、调速及显示系统设计摘要本文主要研究了利用Quick51系列单片机控制PWM信号从而实现对直流电机转速进行控制的方法。单片机具有体积小、功能强、成本低、应用面广泛等优点，可以说，智能控制与自动控制的核心就是单片机。目前，一个学习与应用单片机的高潮在全社会大规模地兴起。学习单片机的最有效方法就是理论与实践并重，本文用8051单片机自制了一个采用了专门的芯片组成了PWM信号的发生系统，并且对PWM信号的原理、产生方法以及如何通过软件编程对PWM信号占空比进行调节，从而控制其输入信号波形等均作了详细的阐述。还对直流电机的速度进行了测量和显示。关键词：单片机、 PWM、调速、测
2、速、显示系统 目录摘要1目录2第一章概述31.1概述31.2 Quick51的技术简介和发展前景31.2.1 SmartSOPC与Quick5131.2.2 Quick51特性4第二章 总体方案设计52.1 8051单片机简介62.2 PWM信号发生电路设计122.2.1 PWM的基本原理122.3 128*64液晶显示13第三章 硬件设计与连接143.1传感器电路设计143.2 信号处理电路设计163.3存储器电路设计173.3.1 I2C总线概述173.3.2 存储器电路183.4 显示电路设计183.5 PWM信号发生电路设计19第四章 软件设计204.1系统软件总流程图204.2程序清
3、单21第五章 结论与展望31附录32附一 速度控制子程序32附二 电路图35参考文献36答辩问题37第一章 概述1.1 概述本文主要研究了利用Quick51系列单片机，通过PWM方式控制直流电机调速的方法。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。PWM控制技术就是以该结论为理论基础，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。PWM控制的基本原理很早就已经提出，但是受电力电子器件发展水平的制约，在上世纪80年代以前一直未能实现。直到进入上世
4、纪80年代，随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展，PWM控制技术才真正得到应用。随着电力电子技术、微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法，如现代控制理论、非线性系统控制思想的应用，PWM控制技术获得了空前的发展。到目前为止，已经出现了多种PWM控制技术。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，也是人们研究的热点。由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限，结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM控制技术发展的主要方向之一。本文就是利用这种控制方式来改变电压的占空比实现直流电机速度的控制。1.2 Quick51的
5、技术简介和发展前景1.2.1 SmartSOPC与Quick51 SmartSOPC教学实验开发平台集众多功能于一体，是SOPC、DSP、EDA、ARM、ARM7 SOC以及8051教学实验、科研开发的最佳选择。开发平台采用“主板核心板”的模式，更换不同的核心板即可实验不同平台的功能。 Quick51正是跟SmartSOPC相配套的8051单片机核心板。Quick51是一款自由的、开放全部系统资源的单片机实验板。单片机芯片采用Philips最新推出的拥有64KB Flash的增强型8052内核单片机P89LV51RD2，工作电压3.3V（3V逻辑是大趋势）。Quick51与SmartSOPC配
6、合，可以做各种单片机教学实验，如LED点阵扫描显示、键盘检测、动态数码管、液晶屏、电机驱动、I2C总线、红外收发、蜂鸣器、数字温度计、电子钟，等等。1.2.2 Quick51特性l 采用Philips半导体新型单片机P89LV51RD2，增强型Intel 8052 CPU内核。具有许多增强功能，如内置64KB用户程序Flash，8KB引导Flash（用来支持ISP和IAP功能），1KB片内静态RAM，双倍速模式，双DPTR，4个中断优先级，进入掉电模式后外部中断可唤醒（8052只有复位，不方便），硬件SPI，增强型UART，等等。 l 配备的P89LV51RD2单片机支持ISP（在系统可编程）
7、方式下载用户程序。Quick51只需要一根普通电脑RS-232通信电缆（该电缆已经随SmartSOPC实验箱标配）就能实现ISP下载，不需要制作专门的下载线。l 配备1片专门的仿真芯片。在目前最流行的8051内核单片机Windows环境软件开发工具Keil C51的支持下，能够方便地进行硬件在线仿真，而且并不需要安装特别的驱动程序。该仿真芯片能够全面支持单步、全速、断点、跳出、变量观察、外围设备访问等仿真功能。l 晶振（默认11.0592MHz）采用插座式安装，为用户替换成其它频点的晶振来做实验提供了方便。l 复位方式可选：RC复位、按键复位、看门狗复位。此外，看门狗芯片还内置有256B的EE
8、PROM。l 单片机的4组I/O端口全部用双排插针引出，方便用户做实验。l 扩展32KB静态RAM。l 扩展512KB大容量Flash存储器，可以用作程序Flash或者大容量数据存储。l 扩展1个8位并行高阻输入端口、1个8位并行推挽输出端口。l 采用PLD器件作为译码器。提供8组输出，地址范围已经印在PCB上，一目了然。在产品光盘里提供译码器内部结构的等效电路原理图。第二章 总体方案设计本速度表由信号预处理电路、8051单片机、LCD显示电路、串口数据存储电路和系统软件组成。其中信号预处理电路包含信号放大、波形变换和波形整形。信号预处理电路中的放大器用于对待测信号进行放大,以降低对待测信号的
9、幅度要求；波形变换和波形整形电路则用来将放大的信号转换成可与单片机接口的TTL 信号；通过单片机的设置可使INT0 引脚能够对内部定时器T0 的工作进行控制,这样能精确地测出加到INT0 引脚的正脉冲宽度(即测出脉冲信号的周期)；速度显示部分采用数码显示模块, 所得的数据采用I2C总线, 并通过E2PROM来存储, 因而节省了所需单片机的口线和外围器件, 同时也简化了显示部分的软件编程。系统软件包括单片机和液晶模块的初始化模块、液晶模块的写数据/ 命令子模块、数据显示模块以及实时中断服务模块等。该设计能实时地将所测的速度显示出来。该速度表能将传感器输入到单片机的脉冲信号的宽度(传感器将车速转变
10、成相应宽度的脉冲信号) 实时地测量出来,然后通过单片机计算出速度, 再将所得的数据存储到串口数据存储器, 并由动态数码显示模块实时显示出所测速度。本设计用两个按键来控制显示速度。考虑到信号的衰减、干扰等影响,在信号送入单片机前应对其进行放大整形, 然后再输入到单片机进行测速。系统方框图如图2-1所示。8051单片机PWM方波信号直流电机测速发电机LCD显示图2-1 系统方框图2.1 8051单片机简介一、8051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CPU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
11、方法。二、CPU及8个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。特殊功能寄存器：是用来对片内各部件进行管理、控制、监视的控制寄存器和状态寄存器，是一个特殊功能的RAM区，位于内部RAM的高128个单元，其地址为80HFFH。内部程序存储器：8051芯片内部共有4K个单元，用于存储程序、原始数据或表格，简称内部ROM。并行I/O口：8051芯片内部有4个8位的I/O口（P0，P1，P2，
12、P3），以实现数据的并行输入输出。串行口：它是用来实现单片机和其他设备之间的串行数据传送。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。振荡电路：它外接石英晶体和微调电容即可构成8051单片机产生时钟脉冲序列的时钟电路。系统允许的最高晶振频率为12MHz。三、8051单片机引脚图 四、单片机系统中所用其他芯片简介1 地址锁存器74LS37374LS373片内是8个输出带三态门的D锁存器。其结构如下图所示：当使能端G呈高电平时，锁存器中的内容可以更新
13、，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。以下是其引脚图： 2程序存储器27128(1)芯片引脚 （2）功能表 引脚 工作方式（片选）（允许输出）VPP（编程控制）输出读LLVCCH数据输出维持H*VCC*高阻编程LHVPPL数据输入编程校验LLVPPH数据输出编程禁止H*VPP*高阻3数据存储器6264（1）芯片引脚 （2）芯片功能表 引脚工作方式I/O0I/O7未选中H*高阻未选中*L*高阻输出禁止LHHH高阻读LHLH数据输出写LHHL数据输入写LHLL数据输入五、8051单片机扩展电路及分析接线分析P0.
14、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，如下表所示：P3口的位第二功能注释P3.0RXD串行数据接收口P3.1TXD串行数据
