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1、摘 要本课题是对直流电机PWM调速器设计的研究，主要实现对电动机的控制。因此在设计中，对直流调速的原理，直流调速控制方式以及调速特性，PWM基本原理及实现方式进行了全面的阐述。为实现系统的微机控制，在设计中，采用了STC89C51单片机作为整个控制系统的控制电路的核心部分，配以各种显示，驱动模块，实现对电动机的转速的显示和测量；由命令输入模块，光电隔离模块及H型驱动模块组成。采用带中断的独立式键盘作为命令的输入，单片机在程序的控制下，不断给光电隔离电路发送PWM波形，H型驱动电路完成电机的正反转控制。在设计中，采用PWM调速方式，通过改变PWM的占空比从而改变电动机的电枢电压，进而实现对电动机
2、的调速。设计的整个控制系统，在硬件结构上采用了大量的集成电路模块，大大的简化了硬件电路，提高了系统的稳定性和可靠性，使整个系统的性能得到提高。目录摘 要11 直流电机31.1直流电机的结构31.2直流电机的工作原理31.3 直流电机的主要的技术参数41.4直流电机的调速的技术指标42 单片机的相关知识62.1单片机的简介62.2 单片机的发展史62.2.1 4位单片机62.2.2 8位单片机62.2.3 16位单片机62.2.4 32位单片机72.2.5 64位单片机72.3 单片机的特点72.4 STC89C51单片机介绍83硬件电路的设计123.1控制电路的设计123.2霍尔元件测速部分电
3、路的设计123.3 电机控制正反转电路设计133.4 显示设计164 软件设计184.1 主程序部分184.2 数码管显示设计194.2.1 设计要求194.2.2 程序设计注意事项194.2.3 数码管显示程序设计194.3 功能程序设计195 直流测速系统仿真215.1 直流测速系统仿真215.1.1单片机最小系统仿真225.1.2 数码管显示仿真226结束语24参考文献24附1 源程序代码25附2 原理图311 直流电机1.1直流电机的结构直流电机的结构应由定子和转子两大部分组成。直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置
4、等组成。运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢，由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成。直流电机的结构如图1.2直流电机的工作原理直流电机模型如图1.2所示，磁极N,S间装着一个可以转动的铁磁圆柱体，圆柱体的表面固定着线圈abcd。当线圈流过电流的时候，线圈受到电磁力的作用，产生旋转。根据左手定则可知，当流过线圈中电流改变方向时，线圈的受力方向也将改变，因此通过改变线圈电流的方向实现改变电机的方向。1.3 直流电机的主要的技术参数额定功率Pn：在额定电流和电压下，电机的负载能力。额定电压Ue：长期运行的最高电压。
5、额定电流Ie：长期运行的最大电流。额定转速n：单位时间里面电机转速的快慢。励磁电流If：施加到电极线圈上的电流。1.4直流电机的调速的技术指标1.4.1 调速范围 调速范围是指最低可控转速到最高可控转速的范围，最低可控转速对最高可控转速的比值，叫电机的调速比。1.4.2 调速的相对稳定性和静差度 所谓相对稳定性，是指负载转矩在给定的范围里面变化所引起的速度的变化，它决定于机械特性的斜率。静差度（又称静差率）是指当电动机在一条机械特性上运行时，由理想空载到满载时的转速降落与理想空载转速n0的比值。用百分数表示，即 ，在一般的情况下，取额定转矩下的速度落差，有1.4.3 调速的平滑性调速的平滑性是
6、在一定的调速范围内，相邻两极速度变化的程度，用平滑系数表示，即式中和相邻两极，即i级与i-1级的速度1.4.4 调速时的容许输出 调速时的容许输出是指电动机在得到充分利用的情况下，在调速的过程中轴能够输出的功率和转矩。2 单片机的相关知识2.1单片机的简介单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。2.2 单片机的发展史2.2.1 4位单片机 19
7、75年，美国德克萨斯公司首次推出4位单片机TMS-1000，此后各个计算机公司竞相推出4位单片机。日本松下公司的MN1400系列。美国洛克威尔公司的PPS/1系列等。4位单片机的主要的应用的领域有：PC机的输入装置。电池的充电器，运动器材，带液晶显示器的音/视频产品控制器，一般家用电器的控制及遥控器，电子玩具，钟表，计算器，多功能电话等。2.2.2 8位单片机1972年，美国Intel公司首先推出8位微处理器8008，并与1976年9月率先推出MCS-48系列单片机。在这以后，8位单片机纷纷面世。例如莫斯特克和仙童公司合作生产的3870系列，摩托罗拉公司生产的6801系列等。随着集成电路工艺水
8、平的提高，一些高性能的8位单片机相继问世，例如1978年摩托罗拉公司的MC6801。这类单片机的寻址能力达到64KB，片内ROM的容量达4-8KB，片内除带有并行I/O口，甚至还有A/D转换器的功能。8位单片机由于性能强大，被广泛用于自动化装置，智能接口，过程控制等各领域。2.2.3 16位单片机1983年以后，集成电路的集成度可达几十万只管/片，各系列16位单片机纷纷面世，这一阶段的代表产品有1983年Intel公司推出的MCS-96系列，1987年Intel公司推出了80C96 ，美国半导体公司推出了HPC16040。16位单片机主要用于工业控制，智能仪器仪表等场合。2.2.4 32位单片
9、机随着高新技术智能机器人，激光打印机，图像与数据实时处理，复杂实时控制，网络服务器等领域的应用和发展，20世纪80年代末，推出了32位单片机，如摩托罗拉公司的MC683XX系列。32位单片机是单片机的发展趋势，随着技术的发展和开发成本的降低，将会和8位单片机并驾齐驱。2.2.5 64位单片机近年来，64位单片机在引擎控制，智能机器人，磁盘控制，算法密集的实时控制场所已有应用。如英国的Inmos 公司的Transputer T800是高性能的64位单片机2.3 单片机的特点1、单片机的特点 （1）高集成度，体积小，高可靠性 单片机将各功能部件集成在一块晶体芯片上，集成度很高，体积自然也是最小的。
10、芯片本身是按工业测控环境要求设计的，内部布线很短，其抗工业噪音性能优于一般通用的CPU。单片机程序指令，常数及表格等固化在ROM中不易破坏，许多信号通道均在一个芯片内，故可靠性高。 （2）控制功能强 为了满足对对象的控制要求，单片机的指令系统均有极丰富的条件:分支转移能力，I/O口的逻辑操作及位处理能力，非常适用于专门的控制功能。 （3）低电压，低功耗，便于生产便携式产品 为了满足广泛使用于便携式系统，许多单片机内的工作电压仅为1.8V3.6V，而工作电流仅为数百微安。 （4）易扩展 片内具有计算机正常运行所必需的部件。芯片外部有许多供扩展用的三总线及并行、串行输入/输出管脚，很容易构成各种规
11、模的计算机应用系统。 （5）优异的性能价格比 单片机的性能极高。为了提高速度和运行效率，单片机已开始使用RISC流水线和DSP等技术。单片机的寻址能力也已突破64KB的限制，有的已可达到1MB和16MB，片内的ROM容量可达62MB，RAM容量则可达2MB。由于单片机的广泛使用，因而销量极大，各大公司的商业竞争更使其价格十分低廉，其性能价格比极高。2.4 STC89C51单片机介绍STC89C51单片机是一款低功耗、低电压、高性能CMOS8位单片机，片内含8KB（可经受1000次擦写周期）的FLASH可编程可反复擦写的只读程序存储器（EPROM），器件采用CMOS工艺和ATMEL公司的高密度，
12、非易失性存储器（NURAM）技术制造，其输出引脚和指令系统都与MCS-51兼容，片内的FLASH存储器允许在系统内可改编程序或用常规的非易失性存储编程器来编程。因此，AT89C52是一种功能强，灵活性高且价格合理的单片机，可方便的应用在各个控制领域1。STC89C51具有以下主要性能：1.4KB可改编程序FLASH存储器；2.全表态工作 ：024HZ；3.256X8字节内部RAM；4.32个外部双向输入，输出（I、O）口；如图2.1。图2.1 STC89C51引脚说明引脚功能说明如下2：VCC：电源电压。GND：地。P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据线复用口。作为输
13、出口时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端。在访问外部数据储存器或程序储存器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。FLASH编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。P1口：P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作为输入口。作为输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。FLASH编程和程序校验期间，P1接收低8位
14、地址。P2口：P2是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作为输入口。作为输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。在访问外部程序储存器或16位地址的外部数据储存器（例如执行MOVXDPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据储存器（例如执行MOVXRI指令）时，P2口线上的内容（也即特殊功能寄存器（SFR）区中R2寄存器的内容），在整个访问期间不改变。FLASH编程或校验时，P2亦接收高位地址和其他控制信号。P3口：
15、P3是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作为输入口。作为输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。P3除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，具体功能说明如表2-1。P3口还接收一些用于FLASH闪速存储器编程和程序校的控制信号。RST:复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。ALE/PROG：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。端口引脚第二功能P3.0RXD(串行输出口)P3.1TXD(串行输入口)P3.2INT0（外部中断0）P3.3INT1（外部中断1）P3.4T0(定时/计数器0)P3.5T1(定时/计数器0)P3.6WR(外部数据写选通)P3.7RD(外部数据读选通)
