毕业设计-数字式直流电机控速系统设计-正文.doc

四川理工学院本科毕业设计四川理工学院毕业设计数字式直流电机控速系统设计学 生：张 平学 号：09021020227专 业：电子信息工程班 级：2009.2指导教师：王贤秋 四川理工学院自动化与电子信息学院二o一三年六月iii四川理工学院本科毕业设计数字式直流电机控速系统设计摘要：本设计采用脉宽调制的方法实现电机的控速，利用单片机在控制方面简单灵活操作特点，通过检测光栅的方式实现了电机的转速测量，再通过相应的处理生成控制信息之后，采用调节占空比的方式控制电机的转速。并且为了适应联机操作，本设计电路还提供了一个串行接口提供给上位机发送命令以及接收数据使用。 关键词：数字式；直流电机；光栅控速；串行通信dc motor digital speed control systemzhangping(sichuan university of science and engineering, zigong, china, 643000) abstract: this article make the control of the motor by pulse duration modulation. this article use a kind of simple and practical design solution .by help of single chip micyoco , we could do something more flexible . the system can compute the speed of the motor by checking the optical grating . when get the data , it will dispose the data with a corresponding way , and then control dc motor by adjusting the pwm . on the other side , online is very important for a system , so to communicate with other system , the system support a serial interface ,too . key words: digital ; dc motor ; optical grating ; serial port communicationiii目录摘要iiabstractiii第1章 引 言11.1 设计背景11.2 目的和意义11.3研究方法21.4 本章小节2第2章 总体电路设计32.1系统工作原理简介32.2 系统框图42.3 本章小结53.1 pwm信号发生电路63.1.1 pwm的基本原理63.1.2 pwm的实现73.1.3 硬件实现83.2 主控电路83.2.1芯片的组成原理83.2.2cpu及部件的作用功能93.2.3 引脚功能103.2.4 硬件实现113.3显示模块123.3.1工作原理123.3.2元件地址锁存器133.3.3 硬件实现133.4 串行通信模块143.4.1模块工作原理143.4.2 元件-max232153.4.3 单片机串口通信简介163.4.4 九针串口193.4.5 硬件实现213.5 电机驱动电路223.5.1 h型桥式驱动电路223.5.2 硬件实现233.6 光电测速模块233.6.1 工作原理233.6.2 硬件实现243.7 本章小节25致 谢32参考文献33附 录34附录一 详细电路设计图34附录二 软件设计35第1章 引 言1.1 设计背景在现代化电子信息产业中，电机是一种十分常用的动力设备。目前，在直流电动机控制系统中已普遍开始采用可控硅等装置进行电动机的转速控制，进而逐渐淘汰了发电动一电动机的fd系统，又伴随着电子技术的高度发展，促使直流电机调速逐步从模拟化向数字化转变，特别是单片机的广泛使用，使直流电机控速设计又步入到了一个全新的高度，从此我们可以更加智能化、更加可靠的完成系统要求的控制，并且该过程还更加简单化，只要需要甚至一个只有一点电路基础的人在短时间内也能学会这项控制技术。类比于交流电机，直流电机调速基本原理是简单的，甚至只要改变电压就可以控制转速。但除此之外，最常见的一种pwm脉宽调制，调节电机的输入占空比就可以控制电机的平均电压，控制转速。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。11.2 目的和意义直流电动机在制动性能，在平滑调速等方面都有良好的效果，在许多需要调速或快速正反向的制动领域中都有着广泛的应用。从控制的角度来看，直流调速依然是建立在交流拖动系统的基础上。早期直流电动机的控制多以模拟电路为基础，采用运放、非线性集成电路及一定的数字电路混合构成，控制系统的硬件部分往往很复杂，而且在功能，系统灵活性、调试等方面还十分不理想，这些限制了直流电机控制技术的发展以及应用。但随着单片机在控制方面的崭露头角，使得大量的控制功能及算法可以通过软件技术来完成，为直流电动机的控制提供了相当大的灵活性，并使系统的各方面性能都有显著的提高。并且由单片机构成的控制系统有效的节约了人力资源和系统成本，进而提高了工作的效率。传统的控制系统采用的模拟元件，虽在一定程度上可以满足生产要求，但是因为元件的老化和外界干扰的影响，以及线路复杂、通用性差，控制效果易受到元件性能，天气，温度等方面因素的影响，所以系统的可靠性方面十分的不理想，甚至事故频出。现在，直流电机控速系统的数字化已经日趋成熟，伴随着电子技术的高速发展，直流电机调速逐步从模拟化向数字化转变，特别是单片机技术的应用，使直流电机调速技术又进入到一个崭新的阶段，智能化、高可靠性已不可避免的成为了它发展的新趋势。1.3研究方法本文主要利用at89c52系列单片机的灵活工作特点，通过脉冲调速方式控制电机的转动。pwm控制技术因其简单、灵活和稳定的优点而在控制领域得到了广泛的应用，同时也是人们研究的热点。由于科学技术的飞速发展已经开始模糊了学科之间的界限，现代控制理论思想很可能会成为pwm控制技术发展的主流方向。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。文章中采用了专门的芯片组成了pwm信号发生系统，然后通过一定处理来驱动电机。利用光栅测速测得电机转动情况，把光电信号输入给转换芯片最后又反馈给单片机，在对信号的处理完成之后，输出相应的控制量，实现电机的调速控制。1.4 本章小节本章先分析了直流电机在现代化生产中不可或缺的位置，在日常生活中扮演的重要角色，比较详细的阐述了其在各个方面的应用。又分析了直流电机控速在现代化大生产中的重要作用。在之前的时代，由于缺少数字技术的支持该系统可以说是遍布漏洞，在系统可靠性，系统调试，系统设计维护，通用性等等方面都相当的不成熟。极大地限制了直流电机控速系统的广泛应用，但随着当前电子技术的飞速发展，特别是单片机以及嵌入式技术的广泛应用，该项技术一下就达到了一个崭新的高度，并且想着智能化，多功能化等方向发展。第2章 总体电路设计单片机直流电机调速简介：单片机直流调速系统可实现对直流电动机的平滑调速。脉冲调速是通过控制固定电压的直流电源开关频率，从而改变负载两端的电压，达到控制要求的一种调速方法。在该系统中，按一个固定的频率来打开和关闭电源，并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。通过改变直流电机的电源电压的“占空比”来改变电机的转动大小，从而控制电机的转速。因此，pwm又被称为“开关驱动装置”。本系统以at89c52单片机为核心，通过单片机的控制，采用c语言编程实现对直流电机的速度检测以及转动调速。2系统控制方案的分析：本直流电机调速系统以单片机系统为依托，根据pwm调速的基本原理，以直流电机电枢上电压的占空比来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速为依据，实现对直流电动机的平滑调速，并通过单片机控制速度的变化。本文所研究的直流电机调速系统主要是由硬件和软件两大部分组成。硬件部分是前提，是整个系统执行的基础，它主要为软件提供程序运行的平台。而软件部分，是对硬件端口所体现的信号，加以采集、分析、处理，最终实现控制器所要实现的各项功能，达到控制器自动对电机速度的有效控制。52.1系统工作原理简介本系统通过检测光栅的方式来检测电机的转动情况，再经过at89c52型单片机进行信号处理以及误差矫正，得到电机的实际运动情况，在输出相应的控制信号，并且经由h型电桥形成可用的电机控制信号，控制直流电机开始转动，并且实时监控其转动情况，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。一般来说，电机的工作状态是不会简单的与工作电压成线性关系，而且在带动负载的情况下事情将会变得更加复杂，但是情况却可以因为我们的智能程序而有相当大的改善（假设电机确实能够带动负载的情况下），在智能系统的实时监控之下，如果电机的转速达不到希望的等级，系统是不会死守最初的规则，其会根据情况适当的调节占空比t的输出，假设转速达不到要求系统会逐级加大占空比t，直到达到要求或者电机负载上限。而在转速超过要求时系统又会逐级减小占空比，直到达到要求或占空比为零，甚至输出反向转动信号，而完成对电机制动。这样，我们终于可以将其近似地看成是线性关系。（具体电路实现见附录）2.2 系统框图本文系统主要由六个独立部件组成，包括显示模块，单片机，逻辑上位机，光电开关，电机驱动以及直流电机。其各个模块的功能如下：显示模块：功能主要是用来显示数据，方便系统与用户进行直观的交互，但有上位机存在的情况下，也可以去掉该部分，用户与系统的交互可以交由上位机来实现。逻辑上位机：在工作状态下系统是默认存在上位机的，当在串行接口接收到有效命令时，即开始执行相应的指令，完成要求后，再将结果反馈到上位机。单片机：完成系统控制的核心模块，本文系统在该元件的支持下完成其功能。光电开关：安装在需要测量转速的地方，每当电机转动一次则产生一个脉冲信号，该信号在经过相应的处理之后，再发送到单片机进行检测。电机驱动：一般情况下，单片机的驱动能力是不足以负载一个直流电机，所以需要经过该模块才能完成对电机的控制。电机：系统的控制目标。系统逻辑结构如图2-1所示。单片机光电开关电机驱动电机显示模块上位机图2-1系统总体设计图2.3 本章小结本章简单的介绍了本文系统的工作原理以及系统的设计思路，将系统的实现逻辑上分成了六个部分，包括显示模块，单片机，逻辑上位机，光电开关，电机驱动以及直流电机，并简要介绍了每个模块的功能。第三章 电路设计3.1 pwm信号发生电路脉冲宽度调制是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，是利用微处理器的数字信号对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。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。3.1.1 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3-1所示：100msh0l图3-1 pwm方波当电机始终接通电源时，电机转速的最大值为vmax，设占空比为t= h/(h+l)，则电机的平均速度为vaverge = vmax * h/(h+l)=vmax*t ,其中va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；t是指占空比。由上面的公式我们可以预见，当改变占空比t = h/ (h+l)时，就可以得到不同的电机平均速度vaverge ，从而达到控制转动速度的目标。一般来说，平均速度vaverge 与占空比t并非严格的线性关系，而且在带动负载的情况下事情将会更加复杂，但是情况却可以因为我们的智能程序而有相当大的改善（假设电机确实能够带动负载的情况下），在智能系统的实时监控之下，如果电机的转速达不到希望的等级，系统是不会死守最初的规则，其会根据情况适当的调节占空比t的输出，如果转速达不到要求系统会逐级加大占空比t，直到达到要求或者电机负载上限。而在转速超过要求时系统又会逐级减小占空比，直到达到要求或占空比为零。这样，我们终于可以将其近似地看成是线性关系。3.1.2 pwm的实现初始化达到占空比等待1msn停转y达到100ms等待1msny开始图3-2 pwm软件实现逻辑框图脉冲发生器主要由单片机内部的计时器0实现，精确度达到了毫秒级，主要有软件方式来实现占空比的控制。计时器0被设置成计时模式，每隔1毫秒其会产生一个中断信号，系统再根据需要来判断这1毫秒是否属于工作区间，如果属于则输出工作信号，若不属于则输出停止工作信号。其具体实现流程如图3-2所示：3.1.3 硬件实现在硬件电路中，pwm由at89c52的内部计时器进行计时，通过引脚p1.6和p1.7产生控制激励源，具体电路如图3-3所示：图3-3 pwm信号发生电路3.2 主控电路3.2.1芯片的组成原理单片机由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方法。其基本组成如图3-4所示： cpu震荡电路特殊功能寄存器数据存储器程序存储器中断系统并行i/o串行i/o定时器图3-4 基本结构图3.2.2cpu及部件的作用功能中央处理器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：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：at89c52芯片内部共有8k个单元，用于存储程序、原始数据或表格，简称内部rom。定时器：片内有3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：该芯片拥有比较丰富的中断源，共有5个，其中外部中断2个，定时/计数中断2个和串行中断1个。其引脚图如图3-5所示：图3-5 at89c52单片机引脚图3.2.3 引脚功能p0.7-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at89c52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。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at89c52使用片内rom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at89c52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。3.2.4 硬件实现根据上文所述设计思路，主控电路如图3-6所示：图3-6 主控电路3.3显示模块3.3.1工作原理显示模块由2个八位地址锁存器以及一个四位七段数码管组成。数码管采用动态刷新的方式显示数据，两个八位锁存器分别完成段控制与位控制的作用。总体结构如图3-7所示：四位七段数码管位控芯片段控芯片系统显示缓冲区显示缓冲区刷新模块显示刷新模块图3-7 显示模块工作原理动态刷新方式显示数据的工作流程如下1）打开显示模块2）收到显示器刷新请求。2）由处理器清空锁存器数据，并锁定为空信号，关闭数码管显示。3）输出位信号，控制位锁存器接收信号并锁定。4）输出段信号，控制段锁存器接收信号并锁定。5）结束刷新，并等待下一个刷新信号的到来，再次从第二步开始循环。程序见附录的display函数 。3.3.2元件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，考虑到其应用的广泛性以及具有良好的性价比，安全性等方面优秀的性能，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3-8所示：图3-8 74l373引脚图3.3.3 硬件实现根据上文所述设计思路，实际电路图设计如图3-9所示：图3-9 显示电路3.4 串行通信模块3.4.1模块工作原理当前，实践证明联机工作是非常有用的，无论是从实际情况还是个人理解，如果能让该控速系统与外界其他系统进行通信，对其功能的完善都是很有好处的。本文所建立的系统一直是以可组装部件的原则来设计，在系统中充分考虑了现代化大生产对系统模块化的要求，加入了和其他系统通信的功能。在与其他系统的交互中，本系统可以上传数据以及接受指令。试想如果我们想要构建一个大的智能控制系统，只需要将本文系统与中央控制系统用一个串口线进行连接，甚至无需改动其他元件，就完成了新系统的构建，由中央系统对多个子系统进行协调控制，更新子系统数据，在必要的时候甚至可以直接绕过子系统接管其对元件的控制权。故给予本系统一个串口通信模块是十分必要的。由于微机系统的串口工作电平与单片机的串口输出电平存在很大区别，为了实现这两种不同系统间的通信，所以加入了一个电平转换元件max232作为中转模块。其总电路图如图3-10所示：单片机max2329针串行接头9针串行接口逻辑上位机图3-10 串行接口逻辑图3.4.2 元件-max232max232芯片是美信（maxim）公司专为rs-232标准串口设计的单电源电平转换芯片，使用+5v单电源供电。其逻辑结构图如图3-11所示：图3-11 max232引脚图第一部分是电荷泵电路。由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给rs-232串口电平的需要。第二部分是数据转换通道。由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。其中13脚（r1in）、12脚（r1out）、11脚（t1in）、14脚（t1out）为第一数据通道。8脚（r2in）、9脚（r2out）、10脚（t2in）、7脚（t2out）为第二数据通道。ttl/cmos数据从11引脚（t1in）、10引脚（t2in）输入转换成rs-232数据从14脚（t1out）、7脚（t2out）送到电脑db9插头；db9插头的rs-232数据从13引脚（r1in）、8引脚（r2in）输入转换成ttl/cmos数据后从12引脚（r1out）、9引脚（r2out）输出。第三部分是供电。15脚gnd、16脚vcc（+5v）。电容器应选择1f的电解电容。在使用过程中本人曾用过10f的代替。注意，由于rs232电平较高，在接通时产生的瞬时电涌非常高，很有可能击毁max232，所以在使用中应尽量避免热插拔。3.4.3 单片机串口通信简介at89c52 单片机内部有一个全双工串行接口。什么叫全双工串口呢？一般来说，只能接受或只能发送的称为单工串行；既可接收又可发送，但不能同时进行的称为半双工；能同时接收和发送的串行口称为全双工串行口。串行通信是指数据一位一位地按顺序传送的通信方式，其突出优点是只需一根传输线，可大大降低硬件成本，适合远距离通信。其缺点是传输速度较低。与之前一样，首先我们来了解单片机串口相关的寄存器。sbuf 寄存器：它是两个在物理上独立的接收、发送缓冲器，可同时发送、接收数据，可通过指令对sbuf 的读写来区别是对接收缓冲器的操作还是对发送缓冲器的操作。从而控制外部两条独立的收发信号线rxd（p3.0）、txd（p3.1），同时发送、接收数据，实现全双工。串行口控制寄存器scon（见表3-1）。表3-1 scon寄存器sm0sm1sm2rentb8rb8tiri表中各位（从左至右为从高位到低位）含义如下。sm0 和sm1 ：串行口工作方式控制位，其定义如表3-2 所示。表3-2 串行口工作方式控制位sm0sm1工作方式功能波特率00方式0同步移位寄存器输出方式f/1201方式110位异步通信方式可变，取决于定时器1溢出率10方式211位异步通信方式f/32 或 f/6411方式311位异步通信方式可变，取决于定时器1溢出率其中，fosc 为单片机的时钟频率；波特率指串行口每秒钟发送（或接收）的位数。sm2 ：多机通信控制位。 该仅用于方式2 和方式3 的多机通信。其中发送机sm2 1（需要程序控制设置）。接收机的串行口工作于方式2 或3，sm2=1 时，只有当接收到第9 位数据（rb8）为1 时，才把接收到的前8 位数据送入sbuf，且置位ri 发出中断申请引发串行接收中断，否则会将接受到的数据放弃。当sm2=0 时，就不管第位数据是0 还是1，都将数据送入sbuf，并置位ri 发出中断申请。工作于方式0 时，sm2 必须为0。ren ：串行接收允许位：ren =0 时，禁止接收；ren =1 时，允许接收。tb8 ：在方式2、3 中，tb8 是发送机要发送的第9 位数据。在多机通信中它代表传输的地址或数据，tb8=0 为数据，tb8=1 时为地址。rb8 ：在方式2、3 中，rb8 是接收机接收到的第9 位数据，该数据正好来自发送机的tb8，从而识别接收到的数据特征。ti ：串行口发送中断请求标志。当cpu 发送完一串行数据后，此时sbuf 寄存器为空，硬件使ti 置1，请求中断。cpu 响应中断后，由软件对ti 清零。ri ：串行口接收中断请求标志。当串行口接收完一帧串行数据时，此时sbuf 寄存器为满，硬件使ri 置1，请求中断。cpu 响应中断后，用软件对ri 清零。电源控制寄存器pcon（见表3-3） 。表3-3 pcon寄存器smodgf1gf0pdidl表中各位（从左至右为从高位到低位）含义如下。smod ：波特率加倍位。smod=1，当串行口工作于方式1、2、3 时，波特率加倍。smod=0，波特率不变。gf1、gf0 ：通用标志位。pd（pcon.1） ：掉电方式位。当pd=1 时，进入掉电方式。idl（pcon.0） ：待机方式位。当idl=1 时，进入待机方式。另外与串行口相关的寄存器有前面文章叙述的定时器相关寄存器和中断寄存器。定时器寄存器用来设定波特率。中断允许寄存器ie 中的es 位也用来作为串行i/o 中断允许位。当es 1，允许 串行i/o 中断；当es 0，禁止串行i/o 中断。中断优先级寄存器ip的ps 位则用作串行i/o 中断优先级控制位。当ps=1，设定为高优先级；当ps =0，设定为低优先级。波特率计算：在了解了串行口相关的寄存器之后，我们可得出其通信波特率的一些结论： 方式0 和方式2 的波特率是固定的。在方式0 中， 波特率为时钟频率的1/12， 即fosc/12，固定不变。在方式2 中，波特率取决于pcon 中的smod 值，即波特率为： （3-1）当smod=0 时，波特率为fosc/64 ；当smod=1 时，波特率为fosc/32。 方式1 和方式3 的波特率可变，由定时器1 的溢出率决定。 （3-2）当定时器t1 用作波特率发生器时，通常选用定时初值自动重装的工作方式2。其计数结构为8 位，假定计数初值为count，单片机的机器周期为t，则定时时间为（256/count）t 。从而在1s内发生溢出的次数（即溢出率）可由公式（3-3）所示： （3-3） 从而波特率的计算公式由公式（3-4）所示： （3-4）在实际应用时，通常是先确定波特率，后根据波特率求t1 定时初值，因此式（3-5）又可写为 （3-5）3.4.4 九针串口串行接口简称串口，也称串行通信接口（通常指com接口），是采用串行通信方式的扩展口。串行接口serial interface是指数据一位一位地顺序传送，其特点是通信线路简单，只要一对传输线就可以实现双向通信，并可以利用电话线，从而大大降低了成本，特别适用于近距离通信，但传送速度较慢。串行接口一条信息的各位数据被逐位按顺序传送的通讯方式称为串行通讯。串行通讯的特点是：数据位传送，传按位顺序进行，最少只需一根传输线即可完成；成本低但传送速度慢。串行通讯的距离可以从几米到几千米；根据信息的传送方向，串行通讯可以进一步分为单工、半双工和全双工三种。单工即只能支持一个固定方向的通信，虽然在一些固定的场合已经足够使用，但在绝大多数场合都是不够的。而半双工则相当于一个通信方向可变的单工。至于全双工，其作用相当于两个单工的合并。它被广泛的应用在各种不同的场合，小到家居生活，大到航空航天。几乎遍布了人类生产生活的各个领域。串口通信的两种最基本的方式：同步串行通信方式和异步串行通信方式。同步串行是指isp（interface serial peripheral ）的缩写，顾名思义就是串行外围设备接口。isp总线系统是一种同步串行外设接口，它可以使mcu与各种外围设备以串行方式进行通信以交换信息，trm450是isp接口。异步串行是指uart（universal asynchronous receiver/transmitter），通用异步接收/发送。uart是一个并行输入成为串行输出的芯片，通常集成在主板上。uart包含ttl电平的串口和rs232电平的串口。 ttl电平是3.3v的，而rs232是负逻辑电平，它定义+5+12v为低电平，而-12-5v为高电平，mds2710、mds sd4、el805等是rs232接口，el806有ttl接口，节点通是串行通信行家。串行接口按电气标准及协议来分包括rs-232-c、rs-422、rs485等。rs-232-c、rs-422与rs-485标准只对接口的电气特性做出规定，不涉及接插件、电缆或协议。其逻辑图如图3-12所示：图3-12 九针串口具体引脚功能如表3-4：表3-4管脚名称1dcd，载波检测2rxd，接收数据3txd，发送数据4dtr，数据终端准备好5sg，信号地6dsr，数据准备好7rts，请求发送8cts，清除发送9ri，振铃提示rs-232也称标准串口，最常用的一种串行通讯接口。它是在1970年由美国电子工业协会（eia）联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标准。它的全名是“数据终端设备（dte）和数据通讯设备（dce）之间串行二进制数据交换接口技术标准”。传统的rs-232-c接口标准有22根线，采用标准25芯d型插头座（db25），后来使用简化为9芯d型插座（db9），现在应用中25芯插头座已很少采用。rs-232是为点对点（即只用一对收、发设备）通讯而设计的，其驱动器负载为37k。所以rs-232适合本地设备之间的通信。4目前较为常用的串口有9针串口（db9）和25针串口（db25），通信距离较近时(12m)，可以用电缆线直接连接标准rs232端口(rs422,rs485较远)，若距离较远，需附加调制解调器（modem）或其他相关设备。最为简单且常用的是三线制接法，即地、接收数据和发送数据三脚相连，下面涉及到最为基本的接法，且直接用rs232相连。3.4.5 硬件实现按照上文所述思路，具体的电路实现如图3-13所示：图3-13 串行通信电路3.5 电机驱动电路一般情况下，由于单片机物理结构的限制，其驱动能力往往不能达到负载电机的强度，如果强行使其带动负载，非常有可能影响到系统性能，甚至破坏系统稳定型。在这种情况下，通常是需要一个驱动电路用以作为系统和电机之间的桥梁，来提升系统性能。能达到这种功能的驱动电路很多，但各有优缺点，在综合考虑成本和性能之后，本系统采用了h型桥式驱动电路。3.5.1 h型桥式驱动电路h型桥式驱动电路因其外表像字符”h”而得名，是一种典型的直流电机驱动电路。它常常用于数字控制领域。最简单的直流电机驱动电路是由4个三极管组成h的4条垂直的腿，而电机则充当h的横梁。如图3-14所示：图3-14 h型桥式驱动电路通常为了使电机正常工作， 需要在两端分别加上一个高低电压，用以控制其电流的转动。例如q1和q4端，或者q2和q3端。但需要注意的是如果在同一侧加上高低电压会因为短路而产生极大的电流进而破坏改该电路甚至关联电路。当然为了其拥有更好的性能，该电路有很多改进版本。本文就是采用了它的一种改进版本。具体电路见附录的电路图。3.5.2 硬件实现由上面所述的设计思路，再在原版的基础上进行改进，实际电路如图3-15所示：图3-15 h型桥式驱动电路3.6 光电测速模块3.6.1 工作原理本模块主要由一个光电管以及一个转换电路构成，光电管会检测电机转轴的转动次数，每检测到一个就会在其输出端产生一个脉冲，再通过专用芯片处理将其转换成单片机可识别的ttl电平，发送到单片机的相应管脚。虽然结构比较简单但却是完成测速的关键元件。其工作原理如图3-16所示：单片机光电开关电机驱动电机图3-16 光电开关逻辑图3.6.2 硬件实现由上文所述设计思路，实际电路如下，其中由于光电开关难以在proteus中进行仿真，所以改由按键k_count代替其作用，进行仿真。当电机转动时其转轴上的光栅会使光电开关产生脉冲，由系统进行运算而得到其转速，电路如图3-17：图3-17 光电测速电路3.7 本章小节本章主要阐述了实现本文系统的各个子电路的工作原理及其主要元件的性能参数，分别包括pwm模块，串行通信模块，显示模块以，光电模块，电机驱动模块及主芯片。通过这些模块的组装完成了系统的功能。第4章 仿真苯设计的系统软件采用keil编写，电路的仿真采用proteus7。具体仿真结果如下文所述 ：系统软件的编写选择了c语言，因为其具有简单，方便的特点，能够高效的完成规定动作。相比于汇编语言需要软件设计者对硬件具有较高的理解水平，c语言屏蔽了底层的硬件实现，使软件设计者能够集中精力来完成设计，便于编辑较大型，且效率要求较高的软件。完成代码的书写之后，采用keil开始编译,获得结果如图4-1所示 ：图4 -1 编译采用keil生成hex文件之后，再打开之前采用proteus编辑好的电路图，将hex加载进单片机，运行仿真，获得仿真结果如图4-2所示：图4-2 开机按键的详细电路如图4-3所示：五个按键的作用如下，分别是k1：加速，k2：减速k3：反转，反转时会显示-k4：停止，按下时，转速变为0k5：设定，系统的显示分为两种模式，模式一显示的是实际电机转速。当按下该键后，进入设定模式，屏幕上显示一个h图标，并且显示数值变为电机激励电压占空比。图4-3 按键由于不能使用实际的光电开关进行仿真，所以采用了一个普通开关尽心模拟，在实际操作中只需要将该开关换成光电模块即可，如图4-4所示：图4-4 光电对管当按下光电开关时，由于电机的转动，安装在电机转动轴上的光栅会通过遮挡光线进而改变光栅开关的状态，使其产生脉冲，再通过系统的处理生成相应的电机转速情况，如下图，表示当前电机转速为22转/s。按下反转按钮之后显示如图4-5所示：图4-5 反转按下设定占空比按钮之后，显示h，显示如图4-6所示：图4-6 调节占空比在进入设定模式之后可以调节激励源占空比，通常随着占空比的增加，电机的工作动力会增强，当然由于还有外接负载，所以通过计算占空比来测量电机转速，故需要通过光栅来测量电机的实际转动速度。现在，通过按下加速和减速按钮，开始调节占空比，其仿真结果如图4-7所示：图4-7 调节占空比其电机转动情况如图4-8所示：图4-8 电机当时测量到的电机转动速度的情况如图4-9所示：图4-9 实际情况这是由于虽然加大了占空比，但实际上光电开关产生的脉冲频率为0.故系统的计算结果为0.第5章 结束语本文阐述了基于单片机的控制系统的设计，主要说明了基于单片机的直流电机的控速。文章首先就直流电机控制系统的硬件设计展开论述，详细分析了各种系统模块电路的设计思路以及逻辑结构。然后是对该系统的软件进行设计。本文采用的是c语言来完成系统设计，c语言语法简单，且执行效率较高是一般情况下是设计系统的首选方式。本系统实现了控速与测速功能，并且带有串行接口可与上位机进行通信，并接受上位机的指令，在现代化大生产中，这种功能往往是非常重要的。文章中对于直流电机控速已经有了一个相对详细的介绍，但是由于本人在硬件以及软件方面的知识有限，本文系统中一定还有很多值得改进之处，相信在以后的学习及工作中随着知识的逐步积累会有进一步的提高。也欢迎熟悉这方面的老师和同学进行指导和修正。致 谢这次的毕业设计，我从中受益很大，深刻的认识了自己在实践方面的不足，凝结了很多人的心血，在此我表示由衷的感谢。没有他们的帮助，我将无法顺利完成这次设计。 首先，我要特别感谢王贤秋老师对我的悉心指导，在毕业设计期间王老师指导我、帮助我收集文献资料，理清设计思路，完善操作方法，并对我所做的设计提出有效的改进方案。老师渊博的知识、严谨的作风、诲人不倦的态度和学术上精益求精的精神让我受益终生。作为一个本科生的毕业设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有导师的督促指导，想要完成这个设计是难以想象的。因此，特别需要感谢王贤秋老师给予的耐心细致的指导，在此，再一次向王老师以及关心帮助我的老师和同学表示最诚挚的谢意！其次，学校在这方面也给我们提供了很大的支持和帮助，学校领导比较重视，每个设计小组配有专门的指导老师，帮助我们能顺利完成整个设计。对于学校和老师为我的毕业设计所提供的极大帮助和关心，在此我致以衷心的感谢！最后，还要感谢同学四年来对我的关心与支持，感谢各位老师在学习期间对我的严格要求。同时也要感谢身边朋友的热心帮助，没有你们的关心与支持，我不可能这么快完成我的毕业设计！这几个月的岁月是我学生生涯中最有价值的一段时光，也将会成为我以后永远的美好的回忆，在这里有治学严谨而不失亲切的老师，也有互相帮助情同骨肉的同学，更有和谐、融洽的学习生活氛围，这里将是我永远向往的地方。借此论文之际，我想向所有人表达我的最诚挚的谢意，愿我们将来都越来越好。参考文献1 王知单片机转速测量系统m北京：高等教育出版社，20042 谭浩强c+程序设计m北京：清华大学出版社，2004 3 谭浩强c程序设计(第四版) m北京：清华大学出版社，2010 4 马忠梅单片机的c语言应用程序设计(第4版) m北京：北京航天航空大学出版社，20075 美s巴斯计算机算法：设计和分析引论m上海：上海复旦大学出版社19856 陈家琪运动图像处理在车型识别中的应用m四川：四川大学出版社19987 李福进，陈至坤等基于单片机的转速测量方法m工矿自动化20068 王知平一种单片机转速测量系统m西安：西安电子科技大学出版社，20049 李维军，韩小刚基于单片机用软件实现直流电机pwm调速系统m，维普资讯200710 kaare christian borland c+ techniques & utilitismziff-davis press，199311 horowitz esahni sfundamentals of data structurempitmen publishing limited，200512 leen ammeraalc+程序设计教程(第三版) m中国铁道出版社200713沈兰荪高速数据采集系统的原理及应用m北京:人民邮电出版社,199514李朝青单片机原理及接口技术m北京:航空航天大学出版社，199915李群芳等单片微型计算机与接口技术m北京:电子工业出版社，200516frank j，meixner hsensor system for air monitoring using semiconducting metal oxides and i