毕业设计（论文）-H桥PWM数字直流调速系统设计.doc

长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） I 摘摘 要要 随着现代化步伐的加快，人民生活水平的提高，对自动化的需求也越来越高。 直流电动机因其具有调节转速比较灵活、方法简单、易于大范围内平滑调速、控 制性能好等特点，应用领域越来越大，这就对电动机的控制提出了极高的要求。 应用于直流电机的调速方式很多，其中以 PWM 脉宽调制调速方式应用最为广泛， 而 PWM 脉宽调制中，H 型 PWM 脉宽调制的性能尤为突出。 本文是基于 H 型 PWM 数字直流调速系统设计，对各个部分分别进行论证，力 图在每个组成单元上都达到最好的系统性能。它以单片机为控制核心，由双闭环 （电流环和转速环） 、驱动电路、电流检测、键盘输入、LED 数码管显示、报警电 路等几部分组成。采用全控型大功率晶体管 GTR，可方便的控制其通断，因此它 组成的 H 型 PWM 调速系统除结构简单外，更具有开关频率高、主回路脉动成分小、 低速运行性能好等优势。 关键词：关键词：单片机 PWM 直流电动机 GTR 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） II AbstractAbstract With the accelerated pace of modernization, the peoples living standards improve, the demand for automation is increasingly high. DC motor it has a more flexible, adjust the speed, the method is simple, easy-to large-scale smooth speed control and good performance characteristics, application areas is growing, demand the very best this motor control. Applied to the DC motor speed control There are many ways, the most widely used of which the PWM pulse width modulation speed control applications, the PWM pulse width modulation, especially the performance of H-type PWM pulse width modulation. This article is based on the H-type PWM digital DC speed control system design, the various parts of the argument, trying to achieve the best performance in each component unit. MCU control core, double closed-loop (current loop and speed loop), the drive circuit, the current detection, keyboard input, LED digital display, alarm circuit composed of several parts. Full-controlled power transistors GTR, the control off, it is composed of H-type PWM speed control system apart from the simple structure, but also has a high switching frequency, the small pulsation composition of the main circuit, running at low speed performance and other advantages. Keywords:Keywords: microcontroller PWM DC motor GTR 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） III 目目 录录 第第 1 1 章章 概概 述述.- 1 - 1.1 问题的引出 .- 1 - 1.2 直流电动机控制的发展史 .- 1 - 1.3 PWM 数字直流调速的特点 .- 3 - 1.3.1 PWM 直流调速的特点 .- 3 - 1.3.2 电动机微机控制的特点 .- 3 - 1.4 本设计的主要内容 .- 4 - 第第 2 2 章章 方案的设计及论证方案的设计及论证.- 5 - 2.1 控制方案的选择 .- 5 - 2.2 控制器及元器件的选择与设计 .- 6 - 2.2.1 控制器的选择 .- 6 - 2.2.2 晶体管的选择 .- 7 - 2.2.3 电动机的选择 .- 7 - 2.2.4 电流调节器的设计 .- 8 - 2.2.5 转速调节器的设计 .- 8 - 2.2.6 电动机转速的检测 .- 8 - 2.2.7 电流检测 .- 11 - 2.2.8 显示电路 .- 11 - 2.2.9 A/D 转换器的选择 .- 11 - 第第 3 3 章章 系统硬件设计系统硬件设计.- 13 - 3.1 控制单元电路设计 .- 13 - 3.1.1 AT89C51 单片机的概述 .- 13 - 3.1.2 时钟电路设计 .- 16 - 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） IV 3.1.3 复位电路设计 .- 17 - 3.2 主电路的设计 .- 19 - 3.3 驱动电路的设计 .- 21 - 3.4 测速电路 .- 22 - 3.5 键盘显示电路 .- 22 - 3.6 电流检测电路 .- 23 - 3.7 A/D 转换电路 .- 24 - 3.8 报警电路 .- 25 - 3.9 直流电源电路的设计 .- 26 - 第第 4 4 章章 系统软件设计系统软件设计.- 28 - 4.1 系统设计思想 .- 28 - 4.2 编程语言的选择 .- 30 - 4.3 PID 算法的单片机程序的实现 .- 32 - 4.4 数据采集及处理子程序设计 .- 35 - 4.4.1 数据采集子程序 .- 35 - 4.4.2 数字滤波子程序 .- 36 - 总总 结结.- 37 - 致致 谢谢.- 38 - 参考文献参考文献.- 39 - 附录附录 1 1：H H 型型 PWMPWM 数字直流调速系统设计原理图数字直流调速系统设计原理图.- 40 - 附录附录 2 2：H H 型型 PWMPWM 数字直流调速系统设计程序清单数字直流调速系统设计程序清单.- 41 - 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） - 1 - 第第 1 1 章章 概概 述述 1.11.1 问题的引出问题的引出 数字直流调速装置，它不仅能成功地做到从给定信号、调节器参数设定、直 到触发脉冲的数字化，使用通用硬件平台附加软件程序控制一定范围功率和电流 大小的直流电机，而且同一台控制器甚至可以仅通过参数设定和使用不同的软 件 版本对不同类型的被控对象进行控制，强大的通讯功能使它能够和 PLC 等各种器 件通讯组成整个工业控制过程系统，具有操作简便、抗干扰能力强等特点。其方 便灵活的调试方法、完善的保护功能、长期工作的高可靠性和整个控制器体积小 型化，弥补了模拟直流调速控制系统的保护功能不够完善、调试不方便、体积大 等不足。另外数字控制系统具有查找故障迅速、调速精度高、维护简单等优势， 使其具备了极其广阔的应用前景。 目前国外主要的电气公司如瑞典的 ABB 公司、德国的西门子公司和 AEG 公司、 日本的三菱公司和东芝公司、美国的 GE 公司等，均已经开发出多个数字直流调速 装置，有成熟的系列化、标准化、模板化的应用产品。 自从 20 世纪 60 年代我国初试制成功第一只硅晶闸管以来，晶闸管直流调速 系统得到迅速的发展和广泛的应用。目前，晶闸管供电的直流调速系统已经在我 国国民经济各部门得到广泛的应用。我国直流电机调速也正向着脉宽调制（pulse width modulation,简称 PWM）方向发展，但我国现在大部分数字化控制直流调速 装置都依靠进口，但由于进口设备价格昂贵，因此研究数字直流调速装置成为了 一件迫切而又极具意义的事情。 1.21.2 直流电动机控制的发展史直流电动机控制的发展史 常用的控制直流电动机的方式有以下几种: 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） - 2 - 第一，最初的直流调速系统是采用恒定的直流电压向直流电动机电枢供电， 通过改变电枢回路中的电阻来实现调速。这种方法简单易行设备制造方便，价格 低廉。但缺点是效率低、机械特性软，不能在较宽范围内平滑调速，所以目前极 少采用。 第二，三十年代末，出现了发电机-电动机(也称为旋转变流组)，配合采用磁 放大器、电机扩大机、闸流管等控制器件，可获得优良的调速性能，如有较宽的 调速范围(十比一至数十比一)、较小的转速变化率和调速平滑等，特别是当电动 机减速时，可以通过发电机非常容易地将电动机轴上的飞轮惯量反馈给电网，这 样，一方面可得到平滑的制动特性，另一方面又可减少能量的损耗，提高效率。 但发电机、电动机调速系统的主要缺点是需要增加两台与调速电动机相当的旋转 电机和一些辅助励磁设备，因而体积大，维修困难等。 第三，自出现汞弧变流器后，利用汞弧变流器代替上述发电机、电动机系统， 使调速性能指标又进一步提高，特别是它的系统快速响应性是发电机、电动机系 统不能比拟的。但是汞弧变流器仍存在一些缺点:维修还是不太方便，特别是水银 蒸汽对维护人员会造成一定的危害等。 第四，1957 年世界上出现了第一只晶闸管，与其它变流元件相比，晶闸管具 有许多独特的优越性，因而晶闸管直流调速系统立即显示出强大的生命力。由于 它具有体积小、响应快、工作可靠、寿命长、维修简便等一系列优点，采用晶闸 管供电，不仅使直流调速系统经济指标上和可靠性有所提高，而且在技术性能上 也显示出很大的优越性。 第五，从 20 世纪 80 年代中后期起，以大功率晶体管整流装置取代了以往的 直流发电机电动机组及水银整流装置，使直流电气传动完成一次大的跃进。同时， 控制电路也实现了高度集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技术的应用， 使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用范围不断扩大，直流调速技术不断发 展。随着微型计算机、超大规模集成电路、新型电子电力开关器件和新型传感器 的出现，以及自动控制理论、电力电子技术、计算机控制技术的深入发展，直流 电动机控制也装置不断向前发展。微机的应用使直流电气传动控制系统趋向于数 字化、智能化，极大地推动了电气传动的发展。近年来，一些先进国家陆续推出 并大量使用以微机为控制核心的直流电气传动装置，如西门子公司的 SIMOREG 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） - 3 - K6RA24、ABB 公司的 PAD/PSD 等等。 1.31.3 PWMPWM 数字直流调速的特点数字直流调速的特点 1.3.11.3.1 PWMPWM 直流调速的特点直流调速的特点 自从全控型电力电子器件问世，就产生了以脉冲宽度调制的高频开关控制方 式，从而形成了脉宽调制变换器-直流电动机调速系统，简称为直流脉宽调速系统 （或者直流 PWM 调速系统） 。直流 PWM 调速系统具有其他调速方式所不具备的几大 特点： 1直流 PWM 调速系统主电路线路简单，需用的电力电子器件少 ； 2. 开关频率高，电流容易连续，谐波少，电动机损耗及发热都较小； 3低速性能好，稳速精度高，调速范围广，可达到 1:1000 左右； 4若与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗干扰能 力强； 5电力电子开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开 关损耗也不大，因而装置效率较高； 6当直流电源采用不可控整流时，电网功率因数比相控整流器高； 1.3.21.3.2 电动机微机控制的特点电动机微机控制的特点 目前，很多电动机机微机控制系统都是由数字部件和模拟部件组成的混合系 统，而全数字控制系统是当前的发展方向。在微机控制系统中，通常是既有模拟 信号，也有数字信号；既有连续信号，也有离散信号。由于计算机的 CPU 只能识 别和处理数字信号，而且只能一次次离散地处理，所以计算机处理外界信息时总 要有一个采样过程，因此电动机微机控制系统必然是一种采样控制系统。电动机 微机控制的主要特点： 1.硬件比较简单，用少量芯片就可完成很多功能，且易于通用化； 2.可以分时操作；一台微机可以起多个控制器的作用，为多个控制回路服务； 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） - 4 - 也可控制多个电动机，完成较多的功能； 3.微型计算机具有记忆和判断功能，系统的控制方式由软件决定，若要改变 控制规律，一般不必改变系统的硬件，只需按新的控制规律编出新的程序即可； 且可在运行中随时根据不同的电动机工作状态，选择最有利的系统参数、系统结 构及控制策略等；使系统具有很强的灵活性和适应性； 4.微型计算机的运算速度快，精度高。它有丰富的逻辑判断功能和大容量的 存储单元，因此有可能实现复杂的控制规律，如采样参数辨识、优化控制等现代 控制理论所提供的控制算法，以达到较高的控制质量； 5.可以避免数字量的运算出时现模拟电路中所遇到的零点漂移问题，被控量 可以很大，也可以很小，都较易保证足够的控制精度； 6.信息处理能力强，可以完成各种数据的处理，及时给操作人员提供有用的 信息和指示； 正因为有着上述优点，电动机微机控制的理论及应用均得到了迅速的发展， 新产品不断涌现和普及。 1.41.4 本设计的主要内容本设计的主要内容 交流电通过单相桥式整流电路转换为电压恒定的直流电源，再经过直流 PWM 变换器得到可调的直流电压，给直流电动机供电。检测回路包括电流和转速检测， 其中电流检测通过霍耳元件检测由 A/D 转化通道变为数字量送给单片机，转速检 测用数字测速，实时检测电流和转速的大小，并有显示电流值和转速。通过按键 确定设定值，与测量值进行比较判断。当检测值大于设定值，出现故障时，报警 装置启动，以便人工处理。当检测值小于等于设定值时，通过改变 PWM 值调节转 速。键盘及显示电路采用专用芯片，PWM 由单片机内部定时产生。转速环、电流 环均采用闭环，由软件控制，其中电流环为内环，电压环为外环，内环的采样周 期小于外环的采样周期。由于采样值有扰动，因此采用软件滤波。通过软件控制 大功率晶体管 GTR 的导通及关断，从而实现单极式、双极式、受限单极式三种控 制方式之间的自动切换。 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） - 5 - 第第 2 2 章章 方案的设计及论证方案的设计及论证 2.12.1 控制方案的选择控制方案的选择 自动控制（automatic control）是指在没有人直接参与的情况下，利用外加 的设备或装置，使机器、设备或生产过程的某个工作状态或参数自动地按照预定 的规律运行。自动控制是相对人工控制概念而言的。指的是在没人参与的情况下， 利用控制装置使被控对象或过程自动地按预定规律运行。 自动控制系统按照控制装置与被控对象之间的作用，可分为开环控制系统、 闭环控制系统和复合控制系统。 开环控制是指控制装置与被控对象之间只有正向作用而没有反向联系的控制 过程。具有以下特点： 1. 输出不影响输入，对输出不需要测量，通常容易实现； 2. 组成系统的元、部件精度高，系统的准确度才能高； 3. 系统的稳定性不是主要问题； 开环系统存在的问题： 1. 要求元、部件的精度要高； 2. 当存在变化规律无法预测的干扰时，系统不容易实现； 闭环控制系统是指指控制装置与被控对象之间既有正向作用又有方向联系的 控制过程。其具有以下特点： 1. 输出影响输入，因此能削弱或抑制干扰； 2. 低精度的元、部件可以组成高精度的系统； 3. 因为可能发生超调、振荡，所以稳定性问题很重要； 根据文章的总体设计要求，选择闭环控制系统。如图 2-1 所示。 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） - 6 - 单片机电动机 测量元件A/D转化 给定值 驱动电路 图 2-1 闭环控制系统框图 2.22.2 控制器及元器件的选择与设计控制器及元器件的选择与设计 2.2.12.2.1 控制器的选择控制器的选择 常用的控制器主要有： 1.单片微型计算机（MCU）：是一种集成在电路芯片，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/计时器等功能集成到一块硅片上构成的一个小而完 善的计算机系统。主要特点如下： （1）具有较高的性价比； （2）体积小，可靠性高； （3）控制功能强； （4）使用方便，容易产品化； 2.工业控制计算机（IPC）：用于工业控制的计算机，用于工业过程测量、控 制、数据采集等工作。主要有以下特点： （1）可靠性高，实时性好； （2）环境适应性强，过程输入和输出配套比较好； （3）系统扩展性好，且具有开放性； （4）通信能力强，后备措施齐全； 3.可编程逻辑控制器（PLC）：是专为在工业环境下应用而设计的一种工业控 制计算机,具有以下特点： 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） - 7 - （1）配套齐全，功能完善，适用性强； （2）可靠性高，抗干扰能力强； （3）易学易用，深受工程技术人员欢迎； （4）系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造； （5）体积小，重量轻，能耗低； 根据设计的要求以及产品的性价比，控制器选择单片微型计算机即可。 2.2.22.2.2 晶体管的选择晶体管的选择 晶体管选择的主要原则及注意事项： 1在工作过程中，为防止晶体管损坏，必须使它工作在安全区，因此： （1）当需要工作电平高时，应选大的高反压管，尤其要注意 b、e 间的 ceo V 反向电压不要超过。 ebo V （2）在需要输出大功率时，应选值大的功率管，但同时注意必须满足其 cm P 散热要求。 （3）在需要输出大电流时，应选大的管子。 cm I 2当工作信号频率高时，必须选用高频管或超高频管；如果用于开关电路， 则应选择开关管。 3由于硅管反向电流小，允许晶体管的温度高。因此对这些参数要求较高时 应选用硅管；而当要求导通电压低时可选用锗管。 4同型号的晶体管中反向电流越小，一般性能较好，在选用晶体管时可做参 考；而 值则一般选几十至一百左右，当 太大时，晶体管性能不稳定。 5当直流电源对地为正值时，多选用 NPN 管组成电路；负值时多选用 PNP 管 组成电路。 2.2.32.2.3 电动机的选择电动机的选择 本设计要求的电动机的主要技术指标： 功率 2.2KW 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） - 8 - 电压 220V 电流 12.5A 转速 1500r/min 调速范围 D1000 2.2.42.2.4 电流调节器的设计电流调节器的设计 在设计电流调节器时，首先应该考虑把电流环校正成哪一类典型系统。从稳 态要求上看，希望电流无静差，以可以得到理想的堵转特性，采用型系统就够 了。再从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超 调，以保证电流在动态过程中不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰作用 只是次要的因素。因此，本设计中电流环应以跟随性能为主，即应选用典型型 系统。 2.2.52.2.5 转速调节器的设计转速调节器的设计 为了实现转速无静差在负载抗扰动作用点前必须有一个积分环节，它应该包 含在转速调节器 ASR 中，由于在扰动作用点后面已经有了一个积分环节，因此转 速环开环传递函数应共有两个积分环节，所以应该设计成典型型系统，这样的 系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。按照线性系统理论数据的推算，实际 系统中转速调节器的饱和非线性性质会使超调量大大降低，从而大道转速无超调 的目标。因此，本设计中转速调节器应该采用 PI 调节器。 2.2.62.2.6 电动机转速的检测电动机转速的检测 电动机转速的及时准确检测,与闭环调速系统的控制精度紧密相关。不论是直 流调速系统还是交流调速系统,只有转速的高精度检测,才能得到高精度的控制系 统。速度的数字检测基本方法是利用与电动机同轴连接的光电脉冲发生器的输出 脉冲频率与转速成正比的原理,根据脉冲发生器发出的脉冲速率和序列,测量转速 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） - 9 - 和判别其旋转方向。电动机转速的数字检测方法很多,以下是常用的几种 方法。在电动机转速的数字检测方法中,测速精度首先应满足指标要求。 1测速指标 （1）分辨率 每改变一个数字脉冲所对应的转速变化量,以表示,定义为分辨率。值愈QQ 小愈好。值愈小,说明测速装置对转速变化愈灵敏,即测速分辨率愈高。设在某Q 一定时间内,转速变为,所发出的光电测速脉冲数为,则分辨率的定义为 1 n 2 nmQ 即每一个光电测速脉冲所对应的电动机转速。mnmnQ/ 21 （2）测速精度 测速精度用测速误差的相对值的百分数表示,记以。当实际转速为,转速%n 实际值与测量值之差为时,则测速精度为，测速精度决定于n%100)/(=%nn 测速部件的机械制造精度, 并与测速方法有关。用光电码盘测速总会有 1 个脉冲 所对应的转速误差。愈小,测量误差愈小,即测速精度愈高。% （3）检测时间 连续两次采样转速的间隔时间, 以表示。愈短,愈有利于快速响应。 0 T 0 T 2电动机转速的数字检测方法 (1) M/T 法 M/T 测速法的基本原理是:检测周期时间由两部分组成,其中为设定的固Ts 0 T 定不变时间;为从时间结束到此后出现的第一个光电脉冲为止的时间。设旋T 0 T 转编码每转发出个脉冲，在检测周期时间内旋转编码器发出的脉冲个数是,在Z 0 T 1 m 检测周期内时钟脉冲计数值,则转速为,式中,为检Ts 2 m)/(60Ts2n=Zm /2 1 测周期内被测转轴的转轴角, (为时钟脉冲频率),将其代入上式后得Tsfm / 2 f M/T 法转速的计算式为：)/(60 21 Zmfmn （2）旋转编码器 光电式旋转编码器是检测转速或者转角的元件，旋转编码器与电动机相连， 当电动机转动时，带动编码器旋转，产生转速或者转角信号。它已经广泛地应用 于自动控制系统中作为检测机械传动装置的角位移、角速度、线位移、线速度等 静、动态运动参量的传感元件，尤其在多关节工业机器人的电机伺服系统中，各 关节均装有光电码器用于检测各关节的姿态。光电码器有两种基本形式绝对式 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） - 10 - 光电码器与增量式光电码器。由于增量式光电码器较绝对式光电码器结构简单、 分辨率高、价格便宜，因而应用较广泛，尤其是在高分辨率和大范围的位置测量 中，增量式光电码器更具有优越性。增量式编码器在码盘上均匀地刻制一定数量 的光栅，如图 2-2 所示，当电动机旋转时，编码盘随之一起转动。通过光栅的作 用，持续不断地开放或封闭通路，因此，在接收装置的输出端便得到频率与转速 成正比的方波脉冲序列，从而可以计算转速。 图 2-2 增量式旋转编码器示意图 上述脉冲序列能正确地反映了转速的高低，但不能鉴别转向。为了获得转速 的方向，可增加一对发光与接收装置，使两对发光与接收装置错开光栅节距的 1/4。则两组脉冲序列 A 和 B 的相位差 90 度，如图 2-3 所示。正转时 A 相超前 B 相；反转时 B 超前 A 相。采用简单的鉴相电路就可以分辨出转向。 图 2-3 区分旋转方向的 A，B 两组脉冲序列 若码盘的光栅数为 N，则转速分辨率为 1/N，常用的旋转编码器光栅数有 1024，2048，4096 等。再增加光栅数将大大增加旋转编码器制作成本和难度。采 用倍频电路可以有效地提高转速分辨率，而不增加旋转器的光栅数，一般多采用 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） - 11 - 四倍频电路，大于四倍频则较难实现。 本系统采用 6N137 光电编码盘。 2.2.72.2.7 电流检测电流检测 1.直流电差位计 直流电差位计是利用直流补偿原理制成的仪器。所谓补偿法是一种比较测量 法，测量结果的准确度比较高，广泛运用于精密测量领域，以及高准确度指示仪 表的检定和校准。 2.霍耳元件 由于霍耳元件对磁场的敏感，结构简单体积小，频带响应宽输出电动势的变 化范围大，无活动部件使用寿命长等特点。因此，它具有广泛的应用。 为了节约设计成本，本设计选用霍耳元件。 2.2.82.2.8 显示电路显示电路 常用的显示元件有 LED 数码管、1602 液晶。 1.LED 数码管显示 数码管是单片机片机中应用最为广泛的一种显示方式之一。LED 数码管以发 光二极管作为发光单元，颜色有单红，黄，蓝，绿，白等七彩效果。具有成本低， 功耗小，无热量，耐冲击，长寿命等优点。 2.1602 液晶显示 液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制， 有电就有显示，这样就可以显示出图形。具有厚度薄，适用于大规模集成电路直 接驱动，易于实现全彩显示的特点。 根据实际需要，本设计选用 LED 数码管显示。 2.2.92.2.9 A/DA/D 转换器的选择转换器的选择 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） - 12 - 单片机只能接收数字信号，外部模拟量要被单片机接收，就必须在单片机和 外部模拟量之间加装 A/D 转换器。A/D 转换器是将模拟电压或电流转换成数字量 的器件或装置，它是一个模拟系统和单片机之间的接口，它在数据采集和控制系 统中，得到了广泛的应用。常用的 A/D 转换方式有逐次逼近式和双斜积分式。前 者转换时间短，但抗干扰能力差；后者转换时间长，抗干扰能力强。在信号变化 缓慢，现场干扰严重的场合，宜采用后者。由于本设计信号变化比较快，因此采 用逐次逼近型 A/D 转换器。 常用的逐次逼近式 A/D 转换器有 8 位分辨率的 ADC0809,12 位分辨率的 AD574 等。A/D 转换器的主要技术指标有转换时间、分辨率、线性误差、量程、对基准 点元的要求等。 转换时间：指完成一次模拟量到数字量转换所需要的时间。 分辨率：通常用数字量的位数 n 来表示，如 8 位，12 位，16 位等。 线性误差：理想转换特性（量化特性）应该是线性的，但实际转换特性并非 如此，在满量程输入范围内，偏离理想转换特性的最大误差定义为线性误差。 量程：即所能转换的输入电压范围。 对基准电源的要求：基准电源的精度对整个系统的精度产生很大的影响。 综合以上选择的原则和要求，本设计选用 8 位逐次逼近式的 A/D 转换 ADC0809。 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） - 13 - 第第 3 3 章章 系统硬件设计系统硬件设计 3.13.1 控制单元电路设计控制单元电路设计 根据第 2 章控制器的选择，本设计选用 AT89C51 单片机。 3.1.13.1.1 AT89C51AT89C51 单片机的概述单片机的概述 AT89C51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能 CMOS 8 位微 处理器，俗称单片机。该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造，与 工业标准的 MCS-51 单片机的指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL 的 AT89C51 是一种高效微控制器，为很 多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。如图 3-1 所示，为 AT89C51 单片机的实物图。 图 3-1 AT89C51 单片机实物图 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） - 14 - 1.主要特性： （1）与 MCS-51 兼容； （2）4K 字节可编程闪烁存储器 ； （3）寿命：1000 写/擦循环； （4）数据保留时间：10 年； （5）全静态工作：0Hz-24Hz； （6）三级程序存储器锁定； （7）256B 的内部 RAM； （8）32 位可编程 I/O 接口； （9）两个 16 位定时器/计数器； （10）5 个中断源； （11）可编程串行通道； （12）低功耗的闲置和掉电模式； （13）片内振荡器和时钟电路； 2AT89C51 共 40 个引脚，管脚电路图如 3-2 所示。 图 3-2 AT89C51 单片机引脚图 AT89C51 具体管脚说明如下： 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） - 15 - VCC：供电电压。 GND：接地。 P0 口：P0 口为一个 8 位漏极开路双向 I/O 口，每脚可吸收 8TTL 门电流。当 P1 口的管脚第一次写 1 时，被定义为高阻输入。P0 能够用于外部程序数据存储器， 它可以被定义为数据/地址的第八位。在 FIASH 编程时，P0 口作为原码输入口， 当 FIASH 进行校验时，P0 输出原码，此时 P0 外部必须被拉高。 P1 口：P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P1 口缓冲器能接 收输出 4TTL 门电流。P1 口管脚写入 1 后，被内部上拉为高，可用作输入，P1 口 被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在 FLASH 编程 和校验时，P1 口作为第八位地址接收。 P2 口：P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 口缓冲器可接收， 输出 4 个 TTL 门电流，当 P2 口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作 为输入。并因此作为输入时，P2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内 部上拉的缘故。P2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存 取时，P2 口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当 对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2 口输出其特殊功能寄存器的内容。P2 口在 FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3 口：P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I/O 口，可接收输出 4 个 TTL 门电流。当 P3 口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输 入，由于外部下拉为低电平，P3 口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3 口也可作为 AT89C51 的一些特殊功能口，口管脚和备选功能如下所示： P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 （外部中断 0）0INT P3.3 （外部中断 1）1INT P3.4 T0（记时器 0 外部输入） P3.5 T1（记时器 1 外部输入） P3.6 （外部数据存储器写选通） WR P3.7 （外部数据存储器读选通）RD 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） - 16 - P3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持 RST 脚两个机器周期的高电平 时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的 地位字节。在 FLASH 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE 端以不 变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6。因此它可用作对外 部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时， 将跳过一个 ALE 脉冲。如想禁止 ALE 的输出可在 SFR8EH 地址上置 0。此时， ALE 只有在执行 MOVX，MOVC 指令是 ALE 才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微 处理器在外部执行状态 ALE 禁止，置位无效。 ：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个PSEN 机器周期两次有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的信号PSENPSEN 将不出现。 /VPP：当保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH） ，EAEA 不管是否有内部程序存储器。注意加密方式 1 时，将内部锁定为 RESET；当EA 端保持高电平时，此间内部程序存储器。在 FLASH 编程期间，此引脚也用于施EA 加 12V 编程电源（VPP） 。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。 3.1.23.1.2 时钟电路设计时钟电路设计 单片机本身就是一个复杂的同步时序电路，为了保证单片机内各部件间的同 步工作，单片机内部电路产生在唯一的时钟信号下严格按照时序进行工作，这个 时钟信号就是由单片机的时钟电路产生的。 AT89C51 内部有一个高增益方向放大器，用于构成振荡器，但要形成时钟脉 冲，外部还需要附加电路。AT89C51 的时钟有两种产生方法： 1.内部时钟方式 利用芯片内部的振荡器，然后在引脚 XTAL1 和 XTAL2 两端跨接晶体振荡器 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） - 17 - （简称晶振） ，就构成了稳定的自激振荡器，发出的脉冲直接送入内部时钟电路。 外 接晶振通常为石英晶体振荡器或陶瓷振荡器。如图 3-3 所示。 图 3-3 内部时钟方式 2.外部时钟方式 从单片机外部直接引入振荡时钟脉冲。振荡时钟脉冲从 AT89C51 的 XTAL1 输 入，XTAL2 悬空。如图 3-4 所示。 本设计采用内部时钟方式。 图 3-4 外部时钟方式 3.1.33.1.3 复位电路设计复位电路设计 复位用于启动或者重新启动单片机，当单片机上电时需要将单片机复位；或 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） - 18 - 者当单片机处于未知状态，比如程序“跑飞”或进入死循环，也需要强行将单片 机复位使程序从头开始重新执行。 单片机的外部复位电路有上电自动复位、按键手动复位、以及外部复位信号 输入等方式。 1.上电复位 上电复位利用电容的充电实现。如图 3-5 所示是 AT89C51 单片机的上电复位 电路。上电瞬间，由于电容两端电压不能突变，RST 引脚端为高电平，出现正脉 冲，持续时间取决于 RC 电路的时间常数。RST 引脚要有超过 2 个时钟周期的高电 平才能保证单片机有效地复位。 图 3-5 上电复位电路 2.按键复位 图 3-6 是 AT89C51 单片机的上电加按键复位电路。上电复位过程同上。当单 片机工作过程中需要复位时，按下复位按键，复位端 RST 通过电阻与 VCC 电源接 通，使 RST 引脚为高电平。复位按键弹起后，RST 端经电阻接地，完成复位工程。 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） - 19 - 图 3-6 按键复位电路 3.外接复位芯片 为了保证单片机可靠的复位，有时需要外接复位芯片，特别是当单片机处于 间歇性工作情况的时候，单片机需要频繁的复位。常用的复位芯片有 MAX810,复 位电路如图 3-7 所示。 根据设计需要，本设计选用上电复位电路。 图 3-7 外接复位芯片电路 3.23.2 主电路的设计主电路的设计 一、直流电动机的 PWM 控制原理： 直流电动机转速 n 的控制方法可分为两类，即励磁控制法与电枢电压控制法。 励磁控制法控制励磁通 ，其控制功率虽然小，但低速时受到磁极饱和的限制， 高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制。而且由于励磁线圈电感较大，动 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） - 20 - 态响应较差。所以常用的是电枢电压控制法。Ua=Ud-IaR，虽然调节电阻 R 即可改 变端电压达到调速目的，但这种方法效率很低。因此，随着电力电子技术的进步， 发展了许多新的电枢电压控制方法。如：由交流电源供电，使用晶闸管整流器进 行相控调压；使用硅整流器交流电整流成直流电或由蓄电池等直流电源供电，再 由 PWM 斩波器进行斩波调压等。 晶闸管相控调压或 PWM 斩波器调压比串电阻调压损耗小，效率高。而斩波调 压比相控调压又有许多优点，所以采用斩波调压。图 3-8 为 PWM 斩波器的原理图 及输出电压波形图： 图 3-8 PWM 斩波器的原理图及输出电压波形 假定晶体管 V1 先导通 T1 秒（忽略 V1 的压降，这期间电源电压 Ud 全部加到 电枢上） ，按后关断 T2 秒（这期间电枢端电压为零） 。 使用下面三种方法中的任何一种，都可以改变 的值，从而达到调压的目的。 （1）定宽调频法：保持 T1 一定，使 T2 变化； （2）调宽调频法：保持 T2 一定，使 T1 变化； （3）变频调宽法：保持 T 一定，使 T1 在 0-T 范围内变化； 不管哪种方法， 的变化范围均为 01，因而电枢电压平均值 Ua 的调 节范围为 0-Ud，均为正值。即电机只能在某一方向调速，称为不可逆调速。 二、PWM 变换器的分类： PWM 变换器有不可逆和可逆两种，可逆变换器又有双极式、单极式和受限单 极式等多种电路。根据本设计的要求，本设计通过软件实现双极式、单极式、受 限单极式三种控制方式之间的自动切换。这里着重介绍一下这种 PWM 变换器。图 3-9 绘出了双极性 H 型可逆 PWM 变换器的电路原理图及波形图。双极性可逆 PWM 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） - 21 - 变换器优点： （1）电流一定连续； （2）电机在四象限运行； （3）电机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区； （4）低速时，每个晶体管的驱动脉冲仍较宽，有利于保证晶体管可靠导通； （5）低速平稳性好，调速范围达 2000 左右； 图 3-9 双极式可逆 PWM 变换器的原理图及输出波形 在图 3-8 中，晶体管 V1、V4 是同时导通，同时关断的，V2、V3 也是，但 V1、V2、V3、V4 不允许同时导通。否则电源 Ud 直通短路。设 V1、V4 同时导通 T1 秒后同时关断，间隔一定时间（为避免电源直通短路，该间隔时间称为死区时间） 之后，再使 V2、V3 同时导通 T2 秒后同时关断，如此反复，则电枢端电压波形如 图所示。由于 01，Ua 的范围是-Ud+Ud，因而电机可以在正、反两个方向 调速运转。由于 V1、V4 截止时，V2、V3 并不能立即导通，因为在电枢电感释放 储能的作用下，使 V2、V3 的 c-e 极承受着反压，所以需加上需流二极管为防止电 压过大，加上过电压吸收电路。 3.33.3 驱动电路的设计驱动电路的设计 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） - 22 - 根据以上原则和电机型号，选用大功率全控型晶体管 GTR，型号为 IN4398。 主要技术参数