基于C8051F020的电机调速系统硬件设计毕业设计说明书.doc

中北大学2013届毕业设计说明书毕业设计说明书基于C8051F020的电机调速系统硬件设计学生姓名： 学号： 学 院： 信息与通信工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 指导教师： 2013年 6 月毕 业 设 计 任 务 书1毕业设计课题的任务和要求：熟悉C8051F020单片机及风机的原理及控制方法利用已有的资源开发综合性的实验项目完成3000字的英文翻译和设计说明书的撰写2毕业设计课题的具体工作内容（包括原始数据、技术要求、工作要求等）：要求一：实时显示转速，LED7段数码管显示。要求二：按键调速，调速范围1000-6000r/min，增速和减速控制，步进500r/min。要求三：风机出错报警，切断风机电源，蜂鸣器报警。设计控制方案、画出电路连接原理图，编写控制软件程序。参考单片机与接口技术上课所学的内容。对毕业生来说是大学期间知识的延伸，适合本科毕业设计，难度适中。毕 业 设 计 任 务 书3对毕业设计课题成果的要求包括毕业设计、图纸、实物样品等)：电路原理图控制软件程序清单毕业设计说明书包括英文翻译4毕业设计课题工作进度计划：起 迄 日 期工 作 内 容2012年 1 月5 日 1 月31 日 2 月 1日 3 月31日 4 月 1日 6 月15日 6 月15 日以后查阅相关资料，提出设计方案对课题进行详细地分析设计软硬件内容设计说明书的撰写毕业答辩学生所在系审查意见：系主任： 年 月 日基于C8051F020的电机调速系统硬件设计摘 要：直流电动机广泛应用于各种场合,为使机械设备以合理速度进行工作则需要对直流电机进行调速。该课题中搭建了基于C8051F020单片机的转速单闭环调速系统，熟悉C8051F020单片机及风机的原理及控制方法，利用PWM信号改变电动机电枢电压，并由软件完成转速单闭环控制，旨在实现直流电动机的平滑调速，并实时显示转速，LED7段数码管显示。控制8位PWM信号输出可平滑改变电动机电枢电压，实现电动机升速、降速功能。利用电动机自带的转速检测、反馈线进行速度反馈以及风机出错时，切断风机电源，蜂鸣器报警。关键字：直流电机,C8051F020，PWM，调速中北大学2013届毕业设计说明书Hardware motor speed control system design based on C8051F020Abstract：DC motor is widely used in various occasions, in order to make the mechanical equipment are required to work at a reasonable speed in the speed of DC motor. The paper built the system of single closed loop control based on MCU C8051F020, and familiar with the principles of C8051F020 MCU and the wind machines control method, in order to achieve smooth speed control of DC motor, using PWM signal to change the armature voltage motor, and the software to complete the speed closed loop control and realtime display of speed, LED7 digital tube display. 8 PWM control signal output can smoothly change the armature voltage motor, then control the motor speed function. Using the feedback line in motor itself to finish speed feedback and speed detection and when the fan is working in wrong state cut off the fan power and the buzzer alarm.Key words: DC motor,C8051F020,PWM,speed regulating目 录1 绪论11.1直流调速系统发展概况11.2 国内外发展概况21.2.1 国内发展概况21.2.2 国外发展概况31.2.3 本课题用到的直流电机31.3 本课题研究目的及意义31.4 论文主要研究内容32 直流电动机调速器工作原理42.1 直流电机调速方法及原理62.2直流电机PWM(脉宽调制)调速工作原理52.3 转速负反馈单闭环直流调速系统原理82.3.1 单闭环直流调速系统的组成82.3.2转速负反馈单闭环系统的基本特征82.4 采用PI调节器的单闭环无静差调速系统112.5 数字式转速负反馈单闭环系统原理112.5.1原理框图113 直流电动机调速器硬件设计123.1 系统硬件设计总体方案及框图123.1.1系统硬件设计总体方案123.1.2 总体框图123.2 系统硬件设计123.2.1 C8051F020单片机123.2.2单片机晶振电路193.2.3 LED显示电路203.2.4 按键控制电路203.2.5 转速检测、反馈电路213.2.6 12V-5-3.3电源电路223.2.7 风机报警电路24结论27附录 A 直流电动机调速器硬件设计电路图28附录 B 直流电机调速程序设计流程图31参考文献33致谢351 绪论1.1直流调速系统发展概况在现代工业中，电动机作为电能转换的传动装置被广泛应用于机械、冶金、石油化学、国防等工业部门中，随着对生产工艺、产品质量的要求不断提高和产量的增长，越来越多的生产机械要求能实现自动调速。在可调速传动系统中，按照传动电动机的类型来分，可分为两大类：直流调速系统和交流调速系统。交流电动机直流具有结构简单、价格低廉、维修简便、转动惯量小等优点，但主要缺点为调速较为困难。相比之下，直流电动机虽然存在结构复杂、价格较高、维修麻烦等缺点，但由于具有较大的起动转矩和良好的起、制动性能以及易于在宽范围内实现平滑调速，因此直流调速系统至今仍是自动调速系统的主要形式。直流调速系统的发展得力于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料技术、自动控制技术和微机应用技术的最新发展成就。正是这些技术的进步使直流调速系统发生翻天覆地的变化。其中电机的控制部分已经由模拟控制逐渐让位于以单片机为主的微处理器控制，形成数字与模拟的混合控制系统和纯数字控制系统，并正向全数字控制方向快速发展。电动机的驱动部分所用的功率器件亦经历了几次更新换代。目前开关速度更快、控制更容易的全控型功率器件MOSFET和IGBT成为主流。功率器件控制条件的变化和微电子技术的使用也使新型的电动机控制方法能够得到实现。脉宽调制控制方法在直流调速中获得了广泛的应用。目前，国内电机调速控制模块主要有以下三种： （1）采用电阻网络或数字电位器调整直流电机的分压，从而达到调速的目的； （2）采用继电器对直流电机的开或关进行控制，通过开关的切换对电机的速度进行调整； （3）采用PWM电路。用单片机控制IGBT管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机转速。1.2 国内外发展概况1.2.1 国内发展概况 我国从六十年代初试制成功第一只硅晶闸管以来，晶闸管直流调速系统开始得到迅速的发展和广泛的应用。用于中、小功率的 0.4200KW晶闸管直流调速装置已作为标准化、系列化通用产品批量生产。目前，全国各大专院校、科研单位和厂家都在进行数字式直流调速系统的开发，提出了许多关于直流调速系统的控制算法：（1）直流电动机及直流调速系统的参数辩识的方法。该方法据系统或环节的输入输出特性，应用最小二乘法，即可获得系统环节的内部参数。所获得的参数具有较高的精度，方法简便易行。（2）直流电动机调速系统的内模控制方法。该方法依据内模控制原理，针对双闭环直流电动机调速系统设计了一种内模控制器，取代常规的PI调节器，成功解决了转速超调问题，能使系统获得优良的动态和静态性能，而且设计方法简单，控制器容易实现。（3）单神经元自适应智能控制的方法。该方法针对直流传动系统的特点，提出了单神经元自适应智能控制策略。这种单神经元自适应智能控制系统不仅具有良好的静、动态性能，而且还具有令人满意的鲁棒性与自适应性。（4）模糊控制方法。该方法对模糊控制理论在小惯性系统上对其应用进行了尝试。经1.5kw电机实验证明，模糊控制理论可以用于直流并励电动机的限流起动和恒速运行控制，并能获得理想的控制曲线。上诉的控制方法仅是直流电机调速系统应用和研究的一个侧面，国内外还有许多学者对此进行了不同程度的研究。1.2.2 国外发展概况 随着各种微处理器的出现和发展，国外对直流电机的数字控制调速系统的研究也在不断发展和完善，尤其80年代在这方面的研究达到空前的繁荣。大型直流电机的调速系统一般采用晶闸管整流来实现，为了提高调速系统的性能，研究工作者对晶闸管触发脉冲的控制算法作了大量研究，提出了内模控制算法、I.P控制器取代PI调节器的方法、自适应和模糊PID算法等等。 目前，国外主要的电气公司，如瑞典ABB公司，德国西门子公司、AEG公司，日本三菱公司、东芝公司、美国GE公司等，均已开发出数字式直流调装置，有成熟的系列化、标准化、模版化的应用产品供选用。如西门子公司生产的SIMOREG.K 6RA24 系列整流装置为三相交流电源直接供电的全数字控制装置，其结构紧凑，用于直流电机电枢和励磁供电，完成调速任务。设计电流范围为15A至1200A，并可通过并联SITOR可控硅单元进行扩展。根据不同的应用场合，可选择单象限或四象限运行的装置，装置本身带有参数设定单元，不需要其它任何附加设备便可以完成参数设定。所有控制调节监控及附加功能都由微处理器来实现，可选择给定值和反馈值为数字量或模拟量。 1.2.3 本课题用到的直流电机 图1.1直流电机 本课题用到额定电压为12V，带有5根功能线的直流电机，其中5根功能线分别为地线，接电源口，PWM口，速度反馈线以及报警线，其分别与单片机的对应口相连，通过软件配合，完成相应的功能。1.3 本课题研究目的及意义直流电动机是最早出现的电动机，也是最早实现调速的电动机。长期以来，直流电动机一直占据着调速控制的统治地位。由于它具有良好的线性调速特性，简单的控制性能，高效率，优异的动态特性，现在仍是大多数调速控制电动机的最优选择。因此研究直流电机的速度控制，有着非常重要的意义。随着单片机的发展，数字化直流PWM调速系统在工业上得到了广泛的应用，控制方法也日益成熟。它对单片机的要求是：具有足够快的速度；有PWM口，用于自动产生PWM波；有捕捉功能，用于测频；有A/D转换器、用来对电动机的输出转速、输出电压和电流的模拟量进行模/数转换；有各种同步串行接口、足够的内部ROM和RAM，以减小控制系统的无力尺寸；有看门狗、电源管理功能等。因此本课题中选用Cygnal公司的单片机C8051F020。通过设计基于C8051F020单片机的直流PWM调速系统并调试得出结论，在掌握C8051F020的同时进一步加深对直流电动机调速方法的理解，对运动控制的相关知识进行巩固。1.4 论文主要研究内容 本课题的研究对象为直流电动机，对其转速进行控制。基本思想是利用C8051F020自带的PWM口，通过调整PWM的占空比，控制电机的电枢电压，进而控制转速。 电路设计为：以C8051F020为核心，由转速、显示、按键控制等电路组成。 具体内容如下：（1）熟悉C8051F020单片机及风机的原理及控制方法。（2）介绍直流电动机工作原理及PWM调速方法。 （3）实时显示转速，LED7段数码管显示。（4）按键调速，增速和减速控制，风机出错报警，切断风机电源，蜂鸣器报警。2 直流电动机调速器工作原理2.1 直流电机调速方法及原理直流电动机的转速和各参量的关系可用下式表示：由上式可以看出，要想改变直流电机的转速，即调速，可有三种不同的方式：调节电枢供电电压U，改变电枢回路电阻R，调节励磁磁通。3种调速方式的比较表2.1所示.表2.1 3种电动机调速方式对比调速方式和方法控制装置调速方法转速变化率平滑性动态性能恒转矩或恒功 率效率改变电枢电阻串电枢电阻变阻器或接触器、电阻器2:1低速时大用变阻器较好用接触器、电阻器较差无自动调节能力恒转矩低改变电枢电压电动机.发电机组发电机组或电机扩大机（磁放大器）10:120:1小好较好恒转矩60%70%静止变流器晶闸管变流器50:1100:1小好好恒转矩80%90%直流脉冲调宽晶体管或晶闸管直流开关电路50:1100:1小好好恒转矩80%90%改变磁通串联电阻或可变直流电源直流电源变阻器3:15:1较大差差恒功率80%90%电机扩大机或磁放大器好较好晶闸管变流器好 由表2.1知，对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最佳，而变电枢电压调速方法亦是应用最广的调速方法。2.2直流电机PWM(脉宽调制)调速工作原理在直流调速系统中，开关放大器提供驱动电机所需要的电压和电流，通过改变加在电动机上的电压的平均值来控制电机的运转。在开关放大器中，常采用晶体管作为开关器件，晶体管如同开关一样，总是处在接通和断开的状态。在晶体管处在接通时，其上的压降可以略去；当晶体管处在断开时，其上的压降很大，但是电流为零，所以不论晶体管导通还是关断，输出晶体管中的功耗都是很小的。一种比较简单的开关放大器是按照一个固定的频率去接通和断开放大器，并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”的相位宽窄，这样的放大器被称为脉冲调制放大器。PWM脉冲宽度调制技术就是通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得获得所需要波形（含形状和幅值）的技术。根据PWM控制技术的特点，到目前为止主要有八类方法：相电压控制PWM、线电压控制PWM、电流控制PWM、非线性控制PWM，谐振软开关PWM、矢量控制PWM、直接转矩控制PWM、空间电压矢量控制PWM。 利用开关管对直流电动机进行PWM调速控制原理图及输入输出电压波形如图2.1、图2.2所示。当开关管MOSFET的栅极输入高电平时，开关管导通，直流电动机电枢绕组两端电压为US。t1秒后，栅极输入变为低电平，开关管截止，电动机电枢两端电压为0。t2秒后，栅极输入重新变为高电平，开关管的动作重复前面的过程。这样，对应着输入的电平高低，直流电动机电枢绕组两端的电压波形如图2.2所示。电动机的电枢绕组两端的电压平均值U0为： 式中占空比，占空比表示了在一个周期T里，开关管导通的时间与周期的比值。的变化范围为01。由式可知，当电源电压US不变的情况下，电枢的端电压的平均值U0取决于占空比的大小，改变值就可以改变端电压的平均值，从而达到调速的目的，这就是PWM调速原理。在PWM调速时，占空比是一个重要参数。以下是三种可改变占空比的方法：（1）定宽调频法:保持t1不变，改变t2，从而改变周期T（或频率）。（2）调宽调频法：保持t2不变，改变t1,从而改变周期（或频率）。（3）定频调宽法：保持周期T（或频率）不变，同时改变t1、t2。前2种方法由于在调速时改变了控制脉冲的周期（或频率），当控制脉冲的频率与系统的固有频率接近时，将会引起振荡，因此应用较少。目前，在直流电动机的控制中，主要使用第3种方法。 图2.1 PWM调速控制原理图ttT图2.2 输入输出电压波形产生PWM控制信号的方法有4种，分别为：（1）分立电子元件组成的PWM信号发生器这种方法是用分立的逻辑电子元件组成PWM信号电路。它是最早期的方式，现在已经被淘汰了。（2）软件模拟法利用单片机的一个I/O引脚，通过软件对该引脚不断地输出高低电平来实现PWM信号输出。这种方法要占用CPU大量时间，需要很高的单片机性能，易于实现，目前也逐渐被淘汰。（3）专用PWM集成电路从PWM控制技术出现之日起，就有芯片制造商生产专用的PWM集成电路芯片，现在市场上已有许多种。这些芯片除了由PWM信号发生功能外，还有“死区”调节功能、保护功能等。在单片机控制直流电动机系统中，使用专用PWM集成电路可以减轻单片机负担，工作也更可靠。（4）单片机PWM口新一代的单片机增加了许多功能，其中包括PWM功能。单片机通过初始化设置，使其能自动地发出PWM脉冲波，只能在改变占空比时CPU才进行干预。其中常用后两中方法获得PWM信号。课题中使用方法（4）获得PWM信号。2.3 转速负反馈单闭环直流调速系统原理2.3.1 单闭环直流调速系统的组成 只通过改变触发或驱动电路的控制电压来改变功率变换电路的输出平均电压，达到调节电动机转速的目的，称为开环调速系统。但开环直流调速系统具有局限性：（1）通过控制可调直流电源的输入信号，可以连续调节直流电动机的电枢电压，实现直流电动机的平滑无极调速，但是，在启动或大范围阶跃升速时，电枢电流可能远远超过电机额定电流，可能会损坏电动机，也会使直流可调电源因过流而烧毁。因此必须设法限制电枢动态电流的幅值。（2）开环系统的额定速降一般都比较大，使得开环系统的调速范围D都很小，对于大部分需要调速的生产机械都无法满足要求。因此必须采用闭环反馈控制的方法减小额定动态速降，以增大调速范围。（3）开环系统对于负载扰动是有静差的。必须采用闭环反馈控制消除扰动静差为克服其缺点，提高系统的控制质量，必须采用带有负反馈的闭环系统，方框图如图2.3所示。在闭环系统中，把系统输出量通过检测装置（传感器）引向系统的输入端，与系统的输入量进行比较，从而得到反馈量与输入量之间的偏差信号。利用此偏差信号通过控制器（调节器）产生控制作用，自动纠正偏差。因此，带输出量负反馈的闭环控制系统能提高系统抗扰性，改善控制精度的性能，广泛用于各类自动调节系统中。调节器被控对象扰动量检测装置输出量反馈量偏差输入量+ 图2.3 闭环系统方框图 对于调速系统来说，输出量是转速，通常引入转速负反馈构成闭环调速系统。在本课题中直流电动机速度反馈线自带，引出与输出量转速成正比的负反馈电压，与转速给定电压进行比较，得到偏差电压，经过放大器，产生驱动或触发装置的控制电压，去控制电动机的转速，这就组成了反馈控制的闭环调速系统，如图2.4所示。图2.4 转速负反馈单闭环直流调速系统静态框图 2.3.2转速负反馈单闭环系统的基本特征转速负反馈单闭环调速系统是一种基本的反馈控制系统，它具有以下基本特征，也是反馈控制的基本规律。 （1）具有比例放大器的单闭环调速系统是有静差的。闭环系统中的开环放大系数K值对系统的稳态性能影响很大。K越大，稳态速降越小，但当放大器只是比例放大器时，只有当K=才能使=0，显然不可能实现，因此，稳态速降只能减少而不可能消除。这样的调速系统属于有静差调速系统，简称有差系统，而这种系统正是依靠偏差来保证实现控制作用的。（2）具有较强的抗干扰性能 反馈闭环系统具有很好的抗扰性能，对于作用在被负反馈所包围的前向通道上的一切扰动都能有效地抑制。除给定信号外，作用在控制系统上一切能使输出量发生变化的因素都叫做“扰动作用”。除了负载扰动所引起的稳态速降之外，还有许多因素会引起电动机转速的变化。而所有被反馈环所包围的加在闭环系统前向通道各环节上的扰动作用对输出量的影响都会受到反馈控制的抑制。这一性质是闭环自动控制系统最突出的特征。（3）对给定信号和检测装置中的扰动无能为力在闭环调速系统中，给定作用如果由细微的变化，输出转速就会立即随之变化，丝毫不受反馈作用的抑制。如果给定电源发生了不应有的波动，则输出转速也要跟着发生变化，反馈控制系统无法区分是正常的调节给定电压还是给定电源的变化。因此，闭环调速系统的精度依赖于给定稳压电源的精度。此外，闭环控制系统对于检测装置本身的误差也是无法克服的。对于调速系统来说，如果测速发电机励磁发生变化，也会引起反馈电压的改变，通过系统的调节作用，使电动机转速偏离原应保持的数值。因为实际转速变化引起的反馈电压的变化与其他因素（如测速机励磁变化、换向纹波、安装不良造成的转子和定子间的偏心）引起的反馈电压的变化，反馈控制也是区分不出来的。因此，闭环控制系统的精度还依赖于反馈检测装置的精度。2.4 采用PI调节器的单闭环无静差调速系统前面所述的单闭环调速系统采用的是比例调节器，其控制作用需要用偏差来，只能减少静差，但不能消除静差。对于有静差调速系统，如果根据稳态性能指标要求计算出系统的开环放大倍数，动态性能可能较差，或根本达不到稳态，也就谈不上是否满足稳态要求。采用比例积分调节器代替比例放大器后，可以使系统稳定且足够的稳定欲量，并改善动态性能，实现无静差调速。2.5 数字式转速负反馈单闭环系统原理2.5.1原理框图 该系统原理框图如图2.6 所示，转速反馈控制环的调节是利用单片机软件实现的PI调节。图中虚线部分是采用单片机实现的控制功能。+转速调节直流电动机转速反馈图2.6 数字式转速负反馈单闭环直流调速系统2.5.2 软件简介Protel99SE PROTEL是Altium公司在80年代末推出的EDA软件，在电子行业的CAD软件中，它当之无愧地排在众多EDA软件的前面，是电子设计者的首选软件，它较早就在国内开始使用，在国内的普及率也最高，有些高校的电子专业还专门开设了课程来学习它，几乎所有的电子公司都要用到它，许多大公司在招聘电子设计人才时在其条件栏上常会写着要求会使用PROTEL。Protel99 SE共分5个模块，分别是原理图设计、PCB设计（包含信号完整性分析）、自动布线器、原理图混合信号仿真、PLD设计。当然还有的部分最新功能，如：可生成30多种格式的电气连接网络表，强大的全局编辑功能等在嵌入式设计部分，增强了JTAG器件的实时显示功能，增强型基于FPGA的逻辑分析仪，可以支持32位或64位的信号输入。除了现有的多种处理器内核外，还增强了对更多的32位微处理器的支持，可以使嵌入式软件设计在软处理器，FPGA内部嵌入的硬处理器，分立处理器之间无缝的迁移。使用了Wishbone 开放总线连接器允许在FPGA上实现的逻辑模块可以透明的连接到各种处理器上,对每一种处理器都提供完备的开发调试工具。KeiluVision2是美国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，使用接近于传统c语言的语法来开发，与汇编相比，C语言易学易用,而且大大的提高了工作效率和项目开发周期,他还能嵌入汇编，您可以在关键的位置嵌入，使程序达到接近于汇编的工作效率。KEILC51标准C编译器为8051微控制器的软件开发提供了C语言环境,同时保留了汇编代码高效,快速的特点。C51编译器的功能不断增强，使你可以更加贴近CPU本身，及其它的衍生产品。C51已被完全集成到uVision2的集成开发环境中，这个集成开发环境包含：编译器，汇编器，实时操作系统，项目管理器，调试器。uVision2 IDE可为它们提供单一而灵活的开发环境。3 直流电动机调速器硬件设计3.1 系统硬件设计总体方案及框图3.1.1系统硬件设计总体方案 系统的硬件结构主要包括：C8051F020单片机、由单片机和直流电机自带的速度反馈线构成的转速检测及反馈电路、LED显示电路、功能键控制电路。3.1.2 总体框图DC MOTOR转速检测、反馈LED显示功能键控制PWMC8051F020图3.1系统总体框图 1：利用单片机的一个I/O引脚，通过软件对该引脚不断地输出高低电平来实现PWM信号输出。采用单片机软件编程生成PWM信号，具有两个定时器T0和T1。并通过对定时器T0和T1的设置，可输出不同占空比的脉冲波形。 2:五个控制引脚分别为电源，地，转速以及报警和反馈引脚，遇到故障时继电器切断电源，从而起到保护作用，转速的大小用与P口连接的按键控制，可加减500r。 3：转速检测用测速发电机把转速转化为输出电动势，而输出电动势与转速成比例。测速发电机的绕组和磁路经精确设计，其输出电动势E和转速n成线性关系，即E=Kn,K是常数。改变旋转方向时输出电动势的极性即相应改变。在被测机构与测速发电机同轴联接时，只要检测出输出电动势，就能得到反馈量。 4： LCD显示器用于显示速度的大小。 3.2 系统硬件设计3.2.1 C8051F020单片机(1) 单片机简介C8051F020是Cygnal公司出品的完全集成的混合信号系统级MCU芯片，具有64个数字I/O引脚。以下为其主要特性： （1）高速、流水线结构的8051兼容的CIP.51内核（可达25MIPS） （2）全速、非侵入式的在系统调试接口（片内） （3）真正12位、100ksps的8通道ADC，带PGA和模拟多路开关 （4）真正8位500ksps的ADC，带PGA和8通道模拟多路开关（5）两个12位DAC,具有可编程的FLASH存储器（6）64K字节可在系统编程的FLASH存储器（7）4352字节的片内RAM（8）可寻址64K字节地址空间的外部数据存储器接口 （9）硬件实现的SPISMBus、和两个UART串行接口（10）5个通用的16位定时器（11）具有5个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列（12）片内看门狗定时器、VDD监视器和温度传感器 具有片内VDD监视器、看门狗定时器和时钟振荡器的C8051F020是真正能独立工作的片上系统。所有模拟和数字外设均可由用户固件使能/禁止和配置。FLASH存储器还具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新8051固件。该单片机可在工业温度范围（.45到+85）内用2.7V到.3.6V的电压工作。端口I/O、/RST和JTAG引脚都容许5V的输入信号电压。C8051F020为100脚TQFP封装。下面介绍的是实验中主要使用到的C8051F020的功能：（1）JTAG调试和边界扫描：C8051F020具有片内JTAG边界扫描和调试电路，通过4脚JTAG接口并使用安装在最终应用系统中的产品器件就可以进行非侵入式（不占用片内资源）、全速的在系统调试。该JTAG接口完全符合IEEE1149.1规范，位生产和测试提供完全的边界扫描功能。Keil的调试系统支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、观察点、堆栈指示器和单步执行。不需要额外的目标RAM、程序存储器、定时器或通信通道。在调试时所有的模拟和数字外设都正常工作。当MCU单步执行或遇到断点而停止运行时，所有的外设（ADC和SMBus除外）都停止运行，以保持与指令执行同步。（2）可变成计数器阵列：除了5个16位的通用计数器/定时器之外，C8051F020 MCU系列还有一个片内可编程计数器/定时器阵列（PCA）。PCA包括一个专用的16位计数器/定时器时间基准和5个可编程的捕捉/比较模块。时间基准的时钟可以是下面的六个时钟源之一：系统时钟/12、系统时钟/4、定时器0溢出、外部时钟输入（ECI）、系统时钟和外部振荡源/8。每个捕捉/比较模块都有六种工作方式：边沿触发捕捉、软件定时器、高速输出、频率输出、8位脉冲宽度调制器和16位脉冲宽度调制器。PCA捕捉/比较模块的I/O和外部时钟输入可以通过数字交叉开关连到MCU的端口I/O引脚。实验中使用了8位脉宽调制器的工作方式。（3）可编程数字I/O和交叉开关：C8051F020具有标准8051的端口（0、1、2和3）。在F020/2中由4个附加的端口（4、5、6和7），因此共有64个通用端口I/O。这些端口I/O的工作情况与标准8051相似，但有一些改进。每个端口I/O引脚都可以被配置为推挽或漏极开路输出。在标准8051中固定的“弱上拉”可以被总体禁止，这为低功耗应用提供了进一步节电的能力。该单片机引入了数字交叉开关。这是一个大的数字开关网络，允许将内部数字系统资源映射到P0、P1、P2和P3的端口I/O引脚，如图3.2所示。与具有标准复用数字I/0的微控制器不同，这种结构可支持所有的功能组合。可通过设置交叉开关控制寄存器将片内的计数器/定时器、串行总线、硬件中断、ADC转换启动输入、比较器输出以及微控制器内部的其它数字信号配置为出现在端口I/O引脚。这一特性允许用户根据自己的特定应用选择通用端口I/O和所需数字资源的组合。图3.2 C8051F020数字交叉开关(2) 使用可编程定时器/计数器阵列获得8位PWM信号 当PCA 捕捉/比较模块配置为8位PWM方式时，出现在CEXn的波形周期等于256个PCA时钟周期，该信号的低电平时间等于在模块的捕捉/比较寄存器PCA0CPLn的低字节中所存储的8位数字，在主PCA计数器PCA0L的低字节发生溢出时，模块的比较寄存器的高字节被拷贝到模块的比较寄存器的低字节中（PCA0CPLn=PCA0CPHn），通过更新PCA0CPHn就能改变占空比，拷贝过程保证在输出端不产生毛刺。输出波形的占空比（用%表示）如下式：占空比=(（256.PCA0CPHn）/256)100PCA0CPHn可以含有1个0255的数值，所以占空比的范围为0.38%100%，其分辨率为：（1/256）100=0.38。8位PWM方式的最大优点是不需要CPU的干预就可以输出一个固定占空比的波形。若CIDL位（PCA0MD.7）置为0（复位状态），即使CPU处于休眠状态，输出波形也将保持。因此改变占空比是通过向PCA0CPHn写入一个8位数来完成的。(3) 单片机端口配置 C8051F020各端口连接图如图3.3所示。 图3.3 单片机各端口连接图上图为单片机C8051F020的最小系统以及相关接口的网络标号连接图，其中包括晶振电路，程序JIAG调试系统，复位电路，以及数模地，网络标号连接包括加速减速键盘的连接，直流电机速度反馈线与单片机的连接，四位LED显示屏的连接，PWM口和直流电机的连接。(4) 单片机复位电路复位是单片机的初始化操作，其主要作用是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作失误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需要按复位键以重新启动。图3.3 复位电路单片机的复位电路在刚接通电时，复位脚的电由低电位升到高电位，引起了内部电路的复位工作，这是单片机的上电复位，也叫初始化复位。 该电路采用按键手动复位。按键手动复位为电平方式。对于怀疑是复位电路故障而不能正常工作的单片机也可以采用模拟复位的方法来判断，单片机正常工作时第9脚对地电压为零，可以用导线短时间和+5V连接一下，模拟一下上电复位，如果单片机能正常工作了，说明这个复位电路有问题，其中电平复位是通过RET端经电阻与电源VCC接通而实现的，在初识化程序中应安排一定的延迟时间。3.2.2单片机晶振电路图3.4 单片机晶振电路单片机各功能部件的运行都是以时钟控制信号为基准，有条不紊地一拍一拍地工作，因此时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。电路中的电容C1和C2典型值通常选择为30pF左右。对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响振荡器的频率高低，振荡器的稳定性和起振的快速性，晶振的频率越高则系统的时钟频率也越高，单片机的运行速度也越快。内部时钟方式。内部时钟方式即是由单片机内部的高增益反相放大器和外部跨接的晶振、微调电容构成时钟电路产生时钟的方法，其工作原理如图所示。外接晶振（陶瓷振荡器）时，C1、C2 的值通常选择为30pF（40pF）左右，本课题选用的电容为30pf；C1、C2 对频率有微调作用，晶振或陶瓷谐振器的频率范围可在1.2MHz 12MHz之间选择。为了减小寄生电容，更好地保证振荡器稳定、可靠地工作，振荡器和电容应尽可能安装得与单片机引脚XTALl 和XTAL2 靠近。由于内部时钟方式外部电路接线简单，单片机应用系统中大多采用这种方式。内部时钟方式产生的时钟信号的频率就是晶振的固有频率，常用fsoc 来表示。如选择12MHz 晶振，则fsoc=12106Hz上图为单片机的晶振电路，其中包括12MHZ的晶振，以及两个30pf的电容。3.2.3 LED显示电路LED显示电路由一个共阳极四位一体的LED实现，硬件电路如图3.5所示。由于为四位显示数码管，因此选位信号需要四位，课题中使用单片机的P6.0P6.3口控制LED的位选信号，由于为八段，所以需要八位，课题中用P5口控制段码选择信号。其中接地端和电源端图中没有显示出。图3.5 LED显示电路3.2.4 按键控制电路 硬件电路如图3.6所示。系统中使用这两个按键依次实现升速、降速功能。按键通过外部中断0、1口相连，则只要有按键按下，就会触发外部中断0、1。另外使用P3口作为键值输入口。程序上使用外部中断0、1（INT0、INT1）及键值扫描实现对按键的控制。在电动机运行过程中按下升速、降速键则能进行对电动机升、降速的控制。图3.6键值输入电路，按键接入外部中断0、13.2.5 转速检测、反馈电路图3.8转速检测、反馈电路如图所示，为转速检测反馈电路的单片机标号电路，直流电机内部依据霍尔开关的原理计数、转数和转速的测量。测速的原理一般有两种方法:在非铁磁性材料圆盘边缘粘一小磁钢 ,将霍尔开关固定于圆盘边缘附近,当圆盘转动 ,磁钢经过霍尔开关时,霍尔开关将输出一脉冲;另一方法是将小磁钢粘在霍尔开关背面,一起靠近转动的齿轮,由于齿轮的凹与凸,使霍尔开关的磁感应强度呈明显变化,霍尔开关同样输出脉冲,这样当脉冲输入频率测量仪,即可达到相应的测量与控制目的。本课题中采用的电机中使用的是第一种方法。其中COUNT端连接速度反馈线，单片机使用定时/计数器0作为16位定时器，定时/计数器1作为8位自动重载计数器并使用交叉开关分配到P0.4口。将直流电机的速度检测反馈输出接入P0.4（定时/计数器1），定时器每50ms定时中断一次，计数器计入每50ms电动机旋转次数，通过计算得出每分钟转数并显示。直流电机将速度的物理量转换为电量，回馈到单片机，单片机通过和初始设置的速度比较，且得出反馈增量。3.2.6 12V-5V-3.6电源电路 图3.9 12V-5V电源电路其中lm7805ct为三端稳压集成电路，其特点为：（1）输出电流可达1A；（2）输出电压最小值为4.8v，最大值为5.2v，典型值为5V；（3）具有过热保护，短路保护，输出晶体管SOA保护；硬件电路图如3.9所示。该电路通过7805可以完成DC 12V到DC 5V的转换。硬件电路图如3.10所示。该电路完成DC 5V到3.3 V的转换，作为单片机的供电电压。图3.10 5V-3.3V电源电路AMS1117-3.3特点：三端可调或固定电压3.3V输出电流为1A线路调整率：0.2%（最大）负载调整率：0.4%（最大）封装类型：SOT-223绝对最大额定值：工作结温范围：-40125C输入电压：15V焊接温度（25秒）：265C存储温度：- 65150C电气特性：输出电压：3.2673.333V（0= IOUT=1A , 4.75V=VIN=12V）线路调整（最大）：10mV（4.75V=VIN=12V）负载调节（最大）：15mV（VIN=5V，0= IOUT=1A）电压差（最大）：1.3V电流限制：9001500mA静态电流（最大）：10mA纹波抑制（最小）：60dB3.2.7 风机报警电路图 3.11 电机故障报警电路三极管8050是一种常用的普通三极管。 它是一种低电压,大电流,小信号的PNP型硅三极管, 8050三级管参数:类型:开关型; 极性:NPN; 材料:硅; 最大集电极电流(A):0.5 A; 直流电增益:10 to 60; 功耗:625 mW; 最大集电极发射电压（VCEO）:25; 频率:150MHz放大倍数：按三极管后缀号分为 B C D档。分别为放大倍数B：85-160 C：120-200 D：160-300U1为蜂鸣器，其可分为：1压电式蜂鸣器 压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。有的压电式蜂鸣器外壳上还装有发光二极管。多谐振荡器由晶体管或集成电路构成。当接通电源后（1.515V直流工作电压）,多谐振荡器起振,输出1.52.5kHZ的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。 压电蜂鸣片由锆钛酸铅或铌镁酸铅压电陶瓷材料制成。在陶瓷片的两面镀上银电极，经极化和老化处理后，再与黄铜片或不锈钢片粘在一起。2电磁式蜂鸣器 电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场。振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发声。在单片机应用的设计上，很多方案都会用到蜂鸣器，大部分都是使用蜂鸣器来做提示或报警，比如按键按下、开始工作、工作结束或是故障等等。课题中是直流电机报警检测线传来的电信号使蜂鸣器报警，当直流电机出现故障时，报警检测线上的电信号经8050放大后，会使蜂鸣器和放射极以及集电极三者对地形成回路，从而使蜂鸣器发出报警信息。继电器（英文名称：relay）是一种电控制器件，是当输入量（激励量）的变化达到规定要求时，在电气输出电路中使被控量发生预定的阶跃变化的一种电器。它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路）之间的互动关系。通常应用于自动化的控制电路中，它实际上是用小电流去控制大电流运作的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。继电器线圈在电路中用一个长方框符号表示，如果继电器有两个线圈，就画两个并列的长方框。同时在长方框内或长方框旁标上继电器的文字符号“J”。继电器的触点有两种表示方法：一种是把它们直接画在长方框一侧，这种表示法较为直观。另一种是按照电路连接的需要，把各个触点分别画到各自的控制电路中，通常在同一继电器的触点与线圈旁分别标注上相同的文字符号，并将触点组编上号码，以示区别。继电器的触点有三种基本形式：1、动合型（常开）（H型）线圈不通电时两触点是断开的，通电后，两个触点就闭合。以合字的拼音字头“H”表示。2、动断型（常闭）（D型）线圈不通电时两触点是闭合的，通电后两个触点就断开。用断字的拼音字头“D”表示。3、转换型（Z型）这是触点组型。这种触点组共有三个触点，即中间是动触点，上下各一个静触点。线圈不通电时，动触点和其中一个静触点断开和另一个闭合，线圈通电后，动触点就移动，使原来断开的成闭合，原来闭合的成断开状态，达到转换的目的。这样的触点组称为转换触点。用“转”字的拼音字头“z”表示。本课题用到的继电器是第2类继电器，即当检测信号报警线上没信号时，电路是导通的，直流电机正常工作，当产生故障有信号时，常闭开关断开，直流电机停止工作。过电压继电器，简称OV，它的主要用途在于当系统的异常电压上升至120%额定值以上时，过电压继电器动作而使断路器跳脱保护电力