基于C8051F020的电机调速系统硬件设计

中北大学 2013 届毕业设计说明书基于 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 届毕业设计说明书第 2 页 共 41 页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中北大学 2013 届毕业设计说明书第 3 页 共 41 页目 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 22中北大学 2013 届毕业设计说明书第 4 页 共 41 页3.2.7 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 .35中北大学 2013 届毕业设计说明书第 5 页 共 41 页1 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 国内外发展概况中北大学 2013 届毕业设计说明书第 6 页 共 41 页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 调节器中北大学 2013 届毕业设计说明书第 7 页 共 41 页的方法、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，直流中北大学 2013 届毕业设计说明书第 8 页 共 41 页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： ()/(nUIRKe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：调中北大学 2013 届毕业设计说明书第 9 页 共 41 页节电枢供电电压 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%改变电枢电压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%直流电源变阻器差 差电机扩大机或磁放大器较好改变磁通串联电阻或可变直流电源 晶闸管变流器3:15:1较大好好恒功率 80%90%中北大学 2013 届毕业设计说明书第 10 页 共 41 页由表 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。t 1 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。t 2 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 0 1。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。1s1ss2tt中北大学 2013 届毕业设计说明书第 11 页 共 41 页iUtt2tT0S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、t 2。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 调速控制原理图中北大学 2013 届毕业设计说明书第 12 页 共 41 页图 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 ，cUdU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。中北大学 2013 届毕业设计说明书第 13 页 共 41 页（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 ，nU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*nUnU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 2.4ct所示。中北大学 2013 届毕业设计说明书第 14 页 共 41 页图 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cln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。中北大学 2013 届毕业设计说明书第 15 页 共 41 页此外，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nU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nU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nU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。 *nU(s)+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中北大学 2013 届毕业设计说明书第 16 页 共 41 页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。中北大学 2013 届毕业设计说明书第 17 页 共 41 页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。中北大学 2013 届毕业设计说明书第 18 页 共 41 页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2IC（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。中北大学 2013 届毕业设计说明书第 19 页 共 41 页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中北大学 2013 届毕业设计说明书第 20 页 共 41 页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。中北大学 2013 届毕业设计说明书第 21 页 共 41 页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。中北大学 2013 届毕业设计说明书第 22 页 共 41 页(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。中北大学 2013 届毕业设计说明书第 23 页 共 41 页(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。中北大学 2013 届毕业设计说明书第 24 页 共 41 页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。中北大学 2013 届毕业设计说明书第 25 页 共 41 页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。中北大学 2013 届毕业设计说明书第 26 页 共 41 页图 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、反馈电路中北大学 2013 届毕业设计说明书第 27 页 共 41 页如图所示，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；中北大学 2013 届毕业设计说明书第 28 页 共 41 页（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）：60dB中北大学 2013 届毕业设计说明书第 29 页 共 41 页3.2.7 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、振动膜片及外壳等中北大学 2013 届毕业设计说明书第 30 页 共 41 页组成。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。中北大学 2013 届毕业设计说明书第 31 页 共 41 页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设备免遭损坏，感应式过电压继电器的构造及动作原理和过电流继电器相似，只有主线圈不同。本课题用的就是过电压继电器，当检测报警线上产生一个异常电压上升至 120%额定值以上时，继电器动作使断路器跳脱保护电力设备免遭损坏。如图 3.11 所示，当直流电机出错时，通过电机报警检测线反馈到蜂鸣器和继电