基于单片机控制的PWM直流调速系统.doc

辽宁工程技术大学毕业设计（论文）0 引言脉宽调制（Pulse Width Modulation）控制技术，通常简称为PWM控制技术，是利用半导体开关器件的导通和关断，把直流电压变成电压脉冲列，控制电压脉冲的宽度或周期以达到变压目的，或控制电压脉冲的宽度和周期以达到变压变频目的的一种控制技术。近年来，电气传动的PWM控制技术以成为电气传动自动控制技术的热点之一。直流电动机因其可以方便地通过改变电枢电压和励磁0电流实现大范围的调速而得到广泛的应用，调节电枢串联电阻来改变电枢上的电压，是最经典的直流电机调速方法，但是有相当部分的电能消耗在所串联电阻上，很不经济。80年代，以晶闸管为功率开关器件 的斩波调速器以其无级、高效、节能而得到大力推广。但晶闸管斩波调速器不足之处是晶闸管一旦被触发，其关断必须依赖换流电容和换流电感振荡产生反压来实现，换流电容和电感增加了装置的成本，也增加了换流损耗；电源电压下降还会导致换流失败，使系统的可靠性降低；此外，由于晶闸管的开、关时间比较长，加上存在换流环节，使得斩波器的工作频率不能太高（一般在300Hz 以下）电机上的力矩脉动和电流脉动比较严重 。 因此直流斩波调速呼唤快速自关断器件 。 于是 90年代出现了以 IGBT 为代表，具有自关断能力并可在高速下工作的功率器件作为开关元件的PWM直流调速系统成为更为先进的直流调速方案 。纵观电气传动国内外发展的情况，虽然直流电动机因其结构复杂、成本较高、维修保养费用较贵以及随着电力电子技术的进步对交流调速问题的解决，交流调速在发达国家已经占据主导地位，但是在我国目前仍有大量的各类机床和系统使用直流电动机作为伺服驱动,有些用模拟PWM控制、有些用晶闸管移相控制。如果将其改造为微处理器控制PWM调速控制，使其具有控制方式多样化,能与数字速度给定信号直接接口等优点，则有利于国家工业化的发展。PWM直流电动机调压调速系统拥有需用的功率元件少、线路简单、控制方便、开关频率高、低速性能好、稳速精度高及调速范围宽等优点，在工厂企业得到广泛的应用。通过学习并熟练掌握这个调速系统，对我们今后的工作有十分重要的意义。1 调速原理的分析本章重点在于直流电动机调速方法的分析，通过对直流电机结构的介绍引出直流电机的调速原理，进而对各种调速方法进行介绍、分析与比较，从而选择应用脉宽调制（Pulse Width Modulation）控制技术对直流电动机进行转速控制。本章最后还对霍尔效应及其原理进行了介绍，目的在于应用霍尔效应实现转速的测量与反馈。1.1 直流电机的结构与调速原理1.1.1 直流电机的结构 直流电机的结构是多种多样的，但任何直流电机都包括定子部分和转子部分，这两部分间存在着一定大小的气隙，使电机中电路和磁场发生相对运动。直流电机定子部分主要由主磁极、电刷装置和换向极等组成，转子部分主要由电枢绕组、换向器和转轴等构成。结构图如图1-1： 图1-1直流电机结构图Fig.1-1 Structure diagram of DC-motor1-电刷；2-磁轭；3-永久磁钢；4-极靴；5-电枢绕组；6-内磁轭 1- Brush; 2- Yoke; 3- Permanet Magnet;4- Pole Shoe; 5- Armature Winding; 6-Inner Punch Yoke1.1.2 直流电机的调速原理为了提高劳动生产率和保证产品的质量，就要求生产机械能以最合理的速度进行工作，这样就要求对生产机械的核心部分电机，进行调速控制。直流电机的转速n与其他参数的关系如公式1-1 (1-1)式中 电枢供电电压（V）； 电枢电流（A）； 电枢回路总电阻（）； 励磁磁通（Wb）； 电势系数；由公式1-1可见，改变、这三个参数中的任何一个都可以另转速得到改变。所以直流电机有三种基本调速方法：1）改变电枢的供电电压；2）改变励磁磁通；3）改变电枢回路总电阻。改变电枢回路总电阻调速，可以通过在电枢回路中串接电阻来实现。如公式1-2。(1-2)式中是外接电阻。由此可见，当负载一定时，外接电阻的增大，会导致电枢回路总电阻R的增大，从而使n减少。其机械特性如图1-2，M为转矩。 图1-2 改变电枢回路总电阻调速时的机械特性Fig.1-2 The mechanical characteristic of speed control by changing the total resistance of armature circuit这种调速方法是有级调速的，调速不平滑，而且串接了电阻增大了电路的功耗，所以这种方法一般不使用。改变电枢的供电电压调速，就是改变电枢两端的电压，使速度n也改变。现在随着电力电子技术的发展，可以方便的改变电压的输出值，从而可以方便的改变电机的转速。其机械特性如图1-3，M为转矩。图1-3 改变电枢供电电压调速的机械特性Fig.1-3 The mechanical characteristic of speed control by changing the supply voltage of armature circuit这种调速方法可以实现无级调速，并且它是通过减少输入功率来减少输出功率从而降低转速的，因此低速运行时也不会增加功耗，在整个调速范围内都很经济。改变励磁磁通调速，可以通过在励磁电路中串接一个可调电阻，从而改变励磁电流和磁通来实现。其机械特性如图1-4，M为转矩。图1-4 改变励磁磁通调速的机械特性Fig.1-4 The mechanical characteristic of speed control by changing the excitation flux这种调速方法，由于调节在小电流的励磁回路进行，所以损耗比较小，并且平滑性好能实现无级调速。但是，因为在一般的电机的磁路在时已经工作在饱和作态，所以这方法只适用于基频以上调速。1.2 直流电机PWM控制原理PWM控制技术是利用半导体开关器件的导通和关断，把直流电压变成电压脉冲列，控制电压脉冲的宽度或周期以达到变压目的，或控制电压脉冲的宽度和周期以达到变压变频目的的一种控制技术。下面简述一下PWM调速系统的工作原理。图1-5给出PWM调速系统的工作原理电路及其输出波形。 M（a） （b）图1-5 PWM调速系统的工作原理电路及其输出波形Fig.1-5 The principle circuit of PWM speed regulating system and output waveform假设V1先导通T1秒，然后又关断T2秒，如此反复进行，可得到图1-5（b）的波形图。可以得到电机电枢端的平均电压如公式1-3。(1-3)设，可定义为占空比。设定输入电压不变，越大，电机电枢端的平均电压越大，反之也成立。固改变值就可以达到调压的目的。改变有三种方法：第一种就是T1保持不变，使T2在0到之间变化，这叫定宽调频法；第二种就是T2不变，使T1在0到之间变化，这叫调宽调频法；第三种就是T保持一定，使T1在0到T间变化，这叫定频调宽法。本设计采用的是定宽调频法。1.3 霍尔效应及其原理因为本设计的测速部分用到了霍尔元件作为测速传感器，所以有必要简单述说一下霍尔效应及其工作原理。如图1-6所示的金属或半导体薄片两端面通以控制电流I，并在薄片的垂直方向上施加磁感应强度为B的磁场，那么，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电势UH（称为霍尔电势）。这种现象称为霍尔效应。它是德国物理学家霍尔于1879年研究载流导体在磁场中受力的性质时发现的。 图1-6 霍尔效应原理图Fig.1-6 Hall effect schematic diagram霍尔效应的产生是由于运动电荷受磁场中洛伦兹力作用的结果。霍尔电势可以用公式1-4表示。(1-4)式中： 材料的霍尔常数（ ）； I控制电流（A）；B磁感应强度（T）；D霍尔元件的厚度（m）；令 则得到：由上式可知，霍尔电势的大小正比于控制电流I和磁感应强度B。KH称为霍尔元件的灵敏度，它与元件材料的性质、几何尺寸有关。2 方案比较及选择本章将在前一章对基本理论进行介绍的基础上，对控制方案和器件选择进行进一步的选择与比较，在实现设计所要求功能的基础上对电路中应用的器件进行全方位的比较，从而选择更为合理的器件进行设计。其中包括对可以产生PWM方波的单片机进行选择、对外围的输入和显示电路进行设计，以及驱动电路器件的选择。在满足要求的基础上最大限度的节省材料，降低成本。2.1 控制方案的选择PWM调速系统的开关频率较高,仅靠电枢电感的滤波作用就可获得平稳的直流电流,低速特性好；同样,由于开关频率高,快速响应特性好,动态抗干扰能力强,可以获得很宽的频带；开关器件只工作在开关状态,主电路损耗小,装置效率高。比可控硅整流调速系统先进。直流电机的PWM制可以采用多种方式实现，总体可以分成硬件实现和软件实现两类。随着集成芯片工艺和功能水平的不对提高，现在已经出现了多种可准确发生PWM 波形控制直流电机调速的芯片，如SG3525、TL494等，这些芯片简单易用适合于单独的系统使用。现在电动机调速系统实现数字化控制,是电气传动发展的主要方向之一，实现数字化后，整个调速系统结构简单,可靠性高,操作维护方便,电动机稳态运转时转速精度可达到较高水平,静动态各项指标均能较好地满足工业生产中高性能电气传动的要求。由于单片机性能优越,具有较佳的性能价格比,所以单片机在工业过程及设备控制中得到日益广泛的应用。因此，本设计选用单片机作为控制核心。在许多单片机的测控系统中，需要PWM功能实现直流电机的调速控制。对此出路只有两条：要么就选用具有PWM功能的单片机，要么就是采用软件模拟的方法实现PWM输出。对于前者来说，虽然现在已经出现了不少具有PWM功能的新型单片机，但是它们的价格一般都比较高，并且它们开发器的价格目前也比较高。还有就是，目前我国应用最多的一种单片机系列是美国Intel公司的8位高档单片机MCS51系列，这个系列里机型多种，性能特点不错，加上我们学习的单片机课程是该类型的单片机，应用相对顺手。因而，本设计还是选用51系列单片机采用软件模拟的方法实现PWM输出。因为MCS51系列单片机型号比较多，为了进行合理的选择，下面对几种常用型号进行比较。2.1.1 8031、8051、8751的比较8031/8051/8751是Intel公司早期的产品，它们的指令系统与芯片引脚完全兼容，同有8位的CPU，128个字节的片内数据存储器，21个字节专用寄存器，4个8位并行I/O口，1个全双工串行I/O口，两个16位定时/计数器，5个中断源。不同的是：8031片内不带程序存储器ROM，使用时用户需外接程序存储器和一片逻辑电路373，外接的程序存储器多为EPROM的2764系列。用户若想对写入到EPROM中的程序进行修改，必须先用一种特殊的紫外线灯将其照射擦除，之后再可写入。写入到外接程序存储器的程序代码没有什么保密性可言。8051片内有4k ROM，无须外接外存储器和373，更能体现“单片”的简练。但是用户编的程序用户无法烧写到其ROM中，只有将程序交芯片厂代用户烧写，并是一次性的，今后用户和芯片厂都不能改写其内容。8751与8051基本一样，但8751片内有4k的EPROM，用户可以将自己编写的程序写入单片机的EPROM中进行现场实验与应用，EPROM的改写同样需要用紫外线灯照射一定时间擦除后再烧写。 图2-1 8051引脚图Fig.2-1 The pin figure of 80512.1.2 AT89C51、AT89S51的比较AT89C51是ATMEL公司推出的一种带4K字节闪速可编程可擦除只读存储器(FLASH ROM)的低电压、高性能CMOS 8位微控制器。器件使用ATMEL公司高密度、非易失性技术生产，与标准的MSC-51指令系统和8051引脚兼容。由于将多功能8位CPU和闪速存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器。与8051相比其最大的特点是：4KB可编程Flash存储器，可进行1000次擦写；全静态时钟0-24MHz；三级程序加密；低功耗支持Idle（空闲）工作模式和Power-Down（断电）工作模式。AT89S51是2003年ATMEL推出的新型品种，除了完全兼容8051外，还多了ISP编程和看门狗功能。2.2 键盘的选择键盘是计算机不可缺少的输入设备，是实现人机对话的纽带，借助键盘可以向计算机系统输入程序、置数、送操作命令、控制程序的执行走向等。在本设计中，使用者可通过键盘对电机进行启动和制动、正转和反转、加速和减速控制。2.2.1 独立式键盘 独立式按键是指直接用I/O接口线构成的单个按键电路。每个独立式按键单独占有一根I/O接口线，每根I/O接口线的工作状态不会影响其它I/O接口线的工作状态。独立键盘如图2.3所示。独立式按键电路配置灵活、软件结构简单，但每个按键必须占用一根I/O口线，在按键数量较多时，I/O口线浪费较大，故只在按键数量不多时采用这种按键电路。此电路中，按键输入都采用低电平有效，上拉电阻保证了按键断开时，I/O口线上有确定的高电平。当I/O口内部有上拉电阻时，外电路可以不配置上拉电阻3。图2-2 独立式键盘电路Fig.2-2 Independent-Keyboard circuit2.2.2 矩阵式键盘将I/O接口线的一部分作为行线，另一部分作为列线，按键设置在行线和列线的交叉点上，这就构成了行列式键盘。行列式键盘中按键的数量可达行线数n乘以列线数m，如4行、4列行列式键盘的按键数可以达到4416个。由此可以看到行列式键盘在按键较多时，可以节省I/O口线。一个44行列式键盘的电路原理图如图2-4所示3。8条I/O口线分为4条行线和4条列线，按键设置在行线和列线交点上，即按键开关的两端分别接在行线和列线上。行线通过一个上拉电阻接到+5V电源上，在没有键按下时，行线处于高电平状态。若向所有的列线I/O口输出低电平，然后将行线的电平状态读入累加器A中，若无键按下，行线仍保持高电平状态，若有键按下，行线至少应有一条为低电平。 图2-3 矩阵式键盘电路Fig.2-3 Matrix-Keyboard circuit若确定有键按下后，即可进行求键码的过程。其方法是：依次从一条列线上输出低电平，然后检查各行线的状态，若全为高电平，说明闭合键不在该列，若不全为1，则说明闭合键在该列，且在变为低电平的行的交点的行的交点上。若在键盘处理程序中，给每个键都赋予一个键号，由从列线I/O口输出的数据和从行线I/O口读入的数据即可求出闭合键的键号，完成对键盘的扫描工作。本设计中只用到了4个按键，用独立式键盘和矩阵式键盘都要用到4个I/O口，但是应用独立式键盘结构简单且不造成按键的浪费，故采用独立式键盘。2.3 显示方式的选择LED显示器是单片机应用系统中最常用的输出器件。它是由若干个发光二极管组成的，当发光二极管导通时，相应的一个点或一个笔画发亮。控制不同组合的二极管导通，就能显示出各种字符。常用的LED显示器有7段和“米”字段之分。在次显示转速数值用7段显示管即可。这种显示器有共阳极和共阴极两种。共阴极LED显示器的发光二极管的阴极连接在一起，通常此公共阴极接地。当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮，相应的段被显示。同样，共阳极LED显示器的发光二极管的阳极连接在一起，通常此公共阳极接正电压，当某个发光二极管的阴极接低电平时，发光二极管被点亮，相应的段 被显示。本设计选用了四位共阳极接法。图2-4 LED的共阳、共阴极接法Fig.2-4 The inarch method of anode or cathode in commonLED数码管显示器有二种工作方式，即动态显示方式和静态显示方式。在动态显示方式中，各位数码管的各个端并连在一起，与单片机系统的一个I/O口相连，从该I/O口输出显示代码。每只数码管的共阳极或共阴极则与另一I/O口相连，控制被点亮的位。动态显示的特点是：每一时刻只能有1位数码管被点亮，各位依次轮流放点亮；对于每一位来说，每隔一段时间点亮一次。为了每位数码管能够充分被点亮，二极管应持续发光一段时间。利用发光二极管的余辉和人眼的驻留效应，通过适当地调整每位数码管被点亮的时间间隔（一般为1mS），可以观察到稳定的显示输出。在静态显示方式下，每位数码管的各个端与一个8位的I/O口相连。要在某一位数码管上显示字符时，只要从对应的I/O口输出并锁存其显示代码即可。其特点为：各数码管同时点亮，数码管中的发光二极管恒定地导通或截止，直到显示字符改变为止。相比而言，动态显示方式更节省硬件资源和I/O口，一般系统都会选择该种显示方式。故经综合考虑，决定选用LED数码管动态显示方式。2.4 电动机驱动芯片的选择根据任务书的要求，本设计的核心部分就是对小型直流电动机进行可逆的PWM调速控制。要实现以上的功能，应用比较广泛的是由四个开关管构成的H型桥式驱动电路。这种驱动电路可以很方便实现直流电机的四象限运行，分别对应正转、正转制动、反转、反转制动。其基本原理如图2-5所示。我们可以根据需要对四个开关管进行控制，使其能实现可逆调速的功能。使全桥式驱动电路的4只开关管都工作在斩波状态，V1、V4为一组，V2、V3为另一组，两组的状态互补，一组导通则另一组必须关断。当V1、V4导通时，V2、V3关断，电机两端加正向电压，可以实现电机的正转或反转制动；当V2、V3导通时，V1、V4关断电机两端为反向电压，电机反转或正转制动。图2-5 H桥型PWM降压斩波器原理图Fig.2-5 The schematic diagram of H-bridge PWM antihypertensive chopper上述的这种方法叫双极性PWM控制方式，应用时要注意避免上下臂桥的同时导通，因为上下臂桥的同时导通会引起短路。应用H型桥式驱动电路可以很好的实现设计任务所要求的功能。但是为了简化电路，在设计中使用集成有桥式电路的电机专用芯片。LMD18200和L298都是比较常用，性能比较稳定可靠的集成有桥式电路的电机专用芯片。LMD18200是美国国家半导体公司推出的专用于直流电动机驱动的H桥组件，同一芯片上集成有CMOS控制电路和DMOS功率器件。此种芯片瞬间驱动电流可达6A，正常工作电流可达3A，具有很强的驱动能力，无“shot-through”电流，而且此种芯片内部还具有过流保护的测量电路，只需要在LMD18200的8脚输出端测出的电压和给定的电压比较即可保护电路过流，从而实现电路的过流保护功能。LMD18200提供双极性驱动方式和单极性驱动方式选择.LMD18200组成的电机驱动电路（单极性）如图2-6 所示。图2-6 LMD18200组成的电机驱动电路Fig.2-6 The motor drive circuit of LMD18200L298是ST公司生产的内部集成有两个桥式电路的电机驱动专用芯片，它驱动的电压可达到46V，单个桥直流电流可达到2A。具有两个使能控制端口，分别控制两个电机的启动和制动。它可以外接电阻，把变化量反馈给控制电路。此外，L298的两个桥式电路还可以并联起来驱动一个直流电动机，直流电流可达到4A。对于本设计来说，上述两块芯片都可用。不过在应用领域，L298使用比较广泛，所以本设计选用L298作为电机的驱动芯片。2.5 系统设计方案经过上述对调速系统各部分的讨论选择后，系统的设计方案可以初步确定。本设计是基于AT89S51单片机的直流电机PWM调速系统，其基本原理为：由单片机AT89S51接受键盘的信号并通过计算占空比产生出对应的PWM信号输出和控制信号输出，其中一路信号控制L298的使能和方向，一路PWM波形送L298控制直流电机的速度。在直流电机中安装霍尔开关传感器，把速度信号传送到AT89S51，AT89S51进行定时计数，计算出直流电机每秒钟的转速，并送LED显示。 整个系统的电源由外接双路稳压电源（+5V 、+12V）提供。其结构简图如图2-7所示。AT89S51键盘霍尔元件外围电路LED显示双路稳压电源直流电机L298图2-7 调速系统结构简图Fig.2-7 Structure diagram of speed control system3 应用器件介绍本章将在前一章对元件进行选择的基础上，对所应用的部分器件的组成和工作原理进行系统的介绍。主要包括主要功能元件AT89S51单片机和速度反馈回路中的霍尔元件CS3020以及驱动电路中的主要元件L298芯片。3.1 AT89S51的介绍 3.1.1 AT89S51单片机的特性Atmel公司的AT89S51芯片具有以下特性：1）指令集和芯片引脚与Intel公司的8051兼容；2）4KB片内在系统可编程Flash程序存储器；3）时钟频率为033MHz；4）128字节片内随机读写存储器（RAM）；5）32个可编程输入/输出引脚；6）2个16位定时/计数器；7）6个中断源，2级优先级；8）全双工串行通信接口；9）监视定时器；10）2个数据指针。3.1.2 AT89S51单片机的封装AT89S51单片机具有多种封装形式，包括PDIP40、PDIP42、PLCC44和TQFP44。最适合学校实验室使用的是PDIP40封装形式，它的外形如图3-1所示。PDIP40封装形式的单片机芯片可以很方便地使用面包板来组成应用电路。3.1.3 AT89S51单片机的存储器AT89S51单片机的程序存储空间和数据存储空间是分离的，每种存储空间的寻址范围都是64KB。上述存储空间在物理上可以被映射到4个区域：片内程序存储器和片外程序存储器，片内数据存储器和片外数据存储器。存储空间的映射图如图3-2所示。当存储空间映射为外部存储器时，包括程序空间和数据空间，AT89S51单片机的P0口的8个引脚，从P0.0（AD0）到P0.7（AD7）（引脚从39到32），以时分方式被用作数据总线和地址总线的低8位；P2口的8个引脚，从P2.0（A8）到P2.7（A15）（引脚从21到28），被用作地址总线的高8位。图3-1 AT89S51单片机PDIP40封装外形图Fig.3-1 outline drawing of AT89S51 with PDIP40 encapsulation由于对外部程序存储器和外部数据存储器的访问都是通过P0口和P2口实现，为了区分它们，外部程序存储器由引脚（引脚29）的输出信号控制；外部数据存储器的写或读操作分别由引脚P3.6（，引脚16）和引脚P3.7（，引脚17）输出信号控制。3.1.4 程序存储空间程序存储空间可以被映射为内部程序存储器或者外部程序存储器。AT89S51单片机内部具有的4KB程序存储器被映射到程序存储空间的0000H0FFFH区间，如图3-2所示。这部分程序存储空间也可以被映射为外部程序存储器，它具体被映射为哪一种程序存储器取决于引脚（引脚31）所接的电平。当引脚为高电平，内部程序存储器被映射到这部分程序存储空间；当引脚为低电平，外部程序存储器被映射到这部分程序存储空间。高于0FFFH的程序存储空间只能被映射为外部程序存储器。目前Atmel公司生产的8051兼容芯片具有多种容量的内部程序存储器的型号，例如AT89S52单片机具有8KB内部程序存储器；T89C51RD2单片机具有64KB内部程序存储器。鉴于通常可以采用具有足够内部程序存储器容量的单片机芯片，用户在使用中不需要再扩展外部程序存储器，这样在单片机应用电路中引脚（引脚3.1）可以总是接高电平。3.1.5 数据存储空间如图3-2所示，数据存储空间也可以被映射为内部数据存储器和外部数据存储器。进入不同的数据存储器是通过不同的指令来实现的，这点与程序存储器不一样。图3-2 AT89S51单片机的存储器映射图Fig.3-2 Memory mapping diagram of AT89S51AT89S51的内部数据存储器有256字节，它们被分为两部分：高128字节和低128字节。低128字节的内部数据存储器是真正的RAM区，可以被用来写入或读出数据。这一部分存储容量不是很大，但有很大的作用7。它可以进一步被分为3部分，如图3-3所示。图3-3 内部数据存储器低128字节Fig.3-3 internal data memory low 128 byte在内部数据存储器低128字节中，地址从00H1FH的最低32个字节组成4组工作寄存器，每组有8个工作寄存器。每组中的8个工作寄存器都被命名为从R0到R7。在一个具体时刻，CPU只能使用其中的一组工作寄存器。当前正在使用的工作寄存器组由位于高128字节的程序状态字寄存器（PSW）中第3位（RS0）和第4位（RS1）的数据决定。程序状态字寄存器中的数据可以通过编程来改变，这种功能为保护工作寄存器的内容提供了很大的方便。如果用户程序中不需要全部使用4组工作寄存器，那么剩下的工作寄存器所对应的内部数据存储器也可以作为通用数据存储器使用。工作寄存器在内部数据存储器中的地址映射如表3-1所示。表3-1 工作寄存器地址映射表Tab.3-1 Address map table of working register0组（RS1=0，RS0=0）1组（RS1=0，RS0=1）2组（RS1=1，RS0=0）3组（RS1=1，RS0=1）地址00H01H02H03H04H05H06H07H寄存器R0R1R2R3R4R5R6R7地址08H09H0AH0BH0CH0DH0EH0FH寄存器R0R1R2R3R4R5R6R7地址10H11H12H13H14H15H16H17H寄存器R0R1R2R3R4R5R6R7地址18H19H1AH1BH1CH1DH1EH1FH寄存器R0R1R2R3R4R5R6R7表3-2 字节地址与位地址的关系Tab.3-2 relationship between byte address and bit address位 地 址字 节 地 址2FH2EH2DH2CH2BH2AH29H28H27H26H25H24H23H22H21H20HD77F776F675F574F473F372F271F170F07D67E766E665E564E463E362E261E160E06D57D756D655D554D453D352D251D150D05D47C746C645C544C443C342C241C140C04D37B736B635B534B433B332B231B130B03D27A726A625A524A423A322A221A120A02D179716961595149413931292119110901D078706860585048403830282018100800在工作寄存器区上面，内部数据存储器的地址从20H2FH的16个字节范围内，既可以通过字节寻址的方式进入，也可以通过位寻址的方式进入，位地址范围从00H到7FH。字节地址与位地址的对应关系如表3-2所示9。内部数据存储器地址从30H7FH部分仅可以用作通用数据存储器。内部数据存储器的高128字节被称为特殊功能寄存器（SFR）区。特殊功能寄存器被用作CPU和在片外围器件之间的接口，它们之间的联系方框图如图3-4所示。CPU通过向相应的特殊功能存储器写入数据实现控制对应的在片外围器件的工作，从相应的特殊功能存储器读出数据实现读取对应的在片外围器件的工作结果。在AT89S51单片机中，包括前面提到的程序状态字寄存器（PSW）的特殊功能存储器共有26个，它们离散地分布在80HFFH的内部数据存储器地址空间范围内，如表3-3所示。图3-4 特殊功能寄存器（SFR）工作框图Fig.3-4 Special function registers（SFR）working diagram在表3-3中，对于没有定义的存储单元用户不能使用。如果向这些存储单元写入数据将产生不确定的效果，从它们读取数据将得到一个随机数。对于字节地址低位为8H或者FH的特殊功能存储器，既可以进行字节操作，也可以进行位操作。例如前面提到的用来确定当前工作寄存器组的程序状态字寄存器（PSW），它的地址为D0H，因此对它可以进行字节操作，也可以进行位操作。采用位操作可以直接控制程序状态字寄存器中的第3位（RS0）或第4位（RS1）数据而不影响其他位的数据。低位地址不为8H或FH的特殊功能存储器只可以进行字节操作，当需要修改这些特殊功能存储器中的某些位时，对其他的位应注意保护。片外数据存储空间可以被映射为数据存储器、扩展的输入/输出接口、模拟/数字转换器和数字/模拟转换器等。这些外围器件统一编址。所有外围器件的地址都占用数据存储空间的地址资源，因此CPU与片外外围器件进行数据交换时可以使用与访问外部数据存储器相同的指令。CPU通过向相应的外部数据存储器地址单元写入数据实现控制对应的片外外围器件的工作，从相应的外部数据存储器地址单元读出数据实现读取对应的片外外围器件的工作结果。表3-3 AT89S51单片机特殊功能存储器地址映射表Tab.3-3 Address map table of special function memory in AT89S51地址映射F8H F0HE8HE0HD8HD0HC8HC0HB8HB0HA8HA0H98H90H88H80HBACCPSWIPP3IEP2SCONP1TCONP0SBUFTMODSPAUXR1TL0DP0LTL1DP0HTH0DP1LTH1DP1HWDERSTAUXRCONFFHF7HEFHE7HDFHD7HCFHC7HBFHB7HAFHA7H9FH97H8FH87H3.2 CS3020霍尔元件的介绍CS3020是CS系列霍尔传感器中比较常用的一员，它的由电压调整器，霍尔电压发生器，差分放大电路，史密特触发器及集电极开路的输出级组成磁敏传感电路，其输入为磁感应强度，输出为电压。3.2.1 CS3020的特征及应用1）特征：CS3020工作频率宽（100KHz），开关速度快，没瞬间抖动，电源电压范围宽，能直接和晶体管及TTL、MOS等逻辑电路接口，并且还有寿命长，体积小，方便安装等优点。2）应用：CS3020典型应用于无触点开关、位置控制、转速测量、隔离检测、无刷电机等方面。3.2.2 CS3020的引脚说明CS3020只有三个引脚，1脚接电源，2脚接地，3脚接输出，安装简单方便易用。其外形如图3-5。CS3020可组成转速计探头。该探头由霍尔元件CS3020和磁钢组成测量电路。将2个小磁钢对称固定于被测对象的旋转主轴上。当小磁钢测量磁路时，霍尔元件输出高电平，其他时间输出为低电平；这样圆盘每转一周，电路输出2个脉冲，这样可测出被测对象的实际转速。图3-5 CS3020的外形图Fig.3-5 The outline drawing of CS30203.2.3 CS3020的电特性和磁特性CS3020的电特性见表3-4，磁特性见表3-5。表3-4 CS3020的电特性Tab.3-4 Electrical Characteristics of CS3020参数符号测试条件最小典型最大单位电源电压输出高电平电流输出低电平电压电源电流输出上升时间输出下降时间VccVohVolIcctrtfIOUT = 20 mA, B BOPVOUT = 24 V, B BRPVcc=输出开路RL = 820 CL = 20 pF4.50.12000.120.1824104008VuAmVmAuSuS表3-5 CS3020的磁特性Tab.3-6 Magnetic Characteristics of CS3020参数符号最小值典型值最大值单位工作点释放点回差BOPBRPBtrys522216.535mTmTmT3.3 L298芯片的介绍L298是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。该芯片的主要特点是:工作电压高，最高工作电压可达46V;输出电流大，瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A；内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器、线圈等感性负载；采用标准TTL逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作；有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。3.3.1 L298的运行参数表3-6 L298的运行参数Tab.3-6 operation parameters of L298参数符号测试环境最小值典型值最大值单位驱动电源电压逻辑电源电压输入低电平电压输入高电平电压使能端低电平电压使能端高电平电压全桥式驱动器总的电压降(每一路)检测电压1，15脚VsVssViLViHVen=LVen=HVcEsat)Vsen持续工作时IL=1AIL=2A2.54.5-0.32.3-0.32.31.8-154671.5Vss1.5Vss3.24.92VVVVVVVVV3.3.2 L298的引脚功能L298芯片的引脚图如下图3-6其引脚功能见表3-7。L298的典型应用1) 驱动直流电机、步进电机2)伺服机构系统位置与转速3)应用于机器人控制系统4)应用于数字控制系统5)应用于电脑打印机与绘图仪图3-6 L298引脚图Fig.3-6 The pin figure of L298表3-7 L298引脚功能表Tab.3-7 Function table of L298 pins引脚符号功能115234576118910121314SENSING ASENSING BOUT 1OUT 2VsIN 1IN2ENABLE AENABLE BGNDVssIN 3IN 4OUT 3OUT 4此两端与地连接电流检测电阻，并向驱动芯片反馈检测到的信号此两脚是全桥式驱动器A的两个输出端，用来连接负载电机驱动电源输入端输入标准的TTL逻辑电平信号，用来控制全桥式驱动器A的开关使能控制端.输入标准TTL逻辑电平信号；低电平时全桥式驱动器禁止工作。接地端，芯片本身的散热片与8脚相通逻辑控制部分的电源输人端口输入标准的TTL逻辑电平信号，用来控制全桥式驱动器B的开关此两脚是全桥式驱动器B的两个输出端，用来连接负载4 硬件系统的设计本设计直流斩波调速系统的硬件系统原理概图在论文第二章的图2-8 中已经作过表述。本章将对硬件系统各部分作具体分析。本系统的控制对象是55LCX-1型永磁式直流力矩电动机,主要技术指标如下:峰值堵转转矩为0.4 NM,峰值堵转电流为4.1 A,峰值堵转电压为27 V,连续堵转电流为1.37 A,最大转速为2000 r/min针对要求分别对电源、PWM波形产生部分、电机驱动部分及测速显示部分进行设计。4.1 直流电源部分本设计中控制部分的逻辑元件需要+5V的直流电源，而小型直流电动机的额定电压为12V。这样我们就需要两个直流电源。为解决这个问题，我们采用双路输出的直流稳压电源。直流稳压电源又分成线性直流稳压电源和开关型直流稳压电源，因为线性直流稳压电源电路成熟，稳定度高，文波小，干扰小而且有很多成熟是集成元件可选择，电路十分简单4。所以在本设计中应用双路输出的直流稳压电源，如下图4-1。图4-1 双路输出的直流稳压电源Fig.4-1 Alignment DC stabilized voltage supply of double channel output由上图可见，这个双路输出的线形直流稳压电源结构十分简单，只用了一个220V变12V的变压器，一个整流桥，两块稳压集成电路（7812和7805）和四个电容。图中C4是一个大容量的电解电容，起到低频滤波的作用。由于C4本身的电解比大，对高频交流成分的滤波效果比较差，所以为了改善滤波电路的高频抑制特性，在C4旁边并联一个高频滤波性能良好的小电容C5。而直流稳压电路输出端的电容C6和C7是用作改善稳压电源电路的瞬态负载响应特性。4.2 PWM波形发生原理PWM波形的产生是由AT89S51用软件编程实现的，所以这部分的硬件比较少，主要是保证AT89S51正常工作的最少模式就可以了。至于AT89S51正常工作的最少模式跟AT89C51基本上是一样的，这里就不再详述了。AT89S51的P3.7引脚用作PWM波的输出口。4.3 电机驱动电路在第二章的方案选择中我们已经确定直流电动机的驱动部分选用集成芯片L298及其外围电路构成。其电路图如下图4-2。图4-2 L298及其外围硬件电路图Fig.4-2 Peripheral hardware circuit of L298单片机AT89S51输出的脉宽调制(PWM)信号需经过功率放大才能驱动电机,本调速控制系统采用的是L298驱动芯片,驱动接口电路如图4-2所示。L298有单极性、双极性2种工作方式。单极性工作方式指的是在一个PWM周期内,电机的电枢只承受单极性的电压;双极性工作方式是指在一个PWM周期内电机电枢两端的电压呈正负变化。调速控制系统采用的是单极性工作方式。单片机的PWM输出引脚P3.7接L298的EnA和EnB引脚,它控制着电机转速大小;单片机的P3.2经过一定的逻辑电路接到L298的IN1,IN2,IN3,IN4输入引脚上,它控制电机的转动方向。比较器LM393主要起到了限制过流和保护L298的作用。LM393的同相端直接连到了一个可变电位计上,电位计的参考电压是可调的。调节电位计的参考电压能调节L298的限流电压。LM393的反相端接到L298的SENSEA和SENSEB两检测端。当检测电阻两端的电压大于限流电压时,比较器的反相端的电压大于同相端的电压,输出端输出低电平,从而把L298的EnA和EnB使能端拉低,L298停止工作。这就起到了限制过流和保护L298的作用。为了增强L298的驱动能力,本调速控制系统对L298的两路驱动进行了并联使用,最大驱动能力可以达到3A。现在我们可以通过L298的内部结构图，分析L298实现的功能。见下图4-3。4-3 L298的内部结构图Fig.4-3 internal structure images of L2984.3.1 L298的控制时序图图4-4 L298内部三极管根据输入信号变化的时序图Fig.4-4 Sequence diagram by changing of the signal input of the transistor material inside in L298在时序图中我们可以见到PWM波形的占空比由40%到80%到60%的变化。在ENABLE输入为PWM波的情况下，当DIRECTION输入为高电平时，可以见到与一直导通，其对应下臂桥与一直截止。这过程中与一直与PWM波形变化一致。这时电机正转，并且可以根据PW