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单片机控制直流电机调速系统设计说明.doc
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目录
前言 1
第一章概述 2
1.1 单片机控制直流调速系统的设计方案 2
1.2 单片机控制直流调速系统工作原理概述 2
第二章单片机控制系统的硬件设计 4
2.1 单片机系统的地址分配 4
2.2 数据存储器 6264 的扩展 5
2.3 ADC0809 与 8051 单片机的接口电路设计 7
2.3.1 给定速度的设计 7
2.3.2 反馈速度采样电路设计 8
2.4 DAC0832 与 8051 单片机的接口电路设计 9
2.5 LED 数码显示电路设计 11
2.6 单片机控制直流调速系统中的其它设计 13
第三章单片机控制系统的软件设计 14
3.1 主程序的设计 14
3.2 采样子程序 18
3.2.1 ADC0809 的采样程序 19
3.2.2 中值滤波算法子程序 20
3.3 数字 PID 控制算法子程序 21
3.4 DAC0832 的转换 24
3.5 程序中的代码的转换 25
3.6 给定速度显示与实际速度显示子程序 28
3.6.1 给定速度显示程序设计 29
3.6.2 实际速度显示子程序 30
3.7 程序的调试 30
第四章总结 31
致 32
参考文献 32
附录一软件程序清单 33
.
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前 言
自电动机成为第二次工业革命开始的标志以来,其在工业生产制造、
交通运输、家用电器等领域发挥重要作用,电动机的应用无处不在。电机
的控制系统随着计算机的发展而不断的改进。
在很长一段时间,在较高控制性能的传动系统中,直流电机一直占据
主导地位,主要原因在于其控制简单、调速平滑、性能良好。随着电力电
子技术的发展,直流电机拖动将有逐步被交流电机拖动所取代的趋势。但
在中、小功率的场合,采用永磁直流电动机,对其转速控制相对比较简单,
只需对电枢回路进行控制。直流调速系统中应用最广泛的一种调速方法是
调节电动机的电枢电压。为了获得可调的直流电压,利用电力电子器件的
完全可控性,采用脉宽调制(Pulse Width Modulation)技术,将恒定的直
流电压调制成大小、极性可变的直流电压作为电动机的电枢电压,实现系
统的平滑调速,这种调速系统就称为直流脉宽调速系统。它越来越广泛地
应用于各种功率的调速系统中。
微处理器使电机运动控制技术再次发生巨大变革,使用微处理器实现
数字化控制不仅可以简化控制硬件,而且可以加入人工智能对运动系统进
行诊断,这对电机运动控制系统的发展影响重大。单片机用做微处理器的
调速系统应用尤为广泛。单片机结构相对比较简单,通过学习一些专业基
础知识以后依靠自己的技术力量,也能够开发出自己所希望的单片机应用
系统。
为了在比较简单的运动控制系统中实现智能控制,因此设计了单片机
控制直流调速系统。单片机是应用于直流调速系统的最基本处理器,就其
组成和结构而言,大大缩小控制器的体积,增加了功能,而且可以通过串
行通信和计算机相连接,实现集中控制。
.
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第一章 概述
1.1 单片机控制直流调速系统的设计方案
本次设计的任务是单片机控制的直流调速系统,该系统通过单片机对
直流电动机的速度进行控制,同时对速度进行检测采样,并显示给定速度
和实际速度。控制系统设计总体结构框图如下:
图 1-1 系统结构框图
1.2 单片机控制直流调速系统工作原理概述
整个系统的工作原理:首先是人为给定电动机转速的电压信号,然后
将这个电压信号通过 A/D 转换器转换成数字信号后传送给单片机(8051)。
单片机通过中断通信方式将接收到数据先保存起来。然后再对此数据进行
处理:要将此二进制数进行转换,先将(00H~FFH)转换成对应的实际
数值 ,接着启动 ADC0809 开始采样 直 流电动机的实际 速 度值,因为用到
了中值滤波算法,所以需要连续采集三次数据,作比较之后取中间值,这
个值即为直流电动机速度的实际值。然后用给定值与这个实际值作比较,
再通 过 PID 控 制算法,得到一 个 输出信号值, 再 通过 DAC0832 转换器 将
这个数字信号转换成相应的模拟电压控制信号,经过 PWM 波形发生器来
驱动直流电动机;接着继续采样,又通过 PID 控制算法,同样又输出一个
单 片 机
A/D 转换
给定转速
A/D 转换
测速电机
直流电机
速度显示
示示
示
D/A 转换
PWM 波形发生器
PWM 驱
动
.
4 / 43
电压控制信号来驱动直流电动机,其实这是一个不断地循环往复的过程,
作比较直至差值为零,即实际速度等于给定速度。并在这个循环往复的过
程中,将采集到的不断变化的速度值,通过 LED 数码管显示出直流电动机
的给定速度值和实际速度值。
整个 系 统设计包括了四个 大 的 部分: A/D 转 换电路部分、D/A 转 换
电路部分、存储器的扩展部分、转速数字显示部分。
(1)A/D 转换电路的设计:从毕业设计任务书中给的原始数据知道,
测速发电机的输出电压围为(0~12V),直流电动机的额定转速值是 1500
转/分。选用了一块 ADC0809 芯片,对测速发电机发出的电压进行转换,
转换成相应的数字信号。但是 ADC0809 芯片只能接受(0~5V)的电压围,
需 要 外 加 一 个 转 换 电 路 , 将 测 速 发 电 机 发 出 的 电 压 进 行 转 换 , 达 到
ADC0809 芯片能接受要求围。
(2)D/A 转换电路的设计:毕业设计任务要求单片机控制系统部分能
够输出(0~5V)电压控制信号。这里选用 DAC0832 芯片,因为它具有数
据锁存器、片选、读、写控制信号线,故可以与 MCS-51 扩展总线直接相
连。但是 DAC0832 的输出是电流,使用运算放大器可以将 DAC0832 的电
流输出线性的转换成电压输出。
(3)存储器的扩展电路设计:MCS-51 系列单片机具有 128B 或 256B
的数 据存储器 RAM,但在大多 数的实时控制 系统中,肯定 会要求采集大
量的数据信息,而这些信息又比较珍贵,为此需要将这些大量宝贵的数据
保存下来,唯一可行的办法就是扩展控制系统的存储容量,因此外接一块
6264 芯片。
(4)速度显示电路设计:从毕业设计任务书中给的原始数据知道,直
流电动机的额定转速为 1500 转/分。LED 显示电路设计的目的就是为了显
示给定转速和实际速度值,而转速值又只能是整数,也就是说 LED 显示的
是一 个 4 位的整数值。因此 选 用 8 个 LED 显 示器,可分别显示 出 给定速
度值和实际速度值。
.
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第二章 单片机控制系统的硬件设计
单 片 机 控 制 直 流 调 速 系 统 接 口 电 路 集 中 了 MCS-51 系 列 单 片 机 的 功
能芯片,包括数据存储器扩展芯片 6264,I/O 口扩展芯片 8255,AD 转换
芯片 ADC0809 与 DA 转换芯片 DAC0832,另外还有 3-8 译码器 74LS138,
地址锁存器 74LS373 等。下面将分别介绍各个芯片的功能和设计电路图。
2.1 单片机系统的地址分配
单片机与 74LS138 译码器的设计如图所示:
图 2-1 8051 与 74LS138 的连接图
单片机控制直流调速系统的接口电路属于 RAM 和 I/O 容量较大的应
用系统,单片机共有四个外围与接口芯片,需要四个片选信号,我们采用
全 地 址 译 码 方 法 。 这 种 译 码 方 法 将 低 位 地 址 作 为 片 地 址 , 而 用 译 码 器
74LS138 对高位地址线进行译码,译码器输出的地址选择线用作片选线。
本系统采用的 3-8 译码器 74LS138,输入端占用 3 根最高位地址线,
取 A
13
(P2.5), A
14
(P2.6), A
15
(P2.7)作为 74LS138 译码器的输入信号依
次接至 74LS138 的 A 口、B 口、C 口,剩余的 13 根低位可作为片地址线。
因此,译码器的 8 根输出线分别对应 8 个 8K 字节地址空间。74LS138 的
A
1
B
2
C
3
G2A
4
G2B
5
G1
6
Y7
7
Y6
9
Y5
10
Y4
11
Y3
12
Y2
13
Y1
14
Y0
15
U3
74LS138
EA/VP
31
X1
19
X2
18
RESET
9
RD
17
WR
16
INT0
12
INT1
13
T0
14
T1
15
P10
1
P11
2
P12
3
P13
4
P14
5
P15
6
P16
7
P17
8
P00
39
P01
38
P02
37
P03
36
P04
35
P05
34
P06
33
P07
32
P20
21
P21
22
P22
23
P23
24
P24
25
P25
26
P26
27
P27
28
PSEN
29
ALE/P
30
TXD
11
RXD
10
U1
8051
A8
A9
A10
A11
A12
A13
A14
A15
/RD
/WR
VCC
ALE
VCC
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