基于PLC的直流电机控制系统设计--《数字技术与应用》2013年01期
基于PLC的直流电机控制系统设计
【摘要】：本文提出了一种利用可编程逻辑控制器件(PLC)对他励直流电机进行速度控制的方法。该方法使PLC工作在DC/DC斩波模式,通过将固定直流电压转变为可变直流电压提供给电机电枢。Pang-Pang控制是依据参考速度来导通或关断直流电机的电源。这种方法简单、迅速而且有效,能够在0至100%范围内调整电机转速。该系统能够广泛应用于不同的工业应用场合。
【作者单位】：
【关键词】：
【分类号】：TM33【正文快照】：
1引言直流电机的速度控制相对于交流电机来说更加的简单,成本也更低。但是由于有换向器的存在,直流电机不太适用于转速要求较高的场合,而且也有维修成本。固定交流电压通过可控整流器得到可变直流电压输出,而固定直流电压可以通过斩波器得到可变直流电压输出[1]。由于以上两
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京公网安备74号直流电机的正反转在keilc上的软件上编程如何实现，在protues仿真里的电路怎么连接？_百度知道
直流电机的正反转在keilc上的软件上编程如何实现，在protues仿真里的电路怎么连接？
我最近在学习直流电机的驱动，用的是单片机产生的PWM信号控制的，但是不知道在protues仿真里该如何实现直流电机的正反转，希望能有高手指点！希望附有c程序的编程。谢谢了！
提问者采纳
*&=======直流电机的PWM速度控制程序========&*/&/*&晶振采用11.0592M,产生的PWM的频率约为91Hz&*/&#include&reg51.h&&#include&math.h&&#define&uchar&unsigned&char&#define&uint&unsigned&int&sbit&en1=P2^0;&&/*&L298的Enable&A&*/&sbit&en2=P2^1;&&/*&L298的Enable&B&*/&sbit&s1=P2^2;&&/*&L298的Input&1&*/&sbit&s2=P2^3;&&/*&L298的Input&2&*/&sbit&s3=P2^4;&&/*&L298的Input&3&*/&sbit&s4=P2^5;&&/*&L298的Input&4&*/&uchar&t=0;&&&/*&中断计数器&*/&uchar&m1=0;&&&/*&电机1速度值&*/&uchar&m2=0;&&&/*&电机2速度值&*/&uchar&tmp1,tmp2;&/*&电机当前速度值&*/&/*&电机控制函数&index-电机号(1,2);&speed-电机速度(-100—100)&*/&void&motor(uchar&index,&char&speed)&{&&if(speed&=-100&&&&speed&=100)&&{&&&if(index==1)&/*&电机1的处理&*/&&&{&&&&m1=abs(speed);&/*&取速度的绝对值&*/&&&&if(speed&0)&/*&速度值为负则反转&*/&&&&{&&&&&s1=0;&&&&&s2=1;&&&&}&&&&else&/*&不为负数则正转&*/&&&&{&&&&&s1=1;&&&&&s2=0;&&&&}&&&}&&&if(index==2)&/*&电机2的处理&*/&&&{&&&&m2=abs(speed);&/*&电机2的速度控制&*/&&&&if(speed&0)&/*&电机2的方向控制&*/&&&&{&&&&&s3=0;&&&&&s4=1;&&&&}&&&&else&&&&{&&&&&s3=1;&&&&&s4=0;&&&&}&&&}&&}&}&void&delay(uint&j)&/*&简易延时函数&*/&{&for(j;j&0;j--);&}&void&main()&{&&char&i;&&TMOD=0x02;&/*&设定T0的工作模式为2&*/&&TH0=0x9B;&/*&装入定时器的初值&*/&&TL0=0x9B;&&EA=1;&/*&开中断&*/&&ET0=1;&/*&定时器0允许中断&*/&&TR0=1;&/*&启动定时器0&*/&&while(1)&/*&电机实际控制演示&*/&&{&&&for(i=0;i&=100;i++)&/*&正转加速&*/&&&{&&&&motor(1,i);&&&&motor(2,i);&&&&delay(5000);&&&}&&&for(i=100;i&0;i--)&/*&正转减速&*/&&&{&&&&motor(1,i);&&&&motor(2,i);&&&&delay(5000);&&&}&&&for(i=0;i&=100;i++)&/*&反转加速&*/&&&{&&&&motor(1,-i);&&&&motor(2,-i);&&&&delay(5000);&&&}&&&for(i=100;i&0;i--)&/*&反转减速&*/&&&{&&&&motor(1,-i);&&&&motor(2,-i);&&&&delay(5000);&&&}&&}&}&void&timer0()&interrupt&1&/*&T0中断服务程序&*/&{&&if(t==0)&/*&1个PWM周期完成后才会接受新数值&*/&&{&&&tmp1=m1;&&&tmp2=m2;&&}&&if(t&tmp1)&en1=1;&else&en1=0;&/*&产生电机1的PWM信号&*/&&if(t&tmp2)&en2=1;&else&en2=0;&/*&产生电机2的PWM信号&*/&&t++;&&if(t&=100)&t=0;&/*&1个PWM信号由100次中断产生&*/&}&本人画的，验证有效
嗯，非常感谢哈！
提问者评价
嗯，再感谢感谢！嘿嘿~~~
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用H桥！在网上搜，我不想画了。
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出门在外也不愁单片机直流电机控制器(附电路图和部分程序)
[日期: ]&[来源:网络 作者:佚名]&[字体：
&&&&&&&89C52控制PWM调速电路实现小功率直流电机的转速调节，并要将其实时转速用LED管显示出来。而本系统必须符合以下几点要求：
(1) 在()转/分 内对直流电机进行任意调速，最小调速级差为1转/分。
(2)电机能在所设速度下稳定运转，运转速度与设定速度之差小于±20转/分。
(3)电机启动和加减80%额定负载时,其转速能迅速回到设定值，转速超调±5%内。
(4)利用按键和LED数码管设置速度，设置方便，快捷。
(5)利用LED数码管实时显示电机速度。
(6)电机能进行正反转控制。
&&&&&&&&& 控制方面，本设计是采用定时器控制I/O口输出PWM信号驱动斩波电路控制电机运转和调速；利用外部中断引脚的捕获功能、电机同轴带缺口的圆盘、光电耦合器来测量转速；并将测得转速和设定转速进行PI运算后输出，实现闭环控制；转向调节则是用的桥式电路。显示是利用8位LED数码管，用按键进行设定。
下面简单介绍下硬件组成和一些软件原理：
一、硬件电路。
&&&&&&&&& 1、选用的是STC的89C52，20MHz晶振。
&&&&&&&&& 2、显示部分比较简单，用的8位7段数码管同时显示设定速度和实时速度。采用74LS164串行移位输出，只占用3个I/O口，刷新频率100Hz。
&&&&&&&&& 3、PWM驱动电路。使用了两个三极管来驱动，相信网上很多的，也不用我多说，只是别忘了加上续流二极管和两个三极管之间的限流电阻就是。
&&&&& &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
&&&&&&&&& 4、测速电路。测速电路用的是光耦测量转动圆盘引起的脉冲宽度，从而可得的实时速度，精度很高，可达千分之一。用的是外部中断的。。。好像是捕获模式，忘记了～呵呵！
&&&&&&&&& 5、转向调节电路。转向调节，由于是后来加上去的，所以就没有使用控制，直接用硬件实现，但其实原理是一样的。原理是利用开关控制继电器，然后控制桥路对电机实施转向控制。另外用一个同轴电机按正反方向接2个LED用来指示方向。PS：因为这是小功率电机，所以就算没有制动电路，强制转向，也不会对电机造成损坏。
二、软件方面
&&&&&&&中断方面，本程序一共用了3个中断源：定时器0，定时器2以及外部中断1，它们的优先级分别为：定时器0、外部中断1为高优先级，定时器2为低优先级。另外还用了计数器1，用做计算脉冲宽度，与外部中断1一起构成测速系统。
&&&&&& 显示部分程序不多说，按键消抖动什么的也是街知巷闻的了。本设计中，重点是3个，PWM调速和测速，还有PI运算。
&&&&&& 1、PWM的调速原理是通过调节一个斩波周期中的脉冲占空比来调节电机功率而达到调速目的。本设计中，PWM的斩波周期为1ms，那也就是说斩波频率为1KHz，在理论上能达到1‰线性可调，也就是能以0.1%的调节精度来调节PWM占空比。程序如下：（放中断中进行）
void time0_int(void) interrupt 1
{&&&TH0= (time0_tmp/256);
&&&&TL0= (time0_tmp%256);
&&&&if(cut == 1)
&&&&&&&&time0_tmp = 65536-time0_set*20/12;
&&&&&&&&cut = 0;
&&&&&&&&time0_tmp = 65536-(time0 - time0_set)*20/12;
&&&&&&&&cut = 1;
&&&&&&&&&& }&&&&&&&
&&&&&& 2、测速系统的工作原理为：利用电机轴上带的圆盘的缺口，引起光电开关产生高电平脉冲，就采集此脉冲的宽度，加以计算，得出其实时速度。
获取脉冲宽度值子函数如下：
void getwidth_1()
while(INT1==1&&((n-n1)&30))//n为每1MS +2
if(INT1==0)
TR1 = 1;&&&&//计数器1打开
//IE1 = 0;//中断请求标志
EX1 = 1;//外部中断1启动
while(m==0&&((n-n1)&30))
if(m==0)//M=1，则已经进入out_int1中断，若等于0，则说明30MS延时已过
&&&&TH1_1 = 0;
&&&&TL1_1 = 0;
IE1 = 0;//中断请求标志
EX1 = 0;//外部中断允许位
width_1 = (TH1_1*256+TL1_1);//timepr=脉冲宽度 /μS
另外为了稳定测得的转速值，在程序中加了一个取平均值的函数（几乎在整个程序中都有感觉，程序写得不精炼，有点累赘，呵呵，但总算功能是能实现嘛～反正毕业设计对程序执行效率没要求。）
void getwidth()
int gw,gw1;
width = 0;
for(gw=0;gw&6;gw++)
GG: getwidth_1();
&&&&if(width_1 != 0)
&&&&widthbuf[gw] = width_1;
&&&&goto GG;
width = (widthbuf[0] + widthbuf[1] + widthbuf[2] + widthbuf[3] + widthbuf[4] + widthbuf[5])/6;将测得的连续6个不为零的脉冲宽度取平均值，以消除偶然的不稳定因素，使转速显示更加稳定
&&&&&& 3、PI调节
PI调节计算公式如下[5]：&&
YK = KP*EK + KI*EK2
YK：要输出的数据增量
EK：设定值和实测值的差值
EK1：上次的EK值
EK2：EK-EK1的差值
KP：比例系数（本程序中设KP=1.6）经反复凑试的结果
KI：积分系数（本程序中设KI=1.5）经反复凑试的结果
当KP和KI为以上值时，系统处于最佳运行状态，实验中表现为：电机原来速度为2000，当设置为4500转时，可以在2秒之内迅速上升并稳定于4500±20，而超调量也仅为+300转/分，出现在第一次上升的时候，下来之后便稳定了。
速度变化曲线：
&&&&& 嘿嘿，希望对广大初学者有那么点帮助～顺便再做做广告，有兴趣购买的
&&&&& 可以＋QQ：（注明毕业设计），或者发邮件至：
或者，本人也可代做51单片机系列的设计，详谈。
&&&&& 没学其他，呵呵，能把一样做精也很不错了，反正现在51系列单片机功能已经是今非昔比了，什么看门狗，PWM，AD，EEPROM，双串口，N外部中断口的，一应俱全。STC刚出一款速度号称是经典51速度的480倍的单指令周期单片机呢。
&&&&& 对研究啊，创新啊什么的，当然是AVR，DSP好，但是对于做产品来说，就当然是价格低廉的51系列好啦～只要51能实现的，就尽量用51，对产品来说，成品很重要啊～^_^！
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华 北 科 技 学 院 实 习 报 告目录一、项目简介………………………………………………………...….2 二、项目目的……………………………………………………………2 三、项目的具体要求……………………………………………...…….3 四、方案的设计 ………………………………………………..………3 五、硬件的设计…………………………………………………..……..9 六、软件设计…………………………………………………….…….15 七、系统方案的实施…………………………………………….…….16 八、源程序………………………………………………………….….18 九、 项目总结…………………………………………………………19 十、参考文献…………………………………………………………..20共 20 页，第 1 页华 北 科 技 学 院 实 习 报 告基于单片机的直流电动机转速闭环控制系统一、项目简介由于直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑 调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应 用。从控制的角度来看，直流调速还是交流拖动系统的基础。早期直流 电动机的控制均以模拟电路为基础，采用运算放大器、非线性集成电路 以及少量的数字电路组成，控制系统的硬件部分非常复杂，功能单一， 而且系统非常不灵活、调试困难，阻碍了直流电动机控制技术的发展和 应用范围的推广。 随着单片机技术的日新月异，使得许多控制功能及算法可以采用软 件技术来完成，为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，并使系统能 达到更高的性能。采用单片机构成控制系统，可以节约人力资源和降低 系统成本，从而有效的提高工作效率。 目前，直流电动机调速系统数字化已经走向实用化，伴随着电子技 术的高度发展，促使直流电机调速逐步从模拟化向数字化转变，特别是 单片机技术的应用，使直流电机调速技术又进入到一个新的阶段，智能 化、高可靠性已成为它发展的趋势。 本次项目的设计是在单片机对直流电机控制系统的基础上进行设 计和改进的。在设计过程中，使学生能够对单片机有进一步的了解，培 养了学生独立的进行程序的设计和调试。系统中通过单片机对直流电机 的转速进行控制和转化，并在 8 位数码管上进行显示，方便人们的控制 检测，运用 PID 调节实现直流电机的闭环调速，同时在电机的上电转动 中，对电机进行过电保护，使电机可以良好的进行运转。二、项目目的1、 项目的实践性：可以使学生从事项目的设计，和工程的制作。能够使学 生在以后有更好的动手能力。 2、 专业的综合性： 在这次项目中， 系统的设计应用到很多的专业理论知识， 如：单片机原理及应用、交直流调速系统、计算机控制系统等课程，可 以使学生更好的把知识综合运用，提高学生的综合能力。 3、 工程的训练性：在实习期间，培养学生的动手能力和诸多的工程技术素 质。共 20 页，第 2 页华 北 科 技 学 院 实 习 报 告三、设计的具体要求1、实现闭环调速系统：在本次实习中，调速过程要运用 PID 调节使直流电 机转速在一定的范围内转动。 2、含有人机接口，可以直接的读出电机的转向和转速：在设计系统中，通 过单片机系统板上外接 LED 数码管，将电机的转向和转速通过数码管 进行显示。 3、 含有 A/D 或 D/A 转换： 在电机转动过程中， 要求运用 A/D 或 D/A 转换， 将电机的转速转换为数字量，便于控制和检测。 4、 对于单片机开发板的要尽可能实现多外接功能， 便于以后的开发和运用。 同时要求合理的控制开发板的价格，降低开发成本。四、方案的设计方案的设计有 MCU 的选型，被控对象的选择，人机接口的设计，电 机的驱动方式，ADC 与 DAC 的选用五部分组成。 1、MCU 的选型 MCU 的选择中， 我们运用最常见， 编译语言简单， 价格低廉的 AT89S51、 52 系列和 STC89C52 系列。 AT89S51 是一个低功耗，高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 8k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写 1000 次的 Flash 只读程序存储器， 器件采用 ATMEL 公司的高密度、 非易失性存储技术制造， 兼容标准 MCS-51 指令系统及 80C51 引脚结构， 芯片内集成了通用 8 位中央处理器和 ISP Flash 存储单元，功能强大的微型计算机的 AT89S51 可为许多嵌入式控制应用系 统供给高性价比的解决方案。图 1 AT89S51 管脚图共 20 页，第 3 页华 北 科 技 学 院 实 习 报 告AT89S51 具有如下特点：40 个引脚，8k Bytes Flash 片内程序存储器， 128 bytes 的随机存取数据存储器（RAM） ，32 个外部双向输入/输出（I/O） 口，5 个中断优先级 2 层中断嵌套中断，2 个 16 位可编程定时计数器,2 个全 双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。 此外， AT89S52 设计和配置了振荡频率可为 0Hz 并可通过软件设置省电 模式。空闲模式下，CPU 暂停工作，而 RAM 定时计数器，串行口，外中断 系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存 RAM 的数据，停止芯片其它 功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有 PDIP、TQFP 和 PLCC 等三种封装形式，以适应不一样产品的需求。 AT89S51 与 AT89C51 相比,外型管脚完全相同， AT89C51 的 HEX 程序 无须任何转换可直接在 AT89S51 运行,结果一样。AT89S 比 AT89C51 新增 了一些功能，支持在线编程和看们狗是其中主要特点。 2、被控对象的选择 在选择被控对象时，遵循简单、便于控制、小功率的、廉价的原则。我 们选用 12V 直流伺服减速电机， 它不仅具有上述特点， 在控制中还方便应用 自动控制原理、交直流调速控制、计算机控制系统等专业知识。图 2 直流伺候电机实物图 直流伺服电机,它包括定子、转子铁芯、电机转轴、伺服电机绕组换向 器、伺服电机绕组、测速电机绕组、测速电机换向器,所述的转子铁芯由矽 钢冲片叠压固定在电机转轴上构成。 在伺服驱动过程中主要靠脉冲来定位，伺服电机接收到 1 个脉冲，就会 旋转 1 个脉冲对应的角度，从而实现位移，因为，伺服电机本身具备发出脉 冲的功能， 所以伺服电机每旋转一个角度， 都会发出对应数量的脉冲， 这样， 和伺服电机接受的脉冲形成了呼应，或者叫闭环，如此一来，系统就会知道共 20 页，第 4 页华 北 科 技 学 院 实 习 报 告发了多少脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来，这样，就能够很精确 的控制电机的转动，从而实现精确的定位，可以达到 0.001mm。 同时伺服电机还有以下特性： （1）机械特性 在输入的电枢电压 Ua 保持不变时，电机的转速 n 随电 磁转矩 M 变化而变化的规律，称直流电机的机械特性。 （2）调节特性 直流电机在一定的电磁转矩 M（或负载转矩）下电机的 稳态转速 n 随电枢的控制电压 Ua 变化而变化的规律，被称为直流电机的调 节特性。 （3） 动态特性 从原来的稳定状态到新的稳定状态， 存在一个过渡过程， 这就是直流电机的动态特性。 由于伺服电机具有以上的特点，伺服电动机广泛应用于各种控制系统 中，在该系统中，可以更好的应用自动控制原理、交直流调速、计算机控制 等专业知识，实现理论与实践的结合，进一步强化专业知识。 3、人机接口的设计 该系统中运用 8 位的七段 LED 数码管作为输出接口， 矩阵键盘作为 4*4 输入接口。其中在数码管上显示电机的给定转速和实时转速，4*4 矩阵键盘 输入电机的给定值，和控制电机的转速。 7 段数码管一般由 8 个发光二极管组成，其中由 7 个细长的发光二极管 组成数字显示，另外一个圆形的发光二极管显示小数点。 当发光二极管导通时，相应的一个点或一个笔画发光。控制相应的二 极管导通，就能显示出各种字符，尽管显示的字符形状有些失真，能显示的 数符数量也有限，但其控制简单，使有也方便。发光二极管的阳极连在一起 的称为共阳极数码管，阴极连在一起的称为共阴极数码管，如上图所示。 7 段数码管每段的驱动电流和其他单个 LED 发光二极管一样， 一般为 5～ 10mA；正向电压随发光材料不同表现为 1.8~2.5V 不等。7 段数码管的显示 方法可分为静态显示与动态显示，下面分别介绍： （1） 静态显示 所谓静态显示，就是当显示某一字符时，相应段的发光二极管恒定地寻 能可截止。这种显示方法为每一们都需要有一个 8 位输出口控制。对于 51 单片机，可以在并行口上扩展多片锁存 74LS573 作为静态显示器接口。共 20 页，第 5 页华 北 科 技 学 院 实 习 报 告图 3 数码管管脚图与连接方式 静态显示器的优点是显示稳定， 在发光二极管导通电注一定的情况下显 示器的亮度高，控制系统在运行过程中，仅仅在需要更新显示内容时，CPU 才执行一次显示更新子程序，这样大大节省了 CPU 的时间，提高了 CPU 的 工作效率；缺点是位数较多时，所需 I/O 口太多，硬件开销太大，因此常采 用另外一种显示方式——动态显示。 （2）动态显示 所谓动态显示就是一位一位地轮流点亮各位显示器（扫描） ，对于显示 器的每一位而言，每隔一段时间点亮一次。虽然在同一时刻只有一位显示器 在工作（点亮） ，但利用人眼的视觉暂留效应和发光二极管熄灭时的余辉效 应，看到的却是多个字符“同时”显示。显示器亮度既与点亮时的导通电流 有关，也与点亮时间和间隔时间的比例有关。调整电流和时间参烽，可实现 亮度较高较稳定的显示。若显示器的位数不大于 8 位，则控制显示器公共极 电位只需一个 8 位 I/O 口（称为扫描口或字位口） ，控制各位 LED 显示器所 显示的字形也需要一个 8 位口（称为数据口或字形口） 。 动态显示器的优点是节省硬件资源，成本较低，本设计采用静态显示。 为共阳极显示。 4*4 矩阵键盘，包含 4 行、4 列，构成一个 4*4 的阵列，在此将每列连 接段点定名位 X0,X1,X2,X3，而每行连接端点定名为 Y0,Y1,Y2,Y3。另外， 每行各连接一个电阻到公共端上。根据扫面方式的不同，公共端可能连接到 VCC 或 GND 上，当我们要进行键盘扫描时，则将扫描信号送至 X0 到 X3， 再由 Y0 至 Y3 读取键盘状态，即可判断哪个按键按下。键盘的扫描方式有 两种，即低电平扫描和高电平扫描。 4、电机驱动方案的选择： 直流电机是可以正反转的。接在两端的电压极性不同，它的转动反向就 不同。为了让它能够在固定的电路中正转和反转，肯定不应该把它拆了再把共 20 页，第 6 页华 北 科 技 学 院 实 习 报 告极性换一下安在电路中，要设计一个电路，来让它能被人控制着，想正转就 正转，想反转就反转。根据上述的，其实电路已经设计好了，就是运用 H 桥 驱动直流电机。而直流电机的调速选用采用易于控制的 PWM 调速。 所谓 H 桥驱动电路是为了直流电机而设计的一种常见电路，它主要实 现直流电机的正反向驱动，其典型电路形式如下图：图4电机 H 桥驱动电路示意图关于直流电机 H 桥驱动方案的选择：从图中可以看出，其形状类似于 字母“H” ，而作为负载的直流电机是像“桥”一样架在上面的，所以称之为 H 桥驱动。4 个开关所在位置就称为“桥臂” 从电路中不难看出，假设开 。 关 A、D 接通，电机为正向转动，则开关 B、C 接通时，直流电机将反向转 动。 从而实现了电机的正反向驱动。 借助这 4 个开关还可以产生另外 2 个 电机的工作状态： A）刹车 —— 将 B 、D 开关（或 A、C）接通，则电机惯性转动产生的电 势将被短路，形成阻碍运动的反电势，形成“刹车”作用。 B）惰行 —— 4 个开关全部断开，则电机惯性所产生的电势将无法形成电 路，从而也就不会产生阻碍运动的反电势，电机将惯性转动较长时间。 5、ADC 与 DAC 的选用： 在 A/D 转换中， 我们选用 ADC0804 芯片。 ADC0804 的管脚图如下所示 它的主要电气特性如下： （1）工作电压：＋5V，即 VCC＝＋5V。 （2）模拟输入电压范围：0～＋5V，即 0≤Vin≤＋5V。 （3）分辨率：8 位，即分辨率为 1/256，转换值介于 0～255 之间。 （4）转换时间：100us（640KHz 时） 。 （5）转换误差：±1LSB。共 20 页，第 7 页华 北 科 技 学 院 实 习 报 告（6）参考电压：2.5V，即 Vref＝2.5V。图5ADC0804 管脚图ADC0804 是属于连续渐进式的 A/D 转换器，这类型的 A/D 转换器除了 转换速度快（几十至几百 us） 、分辨率高外，还有价钱便宜的优点，普遍被 应用于微电脑的接口设计上。 以输出 8 位的 ADC0804 动作来说明“连续渐进式 A/D 转换器”的转换 原理，动作步骤如下表示（原则上先从左侧最高位寻找起） 。 第一次寻找结果：（若假设值≤输入值，则寻找位＝假设位＝1） 第二次寻找结果：（若假设值≤输入值，则寻找位＝假设位＝1） 第三次寻找结果：（若假设值&输入值，则寻找位＝该假设位＝0） 第四次寻找结果：（若假设值≤输入值，则寻找位＝假设位＝1） 第五次寻找结果：（若假设值&输入值，则寻找位＝该假设位＝0） 第六次寻找结果：（若假设值≤输入值，则寻找位＝假设位＝1） 第七次寻找结果：（若假设值≤输入值，则寻找位＝假设位＝1） 第八次寻找结果：（若假设值&输入值，则寻找位＝该假设位＝0） 这样使用二分法的寻找方式， 位的 A/D 转换器只要 8 次寻找， 位的 A/D 8 12 转换器只要 12 次寻找，就能完成转换的动作，其中的输入值代表图 1 的模 拟输入电压 Vin。 ADC0804 的控制方法，要求 ADC0804 进行模拟/数字的转换，其实可以 直接由下面的时序图来配合了解。下图为 ADC0804 控制信号时序图：共 20 页，第 8 页华 北 科 技 学 院 实 习 报 告图6ADC0804 控制信号时序图以图而言， 控制 ADC0804 动作的信号应该只有 CS、 WR、 RD。 其中 INTR 由高电位转为低电位后， 代表 ADC0804 完成这次的模拟/数字转换， DB0～ 而 DB7 代表是转换后的数字资料。 上图的动作大概可分成 4 个步骤区间——S0、S1、S2、S3，每个步骤区间的 动作方式如下： 步骤 S0：CS＝0、WR＝0、RD＝1（由发出的信号要求 ADC0804 开始进行 模拟/数字信号的转换） 。 步骤 S1：CS＝1、WR＝1、RD＝1（ADC0804 进行转换动作，转换完毕后 INTR 将高电位降至低电位，而转换时间&100us） 。 步骤 S2：CS＝0、WR＝1、RD＝0（由发出的信号以读取 ADC0804 的转换 资料） 。 步骤 S3：CS＝1、WR＝1、RD＝1（读取 DB0～DB7 上的数字转换资料） 。 由上述步骤说明，可以归纳出所要设计的动作功能有： （1）负责在每个步骤送出所需的 CS、WR、RD 控制信号。 （2）在步骤 S1 时，监控 INTR 信号是否由低电位变高电位，如此以便了解 ADC0804 的转换动作结束与否。 （3）在步骤 S3，读取转换的数字资料 DB0～DB7。五、硬件的设计硬件的总体设计图如下图所示：共 20 页，第 9 页华 北 科 技 学 院 实 习 报 告图7硬件设计电路总示意图在上图中，我们把给定的转速进行 A/D 转换后送给 MCU，在一组 4 位 LED 上显示，MCU 通过控制输出 PWM 波，进行直流电机的驱动。电机 通过电流检测和测速反馈传递给 MCU， 在一组 4 位 LED 上进行转速的显示。 在整体过程中，我们通过外接 4*4 键盘进行电机的控制。 项目的硬件设计大体上由基本方式的设计、I/O 接口地址扩展的设计、 I/O 接口地址编码的设计三个部分组成。 1、基本方式的设计： （1）控制方式的选择：在控制方式中，有三种最常用的方式：程序查询方 式、中断控制方式和 DMA 方式。 ①程序查询方式：便于程序控制、编程简单、易于调试，但是占用 CPU 时 间长，效率低，实时性不高。 ②中断控制方式：效率高、实时性强，但是编程复杂、不易于调试。 ③DMA 方式：速度快、不经过 CPU，需要 DMA 控制器及控制线。 在控制方式的选择上，由于我们对于时间的要求不高，不计算效率，但 是要求编程控制，同时要便于调试。因此我们选用程序查询方式。 （2）通信方式的选择：可供选择的通讯方式有并行和串行两种方式。 ①串行方式： 串行指的是数据以数据流的方式在一个信道上一位一位的 传送。 串行数据传输时，数据是一位一位地在通信线上传输的，先由具有几位 总线的计算机内的发送设备，将几位并行数据经并--串转换硬件转换成串行 方式，再逐位经 传输线到达接收站的设备中，并在接收端将数据从串行方 式重新转换成并行方式，以供接收方使用。串行数据传输的速度要比并行传共 20 页，第 10 页华 北 科 技 学 院 实 习 报 告输慢得多，但对于覆盖面极其广 阔的公用电话系统来说具有更大的现实意 义。 串行数据通信的方向性结构有三种，即单工、半双工和全双工。如下图 所示：图8串行数据通信示意图串行传输存在一个收发双方如何保持码组或者字符同步的问题， 这个问 题不解决，传输则不成功，也就失去了意义。收发双方如何保持码组或者字 符同步的问题的解决办法就是：异步传输模式或者同步传输模式。 异步传输模式：要加起止位，同步传输以同步的始终节拍来发送数据信 号，因此在串行的数据流中，信号码元的相对位置都是固定的《即同步》。 串行传输的特点：传输速度较低，一次一位；通信成本也较低，只需一 个信道； 支持长距离传输， 目前计算机网络中所用的传输方式均为串行传输。 ②并行方式：并行指的是数据以成组的方式在多条并行信道上同时传 送。 并行通信传输中有多个数据位，同时在两个设备之间传输。发送设备将 这些数据位通过 对应的数据线传送给接收设备， 还可附加一位数据校验位。 接收设备可同时接收到这些数据，不需要做任何变换就可直接使用。并行方 式主要用于近距离通信。计算 机内的总线结构就是并行通信的例子。这种 方法的优点是传输速度快，处理简单。 并行传输收发双方不存在字符的同步问题， 不需要加起止信号或者其他 同步信号来实现收发信号的同步，这是并行传输的一个优点。 并行传输的特点：传输速度快:一位（比特）时间内可传输一个字符； 通信成本高:每位传输要求一个单独的信道支持，因此如果一个字符包含 8共 20 页，第 11 页华 北 科 技 学 院 实 习 报 告个二进制位，则并行传输要求 8 个独立的信道的支持；不支持长距离传输: 由于信道之间的电容感应，远距离传输时，可靠性较低。 串行传输和并行传输的区别在于并行传输方式其实优于串行传输方式。 通俗地讲，并行传输的通路犹如一条多车道的宽阔大道，而串行传输则是仅 能允 许一辆汽车通过的乡间公路。以古老而又典型的标准并行口(Standard Parallel Port)和串行口(俗称 COM 口)为例，并行接口有 8 根数据线，数据 传输率高；而串行接口只有 1 根数据线，数据传输速度低。在串行口传送 1 位的时间内， 并行口可以传送一个字节。当并行口完成单词“advanced”的 传送任务时，串行口中仅传送了这个单词的首字母“a”。 在选择通讯方式时，我们选用并行方式，在这种方式中，所有的外设与 CPU 并行接口，在并口线不够用时，我们可以进行扩展。在通讯是要求除 ADC0804 采用中断方式， CPU 采用程序控制方式控制其它所有的 I/O 设备。 （3）驱动方式选择 在驱动方式中，我们选用 H 桥驱动直流电机，采用 PWM 波进行调速。 在驱动方案我们依介绍过 H 桥的驱动原理。下面介绍一下两种典型的 H 桥 驱动电路：①双极性晶体管构成桥臂的电路（左图）：图9MOS 管驱动桥臂电路图②MOS 管构成桥臂的电路（右图）： 在选择分析之前，首先要确定 H 桥要关注那些性能： A） 效率 —— 所谓驱动效率高， 就是要将输入的能量尽量多的输出给负载， 而驱动电路本身最好不消耗或少消耗能量，具体到 H 桥上，也就是 4 个桥 臂在导通时最好没有压降，越小越好。 B）安全性 —— 不能同侧桥臂同时导通； C）电压 —— 能够承受的驱动电压；共 20 页，第 12 页华 北 科 技 学 院 实 习 报 告D）电流 —— 能够通过的驱动电流。 本次项目中我们选用①作为驱动电路。 2、I/O 接口地址扩展 由于在 MCU 上得 I/O 设备太少，我们在键盘和显示时就需要 4*8 位，所 以必须扩展 I/O 接口。如果采用并行扩展接口，接口芯片价格贵，并且使系 统更加复杂，所以我们采用要求不高的并且简单的数据锁存器的方法。 在 I/O 扩展时，LED 位选码需要一个 373，LED 端选码需要一个 373， 键盘输入、输出各需要一个 373 和 244。总的芯片数量在可承受的范围内。 3、I\O 接口地址编码 （1）I/O 接口编址方式： ① I\O 独立编址方式：需要有专门的指令来区分（8088，IN，OUT） 。单独 的控制线信号（Z80，MREQ,IORQ;8088，M\IO） ② I\O 与存储器统一编址方式：占用存储器地址空间（M） ，数据 处理能力强，I\O 和存储器可用译码电路。所选 MCU 为 89S52 系列，因 此必须 I\O 与存储器统一编址。必须先计算机 I\O 占用的 51 外部 RAM 地址范围。 （2）本项目采用的 I\O 接口编址方式 ①为占用最少口线， LED 采用动态显示； 这样 2 组 LED 共需要 8 个位选。 ②2 组 LED 共用一个段码口线。 ③键盘输出、输入各占用 1 地址，共 2 地址。 ④ADC0804 片选需要 1 地址。 ⑤ADC0804 扩展 8 通道，需要 8 地址。 具体的编址如下： ①AD15 给 LED 位选信号地址； ②AD8 给 LED 段码地址； ③AD9 给键盘行地址； ④AD10 给键盘列地址； ⑤AD11 给 ADC0804 片选地址； ⑥AD12，AD13，AD14 给 ADC0804 扩展 8 通道预留地址； 由于没有外扩 RAM， 所以 I\O 占用外部 RAM 可以有很大范围，采用地 址直接接口，省去译码电路。按照编址的方式设计电路如下：共 20 页，第 13 页WAD11RVINAD11DRVCC111键盘接口电路LED 接口电路ADC 接口电路3 9201R100K1R1R74LS3274LS32008 U9C7U9DKK1819321674图 10ADC0804UV(REF)/2WRCIN+VIN-V8CLKDSRRCLK图 11 键盘接口电路华 北 科 技 学 院 实 习 报 告图 12 ADC 接口电路共 20 页，第 14 页3 DB 2 DB 1 DB 0 DB 1 1 1 1 1 1 R 4 5 6 7 8 0 9 K D D D D D 4 3 2 1 0 1 C 5 5 0 p FINTRLED 接口电路7DB6DB5DB4DB151119123P3.2DDD765华 北 科 技 学 院 实 习 报 告ADC 通道扩展电路AD11 3 U11 2 D 0 Q AD12 4 0 D 1 Q AD13 7 1 6 5 ADC_CS U10 D 2 Q AD14 8 2 9 IN0 1 3 D 3 Q 3 X 0 X 3 1 3 1 2 IN1 1 D 4 Q 4 4 X 1 4 1 5 IN2 1 D 5 Q 5 5 X 1 7 1 6 IN3 1 D 6 Q 6 2 X 1 8 1 9 IN4 D 7 Q 7 1 X IN5 5 X 1 IN6 O E 2 X WRADC 1 1 IN7 L E 4 X 74LS373 6 R20 1 K 1 1 1 0 R21 1 K VCC 9 R22 1 K 7图 13 4、硬件地址分配表：ADC 通道扩展电路图 14 硬件地址分配表六、软件设计1、MCU 资源分配：在软件的编程，运用中断、定时器、计数器、时钟、串 行口，使单片机驱动直流电机的启停，加减速，从而进行系统的规划，实现 预期的目的。 2、语言选择:：选择高级语言 C 语言进行单片机的编程，编程简单、易懂。 3、任务模块化：共 20 页，第 15 页CD4051VEECBAINH7654321华 北 科 技 学 院 实 习 报 告系统的软件的流程图图 15系统的流程图七、系统方案的实施1、系统控制功能 该系统中的控制部分只要是对电机的运动进行控制。具体的控制如下： （1）转速的设定： ① 键盘给定： （键盘-MCU-PWM 调节）先按 0，后键入 4 位数字，然后按 确定键，此时若给定选择为“键盘给定”则电机会按设定转速运行。 ② 电位器平滑给定： （电位器-ADC-MCU-PWM 调节） 。给定选择为“电位 器给定”则电机会按设定转速运行。 （2）启动、停止、加速、减速： 进行设计的时， 分别将启动、 停止、 加速和减速四个功能键设置为 C 键、 F 键、D 键和 E 键，以便于我们对电机进行控制。 （3）转速实时显示、监测： 实现了给定值和测速值的显示，从而便于我们实时的监测控制。其中给 定值为第一组 4 位 LED 实时显示；测速值为第二组 4 为 LED 实时显示。 （4）限流保护： 在系统中我们加入了电流保护电路，防止电流的过大使电机损坏。当电 流大于某个设定值时， 转速降为 0， 也即 PWM 占空比为 0.5， 实现限流保护。 2、资源分配： 在资源分配时，我们进行如下的分配： T0 分配为产生 PWM 波定时器 T1 分配为转速定时调节定时器共 20 页，第 16 页华 北 科 技 学 院 实 习 报 告T2 分配为数字测速脉冲计数器 INT1 分配为 ADC0804 转换结束中断 具体的中断如下表：图 16 中断表 3、语言选择： KEIL C51 是美国 KEIL SOFTWARE 公司出品的 51 系列兼容单片机 C 语言开发环境。C51 语言的优势： （1）不需要了解 51 单片机的指令系统，仅仅要求初步了解存储器结构。 （2）程序有规范的结构，可分为不同的函数，使程序结构化。 （3）程序可读性好。 （4）提供很多标准库函数，数据处理能力强。 （5）程序易于做到模块化，移植性好。 4、 闭环控制框图及算法（T1 中断里实现）图 17 闭环控制结构图 如图电路所示：闭环控制分为三部分组成： ①转速控制：采用带转速单闭环的直流电动机调速系统。共 20 页，第 17 页华 北 科 技 学 院 实 习 报 告②驱动电路：由三极管作开关元件的 H 桥组成。 ③ 控制电路：主要包含转速给定、转速反馈、PI 调节器、PWM 波形的产 生。八、源程序#include &./Atmel/regx52.h& #include &absacc.h& #include &stdlib.h& #include &string.h& #include &intrins.h& #include &ctype.h& #define adc_0 XBYTE[0x02ff] /*ADC0804 第 1 通道地址*/ #define adc_1 XBYTE[0x12ff] /*ADC0804 第 2 通道地址*/ #define i_a_limit 0x0D /*电枢限流 0.5A*/ unsigned int adc0804_ //ADC0804 通道标志, 0 表示 0 通道， 表示 1 通道 1 unsigned int V_ADC0=0; //ADC0804_0 转换结果 unsigned int V_ADC1=0; //ADC0804_1 转换结果 EA=1; //开所有中断 IT1=1; //INT1 负边沿触发； motor_i_a=i_a_test(); //测电枢电流 if (motor_i_a&i_a_limit) //若过流则停止 { pwm_positive=25000; pwm_negtive=25000; } Else if { n_ref=read_nref();//读入转速给定 } /*把整型数转换为字符型*/ /*读入、确定给定值函数子程序*/ unsigned int read_nref(void) { unsigned int n_r; adc0804_port=1; //测电位器给定值 EX1=1; //开 INT1 中断(ADC0804 的中断)共 20 页，第 18 页华 北 科 技 学 院 实 习 报 告adc0804_start(); n_ref_pot=V_ADC1*20; if (n_ref_select_flag==0) { n_r=n_ref_ } else { n_r=n_ref_ } return n_r; // 选择给定} /* ADC0804 转换结束中断服务函数*/ void int1(void) interrupt 2 using 1 { unsigned int V_ADC; V_ADC=adc0804_read(); V_ADC*=5; V_ADC*=100; V_ADC/=256; //把 V_ADC 值转换为实际值的 100 倍 switch (adc0804_port) { case 0: V_ADC0=V_ADC; case 1: V_ADC1=V_ADC; default: ; } EX1=1; //关 INT1 中断(ADC0804 的中断) }九、 项目总结单片机应用系统是以单片机为核心，扩展外围芯片和电路，能完成一定的 微机系统。单片机具有体积小、成本低、抗干扰强、使用方便灵活等优点， 已广泛应用于生产和科技等各个领域。 系统控制方案确定，彻底了解控制对象和控制要求。高速对象（电机调 速、图像语音识别等）还是慢速对象（温度、流量等过程控制） ；开环控制共 20 页，第 19 页华 北 科 技 学 院 实 习 报 告还是闭环控制；等等 控制算法确定， 根据系统数学模型和控制要求， 选择单片机的控制规律。 直流电机转动系统多用 PID 控制， 交流传动则除 PID 外， 还用矢量变换控制； 温度调节等滞后系统采用达林算法与史密斯预估算法等。 微机选型：综合考虑要求、经济条件等多种因素进行。MCS-51 系列单片机 是 8 为高档机；在要求更高的场合，应该考虑采用 MCS-96 系列单片机；对 运算速度要求更高的场合，可考虑采用数字信号处理器（DSP） 。 硬件设计：在系统控制方案的基础上，根据单片机本身的硬件资源，确 定出整个系统的控制电路。 软件设计： 依据控制算法和控制电路。 通常硬件少则软件多， 反之亦然。 系统总调：根据制成的硬件电路和调试过的程序做系统的总调。常用单 片机仿真完成，然后固化软件，脱开仿真器，插回单片机与固化了得程序存 储器。十、参考文献杨振江，冯军 单片机原理及应用 中国电力出版社 2008 胡寿松 自动控制理论 科学出版社 2007 陈伯时 电力拖动自动控制系统 机械工业出版社 2003 潘新民，王燕芳 微型计算机控制技术 电子工业出版社 2011 王兆安，黄俊 电力电子技术.第 4 版 机械工业出版社 2011 张义和，王敏男 例说 51 单片机 人民邮电出版社 2010 童诗白，华成英 模拟电子技术基础.第 4 版 高等教育出版社 2006共 20 页，第 20 页
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