基于单片机的直流电机调速毕业设计论文

学号：

常州大学

毕业设计（论文）

（2013届）

题目一种基于单片机的小型直流电机转速控制电路设计学生吴佳华学院怀德学院专业班级电子信息工程091 校内指导教师专业技术职务校外指导老师专业技术职务

二○一三年六月

一种基于单片机的小型直流电机转速控制电路设计

摘要：随着手机、影音设备、玩具、医疗设备、保健器械、家用电器、办公自动化设备、工业自动化设备、汽车、通讯设备和电动工具的需求不断增加，直流电机在这些产品中的应用需求也在迅速扩大，其中，汽车、家用电器、医疗设备、保健器械和手机的贡献尤为突出。小型直流电机的转速控制器成为小型直流电机配套使用的关键部件，低成本高性能的直流电机控制器无疑是为小型直流电机展现了更美丽的应用前景。当前，单片机的性价比是其它类型的微处理器芯片无法比拟的，功能强大、价格低廉、开发简便是单片机的一大特色，这对于民用产品来说，具有很高的市场价值。因此，研究、设计基于单片机控制的小型直流电机的控制电路具有很好的应用前景。

本次设计首先对调速控制主回路进行设计，采用双向晶闸管来实现交流调压，采用桥式整流电路来实现交直流的变换；再运用零式整流稳压电源为单片机提供工作电源；最后进行系统的软件设计，实现键控四档转速、键控三档循环转速、键控启/停、定时停机的功能。根据市场需求和发展趋势，设计了一种以51单片机为控制核心、以电力电子器件（晶闸管）等元件为执行部件，实现了交流调压、交直流变换的小型直流电机转速控制电路。

关键词：单片机；直流电机；转速控制；晶闸管

The design of the circuit for small DC motor speed control based

on MCU

Abstract：With cell phones, audio-visual equipment, toys, medical equipment, health equipment, household appliances, office automation equipment, industrial automation equipment, automotive, communications equipment and the increasing demand for power tools,DC motors in these products is rapidly expanding application requirements,Among them, automobiles, household appliances, medical equipment, health care equipment and mobile phones contribution is particularly prominent.Small DC motor speed controller become a small DC motor supporting the use of key components,Low-cost high-performance DC motor controller for small DC motor is undoubtedly show a more beautiful prospect.Currently, cost-effective single-chip microprocessor chip is another type of unmatched, powerful, inexpensive, and easy development is a major feature of the microcontroller,This is for civilian products, with high market value.Therefore, the research, design microcontroller-based control of a small DC motor control circuit has good application prospects.

The design of the first main loop speed control design,Achieved using bidirectional thyristor AC voltage regulator, using bridge rectifier circuit to achieve AC-DC conversion; then use zero rectifier power supply supplies power for the microcontroller;Finally, system software design, implementation keying fourth gear speed, keying third gear cycling speed, key start / stop, timed shutdown function.According to market needs and trends, the design of a microcontroller core with 51 to power electronic devices (SCR) and other components for the implementation of components to achieve a AC voltage, AC-DC conversion for small DC motor speed control circuit.

Key words：Microcontroller; DC motor; Speed control; Thyristor

摘要 ......................................................................................................................................... I Abstract ...................................................................................................................................... II 目录 ........................................................................................................................................ III

1引言 ......................................................................................................................................... 1

1.1选题背景 .............................................................................................................................. 1

1.2国内外研究现状 .................................................................................................................. 1

1.3技术路线分析 ...................................................................................................................... 1

2 原理设计 ................................................................................................................................ 2

2.1基本原理 .............................................................................................................................. 2

2.2设计目标要求 ...................................................................................................................... 2

3功能说明 ................................................................................................................................. 3

4 硬件电路 ................................................................................................................................ 3

4.1 零式整流稳压电源 ............................................................................................................. 3

4.2 市电过零检测 ..................................................................................................................... 5

4.3 控制模块 ............................................................................................................................. 8 4.3.1 AT89C2051单片机的基本特点 ...................................................................................... 8

4.3.2 按键电路 ........................................................................................................................ 10

4.4直流电机驱动电路 ............................................................................................................ 10

5 控制程序原理 ...................................................................................................................... 15

6 系统调试 .............................................................................................................................. 17 6.1 硬件调试 ........................................................................................................................... 17

6.1.1 Altium Designer 简介 .................................................................................................... 17

6.1.2 实物设计中的相关问题 ................................................................................................ 17

6.2 软件调试 ........................................................................................................................... 18

6.2.1 Keil简介 ......................................................................................................................... 18

6.2.2软件设计中的相关问题 ................................................................................................. 18

结论 .......................................................................................................................................... 19

致谢 ........................................................................................................................................ 20

参考文献 ............................................................................................................................ 21

附录 A ................................................................................................................................... 22

1引言

1.1选题背景

随着手机、影音设备、玩具、医疗设备、保健器械、家用电器、办公自动化设备、工业自动化设备、汽车、通讯设备和电动工具的需求不断增加，直流电机在这些产品中的应用需求也在迅速扩大，其中，汽车、家用电器、医疗设备、保健器械和手机的贡献尤为突出。小型直流电机的转速控制器成为小型直流电机配套使用的关键部件，低成本高性能的直流电机控制器无疑是为小型直流电机展现了更美丽的应用前景。

1.2国内外研究现状

电动机的控制技术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、电动控制技术、微机应用技术的最新发展成果。正是这些技术的进步使电机控制技术在近20多年内发生了翻天覆地的变化，其中电动机的控制部分已由模拟控制逐渐让位于以单片机为主的微处理器控制，形成数字和模拟[1]的混合控制系统和纯数字控制的应用，并曾向全数字化控制方向快速发展。而国外交直流系统数字化已经达到实用阶段。

1.3技术路线分析

单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点，成为在实时检测和自动控制领域中广泛应用的器件，更是工业生产中必不可少的器件，尤其是在日常生活中发挥的作用也越来越大。而在电气时代的今天，电机在工农业生产、人们日常生活中亦起着十分重要的作用。直流电机是最常见的一种电机，在各领域中得到广泛应用。与交流电机相比，直流电机结构复杂，成本高，运行维护困难。但是直流电机具有良好的调速性能、较大的起动转矩和过载能力强等许多优点，因此在许多行业中仍有应用。近年来，直流电机的结构和控制方式都发生了很大的变化。随着计算机进入控制领域以及新型的电力电子[2,3]功率元器件的不断出现，本设计采用了以单片机为控制核心，以双向可控硅等为执行部件的转速控制电路。这种调速方法具有开关频率高、低速运行稳定、动态性能优良、效率高等优点，更重要的是这种调速方式很容易在单片机控制系统中实现，因此具有很好的发展前景。

2 原理设计

2.1基本原理

本设计以51单片机为控制核心、以电力电子器件（晶闸管）等元件为执行部件，设计了能够实现了交流调压、交直流变换的小型直流电机[4]转速控制电路。

图2.1 电路原理图

如图2.1所示，本设计采用了零式整流稳压电路将220V的市电转换为5V直流电压供单片机、光电耦合器使用。过零检测模块是由光电耦合器构成的，实现对市电过零进行检测，检测信号送到单片机[5,6,7]的INT0口，通过下降沿触发，向单片机请求中断。单片机进入中断子程序后进行延时，通过控制双向可控硅门极脉冲触发电路在市电半个周期内的触发时刻，实现对双向可控硅导通角的控制，从而实现功率的调节，最终达到电机调速的目的。

2.2设计目标要求

1）输入电压：交流220V±15%

2）键控四档转速，默认值为最低档。（最高档位为额定转速，最低档转速约为最高档转速的1/4，具体转速值由具体型号电机决定）

3）键控三档循环转速，默认值为最低档循环转速。

4）定时停机

5）键控启/停

6）直流电机功率：5-50W，电压：200VDC

3功能说明

接通电源后，按下启动/暂停按钮后电机以最低档转速转动，再按一下电机停止转动；按下加速按钮电机转速变快，每按一下速度加一档，当达到最高档的时候就不再变化了；按下减速按钮电机转速变慢，每按一下转速就减一档，当减到最低档后就不再变化了；按下循环按钮进入循环模式，电机实现三档转速循环变换，再按一下退出循环并以最低档转速运转。

4 硬件电路

4.1 零式整流稳压电源

电子工程师总是在不断追求减小设备体积，优化设计，以期最大限度地降低设备成本。其中，减小作为辅助电源的直流稳压电源电路部分的体积，往往是最难解决的问题之一。本设计采用了一种零式整流稳压电源为电路提供5V的工作电源。

阻容降压基本原理：

图4.1 阻容降压原理示意图

如图4.1所示，第一个环节降压，通常使用变压器来完成。但是变压器体积较大，成本较高，对于一个小型系统加一个变压器就显得大材小用。如用一个电容器，就可以实现降压的目的，不但简化了电路，而且节约了成本。当一个正弦交流电源U（如220V AC 50HZ）施加在电容器两端时，电容器两极板上的电荷Q为：

Q=CU (4.1) 可以把电容器近似的看成依赖频率的电阻元件，这样就可以用它构成一个依赖频率的分压电路，当加在电容器上的电压幅值一定，频率一定时，就会流过一个稳定的正弦交流电流I：

UU==U*jωC (4.2) I=Zc⎛1⎫ jωC⎪⎪⎝⎭

容抗越小（电容值越大），流过电容器的电流越大，如果在电容器上串联一个合适的负载，就能得到一个降低了的电压源，可经过整流，稳压滤波后输出直流电压。因为电容器在电路中只是吞吐能量，而不消耗能量，所以电容器降压电路的效率很高。

图 4.2 零式整流稳压电路

如图4.2所示，市电经过C2降压后经D2完成半波整流，再经D3稳压，C3滤波后输出稳定的直流电压给负载。对于降压电容C2的选取，首先应根据负载所需的电流和稳压二极管正常工作的反向电流来确定电源所需要提供的总电流。然后用电容上分得的电压除以总电流，得到相应的容抗。最后选择容值最接近的电容。容值小了，提供不了足够的电流；容值大了，稳压管分担的电流就多了，功耗大。这里选取的是1uF/400V的聚丙烯电容，耐压值要大于市电的峰值电压。R2是一个泄放电阻，主要是为了在较短的时间内释放掉C2上的电荷，此处选用1MΩ的碳膜电阻。D1是为了给C1在市电的负半周提供充放电通路，以保证C2在整个交流电周期内都是工作的。此处D1、D2选用的是1N4007，它的最大可重复峰值反向电压为1000V,最大正向整流电流为1A，满足设计要求。如果将C2后面的电路都看作负载的话，那么相当于C2 和一个电阻串联在市电通路里，电容和电阻在交流下都是有阻抗的，串联分压。其中C2起到了限流的作用，它决定了电路中的最大电流，当负载一定的情况下，C2 也就决定了负载上可以得到的电压，最终起到了降压的作用。电路中C1为旁路电容，可以滤除市电中的高频噪声，此处选用了0.1uF/630V的聚丙烯电容，耐压之一般选取输出电压的3-4倍。电路上电瞬间电容阻抗几乎为零，电路中的电流相当大。图中R1为零式整流稳压电路的限流电阻，它是功率为3W，阻值为51Ω的线绕电阻，它可以使电路上电瞬间或市电峰峰值瞬间瞬时电流不至于过大，以保证电路安全。D3是一个稳压二极管，选择的稳压二极管最大反向电流要大于零式整流稳压电源提供的最大电流，这里选用的是1N4625，它工作于反向导通时，两端压降为5.1V,最大反向电流为70mA。C3为滤波电容，此处选用了470uF/16V的铝电解电容，可以滤除脉动使输出电压波形变得平缓，很大程度上为整个系统提供了一个良好的工作环境。C4为去耦电容，用来滤除输出直流电源中的高频噪声，这里选用的是0.1uF/16V的独石电容。F1为250V/1A的熔断丝，用作短路保护。本电源电路提供的最大电流I约为：

U-U11 I=C=市电稳压=*∆U*jωC=*∆U*j*2πf*C (4.3) 2ZC22⎛1⎫⎪2 jωC⎪⎝⎭

将前述元器件参数代入上式，计算可得：

I 34mA (4.4) 因为加了限流电阻R1，所以实际电流要小些。输出直流电压约为5V.

这种电源电路无变压器，结构非常简单，具体有：体积小、重量轻、成本低廉、动态响应快、稳定可靠、高效等特点。值得注意的是电容降压是一种低成本，没有和220V市电隔离，电路应该需要用相应的隔离措施，并且不能应用在大功率负载场合。

4.2 市电过零检测

由于本设计采用了双向可控硅进行交流调压，而交流调压是通过单片机控制双向可控硅门极的RC脉冲触发电路的导通时间，从而实现对双向可控硅导通角的控制，最终达到调压的目的。要控制导通角就要以市电过零的瞬间作为参考点。过零检测电路的最终目标是实现当50Hz的交流电压通过零点时取出其脉冲。

市电过零检测的方法很多，常用的有三极管过零检测、光电耦合器过零检测、比较器过零检测等。本设计采用了Toshiba公司生产的TLP521-2双通道光电耦合器来实现过零检测，实物如图4.3所示，其引脚图图见图4.4。光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种电一光一电转换器件。它由发光源和受光器两部分组成。把发光源和受光器组装在同一密闭的壳体内，彼此间用透明绝缘体隔离。发光源的引脚为输入端，受光器的引脚为输出端，常见的发光源为发光二极管，受光器为光敏二极管、光敏三极管等等。其工作原理是在光电耦合器输入端加电信号使发光源发光，光的强度取决于激励电流的大小，此光照射到封装在一起的受光器上后，因光电效应而产生了光电流，由受光器输出端引出，这样就实现了电一光一电的转换。光电耦合器具有灵敏度高，抗干扰能力强的特点，并且可以使前端与负载完全隔离，减小前后级之间的影响，提高电路的稳定性。

图4.3 TLP521-2实物图

图4.4 TLP521-2引脚图

如图4.5所示，电路中采用两个光电耦合器来实现过零检测，其工作原理是：把交流电源加到光电耦合器TLP521-2的2个反并联的发光二极管上，在交流电源的正，负半周，2个发光二极管轮流导通，从而使2个三极管也轮流导通，此时V0端输出低电平，只有在交流电源过零的瞬间，2个发光二极管均截止，此时V0端输出高电平，因此V0端得到周期为10mS的脉冲信号,如图4.6所示，把该信号送至AT89C2051的INTO引脚，每秒向AT89C2051申请100次中断。

图 4.5 光耦过零检测电路

图4.6 市电和V0端输出的脉冲信号

光电耦合器TLP521-2工作的典型值如表4.1所示。如果把发光二极管和电阻R3直接串联在交流回路里,发光二极管的最大导通压降约为1.3V，在两个发光二极管轮流工作期间，此时电路中的最大电流I总MAX为： I总MAX=

2U市电-U二极管

310-1.3

A≈20.6m A (4.5)

15000

显然流过发光二极管的电流过大，这里选择在发光二极管的两端并联一个电阻R4用来分流，在两个发光二极管轮流工作期间，R4两端的电压为发光二极管的导通压降，此时流过发光二极管的最大电流IFMAX为：

U1.3

A≈15.2m A IFMAX=I总MAX-IR4=I总MAX-二极管=20.6mA- (4.6)

R4240

可以保证发光二极管的正常运行。电路中的平均电流I总约为：

U市电-U二极管

220-1.3

(4.7) A≈14.6m A

15000

I总=

值得注意的是R3的功率选择：

≈3.2W PR3=UR3*I总=(U市电-U二极管)*I总=(220-1.3)⨯14.6mW (4.8) 所以这里R3选用的是15K/4W的线绕电阻。R4为220Ω的1/4W的碳膜电阻。在光电

耦合器TLP521-2输出端的集电极接有4.7K的1/4W的碳膜电阻R5。这里的光电耦合器TLP521-2的受光器集电极和发射极之间的饱和压降U饱和压降取0.3V.所以流过集电极的电流IC为：

VCC-U饱和压降5-0.3

IC==mA=1mA (4.9)

R54.7

此电流由零式整流稳压电源提供。

表4.1 TLP521-2的推荐工作环境

特性电源电压正向电流集电极电流

符号 VCC IF IC

最小值 — — —

典型值 5 16 1 最大值 24 20 10 单位 V mA mA

在所设计的过零检测电路中，每当电源电压过零点瞬间就会产生准确的过零检测脉冲，其结构简单，工作稳定能满足本系统的工作要求。 4.3 控制模块

4.3.1 AT89C2051单片机的基本特点

由于单片机的这种结构形式及它所采取的半导体工艺，使其具有很多显著的特点，因而在各个领域都得到了迅猛的发展。单片机主要有如下特点： ① 有优异的性价比；

② 集成度高、体积小、有很高的可靠性。单片机把各功能部件集成在一块芯片上，内部采用总线结构，减少了各芯片之间的连线，大大提高了单片机的可靠性与抗干扰能力。另外，其体积小，对于强磁场环境易于采取屏蔽措施，适合在恶劣环境下工作； ③ 控制功能强。为了满足工业控制的要求，一般单片机的指令系统中均有极丰富的转移指令、I/O口的逻辑操作以及位处理功能。单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微机。；

④ 低功耗、低电压，便于生产便携式的产品。

⑤外部总线增加了IC（Inter-Integrated Circuit）及SPI（Serial Peripheral Interface）等串行总线方式，进一步缩小了体积，简化了结构；

⑥单片机的系统扩展和系统配置较典型、规范，容易构成各种规模的应用系统。

本设计所采用的单片机AT89C2051是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS 8位单片机，片内含2k bytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C2051单片机在电子类产品中有广泛的应用。

图4.7 AT89C2051的引脚图

AT89C2051的引脚图如图4.7所示。 1）VCC：电源电压。 2）GND：地。

3）P1口：P1口是一个8位双向I/O口。口引脚P1.2~P1.7提供内部上拉电阻。本设计中选用了P1.7作为开关控制端口，P1.5作为加速档控制端口，P1.3作为减速档控制端口，P1.2作为循环档控制端口。

4）P3口：P3口含有7位双向I/O口。本设计选用了P3.7口作为双向可控硅触发电路控制端口。

本设计中P3口用于实现AT89C2051各种第二功能的引脚，如表4.2所列：

表4.2 P3口各管脚第二功能

引脚口 P3.2 P3.4 P3.5

功能 INT0 外中断0 T0定时器0外部输入 T1定时器1外部输入

5）RST：复位输入。RST一旦变成高电平所有的I/O引脚就复位到“1”。当振荡器正在运行时，持续给出RST引脚两个机器周期的高电平便可完成复位。 6）XTAL1：作为振荡器反相器的输入和内部时钟发生器的输入。 7）XTAL2：作为振荡器反相放大器的输出。

给AT89C2051单片机加上时钟电路和复位电路就构成了一个简单的单片机最小系统,如图4.8所示。首先是时钟电路的设计，AT89C2051单片机芯片内部有一个由高增益反相放大器构成内部自激振荡电路，其输入端为芯片引脚XTAL1，其输出端为引脚XTAL2。本设计振荡电路选取内部时钟方式，在单片机AT89C2051的引脚XTAL1和XTAL2之间跨接12M的晶体振荡器和30PF的陶瓷微调电容C5、C6，组成并联谐振电路，

图4.8 单片机控制模块

图4.10 BT137管脚说明

这里选用的双向可控硅BT137的通态重复峰值电压VDRM为600V,通态平均电流IT为8A,门极峰值电压VGM为5V,门极峰值电流IGM为2A，门极触发电流IGT最大约为35mA左右，门极触发电压VGT最大约为1.5V左右。由于双向可控硅通常用在交流电路中，因此不用平均值而用有效值来表示其额定电流值。有上述论述已知要对直流电机进行调速，就必须改变其外加电枢电压，而实现交流调压可以通过控制双向可控硅的触发角a来实现。对于带一般的电阻负载，电压平均值U有效为:

U有效==U市电

⎰απ

2U市电sinωtd(ωt)

)

1π-αsin2α+2ππ

(4.12)

a角的移相范围为0o~180o。显然触发角a越小，电压平均值越大；触发角a越大，电压平均值越小。本设计中是以直流电机为负载的，由于直流电机里面有线圈，所以有电感，而且直流电机工作时会产生反电动势，所以情况要复杂的多，在这里只做简单的分析。值得注意的是当忽略电路中的各部分电感时，只有在市电的瞬时值的绝对值大于反电动势时，双向可控硅才有导通的可能。当双向可控硅的一端电压降至反电动势时，压差为零时，双向可控硅又关断了。与电阻负载相比，双向可控硅提前了电角度δ停止导通，δ称为停止导通角。在a角相同时，整流输出电压比电阻负载时大。设计时要特别注意为了使双向可控硅可靠导通，要求触发脉冲有足够的宽度，触发角a要大于停止导通角δ。

如图4.12所示，单片机INT0口接收到来自光电耦合器的过零检测信号后进入外部中断子程序，首先就判断开关键是否打开。如果开关是打开的，先将控制端口p3.7置零，接着由内部延时子程序进行延时，延时一段时间后，给p3.7口置一，这样由C9、R12构成的双向可控硅脉触发电路将产生一个正触发脉冲，送到双向可控硅的门极，电容C9选用0.1uF的独石电容，R12为100Ω的1/4W碳膜电阻。再通过内部延时子程序延时100uS左右，将P3.7口置零，在双向可控硅的门极将又产生一个负触发脉冲，可以确保双向可控硅在市电的正、负半周期内都可以导通的。触发脉冲宽度为：

τ=RC=0.1*100μS=10μS (4.13)

脉冲电流I脉冲约为：

VCC-VGT5-1.5

=A=35mA (4.14)

R12100

单片机P3.7口输出的控制脉冲和双向可控硅门极的正负触发脉冲如图4.11所示。

I脉冲=

图4.11 单片机P3.7口控制脉冲和双向可控硅触发脉冲

另外,由于双向可控硅接感性负载时,电源电压超前负载电流一个相位角,因此,当负载电流为零时,电源电压为反向电压,加上直流电机自感电动势的作用,使得双向可控硅承受的电压值远远超过电源电压。虽然双向可控硅反向导通,但容易击穿,故必须使双向可控硅能承受这种反向电压。一般在双向可控硅两极间并联一个RC阻容吸收电路,实现双向可控硅过电压保护。图4.12中，C8、R11构成了RC阻容吸收电路，R11选用51Ω的1/4W的碳膜电阻，C8选用耐压值为630V的0.1uF的聚丙烯电容，电容C8用来存储能量，电阻R11用来把这部分能量消耗掉。市电通过双向可控硅调压后经由四个整流二极管1N4007构成的整流桥进行全波整流，输出直流电压U0给直流电机：

U0=

U有效≈0.9U有效 (4.15)

将上述参数带入直流电机转速公式可得N为：

1π-α

0.9U市电sin2α--IR

2πα N= (4.16)

Cφ所以可以通过调节双向可控硅的触发角来控制直流电机的转速。

图 4.12 直流电机主电路

图5 软件流程图

本设计的软件部分采用C语言来编程，它有以下特点：

a、语言简洁、紧凑、使用方便、灵活。C语言一共只有32个关键字，9种控制语句，程序书写自由，主要用小写字母表示，压缩了一切不必要的成分。

b、运算符丰富。C的运算符包含的范围很广泛，共有34种运算符，使得C的运算类型极其丰富，表达式类型多样化，灵活使用各种运算符可以实现在其他高级语言中难以实现的运算。

c、数据结构丰富，具有现代化语言的各种数据结构，能用来实现各种复杂的数据结构的运算。

d、具有结构化的控制语句，用函数作为程序的模块单位，便于实现程序的模块化。 e、语法限制不太严格，程序设计自由度大。 f、C语言能进行位操作，能实现汇编语言的大部分功能，可以直接对硬件进行操作。因此，C既具有高级语言的功能，又具有低级语言的许多功能，可用来写系统软件。C语言的这种双重性，使它既是成功的系统描述语言，又是通用的程序设计语言。

g、生成目标代码质量高，程序执行效率高。

h、用C语言写的程序可移植性好。基本上不用修改就能用于各种型号的计算机和各种操作系统。对操作系统和系统实用程序以及需要对硬件进行操作的场合，用C语言明显优于其他高级语言，有的大型应用软件也用C语言来编写。

程序开始先定义单片机AT89C2051相关控制端口，并给相关变量赋初值。本设计中用到了三个中断，外部中断EX0，定时器T0、T1，首先开总中断EA，设定两个定时器T0、T1中断工作于方式1，16位定时器。然后给定时器赋初值，设定定时器每计满一次时间大约为60毫秒。接着开外部中断EX0,定时器T0、T1中断标志位，设定外部中断EX0为下降沿触发。接下来就不断的循环执行键盘扫描子程序。当响应外部中断EX0时，进入外部中断EX0的服务子程序，首先判断一下开关键是否为开，如果开了就会执行电机运行模式子程序。通过Switch函数扫描按键状态变量，执行相应的运行模式。如果开关是关断的，则给电机主回路控制端口P3.7置零。当响应定时器T0中断时，进入T0中断子程序，先给定时器T0重新赋初值，并给计数变量加一，接着判断一下计数变量是否计满，如果计满了，也就是从开机到目前为止有了4分钟时间，就选择关机，即给电机主回路控制端口P3.7置零，从而实现了自动关机的功能，否则返回继续执行键盘扫描程序。四档转速的控制主要是通过调节双向可控硅的触发角来实现调压的。每次响应外部中断EX0后，若开关为开，就在电机运行模式子函数中先给控制端口P3.7置零，通过延时不同的时间后给电机控制主回路端口P3.7置一，双向可控硅触发电路将产生一个正脉冲来触发双向可控硅，从而来控制导通角的大小，然后再延时约100微妙左右的时间，给电机控制主回路端口P3.7置零，这样又将在双向可控硅门极产生一个负的触发脉冲，可以保证无论市电在正负半周期内都可以导通，从而实现了双向可控硅的正负脉冲触发方式。其中的加速档和减速档是通过对它们的计数变量的值做相应处理来选择要执行的速度的。当循环档处于开时，启动定时器T1，默认值为最低档，定时满9秒钟更换一档，就这样一直循环下去，直到循环键再次按下，退出循环模式，关掉定时器T1，默认以最低档转速运行。

6 系统调试

6.1 硬件调试

6.1.1 Altium Designer 简介

电路设计自动化 EDA（Electronic Design Automation）指的就是将电路设计中各种工作交由计算机来协助完成。如电路原理图（Schematic）的绘制、印刷电路板（PCB）文件的制作、执行电路仿真（Simulation）等设计工作。随着电子科技的蓬勃发展，新型元器件层出不穷，电子线路变得越来越复杂，电路的设计工作已经无法单纯依靠手工来完成，电子线路计算机辅助设计已经成为必然趋势，越来越多的设计人员使用快捷、高效的CAD设计软件来进行辅助电路原理图、印制电路板图的设计，打印各种报表。

Altium Designer 是原Protel软件开发商Altium公司推出的一体化的电子产品开发系统，主要运行在Windows XP操作系统。这套软件通过把原理图设计、电路仿真、PCB绘制编辑、拓扑逻辑自动布线、信号完整性分析和设计输出等技术的完美融合，为设计者提供了全新的设计解决方案，使设计者可以轻松进行设计，熟练使用这一软件必将使电路设计的质量和效率大大提高。

Altium Designer 除了全面继承包括Protel 99SE、Protel DXP在内的先前一系列版本的功能和优点外，还增加了许多改进和很多高端功能。该平台拓宽了板级设计的传统界面，全面集成了FPGA设计功能和SOPC设计实现功能，从而允许工程设计人员能将系统设计中的FPGA与PCB设计及嵌入式设计集成在一起。由于Altium Designer 在继承先前Protel软件功能的基础上，综合了FPGA设计和嵌入式系统软件设计功能，Altium Designer 对计算机的系统需求比先前的版本要高一些。主要功能： 1) 原理图设计

2) 印刷电路板设计 3) FPGA的开发 4) 嵌入式开发等等 6.1.2 实物设计中的相关问题

整个硬件电路的制作和调试过程并不是一帆风顺的，期间遇到了很多意想不到问题，主要的设计及相关的问题的处理如下：

（1）首先是布局和焊接的顺序问题。合理的布局不但能够使设计本身变得美观，而且还有利于接下来的焊接。焊接的顺序也很重要，最好是一个模块一个模块的焊接，然后测试，这样更容易排除电路的故障，如果遇到问题可以通过以下步骤排查： 1）检查原理图连接是否正确

2）检查原理图与元器件的引脚是否一致

3）用万用表检查是否有虚焊，引脚短路等现象

（2）排除元器件自身故障。造成这种错误的原因有两个：一个是元器件买来的时候就已经损坏；另一个是由于焊接时元器件方向性判断错误，造成元器件烧坏。可以采取一些有效的检测措施，判断元器件是否正常。

（3）实物初次上电测试时，出现了开关失灵，电机出现不受控现象。经排查发现是电源输出的电压脉动大，原因是滤波电容太小，排除方法更换较大的铝电解电容。 6.2 软件调试 6.2.1 Keil简介

Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，

与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部分组合在一起。运行Keil软件需要WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系统。如果你使用C语言编程，那么Keil几乎就是你的不二之选，即使不使用C语言而仅用汇编语言编程，其方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具也会令你事半功倍。 6.2.2软件设计中的相关问题

因为本设计的软件部分并不是特别复杂，所以整个软件的设计过程中，遇到的问题不是特别多。第一次上电测试时发现加速键和减速键失灵，每次上电直流电机都会以不同的模式运行。经过反复阅读程序，估计是判断时选用的是While语句导致的。排除方法选用IF语句进行判断。

随着数字系统的飞速发展，以微控制器为核心的调速系统已成为主流的发展趋势。经过反复调试，本次设计已经基本符合任务书要求了。所设计的零式整流稳压电源能很好的工作，其输出电压波形很平稳，提供的电流也足够大。相对于变压器而言，不但节约了成本，而且重量轻，体积小。所设计的过零检测电路结构简单，性能稳定，反应灵敏，抗干扰能力强。双向可控硅采用了正负脉冲触发方式，这种触发方式可靠性高，能够保证双向可控硅在交流电正负半周期内都能够导通。通过按键可以控制电机按照任务书要求执行相应的功能，各功能都能很好的实现，现象很明显。

当然了本次设计还有很多不够完美的地方。本次设计虽然有意识的注意到了节约成本，选取了AT89C2051这种只有20个管脚但功能齐全的单片机，避免了资源的浪费。但由于本人坚持最初的设计理念，选择了光电耦合这种方式进行过零检测，没能够充分利用AT89C2051单片机本身自带的高精度电压比较器，不但浪费了单片机资源，还使得整个设计的费用变高了，而且其中的限流电阻造成了严重的能量损耗。

通过数月的不懈努力，毕业设计终于完成了。我感觉这段时间过的特别充实，在整个毕业设计过程中学到了很多东西，动手能力、理论运用于实际的能力都得到了很大的提升。

首先我要感谢我的导师，姚广平老师在整个毕业设计过程中给予的无私帮助。本课题的大量研究工作都是在姚老师的悉心指导下完成的，他还特意抽出周末的休息时间来校辅导我，多次纠正我设计中的错误让我改正，并为我提供了大量用于毕业设计的实验器材，给我提供了极大的便利。

同时我还要感谢那些关心教育过我的领导、老师还有那些和我讨论过问题的同学们，是你们的支持让我有了今天的收获。

最后，向在百忙中抽出宝贵时间参与论文评审和答辩的评委们表示由衷地感谢！

参考文献

[1] 何宝祥，朱正伟，刘训非等.模拟电路及其应用[M]. 北京：清华大学出版社，2008. [2] 王兆安,黄俊编著. 电力电子技术[M]. 北京：机械工业出版社，1994. [3] 赵良炳. 现代电力电子技术基础[M]. 北京：清华大学出版社，1995.

[4] (日）谷腰欣司编著, 王益全译. 直流电动机实际应用技巧[M].北京：科学出版社, 2006.

[5] 王幸之，钟爱琴. AT89系列单片机原理与接口技术[M]. 北京：北京航空航天大学出版社,2003.

[6] 何立民. MCS-51系列单片机应用系统设计[M]. 北京：北京航空航天大学出版，1990. [7] 赵德安. 单片机原理与应用[M]. 北京：机械工业出版社，2001.

二、程序清单

一、系统总图

void delay100us(uint p)

uint j,k,n,g,b,c,d;

void delayMS(uint z) {

uint x,y; for(x=z;x>0;x--) for(y=120;y>0;y--); }

#include #include #include

#define uint unsigned int sbit kg=P1^7; sbit is=P1^5; sbit ds=P1^3; sbit xh=P1^2; sbit kz=P3^7;

附录 A

常州大学本科生毕业设计（论文）

{

uint q,r; for(q=p;q>0;q--) for(r=9;r>0;r--); }

void model(uint m) {

switch(m)

{ case 0:kz=0;delayMS(7);kz=1;delay100us(1);kz=0;break; case 1:kz=0;delayMS(6);kz=1;delay100us(1);kz=0;break; case 2:kz=0;delayMS(5);kz=1;delay100us(1);kz=0;break; case 3:kz=0;delayMS(2);kz=1;delay100us(1);kz=0;break; default:break; } }

void keyscan()

{

if(kg==0) { delayMS(10); if(kg==0) { n++; TR0=1;//启动T0 } while(!kg); delayMS(10); }

if(is==0) {

delayMS(10); if(is==0) {

g++;

if(g>3) { g=3; }

if(n%2==1) { c=g; }

}

while(!is); delayMS(10); } if(ds==0) { delayMS(10); if(ds==0) {

g--; if(g>3) { g=0; }

if(n%2==1) { c=g; }

}

while(!ds); delayMS(10); } if(xh==0) { delayMS(10); if(xh==0) {

if(n%2==1)

{ j++; if(j%2==1) {

c=0; TR1=1; } else { c=0; TR1=0; } } }

while(!xh); delayMS(10); }

}

void main() {

j=0; k=0; n=0; g=0; b=0; c=0; d=0;

TMOD=0X01;

TH0=(65535-60000)/256; TL0=(65535-60000)%256; TH1=(65535-60000)/256; TL1=(65535-60000)%256; IE=0x8B;

IT0=1;//下降沿触发 while(1) { keyscan();

} }

void EX0_INT() interrupt 0 {

if(n%2==1) { model(c); } else { kz=0; } }

void Timer0() interrupt 1 {

TH0=(65535-60000)/256; TL0=(65535-60000)%256; d++;

if(d==4000) { n=0; } }

void Timer1() interrupt 3 {

TH0=(65535-60000)/256; TL0=(65535-60000)%256; k++;

if(k==150) { k=0; b++; if(b==1) { c=1;

常州大学本科生毕业设计（论文）

}

else if(b==2)

{

c=3;

}

else

{

b=0;

c=0;

}

三、实物图

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