第1章 绪论
1.2 课题目的和意义
以往的电动机控制器均采用模拟电路方式，使得电路复杂，灵活性小，控制精度低，所以研究用微处理器取代模拟电路作为电动机是本课题的目的和意义。
微处理器取代模拟电路作为电动机的控制器有如下特点。
（1）使电路更简单
模拟电路为了实现控制逻辑需要许多电子元件，是电路复杂。采用为处理器后，绝大多数控制逻辑可通过软件实现。
（2）可以实现较复杂的控制
微处理器有更强的逻辑功能、运算速度快、精度高、有大容量的存储单元，因此有能力实现复杂的控制，如优化控制等。
（3）灵活性和适应性
微处理器的控制方式由软件完成的。如果须要修改控制规律，一般不必改变系统的硬件电路，只须修改程序即可。在系统调试和升级时，可以不断尝试选择最优参数，非常方便。
（4）无零点飘移，控制精度高
数字控制不会出现模拟电路中经常遇到的零点漂移问题。无论被控量的大或小，都可以保证足够的控制精度。
（5）可提供人机界面，多机联网工作
现在普遍采用单片机作为电动机的控制器。实际上可作为电动机控制器的原件还有很多种、例如工业控制计算机、可编程控制器（PLC），数字信号处理器（DSP）。
工业控制计算机可谓功能最强大，它有极高的速度、强大的运算能力和接口功能、方便的软件环境；单由于成本高、体积大，所以中用于大型控制系统。
可编程控制器则正好相反，它只能完成逻辑判断、定时、计数和简单的运算。由于功能太弱，所以它只能用于简单的电动机控制。
单片机介于工业控制计算机和可编程控制器之间，它有较强的控制功能、低廉的成本。人们在选择电动机的控制器是，常常在先满足功能的需要的同时，油画选择成本低的控制器。因此，单片机往往成为优先选择的目标，从最近的统计数字也可以看出，世界上每年要有25亿片单片机投入使用。单片机是目前世界上使用量最大的微处理器。
1.3 国内外研究现状
单片机产生于20世纪70年代。在我国经历了Z80单片机时代和MCS-51单片机时代。现在老的MCS-51单片机时代已渐渐过去了，新一代的各种各样的单片机不断出现，以至于无法给出哪一种单片机最好。新型单片机都具有如下特点。
(1)功能大大地增强了
许多单片机生产公司将16位单片机的性能下移到8位单片机，，在单片机的内部增加了如PWM口、比较和捕捉功能、A/D转换器等，并增加了看门狗、各种串行总线接口等功能，使新一代的单片机功能更强大。
PWM口广泛地应用在直流电动机控制中。它一经初始化设定后会自动地发出PWM控制信号，CPU之在需要调整参数时才介入。
捕捉功能在电动机控制中可用于测頻。它相当于老式单片机中用计算器与外中断联合测頻功能。
在有模拟信号存在的情况下（例如用直流测速发电机测速，或测量电动机绕组的输出电压或电流），如果要将模拟信号输入单片机，A/D转换器是必不可少的，将A/D转换器是必不可少的，将A/D转换器是必不可少的，将A/D转换器集成在单片机内，将带来极大的方便。
电动机是一个电磁干扰源。电动机的启停还会影响电网电压的波动，他周围的电器开关也会引发火花干扰。因此，除了采用必要的隔离、屏蔽和电路板合理布线等措施外，看门狗的功能就会显得格外重要。看门狗在工作时不断地监视程序运行的情况，一旦程序“跑飞”，会立刻使单片机复位。
近年来，单片机的一个重大变化是出现了各种同步串行总线，如SPI总线，I2C总线只使用2条信号线），所以电路占用电路板的面积大大减小。与并行总线相比，其信号受干扰的可能性也小。还有一个最突出的优点是单片机可利用的引脚相对增多，这就是同步串行总线风靡起来的原因，它大有取代并行总线之势。在电动机的控制中，要用到键盘和显示器作为人机界面，有时还要用到外接存储器，这时使用有同步串行总线接口的芯片将会大大减少电路的尺寸，降低成本。
(2)速度更快了
速度更快了是新一代单片机的又一个最大特点。用单机对电动机进行实时控制，经常采用一些优化算法，如数字PID控制、数字滤波等。对于实时性很强的控制，速度低的单片机往往不能胜任。新一代单片机的速度比老式单片机的速度提高了1倍多。例如，PHILIPS公司生产的89CXX系列8位单片机的工作频率已达33MHZ；WINBOND公司生产的W78系列8位单片机的工作频率高达41MHZ；SIEMENS公司的SAB-C5系列8位单片机的工作频率已达到48MHZ。
单片机速度提高的原因是采用了流水线技术，执行指令与提取指令可同时完成。另外，有些单片机采用了RISC（rcduced instruction set computer）结构技术，使指令执行的速度得到提高，如美国国家半导体公司的COP8SK系列8位单片机，美国Microchip公司的PIC系列8位单片机。
(3)小型化和低功耗
由于采用了同步串行总线，可以减少无用的引脚。另外，由于采用了内部FLASH存储器，没有必要保留外接并行存储器的引脚，这些都使单片机引脚的数目可以大大减少。这一方面提供了更多的引脚作为I/O口使用，另一方面可以去掉众多引脚而使芯片小型化。例如美国Microchip公司推出8引脚和18引脚的8位PIC系列单片机；台湾翼龙公司的18引脚的8位EM78系列单片机；中国武汉力源公司和LG半导体公司和LG半导体公司合作生产的20引脚的8位GMS97C1051/2051单片机；ATMEL公司生产的20引脚的8位AT89C2051单片机。小型化的单片机给用户提供了低成本、电路尺寸的选择。
单片机的低电压和低功耗也是新一代单片机的特色。大多数单片机都有休眠省电工作方式，一些单片机还采用3V电压供电，这些措施都可以减少单片机耗电。这对于移动设备的电动机控制提供了帮助。这样的设备诸如数码摄像机、便携式仪器、便携式视听设备、笔记本电脑中的光盘驱动器和磁盘驱动器等。
过去多数人认为8位单片机不适合作为电动机的控制器，而转向使用16位单片机，但是现在应当刮目相看了。由于8位单片机的功能和速度都与16位单片机不想上下，而且价格便宜，易于与占多数的8位芯片接口，同时越来越多的电动机专用集成电路的使用使单片机减轻了许多沉重的负担；因此，8位单片机会成为普通电动机控制的主流处理器。
数字信号处理器DSP是近来涌现的一个后起之秀。它也属于微处理器的一种。DSP出现在20世纪80年代，随着销售价格的下降开始逐渐进入电动机控制领域。例如，美国TI公司的TMS320C23X系列，美国AD公司的ADMC系列，这些公司都研制出以DSP为内核的集成电动机控制芯片，这些芯片不但具有高速信号处理能力和数字控制功能，而且还有为电动机控制应用所必须的外围功能。例如，TMS320F240 DSP有32为累加器，8KB FLASH ROM、512B的RAM、3个定时器、16位外部数据总线这些强大的数字处理功能；此外，还有12路PWM输出、2个10位ADC转换器、可编程死区控制功能，可编程空间PWM控制方式等电动机控制所特有的资源。
在电动机控制系统中采用电动机专用的DSP，不但可以实现如矢量控制、直接转矩控制这样的控制算法，而且也有条件完成现代控制理论或智能控制的一些复杂算法，如自适应控制，神经网络等，这是单片机所不及的。
第2章 系统硬件控制模块及接口设计.........8
2.1 微控制器性能及硬件接口设计.........8
2.2 RS232硬件接口设计.........16
2.3 PWM模块接口设计.........25
2.3.1 直流电动机电枢的PWM调压原理.........25
2.3.2 CCP模块PWM模式原理.........28
2.3.3 PWM接口硬件设计.........29
2.4 小结.........30
第3章 系统软件设计.........31
3.1 软件开发工具.........31
3.2 初始化模块.........32
3.3 中断模块通讯模块以及通讯程序的设计.........34
3.4 小结.........40
第4章 系统调试及运行状况.........41
4.1 系统调试中出现的问题及解决办法.........41
4.2 系统运行状况.........41
4.3 小结.........42
第5章 结论
为了能更好的控制生活生产中的各种直流电动机的转速开发了本系统。本系统是假设按照实际应用的要求所开发的，可以应用于需要精确控制的各种直流电动机设备中。本系统配有RS232串行接口，用户可以通过PC机操作控制电机转速，调速系统中的反馈信息如各种错误信息和状态信息以及通讯确认信息也可以传送到PC机中，以供操作人员参考。该系统的MCU采用Microchip公司的PIC18F6622单片机，该单片机接口能力强，功能强大，抗干扰能力强。串口通讯采用Maximum公司的Max232pwe，该芯片能保护电路，隔绝干扰，大幅简化串口通讯信号转换。PC机客户端用VC6.0开发可视化界面，方便系统的学习和操作。
在本系统的设计中，基本达到课题的要求。在老师的指导下，通过本次实践使我获益匪浅，特别是单片机的知识整合上，相信对将来的硬件方面的知识有了整体的提高。但系统某些细节方面还不够完美，程序的执行效率和代码长度优化的不够理想，PID算法由于种种原因只在Matlab中进行了模拟，没有通过硬件在系统中实现，在将来还需要逐步完善。
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