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《常用控制电路》学习笔记——数字控制直流电动机调速电路

书中该节讲述的电路通过ADC芯片将电位器的阻值转换为电压量，然后使用单片机输出PWM进行电路控制。本电路也可扩展应用至需要模拟量输入与输出的场合。

目录

一、系统设计思路

二、各模块电路分析

2.1电路构成

2.2工作状态分析

三、程序分析

3.1 变量定义

3.2 延时程序

3.3 ADC0809采集程序

3.4 主程序

3.5 模拟时钟

四、电路仿真结果

五、番外

5.1 关于此电路

5.2 ADC0809与逐次渐进式AD采样方法

参考资料

一、系统设计思路

书中使用的系统方案如图1-1所示：

图1-1 系统方案框图

系统使用了电位器->ADC采集电路->单片机PWM输出->电机驱动电路的方案。使用电位器的模拟量作为输入，用使用ADC芯片将之转换为数字信号，用ADC芯片采集后控制产生PWM波，最后使用电机驱动电路驱动电机工作。

二、各模块电路分析

模块电路如图2-1所示

图2-1 整体电路图

2.1电路构成

电路比较简单，由单片机、ADC芯片与电动机驱动电路构成。

51单片机的P1端口引脚与ADC芯片输出端相连，用于采集数字化后的模拟量。采集后再由P3.7引脚输出PWM波。由于仿真软件没有电位器和可调电阻这样的器件，所以书中使用了一个恒压源代替电位器做模拟输入。

驱动电路部分，书中使用了两级NPN三极管驱动电机。

2.2工作状态分析

电路工作是数据流向如下：

1、电位器调节产生的电压输入到ADC芯片的IN0端口

2、ADC采集芯片将模拟量转换为数字量并在OUT端输出

3、单片机采集转换后的数字信号

4、单片机根据数字信号产生PWM波，控制电机旋转

三、程序分析

3.1 变量定义

#include <reg51.h>
#include <stdio.h>

sbit EOC = P2^6;
sbit START = P2^5;
sbit OE = P2^7;
sbit CLK = P2^4;
sbit PWM = P3^7;
unsigned char ad_data;

图3-1 程序头文件及变量定义

程序的变量定义如图3-1所示。程序使用ad_data存储采样后的值；sbit（位定义）配置的变量，名称和电路图中一致。此处不做赘述。

3.2 延时程序

void delay_ms(unsigned int z)
{
   unsigned int x,y;
   for(x=z;x>0;x--)
      for(y=110;y>0;y--)
				{
					;
				}
}

图3-2 延时函数

延时子函数如图3-2所示。51单片机每12个时钟周期为一个机器周期，每10个时钟震荡为一个时钟周期。

对于书中采用的12M晶振，有1机器周期=12时钟周期=120时钟震荡；即1机器周期为1us。

C:0x0019    D3       SETB     C
C:0x001A    EF       MOV      A,R7
C:0x001B    9400     SUBB     A,#0x00
C:0x001D    EE       MOV      A,R6
C:0x001E    9400     SUBB     A,#0x00
C:0x0020    4014     JC       C:0036
C:0x0022    7D6E     MOV      R5,#0x6E
C:0x0024    7C00     MOV      R4,#0x00
C:0x0026    ED       MOV      A,R5
C:0x0027    1D       DEC      R5
C:0x0028    7001     JNZ      C:002B
C:0x002A    1C       DEC      R4
C:0x002B    ED       MOV      A,R5
C:0x002C    4C       ORL      A,R4
C:0x002D    70F7     JNZ      C:0026
C:0x002F    EF       MOV      A,R7
C:0x0030    1F       DEC      R7
C:0x0031    7001     JNZ      C:0034
C:0x0033    1E       DEC      R6
C:0x0034    80E3     SJMP     delay_ms(C:0019)
C:0x0036    22       RET

图3-3 延时函数的汇编代码

反汇编程序如图3-3所示。其中SETB置位指令耗时1机器周期；MOV指令在有寄存器Rn或累加器A参与时耗时1周期，含有立即数时耗时两周期；SUBB减法指令耗时1周期；DEC减1指令耗时1周期条件跳转指令JC和JNE均耗时2周期；位或运算指令ORL耗时2周期；SJUM跳转指令耗费2周期；此外调用程序时的LCALL和返回时的RET指令各耗费2周期。

故可算出延时函数最内层循环总共占用了单片机的周期数，即0x0026~0x0024地址程序的执行一次占用的周期数为9周期，循环110次即为990周期，再加上外层for循环必定执行的两次带立即数的MOV，一次使用寄存器的MOV，一次DEC自减指令，一次ORL或指令，一次条件跳转JNZ，共占用了9周期。和预期延时1ms基本一致。

3.3 ADC0809采集程序

void ADC0809()
{
   OE = 0;
   START = 0;
   START = 1;
   START = 0;
   delay_ms(1);
   while(!EOC);
      OE = 1;
   ad_data = P1;
   OE = 0;
}

图3-4 ADC0809采集程序

采集程序相对简单。给START（P2^5）一个正脉冲后延时1ms，等待EOC（end-of-conversion）的转换完毕（此时EOC由芯片内部电路置1），随后将输出使能OE置1，将P1输入存入8位变量ad_data，最后将输出使能置0，完成采集。

3.4 主程序

void main(void)
 { 
   // Write your code here
    EA = 1;
    TMOD=0x02;
    TH0 = 216;
    TL0 = 216;
    TR0 = 1;
    ET0 = 1;
   while (1)
   {
      ADC0809();
      PWM = 1;
      delay_ms(ad_data);
      PWM = 0;
      delay_ms(255-ad_data);
    }
 }

图3-5 主程序

主程序循环读取ADC采样值，根据采样值模拟出PWM波。显然程序的PWM频率较低。

3.5 模拟时钟

void t0() interrupt 1 using 0
{
    CLK = ~CLK;
}

图3-6 时钟模拟程序

本电路使用单片机的管脚P2^4作为ADC芯片时钟信号输入，时钟模拟电路在每次timmer0中断执行时给CLK变量取反，即翻转P2^4的输出。

四、电路仿真结果

电路仿真结果如图4-1到图4-4四图，可知电位器产生的电压确能控制程序PWM波（若周老师书中的PWM是使用定时器产生，频率将会更高，控制性能也会更好）。

图4-1 500mV电压模拟输出结果

图4-2 1V电压模拟输出结果 

图4-3 3V电压模拟输出结果 

图4-4 5V电压模拟输出结果

五、番外

5.1 关于此电路

此电路是典型的使用模拟量输入控制数字量（PWM）输出的电路实例。虽然现在已经很少见到51单片机作为实际使用，现在的芯片也基本都可以直接使用管脚进行AD采样，但本电路仍十分具有代表意义。

5.2 ADC0809与逐次渐进式AD采样方法

ADC0809芯片是一款8位逐次逼近式模数转换器，8位意为其采样分辨率为2^8次方，即分辨率是256

 图5-1 ADC0809说明

逐次渐进式AD采样方法如图5-1所示。逐次渐进式比较电路共有256个内部电阻，内部数字开关由SAR（successive approximation register）逐次逼近寄存器控制。当电压变化时，SAR控制内部电路开关，利用电阻的分压完成模/数转换。

图中Figure 4和5分别是A/D转换曲线和A/D绝对精度曲线，读者可在数据手册中找到详细介绍，此处不做赘述。

参考资料

[1] 周润景,谢亚楠.常用控制电路设计及应用[M].北京:电子工业出版社,2017:9

[2] ADC0808/ADC0809 8-Bit μP Compatible A/D Converters with 8-Channel Multiplexer[M].Texas Instruments,SNAS535H–OCTOBER 1999–REVISED MARCH 2013:9

版权声明：本文为CSDN博主「迷之凯旋」的原创文章，遵循CC 4.0 BY-SA版权协议，转载请附上原文出处链接及本声明。
原文链接：https://blog.csdn.net/geng6614/article/details/122144527

书中该节讲述的电路通过ADC芯片将电位器的阻值转换为电压量，然后使用单片机输出PWM进行电路控制。本电路也可扩展应用至需要模拟量输入与输出的场合。

目录

一、系统设计思路

二、各模块电路分析

2.1电路构成

2.2工作状态分析

三、程序分析

3.1 变量定义

3.2 延时程序

3.3 ADC0809采集程序

3.4 主程序

3.5 模拟时钟

四、电路仿真结果

五、番外

5.1 关于此电路

5.2 ADC0809与逐次渐进式AD采样方法

参考资料

一、系统设计思路

书中使用的系统方案如图1-1所示：

图1-1 系统方案框图

系统使用了电位器->ADC采集电路->单片机PWM输出->电机驱动电路的方案。使用电位器的模拟量作为输入，用使用ADC芯片将之转换为数字信号，用ADC芯片采集后控制产生PWM波，最后使用电机驱动电路驱动电机工作。

二、各模块电路分析

模块电路如图2-1所示

图2-1 整体电路图

2.1电路构成

电路比较简单，由单片机、ADC芯片与电动机驱动电路构成。

51单片机的P1端口引脚与ADC芯片输出端相连，用于采集数字化后的模拟量。采集后再由P3.7引脚输出PWM波。由于仿真软件没有电位器和可调电阻这样的器件，所以书中使用了一个恒压源代替电位器做模拟输入。

驱动电路部分，书中使用了两级NPN三极管驱动电机。

2.2工作状态分析

电路工作是数据流向如下：

1、电位器调节产生的电压输入到ADC芯片的IN0端口

2、ADC采集芯片将模拟量转换为数字量并在OUT端输出

3、单片机采集转换后的数字信号

4、单片机根据数字信号产生PWM波，控制电机旋转

三、程序分析

3.1 变量定义

#include <reg51.h>
#include <stdio.h>

sbit EOC = P2^6;
sbit START = P2^5;
sbit OE = P2^7;
sbit CLK = P2^4;
sbit PWM = P3^7;
unsigned char ad_data;

图3-1 程序头文件及变量定义

程序的变量定义如图3-1所示。程序使用ad_data存储采样后的值；sbit（位定义）配置的变量，名称和电路图中一致。此处不做赘述。

3.2 延时程序

void delay_ms(unsigned int z)
{
   unsigned int x,y;
   for(x=z;x>0;x--)
      for(y=110;y>0;y--)
				{
					;
				}
}

图3-2 延时函数

延时子函数如图3-2所示。51单片机每12个时钟周期为一个机器周期，每10个时钟震荡为一个时钟周期。

对于书中采用的12M晶振，有1机器周期=12时钟周期=120时钟震荡；即1机器周期为1us。

C:0x0019    D3       SETB     C
C:0x001A    EF       MOV      A,R7
C:0x001B    9400     SUBB     A,#0x00
C:0x001D    EE       MOV      A,R6
C:0x001E    9400     SUBB     A,#0x00
C:0x0020    4014     JC       C:0036
C:0x0022    7D6E     MOV      R5,#0x6E
C:0x0024    7C00     MOV      R4,#0x00
C:0x0026    ED       MOV      A,R5
C:0x0027    1D       DEC      R5
C:0x0028    7001     JNZ      C:002B
C:0x002A    1C       DEC      R4
C:0x002B    ED       MOV      A,R5
C:0x002C    4C       ORL      A,R4
C:0x002D    70F7     JNZ      C:0026
C:0x002F    EF       MOV      A,R7
C:0x0030    1F       DEC      R7
C:0x0031    7001     JNZ      C:0034
C:0x0033    1E       DEC      R6
C:0x0034    80E3     SJMP     delay_ms(C:0019)
C:0x0036    22       RET

图3-3 延时函数的汇编代码

反汇编程序如图3-3所示。其中SETB置位指令耗时1机器周期；MOV指令在有寄存器Rn或累加器A参与时耗时1周期，含有立即数时耗时两周期；SUBB减法指令耗时1周期；DEC减1指令耗时1周期条件跳转指令JC和JNE均耗时2周期；位或运算指令ORL耗时2周期；SJUM跳转指令耗费2周期；此外调用程序时的LCALL和返回时的RET指令各耗费2周期。

故可算出延时函数最内层循环总共占用了单片机的周期数，即0x0026~0x0024地址程序的执行一次占用的周期数为9周期，循环110次即为990周期，再加上外层for循环必定执行的两次带立即数的MOV，一次使用寄存器的MOV，一次DEC自减指令，一次ORL或指令，一次条件跳转JNZ，共占用了9周期。和预期延时1ms基本一致。

3.3 ADC0809采集程序

void ADC0809()
{
   OE = 0;
   START = 0;
   START = 1;
   START = 0;
   delay_ms(1);
   while(!EOC);
      OE = 1;
   ad_data = P1;
   OE = 0;
}

图3-4 ADC0809采集程序

采集程序相对简单。给START（P2^5）一个正脉冲后延时1ms，等待EOC（end-of-conversion）的转换完毕（此时EOC由芯片内部电路置1），随后将输出使能OE置1，将P1输入存入8位变量ad_data，最后将输出使能置0，完成采集。

3.4 主程序

void main(void)
 { 
   // Write your code here
    EA = 1;
    TMOD=0x02;
    TH0 = 216;
    TL0 = 216;
    TR0 = 1;
    ET0 = 1;
   while (1)
   {
      ADC0809();
      PWM = 1;
      delay_ms(ad_data);
      PWM = 0;
      delay_ms(255-ad_data);
    }
 }

图3-5 主程序

主程序循环读取ADC采样值，根据采样值模拟出PWM波。显然程序的PWM频率较低。

3.5 模拟时钟

void t0() interrupt 1 using 0
{
    CLK = ~CLK;
}

图3-6 时钟模拟程序

本电路使用单片机的管脚P2^4作为ADC芯片时钟信号输入，时钟模拟电路在每次timmer0中断执行时给CLK变量取反，即翻转P2^4的输出。

四、电路仿真结果

电路仿真结果如图4-1到图4-4四图，可知电位器产生的电压确能控制程序PWM波（若周老师书中的PWM是使用定时器产生，频率将会更高，控制性能也会更好）。

图4-1 500mV电压模拟输出结果

图4-2 1V电压模拟输出结果 

图4-3 3V电压模拟输出结果 

图4-4 5V电压模拟输出结果

五、番外

5.1 关于此电路

此电路是典型的使用模拟量输入控制数字量（PWM）输出的电路实例。虽然现在已经很少见到51单片机作为实际使用，现在的芯片也基本都可以直接使用管脚进行AD采样，但本电路仍十分具有代表意义。

5.2 ADC0809与逐次渐进式AD采样方法

ADC0809芯片是一款8位逐次逼近式模数转换器，8位意为其采样分辨率为2^8次方，即分辨率是256

 图5-1 ADC0809说明

逐次渐进式AD采样方法如图5-1所示。逐次渐进式比较电路共有256个内部电阻，内部数字开关由SAR（successive approximation register）逐次逼近寄存器控制。当电压变化时，SAR控制内部电路开关，利用电阻的分压完成模/数转换。

图中Figure 4和5分别是A/D转换曲线和A/D绝对精度曲线，读者可在数据手册中找到详细介绍，此处不做赘述。

参考资料

[1] 周润景,谢亚楠.常用控制电路设计及应用[M].北京:电子工业出版社,2017:9

[2] ADC0808/ADC0809 8-Bit μP Compatible A/D Converters with 8-Channel Multiplexer[M].Texas Instruments,SNAS535H–OCTOBER 1999–REVISED MARCH 2013:9

版权声明：本文为CSDN博主「迷之凯旋」的原创文章，遵循CC 4.0 BY-SA版权协议，转载请附上原文出处链接及本声明。
原文链接：https://blog.csdn.net/geng6614/article/details/122144527

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