基于單片機的直流電機調(diào)速

1、工程實訓(xùn) /吸八里基于單片機的直流目 錄 電子與信息工S諭1系統(tǒng)班信餐與通信一健素-2班姓 名：王坤學(xué) 號：指導(dǎo)教師：張沛泓一 直流電機調(diào)速器簡介直流電機調(diào)速器脈寬調(diào)制的全稱為： PulseWidthModulator 簡稱 PWM ， 直流電機調(diào)速器就是調(diào)節(jié)直流電動機速度的設(shè)備， 由于直流電動機具有低轉(zhuǎn)速大力矩的特點，是交流電動機無法取代的， 因此調(diào)節(jié)直流電動機速度的設(shè)備直流調(diào)速器，由于它的特殊性能、常被用于直流負(fù)載回路中、燈具調(diào)光或直流電動機調(diào)速、 HW-1020 型調(diào)速器、就是利用脈寬調(diào)制（PWM原理制作的馬達(dá)調(diào)速器、PWM調(diào)速器已經(jīng)在：工業(yè)直流電機調(diào)速、工業(yè)傳 送帶調(diào)速、燈光照明調(diào)解、

2、計算機電源散熱、直流電扇等、得到廣泛應(yīng)用。調(diào)速原理直流電動機根據(jù)勵磁方式不同，分為自勵和他勵兩種類型。不同勵磁方式的機械特性曲線有所不同，對于直流電動機的轉(zhuǎn)速有以下公式： 其中：UH電壓； 扇一勵磁繞組電阻；一磁通(Wb);C c一電勢常數(shù)；C一轉(zhuǎn)矩常量。由上式可知，直流電機的速度控制分兩種方法，有電樞控制法和磁場控制法。比較兩種方法優(yōu)劣，對于磁場控制法，其控制功率較小，低速傳動時易受到磁極飽和限制，而高速傳動時又受到換向火花和換向器結(jié)構(gòu)限制。所以磁場控制法并不合適，電樞控制法在電機調(diào)速中是比較常用的方法。直流電動機的基本結(jié)構(gòu)直流電機的結(jié)構(gòu)是多種多樣的，但任何直流電機都包括定子部分和轉(zhuǎn)子 部分

3、，這兩部分間存在著一定大小的氣隙， 使電機中電路和磁場發(fā)生相對運 動.直流電機定子部分主要由主磁極，電刷裝置和換向 極等組成，轉(zhuǎn)子部分 主要由電樞繞組，換向器和轉(zhuǎn)軸等構(gòu)成，如下圖所示：圖1-1直流電機工作原理圖電樞控制即在勵磁電壓不變的情況下，把控制電壓信號加到電機的電樞上，以控制電機的轉(zhuǎn)速。在電機調(diào)速中廣泛使用，其中脈寬調(diào)制應(yīng)用廣泛。脈寬調(diào)速的概念是利用一個固定的頻率來控制電源的接通或斷開，并通過改變一個周期內(nèi)“接通”和“斷開” 時間的長短，即改變直流電機電樞上電壓的“占空比”來改變平均電壓的大小，從而控制電動機的轉(zhuǎn)速。圖1-2直流電機脈寬調(diào)制圖根據(jù)上圖，當(dāng)電動機始終接通電源時，電機轉(zhuǎn)速最大

4、為Vmax,占空比為D 則電機T的平均速度為：Vd Vmax*D可見只要改變占空比 D,就可以得到不同的電機速度，從 而實現(xiàn)調(diào)速。直流調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)方式PWM為主控電路的調(diào)速系統(tǒng)：基于單片機類由軟件來實現(xiàn) PWM ,在PWM調(diào)速系 統(tǒng)中占空比是一個重要參數(shù)，電源電壓不變時，電樞端電壓的平均值取決于占空比的大 小，改變的值可以改變電樞端電壓的平均值：1、定寬調(diào)頻法：保持t1不變，只改變t,使周期也隨之改變。2、調(diào)寬調(diào)頻法：保持t不變，只改變t1,使周期或頻率也隨之改變。3、定頻調(diào)寬法：保持周期 T(或頻率)不變，同時改變t1和t。1 和 2 方法在調(diào)速時改變了控制脈沖的周期或頻率， 當(dāng)控制脈沖的頻

5、率與系統(tǒng)的固有頻率接近時，將會引起振蕩，因而不合適，用定頻調(diào)寬法來改變占空比從而改變直流電動機電樞兩端電壓?？刂瞥绦虻脑O(shè)計軟件采用定時中斷進行設(shè)計。當(dāng)單片機上電后，系統(tǒng)進入準(zhǔn)備狀態(tài)。當(dāng)按動按鈕后執(zhí)行相應(yīng)的程序，根據(jù)的高低電平?jīng)Q定直流電機正反轉(zhuǎn)。根據(jù)加、減速按鈕，調(diào)整輸出高低電平的占空比，從而可以控制高低電平的延時時間，進而控制電壓的大小來決定直流電機的轉(zhuǎn)速。二 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計系統(tǒng)總體設(shè)計框圖及單片機系統(tǒng)的設(shè)計本系統(tǒng)采用 STC89C51 控制輸出數(shù)據(jù)，由單片機IO 口產(chǎn)生 PWM 信號，送到直流電機，直流電機通過測速電路將實時轉(zhuǎn)速送回單片機，進行轉(zhuǎn)速顯示，從而實現(xiàn)對電機速度和轉(zhuǎn)向的控制，達(dá)

6、到直流電機調(diào)速的目的。具體使用器件如下：1) 9*15萬用板2) 51單片機3) 40腳IC座4) 1602液晶5) 16P母座6) 16p 排針 7) 10k 電阻 *3 8) 1k 電阻 *5 9) 3v 直流電機 10) 磁鐵 *211) 塑料管 12) 3144 霍爾傳感器13) 4148 二極管 *4 14) 8050 三極管 *415) 8550三極管 *216) 103排阻 17) 104獨石電容 18) 10uf 電解電容19) 30Pf 瓷片電容 *2 20) 12M 晶振 21) 按鍵 *622) 自鎖開關(guān)23) DC 電源插口 24) 導(dǎo)線若干25) 焊錫若干26) US

7、B 電源線所以，直流電機調(diào)速系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如下所示：圖 2-1 系統(tǒng)總體設(shè)計圖STC89C51 單片機STC89C51 單片機由 CPU 和 8 個部件組成， 它們都通過片內(nèi)單一總線連接， 其基本 結(jié)構(gòu)依然是通用 CPU 加上外圍芯片的結(jié)構(gòu)模式，但在功能單元的控制上采用了特殊功 能寄存器的集中控制方法。中央處理器CPU:它是單片機的核心，完成運算和控制功能。內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器： STC89C51 芯片中共有256 個 RAM 單元，能作為存儲器使用的只是前128個單元，其地址為00H 7FH。通常說的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器就是指這前128個單元，簡稱內(nèi)部RAM 。內(nèi)部程序存儲器： STC89C51 芯片

8、內(nèi)部共有4K 個單元，用于存儲程序、原始數(shù)據(jù)或表格，簡稱內(nèi)部ROM。定時器： STC89C51 片內(nèi)有 2 個 16 位的定時器，用來實現(xiàn)定時或者計數(shù)功能，并且以其定時或計數(shù)結(jié)果對計算機進行控制。中斷控制系統(tǒng)：該芯片共有5 個中斷源，即外部中斷2 個，定時 / 計數(shù)中斷 2 個和串行中斷 1 個。其基本組成如下圖所示:圖 2-2 單片機的組成STC89C51 單片機引腳圖及其功能圖 2-3 單片機引腳圖VCC ：供電電壓。GND ：接地。P0 口： P0 口為一個 8 位漏級開路雙向 I/O 口，每腳可吸收8TTL 門電流。當(dāng) P1 口的管腳第一次寫 1 時，被定義為高阻輸入。 P0 能夠用于

9、外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/ 地址的第八位。在FIASH 編程時， P0 口作為原碼輸入口，當(dāng) FIASH 進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。P1 口： P1 口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 口緩沖器能接收輸出4TTL 門電流。 P1 口管腳寫入1 后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入， P1 口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH 編程和校驗時， P1 口作為第八位地址接收。P2 口： P2 口為一個內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 口緩沖器可接收，輸出 4個 TTL 門電流，當(dāng) P2 口被寫“

10、 1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時， P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2 口當(dāng)用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時， P2 口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時， P2 口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。 P2 口在 FLASH 編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。P3 口： P3 口管腳是 8 個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個 TTL 門電流。當(dāng) P3 口寫入“ 1 ”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉

11、為低電平， P3 口將輸出電流（ ILL ）這是由于上拉的緣故。RXD （串行輸入口）TXD （串行輸出口）/INT0 （外部中斷0）/INT1 （外部中斷1）T0 （記時器0 外部輸入）T1 （記時器1 外部輸入）/WR （外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）/RD （外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）P3 口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。I/O 口作為輸入口時有兩種工作方式，即所謂的讀端口與讀引腳。讀端口時實際上并不從外部讀入數(shù)據(jù)， 而是把端口鎖存器的內(nèi)容讀入到內(nèi)部總線， 經(jīng)過某種運算或變換后再寫回到端口鎖存器。 只有讀端口時才真正地把外部的數(shù)據(jù)讀入到內(nèi)部總線。 上面圖中的兩個三角形表示的就是輸入緩沖器

12、CPU 將根據(jù)不同的指令分別發(fā)出讀端口或讀引腳信號以完成不同的操作。這是由硬件自動完成的，不需要我們操心，1 然后再實行讀引腳操作，否則就可能讀入出錯，為什么看上面的圖，如果不對端口置1 端口鎖存器原來的狀態(tài)有可能為 0， Q 端為0。 Q 為 1 加到場效應(yīng)管柵極的信號為 1，該場效應(yīng)管就導(dǎo)通對地呈現(xiàn)低阻抗，此時即使引腳上輸入的信號為 1，也會因端口的低阻抗而使信號變低使得外加的 1 信號讀入后不一定是1。若先執(zhí)行置1 操作，則可以使場效應(yīng)管截止引腳信號直接加到三態(tài)緩沖器中實現(xiàn)正確的讀入， 由于在輸入操作時還必須附加一個準(zhǔn)備動作，所以這類I/O 口被稱為準(zhǔn)雙向口。 89C51 的 P0/P1

13、/P2/P3 口作為輸入時都是準(zhǔn)雙向口。RST： 復(fù)位輸入， 當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時， 要保持 RST 腳兩個機器周期的高電平時間。ALE/PROG ：當(dāng)訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在 FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時， ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6 。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE 脈沖。如想禁止 ALE 的輸出可在SFR8EH 地址上置 0。 此時， ALE 只有在執(zhí)行MOVX ， MOVC指令是 ALE 才起作用。另外，該引腳

14、被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。/PSEN:外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次 /PSEN 有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的 /PSEN 信號將不出現(xiàn)。/EA/VPP ：當(dāng) /EA 保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器(0000H-FFFFH) ，不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1 時， /EA 將內(nèi)部鎖定為RESET ；當(dāng) /EA 端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在FLASH 編程期間，此引腳也用于施加12V 編程電源（VPP ） 。XTAL1 ：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。XTAL2

15、：來自反向振蕩器的輸出。三pwM言號發(fā)生電路設(shè)計PWM勺基本原理調(diào)速采用PWM （Pulse Width Modulation）脈寬調(diào)制，工作原理：通過產(chǎn)生矩形波，改變占空比，以達(dá)到調(diào)整脈寬的目的。PWM的定義：脈寬調(diào)制（PWM）是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術(shù)， 廣泛應(yīng)用在從測量、 通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。 模擬信號的值可以連續(xù)變化， 其時間和幅度的分辨率都沒有限制。系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計電動機 PWM 驅(qū)動模塊的電路采用 H 橋驅(qū)動， 設(shè)計與實現(xiàn)具體電路見下圖。 本電路 采用的是基于PWM（理的驅(qū)動電路。圖 3-1 電動機 PWM 驅(qū)動模塊PWM 電路

16、由復(fù)合體管組成， 兩個輸入端高低電平控制晶體管是否導(dǎo)通或截止。 NPN的三極管高電平輸入時導(dǎo)通， PNP 的三極管低電平輸入時導(dǎo)通， 當(dāng) Q1 和 Q2 都導(dǎo)通時，Q3 和 Q6 截止， Q4 和 Q5 導(dǎo)通，電機兩端都是GND ，電機是不轉(zhuǎn)的，當(dāng)Q1 和 Q2 都截止時， Q3 和 Q6 導(dǎo)通， Q4 和 Q5 截止，電機兩端都是VCC ，電機也是不轉(zhuǎn)的，那么，當(dāng) Q1 導(dǎo)通， Q2 截止時， Q4 和 Q6 導(dǎo)通，電機右邊是電源，左邊是地，電機逆時針轉(zhuǎn)動，此時保持Q2 截止， PWM 控制 Q1 的導(dǎo)通截止，就可以控制電機的速度，同理，當(dāng)Q1截止，Q2導(dǎo)通時，Q3和Q5導(dǎo)通，電機的左邊是電

17、源，右邊是地，電機順時針轉(zhuǎn)動,此時保持Q1截止,PWM控制Q2的導(dǎo)通截止就可以控制電機的轉(zhuǎn)速。 4個二極管在電 路中的作用是防止晶體管產(chǎn)生不當(dāng)反向電壓，以及電機兩端電流和晶體管上的電流過大 保護。H橋驅(qū)動電路設(shè)計H橋式電動機驅(qū)動電路包括 4個三極管和一個電機，因為它的形狀與字母 H相似， 故因此而得名。如下圖 所示，要使電動機成功運轉(zhuǎn)，須對對角線上的一對三極管通電。 據(jù)不同的三極管對的導(dǎo)通通電的情況，電流會從右至左或相反方向流過電機， 從而改變電機的轉(zhuǎn)動方向。圖3-2 H橋驅(qū)動電路因此要想使電動機運轉(zhuǎn)，必須使對角線上兩個三極管通電。例如，當(dāng) Q2管與Q3 管導(dǎo)通時，電流 從電源正極經(jīng) Q2從左

18、到右通過電機，再經(jīng) Q3到電源的負(fù)極。同樣 Q1與Q4亦是如此，由電流箭頭可看，驅(qū)動電動機將順時針轉(zhuǎn)動。圖3-3 H橋驅(qū)動電路驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動四主電路設(shè)計單片機系統(tǒng)經(jīng)過研究以及分析可以得到調(diào)速系統(tǒng)的主電路設(shè)計圖，如下：VCC10uFK01RESET78+ C1C2IL1112II301314y111516*C3 |30171819一20z H M2Q5OR710K P1.0VCC'P1.1(AD0)P0.0 P1.2(AD1)P0.1 P1.3(AD2)P0.2 P1.4(AD3)P0.3'P1.5(AD4)P0.4'P1.6(AD5)P0.5 P1.7(AD6)P0.6&

19、#39;RST(AD7)P0.7 P3.0(RXD)EA/VPP P3.1(TXD)ALE/PROG P3.2(INT0)PSEN1P3.3(INT1)(A15)P2.7 P3.4(T0)(A14)P2.6 P3.5(T1)(A13)P2.5P3.6(WR)(A12)P2.41 P3.7(RD)(A11)P2.3XTAL2(A10)P2.2 XTAL1(A9)P2.1'GND(A8)P2.0I1089C5240VCC4-1 主電路設(shè)計圖液晶電路 LCD1062液晶部分的電路圖如下圖所示 ：圖 4-2 液晶電路的電路圖LCD( Liquid Crystal Display ) 是液晶顯示

20、器英文名稱的縮寫， 液晶顯示器是一種被動式的顯示器， 即液晶本身并不發(fā)光， 而是利用液晶經(jīng)過處理后能改變光線通過方向的特性，達(dá)到白底黑字或黑底白字顯示的目的。液晶顯示器具有功耗低、抗干擾能力強等優(yōu)點。LCD1602與單片機連接LCD 1602可以采用兩種方式與單片機連接，一種是采用8位數(shù)據(jù)總線D0D7,和RS、RW EN三個控制端口；另一種是只用D4D7作為四位數(shù)據(jù)分兩次傳送。進行 LCD 設(shè)計主要是LCD 的控制 / 驅(qū)動和外界的接口設(shè)計，控制主要是通過接口與外界通信、管理內(nèi) / 外顯示 RAM ，控制驅(qū)動器，分配顯示數(shù)據(jù)；驅(qū)動主要是根據(jù)控制器要求，驅(qū)動 LCD 進行顯示，控制器還常含有內(nèi)部

21、 ASCII 字符庫，或可外擴的大容量漢字庫。單片機的與LCD 1602的使能端E相連，GND與讀寫選擇端R/W相連，與RS相連，當(dāng)使能端使能時，再通過命令選擇端來控制讀數(shù)據(jù)，寫數(shù)據(jù)，寫命令，控制 P0 端口與 LCD 1602 的數(shù)據(jù)端口相連，傳輸數(shù)據(jù)。LCD1602 的顯示與控制LCD 1602 液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生內(nèi)存( CGROM ) 已經(jīng)存儲了 160 個不同的點陣字符圖形， 這些字符有： 阿拉伯?dāng)?shù)字、 英文字母的大小寫、 常用的符號、 和日文假名等，每一個字符都有一個固定的代碼， 比如大寫的英文字母“A” 的代碼是 01000001B（ 41H ） ，顯示時模塊把地址41H 中的

22、點陣字符圖形顯示出來，我們就能看到字母“A” 。LCD 1602 液晶模塊內(nèi)部的控制器共有11 條控制指令， 它的讀寫操作、屏幕和光標(biāo)的操作都是通過指令編程來實現(xiàn)的。 （說明： 1 為高電平、 0 為低電平）指令1：清顯示，指令碼01H,光標(biāo)復(fù)位到地址00H位置；指令2：光標(biāo)復(fù)位，光標(biāo)返回到地址00H；指令3：光標(biāo)和顯示模式設(shè)置I/D ，光標(biāo)移動方向，高電平右移，低電平左移 S: 屏幕上所有文字是否左移或者右移。高電平表示有效，低電平則無效；指令4：顯示開關(guān)控制，D ：控制整體顯示的開與關(guān)，高電平表示開顯示，低電平表示關(guān)顯示C:控制光標(biāo)的開與關(guān)，高電平表示有游標(biāo)，低電平表示無游標(biāo)B:控制光標(biāo)是

23、否閃爍，高電平閃爍，低電平不閃爍；指令5:光標(biāo)或顯示移位元S/C:高電平時移動顯示的文字，低電平時移動光標(biāo)；指令6:功能設(shè)置命令DL:高電平時為4位總線，低電平時為8位總線N:低電平時為單行顯示，高電平時雙行顯示F:低電平時顯示5X7的點陣字符，高電平時顯示5X10的點陣字符；指令7：字符發(fā)生器RAM 地址設(shè)置；指令8: DDRAMfc址設(shè)置；指令9:讀忙信號和光標(biāo)地址 BF:為忙標(biāo)志位，高電平表示忙，此時模塊不能接收命令或者數(shù)據(jù)，如果為低電平表示不忙；指令10：寫數(shù)據(jù)；指令11：讀數(shù)據(jù)。液晶顯示模塊是一個慢顯示器件， 所以在執(zhí)行每條指令之前一定要確認(rèn)模塊的忙標(biāo) 志為低電平，表示不忙，否則此指

24、令失效。要顯示字符時要先輸入顯示字符地址，也就是告訴模塊在哪里顯示字符。按鍵電路本設(shè)計采用按鍵接低的方式來讀取按鍵，單片機初始時，因為為高電平，當(dāng)按鍵按下的時候，會給單片機一個低電平，單片機對信號進行處理單片機鍵盤有獨立鍵盤和矩陣式鍵盤兩種：獨立鍵盤每一個I/O 口上只接一個按鍵，按鍵的另一端接電源或接地（一般接地） ，這種接法程序比較簡單且系統(tǒng)更加穩(wěn)定；而矩陣式鍵盤式接法程序比較復(fù)雜， 但是占用的 I/O 少。 根據(jù)本設(shè)計的需要這里選用了獨立式鍵盤接法。獨立式鍵盤的實現(xiàn)方法是利用單片機I/O 口讀取口的電平高低來判斷是否有鍵按下。將常開按鍵的一端接地，另一端接一個I/O 口，程序開始時將此I

25、/O 口置于高電平， 平時無鍵按下時 I/O 口保護高電平。 當(dāng)有鍵按下時， 此 I/O 口與地短路迫使I/O 口為低電平。按鍵釋放后，單片機內(nèi)部的上拉電阻使I/O 口仍然保持高電平，我們所要做的就是在程序中查尋此I/O 口的電平狀態(tài)就可以了解我們是否有按鍵動作了。在用單片機對鍵盤處理的時候涉及到了一個重要的過程， 那就是鍵盤的去抖動。 這里說的抖動是機械的抖動，是當(dāng)鍵盤在未按到按下的臨界區(qū)產(chǎn)生的電平不穩(wěn)定正?，F(xiàn)象，并不是我們在按鍵時通過注意可以避免的。這種抖動一般10200 毫秒之間，這種不穩(wěn)定電平的抖動時間對于人來說太快了，而對于時鐘是微秒的單片機而言則是慢長的。硬件去抖動就是用部分電路對抖動部分加之處理，軟件去抖動不是去掉抖動，而是避抖動部分的時間，等鍵盤穩(wěn)定了再對其處理。所以這里選擇了軟件去抖動，實現(xiàn)法是先查尋按鍵當(dāng)有低電平出現(xiàn)時立即延時10200 毫秒以避開抖動（經(jīng)典值為 20 毫秒） ，延時結(jié)束后再讀一次I/O 口的值，這一次的值如果為 1 表示低電平的