單片機(jī)AT9S直流電機(jī)PWM調(diào)速控制系統(tǒng)

1、單片機(jī)課程設(shè)計題目:直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計學(xué)院：電氣與電子項目 專業(yè)：自動化 班級： 100304 組長：徐鵬 20180883 組員：徐洋 20180885許佩東 20180886于思雨 20180888韓振帥指導(dǎo)教師：白文峰2 018年6月7日 第一章 : 摘要1.1 摘要： 直流電機(jī)的定義：將直流電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能 ( 直流電動機(jī) 或?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn)換成直流電能 ( 直流發(fā)電機(jī) 的旋轉(zhuǎn)電機(jī)。 近年來，隨著科技的進(jìn)步，直流電機(jī)得到了越來越廣泛的應(yīng)用，直流具有 優(yōu)良的調(diào)速特性，調(diào)速平滑，方便，調(diào)速范圍廣，過載能力強(qiáng)，能承受頻繁的 沖擊負(fù)載，可實現(xiàn)頻繁的無極快速起動、制動和反轉(zhuǎn)，需要滿足生產(chǎn)過程自動

2、化系統(tǒng)各種不同的特殊要求，從而對直流電機(jī)提出了較高的要求，改變電樞回 路電阻調(diào)速、改變電壓調(diào)速等技術(shù)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代科技的要求，這是通過 PWM方式控制直流電機(jī)調(diào)速的方法就應(yīng)運(yùn)而生。 采取傳統(tǒng)的調(diào)速系統(tǒng)主要有以下的缺陷：模擬電路容易隨時間飄移，會 產(chǎn)生一些不必要的熱損耗，以及對噪聲敏感等。而用 PWM技術(shù)后，避免上述的 缺點，實現(xiàn)了數(shù)字式控制模擬信號，可以大幅度減低成本和功耗。并且PWM調(diào)速系統(tǒng)開關(guān)頻率較高，僅靠電樞電感的濾波作用就可以獲得平滑的直流電流， 低速特性好；同時，開關(guān)頻率高，快響應(yīng)特性好，動態(tài)抗干擾能力強(qiáng)，可獲很 寬的頻帶；開關(guān)元件只需工作在開關(guān)狀態(tài)，主電路損耗小，裝置的效率高，

3、具有節(jié)約空間、經(jīng)濟(jì)好等特點。隨著我國經(jīng)濟(jì)和文化事業(yè)的發(fā)展，在很多場合，都要求有直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)來進(jìn)行調(diào)速，諸如汽車行業(yè)中的各種風(fēng)扇、刮水器、噴水泵、熄火器、反視鏡、賓館中的自動 門、自動門鎖、自動窗簾、自動給水系統(tǒng)、柔巾機(jī)、導(dǎo)彈、火炮、人造衛(wèi)星、宇宙飛船、 艦艇、飛機(jī)、坦克、火箭、雷達(dá)、戰(zhàn)車等場合。直流電機(jī)工作原理直流電機(jī)電路模型如圖 3.1所示，磁極 N、S間裝著一個可以轉(zhuǎn)動的鐵磁圓柱體， 圓柱體的表面上固定著一個線圈abed。當(dāng)線圈中流過電流時，線圈受到電磁力作用，從電路的方向?qū)崿F(xiàn)改變電機(jī)而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。根據(jù)左手定則可知，當(dāng)流過線圈中電流改變方向時，線圈的受方向也將改 變，因此通過改變線

4、圈 的方向。圖3.1直流電動機(jī)電路模型圖1.1直流電機(jī)工作直流電機(jī)PWM調(diào)速原理<1)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型可用圖 3.2表示，由圖可見電機(jī)的電樞電動勢 Ea的 正方向與電樞電流Ia的方向相反，Ea為反電動勢；電磁轉(zhuǎn)矩 T的正方向與轉(zhuǎn) 速n的方向相同，是拖動轉(zhuǎn)矩；軸上的機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩 T2及空載轉(zhuǎn)矩TO均與n 相反，是制動轉(zhuǎn)矩。圖3.2直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型根據(jù)基爾霍夫第二定律，得到電樞電壓電動勢平衡方程式1.1:U二Ea-lavRa+Rc) 式 1.1式1.1中，Ra為電樞回路電阻，電樞回路串聯(lián)保繞阻與電刷接觸電阻的總 和;Rc是外接在電樞回路中的調(diào)節(jié)電阻。由此可得到直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速公

5、式為：n 二Ua-IR/Ce 式1.2式1.2中，Ce為電動勢常數(shù)，是磁通量。由1.1式和1.2式得n 二Ea/Ce 式1.3由式1.3中可以看出，對于一個已經(jīng)制造好的電機(jī)，當(dāng)勵磁電壓和負(fù)載轉(zhuǎn) 矩恒定時，它的轉(zhuǎn)速由回在電樞兩端的電壓Ea決定，電樞電壓越高，電機(jī)轉(zhuǎn)速就越快，電樞電壓降低到 0V時，電機(jī)就停止轉(zhuǎn)動；改變電樞電壓的極性， 電機(jī)就反轉(zhuǎn)。2） PW電機(jī)調(diào)速原理對于直流電機(jī)來說，如果加在電樞兩端的電壓脈動電流壓要求脈動電壓的周期遠(yuǎn)小于電機(jī)的慣性常數(shù)），可以看出，在 T不變的情況下，改變T1和T2 寬度，得到的電壓將發(fā)生變化。圖3.3為施加不同占空比時實測的數(shù)據(jù)繪制所得占空比與轉(zhuǎn)速的關(guān)系圖。

6、圖3.3占空比與電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系由圖看出轉(zhuǎn)速與占空比D并不是完全速的線性關(guān)系 圖中實線），原因是電樞本身有電阻，不過一般直流電機(jī)的內(nèi)阻較小，可以近視為線性關(guān)系由此可見，改變施加在電樞兩端電壓就能改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速成，這就是直流電機(jī)PWM調(diào)速原理1.2本設(shè)計任務(wù)：任務(wù)：單片機(jī)為控制核心的直流電機(jī)PWMB速控制系統(tǒng) 設(shè)計的主要內(nèi)容以及技術(shù)參數(shù)：功能主要包括：1）直流電機(jī)的正轉(zhuǎn)；2）直流電機(jī)的反轉(zhuǎn)；3）直流電機(jī)的加速；4）直流電機(jī)的減速；5）直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速在數(shù)碼管上顯示；6）直流電機(jī)的啟動；7）直流電機(jī)的停止；第二章：總體設(shè)計方案總體設(shè)計方案的硬件部分詳細(xì)框圖如圖一所示。應(yīng)的PWM脈沖，另一口輸出低電平，

7、經(jīng)過信號放大、光耦傳遞，驅(qū)動H型橋式電動機(jī)控制電路，實現(xiàn)電動機(jī)轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速的控制。電動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)通過數(shù)碼管顯示出來。電動機(jī)所 處速度級以速度檔級數(shù)顯示。正轉(zhuǎn)時最高位顯示“三”，其它三位為電機(jī)轉(zhuǎn)速；反轉(zhuǎn)時最高位顯示“ F”，其它三位為電機(jī)轉(zhuǎn)速。每次電動機(jī)啟動后開始顯示，停止時數(shù)碼管顯示出“0000”。1、系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計與分析電動機(jī)PWM驅(qū)區(qū)動模塊的電路設(shè)計與實現(xiàn)具體電路見下圖。本電路采用的是基于PWh原理的H型橋式驅(qū)動電路。中機(jī)驅(qū)動PWM電路由復(fù)合體管組成H型橋式電路構(gòu)成，四部分晶體管以對角組合 分為兩組：根據(jù)兩個輸入端的高低電平?jīng)Q定晶體管的導(dǎo)通和截止。4個二極管在電路中起防止晶體管產(chǎn)生反向

8、電壓的保護(hù)作用，防止電動機(jī)兩端的電 流和晶體管上的電流過大的保護(hù)作用。在實驗中的控制系統(tǒng)電壓統(tǒng)一為 5v電源，因此若復(fù)合管基極由控制系 統(tǒng)直接控制，則控制電壓最高為 5V,再加上三極管本身壓降，加到電動機(jī) 兩端的電壓就只有4V左右，嚴(yán)重減弱了電動機(jī)的驅(qū)動力。基于上述考慮， 我們運(yùn)用了 TLP521-2光耦集成塊，將控制部分與電動機(jī)的驅(qū)動部分隔離開 來。輸入端各通過一個三極管增大光耦的驅(qū)動電流；電動機(jī)驅(qū)動部分通過 外接12V電源驅(qū)動。這樣不僅增加了各系統(tǒng)模塊之間的隔離度，也使驅(qū)動 電流得到了大大的增強(qiáng)。在電動機(jī)驅(qū)動信號方面，我們采用了占空比可調(diào)的周期矩形信號控 制。脈沖頻率對電動機(jī)轉(zhuǎn)速有影響，脈

9、沖頻率高連續(xù)性好，但帶帶負(fù)載能 力差脈沖頻率低則反之。經(jīng)實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電動機(jī)轉(zhuǎn)動平穩(wěn)，但加負(fù)載后， 速度下降明顯，低速時甚至?xí)＾D(zhuǎn)；脈沖頻率在10Hz以下，電動機(jī)轉(zhuǎn)動有明顯跳動現(xiàn)象。而具體采用的頻率可根據(jù)個別電動機(jī)性能在此范圍內(nèi)調(diào) 節(jié)。通過P10輸入高電平信號，P11輸入低電平，電機(jī)正轉(zhuǎn)；通過 P10輸入 低電平信號，P11輸入高電平，電機(jī)反轉(zhuǎn)；P10 P11同時為高電平或低電 平時，電機(jī)不轉(zhuǎn)。通過對信號占空比的調(diào)整來對電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。2、系統(tǒng)的軟件設(shè)計本系統(tǒng)編程部分工作采用 KELI-C51語言完成，采用模塊化的設(shè)計方 法，與各子程序做為實現(xiàn)各部分功能和過程的入口，完成鍵盤輸入、按鍵 識別和

10、功能、PWN脈寬控制和數(shù)碼管顯示等部分的設(shè)計。單片機(jī)資源分配如下表：P0顯示模塊接口鍵盤中斷P1P鍵盤模塊接口P1.0/P1.1PWM電機(jī)驅(qū)動接口系統(tǒng)時鐘 PWM脈寬控制：本設(shè)計中采用軟件延時方式對脈沖寬度進(jìn)行控制，延時程 序函數(shù)如下：延時函*/*delays(>i>0。i-> 。uchar i 。 for(i=5000采用中斷方式，按下鍵，完成延時去抖動、鍵碼識 鍵盤中斷處理子程序： 別、按鍵功能執(zhí)行。要實現(xiàn)按住加/減速鍵不放時恒加或恒減速直到放開停止，就需在判斷是否 松開該按鍵時，每進(jìn)行一次增加 / 減少一定的占空比。 顯示子程序：利用數(shù)組方式定義顯示緩存區(qū)，緩存區(qū)有 8

11、位，分別存放各 個數(shù)碼管要顯示的值。 定時中斷處理程序：采用定時方式 1因為單片機(jī)使用12M晶振，可產(chǎn)生 最高約為65.5ms的延時。對定時器置初值 B1E0H可定時20ms即系統(tǒng)時鐘精 度可達(dá)0.02s。當(dāng)20ms定時時間到，定時器溢出則響應(yīng)該定時中斷處理程序， 完成對定時器的再次賦值，并對全局變量 time 加 1，這樣，通過變量 time 可 計算出系統(tǒng)的運(yùn)行時間。3、軟件設(shè)計中的特點 :對于電機(jī)的啟停，在 PWM控制上使用漸變的脈寬調(diào)整，即開啟后由停止勻加速到默認(rèn) 速度，停止則因為當(dāng)前速度逐漸降至零。這樣有利于保護(hù)電機(jī)。鍵盤處理上采用中斷方 式，不必使程序?qū)︽I盤反復(fù)掃描，提高了程序的效

12、率。第三章：系統(tǒng)硬件電路設(shè)計整體框圖如下：1 62 5+12VGNDvccVCC3 4P15P0 Pl P2 3 ? P5 P6 ”JI 口8Ci 6 00 9Xvcc卩4HXTAL1XTAL2§9TA24o 1J AJ 55- 4- <J XV 7 w w w w w w w MP35mYltsBTlF-rYRST畫A1IM0GP3D/M)皿業(yè)B咂P33M1P3.4/I0P3見 日晅VSS期A9EHnBNb mm測測艸咖涮i宅財初LED401LP52L2Q8Q5P1X)3!)10 llIIP10 1以麻肪（崩）5P20X：VCC10U斤酬10KRST 二第四章：系統(tǒng)功能調(diào)試仿

13、真整體圖如下 4J1 C1"噸 aom- W' R3 1 ° *1 d |n1 lL-，二 a :-n FD W£t IXtSrH FEL3fK3 EL«7J0MnF-3"1I P3 tfftlE FXAAll £S. 壯血*直流電機(jī)的調(diào)試功能仿真如下圖:1、正轉(zhuǎn)時，電機(jī)正轉(zhuǎn)，數(shù)碼管最高位顯示“三”，其它三位先所給定頻率，如下圖:UDfJhJX IRILi'WJI 祖3MB芒RMfiSJW"碎Z帕34Wrt» 岡mu naAn 冃3口 P-2J&A 口 F2AA-I4tnatxcrP1VTM

14、D fUHTE 3航rO-BTIriflwS-*3rrljFT' r-iusi - .l fc>a .r+£JB3<-.UZC"TE'TT"2、反轉(zhuǎn)時，電機(jī)反轉(zhuǎn)，數(shù)碼管最高位顯示“ F” ,其它三位先所給定頻率,第五章：程序見附件1見附件 2第六章：元件清單見附件 3第七章：心得體會附件 1/* 基于單片機(jī)AT89C51的直流電機(jī)PWM調(diào)速控制系統(tǒng)*/#include<reg51.h>#include<absacc.h>#include <intrins.h>*/*自定義變量 */#define ui

15、nt unsigned int / 自定義變量 #define uchar unsigned char char gw,sw,bw,qw 。uchar j 。 / 定時次數(shù)，每次 20msuchar f=5 。 / 計數(shù)的次數(shù)sbitP10=P1A0。/pWM 輸出波形 1sbitpi仁 P1A1。/pWM 輸出波形 2sbitP12=P1A2。/正反轉(zhuǎn)sbitp13=p1A3。/加速sbitp14=p1A4。/減速sbitp15=p1A5。/停止sbitp16=p1A6。/啟動uchar k 。uchar t 。 / 脈沖加減*控制位定義 *uchar code smg12=0x3f,0x0

16、6,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x73,0x71。 / 程序存儲區(qū)定義字型碼表char data led4=0x08,0x04,0x02,0x01 。 / 位碼uint x 。/數(shù)碼管顯示的數(shù)值display(> 。/數(shù)碼管顯示delays(> 。/延時函數(shù)key(> 。displays(> 。*/*主函數(shù) */main (void>TMOD=Ox5。TH0=0xb1。TL0=0xe0。TH1=0x00。/TL1=0x00。/T0 方式 1 定時計數(shù) T1 方式 1 計數(shù) 裝入初值 20MS計數(shù) 567TR0=

17、1。/ 啟動 t0TR1=1。/ 啟動 t1gw=sw=bw=qw=O / 數(shù)碼管初始化 P0=0xc0。P2=1。while(1> /無限循環(huán)display(> 。 / 數(shù)碼管顯示 key(> 。*/*display(>uchar i 。數(shù)碼管顯示 *gw=x%10。/ 求速度個位值，送到個位顯示緩沖區(qū)sw=(x/10>%10。/ 求速度十位值，送到十位顯示緩沖區(qū)bw=(x/100>%10。/ 求速度百位值，送到百位顯示緩沖區(qū)qw=x/1000 。/ 求速度千位值，送到千位顯示緩沖區(qū)for(i=0 。 i<4 。 >P2=ledi 。if(i=

18、0> / 顯示個位P0=smggw。delays(> 。else if(i=1>/顯示十位P0=smgsw。delays(> 。else if(i=2> / 顯示百位P0=smgbw 。delays(> 。else if(i=3> / 顯示千位if(k=0> / 正轉(zhuǎn)時顯示 " 三 " P0=0x49 。delays(> 。elseP0=0x71 。 / 反轉(zhuǎn)時顯示 "F"i+ 。/*/*延時函數(shù) *delays(>uchar i 。for(i=5000 。 i>0 。 i-> 。*

19、t0定時 * 中斷函數(shù) */void t0(> interrupt 1 using 2TH0=0xb1。 / 重裝 t0TL0=0xe0。f- 。if(k=0>if(f<t>P10=1 。elseP10=0 。P11=0 。elseif(f<t>P11=1。 elseP11=0。P10=0。 if(f=0> f=5 。 j+ 。 if(j=50> j=0 。 x=TH1*256+TL1。/t1 方式 1 計數(shù)，讀入計數(shù)值TH1=0x00。 TL1=0x00。 x+。 display(> 。 /* key(> if(P12=0> while(!P12> display(> k=k 。 if(P16=0>按鍵掃描 */如果按下，去抖動啟