單片機AT9S直流電機PWM調(diào)速控制系統(tǒng)

1、單片機課程設(shè)計題目:直流電機調(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： 直流電機的定義：將直流電能轉(zhuǎn)換成機械能 ( 直流電動機 或?qū)C械能轉(zhuǎn)換成直流電能 ( 直流發(fā)電機 的旋轉(zhuǎn)電機。 近年來，隨著科技的進步，直流電機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，能承受頻繁的 沖擊負載，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)已遠遠不能滿足現(xiàn)代科技的要求，這是通過 PWM方式控制直流電機調(diào)速的方法就應(yīng)運而生。 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，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)濟好等特點。隨著我國經(jīng)濟和文化事業(yè)的發(fā)展，在很多場合，都要求有直流電機PWM調(diào)速系統(tǒng)來進行調(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、導(dǎo)彈、火炮、人造衛(wèi)星、宇宙飛船、 艦艇、飛機、坦克、火箭、雷達、戰(zhàn)車等場合。直流電機工作原理直流電機電路模型如圖 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直流電動機電路模型圖1.1直流電機工作直流電機PWM調(diào)速原理<1)直流電機轉(zhuǎn)速直流電機的數(shù)學(xué)模型可用圖 3.2表示，由圖可見電機的電樞電動勢 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；軸上的機械負載轉(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，當(dāng)勵磁電壓和負載轉(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，電機轉(zhuǎn)速就越快，電樞電壓降低到 0V時，電機就停止轉(zhuǎn)動；改變電樞電壓的極性， 電機就反轉(zhuǎn)。2） PW電機調(diào)速原理對于直流電機來說，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小于電機的慣性常數(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的轉(zhuǎn)速成，這就是直流電機PWM調(diào)速原理1.2本設(shè)計任務(wù)：任務(wù)：單片機為控制核心的直流電機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）直流電機的正轉(zhuǎn)；2）直流電機的反轉(zhuǎn)；3）直流電機的加速；4）直流電機的減速；5）直流電機的轉(zhuǎn)速在數(shù)碼管上顯示；6）直流電機的啟動；7）直流電機的停止；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型橋式電動機控制電路，實現(xiàn)電動機轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速的控制。電動機的運轉(zhuǎn)狀態(tài)通過數(shù)碼管顯示出來。電動機所 處速度級以速度檔級數(shù)顯示。正轉(zhuǎn)時最高位顯示“三”，其它三位為電機轉(zhuǎn)速；反轉(zhuǎn)時最高位顯示“ F”，其它三位為電機轉(zhuǎn)速。每次電動機啟動后開始顯示，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、電壓的保護作用，防止電動機兩端的電 流和晶體管上的電流過大的保護作用。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 兩端的電壓就只有4V左右，嚴重減弱了電動機的驅(qū)動力?；谏鲜隹紤]， 我們運用了 TLP521-2光耦集成塊，將控制部分與電動機的驅(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。在電動機驅(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。脈沖頻率對電動機轉(zhuǎn)速有影響，脈

9、沖頻率高連續(xù)性好，但帶帶負載能 力差脈沖頻率低則反之。經(jīng)實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電動機轉(zhuǎn)動平穩(wěn)，但加負載后， 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，電機正轉(zhuǎn)；通過 P10輸入 低電平信號，P11輸入高電平，電機反轉(zhuǎn)；P10 P11同時為高電平或低電 平時，電機不轉(zhuǎn)。通過對信號占空比的調(diào)整來對電機轉(zhuǎn)速進行調(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)的運行時間。3、軟件設(shè)計中的特點 :對于電機的啟停，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 速度，停止則因為當(dāng)前速度逐漸降至零。這樣有利于保護電機。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*直流電機的調(diào)試功能仿真如下圖:1、正轉(zhuǎn)時，電機正轉(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AT89C51的直流電機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