基于單片機的直流電機速度控制

沈航北方科技學(xué)院課程設(shè)計論文 基于單片機的直流電機速度控制7段數(shù)碼管顯示單元目 錄0.前言11.用單片機控制直流電機轉(zhuǎn)速的基本理論11.1 直流電機調(diào)速原理11.2 PWM基本原理及設(shè)計方案22.硬件電路的設(shè)計42.1 系統(tǒng)分析與硬件設(shè)計模塊42.2 設(shè)計該系統(tǒng)所需部分器件52.3 直流電機的功能簡介52.4 直流電機調(diào)速控制系統(tǒng)模塊62.5 顯示設(shè)計模塊63.系統(tǒng)軟件的設(shè)計84.系統(tǒng)調(diào)試和結(jié)果分析94.1仿真圖形95.結(jié)論和總結(jié)11參考文獻(xiàn)11附程序清單12 基于單片機的直流電機速度控制7段數(shù)碼管顯示單元譚康康 沈陽航空航天大學(xué)北方科技學(xué)院摘要：本文介紹了基于單片機的直流電機PWM調(diào)速的基本方法，直流電機調(diào)速的相關(guān)知識以及PWM調(diào)速的基本原理和實現(xiàn)方法。重點介紹了基于MCS-51單片機的用軟件生產(chǎn)PWM信號以及信號占空比調(diào)節(jié)的方法。對于直流電機速度控制系統(tǒng)的實現(xiàn)提供了一個有效的途徑。 本次課程設(shè)計主要任務(wù)是以四位共陽數(shù)碼管顯示電機速度，它能間接直觀的觀察到電機速度的變化，用獨立鍵盤來手動控制電機的轉(zhuǎn)速，其中控制核心部分是單片機，單片機輸出微弱的電流信號經(jīng)過L298N驅(qū)動芯片放大從而使電機滿足轉(zhuǎn)速的要求。關(guān)鍵字：四位共陽數(shù)碼管；AT89S52單片機；PWM；直流電機調(diào)速0.前言隨著社會的發(fā)展，各種智能化的產(chǎn)品日益走入尋常百姓家。為了實現(xiàn)產(chǎn)品的便攜性、低成品以及對電源的限制，小型直流電機應(yīng)用相當(dāng)廣泛。對直流電機的速度調(diào)節(jié)，我們可以采用多種辦法，本文在給出直流電機調(diào)整和PWM實現(xiàn)方法的基礎(chǔ)上，提供一種用單片機軟件實現(xiàn)PWM 調(diào)速的方法。對基于MCS-51系列單片機實現(xiàn)直流電機調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行研究和設(shè)計，能夠在不同的按鈕作用下分別實現(xiàn)直流電機的停止、加速、減速、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)控制；能夠?qū)崿F(xiàn)基于MCS-51系列單片機的直流電機PWM的調(diào)速設(shè)計。本文研究的是基于MCS-51系列單片機的直流電機PWM調(diào)速系統(tǒng)屬于微機控制領(lǐng)域，通過對單片機的學(xué)習(xí)和研究對自己以后從事硬件產(chǎn)品的開發(fā)有一定的實際指導(dǎo)意義。1.用單片機控制直流電機轉(zhuǎn)速的基本理論1.1 直流電機調(diào)速原理根據(jù)勵磁方式不同，直流電機分為自勵和他勵兩種類型。不同勵磁方式的直流電機機械特性曲線有所不同。對于直流電機來說，人為機械特性方程式為： （1-1）式中, 額定電樞電壓、額定磁通量；,與電機有關(guān)的常數(shù)；,電樞外加電阻、電樞內(nèi)電阻；,理想空載轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)速降。分析(1-1)式可得當(dāng)分別改變、 和時，可以得到不同的轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)對速度的調(diào)節(jié)。由于=，當(dāng)改變勵磁電流時，可以改變磁通量的大小，從而達(dá)到變磁通調(diào)速的目的。如圖1-1所示。理想空載轉(zhuǎn)速隨電樞電壓升降而發(fā)生相應(yīng)的升降變化。不同電樞電壓的機械特性曲線相互平行，說明硬度不隨電樞電壓的變化而改變，電機帶負(fù)載能力恒定。當(dāng)我們平滑調(diào)節(jié)他勵直流電機電樞兩端電壓時，可實現(xiàn)電機的無級調(diào)速?；谝陨咸匦?，改變電樞電壓，實現(xiàn)對直流電機速度調(diào)節(jié)的方法被廣泛采用。圖1-1直流電動機機械特性曲線 圖1-2 電樞電壓“占空比”與平均電壓關(guān)系1.2 PWM基本原理及設(shè)計方案1.2.1 PWM基本原理PWM是通過控制固定電壓的直流電源開關(guān)頻率，從而改變負(fù)載兩端的電壓，進(jìn)而達(dá)到控制要求的一種電壓調(diào)整方法。PWM可以應(yīng)用在許多方面，如電機調(diào)速、溫度控制、壓力控制等。在PWM驅(qū)動控制的調(diào)整系統(tǒng)中，按一個固定的頻率來接通和斷開電源，并根據(jù)需要改變一個周期內(nèi)“接通”和“斷開”時間的長短。通過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。因此，PWM又被稱為“開關(guān)驅(qū)動裝置”。在脈沖作用下，當(dāng)電機通電時，速度增加；電機斷電時，速度逐漸減少。只要按一定規(guī)律，改變通、斷電的時間，即可讓電機轉(zhuǎn)速得到控制。設(shè)電機始終接通電源時，電機轉(zhuǎn)速最大為,設(shè)占空比為=/，則電機的平均速度為: =* （1-2）式中， 電機的平均速度;電機全通電時的速度(最大);=/占空比。由公式（1-2）可見，當(dāng)我們改變占空比時=/，就可以得到不同的電機平均速度 ，從而達(dá)到調(diào)速的目的。嚴(yán)格地講，平均速度與占空比=/并不是嚴(yán)格的線性關(guān)系，在一般的應(yīng)用中，可以將其近似地看成線性關(guān)系。1.2.2 設(shè)計方案本文主要介紹利用單片機對PWM信號的軟件實現(xiàn)方法。MCS一51系列典型產(chǎn)品AT89S52具有兩個定時器 和 。通過控制定時器初值和 ，從而可以實現(xiàn)從S52的任意輸出口輸出不同占空比的脈沖波形。由于PWM信號軟件實現(xiàn)的核心是單片機內(nèi)部的定時器，而不同單片機的定時器具有不同的特點，即使是同一臺單片機由于選用的晶振不同，選擇的定時器工作方式不同，其定時器的定時初值與定時時間的關(guān)系也不同。因此，首先必須明確定時器的定時初值與定時時間的關(guān)系。如果單片機的時鐘頻率為，定時器計數(shù)器為位，則定時器初值與定時時間的關(guān)系為： (1-3)式中， 定時器定時初值； 一個機器周期的時鐘數(shù)。隨著機型的不同而不同。在應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)具體的機型給出相應(yīng)的值。這樣，我們可以通過設(shè)定不同的定時初值 ，從而改變占空比=/，進(jìn)而達(dá)到控制電機轉(zhuǎn)速的目的。2.硬件電路的設(shè)計本設(shè)計以AT89S52單片機為核心，以5個彈跳按鈕作為輸入達(dá)到控制直流電機的停止、加速、減速、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，以四位共陽數(shù)碼管顯示電機速度大小。在設(shè)計中，采用PWM技術(shù)對電機進(jìn)行控制，通過對占空比的計算達(dá)到精確調(diào)速的目的。2.1 系統(tǒng)分析與硬件設(shè)計模塊鍵盤向單片機輸入相應(yīng)控制指令，由單片機通過P3.0與P3.1其中一口輸出與轉(zhuǎn)速相應(yīng)的PWM脈沖，另一口輸出低電平，經(jīng)過信號放大、驅(qū)動電動機控制電路，實現(xiàn)電動機轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速的控制，電動機正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)，加速，減速、急停。總體設(shè)計方案的硬件部分詳細(xì)框圖如圖2-1所示：圖2-1 系統(tǒng)硬件框圖系統(tǒng)整體硬件電路圖如圖2-2示： 圖2-2 系統(tǒng)硬件電路圖2.2 設(shè)計該系統(tǒng)所需部分器件AT89S52單片機、直流電機、L298N、12MHZ晶振、四位共陽數(shù)碼管、電容、電阻、彈跳開關(guān)等。2.3 直流電機的功能簡介直流電動機具有優(yōu)良的調(diào)速特性，調(diào)速平滑、方便，調(diào)速范圍廣；過載能力大，能承受頻繁的沖擊負(fù)載，可實現(xiàn)頻繁的無級快速起動、停止和反轉(zhuǎn)；能滿足生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)各種不同的特殊運行要求。電動機調(diào)速系統(tǒng)采用微機實現(xiàn)自動控制，是電氣傳動發(fā)展的主要方向之一。采用微機控制后，整個調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)自動化，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，操作維護(hù)方便，電動機穩(wěn)態(tài)運轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)速精度可達(dá)到較高水平，靜動態(tài)各項指標(biāo)均能較好地滿足工業(yè)生產(chǎn)中高性能電氣傳動的要求。由于單片機性能優(yōu)越，具有較佳的性能價格比，所以單片機在工業(yè)過程及設(shè)備控制中得到日益廣泛的應(yīng)用。 2.4 直流電機調(diào)速控制系統(tǒng)模塊采用單片機構(gòu)成的直流電動機數(shù)字PWM 調(diào)速系統(tǒng),其控制核心主要由單片機的最小系統(tǒng)、電源模塊（12v 5v）、電機驅(qū)動電路、按鍵（加速、減速、急停、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)）、顯示模塊（四位數(shù)碼管）、直流電機組成。系統(tǒng)采用L298N芯片作為PWM 驅(qū)動直流電動機的供電主回路。單片機通過軟件處理輸出PWM信號, 實現(xiàn)了直流電動機的速度控制,在運行中獲得了良好的動靜態(tài)性能。由于系統(tǒng)性價比高,結(jié)構(gòu)簡單,具有實用價值和推廣價值。在介紹了基于單片機用PWM實現(xiàn)直流電機調(diào)整的基本方法，直流電機調(diào)速的相關(guān)知識，及PWM調(diào)整的基本原理和實現(xiàn)方法。重點介紹了基于AT89S52單片機的用軟件產(chǎn)生PWM信號的途徑，并介紹了一種獨特的通過軟件定時中斷實現(xiàn)PWM信號占空比調(diào)節(jié)的方法。對于直流電機速度控制系統(tǒng)的實現(xiàn)提供了一種有效的途徑。（1）鍵盤識別：通過P1口的低電平輸入識別不同的按鍵。（2）通過對單片機程序燒錄實現(xiàn)對直流電機的停止、加速、減速、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)控制。（3）數(shù)碼管顯示：通過P0口、P2口控制數(shù)碼管來顯示直流電機的速度。（4）由于單片機的驅(qū)動能力不強，驅(qū)動直流電機需要很強的電流所以必須有外圍的驅(qū)動電路，因此本設(shè)計采用L298芯片放大單片機微弱的電流。控制原理：89S52單片機為核心的直流電機控制系統(tǒng)控制簡圖如圖2-1所示，由軟件轉(zhuǎn)換成PWM 信號，并由P3.0、P3.1輸出，經(jīng)驅(qū)動電路輸出給電機，從而控制電機得電與失電。軟件采用定時中斷進(jìn)行設(shè)計。單片機上電后，系統(tǒng)進(jìn)入準(zhǔn)備狀態(tài)。當(dāng)按動啟動按鈕后，根據(jù)P3.0為高電平實現(xiàn)電機正轉(zhuǎn)，P3.1為高電平時實現(xiàn)電機反轉(zhuǎn)。根據(jù)不同的加減速按鈕，調(diào)整P3.0/ P3.1輸出高低電平時的預(yù)定值，從而可以控制P3.0/ P3.1輸出高低電平時的占空比，進(jìn)而控制電壓的大小。2.5 顯示設(shè)計模塊7段LED數(shù)碼管是利用7個LED外加一個小數(shù)點的LED組合而成的顯示設(shè)備，可以顯示09等10個數(shù)字和小數(shù)點，使用非常廣泛。本次課設(shè)使用的是四位共陽數(shù)碼管，內(nèi)部的4個數(shù)碼管共用a-dp這8根數(shù)據(jù)線，為人們的使用提供了方便，因為里面有4個數(shù)碼管，所以它有4個公共端，即片選信號線，共有12個引腳。具體原理圖如圖示：圖2-3 四位共陽數(shù)碼管內(nèi)部原理圖圖2-4 四位共陽數(shù)碼管外觀圖 用Proteus仿真該控制系統(tǒng)時，四位共陽數(shù)碼管顯示電機反轉(zhuǎn)圖形如下所示：圖2-5 仿真顯示圖形本次設(shè)計顯示模塊采用的是SM 四位共陽數(shù)碼管顯示，因為單片機的輸出端口輸出的電流小，點亮數(shù)碼管的能力不大，所以需要采用三極管放大輸出電流，此次三極管采用的是C9013，具體放大電路如圖示： 圖2-6 放大電路3.系統(tǒng)軟件的設(shè)計利用P3口，編制程序輸出一串脈沖，經(jīng)放大后驅(qū)動直流電機，改變輸出脈沖的電平的持續(xù)時間，達(dá)到使電機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速、停轉(zhuǎn)等目的。由軟件編程從P3.0/P3.1管腳產(chǎn)生PWM 信號，經(jīng)驅(qū)動電路輸出給電機，從而控制電機得電與失電。軟件采用延時法進(jìn)行設(shè)計。單片機上電后，系統(tǒng)進(jìn)入準(zhǔn)備狀態(tài)。當(dāng)按動啟動按鈕后，根據(jù)P3.0為高電平時實現(xiàn)電機正轉(zhuǎn)，P3.1為高電平時實現(xiàn)電機反轉(zhuǎn)。根據(jù)不同的加減速按鈕，調(diào)整P3.0/ P3.1輸出高低電平時的占空比，從而可以控制P3.0/ P3.1輸出高低電平時的有效值，進(jìn)而控制電機的加減速。其總體流程圖如圖3-1示：圖3-1 總體程序流程圖4.系統(tǒng)調(diào)試和結(jié)果分析4.1仿真圖形初始狀態(tài)，直流電機有如圖示4-1運行效果 圖4-1 電機半速運轉(zhuǎn)按下急停鍵，直流電機有圖4-2的停止運行結(jié)果。 圖4-2 電機停轉(zhuǎn)按下加速鍵，直流電機有圖4-3的正向加速運行結(jié)果。 圖4-3 電機正轉(zhuǎn)加速按下減速鍵，直流電機有圖4-4正向減速運行結(jié)果。 圖4-4 電機正轉(zhuǎn)減速按下反轉(zhuǎn)鍵，直流電機有圖4-5反向加速運行結(jié)果。 圖4-5 電機反轉(zhuǎn)加速5.結(jié)論和總結(jié)經(jīng)過將近兩周的努力，最終完成了該課程設(shè)計。在 Protuse和Keil c中仿真了出來，基本上實現(xiàn)了直流電機的停止、加速、減速和轉(zhuǎn)向控制以及數(shù)碼管顯示。通過這次課程設(shè)計，我的學(xué)習(xí)能力和解決問題的信心都得到了提高。在課程設(shè)計的過程中，我遇到了很多困難，但在查閱了很多有關(guān)書籍、還有向老師和同學(xué)請教后終于得到了解決。通過這次課程設(shè)計，我不僅對理論有了更深一步的認(rèn)識，還培養(yǎng)了自學(xué)能力和解決問題的能力，更重要的是，培養(yǎng)了克服困難的勇氣和信心。我們的課程設(shè)計之所以能基本完成，要深深地感謝我的指導(dǎo)老師的悉心指導(dǎo)和幫助。參考文獻(xiàn)1 郭天祥. 51單片機C語言教程-入門、提高、開發(fā)、拓展全攻略 北京：電子工業(yè)出版社，20082 陳忠平. 基于Proteus的AVR單片機C語言程序設(shè)計與仿真 北京：電子工業(yè)出版社，20113 劉復(fù)華. 單片機及其應(yīng)用系統(tǒng). 北京：清華大學(xué)出版社，19924 馬淑華. 單片機原理與接口技術(shù). 北京：北京郵電大學(xué)出版社，2005附程序清單#include#define unchar unsigned char#define unint unsigned intunsigned char code dispcode=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0x88,0x83,0xc6,0xa1,0x86,0x84,0xff,0xbf;unsigned 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