PWM與直流電機(jī)控制

1、 PWM與直流電機(jī)控制 本設(shè)計(jì)主要由鍵盤輸入、單片機(jī)控制產(chǎn)生PWM信號(hào)、驅(qū)動(dòng)顯示、電機(jī)驅(qū)動(dòng) 電路組成。其中單片機(jī)采用89C51芯片，顯示部分由CD4511直接驅(qū)動(dòng)8個(gè)共陰 LED,基本上實(shí)現(xiàn)了所有指標(biāo)要求。 一、方案論證與比較： 方案一：由全硬件數(shù)字電路構(gòu)成。用 555產(chǎn)生PWM信號(hào)，通過改變555中 的第7腳和第2腳的電阻來(lái)調(diào)整占空比。利用555產(chǎn)生的不同占空比的PWM信 號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)電路，來(lái)完成電機(jī)不同的轉(zhuǎn)動(dòng)情況。 但是此法受到了硬件電路限制， 不能隨心所欲的來(lái)控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，而且電路調(diào)試也比較麻煩。 方案二：主要是由單片機(jī)控制，顯示電路，鍵盤，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路四部分來(lái)構(gòu) 成,由鍵盤來(lái)控制

2、單片機(jī)來(lái)產(chǎn)生各種不同的 PWM信號(hào)，以完成對(duì)電機(jī)的不同控 制。此方案電路極其簡(jiǎn)單，由于電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用的是H橋路電路，電路具有 很高的穩(wěn)定性，且很容易通過軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)工作情況的控制，而不用大動(dòng)干 戈的去改變硬件電路，很有利于整個(gè)系統(tǒng)功能的擴(kuò)展。方框圖如下： 比較以上兩種方案，對(duì)照題目要求，考慮到競(jìng)賽的時(shí)間限制與我們的實(shí)際能 力，決定米用方案二。 二、電路設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算 1、控制鍵盤： 由于本電路按鍵數(shù)多于4個(gè)，采用方陣式掃描法就可達(dá)到節(jié)省I/O的目的, 方陣式鍵盤的基本電路如圖所示，使用了 8條I/O構(gòu)成一個(gè)4*4的鍵盤方陣， X .2 y y y y y y 1 y pi 7 ri6 1

3、 Pl.5 P.4 Pl Q r. 2 Pl 3 方陣中的每個(gè)交叉點(diǎn)可放一個(gè)按鍵，其中 4條線為掃描線（輸出），另外4條線 為信號(hào)返回線，讀按鍵信號(hào)的方法是采用分時(shí)的方式讀入，即一次讀入一行（4 個(gè)開關(guān)）按鍵，未按按鍵時(shí)，掃描線輸出為高電平，即無(wú)效電平，當(dāng)有按鍵請(qǐng)求 時(shí)則輸出低電平，即有效電平。 2、直流電機(jī)控制電路 采用H橋電路（如下圖），此電路性能穩(wěn)定，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)。因此選用它來(lái)實(shí) 現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制。其工作原理如下： Q1，R1構(gòu)成反向器，為光耦提供較大的工作電流，以確保有足夠的電流去 驅(qū)動(dòng)功率管Q2，當(dāng)89C51從“正轉(zhuǎn)” 端輸入低電平信號(hào)時(shí)（電機(jī)全速運(yùn)行）， 經(jīng)過反向器，加大驅(qū)動(dòng)電流，經(jīng)光

4、耦驅(qū)動(dòng)功率管Q2,而Q3也導(dǎo)通，且達(dá)到了 飽和，使得Q4的b-e極電壓被拉到0.3v而使之截止，當(dāng)然此時(shí)功率管 Q5也不 導(dǎo)通，同時(shí)由于“反轉(zhuǎn)”端是處于高點(diǎn)平狀態(tài)Q6反向器不導(dǎo)通，功率管Q7不 工作，而此時(shí)做為開關(guān)管的 Q10也不通，但此時(shí)，由于Q9的基極有足夠的偏置 電壓，使它飽和導(dǎo)通，同時(shí)也使得功率管Q8導(dǎo)通。使得電機(jī)能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。“反 轉(zhuǎn)”則相反，這里就不再重復(fù)。 電路參數(shù)計(jì)算： 如圖：先定R4為10K，要使Q3達(dá)到飽和，流過c極的電流最大為： （12V-0.3V）/10K=1.17mA，取晶體管的放大倍數(shù)為 100,那么，Q3基 極的電流最少應(yīng)為：1.17mA/100=0.0117mA

5、而當(dāng)光耦飽和導(dǎo)通時(shí)，其e極的電壓在11.7v左右， （11.7V-0.7）/R3=0.0117mA ；R3=940K 考慮到R3與Q2的b極是并聯(lián)的，要讓絕大部分的電流為 Q2，因此R3也 不應(yīng)太大，因此這里去 R3為100K。 3、顯示電路： 該部分負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的顯示，由單片機(jī)的P0.0P0.3送BCD碼給CD4511譯成七 段碼送數(shù)碼管顯示，P0.4P0.6送出的二進(jìn)制數(shù)經(jīng)74LS138三一八譯碼器（如圖） 輪流選通數(shù)碼管數(shù)碼管，在單片機(jī)快速的循環(huán)送數(shù)下，逐一點(diǎn)亮數(shù)碼管（點(diǎn)亮?xí)r 間為2ms）,來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示。（如圖3）。如要使第一個(gè)數(shù)碼管亮，應(yīng)用程序把 顯示緩沖區(qū)的30H的內(nèi)容送P0.0P0.

6、3,在P0.0P0.3送數(shù)的同時(shí)74LS138輸入 端送000H,使74LS138的Y0端選通，從而點(diǎn)亮，而切也保證了顯示數(shù)據(jù)的正 確。 圖3 設(shè)數(shù)碼管每段正常發(fā)光的電流l=8mA,三極管Vbe=0.3V,U 光=2V R1=(Vcc-2Vbe - U 光)/1=(5-2*0.3-2)/8*1000=310R1 取 300 4、單片機(jī)： 本設(shè)計(jì)主要目的是由單片機(jī)產(chǎn)生脈寬可調(diào)的PWM信號(hào)控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn) 速，從而讓電機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)。 軟件編程采用模塊化的編程方法，大體可分為：鍵盤掃描、按鍵解碼、PWM 信號(hào)的輸出三大部分：其中，鍵盤掃描程序可直接調(diào)用現(xiàn)成模塊， 具體過程這里 就不在細(xì)述。其次，解

7、碼主要通過 CPU掃描到的按鍵的具體位置，自定義其相 應(yīng)的功能，例如：在4*4按鍵矩陣中的第一個(gè)鍵為“一擋”，就可在其子程序 中寫入： MOV MOV KUANH， #3CH KUANL， #OBOH等指令，來(lái)做為起相應(yīng)要執(zhí)行的動(dòng)作。 最后，著重細(xì)訴PWM脈寬可調(diào)的輸出。這里主要利用CPU內(nèi)部的雙計(jì)數(shù)器TO, T1來(lái)分別控制PWM信號(hào)的振蕩周期和脈寬。如圖： 由于TO的計(jì)數(shù)時(shí)間總是小于或是等于 T1的計(jì)數(shù)時(shí)間。因此，TO必先產(chǎn)生中斷， 而由CPL指令來(lái)改變波形，同時(shí)關(guān)斷 TO計(jì)數(shù)器TR0,等待T1產(chǎn)生中斷，重新 開啟TR0，重新計(jì)數(shù)。而脈寬的改變可通過給TO賦不同的初值，從而實(shí)現(xiàn)PWM 脈寬可

8、調(diào)的輸出。具體軟件流程見圖：（附） 三、電路的調(diào)試及結(jié)果： 采用先分別調(diào)試各單元模塊再進(jìn)行整機(jī)調(diào)試的方法，提高了調(diào)試效率。 1、硬件調(diào)試： 鍵盤：把方陣中的4列接低電平，按任意鍵后，檢測(cè)該鍵對(duì)應(yīng)的行線是否 也為低電平，低電平則為正確，則該鍵可用。繼續(xù)檢測(cè)其它鍵，調(diào)試結(jié)果顯示該 模塊可正常工作。 顯示模塊：對(duì)4511ABCD輸入端送一個(gè)二進(jìn)制數(shù)，同時(shí)也對(duì) 74LS138送一 二進(jìn)制數(shù)，選擇一位數(shù)碼管顯示。觀察該位數(shù)碼管是否顯示，顯示的值是否與所 送的BCD碼值一樣。循環(huán)檢測(cè)8個(gè)數(shù)碼管。調(diào)試結(jié)果顯示該模塊可正常工作。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路：直接把兩PWM信號(hào)的輸入端分別接低電平（地）和高點(diǎn)平 （+5v）,觀察電機(jī)的工作情況。 軟件調(diào)試： 首先在電腦上仿真程序，以單步運(yùn)行的方式執(zhí)行每一條程序，同時(shí)注意相應(yīng) 的寄存器的數(shù)據(jù)變化是否和預(yù)測(cè)的一樣。如模擬按一個(gè) 1鍵，執(zhí)行后就應(yīng)在 3