基于單片機的直流電機PWM調速

1、目 錄1 系統(tǒng)的方案設計.11.1 方案的分析.11.2 方案的制定.22 硬件的設計.32.1 單片機主電路的設計.32.2 數(shù)碼管顯示部分.32.3 L298N 調制電動機電路.52.4 單片機驅動 L298N 模塊 .63 軟件設計.73.1 操作鍵盤設計.73.2 轉速顯示設計.83.3 PMW 調制.94 仿真截圖.104.1 電機的正轉工作狀態(tài).104.2 電機的反轉工作狀態(tài).115 設計的體會.12參考文獻資料.13附錄.14仿真圖.14原程序代碼.15課程設計說明書11 系統(tǒng)的方案設計1.1 方案的分析本課題以單片機為控制核心，用 PMW 控制技術實現(xiàn)對直流電機的速度及轉向進行

2、控制。從而實現(xiàn)在數(shù)碼管上顯示當前轉速，分別用按鍵進行加、減速及正反轉控制。單片機的選?。喊磫纹瑱C機器字長可分為：4 位（很少用） ，8 位，16 位，32 位。按單片機內核可分為：MCS51、AVR、PIC、MSP、HT、ARM 等等。按單片機廠家分就更多了，MCS51 內核的廠家就有多種：如SST、Atmel、STC、winbond 等。由于 8 位單片機的廣泛應用場合及其不錯的性性，一直受到小型電路解決方案的首選芯片，本方案采用 ATMEL 公司的AT89C51 芯片做為驅動電機的核心電路模塊，其性能足以擴展控制一個電機，而且該單片機支持在線編程并提供上千次的擦寫功能。并以低廉的價格普及于

3、當今市場中。數(shù)碼管的選取，數(shù)碼管分為單個數(shù)碼管和多個數(shù)碼管集成在一起。由于考慮到電機轉速能夠達到很高，采用多個數(shù)碼管集成在一起的比較省線，通過掃描動態(tài)顯示數(shù)碼管能夠節(jié)省 I./O 接口，采用這種方式比較適合。 關于 PMW 波，PWM（Pulse Width Modulation）脈沖寬度調制，簡稱脈寬調制，是一種最初用語無線電通信的信號調制技術，后來在控制領域中（比如電機調速）也得到了很好的應用，于是形成了獨特的 PWM 控制技術。PWM 控制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，廣泛應用在功率控制與變換的許多領域中。一般情況下，調節(jié)脈寬調制信號的脈寬有兩種方法，

4、一種方法是采用模擬電路中的調制方法，另一種方法是使用脈沖計數(shù)法。對于一般電機控制，采用第一種方法在控制電壓變化時需要 DA 轉換器件。AT89S51 沒有集成 DA 轉換模塊。而通過脈沖計數(shù)法只需改變輸出脈沖的占空比，而不需要額外的器件。從成本上考慮選用第二種方法比較合適。本設計采用由單片機控制實現(xiàn)的脈沖計數(shù)法。通過對定時器設初值，并且通過不斷改變初值實現(xiàn)對脈沖的電平切換。由于本文使用的是 PROTEUS 進行仿真，直流電機的選擇被定位在幾種類型的電機中，其中有 MOTOR、MOTOR-DC、MOTOR、MOTOR-ENCODER、MOTOR-STEPPER，通過比較參數(shù)，選取 MOVTOR-

5、ENCODER比較合適，其有轉速脈沖輸出端，通過單片機能夠實現(xiàn)對轉速脈沖的檢測。 由于單片機的驅動能力有限，根據要求可以構建 H 橋驅動電路，使用晶閘與二極管組合，實現(xiàn)對電機的驅動能力，并實現(xiàn)對電機的正反轉操作。這是一種常規(guī)的思考方法，通過上網查資料，不難發(fā)現(xiàn)有更好的解決方案，有專門的課程設計說明書2驅動芯片，既然已有專門地為電機驅動而設計的芯片，就沒必要再從新來設計；選用 L298 芯片來構成的電路結構基本上跟 H 橋驅動電路一樣。L298N 是 ST 公司生產的一種高電壓、大電流電機驅動芯片。該芯片采用 15 腳封裝。主要特點是：工作電壓高，最高工作電壓可達 46V；輸出電流大，瞬間峰值電

6、流可達3A，持續(xù)工作電流為 2A；額定功率 25W。內含兩個 H 橋的高電壓大電流全橋式驅動器，可以用來驅動直流電動機和步進電動機、繼電器線圈等感性負載；采用標準邏輯電平信號控制；具有兩個使能控制端，在不受輸入信號影響的情況下允許或禁止器件工作有一個邏輯電源輸入端，使內部邏輯電路部分在低電壓下工作；可以外接檢測電阻，將變化量反饋給控制電路。使用 L298N 芯片驅動電機，該芯片可以驅動一臺兩相步進電機或四相步進電機，也可以驅動兩臺直流電機。1.2 方案的制定根據對設計的要求及相關資料的查詢，最終確定了硬件使用方案，AT89S51 單片機、L298N、四位數(shù)碼管、MOVTOR-ENCODER 作

7、為主要的器件。其余像一些二級管，電容，電阻在此不再詳細介紹。課程設計說明書32 硬件的設計2.1單片機主電路的設計在本次課題設計中我們選擇了 89C51 芯片，其具有功能強、體積小、成本低、功耗小等特點，它可單獨地完成現(xiàn)代工業(yè)控制所要求的智能化控制功能，能在軟件的控制下準確、迅速、高效地完成程序設計者事先規(guī)定的任務。組成最小單片機系統(tǒng)需要晶振，復位電路等。只有這樣最小工作系統(tǒng)才能運行,其最小工作系統(tǒng)如圖 2-1 所示。2.2 數(shù)碼管顯示部分LED 數(shù)碼管顯示器是由發(fā)光二極管顯示字段的顯示器件，也稱為數(shù)碼管。其外形結構如圖所示。它由 8 個發(fā)光二極管構成，通過不同的組合可用來顯示0-9、A-F

8、及小數(shù)點“.”等字符。數(shù)碼管有共陰極和共陽極兩種結構規(guī)格，如圖 2-3 所示。圖中電阻為外接。圖 2-1 單片機主電路圖課程設計說明書4共陰極數(shù)碼管的發(fā)光二極管陰極共地，當某發(fā)光二極管的陽極為高電平時，二極管點亮；共陽極數(shù)碼管的發(fā)光二極管是陽極，并接高電平，對于需點亮的發(fā)光二極管將其陰極接低電平即可。靜態(tài)顯示方式直接利用并行口輸出。LED 顯示工作于靜態(tài)顯示方式時,各位的共陰極連接在一起接地;每位的段選線分別于一個 8 位的鎖存輸出相連。一般稱之為靜態(tài)顯示,是由于顯示器中的各位相互獨立。而且各位的顯示字符一經確定,相應鎖存器的輸出將維持不變,直到顯示另一個字符為止。利用通信號串行輸出。在實際應

9、用中,多位 LED 顯示時，為了簡化電路，在系統(tǒng)不需要通信功能時，經常采用串行通信口工作方式 0，外接移位寄存器74LS164、CD4094 來實現(xiàn)靜態(tài)顯示。對多位 LED 顯示器的動態(tài)顯示，通常都時采用動態(tài)掃描的方法進行顯示，即逐個循環(huán)點亮各位顯示器。這樣雖然在任一時刻只有一位顯示器被點亮，但是由于間隔時間較短，且人眼具有視覺殘留效應，看起來與全部顯示器持續(xù)點亮一樣。為了實現(xiàn) LED 顯示器的動態(tài)掃描，除了要給顯示器提供的輸入之外，還要對顯示器加位選擇控制，這就是通常所說的段控和位控。因此多位 LED 顯示器接口電路需要有兩個輸出口，其中一個用于輸出 4 位控信號；另一個用于輸出段控信號，其

10、連接圖如下。 由于轉速超過百轉并有正負轉的功能，選用 4 段數(shù)碼管比較合適。由于外轉 I/O 擴展較多，選用串口通信或動態(tài)掃描都能達到滿意的要求，由于串口通信需要額外的鎖存器，增加了成本，選用動態(tài)掃描是不錯的選擇。由外部電源及上拉電阻提供數(shù)碼管的驅動能力。由 P1 口作為數(shù)碼管的片選端，P0 口作為數(shù)碼管的位選端。其電路圖如圖 2-2 所示。課程設計說明書52.3 L298N 調制電動機電路由 L298N 作為驅動電路 通過脈寬調制控制電機的驅動。當 ENA 與 ENB控制使能端，IN1、IN2、IN3、IN4 分別與 OUT1、OUT2、OUT3、OUT4 相對應輸出相應的電平。使用直流/步

11、進兩用驅動器可以驅動兩臺直流電機。分別為 M1 和 M2。引腳 A，B 可用于輸入 PWM 脈寬調制信號對電機進行調速控制。 （如果無須調速可將兩引腳接 5V，使電機工作在最高速狀態(tài)，既將短接帽短接）實現(xiàn)電機正反轉就更容易了，輸入信號端 IN1 接高電平輸入端 IN2 接低電平，電機 M1 正轉（如果信號端 IN1 接低電平，IN2 接高電平，電機 M1 反轉） ?？刂屏硪慌_電機是同樣的方式，輸入信號端 IN3 接高電平，輸入端 IN4 接低電平，電機 M2 正轉。 （反之則反轉） ，PWM 信號端 A 控制 M1 調速，PWM 信號端 B 控制 M2 調速。由此器件對電機進行控制，其結構圖如

12、圖 2-4 所示：圖 2-2 數(shù)碼管驅動電路圖課程設計說明書62.4 單片機驅動 L298N 模塊L298N 可以驅動兩個直流電機，此設計只用了一個電機，通過 P3.0 與 P3.1控制電動機的正反，通過 P3.2 給脈寬調制波實現(xiàn)電機的調速即可。電路圖如圖2-5 所示：圖 2-3 L298N 驅動電機圖 2-4 單片機驅動 L298N 電路圖課程設計說明書73 軟件設計3.1 操作鍵盤設計由于有起動、停止、加速、減速、停止按鍵，使用查詢方式比較合適。其設計流程圖如圖 3-1 所示：執(zhí)行子程序開始正轉檢測加速檢測停止檢測反轉檢測減速檢測是否是是是是否否否否由于正轉與反轉之間不能由正轉直接跳轉到

13、反轉，應先停止后再反轉。應加一個判斷程序禁止其操作。其操作代碼為QIDONG:JNB P2.0,QI LJMP START1圖 3-1 鍵盤程序流程圖課程設計說明書8 QI: JB P3.1,TK 檢測是否是在反轉運行狀態(tài)，如果是則不執(zhí)行。 SETB P3.0 CLR P3.1 TK: JNB P3.0,TM SETB P3.0 CLR P3.1 TM: LJMP START1停止時不僅要停止，而且要進行原數(shù)據復位操作，其代碼段如下;停止TINGZHI:JNB P2.4,TING LJMP START1 TING: CLR P3.0 CLR P3.1MOV R0,#80H ； 對寄存器中數(shù)據進

14、行復位初使化 MOV R1,#80H LJMP START13.2 轉速顯示設計轉速是通過外部中斷計數(shù)，然后通過定時器定時，定時時間到采集外部數(shù)據個數(shù)，進而轉換成轉速，再通過二進制調速十進制指令最后通過數(shù)碼管顯示。其程序流程圖如圖 3-2 所示：中斷采集外部脈沖個數(shù)定時器時間到將數(shù)據傳送數(shù)據轉換數(shù)據送數(shù)碼管圖 3-2 轉速顯示流程圖課程設計說明書93.3 PMW 調制PMW 是電機調速的關鍵，通過定時器裝添定時時間控制定時器的時間，進而控制脈寬的寬度，進行對電機進行調速。通過兩個寄存器 R1 與 R0 的值，將其裝入定時器 0 中，通過對 R0 與 R1 進行 INC 與 DEC 的變化，進而

15、調制脈寬。其設計流程圖如圖 3-3 所示：取寄存器中值裝入定時器 脈寬輸出判斷是否有加減速按鍵按下將 R0 與 R1 值進行變化是否否圖 3-3 PMW 脈寬調制課程設計說明書104 仿真截圖4.1 電機的正轉工作狀態(tài)未啟動的狀態(tài)如圖 4-1 所示：正常情況狀態(tài)如圖 4-2 所示：最大轉速狀態(tài)如圖 4-3 所示：最小轉速狀態(tài)如圖 4-4 所示： 圖 4-1 未啟動時狀態(tài)圖 4-2 正常情況狀態(tài)圖 4-3 最大轉速狀態(tài)圖 4-4 最小轉速狀態(tài)課程設計說明書114.2 電機的反轉工作狀態(tài)反轉正常狀態(tài)如圖 4-5 所示：最大轉速狀態(tài)如圖 4-6 所示：最小轉速狀態(tài)如圖 4-7 所示：停止時狀態(tài)如圖

16、4-8 所示：圖 4-5 反轉正常狀態(tài)圖 4-6 最大轉速狀態(tài)圖 4-8 停止時狀態(tài)圖 4-7 最小轉速狀態(tài)課程設計說明書125 設計的體會通過這次課程設計，使我學到了很多，首先，光看書是不管用的，盡使書看的再多，不實踐到真正應用時才發(fā)現(xiàn)自己的知識是多么的的淺，這就如英文的 26 個字母，字母誰都認識，但組成很多單詞就是不是所有人都認識了，單片機太靈活了，可以這樣用，可以那樣用。很多方法，這就如一輛車，你想怎么駕馭它就怎么駕馭它，關鍵是需要好的技術與功底，通過這次課設，我初步了解了些，如果真要在單片機方面有所發(fā)展，編程，仿真，從小到大，是必須的。經過大量的各種器件的使用與編程，才能掌握一門技術

17、。這次課設讓我受益匪淺，無論從知識上還是其他的各個方面。上課的時候的學習從來沒有見過真正的單片機，只是從理論的角度去理解枯燥乏味。但在實習中見過甚至使用了單片機及其系統(tǒng)，能夠理論聯(lián)系實際的學習，開闊了眼界，提高了單片機知識的理解和水平。在這次課程設計中又讓我體會到了合作與團結的力量，當遇到不會或是設計不出來的地方，同學之間相互幫助。團結就是力量，無論在現(xiàn)在的學習中還是在以后的工作中，團結都是至關重要的，有了團結會有更多的理念、更多的思維、更多的情感。 單片機是很重要的一門課程，老師和一些工作的朋友都曾說過，如果學好一門單片機，就憑這個技術這門手藝找一個好工作也不成問題。盡管我們在課堂學到的內容

18、很有限，但在以后的學習中單片機還需要好好的深入研究和學習，學好了單片機也就多了一項生存的本錢。最后感謝老師對我們的精心指導和幫助，感謝同學們對我的幫助。課程設計說明書13參考文獻資料1 肖看，李群芳.單片機原理、接口及應用.清華大學出版社.2010.92 樓然苗.單片機課程設計指導.北京：北京航空航天大學出版社.2002.3滕志軍今日電子J基于超聲波檢測的倒車雷達設計2006,(9):15-174徐科軍傳感器與檢測技術M北京：電子工業(yè)出版社，2007：110-113,160-1615潘新民王燕芳微型計算機控制技術實用教程M北京：電子工業(yè)出版社,2007：110-113,160-1616張立電子

19、世界J電動小車的循跡 2004,(6)：45 課程設計說明書14附錄仿真圖課程設計說明書15原程序代碼ORG 0000HAJMP STARTORG 000BHAJMP IV0ORG 0013HAJMP INT5ORG 001BHAJMP IV1;程序的初始化階段START: MOV R6,#00HMOV R2,#05HMOV R0,#80HMOV R1,#80HMOV TMOD,#11HMOV TH1,#80HMOV TL1,#00HMOV TH0,#3CHMOV TL0,#0B0HSETB TR0SETB TR1SETB EASETB ET1SETB ET0SETB IT1SETB EX1;

20、主程序階段START1:JB P3.0,NEX JNB P3.1,NEX MOV P0,#00000001B MOV P1,#10111111B ACALL DELAY NEX: MOV DPTR,#TAB課程設計說明書16 MOV A,32H MOVC A,A+DPTR MOV P0,#00000010B MOV P1,A ACALL DELAY MOV A,31H MOVC A,A+DPTR MOV P0,#00000100B MOV P1,A ACALL DELAY MOV A,30H MOVC A,A+DPTR MOV P0,#00001000B MOV P1,A ACALL DELA

21、Y MOV P2,#0FFH JNB P2.4,TINGZHI JNB P2.0,QIDONG JNB P2.1,FANZHUAN JNB P2.2,JIASU JNB P2.3,JIANSU LJMP START1;正轉QIDONG:JNB P2.0,QI LJMP START1 QI: JB P3.1,TK SETB P3.0 CLR P3.1 TK: JNB P3.0,TM SETB P3.0 CLR P3.1 TM: LJMP START1;反轉FANZHUAN:JNB P2.1,FAN LJMP START1課程設計說明書17 FAN: JB P3.0,TW SETB P3.1 CL

22、R P3.0 TW:JNB P3.1,TN SETB P3.1 CLR P3.0 TN: LJMP START1;停止TINGZHI:JNB P2.4,TING LJMP START1 TING: CLR P3.0 CLR P3.1 MOV R0,#80H MOV R1,#80H LJMP START1;加速JIASU:LCALL DELAY JNB P2.2,JIA LJMP START1 JIA:CJNE R0,#01H,NEXT LJMP START1 NEXT:DEC R0 INC R1 LJMP START1;減速JIANSU:LCALL DELAY JNB P2.3,JIAN LJMP START1 JIAN:CJNE R0,#0FEH,NEXT1 LJMP START1 NEXT1:INC R0 DEC R1 LJMP START1 ;定時器判斷 PMWIV1:JB P3.2,NX課程設計說明書18 MOV A,R0 MOV TH1,A MOV TL1,#00H