直流電機(jī)控制器設(shè)計(jì)論文

1、摘要本文是對直流電機(jī)PWM控制器設(shè)計(jì)的研究，主要實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的控制。本設(shè) 計(jì)主要是實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)速器的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速、停止等操作。為實(shí)現(xiàn)系 統(tǒng)的微機(jī)控制，在設(shè)計(jì)中，采用了 AT89C51單片機(jī)作為整個(gè)控制系統(tǒng)的控制電路 的核心部分，配以各種顯示、驅(qū)動模塊，實(shí)現(xiàn)對電動機(jī)轉(zhuǎn)速參數(shù)的顯示和測量； 由命令輸入模塊、光電隔離模塊及H型驅(qū)動模塊組成。采用帶中斷的獨(dú)立式鍵 盤作為命令的輸入，單片機(jī)在程序控制下，不斷給光電隔離電路發(fā)送PWM波形， H型驅(qū)動電路完成電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制.在設(shè)計(jì)中，采用PWM調(diào)速方式，通過改變 PWM的占空比從而改變電動機(jī)的電樞電壓，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對電動機(jī)的調(diào)速。設(shè)計(jì)的 整個(gè)控制系統(tǒng)，在

2、硬件結(jié)構(gòu)上采用了大量的集成電路模塊，大大簡化了硬件電路， 提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，使整個(gè)系統(tǒng)的性能得到提高。關(guān)鍵詞：AT89C51單片機(jī)；PWM調(diào)速；正反轉(zhuǎn)控制。AbstractThis article is a DC motor PWM speed control design study, the main achievement of motor control. This course is primarily designed to achieve PWM speed controller for forward and reverse, acceleration, decele

3、ration, and stop such an operation. And to achieve the circuit simulation. To achieve system, microcomputer control, in the design, using AT89C51 microcontroller control system as a whole, the core of the control circuit, accompanied by a variety of shows, drive module enables the motor speed parame

4、ter display and measurement; from the command input module, Optical isolation module and H-drive module. With the stand-alone keyboard with a break as a command input, single-chip in the process control, continuing to the optical isolation circuit to send PWM waveform, H-type motor driving circuit t

5、o complete positive inversion control. In the design, using PWM speed mode, by changing the PWM duty cycle to change the motor armature voltage, so as to realize the speed of the motor. Design of the control system hardware structure with a large number of integrated circuit modules, greatly simplif

6、ying the hardware circuitry to improve stability and reliability of the system so that the whole system performance is improved.Key words: AT89C51 microcontroller; PWM speed; positive inversion control. TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark1 o Current Document 摘要1ABSTRACT2 HYPERLINK l bookmark15 o Curr

7、ent Document 第一章概述5 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 1.1題目背景和意義5 HYPERLINK l bookmark21 o Current Document 1.2題目國內(nèi)外研究現(xiàn)狀6 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 1.3PWM控制技術(shù)簡述7 HYPERLINK l bookmark27 o Current Document 1.4完成目標(biāo)8 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 第二章系統(tǒng)論述8 HYPERLINK l

8、bookmark33 o Current Document 2.1設(shè)計(jì)思路8 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 2.2基本原理9 HYPERLINK l bookmark39 o Current Document AT89C2051單片機(jī)介紹951單片機(jī)簡介10功能錯(cuò)誤！未定義書簽。2.4總體設(shè)計(jì)框圖11第三章直流電機(jī)單元電路設(shè)計(jì)與分析123.1設(shè)計(jì)思路14 HYPERLINK l bookmark60 o Current Document 3.2方案論證與比較14 HYPERLINK l bookmark68 o Current Docume

9、nt 3.3直流電機(jī)驅(qū)動模塊14直流電機(jī)類型15直流電機(jī)結(jié)構(gòu)15直流電機(jī)工作原理15直流電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)16直流電機(jī)PWM調(diào)速原理16電機(jī)驅(qū)動模塊的電路設(shè)計(jì)19程序設(shè)計(jì)流程圖21 HYPERLINK l bookmark92 o Current Document 3.4直流電機(jī)的中斷鍵盤控制模塊21外部中斷設(shè)置21 HYPERLINK l bookmark113 o Current Document 外部中斷擴(kuò)展方法23 HYPERLINK l bookmark116 o Current Document 1602LCD液晶顯示模塊24 HYPERLINK l bookmark119 o Cu

10、rrent Document 引腳分布和接口信號說明24LCD液晶電路25 HYPERLINK l bookmark125 o Current Document 3.6霍爾元件測速電路26 HYPERLINK l bookmark137 o Current Document 第四章直流電機(jī)PWM控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)27 HYPERLINK l bookmark140 o Current Document 總電路圖27 HYPERLINK l bookmark143 o Current Document 總電路功能介紹27 HYPERLINK l bookmark146 o Current Docum

11、ent 結(jié)束語29 HYPERLINK l bookmark149 o Current Document 致謝30 HYPERLINK l bookmark152 o Current Document 參考文獻(xiàn)31第一章概述1.1題目背景和意義在現(xiàn)代工業(yè)和生活中，電動機(jī)作為電能轉(zhuǎn)換的傳動裝置被廣泛應(yīng)用，大到機(jī) 械、冶金、石油化學(xué)、國防等工業(yè)部門中，小到機(jī)器人和一些生活家用電器，隨 著對生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品質(zhì)量的要求不斷提高和產(chǎn)量的增長，越來越多的生產(chǎn)機(jī)械要 求能實(shí)現(xiàn)自動調(diào)速。長期以來，自動調(diào)速電動機(jī)一直占據(jù)著調(diào)速控制的統(tǒng)治地位。 由于它具有良好的線性調(diào)速特性，簡單的控制性能，高效率，優(yōu)異的動態(tài)特性，

12、 現(xiàn)在仍是大多數(shù)調(diào)速控制電動機(jī)的最優(yōu)選擇。以前電動機(jī)大多使用由模擬電路組成的控制柜進(jìn)行控制，現(xiàn)在單片機(jī)已經(jīng)開 始取代模擬電路作為電機(jī)控制器。當(dāng)前電機(jī)控制器的發(fā)展方向越來越趨于多樣化 和復(fù)雜化，現(xiàn)有的專用集成電路未必能滿足苛刻的新產(chǎn)品開發(fā)要求，為此可考慮 開發(fā)電機(jī)的新型單片機(jī)控制器，因此研究直流電機(jī)的速度控制，有著非常重要的 意義。電氣傳動技術(shù)以電動機(jī)控制為控制對象，以微電子裝置為核心，以電力電子 功率變換裝置為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在自動控制理論指導(dǎo)下組成電氣傳動控制系統(tǒng)。因電 機(jī)種類的不同分為直流電機(jī)傳動、交流電機(jī)傳動、步進(jìn)電機(jī)傳動、伺服電機(jī)傳動 等等。眾所周知，與交流調(diào)速系統(tǒng)相比，由于直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)

13、速精度高，調(diào)速 范圍廣，變流裝置控制簡單，長期以來在調(diào)速傳動占統(tǒng)治地位。在要求調(diào)速性能 較高的場合，一般都采用直流電氣傳動。目前，通過對電動機(jī)的控制，將電能轉(zhuǎn) 換為機(jī)械能進(jìn)而控制工作機(jī)械按給定的運(yùn)動規(guī)律運(yùn)行且使之滿足特定要求的新 型電氣傳動自動化技術(shù)廣泛應(yīng)用與國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。三十多年來，直流電機(jī)傳動經(jīng)歷了重大的變革。首先實(shí)現(xiàn)了整流器的更新?lián)Q 代，以品閘管整流裝置取代了習(xí)用已久的直流發(fā)電機(jī)組及水銀整流裝置使直流電 氣傳動完成了一次大的躍進(jìn)。同時(shí)，控制電路已經(jīng)實(shí)現(xiàn)高集成化、小型化、高可 靠性以及低成本。直流調(diào)速技術(shù)不斷發(fā)展，走向成熟化、完善化、系列化、標(biāo)準(zhǔn) 化，在可逆脈寬調(diào)速、高精度的電氣傳動

14、領(lǐng)域中仍然難以代替。由于直流電氣傳 動技術(shù)的研究和應(yīng)用已達(dá)到比較成熟的地步，應(yīng)用相當(dāng)普遍，尤其是全數(shù)字直流 系統(tǒng)的出現(xiàn)，更提高了直流調(diào)速系統(tǒng)的精度級可靠性。所以，今后一個(gè)階段在調(diào) 速要求較高的場合，如軋鋼廠、海上鉆井平臺等，直流調(diào)速仍然處于主要地位。 早期直流傳動的控制系統(tǒng)采用模擬分離器件較多，使得模擬直流傳動系統(tǒng)的控制 精度及可靠性較低，隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，直流傳動系統(tǒng)已經(jīng)廣泛使用微 機(jī)，實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字化控制。由于微機(jī)以數(shù)字信號工作，控制手段靈活方便，抗十 擾能力強(qiáng)。所以，全數(shù)字直流天數(shù)控制精度和可靠性比模擬直流調(diào)速系統(tǒng)大大提 高。而且通過系統(tǒng)總線全數(shù)字化控制系統(tǒng)，能與管理計(jì)算機(jī)、過程計(jì)

15、算機(jī)、遠(yuǎn)程 電控裝置進(jìn)行交換，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動化分級控制。所以，直流傳動控制采用 微機(jī)實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化，使直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)入一個(gè)嶄新的階段。1.2題目國內(nèi)外研究現(xiàn)狀直流電機(jī)問世已有一百四十多年的歷史。在設(shè)計(jì)和制造技術(shù)上有很大進(jìn)步，新材料、新技術(shù)的應(yīng)用以及整流電源的普及，促進(jìn)了一般工業(yè)用直流電機(jī)的 不斷擴(kuò)大，品種的日益繁多。從小全數(shù)瓦，大到萬余千瓦，廣泛地用于冶金、礦 山、煤炭、起重運(yùn)輸、機(jī)床制造、紡織印染等各個(gè)部門中，特別是近幾年電子計(jì) 算技術(shù)廣泛應(yīng)用在直流電機(jī)設(shè)計(jì)制造中。從直流電動機(jī)的演變歷史，也可以縱觀 直流電動機(jī)的發(fā)展歷史和動向、從四十年代后期到五十年代的前期，直流電動機(jī) 的電源主要是采用M

16、-G電動發(fā)電機(jī)組，六十年代初，電動發(fā)電機(jī)組電源已被水銀 整流器逐漸代替，到六十年代后期，由于可控硅整流裝置的出現(xiàn)，并得到迅速發(fā) 展，可控硅整流電源已占統(tǒng)治地位。由于直流電源供電方式的不斷更新?lián)Q代，特 別是在最近的十幾年期問，進(jìn)一步促使了直流電動機(jī)的單機(jī)功率、轉(zhuǎn)速不斷提 高，目前朝著高速、大功率方向發(fā)展。另外，由于絕緣技術(shù)和分析技術(shù)的進(jìn)步，直 流電動機(jī)已迅速向小型輕量，低慣量方面發(fā)展。脈沖寬度調(diào)制是一種模擬控制方式，其根據(jù)相應(yīng)載荷的變化來調(diào)制品體管基 極或MOS管柵極的偏置，來實(shí)現(xiàn)品體管或MOS管導(dǎo)通時(shí)間的改變，從而實(shí)現(xiàn)開關(guān) 穩(wěn)壓電源輸出的改變。這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時(shí)保持恒

17、定，是利用微處理器的數(shù)字信號對模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)。微機(jī)，出現(xiàn)于20世紀(jì)70年代，隨著大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路制造工藝的 迅速發(fā)展，微機(jī)的性能越來越高，價(jià)格越來越便宜。此外，電力電子的發(fā)展，使 得大功率電子器件的性能迅速提高。因此就有可能比較普遍的應(yīng)用微機(jī)來控制電 機(jī)，完成各種新穎的、高性能的控制策略，使電機(jī)的各種潛在的能力得到充分的 發(fā)揮，十點(diǎn)幾的性能更符合使用要求，還可以制造出各種便于控制的新型電機(jī)， 使電機(jī)出現(xiàn)新的面貌。比較簡單的電機(jī)微機(jī)控制，只要用微機(jī)控制繼電器或電子 開關(guān)元件使電路開通或關(guān)斷就可以了。在各種機(jī)床設(shè)備及生產(chǎn)流水線中，現(xiàn)在已 普遍采用微機(jī)的可編程控制器，按

18、一定的規(guī)律控制各類電機(jī)的動作。對于復(fù)雜的 電機(jī)控制，則要用微機(jī)控制電機(jī)的電壓、電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角等等，使電機(jī) 按給定的指令準(zhǔn)確工作。通過微機(jī)控制，可是電機(jī)的性能有和大的提高。1.3PWM控制技術(shù)簡述PWM控制技術(shù)以其控制簡單，靈活和動態(tài)響應(yīng)好的優(yōu)點(diǎn)而成為電力電子技術(shù) 最廣泛應(yīng)用的控制方式，也是人們研究的熱點(diǎn)。由于當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)沒 有了學(xué)科之間的界限，結(jié)合現(xiàn)代控制理論思想或?qū)崿F(xiàn)無諧振波開關(guān)技術(shù)將會成為 PWM控制技術(shù)發(fā)展的主要方向之一。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了多種PWM技術(shù)， 其中包括：相電壓控制PWM、脈寬PWM法、隨機(jī)PWM、SPWM法、線電壓控制PWM 等，而在竦氫電池智能充

19、電器中采用的脈寬PWM法，它是把每一脈沖寬度均相等的脈沖列作為PWM波形，通過改變脈沖列的周期可以調(diào)頻，改變脈沖的寬度或占 空比可以調(diào)壓，采用適當(dāng)控制方法即可使電壓與頻率協(xié)調(diào)變化?？梢酝ㄟ^調(diào)整 PWM的周期、PWM的占空比而達(dá)到控制充電電流的目的。目前，PWM整流控制技術(shù)的研究取得了一定的進(jìn)展。在電壓型PWM整流器控 制技術(shù)方面，滯環(huán)電流控制、瞬時(shí)值比較法電流控制、固定開關(guān)頻率的PWM控制、 預(yù)測電流解耦控制、非線性系統(tǒng)反饋解耦控制、單周期控制、無電流傳感器的三 相PWM整流器控制策略均得到研究。在電流型PWM整流控制方面，相繼對電流型PWM整流器的Dalta調(diào)制、空間 矢量調(diào)制、預(yù)測控制、電

20、網(wǎng)不平衡條件下的控制、非線性控制進(jìn)行了研究。1.4完成目標(biāo)采用PWM控制控制技術(shù)，當(dāng)按下中斷獨(dú)立鍵盤的正傳和加速按鈕的時(shí)候，單 片機(jī)輸出PWM信號給驅(qū)動電路，使得電機(jī)正向加速轉(zhuǎn)動，與此同時(shí)由測速電路把 轉(zhuǎn)速反饋給單片機(jī)在顯示器上顯示出來。當(dāng)按下反轉(zhuǎn)和加速的時(shí)候電機(jī)反向加速 轉(zhuǎn)動，與此同時(shí)由測速電路把轉(zhuǎn)速反饋給單片機(jī)在顯示器上顯示出來。如上所述， 電機(jī)可完成正傳、反轉(zhuǎn)、加速、減速、停止、在顯示器顯示轉(zhuǎn)速。第二章系統(tǒng)論述2.1設(shè)計(jì)思路直流電機(jī)PWM控制系統(tǒng)的主要功能包括：直流電機(jī)的加速、減速以及電機(jī)的 正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，并且可以調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速，還可以方便的讀出電機(jī)轉(zhuǎn)速的大小，能 夠很方便的實(shí)現(xiàn)電機(jī)的智能

21、控制。其間，還包括直流電機(jī)的直接清零、啟動（置 數(shù)）、暫停、連續(xù)功能。該直流電機(jī)系統(tǒng)由以下電路模塊組成：振蕩器和時(shí)鐘電 路：這部分電路主要由80C51單片機(jī)和一些電容、晶振組成。設(shè)計(jì)輸入部分：這 一模塊主要是利用帶中斷的獨(dú)立式鍵盤來實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)控制部分：主要由80C51 單片機(jī)的外部中斷擴(kuò)展電路組成。設(shè)計(jì)顯示部分：包括液晶顯示部分和LED數(shù)碼 顯示部分。液晶顯示部分由1602LCD液晶顯示模塊組成；LED數(shù)碼顯示部分由七 段數(shù)碼顯示管組成。直流電機(jī)PWM控制實(shí)現(xiàn)部分：主要由一些二極管、電機(jī)和 L298直流電機(jī)驅(qū)動模塊組成。2.2基本原理主體電路：即直流電機(jī)PWM控制模塊。這部分電路主要由80C5

22、1單片機(jī)的 I/O端口、定時(shí)計(jì)數(shù)器、外部中斷擴(kuò)展等控制直流電機(jī)的加速、減速以及電機(jī)的 正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，并且可以調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速，還可以方便的讀出電機(jī)轉(zhuǎn)速的大小和了 解電機(jī)的轉(zhuǎn)向，能夠很方便的實(shí)現(xiàn)電機(jī)的智能控制。其間，還包括直流電機(jī)的直 接清零、啟動(置數(shù))、暫停、連續(xù)功能。其間是通過80C51單片機(jī)產(chǎn)生脈寬可 調(diào)的脈沖信號并輸入到L298驅(qū)動芯片來控制直流電機(jī)工作的。該直流電機(jī)PWM 控制系統(tǒng)由以下電路模塊組成：設(shè)計(jì)輸入部分：這一模塊主要是利用帶中斷的獨(dú) 立式鍵盤來實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)控制部分:主要由80C51單片機(jī)的外部中斷擴(kuò)展電路組成。 設(shè)計(jì)顯示部分:包括液晶顯示部分和LED數(shù)碼顯示部分。液晶顯示部分由1

23、602LCD 液晶顯示模塊組成。直流電機(jī)PWM控制實(shí)現(xiàn)部分：主要由一些二極管、電機(jī)和 L298直流電機(jī)驅(qū)動模塊組成。2.3 AT89C2051單片機(jī)介紹AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器(FPEROM Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory)的低電壓， 高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器 制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制 器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供

24、了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。51單片機(jī)是對 所有兼容Intel 8031指令系統(tǒng)的單片機(jī)的統(tǒng)稱。該系列單片機(jī)的始祖是Intel的 8031單片機(jī)，后來隨著Flash rom技術(shù)的發(fā)展，8031單片機(jī)取得了長足的進(jìn)展， 成為應(yīng)用最廣泛的8位單片機(jī)之一，其代表型號是ATMEL公司的AT89系列， 它廣泛應(yīng)用于工業(yè)測控系統(tǒng)之中。很多公司都有51系列的兼容機(jī)型推出，今后 很長的一段時(shí)間內(nèi)將占有大量市場。51單片機(jī)是基礎(chǔ)入門的一個(gè)單片機(jī)，還是 應(yīng)用最廣泛的一種。需要注意的是52系列的單片機(jī)一般不具備自編程能力。2.3.1 51單片機(jī)引腳圖和引腳功能51單片機(jī)引腳圖(RXD) (TXD) (INTO) (

25、1NT1 )(TO) (T1) (WR) (RD)P1.0 匚140 VccP1.1 c239=| P0. 0 (ADO)P1.2 匚338 P0. 1 (ADDP1.3 匚437 P0. 2 (AD2)P1.4匚536 PO. 3 (AD3)P1.5 匚635 P0. 4 (AD4)P1.6 匚734 PO. 5 (AD5)P1.7 匚833 PO. 6 (AD6)RST匚932 PO. 7 (AD7)P3 . 0 匚1031EAP3. 1 匚1130=)ALW/PROGP3. 2 匚1229 PSENP3. 3 匚1328 P2. 7(A15)P3 4匚1427 P2. 6(A14)P3.

26、5 匚1526 P2. 5(A13)P3.6 匚1625 P2. 4(A12)P3. 7 匚1724 P2. 3(A11)XTAL2 匚1823 P2. 2 (A10)XTAL1 匚1922 P2. 1 (A9)GND匚2021 P2 . 0(A8)（2）51單片機(jī)引腳功能 40個(gè)引腳按引腳功能大致可分為4個(gè)種類：電源、時(shí)鐘、控制和I/O引腳。電源：VCC -芯片電源，接+5V；VSS -接地端；注：用萬用表測試單片機(jī)引腳電流一般為0v或者5v,這是標(biāo)準(zhǔn)的TTL電平，但 有時(shí)候在單片機(jī)程序正在工作時(shí)候測試結(jié)果并不是這個(gè)值而是介于0v-5v之間， 其實(shí)這之是萬用表反映沒這么快而已，在某一個(gè)瞬間單

27、片機(jī)引腳電流還是保持在 0v或者5v的。時(shí)鐘:XTAL1、XTAL2 -晶體振蕩電路反相輸入端和輸出端?？刂凭€:控制線共有4根，ALE/PROG:地址鎖存允許/片內(nèi)EPROM編程脈沖ALE功能：用來鎖存P0 口送出的低8位地址PROG功能：片內(nèi)有EPROM的芯片，在EPROM編程期間，此引腳輸入編程脈 沖。PSEN :外ROM讀選通信號。RST/VPD :復(fù)位/備用電源。RST （Reset）功能：復(fù)位信號輸入端。VPD功能：在Vcc掉電情況下，接備用電源。EA/Vpp:內(nèi)外ROM選擇/片內(nèi)EPROM編程電源。EA功能：內(nèi)外ROM選擇端。Vpp功能：片內(nèi)有EPROM的芯片，在EPROM編程期間

28、，施加編程電源Vpp。I/O 線80C51共有4個(gè)8位并行I/O端口： P0、P1、P2、P3 口，共32個(gè)引腳。P3 口還具有第二功能，用于特殊信號輸入輸出和控制信號（屬控制總線）。2.4總體設(shè)計(jì)框圖系統(tǒng)組成：直流電機(jī)PWM調(diào)速方案如圖2.2所示:方案說明：直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)以AT89C2051單片機(jī)為控制核心，由 命令輸入模塊、LCD顯示模塊及電機(jī)驅(qū)動模塊組成。采用帶中斷的獨(dú)立式鍵盤作 為命令的輸入，單片機(jī)在程序控制下，定時(shí)不斷給直流電機(jī)驅(qū)動芯片發(fā)送PWM 波形，H型驅(qū)動電路完成電機(jī)正，反轉(zhuǎn)控制；同時(shí)單片機(jī)不停的將從鍵盤讀取的數(shù)據(jù)送到LCD顯示模塊去顯示輸出控制電路驅(qū)動電路小型直流電機(jī)

29、霍爾一兒件測速反饋電機(jī)轉(zhuǎn)速到單片機(jī)圖2.2系統(tǒng)框圖2.5方案論證與比較（1）顯示電路選擇與比較方案一：采用數(shù)碼管顯示電路，該硬件電路簡單，編程也比較簡單。視 角范圍大，亮度高，顯示是效果好，但是只能顯示簡單數(shù)字字母等有限的字符，不能滿足本設(shè)計(jì)要求。故，不采用數(shù)碼管顯示電路。方案二：采用1602液晶顯示，硬件電路簡單，編程容易?？梢燥@示字 母和數(shù)字，以及簡單的圖像。能滿足本設(shè)計(jì)要求，顯示清晰度可以通過調(diào)節(jié) 偏壓端電壓來改變對比度，從而實(shí)現(xiàn)清晰度調(diào)整。顯示效果較好，還可以滾 動顯示等，顯示靈活。綜上所述，數(shù)碼管顯示電路不能滿足本設(shè)計(jì)的要求；1602液晶顯示可 以顯示數(shù)字、英文、漢字、圖片等能滿足本

30、設(shè)計(jì)要求。故，采用1602液晶 顯示電路作為本設(shè)計(jì)的顯示電路模塊。（2）鍵盤電路選擇與比較方案一：獨(dú)立式鍵盤，獨(dú)立式鍵盤硬件電路極為簡單，程序也非常簡單。容 易開發(fā)，開發(fā)周期短，使用方便簡單。方案二：矩陣式鍵盤，矩陣式鍵盤硬件電路也比較簡單，編程較為復(fù)雜。不 容易開發(fā)，在按鍵較多的時(shí)候，與獨(dú)立式鍵盤相比較經(jīng)濟(jì)，占用IO端口較少， 但編程較獨(dú)立式鍵盤難的多，由于本設(shè)計(jì)要求的鍵盤按鍵數(shù)量較少，采用獨(dú)立式 鍵盤較方便，開發(fā)難度大大降低，開發(fā)周期縮短，也比較經(jīng)濟(jì)。故在本設(shè)計(jì)中采 用獨(dú)立式鍵盤。經(jīng)上述比較后采用獨(dú)立式鍵盤作為本設(shè)計(jì)的鍵盤電路模塊。（3）測速電路的選擇與比較一般要考慮傳感器的結(jié)構(gòu)、安裝以及

31、測速范圍與環(huán)境條件等方面的適用性； 再就是二次儀表的要求，除了顯示以外還有控制、通訊和遠(yuǎn)傳方面的要求。本說 明書中給出兩種轉(zhuǎn)速測量方案，經(jīng)過查找資料、構(gòu)思和設(shè)計(jì)，總體電路我們有兩 套設(shè)計(jì)方案，部分重要模塊也考慮了其它設(shè)計(jì)方法，經(jīng)過分析，從實(shí)現(xiàn)難度、熟 悉程度、器件用量等方面綜合考慮，我們才最終選擇了一個(gè)方案。下面就看一下 我們對兩套設(shè)計(jì)方案的簡要說明。方案一：霍爾傳感器測量方案 霍爾傳感器是利用霍爾效應(yīng)進(jìn)行工作的，其 核心元件是根據(jù)霍爾效應(yīng)原理制成的霍爾元件。本文介紹一種泵驅(qū)動軸的轉(zhuǎn)速采 用霍爾轉(zhuǎn)速傳感器測量?；魻栟D(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖如圖3.1,霍爾轉(zhuǎn)速傳感 器的接線圖如圖3.2。 傳感器的

32、定子上有2個(gè)互相垂直的繞組A和B,在繞 組的中心線上粘有霍爾片HA和HB,轉(zhuǎn)子為永久磁鋼，霍爾元件HA和HB的激勵(lì) 電機(jī)分別與繞組A和B相連，它們的霍爾電極串聯(lián)后作為傳感器的輸出。電機(jī)控制信號；液晶顯示器件作為顯示，與用戶進(jìn)行人機(jī)交互；利用串行通信接 口與上位機(jī)進(jìn)行通信，接收上位機(jī)發(fā)送過來的控制命令。從PC機(jī)發(fā)來的控制命 令經(jīng)單片機(jī)系統(tǒng)接收后，產(chǎn)生電機(jī)控制信號，并提供給電機(jī)驅(qū)動電路控制直流電 機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)并正常顯示轉(zhuǎn)速。3.2方案論證與比較3.3直流電機(jī)驅(qū)動模塊主要由一些二極管、電機(jī)和L298直流電機(jī)驅(qū)動模塊（內(nèi)含CMOSS管、三太 門等）組成?，F(xiàn)在介紹下直流電機(jī)的運(yùn)行原理直流電機(jī)類型直流電機(jī)可

33、按其結(jié)構(gòu)、工作原理和用途等進(jìn)行分類，其中根據(jù)直流電機(jī)的用 途可分為以下幾種：直流發(fā)電機(jī)（將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為直流電能）、直流電動機(jī)（將 直流電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能）、直流測速發(fā)電機(jī)（將機(jī)械信號轉(zhuǎn)換為電信號）、直流 伺服電動機(jī)（將控制信號轉(zhuǎn)換為機(jī)械信號）。下面以直流電動機(jī)作為研究對象。 直流電機(jī)結(jié)構(gòu)直流電機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。在定子上裝有磁極（電磁式直流電機(jī)磁 極由繞在定子上的磁繞提供），其轉(zhuǎn)子由硅鋼片疊壓而成，轉(zhuǎn)子外圓有槽，槽內(nèi) 嵌有電樞繞組，繞組通過換向器和電刷引出，直流電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖3.1所示繞組線圈主磁極電刷換向片圖3.1直流電動機(jī)結(jié)構(gòu)直流電機(jī)工作原理直流電機(jī)電路模型如圖2.2所示，磁極N、S間裝

34、著一個(gè)可以轉(zhuǎn)動的鐵磁圓 柱體，圓柱體的表面上固定著一個(gè)線圈abcd。當(dāng)線圈中流過電流時(shí)，線圈受到 電磁力作用，從而產(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(shí)， 線圈的受方向也將改變，因此通過改變線圈電路的方向?qū)崿F(xiàn)改變電機(jī)的方向。圖3.2直流電動機(jī)電路模型圖1.1直流電機(jī)工作3.3.4 直流電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)直流電機(jī)的主要額定值有：額定功率Pn：在額定電流和電壓下，電機(jī)的負(fù)載能力。額定電壓Ue：長期運(yùn)行的最高電壓。額定電流Ie：長期運(yùn)行的最大電流。額定轉(zhuǎn)速n：單位時(shí)間內(nèi)的電機(jī)轉(zhuǎn)動快慢。以r/min為單位。勵(lì)磁電流If：施加到電極線圈上的電流。直流電機(jī)PWM調(diào)速原理（1）直流電機(jī)轉(zhuǎn)速直流

35、電機(jī)的數(shù)學(xué)模型可用圖2.3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圖3.3直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型的方向相同，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T0均與n相反, 是制動轉(zhuǎn)矩。說明：U 電壓Ea 電樞電動勢n 轉(zhuǎn)速I電樞電流ra 電樞回路電阻Rc 外在電樞電阻T1，T2負(fù)載轉(zhuǎn)矩T0 空載轉(zhuǎn)矩磁通量根據(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=Ea-Ia（Ra+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

36、式為：n =Ua-IR/Ce0式 1.2式1.2中，Ce為電動勢常數(shù)，0是磁通量。由1.1式和1.2式得n =Ea/Ce0式 1.3由式1.3中可以看出，對于一個(gè)已經(jīng)制造好的電機(jī)，當(dāng)勵(lì)磁電壓和負(fù)載轉(zhuǎn)矩 恒定時(shí)，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(shí)，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)。PWM電機(jī)調(diào)速原理最大值Vmax平均值Vd最小值Vmin對于直流電機(jī)來說，如果加在電樞兩端的電壓為2.3所示的脈動電流壓(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，下面對這一

37、變化進(jìn)一步推導(dǎo)。圖1.3 PWM調(diào)速原理圖圖3.3施加在電樞兩端的脈動電壓設(shè)電機(jī)接全電壓U時(shí)，其轉(zhuǎn)速最大為Vmax。若施加到電樞兩端的脈動電壓占空比為D=t1/T，則電樞的平均電壓為：U 平二。 D 式 1.4由式1.3得到：n =Ea/Ce0 U - D/ Ce0 =KD；在假設(shè)電樞內(nèi)阻轉(zhuǎn)小的情況下式中K= U/ Ce0，是常數(shù)。圖3.4為施加不同占空比時(shí)實(shí)測的數(shù)據(jù)繪制所得占空比與轉(zhuǎn)速的關(guān)系圖。3.4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(shí)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

38、機(jī)的轉(zhuǎn)速成，這就是直流電 機(jī)PWM調(diào)速原理。電機(jī)驅(qū)動模塊的電路設(shè)計(jì)根據(jù)直流電機(jī)的工作原理，從PROTEUS選取元器件如下，放置元器件、放置 電源和地連線，我們參此設(shè)計(jì)的直流電機(jī)驅(qū)動模塊電路如圖2.5所示2SK1058:CMOSS 管74L26:三太門1N4006:二極管VSCOURCE:電源MOTOR-ENCODER :直流電機(jī)RES:電阻AT89C51:單片機(jī)（在此并未顯示）圖3.5直流電機(jī)驅(qū)動電路然而考慮市場的行情，既然已有專門地為電機(jī)驅(qū)動而設(shè)計(jì)的芯片，就沒必要 再從新來設(shè)計(jì)；選用L298芯片來構(gòu)成的電路結(jié)構(gòu)基本上跟上圖一樣，由L298芯 片組裝的驅(qū)動模塊如圖2.6所示。所用元器件如下所示

39、：1N4006:二極管AT89C51:單片機(jī)（在此并未顯示）RES:電阻MOTOR-ENCODER :直流電機(jī)L298:電機(jī)驅(qū)動芯片RESPACK-8:排阻3.3.7 程序設(shè)計(jì)流程圖3.4直流電機(jī)的中斷鍵盤控制模塊外部中斷設(shè)置外部中斷允許設(shè)置中斷控制寄存器IE的EX0對應(yīng)INT0, EX1對應(yīng)INT1, EA為中斷的總開關(guān)，若要開放外部中斷，只要將IE對應(yīng)的位和總開關(guān)EA置1即可。如：開放外部中斷0的設(shè)置：SETB EX0SETB EA開放外部中斷0和1的設(shè)置：SETB EX0SETB EX1SETB EA外部中斷觸發(fā)方式設(shè)置單片機(jī)外部中斷有兩種觸發(fā)方式，一種是電平觸發(fā)方式，另一種是脈沖觸發(fā)

40、方式，單片機(jī)外部中斷觸發(fā)方式與TCON的IT位有關(guān)。TF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT0電平觸發(fā)設(shè)置方法：CLR ITX，為低電平觸發(fā)方式。脈沖觸發(fā)設(shè)置方法：SETB ITX=1，為脈沖下降沿觸發(fā)方式。在使用外部中斷時(shí)，如果不進(jìn)行設(shè)置，則為電平觸發(fā)方式。外部優(yōu)先級設(shè)置外部中斷IN0、INT1的中斷優(yōu)先級的設(shè)置是通過設(shè)置IP寄存器實(shí)現(xiàn)的，IP的PX0對應(yīng)INT0，PX1對應(yīng)INT1。PX置1為高級中斷，PX為0為低級中斷。XXXPSPT1PX1PT0PX03.4.2外部中斷擴(kuò)展方法在圖2.8為外部中斷擴(kuò)展方法，設(shè)XI、X2、X3、X4、X5為外部警情信號，X1代表是加速信號，X1=0

41、表示加速；X2代表減速信號，X2=0表示減速；X3代 表正轉(zhuǎn)信號，X3=0表示正轉(zhuǎn)；X4代表反轉(zhuǎn)信號，X4=0表示反轉(zhuǎn)；X5代表停止 信號，X5=0表示停止處理。P2 0P2.1P2.3P2.4P2.5加速減速正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)停止圖3.8外部中斷擴(kuò)展電路當(dāng)系統(tǒng)檢測到有中斷請求時(shí)，響應(yīng)如下中斷服務(wù)流程圖2.9。圖3.9中斷服務(wù)流程3.5 1602LCD液晶顯示模塊引腳分布和接口信號說明(1)引腳分布1602液晶顯示共有16個(gè)引腳，其引腳分布如圖3.10所示。ObCNCO 寸 LO9Z QQQQQQQQ0) Q LU CO Q LUC/) or cr nJCO圖3.10 1602液晶顯示模塊引腳分布(2)

42、引腳功能1602引腳功能如表3.1所示表3.1 1602引腳功能編號符號引腳說明編號符號引腳說明1VSSVSS為地電源9D2Data I/O2VDDVDD接5V正電源10D3Data I/O3VEE液晶顯示偏壓信號11D4Data I/O4RS0輸入指令，1輸入數(shù)據(jù)12D5Data I/O5R/W0寫入指令或數(shù)據(jù)，1讀信息13D6Data I/O6E1讀取信息，1一0執(zhí)行指令14D7Data I/O7D0Data I/O15BLA背光源正極8D1Data I/O16BLK背光源負(fù)極3.5.2 LCD液晶電路LM016LLCD顯示電路圖3.11 1602液晶顯示模塊組成AT89C51顯示程序流程

43、圖如3.12所示圖 3.123.6霍爾元件測速電路霍爾元件測速法是利用霍爾開關(guān)元件測轉(zhuǎn)速的。霍爾開關(guān)元件內(nèi)含穩(wěn)壓電 路、霍爾電勢發(fā)生器、放大器、施密特觸發(fā)器和輸出電路。測速原理：在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上裝一個(gè)圓盤，圓盤上裝若干對小磁鋼，小磁鋼越多， 分辨率越高，霍爾開關(guān)固定在小磁鋼附近，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動時(shí)，每當(dāng)一個(gè)小磁鋼轉(zhuǎn)過 霍爾開關(guān)，霍爾開關(guān)便輸出一個(gè)脈沖，計(jì)算出單位時(shí)間的脈沖數(shù)，即可確定旋轉(zhuǎn) 體的轉(zhuǎn)速。3.3V 33V10K Q? out、2N3904第四章直流電機(jī)PWM控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)4.1總電路圖正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)停止加速減速RESPfiCK-B4.2總電路功能介紹直流電機(jī)PWM調(diào)制控制系統(tǒng)具有加速、減速、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止控制功能。操作開關(guān)通過中斷控制直流電機(jī)的加速、減速、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止控制功能，并通過LCD液晶顯示。振蕩、時(shí)鐘電路和復(fù)位電路由80C51單片機(jī)內(nèi)部給出。直 流電機(jī)轉(zhuǎn)動速度由LCD液晶顯示。操作開關(guān)狀態(tài)由液晶顯示器顯示。結(jié)束語通過本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我更深入的學(xué)到了有關(guān)單片機(jī)的原理及應(yīng)