直流電機(jī)雙向可逆控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn) 電氣工程管理專(zhuān)業(yè)

1、 直流電機(jī)雙向可逆控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘 要近年來(lái)，隨著科技的進(jìn)步，直流電機(jī)較之于交流電機(jī)具有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)在很多情況下應(yīng)用非常廣泛，可以在不同情況下滿(mǎn)足人們對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)的要求。本系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)為核心，通過(guò)內(nèi)部定時(shí)器產(chǎn)生PWM波形，控制LN298大功率H橋路驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)已達(dá)到控制轉(zhuǎn)速的目的。通過(guò)數(shù)碼管將速度等級(jí)顯示出來(lái)，此外分別從主控制芯片的選擇、顯示電路的比較與選擇、 電機(jī)調(diào)速控制模塊、電源電路與電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路四個(gè)方面進(jìn)一步確定系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，最后通過(guò)數(shù)碼管LED顯示程序設(shè)計(jì)以及電機(jī)控制子程序完成實(shí)驗(yàn)步驟，并在結(jié)論部分對(duì)系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程中的常見(jiàn)的故障分析和注意事項(xiàng)做出了摘要說(shuō)明，具有一定的理

2、論和實(shí)際意義。關(guān)鍵詞：STC89C52； 雙向可逆控制系統(tǒng)； PWM調(diào)速； ABSTRACTThis paper introduces the design of the system hardware and software design, and the hardware block diagram and software flow chart and gives some description. According to the hardware block diagram of the following function modules of STC89C52 chip, th

3、e design, the L298 full bridge driver chip, the pulse processing, amplification, output to control the speed of motor. Control of the L298 high power H bridge drive DC motor has to control the speed of the. Through the digital tube display speed grade, also can through the button control motor story

4、 of inversion, and the motor speed to add and subtract. The system design is reasonable, complete functions, superior performance, good results in the actual production, easy to control, simple and flexible configuration advantages.Keywords: STC89C52； MCU； PWM speed control目 錄 TOC o 1-2 h z HYPERLIN

5、K l _Toc355817649 摘要 PAGEREF _Toc355817649 h I HYPERLINK l _Toc355817650 ABSTRACT PAGEREF _Toc355817650 h II HYPERLINK l _Toc355817651 前言 PAGEREF _Toc355817651 h IV HYPERLINK l _Toc355817652 1緒論 PAGEREF _Toc355817652 h 1 HYPERLINK l _Toc355817653 1.1課題研究的背景 PAGEREF _Toc355817653 h 1 HYPERLINK l _Toc

6、355817654 1.2 國(guó)內(nèi)外技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc355817654 h 2 HYPERLINK l _Toc355817655 1.3本設(shè)計(jì)的目標(biāo)任務(wù) PAGEREF _Toc355817655 h 2 HYPERLINK l _Toc355817656 2系統(tǒng)總體方案 PAGEREF _Toc355817656 h 3 HYPERLINK l _Toc355817657 2.1 主控制芯片的選擇 PAGEREF _Toc355817657 h 3 HYPERLINK l _Toc355817658 2.2 顯示電路的比較與選擇 PAGEREF _Toc3558176

7、58 h 3 HYPERLINK l _Toc355817659 2.3 電機(jī)調(diào)速控制模塊 PAGEREF _Toc355817659 h 3 HYPERLINK l _Toc355817660 2.4 電源電路與電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 PAGEREF _Toc355817660 h 4 HYPERLINK l _Toc355817661 3系統(tǒng)硬件方案設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc355817661 h 5 HYPERLINK l _Toc355817662 3.1 系統(tǒng)總電路框圖設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc355817662 h 5 HYPERLINK l _Toc355817663 3.2 系統(tǒng)

8、模塊電路設(shè)計(jì)及原理 PAGEREF _Toc355817663 h 5 HYPERLINK l _Toc355817664 4系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc355817664 h 16 HYPERLINK l _Toc355817665 4.1 系統(tǒng)的整體程序流程圖 PAGEREF _Toc355817665 h 16 HYPERLINK l _Toc355817666 4.2 數(shù)碼管LED顯示程序設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc355817666 h 17 HYPERLINK l _Toc355817667 4.3 電機(jī)控制子程序 PAGEREF _Toc355817667 h 18

9、 HYPERLINK l _Toc355817668 5系統(tǒng)調(diào)試 PAGEREF _Toc355817668 h 19 HYPERLINK l _Toc355817669 5.1 常見(jiàn)的故障分析 PAGEREF _Toc355817669 h 19 HYPERLINK l _Toc355817670 5.2 系統(tǒng)調(diào)試注意事項(xiàng) PAGEREF _Toc355817670 h 19 HYPERLINK l _Toc355817671 結(jié)論 PAGEREF _Toc355817671 h 20 HYPERLINK l _Toc355817672 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc355817672

10、h 21 HYPERLINK l _Toc355817673 致謝 PAGEREF _Toc355817673 h 22 HYPERLINK l _Toc355817674 附錄一 硬件原理圖 PAGEREF _Toc355817674 h 23 HYPERLINK l _Toc355817675 附錄二 程序源代碼 PAGEREF _Toc355817675 h 24緒論（1）課題研究的背景近些年來(lái)，社會(huì)在飛速發(fā)展，生產(chǎn)力在不斷的提高。直流電機(jī)的因?yàn)閼?yīng)用的范圍廣，并且可以滿(mǎn)足不同情況下人們對(duì)電機(jī)的各種近乎苛刻的要求，所以直流電機(jī)的優(yōu)勢(shì)地位越來(lái)越明顯?，F(xiàn)在的生產(chǎn)力越來(lái)越高就離不開(kāi)人們對(duì)電機(jī)的高

11、質(zhì)量的要求。如果僅僅通過(guò)改變電樞、改變電壓等遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿(mǎn)足不了人們對(duì)電機(jī)的要求，生產(chǎn)力也跟不上，所以這時(shí)用PWM方調(diào)控直流電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度的辦法就由此產(chǎn)生。之前的調(diào)速系統(tǒng)在長(zhǎng)期的運(yùn)用過(guò)程中人們發(fā)現(xiàn)主要有以下問(wèn)題有待完善：模擬電路使用的時(shí)間越長(zhǎng)，會(huì)因?yàn)榘l(fā)熱在運(yùn)行的過(guò)程中造成損耗，并且對(duì)噪聲特別敏感。當(dāng)直流電機(jī)用上PWM后，就完美的覆蓋了以上的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)控，大大的降低了成本和減少了噪音。并且PWM的開(kāi)始的頻率就非常的高，所以?xún)H僅靠電樞電感就可以得到直流電，同時(shí)高的開(kāi)關(guān)頻率，可以使電機(jī)控制系統(tǒng)得到很快的響應(yīng)，噪音小、抗干擾的能力也非常棒。節(jié)約能耗的遠(yuǎn)離在于只要保持開(kāi)關(guān)處于工作狀態(tài)，就可以減少主要電路上運(yùn)行

12、的損耗，并且在不斷的研發(fā)過(guò)程中，不斷改變它的體積等，現(xiàn)如今已經(jīng)具有占用的空間小，損耗小的特點(diǎn)?，F(xiàn)在的工業(yè)生產(chǎn)中，電動(dòng)機(jī)主要提供動(dòng)能，人們?cè)诓粩嗟淖龀鰢L試新的電動(dòng)機(jī)來(lái)滿(mǎn)足生產(chǎn)的需要，舊的電動(dòng)機(jī)不斷地接受時(shí)間的檢驗(yàn)，遵循優(yōu)勝劣汰的市場(chǎng)法則?，F(xiàn)在的直流電機(jī)采用的是晶閘管成功的取代了之前笨重的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。現(xiàn)如今電子技術(shù)越來(lái)越成熟，這使得直流電機(jī)的調(diào)控速度向數(shù)字化轉(zhuǎn)變。單片機(jī)技術(shù)應(yīng)用于直流電機(jī)，使得直流電機(jī)的調(diào)速進(jìn)行到一個(gè)新的高度。直流電機(jī)較之于交流電機(jī)的調(diào)速的原理是類(lèi)似的，可以通過(guò)改變電壓來(lái)改變速率。PWM的基本運(yùn)作原理其實(shí)在上個(gè)世紀(jì)人們就對(duì)此進(jìn)行了深入的研究和探討，但是那個(gè)年代的的電器發(fā)展還處在萌芽

13、的階段，所以該技術(shù)一直沒(méi)有得到廣泛的應(yīng)用。直到一九八幾年，電子技術(shù)越來(lái)越成熟，人們已經(jīng)能夠有足夠的生產(chǎn)力去運(yùn)用，所以PWM技術(shù)才被發(fā)現(xiàn)和利用起來(lái)?，F(xiàn)在也出現(xiàn)了新的理論和理論方法，PWM技術(shù)發(fā)展的局限性和絆腳石瞬間蕩然無(wú)存。所以人們pwm技術(shù)發(fā)展的速度非常快，直到現(xiàn)在，以PWM技術(shù)變形的多種技術(shù)已經(jīng)在不同領(lǐng)域得到運(yùn)用。（2） 國(guó)內(nèi)外技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀直流電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)快、制動(dòng)快，并且在切換不同的速度時(shí)可以平穩(wěn)的過(guò)渡，所以正是因?yàn)榇藘?yōu)勢(shì)使得直流電機(jī)在很多需要改變速度和該筆那電力方向的領(lǐng)域中應(yīng)用的非常多。以前的直流電動(dòng)機(jī)都是采用的模擬電路作為控制的基本手段，且有時(shí)會(huì)采取少量的數(shù)字電路組成，這樣組成的控制系統(tǒng)

14、硬件部分的體積非常大，卻功能非常少，系統(tǒng)不能靈活的運(yùn)行，這些都是直流電機(jī)內(nèi)采用的控制技術(shù)不能得到應(yīng)用和大范圍的推廣?，F(xiàn)在的計(jì)算既技術(shù)非常完善，很多的控制系統(tǒng)的運(yùn)行程序都可以通過(guò)軟件和計(jì)算機(jī)編程來(lái)解決，這樣的得到的控制系統(tǒng)使得人們對(duì)直流電機(jī)的控制更加方便和靈活，使系統(tǒng)的性能得到大幅度的提高，并且節(jié)省了中間必須的人力成本，降低了直流電機(jī)的總成本，并且運(yùn)行速度更快，調(diào)控更加方便，最后當(dāng)然工作效率也大幅度的得到提高。(3)本設(shè)計(jì)的任務(wù)本系統(tǒng)已STC89C52單片機(jī)為核心，通過(guò)內(nèi)部定時(shí)器產(chǎn)生PWM波形，將其在數(shù)碼管將速度等級(jí)呈現(xiàn)出來(lái)，本設(shè)計(jì)的主要任務(wù)主要包括： （1）直流電機(jī)的正轉(zhuǎn)控制；（2）直流電機(jī)的

15、反轉(zhuǎn)控制；（3）直流電機(jī)的加速控制；（4）直流電機(jī)的減速控制；（5）數(shù)碼管顯示電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)；（6）單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)；（7）電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)1系統(tǒng)總體方案系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案的步驟為先選擇主控制芯片，然后通過(guò)顯示電路的比較與選擇、電機(jī)調(diào)速控制模塊、電源電路與電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路三個(gè)方面逐步確定系統(tǒng)的軟硬件指標(biāo)，最終將設(shè)計(jì)分為硬件和軟件兩個(gè)部分分別詳細(xì)概括，本文的設(shè)計(jì)原理是主要以單片機(jī)為核心，通過(guò)內(nèi)部定時(shí)器產(chǎn)生PWM波形，控制LN298大功率H橋路驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)控制轉(zhuǎn)速，并且將結(jié)果通過(guò)數(shù)碼管將速度等級(jí)顯示出來(lái)作為具體分析概述。系統(tǒng)總體方案如下所示：1.1 主控制芯片的選擇本次設(shè)計(jì)采用STC12C5A60S2

16、單片機(jī)作為控制元器件，該系列單片機(jī)的始祖是Intel的8031單片機(jī)，后來(lái)隨著Flash rom技術(shù)的發(fā)展，8031單片機(jī)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，成為目前應(yīng)用最廣泛的8位單片機(jī)之一。其代表型號(hào)是 HYPERLINK /view/110906.htm t _blank ATMEL公司的AT89系列，它廣泛應(yīng)用于工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)之中。目前市場(chǎng)上有很多公司都推出了51系列的兼容機(jī)型，占據(jù)了市場(chǎng)上大部分的份額。并且這種現(xiàn)狀還會(huì)持續(xù)很久。其中51單片機(jī)的應(yīng)用范圍是最廣的。而且因?yàn)橛衅渌南盗邢嗬^推出，所以51單片機(jī)的成本也不高，對(duì)企業(yè)來(lái)說(shuō)使用非常劃算。1.2 顯示電路的比較與選擇數(shù)碼管顯示具有亮度高、顯示簡(jiǎn)單簡(jiǎn)潔

17、、成本低廉，可靠性高、響應(yīng)速度快等有點(diǎn)。在實(shí)際工程中，人即便站在很遠(yuǎn)的位置也能看清楚數(shù)碼管顯示的信息。而且數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單，采用硬件驅(qū)動(dòng)即不需要程序控制，完全不占用CPU的資源。因此我們這里采用LED數(shù)碼管顯示信息 1.3 電機(jī)調(diào)速控制模塊采用由三極管組成的H型PWM電路。用單片機(jī)控制三極管使之工作在占空調(diào)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，精確調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。這種電路是在管子的飽和下運(yùn)行，所以運(yùn)轉(zhuǎn)的速度非常的高。H型線路了直流電機(jī)改變素的方向和調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的大小。電子開(kāi)關(guān)就不具備這種優(yōu)勢(shì)，雖然開(kāi)的速度快，但是不能很快的到達(dá)工作狀態(tài)，穩(wěn)定性也不好。所以，在實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中，直流電子運(yùn)用的是H型電路，采用的是PWM調(diào)速技術(shù)7

18、。1.4 電源電路與電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路本設(shè)計(jì)電源選擇直流穩(wěn)壓電源模塊。將插線板電源經(jīng)過(guò)變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓后輸出。為系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的電源。雖說(shuō)會(huì)有一些不穩(wěn)定因素但攜帶方便，所以選擇鋰電池來(lái)負(fù)責(zé)電源。電機(jī)驅(qū)動(dòng)我采用大功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)專(zhuān)用芯片。L298內(nèi)部繼承大功率H橋路。具有穩(wěn)定性高、使用簡(jiǎn)單，驅(qū)動(dòng)力大等特點(diǎn)。能夠驅(qū)動(dòng)大功率電機(jī)和控制電機(jī)的正傳和反轉(zhuǎn)，同時(shí)對(duì)于電機(jī)調(diào)速也是非常理想的選擇。因此采用此種方法。2系統(tǒng)硬件方案設(shè)計(jì)2.1 系統(tǒng)總電路框圖設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)為核心，通過(guò)內(nèi)部定時(shí)器產(chǎn)生PWM波形，控制LN298大功率H橋路驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)已達(dá)到控制轉(zhuǎn)速的目的。通過(guò)數(shù)碼管將速度等級(jí)顯示出

19、來(lái)，此外可以通過(guò)按鍵控制電機(jī)的正傳反轉(zhuǎn)、以及電機(jī)速度加和減。圖1 系統(tǒng)總體框圖3.2 系統(tǒng)模塊電路設(shè)計(jì)及原理3.2.1單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)單片機(jī)最小系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的核心控制部分，以STC89C52單片機(jī)為核心，配以外圍電路：時(shí)鐘電路、上點(diǎn)復(fù)位電路構(gòu)成。主要完成數(shù)據(jù)的采集處理和轉(zhuǎn)換。MCS-51系列單片機(jī)是美國(guó)Intel公司在1980年繼MCS-48系列8位單片機(jī)之后推出的高檔8位單片機(jī)，此單片機(jī)憑其穩(wěn)定的性能、高性?xún)r(jià)比以及良好的兼容，在各個(gè)領(lǐng)域得到了最為廣泛的應(yīng)用，也是我國(guó)目前應(yīng)用最廣的單片機(jī)系列。在性能和功能方面，MCS-51單片機(jī)大大優(yōu)于MCS-48單片機(jī)。MCS-51系列有多種機(jī)型可供用戶(hù)

20、選擇8。（1）單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)MCS-51系列單片機(jī)最早的典型代表為8051,87581,8031，由于其型號(hào)和生產(chǎn)廠商的不同，在片內(nèi)存儲(chǔ)器容量、中斷系統(tǒng)、外圍功能模塊、最高時(shí)鐘頻率以及處理器速度等方面有很大的不同，但它們的指令系統(tǒng)完全兼容，硬件系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)也相同，其主要的性能特點(diǎn)如下1) 8位CPU.2) 片內(nèi)128B RAM(MCS-52子系列有256B RAM) 。3) 片內(nèi)4KB ROM/EPROM(8051/8751).4) 特殊功能寄存器區(qū)。5) 兩個(gè)優(yōu)先級(jí)的5個(gè)中斷源結(jié)構(gòu)。6) 4個(gè)8位并行I/O口（P0，P1，P2，P3）。7) 兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器（MCS-52子系列有3個(gè)

21、）.8) 全雙工串行口。9) 布爾處理器。MCS-51的典型產(chǎn)品有8031,8051,8751.8051內(nèi)部有4KB ROM，8071內(nèi)部有4KB EPROM，8031片內(nèi)無(wú)ROM；除此之外，三者的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳完全相同。在單片機(jī)芯片的內(nèi)部，其基本結(jié)構(gòu)的構(gòu)成是通用CPU加上外圍芯片的模式，內(nèi)部主要由9個(gè)部件通過(guò)單一總線連接而成。這9個(gè)主要部件是：1個(gè)8位的中央處理器（包括ALU,ACC,TMP1,TMP2，B寄存器，PSW及相應(yīng)的定時(shí)和控制邏輯），4KB/8KB程序寄存器（ROM/EPROM），128B/256B的數(shù)據(jù)寄存器（RAM），32條I/O接口線（圖中P0.0P0.7，P1.0P1.7

22、，P2.0P2.7，P3.0P3.7），中斷控制邏輯（具有5個(gè)中斷源，2個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)），定時(shí)器控制邏輯（具有2個(gè)可編程定時(shí)器/計(jì)數(shù)器），串行接口控制邏輯（具有可工作于多處理機(jī)通信，I/O接口擴(kuò)展或全雙工通用異步接收發(fā)送器的串行接口），21個(gè)專(zhuān)用寄存器（包括程序計(jì)數(shù)器PC、堆棧指針寄存器SP、程序狀態(tài)字存器PSW、數(shù)據(jù)指針寄存器DPTR等）以及片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路（由OSC及相關(guān)電路組成）9。（2）復(fù)位電路邏輯圖RST引腳是復(fù)位信號(hào)的輸入端。復(fù)位信號(hào)是高電平有效，其有效時(shí)間應(yīng)持續(xù)24個(gè)振蕩周期(即兩個(gè)機(jī)器周期)以上。如果使用的晶振頻率是6MHz，就需要復(fù)位信號(hào)要保持4us才可以完成復(fù)位的操作。整

23、個(gè)復(fù)位電路包括芯片內(nèi)、外兩部分。外部電路產(chǎn)生的復(fù)位信號(hào)(RST)送至施密特觸發(fā)器，再由片內(nèi)復(fù)位電路在每一個(gè)機(jī)器周期的S5P2時(shí)刻對(duì)觸發(fā)器的輸出進(jìn)行采樣，然后才得到內(nèi)部復(fù)位操作所需要的信號(hào)。復(fù)位操作有上電復(fù)位和按鍵手動(dòng)復(fù)位兩種方式。我們采用按鍵手動(dòng)復(fù)位的電平方式，如圖2。通過(guò)使復(fù)位端經(jīng)電阻與Vcc電源接通而實(shí)現(xiàn)。圖2 按鍵手動(dòng)復(fù)位原理圖 復(fù)位的意思是使單片機(jī)處于初始化的狀態(tài)，初始化的是數(shù)字代碼為0000H。除了以上的情況需要使用復(fù)位，還有一種情況也需要使用，那就是出現(xiàn)程序運(yùn)行錯(cuò)誤的時(shí)候和系統(tǒng)被鎖死時(shí)，在這兩種情況下也需要按復(fù)位鍵進(jìn)行操作重新啟動(dòng)整個(gè)程序。AT89S52是第9腳復(fù)位，當(dāng)有鍵按下去時(shí)

24、，復(fù)位端成高電平，單片機(jī)復(fù)位10。（3）振蕩電路晶體振蕩電路屬于反饋振蕩器。從能量的觀點(diǎn)來(lái)看，一般的功率放大器是在是在輸入信號(hào)的控制下，把直流電源提供的直流能量轉(zhuǎn)換為按信號(hào)規(guī)律變化的交變能量的電路。而反饋振蕩器是不需要輸入信號(hào)的控制就能自動(dòng)地將直流能量轉(zhuǎn)換為特定頻率和振幅的交變能量的電路。AT89S52芯片內(nèi)部都有一個(gè)高增益反相放大器用于構(gòu)成振蕩器晶體振蕩電路其屬于反饋振蕩器。振蕩又分外部振蕩和內(nèi)部振蕩11，如下圖所示：圖3 晶振時(shí)鐘原理圖設(shè)計(jì)中根據(jù)實(shí)際情況選擇了內(nèi)部振蕩這種方式對(duì)單片機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。反相放大器的輸入端為XATAL1，輸出端為XATAL2。分別是89S52的19腳和18腳，在XAT

25、AL1和XATAL2兩端跨接石英晶體及兩個(gè)電容，就構(gòu)成了穩(wěn)定的自激振蕩器。電容一般都取33P，單片機(jī)接11.0592MHz的晶振。振蕩器產(chǎn)生的信號(hào)送到中央處理器，以此來(lái)驅(qū)動(dòng)CPU執(zhí)行該信號(hào)代表的指令。3.2.2直流電機(jī)的調(diào)速設(shè)計(jì)由前文介紹的直流電機(jī)的運(yùn)作原理可知，直流電動(dòng)機(jī)有三種調(diào)節(jié)控制速度的方法： （1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓U。改變電樞電壓的途徑主要是通過(guò)額定電壓慢慢往下降，從電動(dòng)機(jī)的額定功率慢慢往下降，這是屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法。如果要達(dá)到在一定的范圍內(nèi)改變速度的化進(jìn)行一個(gè)平穩(wěn)的過(guò)渡的要求，這是目前為止可以采用的最好的辦法用這種辦法電流的變化非常小，可以在短時(shí)間內(nèi)快速改變，執(zhí)行CPU的指令，但是這個(gè)

26、操作需要的可以調(diào)節(jié)速度的直流電源大容量。 （2）改變電動(dòng)機(jī)主磁通。我們還可以通過(guò)改變改變磁通來(lái)實(shí)現(xiàn)改變速度平穩(wěn)過(guò)渡。但是只能通過(guò)減弱磁通的調(diào)節(jié)方式，在額定運(yùn)轉(zhuǎn)速度的基礎(chǔ)上慢慢增大。If遇到的時(shí)間常數(shù)同Ia變化遇到的相比要大得多，做出法英的速度慢，但是和上一個(gè)方法相比只需要一個(gè)容量小的電源。 （3）改變電樞回路電阻R。改變電樞的電阻可以通過(guò)外加電阻的方式，這種操作比較簡(jiǎn)單，通過(guò)改變回路的電阻來(lái)調(diào)節(jié)電流的速度。但是這種控制直流電機(jī)的速度的方法也有弊端，就是不能實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的過(guò)渡。并且空載時(shí)沒(méi)有調(diào)速作用，還會(huì)因?yàn)殡娐房偟碾娮璧脑龃笙牡碾娔芤草^之于之前明顯的增大。 直流斬波器又稱(chēng)直流調(diào)壓器，是用開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)

27、現(xiàn)通和斷，從而達(dá)到控制的目的，將直流電源的電壓通過(guò)開(kāi)關(guān)控制開(kāi)通和斷開(kāi)的時(shí)間，從而控制輸出電壓的平均值。我們可以看到我們用電壓恒定的直流電源變成了可以調(diào)節(jié)的。它的優(yōu)點(diǎn)在于使用的效率高、成本低廉、質(zhì)量小，這樣的直流電源的好處就是便于攜帶?，F(xiàn)如今，這種在地鐵和電瓶車(chē)上運(yùn)用的非常廣泛。圖5為直流斬波器的原理電路和輸出電壓波型，圖中VT代表開(kāi)關(guān)器件。當(dāng)開(kāi)關(guān)VT接通時(shí)，電源電壓U。加到電動(dòng)機(jī)上；當(dāng)VT斷開(kāi)時(shí)，直流電源與電動(dòng)機(jī)斷開(kāi)，電動(dòng)機(jī)電樞端電壓為零。如此反復(fù)，得電樞端電壓波形如圖5（b）所示。圖5 直流斬波器原理電路及輸出電壓波型 （a）原理圖（b）電壓波型采用晶閘管的直流斬波器的工作原理與整流電路運(yùn)用

28、的原理不同，晶閘管不會(huì)被相位決定，而是用開(kāi)關(guān)來(lái)決定，開(kāi)關(guān)即是使整個(gè)電路處于工作的狀態(tài)。當(dāng)晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)，電源電壓加到電動(dòng)機(jī)上，當(dāng)晶閘管關(guān)斷時(shí)，直流電源與直流電機(jī)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，電動(dòng)機(jī)經(jīng)二兩端電壓幾乎沒(méi)有。PWM不改變脈沖周期，只控制晶閘管的疏通的時(shí)間，簡(jiǎn)單的來(lái)說(shuō)就是通過(guò)改變脈沖寬度來(lái)調(diào)節(jié)直流的運(yùn)行速度。較之于V-M系統(tǒng)，PWM調(diào)速系統(tǒng)有以下V-M系統(tǒng)不具有的優(yōu)點(diǎn)：（1）PWM調(diào)速系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)頻率較高，只需要電樞電感就可以獲得脈動(dòng)很小的直流電，這時(shí)得到的直流電時(shí)連續(xù)的可以平穩(wěn)的運(yùn)行，有很寬的調(diào)速范圍，甚至可以達(dá)到1比一百左右，因?yàn)镻WM的電波波形好，在平均電流一樣的情況下，電動(dòng)機(jī)的損失的能量和發(fā)熱

29、都很小。（2）同樣因?yàn)殚_(kāi)關(guān)頻率高的原因，PWM系統(tǒng)可以快速的做出反映，與電機(jī)配合，獲得很寬的頻帶，又因?yàn)槟軌蚩焖夙憫?yīng)的原因，抗干擾的能力也非常強(qiáng)。（3）由于電子器件只是在工作時(shí)處于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，主電路造成的損耗不大，該裝置的效率也非常高。脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主電路顧名思義就是通過(guò)脈寬調(diào)制式變換器來(lái)調(diào)節(jié)，簡(jiǎn)稱(chēng)PWM變換器。其實(shí)通過(guò)單片機(jī)的閉合也可以調(diào)節(jié)脈寬的運(yùn)行速度，但是這種情況下的驅(qū)動(dòng)能力是有一定的局限性的。到目前為止，因?yàn)槠骷萘康脑?，PWM直流調(diào)速系統(tǒng)暫時(shí)只應(yīng)用于中、小功率的系統(tǒng)。3.2.3 測(cè)速發(fā)電機(jī)當(dāng)被測(cè)機(jī)構(gòu)與測(cè)速發(fā)電機(jī)同軸連接時(shí)，只要檢測(cè)出輸出電動(dòng)勢(shì)，即可以獲得被測(cè)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速，所以測(cè)速發(fā)電機(jī)

30、又稱(chēng)速度傳感器。測(cè)速發(fā)電機(jī)廣泛應(yīng)用于各種速度或者位置控制系統(tǒng)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中作為檢測(cè)速度的元件，以調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速或者通過(guò)反饋來(lái)提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和精度。3.2.4 數(shù)碼管顯示電路設(shè)計(jì)（1）共陰數(shù)碼管管腳說(shuō)明與原理圖七段LED顯示器內(nèi)部由七個(gè)條形發(fā)光二極管和一個(gè)小圓點(diǎn)發(fā)光二極管組成，根據(jù)各管的極管的接線形式，可分成共陰極型和共陽(yáng)極型。 實(shí)訓(xùn)室實(shí)訓(xùn)扳上使用的是四位一體的共陰數(shù)碼管15。LED數(shù)碼管的封裝如圖6所示。圖6 數(shù)碼管的封裝形式及內(nèi)部結(jié)構(gòu)(2）數(shù)碼管碼值的推算LED數(shù)碼管的ADP七個(gè)發(fā)光二極管因以不同亮滅的組合就能形成不同的字形，這種組合稱(chēng)之為字形碼，下面列出共陰極的字形碼，“數(shù)字”是要數(shù)碼

31、管要顯示的數(shù)字，“字形碼”是單片機(jī)P0口要輸出的十六進(jìn)制數(shù)據(jù)。例如數(shù)字“0”和數(shù)字“7”的字形碼推算方法如圖7所示： 圖7 數(shù)碼管碼值的推算方法同理，按照上述的推倒方法和原則我們得出數(shù)字09的編碼。（3）數(shù)字的顯示規(guī)律查表法由于顯示的數(shù)字09的字形碼沒(méi)有規(guī)律可循，只能采用查表的方式來(lái)完成我們所需的要求了。這樣我們按著數(shù)字09的順序，把每個(gè)數(shù)字的筆段代碼按順序排好，建立的表格如下所示：TABLE DB=3FH，06H，5BH，4FH，66H，6DH，7DH，07H，7FH，6FH，當(dāng)我們要顯示一個(gè)數(shù)字，比如4的時(shí)候，我們就可以查表TABLE DB4找到66H，送P0口就可以了16。（4）數(shù)碼管顯

32、示電路圖 圖8 數(shù)碼管顯示電路設(shè)計(jì)中，用到了四位七段共陰數(shù)碼管。LED的工作原理是將電能咋黃花為光能，為人們提供照明，同時(shí)它工作時(shí)的電壓。和發(fā)射同樣的光強(qiáng)度的燈工作狀態(tài)相比，它消耗的電能更少，這也是當(dāng)今提倡節(jié)能社會(huì)非常常喜歡使用LED燈的原因之一。同時(shí)人們?cè)谠O(shè)計(jì)之初就將安全、可靠、使用的壽命等因素考慮進(jìn)去了，也在制作的過(guò)程中采用了較低的成本，這些優(yōu)勢(shì)的存在使得LED燈迅速使其他的燈在市場(chǎng)上被淘汰，迅速走進(jìn)千家萬(wàn)戶(hù)。數(shù)碼管的顯示電路連接分為串行接法和并行接法，使用串行接法可以節(jié)約I/O口資源，并行接法會(huì)占用過(guò)多的I/O口，由于考慮到操作的熟練與實(shí)際的資源，本設(shè)計(jì)采用了后者并行接法。3.2.5 L

33、298N驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)L298是SGS公司的產(chǎn)品，L298N為15個(gè)管角的單塊集成電路，高電壓，高電流，四通道驅(qū)動(dòng)，設(shè)計(jì)用L298N來(lái)接收DTL或者TTL邏輯電平，驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載(比如繼電器，直流和步進(jìn)馬達(dá))和開(kāi)關(guān)電源晶體管。內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路，其額定工作電流為 1 A，最大可達(dá) 1.5 A，Vss 電壓最小 4.5 V，最大可達(dá) 36 V；Vs 電壓最大值也是 36 V。L298N可直接對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，無(wú)須隔離電路，可以驅(qū)動(dòng)電機(jī)17。圖9 L298N內(nèi)部電路表1 L298N引腳符號(hào)及功能引 腳功 能SENSA、SENSB分別為兩個(gè)H橋的電流反饋腳，不用時(shí)可以直接接地ENA 、ENB使能端

34、，輸入PWM信號(hào)IN1、IN2、IN3、IN4輸入端，TTL邏輯電平信號(hào)OUT1、OUT2、OUT3、OUT4輸出端，與對(duì)應(yīng)輸入端同邏輯VCC邏輯控制電源VSS電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源，最小值需比輸入的低電平電壓高GND接地表2 L298N的邏輯功能IN1IN2ENA電機(jī)狀態(tài)XX0停止101順時(shí)針011逆時(shí)針000停止110停止當(dāng)使能端為高電平時(shí)，輸入端IN1為PWM信號(hào),IN2為低電平信號(hào)時(shí),電機(jī)正轉(zhuǎn)；輸入端IN1為低電平信號(hào)，IN2為PWM信號(hào)時(shí),電機(jī)反轉(zhuǎn);IN1與IN2相 同時(shí),電機(jī)快速停止。當(dāng)使能端為低電平時(shí),電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。在對(duì)直流電動(dòng)機(jī)電壓的控制和驅(qū)動(dòng)中，半導(dǎo)體功率器件有兩種使用方式：線性放大

35、驅(qū)動(dòng)方式和開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)方式。在線性放大驅(qū)動(dòng)方式半導(dǎo)體功率器件工作在線性區(qū)優(yōu)點(diǎn)是控制原理簡(jiǎn)單，輸出波動(dòng)小，線性好，對(duì)鄰近電路干擾小，缺點(diǎn)為功率器件工作在線性區(qū)，功率低和散熱問(wèn)題嚴(yán)重。開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)方式是使半導(dǎo)體功率器件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，通過(guò)脈調(diào)制（PWM）來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的電壓，從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。圖10 L298電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路3.2.6 按鍵電路電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用三個(gè)按鍵作為參數(shù)設(shè)置輸入方式，K1用于用于速度等級(jí)手動(dòng)往上加；K2用于速度等級(jí)手動(dòng)往下減；K3用于控制電機(jī)的正傳和反轉(zhuǎn)；K4用于速度重置。按鍵電路的工作原理：I/O口默認(rèn)狀態(tài)為高電平，當(dāng)有按鍵按下是會(huì)將I/O口電平拉低，及按下為低電平，不按為高電

36、平。單片機(jī)就是通過(guò)檢測(cè)高低電平變化來(lái)實(shí)現(xiàn)控制的。電路圖如下所示。圖11 鍵盤(pán)電路原理圖圖12 鍵盤(pán)與單片機(jī)連接電路3系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中，采用的可編程器件是單片機(jī)STC89C52，使用的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言是匯編語(yǔ)言。在余下的篇幅中，將主要討論系統(tǒng)中軟件的匯編語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。在本系統(tǒng)中，軟件的設(shè)計(jì)包括幾個(gè)個(gè)方面：按鍵檢測(cè)、數(shù)碼管顯示、電機(jī)驅(qū)動(dòng)子程序。3.1 系統(tǒng)的整體程序流程圖圖13 主程序流程圖4.2 數(shù)碼管LED顯示程序設(shè)計(jì)要讓數(shù)碼管顯示數(shù)字需要軟件的控制，則要求二進(jìn)制代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管發(fā)光段的控制。TAB：DB 0C0H，090H，0A4H，0B0H，99H，92H，82H，0F8H，80H，

37、90H數(shù)碼管顯示利用的是動(dòng)態(tài)掃描：動(dòng)態(tài)掃描的工作原理是因?yàn)槿搜蹖?duì)于小于24Hz的掃描脈沖不能感知，所以通過(guò)人眼看就是沒(méi)有亮暗度的變化。其設(shè)計(jì)的重要之處在于與控制顯示的數(shù)據(jù)時(shí)間間隔嚴(yán)格控制，所以這個(gè)要有脈沖信號(hào)的數(shù)據(jù)作為參照。圖14 數(shù)碼管與單片機(jī)連接原理圖圖15 數(shù)碼管與單片機(jī)連接電路圖4.3 電機(jī)控制子程序電機(jī)控制子程序是一個(gè)循環(huán)程序，其主要思路是，先設(shè)定好速度初始值，利用初始值與調(diào)速系統(tǒng)送來(lái)的值，然后用PI算法輸出控制系數(shù)給PWM發(fā)生電路改變波形的占空比，進(jìn)而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。其程序流程圖如圖所示。軟件由1個(gè)主程序、1個(gè)中斷子程序和1個(gè)PI控制算法子程序組成。主程序是一個(gè)循環(huán)程序，其主要思路

38、是由單片機(jī)P1口生數(shù)據(jù)送到PWM信號(hào)發(fā)生電路，然后用PI算法輸出控制系數(shù)給PWM發(fā)生電路改變波形的占空比進(jìn)而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。圖16 PWM脈寬調(diào)制流程圖 5系統(tǒng)調(diào)試5.1 常見(jiàn)的故障分析單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件調(diào)試和軟件調(diào)試是分不開(kāi)的許多硬件故障只有通過(guò)軟、硬件一起調(diào)試才能被發(fā)現(xiàn),但是在使用這種方式之前我們要確認(rèn)是否屬于僅僅通過(guò)硬件調(diào)試或通過(guò)軟件調(diào)試就能發(fā)現(xiàn)故障的情形。入股不行的化話(huà)，我們才采用聯(lián)合調(diào)控的方式來(lái)找故障。(1)邏輯錯(cuò)誤 樣機(jī)硬件的邏輯錯(cuò)誤是由于設(shè)計(jì)錯(cuò)誤和加工過(guò)程中的工藝錯(cuò)誤而造成的。就包括錯(cuò)線、開(kāi)路等等,我們經(jīng)常遇到的就是短路。 (2)元器件錯(cuò)誤 元器件錯(cuò)誤的原因有器件被損壞或者型號(hào)

39、等匹配不上等原因,或者極塊可能裝反了的原因。(3)可靠性差 應(yīng)用系統(tǒng)容易受到外部電波、器件負(fù)載、金屬孔等干擾，并且應(yīng)用系統(tǒng)抵制這種干擾的能力非常弱。除此之外，如果線路設(shè)計(jì)的不合理也會(huì)是造成系統(tǒng)穩(wěn)定性差的原因。(4)電源故障 電源故障包括：電壓值不符合設(shè)計(jì)要求、電源功率不足、負(fù)載能力差、紋波太重等。5.2 系統(tǒng)調(diào)試注意事項(xiàng)在接通電源之前,我們一定要確保樣機(jī)的線路和零件等細(xì)節(jié)完全正確。所以最好在測(cè)試之前就比照?qǐng)D紙核對(duì)一下來(lái)確保萬(wàn)無(wú)一失，爭(zhēng)取不犯低級(jí)錯(cuò)誤，特別是注意最常見(jiàn)的短路故障。需要對(duì)精細(xì)的零件進(jìn)行核對(duì)時(shí)可以利用輔助工具。 在進(jìn)行程序編寫(xiě)時(shí)，每一個(gè)環(huán)節(jié)都值得被認(rèn)真對(duì)待，因?yàn)楹芏嗟募?xì)節(jié)如果不注意的

40、話(huà)可以毀壞系統(tǒng)調(diào)試的結(jié)果。所以，我們一定要在調(diào)試的過(guò)程中注意細(xì)節(jié)。結(jié)論P(yáng)WM技術(shù)是直流電機(jī)調(diào)速中最為有效的方法。本文在采用的是用PWM技術(shù)的H型橋式驅(qū)動(dòng)電路，這在一定程度上提高了機(jī)器的運(yùn)行效率。在設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行編程時(shí)，采用的算法和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也非常適合，這些都提高了單片機(jī)的工作效率和使用壽命。本文的研究的基礎(chǔ)是價(jià)格低廉的單片微機(jī)STC89C52直流電機(jī)，并且在本文筆者也論述了單片機(jī)的幾種調(diào)節(jié)控制速度的方法，和其他的采用硬件或者硬件與軟件或者兩者相結(jié)合的方式調(diào)控具有明顯的優(yōu)勢(shì)。采用PWM軟件的調(diào)節(jié)控制速度的方法靈活性更強(qiáng)和成本更加低廉。這樣在無(wú)形之中為企業(yè)節(jié)約了一筆不必要的成本，同時(shí)也不影響單片機(jī)發(fā)揮

41、其效率，這是一種通過(guò)簡(jiǎn)單的方法來(lái)研究出速度控制系統(tǒng)成為可能。參考文獻(xiàn)1唐波,龔雪嬌,朱瑞金,張濤.新工科建設(shè)下的單片機(jī)原理及應(yīng)用課程建設(shè)與改革研究J.黑龍江科學(xué),2019,10(07):20-22.2陳煒煒,詹躍東.基于單片機(jī)的直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)J.化工自動(dòng)化及儀表,2019,46(03):218-222.3楊林,劉曰濤,沈?qū)毭?仲偉正.無(wú)刷直流電機(jī)PI控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及分析J.西安工程大學(xué)學(xué)報(bào),2019,32(01):81-87.4衡蜓.直流電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)J.農(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備,2019(01):7-9.5李玉東,韓亞,馬星河.基于PWM控制的脈沖阻塞式交-交變頻調(diào)速系統(tǒng)研究J.制造業(yè)自動(dòng)

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