單片機控制直流電機正反轉(zhuǎn)及調(diào)速

單片機控制直流電機正反轉(zhuǎn)、調(diào)速及顯示摘要：本次課程設(shè)計主要研究了利用單片機控制直流電機正反轉(zhuǎn)及調(diào)速系統(tǒng)，通過控制PWM信號實現(xiàn)對直流電機速度的開環(huán)控制。本系統(tǒng)單片機為STC89C52,釆用L293作為放大電橋驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)，通過霍爾元件檢測轉(zhuǎn)速并顯示在液晶屏LCD1602上。本論文詳細介紹了PWM調(diào)速控制原理以及如何通過程序編程控制，并在Proteus上仿真進行軟件調(diào)試，最后對實物成品進行硬件調(diào)試。關(guān)鍵詞：單片機；直流電機：PWM調(diào)速；仿真。課程設(shè)計任務(wù)概述1.1課程設(shè)計任務(wù)描述本小組選擇的課題任務(wù)是利用單片機控制直流電機正反轉(zhuǎn)及調(diào)速，利用按鍵進行手動控制，并在液晶屏上顯示速度。1.2擬達到的設(shè)計目標設(shè)計五個按鍵K2~K6,功能分別是：開始/暫停；正轉(zhuǎn)；反轉(zhuǎn)；加速；減速。當按下不同功能鍵時，系統(tǒng)單片機能根據(jù)預(yù)先燒錄的程序執(zhí)行相關(guān)指令，使電機按操作正常運轉(zhuǎn)。同時檢測電機轉(zhuǎn)速，并輸入到液晶屏上進行顯示。1?3擬采用的技術(shù)手段、方法調(diào)速采用PWM調(diào)速原理，通過控制脈沖占空比的大小來改變電機電樞的平均電壓，從而實現(xiàn)對轉(zhuǎn)速大小的控制。PWM采用定頻調(diào)寬法，如圖1所示，在保持周期T不變的條件下，同時改變h和七的大小，占空比D=W電樞平均電=Umax-D。改變PWM輸出引腳狀態(tài)的延時時間，控制周期內(nèi)導(dǎo)通與截止時間，得到不同的占空比，實現(xiàn)電機的轉(zhuǎn)速控制。轉(zhuǎn)速通過霍爾元件進行檢測。在電機兩葉片上安裝磁鐵，電機轉(zhuǎn)動時通過霍爾元件產(chǎn)生脈沖電壓，進而通過單片機計算電機轉(zhuǎn)速。軟件編程方面，采用定時中斷的方式。單片機上電后，當檢測到按鈕的低電平有效后執(zhí)行相關(guān)程序。

Atl1Umax5r■ AT ?圖1PWM調(diào)速原理圖系統(tǒng)方案設(shè)計2.1系統(tǒng)總體方案設(shè)計、系統(tǒng)原理框圖本系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)包括單片機、驅(qū)動芯片、按鍵控制模塊、測速模塊和顯示模塊。單片機作為系統(tǒng)控制中心，通過驅(qū)動芯片與直流電機連接，其引腳接口發(fā)出PWM信號控制電機速度。測速元件檢測速度并通過與單片機連接引腳傳輸速度數(shù)據(jù)，單片機再將數(shù)據(jù)傳遞到顯示模塊進行顯示。圖2系統(tǒng)原理圖2.2系統(tǒng)主要模塊工作原理、各模塊間的關(guān)系系統(tǒng)主要包括單片機最小系統(tǒng)模塊、按鍵控制模塊、電機控制模塊、測速模塊和液晶顯示模塊。單片機最小系統(tǒng)包括晶振電路與復(fù)位電路，是保證單片機能獨立工作所必須的外圍電路，連接單片機并上接電源。按鍵控制模塊采用獨立式鍵盤結(jié)構(gòu)，利用單片機I/O口讀取接口的電平高低來判斷是否有鍵按下。將常開按鍵的一端接地，另一端接單片機I/O口，程序開始時將此I/O口置于高電平。當有鍵按下時，此I/O口與地短路迫使I/O口為低電平。按鍵釋放后，單片機內(nèi)部的上拉電阻使I/O口仍然保持高電平。單片機程序不斷查詢此DO口的電平狀態(tài)就可以知道是否有按鍵動作。電機控制模塊包括單片機、驅(qū)動芯片和直流電機。山于單片機電流較小無法直接驅(qū)動電機。因此中間需要一個放大電橋。當單片機檢測到按鍵控制模塊中任一功能鍵被按下時，利用與驅(qū)動芯片連接的兩個引腳發(fā)出相應(yīng)信號，實現(xiàn)對電機控制。測速模塊采用霍爾元件，電機轉(zhuǎn)動時帶動磁鐵運動，產(chǎn)生對應(yīng)頻率的脈沖信號，經(jīng)過信號處理后輸入到單片機，通過單片機預(yù)定程序進行轉(zhuǎn)速計算；液晶顯示模塊包括一塊液晶顯示芯片以及并聯(lián)的上拉排阻。液晶顯示屏與單片機連接用于傳輸數(shù)據(jù)并顯示。2.3主要器件選型及其主要參數(shù)單片機采用國產(chǎn)8位芯片STC89C52,8k字節(jié)Flash,512字節(jié)RAM,32位I/O口線，內(nèi)置4KBEEPROM,MAX810復(fù)位電路，3個16位定時器/計數(shù)器，4個外部中斷，全雙工串行口。驅(qū)動芯片采用L293,提供雙向驅(qū)動電流高達1A,輸出電壓范圍從4.5V至36V,16引腳，引腳排列如下圖所示。EN1VSSIN1IN4OUT1OUT4GNDGNDGNDGNDOUT2OUT3IN2IN3VSSEN2圖3 L293引腳排列圖顯示模塊采用液品顯示屏LCD1602,顯示的內(nèi)容為16x2,即可以顯示兩行,每行16個字符液晶模塊（顯示字符和數(shù)字）。芯片工作電壓4.5V~5.5V,工作電流2.0niA,16引腳，引腳排列如下圖所示。

圖4LCD1602引腳排列圖測速模塊采用霍爾元件ES3144,工作電壓范圍3.8V~24V,工作電流5mA,3引腳。直流電機為816空心有刷直流電動機，額定電壓3.4V,額定電流0.142A,額定轉(zhuǎn)速47000i-pm,額定轉(zhuǎn)矩0.0046N?m,外形尺寸8*16mim硬件設(shè)計3.1總體硬件設(shè)計總體碩件分為：晶振電路與復(fù)位電路、按鍵控制電路、電機控制電路、測速電路、液晶顯示電路，如下圖5所示。WUOI*K小 xW—IXIK>士gBF圖5總體硬件設(shè)計VW?AW<0.144

WUOI*K小 xW—IXIK>士gBF圖5總體硬件設(shè)計VW?AW<0.1443.2晶振電路與復(fù)位電路晶振Y1采用11.0592MHz,電容Cl、C2電容值30pF,接單片機XTAL1、XTAL2引腳，如圖6所示。該電路的功能是為單片機提供11.0529MHz的時鐘。C1HIC1HI川卜o—11.0592MHzC230pF圖6晶振電路復(fù)位電路電源為+5V,極性電容C3釆用典型值10uF,電阻R1為10kQ,接單片機RST引腳。該電路為單片機復(fù)位端口提供一定時間的高電平，當單片機發(fā)生異常時可以通過按鍵K1使單片機復(fù)位，然后重新運行程序。R110KR110K沖君島圖7復(fù)位電路3.3按鍵控制電路根據(jù)系統(tǒng)的功能，采用5個按鍵來控制直流電機的啟停，設(shè)置直流電機的正反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)速檔位加減，各按鍵的功能如圖8所示。電路采用獨立式鍵盤結(jié)構(gòu)，按鍵一端連接單片機P1.0~P1.4引腳，另一端串聯(lián)接地，構(gòu)成獨立結(jié)構(gòu)。

圖8按鍵控制電路3.4電機控制電路電機控制電路包括驅(qū)動芯片L293和直流電機，驅(qū)動芯片使能端EN1接單片機P2.6引腳，INI、IN2接單片機P2?7、P2.5引腳，兩輸出端連接直流電源兩極。U1STC89CY2PIO?l.l?12?13PL4Pl.5?1.6PL.7RSTP30(RXD)P3PIO?l.l?12?13PL4Pl.5?1.6PL.7RSTP30(RXD)P31CTXD)P32QNT0)P3.3(INT])P34fT0)PS.5CT1)P56邀)P37(RD)XTAL?XTAL1G\Dvcc(ADO)PO.O(ADl)PO.lC^D2)P0.2<AD3)P0.3(AD4)P04(AD5)P0.5<AD6)P0.6(AD7)?0.7EAArFPALEPROGPSEN(A15JP27(A14JP26(A13)P25(AI2)P24(A11JP23(A10)P22(A9)P2.l(A8)P2.O-I-fH-fIt圖9電機控制電路3.5測速電路3.5測速電路測速元件采用霍爾元件，引腳1接5V電源。阻連接單片機P3.3(INT1),電路如下圖所示。引腳2接地，3號串聯(lián)上拉電1廠h'GND1廠h'GND勺J1 R410K—#——1 1 jvcc圖10測速電路3.6液晶顯示電路采用1602液晶顯示屏實時顯示直流電機的運行狀態(tài)，電路如圖11所示。數(shù)

據(jù)引腳接單片機的P0口，同時并聯(lián)一個上拉排阻。寄存器選擇端（RS）、讀寫信號線（R/W）、使能端（E）三個控制引腳分別接單片機的P2.0-P2.2引WoLCD1602液晶顯示屏的第一行顯示直流電機當前的運行狀態(tài)，第二行顯示PWM調(diào)速時的占空比。U3LCD1W2VI5TC3K52亠±±=4干TF=f￥-fFPIOMlM：?UU3LCD1W2VI5TC3K52亠±±=4干TF=f￥-fFPIOMlM：?UPUFt5fibFl7RSIF3C?yXD)■…F3IfTXPjA1XB555nxlNTl)(A15JP2?P3KTS(AUIP24F3Ml) (A15JP25P3CCKK> CM3IP24W?CRD)CA1UFUXTAL23CIALIGNDC5P20VCCIAWjHO(ADtlKt(AP2JPCJ(AD5IPC3(AIMIPC4(AD5|KS(AWlPOd(APZJPC7Favpp圖11液晶顯示電路3.7其他電路該系統(tǒng)還需要一些其他電路，比如燒錄電路以及供電電路。燒錄電路負責向單片機燒錄程序，燒錄接口接單片機P3.0（RXD）、P3.1（TXD）o供電電路負責向整個系統(tǒng)供電，如圖12所示。圖12供電電路算法及軟件開發(fā)4.1算法分析與選擇本系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能包括通過鍵盤控制電機正反轉(zhuǎn)及調(diào)速，并且計算轉(zhuǎn)速并進行顯示。因此程序包括初始化程序、中斷與定時器程序、鍵盤掃描程序以及延時程序、PWM調(diào)速程序、轉(zhuǎn)速計算程序和顯示程序。4.2軟件框圖主程序流程圖如下：開姑■/圖14主程序流程圖PWM調(diào)速程序流程圖如下:開始中斷刑s圖15開始中斷刑s圖15流程圖完整程序請在附錄中查看。系統(tǒng)調(diào)試、實驗及結(jié)果分析程序編寫完成后，我們首先利用Proteus軟件進行仿真測試，對程序進行初步調(diào)試。仿真時發(fā)現(xiàn)鍵盤控制并不理想，按下相關(guān)按鈕時電機并未響應(yīng)相關(guān)操作,經(jīng)過對程序?qū)掖胃?，將延時程序中的延時時間減少，仿真運行正常。電路板焊接完成后，同樣遇到了許多困難。首先無法燒錄程序，推測是電路板上液晶屏分壓過多導(dǎo)致單片機電壓不足，后斷開電路板上液晶屏A、K接口的供電，燒錄成功。實際操作時，電機與液晶屏無法同時工作，推測是電機所需電壓過大，致使液晶屏供電不足。后更換電機類型，電機111RF-300FA-12350更換成816空心杯，系統(tǒng)正常運行。為了鍵盤消抖，設(shè)置了延時函數(shù)，但在實物上，偶爾會出現(xiàn)鍵盤失靈的情況，為了避免失效，乂提高了延時函數(shù)的延時時間，但帶來的問題是調(diào)節(jié)占空比時會出現(xiàn)變化較大的問題。6?總結(jié)與感想本次課程設(shè)計以直流電機控制系統(tǒng)為研究對象，基于單片機STC89C52、L293驅(qū)動模塊和LCD1602顯示模塊，構(gòu)建直流電機調(diào)速控制系統(tǒng)，對直流電機的轉(zhuǎn)動和轉(zhuǎn)速進行有效的控制和調(diào)節(jié)。電路系統(tǒng)實現(xiàn)了對電機轉(zhuǎn)動的簡單控制以及對轉(zhuǎn)速的動態(tài)實時調(diào)節(jié)和顯示，具有操作簡單、靈活、安全的特點。在整個課程設(shè)計的過程中，我們遇到了許多困難，比如無法燒錄成功等，但最終在小組的共同努力下成功克服，不過仍然存在一些問題。通過此次課程設(shè)計，對單片機以及編程有了更深的理解和掌握，同時學習了Proteus,Keil,AltiumDesigner等軟件。7.參考文獻胡乾斌，.單片微型訃算機原理與應(yīng)用[M].華中科技大學出版社.陳丁惠.基于51單片機的溫度采集與直流電機控制[J].信息技術(shù)與信息化，2018(07):24-26.謝承.基于雙單片機控制直流電機的系統(tǒng)設(shè)計[