基于單片機(jī)的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的課程設(shè)計(jì)

1、一、總體設(shè)計(jì)概述本設(shè)計(jì)基于8051單片機(jī)為主控芯片，霍爾元件為測速元件， l298n為直流伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片，利用 pwm調(diào)速方式控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度，同時(shí)可通過矩陣鍵盤控制電機(jī)的啟動(dòng)、加速、減速、反轉(zhuǎn)、制動(dòng)等操作，并由lcd顯示速度的變化值。二、直流電機(jī)調(diào)速原理根據(jù)直流電動(dòng)機(jī)根據(jù)勵(lì)磁方式不同，分為自勵(lì)和它勵(lì)兩種類型，其機(jī)械特性曲線有所不同。但是對于直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，總滿足下式：n=uce-ratce式中u電壓； ra勵(lì)磁繞組本身的內(nèi)阻； 每極磁通（wb）; 電勢常數(shù)； ct轉(zhuǎn)矩常數(shù)。由上式可知，直流電機(jī)的速度控制既可以采用電樞控制法也可以采用磁場控制法。磁場控制法控制磁通，其控制功率雖然較

2、小，但是低速時(shí)受到磁場和磁極飽和的限制，高速時(shí)受到換向火花和換向器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的限制，而且由于勵(lì)磁線圈電感較大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差，所以在工業(yè)生產(chǎn)過程中常用的方法是電樞控制法。電樞控制法在勵(lì)磁電壓不變的情況下，把控制電壓信號(hào)加到電機(jī)的電樞上來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。傳統(tǒng)的改變電壓方法是在電樞回路中串連一個(gè)電阻，通過調(diào)節(jié)電阻改變電樞電壓，達(dá)到調(diào)速的目的，這種方法效率低，平滑度差，由于串聯(lián)電阻上要消耗電功率，因而經(jīng)濟(jì)效益低，而且轉(zhuǎn)速越慢，能耗越大。隨著電力電子的發(fā)展，出現(xiàn)了許多新的電樞電壓控制法。如：由交流電源供電，使用晶閘管整流器進(jìn)行相控調(diào)壓；脈寬調(diào)制（pwm）調(diào)壓等。調(diào)壓調(diào)速法具有平滑度高、能耗低、精度高等優(yōu)點(diǎn)

3、，在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用，其中pwm應(yīng)用更廣泛。脈寬調(diào)速利用一個(gè)固定的頻率來控制電源的接通或斷開，并通過改變一個(gè)周期內(nèi)“接通”和“斷開”時(shí)間的長短，即改變直流電機(jī)電樞上的電壓的“占空比”來改變平均電壓的大小，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，因此，pwm又被稱為“開關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置”。如果電機(jī)始終接通電源是，電機(jī)轉(zhuǎn)速最大為vmax，占空比為d=t1/t，則電機(jī)的平均轉(zhuǎn)速：vd=vmax*d，可見只要改變占空比d，就可以調(diào)整電機(jī)的速度。平均轉(zhuǎn)速vd與占空比的函數(shù)曲線近似為直線。三、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)1、調(diào)速系統(tǒng)總體分析設(shè)計(jì)以單片機(jī)作為控制的核心，采用h橋電路芯片l298完成電機(jī)驅(qū)動(dòng)主電路，霍爾器件構(gòu)成速度采集并轉(zhuǎn)換為脈沖

4、電路，pwm模擬發(fā)生器，通過lcd顯示器輸出電機(jī)的轉(zhuǎn)速與3*4的鍵盤組成人機(jī)接口電路實(shí)現(xiàn)起動(dòng)、加速、減速、反轉(zhuǎn)、制動(dòng)的功能?？傮w硬件電路設(shè)計(jì)：80c51單片機(jī)（速度的測量計(jì)算、輸入設(shè)定及系統(tǒng)控制)單片機(jī)（pwm模擬發(fā)生器）直流電機(jī)霍爾速度采集電路l298n電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路矩 陣鍵 盤lcd顯示器 圖一：整體方案框圖2、pwm信號(hào)發(fā)生電路pwm（脈沖寬度調(diào)制）是通過控制固定電壓的直流電源開關(guān)頻率，改變負(fù)載兩端的電壓，從而達(dá)到控制要求的一種電壓調(diào)整方法。pwm可以應(yīng)用在許多方面，比如：電機(jī)調(diào)速、溫度控制、壓力控制等等。在pwm驅(qū)動(dòng)控制的調(diào)整系統(tǒng)中，按一個(gè)固定的頻率來接通和斷開電源，并且根據(jù)需要改變一個(gè)

5、周期內(nèi)“接通”和“斷開”時(shí)間的長短。通過改變直流電機(jī)電樞上電壓的“占空比”來達(dá)到改變平均電壓大小的目的，從而來控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。也正因?yàn)槿绱?，pwm又被稱為“開關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置”。如圖2-8所示：圖二： pwm方波設(shè)電機(jī)始終接通電源時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速最大為vmax，設(shè)占空比為d= t1 / t，則電機(jī)的平均速度為va = vmax * d，其中va指的是電機(jī)的平均速度；vmax 是指電機(jī)在全通電時(shí)的最大速度；d = t1 / t是指占空比。由上面的公式可見，當(dāng)我們改變占空比d = t1 / t時(shí)，就可以得到不同的電機(jī)平均速度vd，從而達(dá)到調(diào)速的目的。嚴(yán)格來說，平均速度vd 與占空比d并非嚴(yán)格的線性關(guān)系，但

6、是在一般的應(yīng)用中，我們可以將其近似地看成是線性關(guān)系。3、單元模塊設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)主電路模塊功率放大驅(qū)動(dòng)芯片有多種，此次我們所用的芯片為l298主控芯片。l298n可接受標(biāo)準(zhǔn)ttl邏輯電平信號(hào)vss，vss可接457 v電壓。4腳vs接電源電壓，vs電壓范圍vih為2546 v。輸出 l298n引腳圖電流可達(dá)25 a，可驅(qū)動(dòng)電感性負(fù)載。1腳和15腳下管的發(fā)射極分別單獨(dú)引出以便接入電流采樣電阻，形成電流傳感信號(hào)。l298可驅(qū)動(dòng)2個(gè)電動(dòng)機(jī)，out1，out2和out3，out4之間可分別接電動(dòng)機(jī)，本實(shí)驗(yàn)裝置我們選用驅(qū)動(dòng)一臺(tái)電動(dòng)機(jī)。5，7，10，12腳接輸入控制電平，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。ena，enb接控制使能

7、端，控制電機(jī)的停轉(zhuǎn)。在實(shí)際運(yùn)用中由于存在從強(qiáng)電到弱電的連接，為保護(hù)電路，l298n的輸入端in1和in2都必須采用圖中所示的光耦合隔離電路進(jìn)行隔離。圖中二極管的作用是消除電機(jī)的反向電動(dòng)勢，保護(hù)電路，因此采用整流二極管比較合適。pwm控制信號(hào)由in1、in2輸入。如果in1為高電平，in2為低電平時(shí)電機(jī)為正向轉(zhuǎn)速，反之in1為低電平，in2為高電平時(shí)，電機(jī)為反向轉(zhuǎn)速。本設(shè)計(jì)將in2直接接地，即采用單向制動(dòng)的方式。如下圖三所示：圖三：l298驅(qū)動(dòng)電路人機(jī)接口電路 接口電路的擴(kuò)展80c51單片機(jī)與可編程并行i/o接口擴(kuò)展接口8155a，該連接可以直接連接而不需要添加任何邏輯器件，其接口電路圖如圖三所

8、示。在圖中，80c51單片機(jī)p0輸出的低8位地址不需另加鎖存器而直接與8155a的ad0-ad7相連，即作為低八位地址總線又作數(shù)據(jù)總線。地址鎖存直接用ale在8155a鎖存。8155a的ce端與p2.7相連，io/m端與p2.0相連。當(dāng)p2.7為低電平時(shí)若p2.0=1，訪問8155a的i/o口；若p2.0=0，訪問8155a的ram單元，由此可以得到8155a的地址編碼如下：ram字節(jié)地址 7e007e00hi/o口地址（命令/狀態(tài)口 7f00h，pa口 7f01h，pb口 7f02h，pc口 7f03h，定時(shí)器低八位 7f04h，定時(shí)器高八位 7f05h）圖四：人機(jī)接口電路 矩陣鍵盤電路本設(shè)

9、計(jì)采用4*3矩陣鍵盤，它們分別與p1口相連，作為設(shè)定速度的輸入。12個(gè)按鍵功能描述：09的10個(gè)數(shù)字鍵，next和ok兩個(gè)功能鍵。連接在p1端口進(jìn)行掃描，ok鍵就是確認(rèn)鍵，功能是將設(shè)置好參數(shù)后退出設(shè)置模式，next鍵按下后就是將光標(biāo)切換到下一個(gè)要設(shè)置的位值。其電路如圖五所示。圖五： 鍵盤電路 lcd顯示電路與單片機(jī)的接口設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)中采用的lcd12864是一種內(nèi)置8192個(gè)16*16點(diǎn)漢字庫和128個(gè)16*8點(diǎn)ascii字符集圖形點(diǎn)陣液晶顯示器，它主要由行驅(qū)動(dòng)器/ 列驅(qū)動(dòng)器及12832全點(diǎn)陣液晶顯示器組成?？赏瓿蓤D形顯示，也可以顯示7.52個(gè)(1616點(diǎn)陣)漢字，與外部cpu接口采用并行或串

10、行方式控制。本設(shè)計(jì)采用并行方式控制，lcd與單片機(jī)的通訊接口電路如圖2.6所示,采用直連的方法，這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是在不影響性能的條件下還不用添加其它硬件，簡化了電路，降低了成本。圖六： lcd顯示電路與單片機(jī)的接口按鍵電路和消除抖動(dòng)鍵盤中按鍵的開關(guān)狀態(tài)，通過一定的電路轉(zhuǎn)換為高、低電平狀態(tài)，如圖七所示。按鍵閉合過程在相應(yīng)的i/o口形成的一個(gè)負(fù)脈中，如圖八所示。閉合和釋放過程都要經(jīng)過一定的過程才能達(dá)到穩(wěn)定，這一過程是出于高、低電平之間的一種不穩(wěn)定狀態(tài)，稱為抖動(dòng)。抖動(dòng)持續(xù)時(shí)間的長短與開關(guān)的機(jī)械特性有關(guān)，一般在5ms10ms之間。為了避免cpu多次處理按鍵的一次閉合，應(yīng)采取措施消除抖動(dòng)。消除抖動(dòng)的方法有

11、兩種，一種是采用硬件電路來實(shí)現(xiàn)，如用濾波電路和雙穩(wěn)態(tài)電路等；另一種是利用軟件來實(shí)現(xiàn)，即當(dāng)發(fā)現(xiàn)有鍵按下時(shí)，延時(shí)1020ms再查詢是否有鍵按下，若沒有鍵按下，說明上次查詢結(jié)果為干擾或抖動(dòng)；若有鍵按下，則說明閉合鍵已穩(wěn)定，即可判斷其鍵碼。 圖七： 按鍵電路 圖八電源模塊線性三端穩(wěn)壓器件7805由于內(nèi)部電流的限制，以及過熱保護(hù)和安全工作區(qū)的保護(hù)，使得它基本上不會(huì)損壞。提供足夠的散熱片，能夠保證輸出最大電流為1.5a，電路簡單,穩(wěn)定.調(diào)試方便，價(jià)格便宜,適合于對成本要求苛刻的產(chǎn)品，電路中幾乎沒有產(chǎn)生高頻或者低頻輻射信號(hào)的元件,工作頻率低,emi等方面易于控制.并采用磁珠對模擬地與數(shù)字地進(jìn)行隔離，電路如圖

12、九所示。圖九：電源模塊4、速度測量電路設(shè)計(jì)速度檢測電路是由開關(guān)型霍爾傳感器和磁鋼組成，其電路圖如圖十所示。測量電機(jī)轉(zhuǎn)速的第一步就是要將電機(jī)的轉(zhuǎn)速表示為單片機(jī)可以識(shí)別的脈沖信號(hào)，從而進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)?；魻柶骷鳛橐环N轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的傳感器，具有結(jié)構(gòu)牢固、體積小、重量輕、壽命長、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)傳感器，產(chǎn)生對應(yīng)頻率的脈沖信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)處理后輸出到計(jì)數(shù)器或其他的脈沖計(jì)數(shù)裝置，進(jìn)行轉(zhuǎn)速的測量。在本次使用中，我們將霍爾傳感器3314固定在離反射式黑白碼盤很近的洞洞板上，碼盤上固定有微型磁鋼，當(dāng)碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)一圈時(shí)，霍爾傳感器就輸出電平信號(hào)，經(jīng)電壓比較器lm339放大后輸入單片機(jī) 處理。所謂磁鋼，就

13、是磁鋼就是一種有磁性的鋼鐵。在傳感檢測電路中將磁鋼安裝在電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上，而霍爾傳感器則放在轉(zhuǎn)軸的旁邊，霍爾傳感器連接在電路中，當(dāng)磁鋼隨轉(zhuǎn)軸經(jīng)過霍爾傳感器時(shí)，由開關(guān)型霍爾傳感器的工作原理知，此時(shí)將輸出一個(gè)低電平信號(hào)；而當(dāng)磁鋼離開霍爾傳感器后，又將輸出一個(gè)高電平。這樣通過高低電平的轉(zhuǎn)換，將其送入單片機(jī)后就可以測量它的轉(zhuǎn)速。圖十： 霍爾傳感器部分 5、單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的pi控制模塊 采用pi調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)轉(zhuǎn)速反饋系統(tǒng)，即保證了動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，又保證了靜態(tài)無靜差，很好的解決了動(dòng)靜態(tài)之間的矛盾。但電流得不到限制。電流負(fù)反饋雖然能限制啟動(dòng)電流，但在啟動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)電流僅在某一瞬間達(dá)到最大的允許值，其余的時(shí)間都比較小啟

14、動(dòng)過程慢。同時(shí)。他的機(jī)械特性較軟，不適合調(diào)速，想要啟動(dòng)過程盡可能快。就應(yīng)使整個(gè)啟動(dòng)過程中的電機(jī)始終保持最大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。由上述可知，實(shí)現(xiàn)理想過程過程的關(guān)鍵是控制電流波形，圖12 生產(chǎn)機(jī)械工作工程由圖可知，為了達(dá)到最佳過渡過程，必須滿足：過渡過程中，盡量能使電樞電流為最大值，過渡過程結(jié)束時(shí)，盡快使電樞電流達(dá)到穩(wěn)定值。為了使電樞電流有動(dòng)態(tài)到穩(wěn)態(tài)和由穩(wěn)態(tài)到動(dòng)態(tài)迅速變化，應(yīng)使ud突變到最大值，待電樞電流達(dá)到要求值歐，在突變到需要值。四、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)1、主程序軟件設(shè)計(jì)單片機(jī)資源分配：2 工作寄存器0組ro-r7 00h-07h數(shù)據(jù)緩沖區(qū) 30h-7fhpsw.4（rs1=0） psw.3(rs0=0) ；

15、選中工作寄存器0組p0口地址 80h p1口地址 90hp2口地址 a0hp3口地址 b0h堆棧（sp） 81h定時(shí)器/計(jì)數(shù)器控制 tcon 88h定時(shí)器/計(jì)數(shù)器方式控制 tmod 89h定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0 低字節(jié) tl0 8ah 高字節(jié) th0 8ch定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1 低字節(jié) tl1 8bh 高字節(jié) th1 8dh中斷1pi采樣（ui）中斷0a/d采樣 p1口預(yù)置 w p0口測量值（實(shí)測y）主程序：0000 ajmp startstart： clr psw.4 clr psw.3 ；選中工作寄存器0組 clr c mov r0 ，4fh mov a ，30hclear1： clr a inc

16、a djnz r0 ，clear1 ；清零30-7fh setb tr0 ；定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0工作 mov tmode ，#01h ；定時(shí)器/計(jì)數(shù)器工作在方式1 setb ea ；總中斷開放 setb it0 ；置into為降沿觸發(fā) setb it1 ；置int1為降沿觸發(fā)ljmp mainljmp ctcolcall samplefosc=12mhz，用一個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器定時(shí)50ms，用r2作計(jì)數(shù)器，置初值14h，到定時(shí)時(shí)間后產(chǎn)生中斷，每執(zhí)行一次中斷服務(wù)程序，讓計(jì)數(shù)器內(nèi)容減1，當(dāng)計(jì)數(shù)器內(nèi)容減為0時(shí)，則到1s。圖十二：系統(tǒng)主單片機(jī)總程序框圖當(dāng)系統(tǒng)被啟動(dòng)后，主從單片機(jī)初始化。主單片機(jī)檢測是否有鍵按

17、下，再執(zhí)行按鍵子程序，將輸入的值傳送到pid控制器，pid控制器經(jīng)pid計(jì)算處理，再計(jì)算出pwm的定時(shí)值，pid再送出相應(yīng)的pwm信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，主單片機(jī)將傳感器輸入的信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，再將得出的值輸出到pid控制器，pid控制器經(jīng)計(jì)算輸出相應(yīng)的pwm信號(hào)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速趨于設(shè)定的轉(zhuǎn)速。依次循環(huán)使電機(jī)趨于穩(wěn)定值。2、pi控制算法:pi算法的表達(dá)式為：ui=ui-1+kp(ei-ei-1)+(kp*t/ti)*ei令p=kp i=kp*t/t i則ui=ui-1+p(ei-ei-1)+i*eit采樣周期 ti=rncn kp=rn/r0 pi控制算法的程序流程圖為：pi程序：setb ex1 ；開放

18、中斷1mov r0，90h ；p1口（w）送r0,預(yù)設(shè)mov r1，80h ；p0口（y）送r1，實(shí)測mov a，r0 ；w給amov b，r1 ；y給bsubb a，b ；ei給amov 7fh，a ；ei 給7fhmov 7eh，#00h ；ei-1=0給7ehmov 7bh，umax mov 7ah, uminajmp in ；積分項(xiàng)ajmp p ；比例項(xiàng)mov a，r2 ；pi給aadd a，r3 ；pi+pp給amov 7dh，#00h ；ui-1=0給7dhadd a，7dh ；ui-1+pi+pp=ui給amov 7ch,a ；ui給7chmov 7dh，7ch ；ui給ui-1

19、mov a，7bh ；umax給acjne a，#ui，loop2 ；uiumax轉(zhuǎn)移mov a，#uicjne a，7ah，loop3 ；uiumin轉(zhuǎn)移mov 90h，7ch ；輸出ui到p1口loop2：mov a，7ch ；ui給aclr csubb a，#umaxretiloop3：mov a，7ch ；ui給a clr c subb a，#umin retiin： mov 6fh，#i mov a，6fh ；i給a mov b，7fh ；ei給b mul ab ；pi=i*ei給a mov r2，a ；pi給r2 retip： mov 6eh，#p clr c mov a，7fh

20、；ei給a subb a，7eh ；ei-ei-1給a mov 7eh，7fh ；ei給ei-1 mov b，6eh mul ab ；（ei-ei-1）*p給a mov r3，a ；pp給r3 reti3、鍵盤程序設(shè)計(jì) 鍵盤程序設(shè)計(jì)的任務(wù)是賦予各按鍵相應(yīng)的功能，完成速度設(shè)定值的輸入和向stc12c5412ad的pwm控制器控制頻率的設(shè)定。4*3矩陣鍵盤的12個(gè)按鍵兩個(gè)為功能鍵，十個(gè)為09的數(shù)值鍵。其中功能鍵next用來位循環(huán)選擇所要設(shè)置的數(shù)值位，切換單片機(jī)要調(diào)整的是設(shè)定值的個(gè)位、還是十位；功能按鍵ok用來在設(shè)置完成后退出設(shè)定狀態(tài)；數(shù)值鍵09用作改變當(dāng)前參數(shù)的作用，僅當(dāng)在參數(shù)設(shè)定模式下才會(huì)起作用

21、，未在參數(shù)設(shè)定模式下不會(huì)引起誤觸發(fā)；參數(shù)設(shè)定是實(shí)時(shí)更新的，每次設(shè)定后就反饋到單片機(jī)處理，可迅速觀察到運(yùn)行情況，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)定控制。按鍵驅(qū)動(dòng)子程序框圖如圖十四。軟件去抖得方法的是調(diào)用去抖延時(shí)子程序，這使得顯示器進(jìn)入鍵輸入子程序后始終是亮的，下面為鍵輸入子程序的清單，從該程序返回后輸入建好在a中。key1：acall ks1 jnz lk1 ajmp key1lk1：acall t12ms acall ks1 jnz lk2 ajmp key1lk2：mov r2，#0feh mov r4，#00hlk4：mov dptr,#7f01hmov a,r2movx dptr,ainc dptrmovx

22、a,dptrjb acc.0,lone mov a,#oohajmp lkp 圖十四： 鍵盤程序框圖lone:jb acc.1，next mov a,#03h ajmp lkplkp:add a,r4push acclk3：acall ks1 jnz lk3pop accretnext:inc r4mov a,r2jnb acc.3，kndrl amov r2,aajmp lk4knd:ajmp key1ks1：mov dptr,#7f01hmov a,#oohmovx dptr,ainc dptrmovx a,dptrcpl aanl a,#ooooo111brett12ms:mov r7,

23、#18htm:mov r6，#0ffhtm6：djnz r6，tm6 djnz r7，tm ret4、lcd顯示子程序的設(shè)計(jì) 顯示程序設(shè)計(jì)80c51單片機(jī)與icm7211接口顯示程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)四位速度的顯示，千位、百位、十位、個(gè)位欲顯示的的bcd碼放入32h35h單元；半位（萬位0或1）放入30h單元；小數(shù)點(diǎn)的控制位放入31h單元。其軟件流程圖如圖十一所示。編寫的顯示子程序?yàn)椋簂cddir:mov dptr,#41ooh ;8155初始化 mov a,#0fh ;pa、pb、pc為輸出口 movx dptr,a mov r0,#32h mov r1,#04h ;四位顯示 mov r3，#10h ;首位位選字#10h送r3dir1：mov dptr,#4101h ;指向pa口 mov a，r3 movx dptr,a inc dptr ;指向pb口 mov a,ro ;bcd碼送a（低四位） swap a ;bcd碼交換高四位 movx dptr,a ;輸出碼acall time ;延時(shí)2ms mov a,r3 rl a ;位選字左移一位 mov r3,a inc r0 djnz r1,dir1 mov r0,#30h cjne r0,#01h,dir2 inc dptr mov a,#02h movx dptr,a acall time mov r0,#31hcjne r