電信0801班--羅占偉--大四課設

1、 目 錄一、課題意義-2二、方案比較-3三、方案設計-4 1、控制方法及分析-42、電機轉速控制元件選用及分析-83、系統(tǒng)結構框圖-11 4、直流電機和單片機連接原理圖-11四、系統(tǒng)的軟件設計-111、系統(tǒng)流程圖-12 2、流程圖說明-12五、結論-13六、參考文獻-13七、附錄1：（系統(tǒng)原理圖）八、附錄2：（系統(tǒng)程序）一、課題意義：電機是一種能量轉換的裝置，在國民經濟中起著重要作用，無論是在工農生產、交通運輸、國防宇航、醫(yī)療衛(wèi)生、商務與辦公設備，還是日常生活中的家用電器，都大量的使用著各種各樣的電機，如汽車、電視機、電風扇、空調甚至兒童玩具等領域也離不開電機。同時，在越來越多的應用場合，只能

2、旋轉的電機己無法滿足要求，而是要求能夠實現快速加速、減速或反轉以及準確停止等功能。必須尋找新的電機控制器來適應時代的發(fā)展。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)采用模擬元件，如晶體管、各種線性運算電路等，雖在一定程度上滿足了生產要求，但是因為元件容易老化和在使用中易受外界干擾影響，并且線路復雜、通用性差，控制效果受到器件性能、溫度等因素的影響，從而致使系統(tǒng)的運行特性也隨之變化，故系統(tǒng)的運行可靠性及準確性得不到保證，甚至出現事故。直流電機因具有良好的線性調速特性、效率高、控制簡單、調速性能好及體積小等優(yōu)點得到了廣泛使用。常規(guī)電機調速控制方法中，電機工作不穩(wěn)定,損耗較大,尤其在低電壓輕負荷時情況更為嚴重，且工作頻率受電源

3、頻率的限制, 難以滿足高精度的調速要求，不利于廣泛推廣。如何才能使電路具有成本低、控制精度高、調試修改參數方便，且能方便和靈活地適用于大功率、可靠性高的直流電機控制系統(tǒng)中,是我們研究的目的。二、方案比較：方案一：采用電阻網絡或數字電位器調整電動機的分壓，從而達到調速的目的。但是電阻網絡只能實現有級調速，而數字電阻的元器件價格比較昂貴。更主要的問題在于一般電動機的電阻很小，但電流很大；分壓不僅會降低效率，而且實現很困難。方案二：采用繼電器對電動機的開或關進行控制，通過開關的切換對直流電機的速度進行調整。這個方案的優(yōu)點是電路較為簡單，缺點是繼電器的響應時間慢、機械結構易損壞、壽命較短、可靠性不高。

4、方案三：采用集成芯片L298N ，L298N是SGS(通標標準技術服務有限公司)公司的產品，內部包含4通道邏輯驅動電路。是一種二相和四相電機的專用驅動器，即內含二個H橋的高電壓大電流雙全橋式驅動器，接收標準TTL邏輯電平信號，可驅動46V、2A以下的電機。其有控制精度高、穩(wěn)定性好、響應速度快等優(yōu)點，使用它和PWM技術可控制驅動電流大小以達到電機速度的調整。兼于方案三調速特性優(yōu)良、調整平滑、調速范圍廣、過載能力大，因此本設計采用方案三。三、方案設計：1、控制方法及分析：直流電動機轉速的控制方法可分為兩類，即勵磁控制法與電樞電壓控制法。勵磁控制法控制磁通，其控制功率雖然小，但低速時受到磁飽和的限制

5、，高速時受到換向火花和換向器結構強度的限制;而且由于勵磁線圈電感較大，動態(tài)響應較差。所以常用的控制方法是改變電樞端電壓調速的電樞電壓控制法。調節(jié)電阻r即可改變端電壓，達到調速目的。但這種傳統(tǒng)的調壓調速方法效率低?，F在一般采用脈沖寬度調制（PWM）控制技術來實現電機速度調整。該技術穩(wěn)定性好，易控制，精度高。（1） PWM定義脈沖寬度調制（PWM）是英文“Pulse Width Modulation”的縮寫，簡稱脈寬調制。它是利用微處理器的數字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術，廣泛應用于測量，通信，功率控制與變換等許多領域。一種模擬控制方式，根據相應載荷的變化來調制晶體管柵極或基極的偏

6、置，來實現開關穩(wěn)壓電源輸出晶 體管或晶體管導通時間的改變，這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時保持恒定。脈沖寬度調制（PWM）是一種對模擬信號電平進行數字編碼的方法。通過高分辨率計數器的使用，方波的占空比被調制用來對一個具體模擬信號的電平進行編碼。PWM信號仍然是數字的，因為在給定的任何時刻，滿幅值的直流供電要么完全有(ON)，要么完全無(OFF)。電壓或電流源是以一種通(ON)或斷(OFF)的重復脈沖序列被加到模擬負載上去的。通的時候即是直流供電被加到負載上的時候，斷的時候即是供電被斷開的時候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進行編碼。多數負載(無論是電感性負載還是電容性負載)

7、需要的調制頻率高于10Hz，通常調制頻率為1kHz到200kHz之間。（2）調速原理PWM是通過固定電壓的直流電源開關頻率，從而改變負載兩端的電壓，進而達到控制要求的一種電壓調整方法。在PWM驅動控制的調整系統(tǒng)中，按一個固定的頻率來接通和斷開電源，并根據需要改變一個周期內“接通”和“斷開”時間的長短。通過改變直流電機電樞上電壓的“占空比”來改變平均電壓的大小，從而控制電動機的轉速。因此，PWM又被稱為“開關驅動裝置”。如圖所示，在脈沖作用下，當電機通電時，速度增加；電機斷電時，速度逐漸減少。只要按一定規(guī)律，改變通、斷電機的平均速度得到控制。設電機始終接通電源時，電機轉速最大為Vmax，設占空比

8、為D=t1/T，則電機的平均速度為Vd=Vmax*D.式中，Vd-電機的平均速度；Vmax-電機全通電時的速度（最大）；D=t1/T-占空比。由公式可見，當我們改變占空比D=t1/T時，就可以得到不同的電機平均速度Vd，從而達到調速的目的。嚴格的講，平均速度Vd與占空比D并不是嚴格的線性關系，在一般的應用中，可以將其近似地看成線性關系。 單片機AT89S52是具有兩個定時器T0和T1。通過控制定時器初值T0和T1，從而可以實現從89s52的任意輸出口輸出不同占空比的脈沖波形。由于PWM信號軟件實現的核心是單片機內部的定時器，而不同的單片機的定時器具有不同的特點，即使是同一臺單片機由于選用的晶振

9、不同，選擇的定時器工作方式不同，其定時器的定時初值與定時時間的關系也不同。因此，首先明確定時器的定時初值與定時時間的關系。如果單片機的時鐘頻率為f，定時器/計數器為N位，則定時器初值與定時時間的關系為：式中，Tw-定時器定時初值；N-一個機器周期的時鐘熟。 N隨著機型的不同而不同。在應用中，應根據具體的機型給出相應的值。這樣，我們可以通過設定不同的定時初值Tw，從而改變占空比D，進而達到控制電機轉速的目的。 注： 占空比是高電平所占周期時間與整個周期時間的比值。（3）L298N工作原理：L298N是具有15個引腳的單列直插式2位同時驅動芯片。其引腳功能分別為：1、8、15腳為GND引腳，2、3

10、腳為輸出引腳， 9腳為VSS引腳，4腳為VS引腳，5、7腳為輸入引腳，6腳為選通1通道引腳。其余引腳為通道2所需要引腳，在此沒有用到通道2，故其余引腳全部懸空。當6腳數據輸入量為1時，1通道正常工作，當5、7腳輸入為1、0時，2、3腳輸出的電平使電動機正轉，并且可以按照單片機所賦給6腳的置1、置0的占空比的不同而使電動機的轉速得以改變。當5、7腳輸入為0、1時，2、3腳輸出的電平使電動機反轉，并且同理可以按照單片機所復給6腳的置1、置0的占空比的不同而使電動機的轉速得以改變。所以本系統(tǒng)使用L298N用來控制直流電機的正轉、反轉。它的使能端ENA接到單片機的P1.5管腳。使能端是高電平有效。輸入

11、控制端IN1、IN2接到單片機的P1.6、P1.7管腳。輸出端OUT1、OUT2接到電機的兩端，分別給IN1、IN2不同的高低電平就可以控制電機的正傳反轉。如圖所示：注：保護電路由二極管組成，由于電動機是呈電感性很強的，所以在開機或著關機時，會產生很大的感應電壓而燒壞芯片，在此，為了保護驅動芯片，接了幾個二極管，從而大大的減小了由于感應電壓帶給驅動芯片的危害。2、電機轉速及方向控制元件選用及分析：（1） 單片機單片機選用AT89S52，其與MCS-51單片機產品兼容 、8K字節(jié)在系統(tǒng)可編程Flash存儲器、 1000次擦寫周期、 全靜態(tài)操作：0Hz33Hz 、 三級加密程序存儲器 、 32個可

12、編程I/O口線 、三個16位定時器/計數器 八個中斷源 、全雙工UART串行通道、 低功耗空閑和掉電模式 、掉電后中斷可喚醒 、看門狗定時器 、雙數據指針 、掉電標識符 。功能特性描述 ：AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲器。使用Atmel 公司高密度非 易失性存儲器技術制造，與工業(yè)80C51 產品指令和引腳完 全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于 常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng) 可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提 供高靈活、超有效的解決方案。 AT89S52

13、具有以下標準功能： 8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM， 32 位I/O 口線，看門狗定時器，2 個數據指針，三個16 位 定時器/計數器，一個6向量2級中斷結構，全雙工串行口， 片內晶振及時鐘電路。另外，AT89S52 可降至0Hz 靜態(tài)邏 輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU 停止工作，允許RAM、定時器/計數器、串口、中斷繼續(xù)工 作。掉電保護方式下，RAM內容被保存，振蕩器被凍結， 單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。8 位微控制器 8K 字節(jié)在系統(tǒng)可編程 Flash AT89S52。（2）電機驅動芯片L298是SGS(通標標準技術服務有限公司)公司的產

14、品，比較常見的是15腳Multiwatt封裝的L298N，內部包含4通道邏輯驅動電路。是一種二相和四相電機的專用驅動器，即內含二個H橋的高電壓大電流雙全橋式驅動器，接收標準TTL邏輯電平信號，可驅動46V、2A以下的電機。且其有控制精度高、穩(wěn)定性好、響應速度快等優(yōu)點。其能很好滿足電路設計要求。如圖為其內部結構圖；其基本工作原理為：IN1、IN2配合可以控制電機的轉向，ENA為使能端當設定好電機轉向后，對ENA進行高頻PWM調制輸入，在電樞電感濾波的作用下，電機就可以得到低于電源電壓的實際工作電壓。當ENA=1時，電機端電壓U=Vs，當ENA=0時，電機通過主開關管的反并聯二極管（圖中未示出）虛

15、流，實際相當于電機反轉在電源兩端，電機端電壓U=Vs，因此，可以推出，當ENA的占空比為D時，電機實際獲得的端電壓值為：U=（2D-1）*Vs。（而實際上由于電機是消耗電能，因此D<0.5時是不能工作的） 即DC/DC降壓電路的傳函為：Us=Vs*（2F(S)-1）。3、系統(tǒng)結構框圖：4、直流電機和單片機連接原理圖：原理圖見附錄1.四、系統(tǒng)的軟件設計：1、本系統(tǒng)編程部分工作采用C語言完成，以下為系統(tǒng)流程圖：系統(tǒng)程序見附錄2.2、流程圖說明：開始后，正向勻加速過程為調制PWM占空比，使其以10%/s增加，持續(xù)5s；正向勻速過程為以PWM占空比為50%時的速度持續(xù)5s；正向勻減速過程為再次調

16、制PMW占空比，使其以10%減小，持續(xù)5s；反向勻加速過程為繼續(xù)調制PWM占空比以10%/s增加，同時使其反向；反向勻速過程為調制占空比以50%時的速度持續(xù)5s；反向勻減速過程為調制PMW占空比，使其以10%減小，持續(xù)5s；整個過程往復循環(huán)。五、結論：利用AT89S52單片機產生的PWM 信號，實現了對電機速度的控制，提高了系統(tǒng)的控制精度,保證了電機轉速的穩(wěn)定性；電機的啟動、停止、速度都由程序定義,調試時只需修改PWM信號占空比即可實現速度控制，改變輸出口電平即可實現電機正反轉，無須改變系統(tǒng)硬件電路,即可實現各種控制，能有效縮短開發(fā)周期,提高效率；結合了受限倍頻單極性可逆PWM電機驅動電路，增

17、強了系統(tǒng)的驅動能力，提高了系統(tǒng)的可靠性和性價比。電路設計簡單，電機控制方便，有利于廣泛推廣。六、參考文獻：1 、王建華 ，計算機控制技術 ，高等教育出版社，20092 、林爵天，微機控制PWM直流電機調速 ，上海電機技術高等?？茖W校學報 ，20013 、李瑋、趙江、劉建業(yè)，一種使用的單片機控制的數字式調速系統(tǒng) ，吉林化工學院學報 ，20024 、張大明 ，單片機微機控制應用技術 ，機械工業(yè)出版社 ，20075、 郭天祥，51單片機C語言教程，電子工業(yè)出版社，20106、王兆安、劉進軍，電力電子技術，機械工業(yè)出版社，2010附錄1：（原理圖）附錄2：（系統(tǒng)程序）附錄2：（系統(tǒng)程序）/* =直流電

18、機的PWM速度控制程序= */ /* 晶振采用11.0592M,產生的PWM的頻率約為91Hz */ #include<reg51.h> #include<math.h> #define uchar unsigned char #define uint unsigned int sbit en1=P21; /* L298的Enable A */ sbit s1=P23; /* L298的Input 1 */ sbit s2=P24; /* L298的Input 2 */ uchar t=0; /* 中斷計數器 */ uchar m1=0; /* 電機速度值 */ uch

19、ar tmp1; /* 電機當前速度值 */ /* 電機控制函數 index-電機號; speed-電機速度(-100100) */ void motor(uchar index, char speed) if(speed>=-100 && speed<=100) if(index=1) /* 電機的處理 */ m1=abs(speed); /* 取速度的絕對值 */ if(speed<0) /* 速度值為負則反轉 */ s1=0; s2=1; else /* 不為負數則正轉 */ s1=1; s2=0; void delay(uint j) /* 簡易延時函數 */ for(j;j>0;j-); void main() cha