基于單片機(jī)的直流電機(jī)速度控制(共16頁(yè))

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上目 錄 基于單片機(jī)的直流電機(jī)速度控制7段數(shù)碼管顯示單元譚康康 沈陽(yáng)航空航天大學(xué)北方科技學(xué)院摘要：本文介紹了基于單片機(jī)的直流電機(jī)PWM調(diào)速的基本方法，直流電機(jī)調(diào)速的相關(guān)知識(shí)以及PWM調(diào)速的基本原理和實(shí)現(xiàn)方法。重點(diǎn)介紹了基于MCS-51單片機(jī)的用軟件生產(chǎn)PWM信號(hào)以及信號(hào)占空比調(diào)節(jié)的方法。對(duì)于直流電機(jī)速度控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了一個(gè)有效的途徑。 本次課程設(shè)計(jì)主要任務(wù)是以四位共陽(yáng)數(shù)碼管顯示電機(jī)速度，它能間接直觀的觀察到電機(jī)速度的變化，用獨(dú)立鍵盤來(lái)手動(dòng)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，其中控制核心部分是單片機(jī)，單片機(jī)輸出微弱的電流信號(hào)經(jīng)過(guò)L298N驅(qū)動(dòng)芯片放大從而使電機(jī)滿足轉(zhuǎn)速的要求。關(guān)鍵字：四位

2、共陽(yáng)數(shù)碼管；AT89S52單片機(jī)；PWM；直流電機(jī)調(diào)速0.前言隨著社會(huì)的發(fā)展，各種智能化的產(chǎn)品日益走入尋常百姓家。為了實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的便攜性、低成品以及對(duì)電源的限制，小型直流電機(jī)應(yīng)用相當(dāng)廣泛。對(duì)直流電機(jī)的速度調(diào)節(jié)，我們可以采用多種辦法，本文在給出直流電機(jī)調(diào)整和PWM實(shí)現(xiàn)方法的基礎(chǔ)上，提供一種用單片機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)PWM 調(diào)速的方法。對(duì)基于MCS-51系列單片機(jī)實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)，能夠在不同的按鈕作用下分別實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的停止、加速、減速、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)控制；能夠?qū)崿F(xiàn)基于MCS-51系列單片機(jī)的直流電機(jī)PWM的調(diào)速設(shè)計(jì)。本文研究的是基于MCS-51系列單片機(jī)的直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)屬于微機(jī)控制領(lǐng)域

3、，通過(guò)對(duì)單片機(jī)的學(xué)習(xí)和研究對(duì)自己以后從事硬件產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)有一定的實(shí)際指導(dǎo)意義。1.用單片機(jī)控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的基本理論1.1 直流電機(jī)調(diào)速原理根據(jù)勵(lì)磁方式不同，直流電機(jī)分為自勵(lì)和他勵(lì)兩種類型。不同勵(lì)磁方式的直流電機(jī)機(jī)械特性曲線有所不同。對(duì)于直流電機(jī)來(lái)說(shuō)，人為機(jī)械特性方程式為： （1-1）式中, 額定電樞電壓、額定磁通量；,與電機(jī)有關(guān)的常數(shù)；,電樞外加電阻、電樞內(nèi)電阻；,理想空載轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)速降。分析(1-1)式可得當(dāng)分別改變、 和時(shí)，可以得到不同的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)速度的調(diào)節(jié)。由于=，當(dāng)改變勵(lì)磁電流時(shí)，可以改變磁通量的大小，從而達(dá)到變磁通調(diào)速的目的。如圖1-1所示。理想空載轉(zhuǎn)速隨電樞電壓升降而發(fā)生相應(yīng)的

4、升降變化。不同電樞電壓的機(jī)械特性曲線相互平行，說(shuō)明硬度不隨電樞電壓的變化而改變，電機(jī)帶負(fù)載能力恒定。當(dāng)我們平滑調(diào)節(jié)他勵(lì)直流電機(jī)電樞兩端電壓時(shí)，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速?；谝陨咸匦?，改變電樞電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)速度調(diào)節(jié)的方法被廣泛采用。圖1-1直流電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性曲線 圖1-2 電樞電壓“占空比”與平均電壓關(guān)系1.2 PWM基本原理及設(shè)計(jì)方案1.2.1 PWM基本原理PWM是通過(guò)控制固定電壓的直流電源開(kāi)關(guān)頻率，從而改變負(fù)載兩端的電壓，進(jìn)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，如電機(jī)調(diào)速、溫度控制、壓力控制等。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(lái)接通和斷開(kāi)電源，并根據(jù)需

5、要改變一個(gè)周期內(nèi)“接通”和“斷開(kāi)”時(shí)間的長(zhǎng)短。通過(guò)改變直流電機(jī)電樞上電壓的“占空比”來(lái)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(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置”。在脈沖作用下，當(dāng)電機(jī)通電時(shí)，速度增加；電機(jī)斷電時(shí)，速度逐漸減少。只要按一定規(guī)律，改變通、斷電的時(shí)間，即可讓電機(jī)轉(zhuǎn)速得到控制。設(shè)電機(jī)始終接通電源時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速最大為,設(shè)占空比為=/，則電機(jī)的平均速度為: =* （1-2）式中， 電機(jī)的平均速度;電機(jī)全通電時(shí)的速度(最大);=/占空比。由公式（1-2）可見(jiàn)，當(dāng)我們改變占空比時(shí)=/，就可以得到不同的電機(jī)平均速度 ，從而達(dá)到調(diào)速的目的。嚴(yán)格地講，平均速度與占空比=/并不是嚴(yán)格的線性關(guān)系，在一

6、般的應(yīng)用中，可以將其近似地看成線性關(guān)系。1.2.2 設(shè)計(jì)方案本文主要介紹利用單片機(jī)對(duì)PWM信號(hào)的軟件實(shí)現(xiàn)方法。MCS一51系列典型產(chǎn)品AT89S52具有兩個(gè)定時(shí)器 和 。通過(guò)控制定時(shí)器初值和 ，從而可以實(shí)現(xiàn)從S52的任意輸出口輸出不同占空比的脈沖波形。由于PWM信號(hào)軟件實(shí)現(xiàn)的核心是單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器，而不同單片機(jī)的定時(shí)器具有不同的特點(diǎn)，即使是同一臺(tái)單片機(jī)由于選用的晶振不同，選擇的定時(shí)器工作方式不同，其定時(shí)器的定時(shí)初值與定時(shí)時(shí)間的關(guān)系也不同。因此，首先必須明確定時(shí)器的定時(shí)初值與定時(shí)時(shí)間的關(guān)系。如果單片機(jī)的時(shí)鐘頻率為，定時(shí)器計(jì)數(shù)器為位，則定時(shí)器初值與定時(shí)時(shí)間的關(guān)系為： (1-3)式中， 定時(shí)器定時(shí)

7、初值； 一個(gè)機(jī)器周期的時(shí)鐘數(shù)。隨著機(jī)型的不同而不同。在應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)具體的機(jī)型給出相應(yīng)的值。這樣，我們可以通過(guò)設(shè)定不同的定時(shí)初值 ，從而改變占空比=/，進(jìn)而達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。2.硬件電路的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)以AT89S52單片機(jī)為核心，以5個(gè)彈跳按鈕作為輸入達(dá)到控制直流電機(jī)的停止、加速、減速、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，以四位共陽(yáng)數(shù)碼管顯示電機(jī)速度大小。在設(shè)計(jì)中，采用PWM技術(shù)對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，通過(guò)對(duì)占空比的計(jì)算達(dá)到精確調(diào)速的目的。2.1 系統(tǒng)分析與硬件設(shè)計(jì)模塊鍵盤向單片機(jī)輸入相應(yīng)控制指令，由單片機(jī)通過(guò)P3.0與P3.1其中一口輸出與轉(zhuǎn)速相應(yīng)的PWM脈沖，另一口輸出低電平，經(jīng)過(guò)信號(hào)放大、驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)控制電路，實(shí)現(xiàn)電

8、動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速的控制，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)，加速，減速、急停。總體設(shè)計(jì)方案的硬件部分詳細(xì)框圖如圖2-1所示：圖2-1 系統(tǒng)硬件框圖系統(tǒng)整體硬件電路圖如圖2-2示： 圖2-2 系統(tǒng)硬件電路圖2.2 設(shè)計(jì)該系統(tǒng)所需部分器件AT89S52單片機(jī)、直流電機(jī)、L298N、12MHZ晶振、四位共陽(yáng)數(shù)碼管、電容、電阻、彈跳開(kāi)關(guān)等。2.3 直流電機(jī)的功能簡(jiǎn)介直流電動(dòng)機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速特性，調(diào)速平滑、方便，調(diào)速范圍廣；過(guò)載能力大，能承受頻繁的沖擊負(fù)載，可實(shí)現(xiàn)頻繁的無(wú)級(jí)快速起動(dòng)、停止和反轉(zhuǎn)；能滿足生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)各種不同的特殊運(yùn)行要求。電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)采用微機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，是電氣傳動(dòng)發(fā)展的主要方向之一。采用微機(jī)控制后，

9、整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，操作維護(hù)方便，電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)速精度可達(dá)到較高水平，靜動(dòng)態(tài)各項(xiàng)指標(biāo)均能較好地滿足工業(yè)生產(chǎn)中高性能電氣傳動(dòng)的要求。由于單片機(jī)性能優(yōu)越，具有較佳的性能價(jià)格比，所以單片機(jī)在工業(yè)過(guò)程及設(shè)備控制中得到日益廣泛的應(yīng)用。 2.4 直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)模塊采用單片機(jī)構(gòu)成的直流電動(dòng)機(jī)數(shù)字PWM 調(diào)速系統(tǒng),其控制核心主要由單片機(jī)的最小系統(tǒng)、電源模塊（12v 5v）、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、按鍵（加速、減速、急停、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)）、顯示模塊（四位數(shù)碼管）、直流電機(jī)組成。系統(tǒng)采用L298N芯片作為PWM 驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)的供電主回路。單片機(jī)通過(guò)軟件處理輸出PWM信號(hào), 實(shí)現(xiàn)了直流電動(dòng)機(jī)的

10、速度控制,在運(yùn)行中獲得了良好的動(dòng)靜態(tài)性能。由于系統(tǒng)性價(jià)比高,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,具有實(shí)用價(jià)值和推廣價(jià)值。在介紹了基于單片機(jī)用PWM實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)調(diào)整的基本方法，直流電機(jī)調(diào)速的相關(guān)知識(shí)，及PWM調(diào)整的基本原理和實(shí)現(xiàn)方法。重點(diǎn)介紹了基于AT89S52單片機(jī)的用軟件產(chǎn)生PWM信號(hào)的途徑，并介紹了一種獨(dú)特的通過(guò)軟件定時(shí)中斷實(shí)現(xiàn)PWM信號(hào)占空比調(diào)節(jié)的方法。對(duì)于直流電機(jī)速度控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了一種有效的途徑。（1）鍵盤識(shí)別：通過(guò)P1口的低電平輸入識(shí)別不同的按鍵。（2）通過(guò)對(duì)單片機(jī)程序燒錄實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)的停止、加速、減速、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)控制。（3）數(shù)碼管顯示：通過(guò)P0口、P2口控制數(shù)碼管來(lái)顯示直流電機(jī)的速度。（4）由于單片

11、機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力不強(qiáng)，驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)需要很強(qiáng)的電流所以必須有外圍的驅(qū)動(dòng)電路，因此本設(shè)計(jì)采用L298芯片放大單片機(jī)微弱的電流?？刂圃恚?9S52單片機(jī)為核心的直流電機(jī)控制系統(tǒng)控制簡(jiǎn)圖如圖2-1所示，由軟件轉(zhuǎn)換成PWM 信號(hào)，并由P3.0、P3.1輸出，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路輸出給電機(jī)，從而控制電機(jī)得電與失電。軟件采用定時(shí)中斷進(jìn)行設(shè)計(jì)。單片機(jī)上電后，系統(tǒng)進(jìn)入準(zhǔn)備狀態(tài)。當(dāng)按動(dòng)啟動(dòng)按鈕后，根據(jù)P3.0為高電平實(shí)現(xiàn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，P3.1為高電平時(shí)實(shí)現(xiàn)電機(jī)反轉(zhuǎn)。根據(jù)不同的加減速按鈕，調(diào)整P3.0/ P3.1輸出高低電平時(shí)的預(yù)定值，從而可以控制P3.0/ P3.1輸出高低電平時(shí)的占空比，進(jìn)而控制電壓的大小。2.5 顯示設(shè)計(jì)模塊

12、7段LED數(shù)碼管是利用7個(gè)LED外加一個(gè)小數(shù)點(diǎn)的LED組合而成的顯示設(shè)備，可以顯示09等10個(gè)數(shù)字和小數(shù)點(diǎn)，使用非常廣泛。本次課設(shè)使用的是四位共陽(yáng)數(shù)碼管，內(nèi)部的4個(gè)數(shù)碼管共用a-dp這8根數(shù)據(jù)線，為人們的使用提供了方便，因?yàn)槔锩嬗?個(gè)數(shù)碼管，所以它有4個(gè)公共端，即片選信號(hào)線，共有12個(gè)引腳。具體原理圖如圖示：圖2-3 四位共陽(yáng)數(shù)碼管內(nèi)部原理圖圖2-4 四位共陽(yáng)數(shù)碼管外觀圖 用Proteus仿真該控制系統(tǒng)時(shí)，四位共陽(yáng)數(shù)碼管顯示電機(jī)反轉(zhuǎn)圖形如下所示：圖2-5 仿真顯示圖形本次設(shè)計(jì)顯示模塊采用的是SM 四位共陽(yáng)數(shù)碼管顯示，因?yàn)閱纹瑱C(jī)的輸出端口輸出的電流小，點(diǎn)亮數(shù)碼管的能力不大，所以需要采用三極管放大

13、輸出電流，此次三極管采用的是C9013，具體放大電路如圖示： 圖2-6 放大電路3.系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)利用P3口，編制程序輸出一串脈沖，經(jīng)放大后驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，改變輸出脈沖的電平的持續(xù)時(shí)間，達(dá)到使電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速、停轉(zhuǎn)等目的。由軟件編程從P3.0/P3.1管腳產(chǎn)生PWM 信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路輸出給電機(jī)，從而控制電機(jī)得電與失電。軟件采用延時(shí)法進(jìn)行設(shè)計(jì)。單片機(jī)上電后，系統(tǒng)進(jìn)入準(zhǔn)備狀態(tài)。當(dāng)按動(dòng)啟動(dòng)按鈕后，根據(jù)P3.0為高電平時(shí)實(shí)現(xiàn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，P3.1為高電平時(shí)實(shí)現(xiàn)電機(jī)反轉(zhuǎn)。根據(jù)不同的加減速按鈕，調(diào)整P3.0/ P3.1輸出高低電平時(shí)的占空比，從而可以控制P3.0/ P3.1輸出高低電平時(shí)的有效值，進(jìn)而

14、控制電機(jī)的加減速。其總體流程圖如圖3-1示：圖3-1 總體程序流程圖4.系統(tǒng)調(diào)試和結(jié)果分析4.1仿真圖形初始狀態(tài)，直流電機(jī)有如圖示4-1運(yùn)行效果 圖4-1 電機(jī)半速運(yùn)轉(zhuǎn)按下急停鍵，直流電機(jī)有圖4-2的停止運(yùn)行結(jié)果。 圖4-2 電機(jī)停轉(zhuǎn)按下加速鍵，直流電機(jī)有圖4-3的正向加速運(yùn)行結(jié)果。 圖4-3 電機(jī)正轉(zhuǎn)加速按下減速鍵，直流電機(jī)有圖4-4正向減速運(yùn)行結(jié)果。 圖4-4 電機(jī)正轉(zhuǎn)減速按下反轉(zhuǎn)鍵，直流電機(jī)有圖4-5反向加速運(yùn)行結(jié)果。 圖4-5 電機(jī)反轉(zhuǎn)加速5.結(jié)論和總結(jié)經(jīng)過(guò)將近兩周的努力，最終完成了該課程設(shè)計(jì)。在 Protuse和Keil c中仿真了出來(lái)，基本上實(shí)現(xiàn)了直流電機(jī)的停止、加速、減速和轉(zhuǎn)向控

15、制以及數(shù)碼管顯示。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我的學(xué)習(xí)能力和解決問(wèn)題的信心都得到了提高。在課程設(shè)計(jì)的過(guò)程中，我遇到了很多困難，但在查閱了很多有關(guān)書(shū)籍、還有向老師和同學(xué)請(qǐng)教后終于得到了解決。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我不僅對(duì)理論有了更深一步的認(rèn)識(shí)，還培養(yǎng)了自學(xué)能力和解決問(wèn)題的能力，更重要的是，培養(yǎng)了克服困難的勇氣和信心。我們的課程設(shè)計(jì)之所以能基本完成，要深深地感謝我的指導(dǎo)老師的悉心指導(dǎo)和幫助。參考文獻(xiàn)1 郭天祥. 51單片機(jī)C語(yǔ)言教程-入門、提高、開(kāi)發(fā)、拓展全攻略 北京：電子工業(yè)出版社，20082 陳忠平. 基于Proteus的AVR單片機(jī)C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)與仿真 北京：電子工業(yè)出版社，20113 劉復(fù)華. 單片機(jī)及

16、其應(yīng)用系統(tǒng). 北京：清華大學(xué)出版社，19924 馬淑華. 單片機(jī)原理與接口技術(shù). 北京：北京郵電大學(xué)出版社，2005附程序清單#include<reg51.h>#define unchar unsigned char#define unint unsigned intunsigned char code dispcode=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0x88,0x83,0xc6,0xa1,0x86,0x84,0xff,0xbf;unsigned char dispbitcode=0xfe,0xfd,0xfb,0

17、xf7;unsigned char dispbuf4=0,0,0,0;unsigned char dispbitcnt;unint mstcnt;unint i;unint count=0;unchar tp=0;void ledshow();void keyscan();void delay();void just();void turn();void motorstop();void speedup();void speeddown();void main(void) P3_0=1; P3_1=0; dispbuf0=16; TMOD=0x02 TH0=0x06; TL0=0x06; TR

18、0=1; ET0=1; EA=1; while(1) ledshow(); keyscan(); void delay() unsigned char i,j; for(i=20;i>0;i-) for(j=248;j>0;j-);void keyscan() unchar temp=0;P1=0xff;if(P1&0x1f)!=0x1f) delay(); if(P1&0x1f)!=0x1f) temp=P1&0x1f; switch(temp) case 0x1e: just();break; case 0x1d: turn();break; case 0x1b: motorstop();break; case 0x17: speedup();break; case 0x0f: speeddown();break; while(P1&0x1f)!=0x1f); void ledshow() /* P0=dispcodedispbufdispbitcnt; P2=dispbitcodedispbitcnt; dispbitcnt+; if(dispbitcnt=4) dispbitcnt=0; */ P2=0x01;P0=dispcodedispbuf0; for(i=0;i<700;i+); P2=0x02;P0=dis