基于單片機(jī)的脈寬調(diào)制控制電路的設(shè)計(jì)

1、摘要隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，脈寬調(diào)制技術(shù)應(yīng)用于電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制越來(lái)越廣泛。特別是單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)的不斷發(fā)展，使得脈寬調(diào)速技術(shù)成為電機(jī)調(diào)速的主流。 本設(shè)計(jì)給出了一種基于單片機(jī)的直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用MCS-8051單片機(jī)為核心，產(chǎn)生PWM（脈寬調(diào)制）信號(hào)；把輸出的PWM信號(hào)通過(guò)LMD18200驅(qū)動(dòng)電路直接控制直流電機(jī)的啟動(dòng)、速度、暫停以及方向的變化；設(shè)計(jì)的鍵盤人機(jī)界面可以方便的改變PWM的狀態(tài)，進(jìn)而達(dá)到方便的改變電機(jī)的工作狀態(tài)；電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以方便的顯示在數(shù)碼管上。通過(guò)試驗(yàn)，本設(shè)計(jì)不僅可實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)啟動(dòng)、正反轉(zhuǎn)和順序控制，還可方面的進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制，控制精度達(dá)到了較高的要求，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

2、   關(guān)鍵詞：PWM； 單片機(jī)；控制 Abstract With the electrical technology development, the technology of PWM have been used to machine speed control in far and wide. based on single chip microcomputer 's direct current machine speed control system . This system uses the MCS-8051 single chip microcomputer

3、is a core, produces PWM (pulse-duration modulation) the signal; Uses the bipolarity drive type through the LMD18200 actuation chip to control direct current machine's start, the speed, the suspension as well as the direction change; And uses the keyboard to take the input, adds and subtracts cha

4、nges the PWM signal data; Carries on 7 section of nixietube actuations through CD4511 to demonstrate electric motor's rotational speed. By this experiment this design may take the simple control to plurality of controls excessive, realizes the direct current machine to start, is reversing outsid

5、e the control and the sequential control, but must carry on the speed control, it have value to use in actually    : PWM; SMC；control前言在電氣時(shí)代的今天，電動(dòng)機(jī)一直在現(xiàn)代化的生產(chǎn)和生活中起著十分重要的作用，無(wú)論在工業(yè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、國(guó)防航空航天、醫(yī)療衛(wèi)生、商務(wù)與辦公設(shè)備，還是在日常生活中的家用電器，都在大量地使用著各式各樣的電動(dòng)機(jī)。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)在有的90%以上的動(dòng)力源來(lái)自于電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)與人們的生活息息相關(guān)，密不可分。隨著現(xiàn)代化步伐的邁

6、進(jìn)，人們對(duì)自動(dòng)化的需求越來(lái)越高，使電動(dòng)機(jī)控制向更復(fù)雜的控制發(fā)展。脈寬調(diào)制控制在電機(jī)控制方面起了很重要的作用。 脈寬調(diào)制控制控制技術(shù)以其控制簡(jiǎn)單、靈活和動(dòng)態(tài)響應(yīng)好的優(yōu)點(diǎn)而成為電力電子技術(shù)最廣泛應(yīng)用的控制方式,也是人們研究的熱點(diǎn)，對(duì)于交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)而言，傳統(tǒng)的脈寬調(diào)制多采用模擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)，即脈寬調(diào)制信號(hào)的獲得是通過(guò)三角波與所希望的調(diào)制函數(shù)直接比較而獲得，隨著高性能的交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的全數(shù)字控制，以及驅(qū)動(dòng)電機(jī)電流控制的數(shù)字化方法的實(shí)現(xiàn)，脈寬調(diào)制方法須采用數(shù)字化實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)所實(shí)現(xiàn)的控制是靠程序的，并且可以修改。通過(guò)不同的程序?qū)崿F(xiàn)不同的功能，尤其是特殊的獨(dú)特的一些功能，這是別的器件需要費(fèi)很大力氣才能做到的，

7、有些則是花大力氣也很難做到的。通過(guò)對(duì)單片機(jī)的程序的編寫可以實(shí)現(xiàn)高智能，高效率，以及高可靠性。利用單片機(jī)的編程來(lái)改變脈寬波形的占空比從而可以得到頻率穩(wěn)定占空比不同的矩形波，矩形波通過(guò)濾波后就可以得到相應(yīng)的電壓值，從而控制電機(jī)。第1章 緒論 在對(duì)電路的控制中，因?yàn)槟M信號(hào)的值可以連續(xù)變化，其時(shí)間和幅度的分辨率都沒(méi)有限制，所以模擬電壓和電流可直接用來(lái)進(jìn)行控制，如對(duì)收音機(jī)的音量進(jìn)行控制。在簡(jiǎn)單的模擬收音機(jī)中，音量旋鈕被連接到一個(gè)可變電阻，擰動(dòng)旋鈕時(shí)，電阻值變大或變小，流經(jīng)這個(gè)電阻的電流也隨之增加或減少，從而改變了驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器的電流值，使音量相應(yīng)變大或變小。與收音機(jī)一樣，模擬電路的輸出與輸入成線性比例，盡

8、管模擬控制看起來(lái)可能直觀而簡(jiǎn)單，但它并不總是非常經(jīng)濟(jì)或可行的。其中一點(diǎn)就是，因而難以調(diào)節(jié)。能夠解決這個(gè)問(wèn)題的精密模擬電路可能非常龐大、笨重(如老式的家庭立體聲設(shè)備)和昂貴。模擬電路還有可能嚴(yán)重發(fā)熱，其功耗相對(duì)于工作組件兩端電壓與電流的乘積成正比。模擬電路還可能對(duì)噪聲很敏感，任何擾動(dòng)或噪聲都肯定會(huì)改變電流值的大小。因此如果以數(shù)字方式控制模擬電路，可以大幅度降低系統(tǒng)的成本和功耗。脈寬調(diào)制就是用數(shù)字的方式控制電路的，方波的占空比被調(diào)變用來(lái)對(duì)一個(gè)具體模擬信號(hào)的電平進(jìn)行編碼。脈寬調(diào)制信號(hào)仍然是數(shù)字的，因?yàn)樵诮o定的任何時(shí)刻，滿幅值的直流供電要么完全有，要么完全無(wú)。電壓或電流源是以一種通(ON)或斷(OFF

9、)的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負(fù)載上去的。通的時(shí)候即是直流供電被加到負(fù)載上的時(shí)候，斷的時(shí)候就是電被斷開(kāi)的時(shí)候。只要頻寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進(jìn)行編碼。本文介紹的是基于單片機(jī)軟件產(chǎn)生的脈寬調(diào)制電壓，即用單片機(jī)的編程，通過(guò)軟件的方式輸出一系列按一定規(guī)律變化的、幅值相等而寬度不相等的脈沖。在本設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)的主要硬件是單片機(jī)，我選用了MCS-51單片機(jī)，MCS-51單片機(jī)是美國(guó)INTE公司于1980年推出的產(chǎn)品，與MCS-48單片機(jī)相比，它的結(jié)構(gòu)更先進(jìn)，功能更強(qiáng)，在原來(lái)的基礎(chǔ)上增加了更多的電路單元和指令,指令數(shù)達(dá)111條，MCS-51單片機(jī)可以算是相當(dāng)成功的產(chǎn)品，一直到現(xiàn)在，MCS-51系列或其

10、兼容的單片機(jī)仍是應(yīng)用的主流產(chǎn)品。在驅(qū)動(dòng)部分我用了LMD18200。本設(shè)計(jì)是在單片機(jī)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制電壓，需要設(shè)計(jì)者對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的每一部分進(jìn)行認(rèn)知，各部分的功能以及實(shí)現(xiàn)方法，要求對(duì)該系統(tǒng)以MCS-51單片機(jī)為核心，產(chǎn)生PWM（脈寬調(diào)制）信號(hào)的過(guò)程以及通過(guò)LMD18200驅(qū)動(dòng)芯片采用雙極性驅(qū)動(dòng)方式來(lái)控制直流電機(jī)的啟動(dòng)、速度、暫停以及方向的變化實(shí)現(xiàn)方法，并且采用鍵盤作為輸入，加減改變PWM信號(hào)數(shù)據(jù)；通過(guò)CD4511進(jìn)行7段數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)顯示電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速的原理掌握并自主編程實(shí)現(xiàn)。本次設(shè)計(jì)對(duì)直流電機(jī)的簡(jiǎn)單控制向復(fù)雜控制的過(guò)度，實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)啟動(dòng)、制動(dòng)、正反轉(zhuǎn)控制和順序控制外，還要進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制的實(shí)現(xiàn)需要設(shè)計(jì)者

11、的?？萄芯?。例如用到的單片機(jī)的原理及其編程的方法；系統(tǒng)用到的基本原理，如脈寬調(diào)制控制的理論及脈寬調(diào)制控制的實(shí)現(xiàn)方法，都需要設(shè)計(jì)者的認(rèn)真對(duì)待，查閱相關(guān)資料。圖1-1 硬件設(shè)計(jì)方案框圖第2章 硬件設(shè)計(jì)第2.1節(jié) 單片機(jī)的選擇本設(shè)計(jì)的硬件主體是單片機(jī)，單片機(jī)作為脈寬調(diào)制控制的中央處理單元，擔(dān)負(fù)著重要的任務(wù)，所以對(duì)單片機(jī)的選擇十分的重要。我在對(duì)市場(chǎng)上一些應(yīng)用比較廣泛的單片機(jī)進(jìn)行了對(duì)比，最終選擇了利用率比較高的MCS-51系列單片機(jī)。MCS-51把微型計(jì)算機(jī)的主要部件都集成在一塊心片上，使得數(shù)據(jù)傳送距離大大縮短，可靠性更高，運(yùn)行速度更塊，由于屬于芯片化的微型計(jì)算機(jī)，各功能部件在芯片中的布局和結(jié)構(gòu)達(dá)最優(yōu)化

12、，抗干擾能力加強(qiáng)，工作亦相對(duì)穩(wěn)定。而且它的開(kāi)發(fā)環(huán)境要求較低，軟件資源十分豐富，介紹其功能特性書籍和開(kāi)發(fā)軟件隨處可取，只需配備一臺(tái)PC（個(gè)人電腦對(duì)電腦的配置基本上無(wú)要求），一臺(tái)仿真編程器即可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，早期的開(kāi)發(fā)軟件多使用DOS版本，隨著Windows視窗軟件的普及，現(xiàn)在幾乎都使用Windows版本，并且軟件種類繁多，琳瑯滿目，在眾多的單片機(jī)品種中，C51的環(huán)境資源是最豐富的，這給C51用戶帶來(lái)極大的便利，一直到現(xiàn)在MCS-51系列或其兼容的單片機(jī)仍是應(yīng)用的主流產(chǎn)品。因此，在工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)中，它仍然是單片機(jī)的最理想的選擇。單片機(jī)屬于典型的嵌入式系統(tǒng)，所以它是低端控制系統(tǒng)最佳器件。第2.2節(jié) LM

13、D18200的介紹及工作原理 LMD18200的簡(jiǎn)介L(zhǎng)MD18200是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司(NS)推出的專用于直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的H橋組件。同一芯片上集成有CMOS控制電路和DMOS功率器件，利用它可以與主處理器、電機(jī)和增量型編碼器構(gòu)成一個(gè)完整的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。LMD18200廣泛應(yīng)用于打印機(jī)、機(jī)器人和各種自動(dòng)化控制領(lǐng)域。其功能如下： LMD18200的內(nèi)部結(jié)構(gòu) LMD18200的驅(qū)動(dòng)方式第2.3節(jié) 光電編碼器接口圖2-3 光電編碼器輸出信號(hào)形式第2.4節(jié) 4N25光電隔離632514AnodeCathodeEmitterCollectorNCBase第2.5節(jié) 直流電機(jī)的控制直流電機(jī)的PWM調(diào)壓調(diào)速

14、原理 (21) (22) 雙極性驅(qū)動(dòng)可逆PWM系統(tǒng)的控制原理 圖 2-7 H型雙極可逆PWM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) (23)第2.6節(jié) LED數(shù)碼顯示電路的設(shè)計(jì) cbadefgdpdp圖2-8 LED數(shù)碼管 第2.7節(jié) 整體電路結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)啟動(dòng)、制動(dòng)、正反轉(zhuǎn)控制和順序控制。然后由光電編碼器測(cè)得直流電機(jī)的速度，并通過(guò)光電編碼接口電路將信息反饋到單片機(jī)，由單片機(jī)通過(guò)比較預(yù)先給定的速度與反饋得到的速度得到偏差，然后經(jīng)過(guò)PID算法得出控制量，在改變脈寬控制的寬度進(jìn)行輸出，并在LED上顯示轉(zhuǎn)速。第3章 軟件控制程序設(shè)計(jì)第3.1節(jié) 主程序流程圖。 否是否否是是計(jì)時(shí)器到PID調(diào)節(jié)計(jì)數(shù)值增1，判斷轉(zhuǎn)向是外中斷定時(shí)中斷串

15、口中斷LCD信息顯示數(shù)據(jù)處理接收、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中斷初始化串口、中斷、計(jì)數(shù)器、定時(shí)器、LED開(kāi)始圖3-1 系統(tǒng)總流程圖第3. 2節(jié) PID 調(diào)節(jié)程序流程圖開(kāi)始計(jì)算控制參數(shù)A,B,C設(shè)置初始值e(k-1)=e(k-2)=0本次采樣輸入c（k）計(jì)算控制量(k)=Ae(k)-Be(k-1)+Ce(k-2)計(jì)算偏差值e(k)=r(k)-c(k)輸出(k)為下一時(shí)刻準(zhǔn)備e(k-1)e(k-2) e(k)e(k-1)采樣時(shí)刻？被控制對(duì)象電機(jī)是否圖3-2 增量式數(shù)字PID控制程序的流程圖第4章 運(yùn)行與調(diào)試在完成了硬件連接以及軟件編程的工作后，此控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本完成，進(jìn)入系統(tǒng)調(diào)試階段。在系統(tǒng)調(diào)試的過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)一些

16、問(wèn)題：設(shè)計(jì)中器件之間的匹配問(wèn)題，通過(guò)查考資料重新設(shè)計(jì)電路圖。編程中發(fā)現(xiàn)，對(duì)寄存器進(jìn)行讀寫操作時(shí)經(jīng)常發(fā)生問(wèn)題，比如向某個(gè)寄存器寫入數(shù)據(jù)時(shí)。通過(guò)調(diào)試窗口觀察，時(shí)常發(fā)現(xiàn)該寄存器的值并沒(méi)有改變?yōu)轭A(yù)期的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)分析，發(fā)現(xiàn)是由于沒(méi)有選中單片機(jī)中的該存儲(chǔ)體所在的區(qū)域。在調(diào)試中，發(fā)現(xiàn)將開(kāi)發(fā)機(jī)和單片機(jī)斷開(kāi)，單片機(jī)不能正常工作，最后發(fā)現(xiàn)在開(kāi)發(fā)機(jī)使用的軟件MPLAB-LED中，默認(rèn)為程序下載設(shè)置是調(diào)試模式，在ENABLE DEBUG MODE項(xiàng)關(guān)閉后，單片機(jī)正常工作。經(jīng)過(guò)MPASM編譯與連接的程序會(huì)得到HEX和CDD文件，HEX文件就是要燒寫到單片機(jī)中的程序代碼，而CDD文件則是MPLAB在調(diào)試時(shí)要用到的文件。在

17、調(diào)試過(guò)程中，我們可以分為兩個(gè)部分，一個(gè)是程序流程的控制，一個(gè)是單片機(jī)狀態(tài)的查詢，兩者之間相互搭配，才能完成程序調(diào)試的目的。程序流程的控制在下一節(jié)中說(shuō)明，這里我們先來(lái)看看如何得到單片機(jī)的狀態(tài)。不管在前面介紹單片機(jī)功能有多復(fù)雜，其實(shí)最后在程序?qū)懲旰?，所有的?shù)據(jù)都在存儲(chǔ)器中，程序存儲(chǔ)器放的是我們的程序代碼，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器包括特殊功能寄存器和程序中變量所使用的寄存器。MPLAB提供了存儲(chǔ)器不同方式的窗口觀察，這些窗口如下圖所示，但這些窗口的內(nèi)容會(huì)和設(shè)定有關(guān)，在調(diào)試過(guò)程中MPAB有一個(gè)方便的顯示方式就是 存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)如果有變化時(shí)，會(huì)變成紅色的文字顯示，通過(guò)這個(gè)功能也可以大大地提高調(diào)試速度。最后，在重新燒寫修

18、改過(guò)的程序代碼后，程序開(kāi)始運(yùn)行，系統(tǒng)正常工作。結(jié)論驀然回首，為期兩個(gè)多月的畢業(yè)設(shè)計(jì)就要結(jié)束了，在這漫長(zhǎng)而又短暫之中，通過(guò)自己不斷地學(xué)習(xí)，不斷地努力與拼搏、不斷地對(duì)新知識(shí)的追求與索取、不斷地自我發(fā)現(xiàn)、感到自己的知識(shí)結(jié)構(gòu)水平提出高了許多，對(duì)知識(shí)的掌握程度也加深了許多，對(duì)知識(shí)之間的相互聯(lián)系也有了更深的了解；通過(guò)不斷地提高自己的認(rèn)識(shí)水平與能力、不斷地學(xué)習(xí)新方法、新思想、新的思維方式、不斷地改變自己的人生觀和方法論、感到自己不但成長(zhǎng)且成熟了許；通過(guò)不斷地把課本知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際，不斷地把查閱到的資料與文獻(xiàn)中有用的東西應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)，不斷地把所學(xué)的理論與方法應(yīng)用設(shè)計(jì)之中，從而提高了自己理論聯(lián)系實(shí)際的能力畢業(yè)設(shè)計(jì)是

19、對(duì)大學(xué)所學(xué)課程的一個(gè)高度的綜合。無(wú)論是基礎(chǔ)知識(shí)還是專業(yè)知識(shí)都被設(shè)計(jì)統(tǒng)一起來(lái)，使零散的知識(shí)系統(tǒng)化，形成了一種能力，這也是畢業(yè)設(shè)計(jì)所要達(dá)到的目的。這也為我們走入社會(huì)打下一個(gè)良好的基礎(chǔ)，為走入社會(huì)對(duì)知識(shí)與理論的應(yīng)用做了一個(gè)好的鋪墊。人生的路是漫長(zhǎng)而曲折的，在這漫長(zhǎng)而曲折的道路上需要自己的不斷努力與拼搏。作為即將離校的學(xué)生，走出校門就站在另一個(gè)人生起點(diǎn)土，還有很長(zhǎng)的路要走，這必須有足夠的勇氣與自信去迎接挑戰(zhàn)，克服困難，創(chuàng)造奇跡特別對(duì)未來(lái)要充滿期盼，充滿希望，要微笑著走人生的每一步?！奥仿湫捱h(yuǎn)兮，我將上下而求索”。1祁偉、鄭巍、莊志惠 單片微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)教程2005，北京航天航空大學(xué)出版社。2何力民. 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)M .2003，北京航空航天大學(xué)出版社。3 王英健、李中華、劉曼玲、湯放奇，電工技術(shù)實(shí)用教程，1995，中南大學(xué)出版社。4林家瑞，電子工程