基于單片機的直流電機調速系統(tǒng)設計論文

1、基于單片機的直流電機調速系統(tǒng)設計摘要：本文設計的是基于單片機的直流電機調速系統(tǒng)設計，本系統(tǒng)設計以AT89C52單片機為核心，分成兩個模塊，一是直流電機控制系統(tǒng)：此系統(tǒng)采用PWM使直流電機以5個彈跳按鈕作為輸入達到控制直流電機的停止、加速、減速、正轉、反轉；另一個是轉速顯示系統(tǒng)：此系統(tǒng)主要實現(xiàn)對轉速的計數(shù)，并用LED數(shù)碼管將其結果顯示。其中采用采用PWM可以較為簡單的對直流電機轉速的控制；LED數(shù)碼管可以準確的將轉數(shù)顯示出來，在實際應用中很方便。關鍵詞：AT89C52單片機；PWM；直流電機調速；LED顯示 0. 前言直流電機的定義：將直流電能轉換成機械能(直流電動機)或將機械能轉換成直流電能(

2、直流發(fā)電機)的旋轉電機。 近年來，隨著科技的進步，直流電機得到了越來越廣泛的應用，直流具有優(yōu)良的調速特性，調速平滑，方便，調速范圍廣，過載能力強，能承受頻繁的沖擊負載，可實現(xiàn)頻繁的無極快速起動、制動和反轉，需要滿足生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)各種不同的特殊要求，從而對直流電機提出了較高的要求，改變電樞回路電阻調速、改變電壓調速等技術已遠遠不能滿足現(xiàn)代科技的要求，這是通過PWM方式控制直流電機調速的方法就應運而生。采取傳統(tǒng)的調速系統(tǒng)主要有以下的缺陷：模擬電路容易隨時間飄移，會產(chǎn)生一些不必要的熱損耗，以及對噪聲敏感等。而用PWM技術后，避免上述的缺點，實現(xiàn)了數(shù)字式控制模擬信號，可以大幅度減低成本和功耗。并且

3、PWM調速系統(tǒng)開關頻率較高，僅靠電樞電感的濾波作用就可以獲得平滑的直流電流，低速特性好；同時，開關頻率高，快響應特性好，動態(tài)抗干擾能力強，可獲很寬的頻帶；開關元件只需工作在開關狀態(tài)，主電路損耗小，裝置的效率高，具有節(jié)約空間、經(jīng)濟好等特點。隨著我國經(jīng)濟和文化事業(yè)的發(fā)展，在很多場合，都要求有直流電機PWM調速系統(tǒng)來進行調速，諸如汽車行業(yè)中的各種風扇、刮水器、噴水泵、熄火器、反視鏡、賓館中的自動門、自動門鎖、自動窗簾、自動給水系統(tǒng)、柔巾機、導彈、火炮、人造衛(wèi)星、宇宙飛船、艦艇、飛機、坦克、火箭、雷達、戰(zhàn)車等場合。1. 總體方案設計89S52單片機為核心的直流電機控制系統(tǒng)控制簡圖如圖1所示，由軟件轉換

4、成PWM 信號，并由P.0、P1.1輸出，經(jīng)驅動電路輸出給電機，從而控制電機得電與失電。軟件采用定時中斷進行設計。單片機上電后，系統(tǒng)進入準備狀態(tài)。當按動啟動按鈕后，根據(jù)P1.0為高電平實現(xiàn)電機正轉，P1.1為高電平時實現(xiàn)電機反轉。根據(jù)不同的加減速按鈕，調整P1.0/ P1.1輸出高低電平時的預定值，從而可以控制P1.0/ P1.1輸出高低電平時的占空比，進而控制電壓的大小?？刂瞥绦驊糜陔姍C的加減速。在電動機驅動信號方面，我們采用了占空比可調的周期矩形信號控制。脈沖頻率對電動機轉速有影響，脈沖頻率高連續(xù)性好，但帶帶負載能力差脈沖頻率低則反之。經(jīng)實驗發(fā)現(xiàn)，脈沖頻率在40Hz以上，電動機轉動平穩(wěn)，

5、但加負載后，速度下降明顯，低速時甚至會停轉；脈沖頻率在10Hz以下，電動機轉動有明顯跳動現(xiàn)象。實驗證明，脈沖頻率在15Hz-30Hz時效果最佳。而具體采用的頻率可根據(jù)個別電動機性能在此范圍內調節(jié)。通過 P1.0輸入高電平信號P1.1輸入低電平與P1.0輸入低電平P1.1輸入信號分別實現(xiàn)電動機的正轉與反轉功能。通過對信號占空比的調整來對直流電機進行調節(jié)。數(shù)碼管顯示按鍵控制單片機PWM電機驅動2. 硬件電路設計鍵盤向單片機輸入相應控制指令，由單片機通過P1.0與P1.1其中一口輸出與轉速相應的PWM脈沖，另一口輸出低電平，經(jīng)過信號放大、光耦傳遞，驅動H型橋式電動機控制電路，實現(xiàn)電動機轉向與轉速的控

6、制。電動機的運轉狀態(tài)通過數(shù)碼管顯示出來。電動機所處速度級以速度檔級數(shù)顯示。正轉時最高位顯示“三” ，其它三位為電機轉速；反轉時最高位顯示“F”，其它三位為電機轉速。每次電動機啟動后開始顯示，停止時數(shù)碼管顯示出“0000”。圖1整體電路圖2.1 單片機最小系統(tǒng)的設計單片機最小系統(tǒng)：所謂最小系統(tǒng)就是指由單片機和一些基本的外圍電路所組成的一個可以工作的單片機系統(tǒng)。一般來說，它包括單片機，晶振電路和復位電路。2.1.1 單片機AT89S52AT89S52 8位單片機是MSC-51®系列產(chǎn)品的升級版，有世界著名半導體公司ATMEL在購買MSC-51®設計結構后，利用自身優(yōu)勢技術（掉電

7、不丟數(shù)據(jù)）閃存生產(chǎn)技術對舊技術進行改進和擴展，同時使用新的半導體生產(chǎn)工藝，最終得到成型產(chǎn)品。與此同時，世界上其他的著名公司也通過基本的51內核，結合公司自身技術進行改進生產(chǎn)，推廣一批如51F020等高性能單片機。AT89S52片內集成256字節(jié)程序運行空間、8K字節(jié)Flash存儲空間，支持最大64K外部存儲擴展。根據(jù)不同的運行速度和功耗的要求，時鐘頻率可以設置在0-33M之間。片內資源有4組I/O控制端口、3個定時器、8個中斷、軟件設置低能耗模式、看門狗和斷電保護?？梢栽?V到5.5V寬電壓范圍內正常工作。不斷發(fā)展的半導體工藝也讓該單片機的功耗不斷降低。同時，該單片機支持計算機并口下載，簡單的

8、數(shù)字芯片就可以制成下載線，僅僅幾塊錢的價格讓該型號單片機暢銷10年不衰。根據(jù)不同場合的要求，這款單片機提供了多種封裝，本次設計根據(jù)最小系統(tǒng)有時需要更換單片機的具體情況，使用雙列直插DIP-40的封裝。 DIP-40封裝89S52引腳圖如圖2所示。圖2 DIP-40封裝89S52引腳圖 復位電路及時鐘電路復位電路和時鐘電路是維持單片機最小系統(tǒng)運行的基本模塊。復位電路通常分為兩種：上電復位和手動復位，如圖3，圖4所示。 圖3 上電復位 圖4 手動復位有時系統(tǒng)在運行過程中出現(xiàn)程序跑飛的情況，在程序開發(fā)過程中，經(jīng)常需要手動復位。所以本次設計選用手動復位。高頻率的時鐘有利于程序更快的運行，也有可以實現(xiàn)更

9、高的信號采樣率，從而實現(xiàn)更多的功能。但是告訴對系統(tǒng)要求較高，而且功耗大，運行環(huán)境苛刻?？紤]到單片機本身用在控制，并非高速信號采樣處理，所以選取合適的頻率即可。合適頻率的晶振對于選頻信號強度準確度都有好處，本次設計選取12.000M無源晶振接入XTAL1和XTAL2引腳。并聯(lián)2個30pF陶瓷電容幫助起振。最小系統(tǒng)如圖5所示。圖5 最小系統(tǒng)2.2 PWM驅動模塊的電路設計電動機PWM驅動模塊的電路設計與實現(xiàn)具體電路見下圖。本電路采用的是基于PWM原理的H型橋式驅動電路。PWM電路由復合體管組成H型橋式電路構成，四部分晶體管以對角組合分為兩組：根據(jù)兩個輸入端的高低電平?jīng)Q定晶體管的導通和截止。4個二極

10、管在電路中起防止晶體管產(chǎn)生反向電壓的保護作用，防止電動機兩端的電流和晶體管上的電流過大的保護作用。 在實驗中的控制系統(tǒng)電壓統(tǒng)一為5v電源，因此若復合管基極由控制系統(tǒng)直接控制，則控制電壓最高為5V，再加上三極管本身壓降，加到電動機兩端的電壓就只有4V左右，嚴重減弱了電動機的驅動力。基于上述考慮，我們運用了TLP521-2光耦集成塊，將控制部分與電動機的驅動部分隔離開來。輸入端各通過一個三極管增大光耦的驅動電流；電動機驅動部分通過外接12V電源驅動。這樣不僅增加了各系統(tǒng)模塊之間的隔離度，也使驅動電流得到了大大的增強。在電動機驅動信號方面，我們采用了占空比可調的周期矩形信號控制。脈沖頻率對電動機轉速

11、有影響，脈沖頻率高連續(xù)性好，但帶帶負載能力差脈沖頻率低則反之。經(jīng)實驗發(fā)現(xiàn)，當電動機轉動平穩(wěn)，但加負載后，速度下降明顯，低速時甚至會停轉；脈沖頻率在10Hz以下，電動機轉動有明顯跳動現(xiàn)象。而具體采用的頻率可根據(jù)個別電動機性能在此范圍內調節(jié)。通過P10輸入高電平信號，P11輸入低電平，電機正轉；通過P10輸入低電平信號，P11輸入高電平，電機反轉；P10、P11同時為高電平或低電平時，電機不轉。通過對信號占空比的調整來對電機轉速進行調節(jié)。 圖6 驅動電路2.3 顯示模塊設計在本設計課題中采用的是7段4位共陽極LED數(shù)碼管，它的引腳圖如圖7所示。圖7 7段4位共陽極LED數(shù)碼管引腳圖7段LED數(shù)碼管

12、是利用7個LED（發(fā)光二極管）外加一個小數(shù)點的LED組合而成的顯示設備，7段數(shù)碼管分共陰和共陽兩種顯示方式，本設計中采用共陽極顯示器。共陽極顯示器的發(fā)光二極管的陽極連接在一起，當公共陽極接電源+5V時，當某個發(fā)光二極管的陰極接低電平時，發(fā)光二極管被點亮，相應的段被顯示。通常將控制發(fā)光二極管發(fā)光的8位字節(jié)數(shù)據(jù)編碼稱為LED顯示的段選碼，要構成多位LED顯示時，除需要段選線外，還需要位選線，以確定段選碼對應的顯示位，位選線控制第幾個LED顯示。段選線控制顯示字形。8個陰極分別與8個限流電阻相連，在接到相應的電路中(發(fā)光二極管的工作電流選取在10-20ma，限流電阻太大，數(shù)碼管會太亮),其連接圖如圖

13、8所示。圖8 7段共陽極LED連接圖2.4 鍵盤電路設計正反轉，加速，減速，停止，啟動五個開關分別與單片機的P1.2，P1.3，P1.4，P1.5，P1.6相連，然后再與地相連。 圖10 按鍵電路3. 系統(tǒng)的軟件設計 本系統(tǒng)編程部分工作采用KELI-C51語言完成，采用模塊化的設計方法，與各子程序做為實現(xiàn)各部分功能和過程的入口，完成鍵盤輸入、按鍵識別和功能、PWM脈寬控制和數(shù)碼管顯示等部分的設計。單片機資源分配如下表：P0顯示模塊接口鍵盤中斷P1鍵盤模塊接口P1.0/P1.1PWM電機驅動接口系統(tǒng)時鐘PWM脈寬控制：本設計中采用軟件延時方式對脈沖寬度進行控制，延時程序函數(shù)如下：/*延時函數(shù)*/

14、delays()uchar i;for(i=5000;i>0;i-);鍵盤中斷處理子程序：采用中斷方式，按下鍵，完成延時去抖動、鍵碼識別、按鍵功能執(zhí)行。要實現(xiàn)按住加/減速鍵不放時恒加或恒減速直到放開停止，就需在判斷是否松開該按鍵時，每進行一次增加/減少一定的占空比。顯示子程序：利用數(shù)組方式定義顯示緩存區(qū)，緩存區(qū)有8位，分別存放各個數(shù)碼管要顯示的值。定時中斷處理程序：采用定時方式1，因為單片機使用12M晶振，可產(chǎn)生最高約為65.5ms的延時。對定時器置初值B1E0H可定時20ms，即系統(tǒng)時鐘精度可達0.02s。當20ms定時時間到，定時器溢出則響應該定時中斷處理程序，完成對定時器的再次賦值

15、，并對全局變量time加1，這樣，通過變量time可計算出系統(tǒng)的運行時間。4. 系統(tǒng)調試與分析系統(tǒng)的硬件、軟件獨調和系統(tǒng)調試是系統(tǒng)最后的步驟也是系統(tǒng)特別重要的環(huán)節(jié)，因為設計和開發(fā)出的系統(tǒng)是否成功，功能是否完善只有在這里才能顯現(xiàn)出來。所以為了保證設計系統(tǒng)能夠正常工作，必須對軟件和硬件部分的每一個部分進行調試和分析。本章詳細的介紹了軟件調試和軟硬聯(lián)調的過程，并對調試結果進行了介紹和分析。數(shù)據(jù)初始化是否有鍵按下按鍵釋放檢測數(shù)據(jù)顯示NNYY開始結束4.1 軟件調試本次設計采用的是keil仿真器進行軟件調試，此系統(tǒng)可以開發(fā)應用軟件，以及對硬件電路進行診斷、調試等。它的具體功能是可以進行CPU仿真，可以單

16、步、跟蹤、斷點和全速運行，而且，程序的編譯過程中，可以對設計軟件進行自診斷，并自動給出故障原因。同時用戶調試程序時，可以通過窗口觀察寄存器的工作狀況，以便及時發(fā)現(xiàn)和排除編程中可能出現(xiàn)的錯誤。軟件的調試是利用keil軟件，模塊化調試，通過觀察存儲單元數(shù)據(jù)的變化，查找并解決程序的語法和邏輯錯誤，具體的調試步驟如下：1. 把系統(tǒng)的各個模塊在仿真軟件中逐個調試，如信號燈模塊、顯示模塊等。2. 對各個需要賦值模塊調試時，賦入初值，單步調試，觀察數(shù)據(jù)窗口，看輸出結果是否為設計時想要的結果。3. 把各個模塊組合起來，全速運行，看程序是否能流暢的，是否能實現(xiàn)設計的系統(tǒng)的所有功能。5. 結論及進一步設想該課題的

17、主要任務是設計一個以89C52單片機為核心的直流電機調速系統(tǒng)。通過聯(lián)調，實驗驗證了系統(tǒng)的可行，能滿足設計要求，達到設計的指標，最后實現(xiàn)了對轉速的控制和LED顯示轉速。這個開發(fā)過程主要包括了硬件電路仿真設計和軟件編程兩個部分。從確定課設題目，到查閱質料確定總體方案設計，硬件電路仿真的設計，硬件電路的優(yōu)化，軟件的設計，軟件的優(yōu)化，檢驗仿真電路，調試軟件程序，到最后的軟硬件聯(lián)調，其中的每一個過程都是精心設計、仔細完成的。參考文獻1 劉復華. 單片機及其應用系統(tǒng). 北京：清華大學出版社，19922 周堅. 單片機C語言輕松入門.北京：航空航天大學出版社，20063 侯玉寶，陳忠平. 基于Proteus

18、51系列單片機設計與仿真. 北京：電子工業(yè)出版社，20084 戴佳，苗龍，陳斌. 51單片機應用系統(tǒng)開發(fā)典型實例. 北京：中國電力出版社，20055 張琛.直流無刷電動機原理及應用M，北京：北京機械工業(yè)出版社，1996.6 袁淑芬.實現(xiàn)直流無刷電動機調速控制的一種新型方法J，長春理工大學學報，2009，Vol.25，NO.1：113-115.7 吳寶啟，張元偉，劉陽.基于單片機的無刷直流電機控制方案設計J，煤礦現(xiàn)代化，2009，Vol.16，NO.6：74.8 劉小春，首珩.無刷直流電動機的單片機控制J，自動化技術與應用，2009，Vol.21，NO.3：129-131. 9 周興華.用單片機

19、控制直流電機變速J，電子制作，2006，Vol.34，NO.6：34-35.10 岳東海，顏鵬.直流電機PWM無級調速控制系統(tǒng)設計J，價值工程，2010，Vol.14，NO.2:135-136.11 郭浩.3A驅動能力PWM直流電機控制電路的制作J，電子制作，2007，Vol.9，NO.10:42-43.課設體會經(jīng)過兩個禮拜的努力，本次課設已經(jīng)接近尾聲，通過此次課程設計的訓練，我深刻的體會到單片機技術是一門工程特點和實踐性很強的學科。剛剛拿到題目時我覺得很難，根本無從下手，但是經(jīng)過老師的指導以及多方面查詢資料，我終于得出了方案，完成了這次課程設計。這次課程設計給我們提供了一個應用自己所學知識的

20、機會，從到圖書館查找資料到對儀器的設計、調試，再到最后的成型，都對我所學的知識進行了檢驗。不僅使學過的知識得到了鞏固與復習，同時也鍛煉了我們使用儀器和計算機輔助軟件的技能。但更重要的是把理論知識與實際聯(lián)系在了一起，加強了思考問題的的完整性和可行性，鍛煉了我的思考能力和動手能力。使學習變成了一種樂趣，使知識形象具體地被掌握。同時也為作好畢業(yè)設計做好準備工作。在這里首先要感謝我的老師。老師平日里工作繁多，但在我做課程設計的時期，一直關心我的論文進展，從設計草案的確定和修改，中期檢查，后期詳細設計等整個過程中都給予了我很大的關心。2011年7月 22日完成附錄 元件清單元件名稱型號數(shù)量單片機AT89

21、C521驅動芯片L2981直流電機MOTOR1二極管1N40014電阻排RESPACK-814位數(shù)碼管7SEG-MPX4-CA1電容CAP1 附錄 總體電路圖附錄 源程序#include<at89x51.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; /顯示代碼unsigned cha

22、r dispbitcode=0xfe,0xfd,0xfb,0xf7;/位選口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;TM

23、OD=0x02;TH0=0x06;TL0=0x06;TR0=1;ET0=1;EA=1;while(1)ledshow();/數(shù)碼管顯示keyscan();/鍵盤掃描/延時10ms程序void delay()unsigned char i,j;for(i=20;i>0;i-)for(j=248;j>0;j-);/鍵盤掃描程序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);/數(shù)碼管顯示程序vo