單片機(jī)AT9S直流電機(jī)PWM調(diào)速控制系統(tǒng)

1、單片機(jī)課程設(shè)計(jì)題目:直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)學(xué)院：電氣與電子項(xiàng)目 專業(yè)：自動(dòng)化 班級(jí)： 100304 組長(zhǎng)：徐鵬 20180883 組員：徐洋 20180885許佩東 20180886于思雨 20180888韓振帥指導(dǎo)教師：白文峰2 018年6月7日 第一章 : 摘要1.1 摘要： 直流電機(jī)的定義：將直流電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能 ( 直流電動(dòng)機(jī) 或?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn)換成直流電能 ( 直流發(fā)電機(jī) 的旋轉(zhuǎn)電機(jī)。 近年來(lái)，隨著科技的進(jìn)步，直流電機(jī)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，直流具有 優(yōu)良的調(diào)速特性，調(diào)速平滑，方便，調(diào)速范圍廣，過(guò)載能力強(qiáng)，能承受頻繁的 沖擊負(fù)載，可實(shí)現(xiàn)頻繁的無(wú)極快速起動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)，需要滿足生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)

2、化系統(tǒng)各種不同的特殊要求，從而對(duì)直流電機(jī)提出了較高的要求，改變電樞回 路電阻調(diào)速、改變電壓調(diào)速等技術(shù)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代科技的要求，這是通過(guò) PWM方式控制直流電機(jī)調(diào)速的方法就應(yīng)運(yùn)而生。 采取傳統(tǒng)的調(diào)速系統(tǒng)主要有以下的缺陷：模擬電路容易隨時(shí)間飄移，會(huì) 產(chǎn)生一些不必要的熱損耗，以及對(duì)噪聲敏感等。而用 PWM技術(shù)后，避免上述的 缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字式控制模擬信號(hào)，可以大幅度減低成本和功耗。并且PWM調(diào)速系統(tǒng)開(kāi)關(guān)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(shí)，開(kāi)關(guān)頻率高，快響應(yīng)特性好，動(dòng)態(tài)抗干擾能力強(qiáng)，可獲很 寬的頻帶；開(kāi)關(guān)元件只需工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，主電路損耗小，裝置的效率高，

3、具有節(jié)約空間、經(jīng)濟(jì)好等特點(diǎn)。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和文化事業(yè)的發(fā)展，在很多場(chǎng)合，都要求有直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行調(diào)速，諸如汽車(chē)行業(yè)中的各種風(fēng)扇、刮水器、噴水泵、熄火器、反視鏡、賓館中的自動(dòng) 門(mén)、自動(dòng)門(mén)鎖、自動(dòng)窗簾、自動(dòng)給水系統(tǒng)、柔巾機(jī)、導(dǎo)彈、火炮、人造衛(wèi)星、宇宙飛船、 艦艇、飛機(jī)、坦克、火箭、雷達(dá)、戰(zhàn)車(chē)等場(chǎng)合。直流電機(jī)工作原理直流電機(jī)電路模型如圖 3.1所示，磁極 N、S間裝著一個(gè)可以轉(zhuǎn)動(dòng)的鐵磁圓柱體， 圓柱體的表面上固定著一個(gè)線圈abed。當(dāng)線圈中流過(guò)電流時(shí)，線圈受到電磁力作用，從電路的方向?qū)崿F(xiàn)改變電機(jī)而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。根據(jù)左手定則可知，當(dāng)流過(guò)線圈中電流改變方向時(shí)，線圈的受方向也將改 變，因此通過(guò)改變線

4、圈 的方向。圖3.1直流電動(dòng)機(jī)電路模型圖1.1直流電機(jī)工作直流電機(jī)PWM調(diào)速原理<1)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型可用圖 3.2表示，由圖可見(jiàn)電機(jī)的電樞電動(dòng)勢(shì) Ea的 正方向與電樞電流Ia的方向相反，Ea為反電動(dòng)勢(shì)；電磁轉(zhuǎn)矩 T的正方向與轉(zhuǎn) 速n的方向相同，是拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩；軸上的機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩 T2及空載轉(zhuǎn)矩TO均與n 相反，是制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。圖3.2直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型根據(jù)基爾霍夫第二定律，得到電樞電壓電動(dòng)勢(shì)平衡方程式1.1:U二Ea-lavRa+Rc) 式 1.1式1.1中，Ra為電樞回路電阻，電樞回路串聯(lián)保繞阻與電刷接觸電阻的總 和;Rc是外接在電樞回路中的調(diào)節(jié)電阻。由此可得到直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速公

5、式為：n 二Ua-IR/Ce 式1.2式1.2中，Ce為電動(dòng)勢(shì)常數(shù)，是磁通量。由1.1式和1.2式得n 二Ea/Ce 式1.3由式1.3中可以看出，對(duì)于一個(gè)已經(jīng)制造好的電機(jī)，當(dāng)勵(lì)磁電壓和負(fù)載轉(zhuǎn) 矩恒定時(shí)，它的轉(zhuǎn)速由回在電樞兩端的電壓Ea決定，電樞電壓越高，電機(jī)轉(zhuǎn)速就越快，電樞電壓降低到 0V時(shí)，電機(jī)就停止轉(zhuǎn)動(dòng)；改變電樞電壓的極性， 電機(jī)就反轉(zhuǎn)。2） PW電機(jī)調(diào)速原理對(duì)于直流電機(jī)來(lái)說(shuō)，如果加在電樞兩端的電壓脈動(dòng)電流壓要求脈動(dòng)電壓的周期遠(yuǎn)小于電機(jī)的慣性常數(shù)），可以看出，在 T不變的情況下，改變T1和T2 寬度，得到的電壓將發(fā)生變化。圖3.3為施加不同占空比時(shí)實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)繪制所得占空比與轉(zhuǎn)速的關(guān)系圖。

6、圖3.3占空比與電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系由圖看出轉(zhuǎn)速與占空比D并不是完全速的線性關(guān)系 圖中實(shí)線），原因是電樞本身有電阻，不過(guò)一般直流電機(jī)的內(nèi)阻較小，可以近視為線性關(guān)系由此可見(jiàn)，改變施加在電樞兩端電壓就能改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速成，這就是直流電機(jī)PWM調(diào)速原理1.2本設(shè)計(jì)任務(wù)：任務(wù)：?jiǎn)纹瑱C(jī)為控制核心的直流電機(jī)PWMB速控制系統(tǒng) 設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容以及技術(shù)參數(shù)：功能主要包括：1）直流電機(jī)的正轉(zhuǎn)；2）直流電機(jī)的反轉(zhuǎn)；3）直流電機(jī)的加速；4）直流電機(jī)的減速；5）直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速在數(shù)碼管上顯示；6）直流電機(jī)的啟動(dòng)；7）直流電機(jī)的停止；第二章：總體設(shè)計(jì)方案總體設(shè)計(jì)方案的硬件部分詳細(xì)框圖如圖一所示。應(yīng)的PWM脈沖，另一口輸出低電平，

7、經(jīng)過(guò)信號(hào)放大、光耦傳遞，驅(qū)動(dòng)H型橋式電動(dòng)機(jī)控制電路，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速的控制。電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)通過(guò)數(shù)碼管顯示出來(lái)。電動(dòng)機(jī)所 處速度級(jí)以速度檔級(jí)數(shù)顯示。正轉(zhuǎn)時(shí)最高位顯示“三”，其它三位為電機(jī)轉(zhuǎn)速；反轉(zhuǎn)時(shí)最高位顯示“ F”，其它三位為電機(jī)轉(zhuǎn)速。每次電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后開(kāi)始顯示，停止時(shí)數(shù)碼管顯示出“0000”。1、系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)與分析電動(dòng)機(jī)PWM驅(qū)區(qū)動(dòng)模塊的電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)具體電路見(jiàn)下圖。本電路采用的是基于PWh原理的H型橋式驅(qū)動(dòng)電路。中機(jī)驅(qū)動(dòng)PWM電路由復(fù)合體管組成H型橋式電路構(gòu)成，四部分晶體管以對(duì)角組合 分為兩組：根據(jù)兩個(gè)輸入端的高低電平?jīng)Q定晶體管的導(dǎo)通和截止。4個(gè)二極管在電路中起防止晶體管產(chǎn)生反向

8、電壓的保護(hù)作用，防止電動(dòng)機(jī)兩端的電 流和晶體管上的電流過(guò)大的保護(hù)作用。在實(shí)驗(yàn)中的控制系統(tǒng)電壓統(tǒng)一為 5v電源，因此若復(fù)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(dòng)機(jī) 兩端的電壓就只有4V左右，嚴(yán)重減弱了電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)力。基于上述考慮， 我們運(yùn)用了 TLP521-2光耦集成塊，將控制部分與電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)部分隔離開(kāi) 來(lái)。輸入端各通過(guò)一個(gè)三極管增大光耦的驅(qū)動(dòng)電流；電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)部分通過(guò) 外接12V電源驅(qū)動(dòng)。這樣不僅增加了各系統(tǒng)模塊之間的隔離度，也使驅(qū)動(dòng) 電流得到了大大的增強(qiáng)。在電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)方面，我們采用了占空比可調(diào)的周期矩形信號(hào)控 制。脈沖頻率對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速有影響，脈

9、沖頻率高連續(xù)性好，但帶帶負(fù)載能 力差脈沖頻率低則反之。經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)，但加負(fù)載后， 速度下降明顯，低速時(shí)甚至?xí)＾D(zhuǎn)；脈沖頻率在10Hz以下，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)有明顯跳動(dòng)現(xiàn)象。而具體采用的頻率可根據(jù)個(gè)別電動(dòng)機(jī)性能在此范圍內(nèi)調(diào) 節(jié)。通過(guò)P10輸入高電平信號(hào)，P11輸入低電平，電機(jī)正轉(zhuǎn)；通過(guò) P10輸入 低電平信號(hào)，P11輸入高電平，電機(jī)反轉(zhuǎn)；P10 P11同時(shí)為高電平或低電 平時(shí)，電機(jī)不轉(zhuǎn)。通過(guò)對(duì)信號(hào)占空比的調(diào)整來(lái)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。2、系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)編程部分工作采用 KELI-C51語(yǔ)言完成，采用模塊化的設(shè)計(jì)方 法，與各子程序做為實(shí)現(xiàn)各部分功能和過(guò)程的入口，完成鍵盤(pán)輸入、按鍵 識(shí)別和

10、功能、PWN脈寬控制和數(shù)碼管顯示等部分的設(shè)計(jì)。單片機(jī)資源分配如下表：P0顯示模塊接口鍵盤(pán)中斷P1P鍵盤(pán)模塊接口P1.0/P1.1PWM電機(jī)驅(qū)動(dòng)接口系統(tǒng)時(shí)鐘 PWM脈寬控制：本設(shè)計(jì)中采用軟件延時(shí)方式對(duì)脈沖寬度進(jìn)行控制，延時(shí)程 序函數(shù)如下：延時(shí)函*/*delays(>i>0。i-> 。uchar i 。 for(i=5000采用中斷方式，按下鍵，完成延時(shí)去抖動(dòng)、鍵碼識(shí) 鍵盤(pán)中斷處理子程序： 別、按鍵功能執(zhí)行。要實(shí)現(xiàn)按住加/減速鍵不放時(shí)恒加或恒減速直到放開(kāi)停止，就需在判斷是否 松開(kāi)該按鍵時(shí)，每進(jìn)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

11、位，分別存放各 個(gè)數(shù)碼管要顯示的值。 定時(shí)中斷處理程序：采用定時(shí)方式 1因?yàn)閱纹瑱C(jī)使用12M晶振，可產(chǎn)生 最高約為65.5ms的延時(shí)。對(duì)定時(shí)器置初值 B1E0H可定時(shí)20ms即系統(tǒng)時(shí)鐘精 度可達(dá)0.02s。當(dāng)20ms定時(shí)時(shí)間到，定時(shí)器溢出則響應(yīng)該定時(shí)中斷處理程序， 完成對(duì)定時(shí)器的再次賦值，并對(duì)全局變量 time 加 1，這樣，通過(guò)變量 time 可 計(jì)算出系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間。3、軟件設(shè)計(jì)中的特點(diǎn) :對(duì)于電機(jī)的啟停，在 PWM控制上使用漸變的脈寬調(diào)整，即開(kāi)啟后由停止勻加速到默認(rèn) 速度，停止則因?yàn)楫?dāng)前速度逐漸降至零。這樣有利于保護(hù)電機(jī)。鍵盤(pán)處理上采用中斷方 式，不必使程序?qū)︽I盤(pán)反復(fù)掃描，提高了程序的效

12、率。第三章：系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)整體框圖如下：1 62 5+12VGNDvccVCC3 4P15P0 Pl P2 3 ? P5 P6 ”JI 口8Ci 6 00 9Xvcc卩4HXTAL1XTAL2§9TA24o 1J AJ 55- 4- <J XV 7 w w w w w w w MP35mYltsBTlF-rYRST畫(huà)A1IM0GP3D/M)皿業(yè)B咂P33M1P3.4/I0P3見(jiàn) 日晅VSS期A9EHnBNb mm測(cè)測(cè)艸咖涮i宅財(cái)初LED401LP52L2Q8Q5P1X)3!)10 llIIP10 1以麻肪（崩）5P20X：VCC10U斤酬10KRST 二第四章：系統(tǒng)功能調(diào)試仿

13、真整體圖如下 4J1 C1"噸 aom- W' R3 1 ° *1 d |n1 lL-，二 a :-n FD W£t IXtSrH FEL3fK3 EL«7J0MnF-3"1I P3 tfftlE FXAAll £S. 壯血*直流電機(jī)的調(diào)試功能仿真如下圖:1、正轉(zhuǎn)時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，數(shù)碼管最高位顯示“三”，其它三位先所給定頻率，如下圖:UDfJhJX IRILi'WJI 祖3MB芒RMfiSJW"碎Z帕34Wrt» 岡mu naAn 冃3口 P-2J&A 口 F2AA-I4tnatxcrP1VTM

14、D fUHTE 3航rO-BTIriflwS-*3rrljFT' r-iusi - .l fc>a .r+£JB3<-.UZC"TE'TT"2、反轉(zhuǎn)時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)，數(shù)碼管最高位顯示“ F” ,其它三位先所給定頻率,第五章：程序見(jiàn)附件1見(jiàn)附件 2第六章：元件清單見(jiàn)附件 3第七章：心得體會(huì)附件 1/* 基于單片機(jī)AT89C51的直流電機(jī)PWM調(diào)速控制系統(tǒng)*/#include<reg51.h>#include<absacc.h>#include <intrins.h>*/*自定義變量 */#define ui

15、nt unsigned int / 自定義變量 #define uchar unsigned char char gw,sw,bw,qw 。uchar j 。 / 定時(shí)次數(shù)，每次 20msuchar f=5 。 / 計(jì)數(shù)的次數(shù)sbitP10=P1A0。/pWM 輸出波形 1sbitpi仁 P1A1。/pWM 輸出波形 2sbitP12=P1A2。/正反轉(zhuǎn)sbitp13=p1A3。/加速sbitp14=p1A4。/減速sbitp15=p1A5。/停止sbitp16=p1A6。/啟動(dòng)uchar k 。uchar t 。 / 脈沖加減*控制位定義 *uchar code smg12=0x3f,0x0

16、6,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x73,0x71。 / 程序存儲(chǔ)區(qū)定義字型碼表char data led4=0x08,0x04,0x02,0x01 。 / 位碼uint x 。/數(shù)碼管顯示的數(shù)值display(> 。/數(shù)碼管顯示delays(> 。/延時(shí)函數(shù)key(> 。displays(> 。*/*主函數(shù) */main (void>TMOD=Ox5。TH0=0xb1。TL0=0xe0。TH1=0x00。/TL1=0x00。/T0 方式 1 定時(shí)計(jì)數(shù) T1 方式 1 計(jì)數(shù) 裝入初值 20MS計(jì)數(shù) 567TR0=

17、1。/ 啟動(dòng) t0TR1=1。/ 啟動(dòng) t1gw=sw=bw=qw=O / 數(shù)碼管初始化 P0=0xc0。P2=1。while(1> /無(wú)限循環(huán)display(> 。 / 數(shù)碼管顯示 key(> 。*/*display(>uchar i 。數(shù)碼管顯示 *gw=x%10。/ 求速度個(gè)位值，送到個(gè)位顯示緩沖區(qū)sw=(x/10>%10。/ 求速度十位值，送到十位顯示緩沖區(qū)bw=(x/100>%10。/ 求速度百位值，送到百位顯示緩沖區(qū)qw=x/1000 。/ 求速度千位值，送到千位顯示緩沖區(qū)for(i=0 。 i<4 。 >P2=ledi 。if(i=

18、0> / 顯示個(gè)位P0=smggw。delays(> 。else if(i=1>/顯示十位P0=smgsw。delays(> 。else if(i=2> / 顯示百位P0=smgbw 。delays(> 。else if(i=3> / 顯示千位if(k=0> / 正轉(zhuǎn)時(shí)顯示 " 三 " P0=0x49 。delays(> 。elseP0=0x71 。 / 反轉(zhuǎn)時(shí)顯示 "F"i+ 。/*/*延時(shí)函數(shù) *delays(>uchar i 。for(i=5000 。 i>0 。 i-> 。*

19、t0定時(shí) * 中斷函數(shù) */void t0(> interrupt 1 using 2TH0=0xb1。 / 重裝 t0TL0=0xe0。f- 。if(k=0>if(f<t>P10=1 。elseP10=0 。P11=0 。elseif(f<t>P11=1。 elseP11=0。P10=0。 if(f=0> f=5 。 j+ 。 if(j=50> j=0 。 x=TH1*256+TL1。/t1 方式 1 計(jì)數(shù)，讀入計(jì)數(shù)值TH1=0x00。 TL1=0x00。 x+。 display(> 。 /* key(> if(P12=0> while(!P12> display(> k=k 。 if(P16=0>按鍵掃描 */如果按下，去抖動(dòng)啟