基于單片機(jī)的直流電機(jī)pwm調(diào)速系統(tǒng)畢業(yè)論文(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 變頻調(diào)速的發(fā)展前景；以及本課題的主要研究?jī)?nèi)容及預(yù)期目標(biāo)做了簡(jiǎn)要說(shuō)明。4第二章 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)的任務(wù)和要求設(shè)計(jì)一個(gè)基于單片機(jī)的直流電機(jī)調(diào)整系統(tǒng)，要求用 PWM 方式控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，用獨(dú)立式按鍵控制電機(jī)的起運(yùn)，停止，正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)，在鍵盤和上位機(jī)設(shè)定電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向。完成直流電機(jī)和單片機(jī)接口電路的設(shè)計(jì)和系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)的控制對(duì)象為直流電機(jī)，控制器為鍵盤，控制量為電機(jī)轉(zhuǎn)速，顯示量為電機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)動(dòng)方向和設(shè)定轉(zhuǎn)速。 系統(tǒng)分析與選擇根據(jù)題目要求系統(tǒng)模塊可以劃分為：中央處理器模塊、顯示電路模塊、控制模塊、電機(jī)測(cè)速模塊及電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。為很好的實(shí)現(xiàn)各模塊功能，分別對(duì)每個(gè)模塊的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了分析及選擇。 控制器模塊根據(jù)題目要求，控制器主要功能有：產(chǎn)生初始的 PWM 波；接收來(lái)自控制模塊和測(cè)速模塊的信號(hào)并加以分析處理；將信號(hào)的處理結(jié)果輸出至顯示模塊和驅(qū)動(dòng)模塊，前者以顯示電機(jī)設(shè)定轉(zhuǎn)速、實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速及電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向，后者以控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。對(duì)控制器的選擇我們做出以下選擇：采用 STC89C52 作為本系統(tǒng)的中央處理裝置。單片機(jī)不僅具有很好算術(shù)運(yùn)算能力，而且編程時(shí)靈活、自由度大。同時(shí)又具有功耗低、體積小、技術(shù)成熟和價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。因此，在本設(shè)計(jì)中采用 STC89C52 作為系統(tǒng)的中央控制器。 顯示模塊的分析與選擇本設(shè)計(jì)中要求實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)速的設(shè)定，正反轉(zhuǎn)的狀態(tài)及電機(jī)轉(zhuǎn)速的設(shè)定值都需要用顯示器進(jìn)行顯示，所以采用液晶顯示屏幕作為系統(tǒng)的顯示器，同時(shí)液晶顯示屏（LCD）具有功耗小、輕薄短小無(wú)輻射危險(xiǎn)，平面直角顯示以及影象穩(wěn)定不閃爍，可視面積大，畫面效果好，抗干擾能力強(qiáng),并可靈活的實(shí)現(xiàn)多種狀態(tài)。5 測(cè)速傳感器的分析與選擇對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)量，依據(jù)當(dāng)今技術(shù)及本設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀，大致有以下三種可以執(zhí)行的測(cè)量方式。方案一：使用測(cè)速發(fā)電機(jī)測(cè)速，電機(jī)的輸出電動(dòng)勢(shì) E 和轉(zhuǎn)速 n 成線性關(guān)系，即 E=kn，其中 k 是常數(shù)。當(dāng)改變旋轉(zhuǎn)方向時(shí)，輸出電動(dòng)勢(shì)的極性也相應(yīng)改變。方案二：采用霍爾傳感器測(cè)速，霍爾元件是磁敏元件，在被測(cè)的旋轉(zhuǎn)體上裝一個(gè)磁體，當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，每當(dāng)磁體經(jīng)過霍爾元件，霍爾元件就發(fā)出一個(gè)信號(hào)，經(jīng)放大整形得到脈沖信號(hào)，送至單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算。方案三：采用紅外光電耦合器測(cè)速，發(fā)射管發(fā)射信號(hào)，接收管接受到信號(hào)時(shí)輸出脈沖。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，每轉(zhuǎn)半圈 OUT 端輸出一個(gè)上脈沖，然后用單片機(jī)在單位時(shí)間里面來(lái)采集上升源的個(gè)數(shù)，這樣就完成速度的采集。經(jīng)比較，方案一中測(cè)速發(fā)電機(jī)的安裝不如方案二中霍爾元件安裝方便，準(zhǔn)確率也沒方案二的高，并且方案二不需要 A/D 轉(zhuǎn)換，測(cè)量值直接可以被單片機(jī)接收。但方案二中霍爾傳感器的采購(gòu)不是很方便，價(jià)格比較也比較昂貴，方案三中硬件電路簡(jiǎn)單，器件采購(gòu)方便，更重要的是它具有方案二的幾乎所有的優(yōu)點(diǎn)，故選擇方案三。方案三中具體的記數(shù)方法是通過單片機(jī)記數(shù)時(shí)間 S（秒）內(nèi)的脈沖數(shù) N，從而計(jì)算得到每分鐘的轉(zhuǎn)速：M=N/S60。同時(shí)還可以采用定時(shí)的方法：通過定時(shí)器記錄脈沖的周期 T，這樣每分鐘的轉(zhuǎn)速：M=60/T。比較兩個(gè)計(jì)數(shù)方法，方法一的誤差主要是177。1 誤差（量化誤差），假設(shè)電機(jī)的最低設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為 120 轉(zhuǎn)/分，則記數(shù)時(shí)間 S=1s，所以其誤差的絕對(duì)值|γ|=|(N177。1)/S60N/S60=60（轉(zhuǎn)/分），誤差計(jì)算公式表明，增大記數(shù)時(shí)間可以提高測(cè)量精度，但這樣做卻增大了速度采樣周期，會(huì)降低系統(tǒng)控制靈敏度。而方法二所產(chǎn)生的誤差主要是標(biāo)準(zhǔn)誤差，并且使采樣時(shí)間降到最短，誤差 γ=[60/（T177。1）60/T]，設(shè)電機(jī)速度在 120—6000 轉(zhuǎn)/分之間，那么 ≤T≤ ，代入公式得： ≤|γ|≤（轉(zhuǎn)/分）。由此明顯看出,方法二在測(cè)量精度及提高系統(tǒng)控制靈敏度等方面優(yōu)于方法一，所以在這里我采用方法二進(jìn)行計(jì)數(shù)。 PWM 實(shí)現(xiàn)方案論證(1)PWM 調(diào)速工作方式6方案一：雙極性工作制。在一個(gè)脈沖周期內(nèi)，來(lái)自單片機(jī)兩個(gè)端口的兩個(gè)控制信號(hào)電平高低相反，這樣兩個(gè)控制信號(hào)的高電平時(shí)差控制著電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。方案二：?jiǎn)螛O性工作制。PWM 波的占空比取決于單片機(jī)的一個(gè)端口，另一個(gè)端口為低電平，兩個(gè)輸出口的切換控制著電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，PWM 占空比控制著電機(jī)的轉(zhuǎn)速。由于單極性工作制相較于雙極性工作制具有電流最大波動(dòng)小和電壓波中的交流成分小的優(yōu)點(diǎn)，所以我們本系統(tǒng)采用單極性工作制 [3]。(2) PWM 調(diào)脈寬方式調(diào)脈寬的方式有三種：定頻調(diào)寬、定寬調(diào)頻和調(diào)寬調(diào)頻。我們采用了定頻調(diào)寬方式，因?yàn)椴捎眠@種方式，電動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)比較穩(wěn)定，不會(huì)與單片機(jī)中的其他頻率產(chǎn)生沖突，并且在單片機(jī)產(chǎn)生 PWM 脈沖的軟件實(shí)現(xiàn)上也比較方便 [3]。(3) PWM 軟件實(shí)現(xiàn)方式方案一：采用軟件延時(shí)的方式，此方式的缺點(diǎn)是在引入中斷之后，將會(huì)有一定的誤差。方案二：采用定時(shí)器作為脈寬控制的定時(shí)方式，此方式產(chǎn)生的脈沖寬度極其精確，最大誤差只能達(dá)到幾個(gè)微秒，綜合考慮我們采用方案二 [4]。 鍵盤的方案分析與選擇鍵盤是單片機(jī)不可缺少的輸入設(shè)備和實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話的紐帶。常用的鍵盤有獨(dú)立式鍵盤和行列式鍵盤等。方案一：獨(dú)立式鍵盤獨(dú)立式鍵盤與單片機(jī)進(jìn)行接口時(shí)，鍵盤接口使用的 I/O 線和鍵盤的數(shù)量相等，其特點(diǎn)為其按鍵的數(shù)量比較少，且鍵盤中各按鍵工作時(shí)不會(huì)相互干擾。因此可以依據(jù)設(shè)計(jì)需要實(shí)現(xiàn)對(duì)按鍵的靈活編碼。這種形式的鍵盤結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且按鍵識(shí)別比較容易。獨(dú)立鍵盤的缺點(diǎn)是需要占用比較多的 I/O 口線，當(dāng)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)鍵盤中需要的按鍵比較少或 I/O 口線比較富余時(shí)，可以采用這種類型的鍵盤。方案二：行列式鍵盤行列式鍵盤是用 N 條 I/O 線作為行線，M 條 I/O 線作為列線組成的鍵盤，按鍵在行線和列線的每個(gè)交叉點(diǎn)上，按鍵中按鍵的個(gè)數(shù)是 M*N 個(gè)。這種形式的鍵盤7結(jié)構(gòu)，能夠有效的提高單片機(jī)系統(tǒng)中 I/O 的利用率，行列式鍵盤適用于按鍵輸入多的情況 [5]。本設(shè)計(jì)不僅要求對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行設(shè)定，而且要求實(shí)現(xiàn)電機(jī)的啟動(dòng)、停止、加速、轉(zhuǎn)速、正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)控制，勢(shì)必需要至少十個(gè)以上的按鍵，又根據(jù)以上的論述，故采用方案二，以提高單片機(jī)系統(tǒng)中 I/O 的利用率，從而節(jié)省了單片機(jī)系統(tǒng)中的 I/O 端口。 輸入輸出通道的分析由于選用了紅外光電耦合器進(jìn)行測(cè)速，微處理器采集的信號(hào)是脈沖信號(hào)，故無(wú)需經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換就可以輸入到單片機(jī)中。由于采用 PWM 控制直流電機(jī)的電樞電壓，單片機(jī)的輸出信號(hào)通過驅(qū)動(dòng)進(jìn)行放大后就是電機(jī)的電樞電壓，從而通過控制 PWM 波的占空比來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 驅(qū)動(dòng)模塊的分析與選擇本設(shè)計(jì)的核心部分就是對(duì)小型直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行可逆的 PWM 調(diào)速控制。要實(shí)現(xiàn)這些功能，基本上采用的是由四個(gè)開關(guān)管構(gòu)成的 H 型橋式驅(qū)動(dòng)電路。對(duì)于小功率直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)有 H 橋式驅(qū)動(dòng)和 L298 驅(qū)動(dòng)兩種方法，L298 驅(qū)動(dòng)芯片雖然簡(jiǎn)單，驅(qū)動(dòng)能力也較強(qiáng)，但由于其價(jià)格昂貴，且本設(shè)計(jì)中電機(jī)屬于小功率直流電機(jī)，H 橋式驅(qū)動(dòng)電路就足以驅(qū)動(dòng)，并且價(jià)格便宜，故而本設(shè)計(jì)采用 H 橋式驅(qū)動(dòng)作為小功率直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)模塊 [6]。 系統(tǒng)硬件組成及各模塊功能本調(diào)速系統(tǒng)主要是由：?jiǎn)纹瑱C(jī)、驅(qū)動(dòng)電路、直流電機(jī)、測(cè)速元件、接口電路、顯示器和輸入控制模塊等部分組成。硬件電路組成框圖如圖 所示：8ＳＴＣ ８９ Ｃ ５２單片機(jī)矩陣鍵盤輸入模塊ＬＣＤ顯示模塊ＰＷＭ 控制及驅(qū)動(dòng)電路模塊直流電機(jī)紅外測(cè)速模塊圖 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)硬件本調(diào)速系統(tǒng)各模塊的功能分析如下：中央控制模塊：這部分電路的核心部件是 STC89C52 單片機(jī)，它的功能總得來(lái)說(shuō)分為三個(gè)方面，一、通過內(nèi)部程序設(shè)定出初始 PWM 信號(hào)，輸送給Ｈ橋式驅(qū)動(dòng)從而控制電機(jī)運(yùn)行；二、接受來(lái)自鍵盤和紅外光電接收管的信號(hào)再加以分析和處理；三、對(duì)處理的結(jié)果進(jìn)行輸出，如控制七段數(shù)碼管的顯示和點(diǎn)亮發(fā)光二極管。輸入控制模塊：這一部分主要是利用帶中斷的矩陣鍵盤來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)的控制。由矩陣鍵盤十六個(gè)按鍵中的十個(gè)鍵實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速的分級(jí)設(shè)定（0 鍵按下設(shè)定轉(zhuǎn)速為 0,1 鍵按下設(shè)定轉(zhuǎn)速為 5,2 鍵按下設(shè)定轉(zhuǎn)速為 25,3 鍵按下設(shè)定轉(zhuǎn)速為40,4 鍵按下設(shè)定轉(zhuǎn)速為 60,5 鍵按下設(shè)定轉(zhuǎn)速為 80,6 鍵按下設(shè)定轉(zhuǎn)速為 100，7鍵按下設(shè)定轉(zhuǎn)速為 120,8 鍵按下設(shè)定轉(zhuǎn)速為 135,9 鍵按下設(shè)定轉(zhuǎn)速為 150。其中轉(zhuǎn)速單位為 r/min），另外六個(gè)按鍵分別實(shí)現(xiàn)電機(jī)的開始、停止、加速、減速、正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的六種控制。驅(qū)動(dòng)模塊：采用 H 橋式驅(qū)動(dòng)來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)及實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。驅(qū)動(dòng)接受來(lái)自 和 口的 PWM 波，然后用來(lái)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)。本設(shè)計(jì)中驅(qū)動(dòng)的是小功率直流電機(jī)，所以對(duì)驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)能力要求不是太高，一般的Ｈ橋式驅(qū)動(dòng)既能滿足要求。9測(cè)速模塊：采用紅外光電耦合器測(cè)速，發(fā)射管發(fā)射信號(hào)，接收管接受到信號(hào)時(shí)輸出脈沖。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，每轉(zhuǎn)半圈 OUT 端輸出一個(gè)上脈沖，然后用單片機(jī)在單位時(shí)間里面來(lái)采集上升源的個(gè)數(shù)，這樣就完成速度的采集。顯示模塊：本設(shè)計(jì)采用液晶顯示屏（LCD）作為本設(shè)計(jì)的顯示模塊。液晶顯示屏上顯示的內(nèi)容包括：電機(jī)的（正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)）、電機(jī)的設(shè)定轉(zhuǎn)速及電機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速。 本章小結(jié)本章主要介紹了直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的方案分析與選擇，應(yīng)用了適合于該系統(tǒng)的電機(jī)調(diào)速控制方案和總體設(shè)計(jì)方案；在器件的選擇方面也做了比較具體的說(shuō)明；最后又詳細(xì)介紹了各個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)的具體功能。在本章最后完成了基于單片機(jī) PWM直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的硬件組成框圖設(shè)計(jì)。10第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)本章將基于上一章為基礎(chǔ)對(duì)硬件系統(tǒng)各部分作進(jìn)一步的分析，并且對(duì)硬件各部分電路加以分析和呈現(xiàn)。下面將分別對(duì) CPU 主控制模塊、電源、PWM 波形產(chǎn)生部分、電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分、鍵盤輸入部分、測(cè)速部分及顯示部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。 CPU 主控制模塊本系統(tǒng)選用 STC89C52 單片機(jī)作為主控制器。主要功能包括三個(gè)方面：接受外界信號(hào)、處理接受信號(hào)和輸出控制信號(hào)。外界信號(hào)主要指來(lái)自獨(dú)立式鍵盤和紅外光電耦合器接收管的信號(hào)；處理接受信號(hào)就是對(duì)接受的信號(hào)進(jìn)行作用分析，并作出相應(yīng)處理；輸出信號(hào)包括輸出 PWM 波控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)和使數(shù)碼管顯示電機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速。STC89C52 單片機(jī)內(nèi)部資源很豐富，不需要擴(kuò)展芯片。在用 STC89C52 單片機(jī)設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí),首先要構(gòu)成一個(gè)最小系統(tǒng),單片機(jī)才能正常工作,即將單片機(jī)接上時(shí)鐘(晶振)電路和復(fù)位電路。下面介紹單片機(jī)的設(shè)計(jì)部分分析：（1）單片機(jī) STC89C52STC89C52 單片機(jī)是 MSC51 系列產(chǎn)品的升級(jí)版，有世界著名半導(dǎo)體公司ATMEL 在購(gòu)買 MSC51 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)后，利用自身優(yōu)勢(shì)技術(shù)——閃存生產(chǎn)技術(shù)對(duì)舊技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)和擴(kuò)展，同時(shí)使用新的半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝，最終得到成型產(chǎn)品。與此同時(shí)，世界上其他的著名公司也通過基本的 51 內(nèi)核，結(jié)合公司自身技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)生產(chǎn)，推廣一批如 51F020 等高性能單片機(jī) [7]。STC89C52 片內(nèi)集成 256 字節(jié)程序運(yùn)行空間、8K 字節(jié) Flash 存儲(chǔ)空間，支持最大 64K 外部存儲(chǔ)擴(kuò)展。根據(jù)不同的運(yùn)行速度和功耗的要求，時(shí)鐘頻率可以設(shè)置在 033M 之間。片內(nèi)資源有 4 組 I/O 控制端口、3 個(gè)定時(shí)器、8 個(gè)中斷、軟件設(shè)置低能耗模式和斷電保護(hù)。可以在 4V 到 寬電壓范圍內(nèi)正常工作。不斷發(fā)展的半導(dǎo)體工藝也讓該單片機(jī)的功耗不斷降低。同時(shí)，該單片機(jī)支持計(jì)算機(jī)并口下載，簡(jiǎn)單的數(shù)字芯片就可以制成下載線，僅僅幾塊錢的價(jià)格讓該型號(hào)單片機(jī)暢銷10 年不衰。根據(jù)不同場(chǎng)合的要求，這款單片機(jī)提供了多種封裝，本次設(shè)計(jì)根據(jù)最小系統(tǒng)有時(shí)需要更換單片機(jī)的具體情況，使用雙列直插 DIP40 的封裝。如圖 所示：11圖 DIP40 封裝 STC89C52 引腳圖（2）復(fù)位電路及時(shí)鐘電路復(fù)位電路和時(shí)鐘電路是維持單片機(jī)最小系統(tǒng)運(yùn)行的基本模塊。復(fù)位電路通常分為兩種：上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位。如圖 所示：RST單C1GNDV 3?WPB上電復(fù)位 手動(dòng)復(fù)位圖 復(fù)位電路圖有時(shí)系統(tǒng)在運(yùn)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(dòng)復(fù)位。所以本系統(tǒng)中選用手動(dòng)復(fù)位的方式。程序的運(yùn)行速度取決于時(shí)鐘的頻率，而且高頻率時(shí)鐘的應(yīng)用還可以實(shí)現(xiàn)更高的信號(hào)的采樣率。然而采用高時(shí)鐘的代價(jià)是功耗大，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)級(jí)運(yùn)行環(huán)境都比較高。本系統(tǒng)中單片機(jī)本身用于控制，不需要太高頻率的時(shí)鐘，所以選擇適當(dāng)頻率的時(shí)鐘，同時(shí)適當(dāng)頻率的晶振有利于選頻信號(hào)強(qiáng)度的準(zhǔn)確度。本系統(tǒng)選取 無(wú)源晶振接入 XTAL1 和 XTAL2 引腳，并聯(lián) 2 個(gè) 20pF 陶瓷電容幫助起振。最小系統(tǒng)如圖 所示：12圖 STC89C52 最小系統(tǒng) 電源電路由于整個(gè)系統(tǒng)都是用單片機(jī)、小型電機(jī)和各類芯片以及電阻、電容組成的，其工作電壓為+5V，不需要負(fù)電壓，所以可采用三端固定集成穩(wěn)壓器 LM2940 穩(wěn)壓芯片。LM2940 為輸出電壓固定的低壓差三端穩(wěn)壓器；其輸入電壓為 ，輸出電壓 5V，輸出電流為 1A。輸出電流為 1A 時(shí)，最小輸入輸出電壓差小于 ；最大輸入電壓為 26V，輸入電壓范圍比較大；工作溫度也比較大，可以在40 至+125 攝氏度范圍內(nèi)正常工作；內(nèi)含靜態(tài)電流降低電路、電流限制、過熱保護(hù)、電池反接和反插入保護(hù)電路。鑒于以上這些優(yōu)點(diǎn)和其適合于本設(shè)計(jì)的要求，故采用LM2940 作為整個(gè)系統(tǒng)的供電芯片。其中輸入電壓為直流 ，后接 1uF 和 22