基于單片機控制的直流電機調速系統(tǒng)(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 源，并且根據(jù)需要改變一個周期內“接通”和“斷開”時間的長短。通過改變直流電機電樞上電壓的“占空比”來達到改變平均電壓大小的目的，從而來控制電動機的轉速。也正因為如此，PWM又被稱為“開關驅動裝置”。如圖25所示： 圖25 PWM方波設電機始終接通電源時，電機轉速最大為Vmax，設占空比為D= t1 / T，則電機的平均速度為Va = Vmax * D，其中Va指的是電機的平均速度；Vmax 是指電機在全通電時的最大速度；D = t1 / T是指占空比。由上面的公式可見，當我們改變占空比D = t1 / T時，就可以得到不同的電機平均速度Vd，從而達到調速的目的。嚴格來說，平均速度Vd 與占空比D并非嚴格的線性關系，但是在一般的應用中，我們可以將其近似地看成是線性關系。3 系統(tǒng)總體設計 系統(tǒng)功能分析 本文設計的直流PWM調速系統(tǒng)采用的是調壓調速。系統(tǒng)主電路采用大功率GTR為開關器件、H橋單極式電路為功率放大電路的結構。PWM調制部分是在單片機開發(fā)平臺之上，運用匯編語言編程控制。由定時器來產生寬度可調的矩形波。通過調節(jié)波形的寬度來控制H電路中的GTR通斷時間，以達到調節(jié)電機速度的目的。增加了系統(tǒng)的靈活性和精確性，使整個PWM脈沖的產生過程得到了大大的簡化。本設計以AT89S52單片機為核心，以鍵盤作為輸入達到控制直流電機的啟停、速度和方向，在LED上顯示轉速，并實現(xiàn)與上位機及其他手持設備通信，完成了基本要求和發(fā)揮部分的要求。在設計中，采用了PWM技術對電機進行控制，通過對占空比的計算達到精確調速的目的。 系統(tǒng)組成框圖 圖31 系統(tǒng)組成框圖 鍵盤向單片機輸入相應控制指令，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制。電動機的運轉狀態(tài)通過LED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LED顯示出“0000”。 電動機選擇 微型電機選用深圳馬至達RF37015370。——，輸入電壓為12V。空載轉速為5600r/min,。最佳負載點轉速為4810r/min,。 單片機選擇 AT89S52是美國ATMEL公司生產的低電壓，高性能CMOS 8位單片機，片內含4K bytes的可反復擦寫的只讀程序存儲器（PEROM）和128bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（ROM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準MCS51指令系統(tǒng)，片內置通用8位中央處理器（CPU）和Flash存儲單元。功能強大AT89S52單片機可提供許多高性價比的應用場合，可靈活應用于各種控制領域。此設計就采用AT89S52[12]。下面是單片機AT89S52的簡介:（1） AT89S52單片機的基本組成 AT89S52單片機由CPU和8個部件組成，它們都通過片內單一總線連接，其基本結構依然是通用CPU加上外圍芯片的結構模式，但在功能單元的控制上采用了特殊功能寄存器的集中控制方法。其基本組成如下圖所示： 圖32 AT89S52單片機內部結構圖（2） CPU及8個部件的作用功能介紹如下中央處理器CPU：它是單片機的核心，完成運算和控制功能。內部數(shù)據(jù)存儲器：AT89S52芯片中共有256個RAM單元，能作為存儲器使用的只是前128個單元，其地址為00H—7FH。通常說的內部數(shù)據(jù)存儲器就是指這前128個單元，簡稱內部RAM。特殊功能寄存器：是用來對片內各部件進行管理、控制、監(jiān)視的控制寄存器和狀態(tài)寄存器，是一個特殊功能的RAM區(qū)，位于內部RAM的高128個單元，其地址為80H—FFH。內部程序存儲器：AT89S52芯片內部共有8K個單元，用于存儲程序、原始數(shù)據(jù)或表格，簡稱內部ROM。并行I/O口：AT89S52芯片內部有4個8位的I/O口（P0，P1，P2，P3），以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行輸入輸出。 串行口：它是用來實現(xiàn)單片機和其他設備之間的串行數(shù)據(jù)傳送。 定時器：AT89S52片內有3個16位的定時/計數(shù)器，用來實現(xiàn)定時或者計數(shù)功能，并且以其定時或計數(shù)結果對計算機進行控制。 中斷控制系統(tǒng)：該芯片共有6個中斷源，即外部中斷2個，定時/計數(shù)中斷3個和串行中斷1個。 振蕩電路：它外接石英晶體和微調電容即可構成AT89S52單片機產生時鐘脈沖序列的時鐘電路。（3） AT89S52單片機引腳圖圖33 AT89S52單片機封裝圖4 硬件設計 單片機最小系統(tǒng)設計圖41 單片機最小系統(tǒng)電路最小系統(tǒng)電路是每個單片機系統(tǒng)所必須的電路部分，主要包括晶振電路和復位電路，如圖41所示。 測速方案選擇圖42 測速電路圖中J1是一個光電開關，用來檢測電機軸上圓盤轉動所發(fā)出的脈沖信號，采集信號后經(jīng)放大器放大傳給單片機的T1引腳，進行計算，進而經(jīng)過程序控制測出電機轉速。 驅動電路設計 采用PWM進行直流電機調速，其實就是把波形作用于電機驅動電路的使用端，因此有必要對電機驅動電路進行介紹。 圖43 電機驅動電路電路得名于“H橋式驅動電路”是因為它的形狀酷似字母H。4個三極管組成H的4條垂直腿，而電機就是H中的橫杠（上圖只是示意圖，而不是完整的電路圖）。電路中，H橋式電機驅動電路包括4個三極管和一個電機。要使電機運轉，必須導通對角線上的一對三極管。根據(jù)不同三極管對的導通情況，電流可能會從左至右或從右至左流過電機，從而控制電機的轉向。當三極管Q1和Q4導通時，電流將從左至右流過電機，從而驅動電機按特定方向轉動。 當三極管Q2和Q3導通時，電流將從右至左流過電機，從而驅動電機沿另一方向轉動。 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TLP5212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；PP11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)。 通信接口設計 單片機的串行口是非常有用的，通過它我們可以把單片機系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳回電腦處或者接受電腦傳過來的數(shù)據(jù)而進行相應的動作。微控制器有許多標準的通信方法,但在主/從嵌入 式系統(tǒng)中,最常用的是RS232串行接口、SPI和I2C。單片機有一個全雙工的串行通信口。 圖44 串行通信接口電路 本次畢業(yè)設計，采用的是RS232出行接口方式。電路中串行端口的本質功能是作為單片機和電腦端的通信，完成51單片機ISP程序下載的功能。當數(shù)據(jù)從單片機經(jīng)過串行端口發(fā)送出去時，字節(jié)數(shù)據(jù)轉換為串行的位。在接收數(shù)據(jù)時，串行的位被轉換為字節(jié)數(shù)據(jù)。在Windows環(huán)境（Windows NT、Win9Windows2000）下，串口是系統(tǒng)資源的一部分。應用程序要使用串口進行通信，必須在使用之前向操作系統(tǒng)提出資源申請要求（打開串口），通信完成后須釋放資源（關閉串口）。本次畢業(yè)設計串行通信接口，電路如圖44所示。 穩(wěn)壓電源電路電池放電時內阻穩(wěn)定的增大，電壓則穩(wěn)定的減小， 而且接上大功率的負載時電壓會瞬時降低，不能用于提供固定的電壓，對于各種IC芯片需要的穩(wěn)定電壓，需要專門的穩(wěn)壓器件，或者穩(wěn)壓電路， 基本的穩(wěn)壓器有兩種：線性（LDO）和開關（DCDC）， 其中前者只能降壓使用，而前者還可以升壓使用而且效率很高。控制芯片AT89S52的標準供電電壓是5V，可以選擇使用線性電壓調整芯片穩(wěn)壓，如： 7805：，內部過熱保護，內部短路電流限制，典型輸入電壓7～20V， ~，壓差（輸出與輸入的差）至少2V。 78L05（電流較小）：最大輸出電流100mA，內部過熱保護，典型輸入電壓7～20V， ~，靜態(tài)電流典型值3mA。 LM317（電壓可調）：，~37V，內部過熱保護等。 選用7805，一方面簡單；另一方面比較常用且比較便宜。LM78系列是美國國家半導體公司的固定輸出三端正穩(wěn)壓器集成電路。我國和世界各大集成電路生產商均有同類產品可供選用，是使用極為廣泛的一類串聯(lián)集成穩(wěn)壓器。內置過熱保護電路，無需外部器件，輸出晶體管安全范圍保護，內置短路電流限制電路。對于濾波電容的選擇，需要注意整流管的壓降。穩(wěn)壓電源由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路組成， (1) 整流和濾波電路：整流作用是將交流電壓變換成脈動電壓。濾波電路一般由電容組成，其作用是脈動電壓中的大部分紋波加以濾除，以得到較平滑的直流電壓。 (2) 穩(wěn)壓電路：由于得到的輸出電壓受負載、輸入電壓和溫度的影響不穩(wěn)定，為了得到更為穩(wěn)定電壓添加了穩(wěn)壓電路，從而得到穩(wěn)定的電壓。