基于單片機(jī)的pwm直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 選用，是使用極為廣泛的一類串聯(lián)集成穩(wěn)壓器。內(nèi)置過熱保護(hù)電路，無需外部器件，輸出晶體管安全范圍保護(hù)，內(nèi)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， ：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。：由于得到的輸出電壓受負(fù)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。三端集成穩(wěn)壓器LM7805正常工作時，輸入、輸出電壓差2～3V。C1為輸入穩(wěn)定電容，其作用是減小紋波、消振、抑制高頻和脈沖干擾，~。C2為輸出穩(wěn)定電容，其作用是改善負(fù)載的瞬態(tài)響應(yīng)，C2一般為1μF。使用三端穩(wěn)壓器時注意一定要加散熱器，否則是不能工作到額定電流。二極管IN4007用來卸掉C2上的儲存電能，防止反向擊穿LM7805。，因此輸入端必須界限流電阻R1，R1=(12*)/=58Ω，取近似值，選用70Ω的電阻。1. 此電源的缺點(diǎn) 此電源是線性穩(wěn)壓電路，所有有其特有的內(nèi)部功率損耗大，全部壓降均轉(zhuǎn)換為熱量損失了。 由于核心的元件7805的工作速度不太高，所以對于輸入電壓或者負(fù)載電流的急劇變化的響應(yīng)慢。2. 電源的優(yōu)點(diǎn) 電路簡單，穩(wěn)定，調(diào)試方便(幾乎不用調(diào)試)。 價格便宜，適合于對成本要求苛刻的產(chǎn)品。 電路中幾乎沒有產(chǎn)生高頻或者低頻輻射信號的元件，工作頻率低，易于控制。獨(dú)立式按鍵就是各按鍵相互獨(dú)立，每個按鍵各接入一根輸入線，一根輸入線上的按鍵工作狀態(tài)不會影響其他輸入線上的工作狀態(tài)。因此，通過檢測輸入線的電平狀態(tài)可以很容易判斷哪個按鍵按下了。獨(dú)立式按鍵電路配置靈活，軟件簡單。但每個按鍵需要占用一個輸入口線，在按鍵數(shù)量較多時，需要較多的輸入口線且電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故此種鍵盤適用于按鍵較少或操作速度較高的場合。消除鍵抖動。一般按鍵在按下的時候有抖動的問題，即鍵的簧片在按下時會有輕微的彈跳，需經(jīng)過一個短暫的時間才會可靠地接觸。若在簧片抖動時進(jìn)行掃描就可能得出不正確的結(jié)果。因此，在程序中要考慮防抖動的問題。最簡單的辦法是在檢測到有鍵按下時，等待（延遲）一段時間再進(jìn)行“行掃描”，延遲時間為10～20ms。這可通過調(diào)用子程序來解決，當(dāng)系統(tǒng)中有顯示子程序時，調(diào)用幾次顯示子程序也能同時達(dá)到消除抖動的目的。本文采用查詢工作方式，即直接在主程序中插入鍵盤檢測子程序，主程序每執(zhí)行一次則鍵盤檢測子程序被執(zhí)行一次，對鍵盤進(jìn)行檢測一次，如果把沒有鍵按下，則跳過鍵識別，直接執(zhí)行主程序；如果有鍵按下，則通過鍵盤掃描子程序識別按鍵，得到按鍵的編碼值，然后根據(jù)編碼值進(jìn)行相應(yīng)的處理，處理完后再回到主程序執(zhí)行。 電機(jī)PWM驅(qū)動模塊的電路本電路采用的是以大功率GTR為開關(guān)元件、H橋電路為功率放大電路所構(gòu)成的電路結(jié)構(gòu)。如圖2所示。圖中，四只GTR分為兩組，和為一組，和為另一組。同一組中的兩只GTR同時導(dǎo)通，同時關(guān)斷，且兩組晶體管之間可以是交替的導(dǎo)通和關(guān)斷。GTR是一種雙極性大功率高反壓晶體管，它大多用作功率開關(guān)使用，而且 GTR是一種具有自關(guān)斷能力的全控型電力半導(dǎo)體器件，這一特性可以使各類變流電路的控制更加方便和靈活，線路結(jié)構(gòu)大為簡化。在電動機(jī)驅(qū)動信號方面，我們采用了占空比可調(diào)的周期矩形信號控制。脈沖頻率對電動機(jī)轉(zhuǎn)速有影響，脈沖頻率高連續(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)，脈沖頻率在40Hz以上，電動機(jī)轉(zhuǎn)動平穩(wěn)，但加負(fù)載后，速度下降明顯，低速時甚至?xí)＾D(zhuǎn)；脈沖頻率在10Hz以下，電動機(jī)轉(zhuǎn)動有明顯跳動現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)證明，脈沖頻率在15Hz30Hz時效果最佳。而具體采用的頻率可根據(jù)個別電動機(jī)性能在此范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。通過對信號占空比的調(diào)整來對車速進(jìn)行調(diào)節(jié)。速度微調(diào)方面，可以通過對占空比跨度逐增或逐減分別實(shí)現(xiàn)對速度的逐加或逐減。利用孤立元件搭建的H橋電路一個缺點(diǎn)就是擊穿， 即Q1和Q2同時導(dǎo)通，或者Q3和Q4同時導(dǎo)通。選擇使用芯片可減少這一狀況。常用的電機(jī)H橋驅(qū)動芯片有：TA7291S、NJU7382 、L29L298。第4章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 單片機(jī)選擇20世紀(jì)80年代以來，單片機(jī)的發(fā)展非常迅速，就通用單片機(jī)而言，世界上一些著名的計(jì)算機(jī)廠家已投放市場的產(chǎn)品就有50多個系列，數(shù)百個品種。目前世界上較為著名的8位單片機(jī)的生產(chǎn)廠家和主要機(jī)型如下：美國Intel公司：MCS—51系列及其增強(qiáng)型系列美國Motorola公司：6801系列和6805系列美國Atmel公司：89C51等單片機(jī)美國Zilog公司：Z8系列及SUPER8美國Fairchild公司：F8系列和3870系列美國Rockwell公司：6500/1系列美國TI（德克薩司儀器儀表）公司：TMS7000系列NS（美國國家半導(dǎo)體）公司：NS8070系列 等等。盡管單片機(jī)的品種很多，但是在我國使用最多的還是Intel公司的MCS—51系列單片機(jī)和美國Atmel公司的89C51單片機(jī)MCS—51系列單片機(jī)包括三個基本型80380587518031內(nèi)部包括一個8位CPU、128個字節(jié)RAM，21個特殊功能寄存器（SFR）、4個8位并行I/O口、1個全雙工串行口、2個16位定時器/計(jì)數(shù)器，但片內(nèi)無程序存儲器，需外擴(kuò)EPROM芯片。比較麻煩，不予采用8051是在8031的基礎(chǔ)上，片內(nèi)集成有4K ROM，作為程序存儲器，是一個程序不超過4K字節(jié)的小系統(tǒng)。ROM內(nèi)的程序是公司制作芯片時，代為用戶燒制的，出廠的8051都是含有特殊用途的單片機(jī)。所以8051適合與應(yīng)用在程序已定，且批量大的單片機(jī)產(chǎn)品中。也不予采用。8751是在8031基礎(chǔ)上，增加了4K字節(jié)的EPROM，它構(gòu)成了一個程序小于4KB的小系統(tǒng)。用戶可以將程序固化在EPROM中，可以反復(fù)修改程序。但其價格相對8031較貴。8031外擴(kuò)一片4KB EPROM的就相當(dāng)與8751，它的最大優(yōu)點(diǎn)是價格低。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展，能裝入片內(nèi)的外圍接口電路也可以是大規(guī)模的。也不予采用。AT89C51是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含4K bytes的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器（PEROM）和128bytes的隨機(jī)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(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器（CPU）和Flash存儲單元。功能強(qiáng)大AT89C51單片機(jī)可提供許多高性價比的應(yīng)用場合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。此設(shè)計(jì)就采用AT89C51。在進(jìn)行單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時，除了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)外，大量的工作就是如何根據(jù)每個生產(chǎn)對象的實(shí)際需要設(shè)計(jì)應(yīng)用程序。因此，軟件設(shè)計(jì)在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中占重要地位。鍵盤向單片機(jī)輸入相應(yīng)控制指令，另一口輸出高電平，驅(qū)動H型橋式電動機(jī)控制電路，實(shí)現(xiàn)電動機(jī)轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速的控制。電動機(jī)所處速度級以速度檔級數(shù)表示。速度分10檔，快慢與電動機(jī)所處速度級快慢一一對應(yīng)。在程序中通過軟件產(chǎn)生PWM，送出預(yù)設(shè)占空比的PWM波形。PWM（脈沖寬度調(diào)制）是一系列周期固定、占空比可調(diào)的脈沖系列，由于每個脈沖的高電平時間和低電平時間之和必須等于周期數(shù)，所以輸出電平的維持時間必須由定時器來控制。設(shè)PWM周期為T，高電平時間為TH，低電平時間為TL，電壓為VCC，則輸出電壓的平均值為：UAV =VCC*TH/（TH+TL）=VCC*TH/T=aVCC，當(dāng)VCC固定時，其電壓值取決于PWM波形的占空比a，而PWM的占空比由單片機(jī)軟件內(nèi)部用于控制PWM輸出的寄存器值決定。通過對單片機(jī)定時器初始值的不同設(shè)置，來實(shí)現(xiàn)占空比PWM輸出控制。用定時器T0完成PWM輸出，周期60MS。定時器計(jì)數(shù)初值為8AD0H。計(jì)數(shù)初值X計(jì)算方法：(65536－X) =30000，轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制：X=35536＝8AD0H。軟件主要由3部分組成：主程序、鍵盤掃描程序、中斷處理程序。主程序流程如圖41所示。 主程序流程圖初始化后，除義初始數(shù)據(jù)外，將定時器T0設(shè)為工作方式1，F(xiàn)0作為電機(jī)轉(zhuǎn)向的標(biāo)志位，CT0，CT1作為速度檔位的標(biāo)志，應(yīng)用于后來的加速減速控制。HDIAN0與LDIAN0作為高電平延遲時間存儲單元，HDIAN1與LDIAN1作為低電平延遲時間存儲單元。定時中斷處理程序采用定時方式1，因?yàn)閱纹瑱C(jī)使用12M晶振。對定時器置初值8AD0H可定時60ms。當(dāng)60ms定時時間到，定時器溢出則響應(yīng)該定時中斷處理程序，完成對定時器的再次賦值。 PWM脈寬控制 一個脈沖周期可以由高電平持續(xù)時間系數(shù)DIAN0和低電平持續(xù)時間系數(shù)DIAN1組成，可得DIAN0+ DIAN1=65536，占空比為DIAN0/( DIAN0+ DIAN1)，因此要實(shí)現(xiàn)定頻調(diào)寬的調(diào)速方式，只需通過程序改變?nèi)肿兞緿IAN0，DIAN1的值。 PWM脈寬控制流程圖鍵盤中斷處理子程序采用中斷方式，按下鍵，響應(yīng)該中斷處理程序，完成延時去抖動、鍵碼識別、按鍵功能執(zhí)行。 鍵盤中斷處理流程圖調(diào)速檔、持續(xù)加/減速調(diào)速檔通過（010）共11檔固定占空比，即相應(yīng)檔位相應(yīng)改變DIAN0，DIAN1的值，以實(shí)現(xiàn)調(diào)速檔位的實(shí)現(xiàn)。軟件設(shè)計(jì)的特點(diǎn)對于電機(jī)的啟停，在PWM控制上使用漸變的脈寬調(diào)整，即開啟后由停止勻加速到默認(rèn)速度，停止則由于當(dāng)前速度逐漸降至零。這樣有利于保護(hù)電機(jī)，如電機(jī)運(yùn)用于小車上，在啟動上采用此方式也可加大啟動速度，防止打滑。對于運(yùn)行時間的計(jì)算、顯示。配合傳感器技術(shù)可用于計(jì)算距離，速度等重要的運(yùn)行數(shù)據(jù)。 鍵盤處理上采用中斷方式，不必使程序?qū)︽I盤反復(fù)掃描，提高了程序的效率。第5章 單片機(jī)系統(tǒng)綜合調(diào)試在工業(yè)自動控制系統(tǒng)和各種智能產(chǎn)品中常常會用用電動機(jī)進(jìn)行驅(qū)動、傳動和控制，而現(xiàn)代智能控制系統(tǒng)中，對電機(jī)的控制要求越來越精確和迅速，對環(huán)境的適應(yīng)要求越來越高。隨著科技的發(fā)展，通過對電機(jī)的改造，出現(xiàn)了一些針對各種應(yīng)用要求的電機(jī)，如伺服電