基于單片機的直流電機調速控制系統的設計(終稿)(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 之間的聯系方框圖如圖 24所示。 程 序 存 儲 器M C S 5 1 核特 殊 功 能寄 存 器并 行 和 串 行 接 口定 時 / 計 數 器中 斷 管 理監 視 定 時 器 等其 他 外 圍 器 件 圖 24 特殊功能寄存器（ SFR）工作框圖 Special function registers（ SFR） working diagram CPU通過向相應的特殊功能存儲器寫入數據實現控制對應的在片外圍器件的工作，從相應的特殊功能存儲器讀出數據實現讀取對 應的在片外圍器件的工作結果。 在 AT89S51 單片機中，包括前面提到的程序狀態字寄存器（ PSW）的特殊功能存儲器共有 26個，它們離散地分布在 80H～ FFH的內部數據存儲器地址空間范圍內。 對于沒有定義的存儲單元用戶不能使用。如果向這些存儲單元寫入數據將產生不確定的效果，從它們讀取數據將得到一個隨機數。 南京工業大學學士學位論文 9 對于字節地址低位為 8H或者 FH的特殊功能存儲器，既可以進行字節操作，也可以進行位操作。例如前面提到的用來確定當前工作寄存器組的程序狀態字寄存器（ PSW），它的地址為 D0H，因此對它可以進行字節操作，也可以進行 位操作。采用位操作可以直接控制程序狀態字寄存器中的第 3 位（ RS0）或第 4 位（ RS1）數據而不影響其他位的數據。低位地址不為 8H 或 FH 的特殊功能存儲器只可以進行字節操作，當需要修改這些特殊功能存儲器中的某些位時，對其他的位應注意保護。 片外數據存儲空間可以被映射為數據存儲器、擴展的輸入 /輸出接口、模擬/數字轉換器和數字 /模擬轉換器等。這些外圍器件統一編址。所有外圍器件的地址都占用數據存儲空間的地址資源，因此 CPU 與片外外圍器件進行數據交換時可以使用與訪問外部數據存儲器相同的指令。 CPU通過向相應的外部數據存儲器地址單元寫入數據實現控制對應的片外外圍器件的工作，從相應的外部數據存儲器地址單元讀出數據實現讀取對應的片外外圍器件的工作結果。 直流電機驅動芯片 L298 據任務書的要求，本設計的核心部分就是對小型直流電動機進行可逆的 PWM調速控制。要實現以上的功能，應用比較廣泛的是由四個開關管構成的 H 型橋式驅動電路。這種驅動電路可以很方便實現直流電機的四象限運行，分別對應正轉、正轉制動、反轉、反轉制動。其基本原理如圖 25所示。 我們可以根據需要對四個開關管進行控制，使其能實現可逆調速的功能。使全橋式驅動電路的 4 只開關管都工作在斬波狀態， V V4 為一組， V V3 為另一組，兩組的狀態互補，一組導通則另一組必須關斷。當 V V4 導通時，V V3 關斷，電機兩端加正向電壓，可以實現電機的正轉或反轉制動；當 VV3導通時， V V4 關斷電機兩端為反向電壓，電機反轉或正轉制動。 第二章 預備知識介紹 10 圖 25 H 橋型 PWM 降壓斬波器原理圖 The schematic diagram of Hbridge PWM antihypertensive chopper 上述的這種方法叫雙極性 PWM 控制方式，應用時要注意避免上下臂橋的同時導通，因為上下臂橋的同時導通會引起短路。應用 H 型橋式驅動電路可以很好的實現設計任務所要求的功能。但是為了簡化電路，在設計中使用集成有橋式電路的電機專用芯片。 本設計選用 L298作為電機的驅動芯片。 L298是一種較穩定可靠的集成有橋式電路的電機專用芯片。它由 ST 公司生產的內部集成有兩個橋式電路的電機驅動專用芯片，它驅動的電壓可達到 46V，單個橋直流電流可達到 2A。具有兩個使能控制端口，分別控制兩個電機的啟動和制動。它可以外接電阻，把變化量反 饋給控制電路。此外， L298 的兩個橋式電路還可以并聯起來驅動一個直流電動機，直流電流可達到 4A。 L298 的運行參數 南京工業大學學士學位論文 11 表 26 L298 的運行參數 operation parameters of L298 L298 的引腳功能 L298 芯片的引腳圖如下圖 26其引腳功能見表 27。 圖 26 L298 引腳圖 The pin figure of L298 表 27 L298 引腳功能表 第二章 預備知識介紹 12 Function table of L298 pins 顯示模塊 本系統使用四位共陽數碼管顯示直流電動機的轉速，為了節省 I/O 口，我們使用 74LS47 來把四位的 BCD 碼轉換成七段 LED顯示，所以在單片機中輸出轉速的數值要用 BCD表示，會詳細在下一章的軟件部分講到。下面給出 LED與單片機的接口電路圖，如圖 28。 圖 28 LED 與單片機接口的硬件圖 Hardware chart of LED connecting MCU 由上圖可以看到，單片機 、 、 BCD碼的輸出口，分別與 74LS47 的 A、 B、 C 和 D 引腳相接。單片機的 、 、 和 分別作為四位 LED 的由低位到高位的選通腳。設計中我采用了通過控制三極管來選通 LED 的方法。所使用的三極管是 9014，該三極管是 NPN 管，當給它一個高電平時就導通，給它低電平時截止。由于 LED 正常的工作電壓為 左右，如果直接給 LED 選通端接 5V電壓， LED 可能會燒毀，所以先接兩個壓降為 的普通二極管進行降壓后再送到三極管的集電極。 這樣做可以保證 LED 能正常地工作。南京工業大學學士學位論文 13 第 三 章 系統設計方案 本設計是基于 AT89S51 單片機的直流電機 PWM 調速系統 ，其基本原理為：由單片機 AT89S51接受鍵盤的信號并通過計算占空比產生出對應的 PWM信號輸出和控制信號輸出， 脈寬調制 (PWM)信號經過功率放大后 驅動電機 ,本調速控制系統采用的是 L298 驅動芯片。 L298 有單極性、雙極性 2 種工作方式。單極性工作方式指的是在一個 PWM 周期內 ,電機的電樞只承受單極性的電壓 。雙極性工作方式是指在一個 PWM 周期內電機電樞兩端的電壓呈正負變化。調速控制系統采用的是單極性工作方式。 所以這兩種輸出信號 其中一路 控制 L298 的使能和方向，一路PWM 波形送 L298 控制直流電機的速度。 如圖 31： 圖 31 調速系統結構簡圖 Structure diagram of speed control system 單片機的 PWM 輸出接 L298 的 使能端 ,它控制著電機轉速大小 。單片機的 端口 經過 一定的邏輯電路接到 L298 的 四個輸入端 控制電機的轉動方向。比較器LM393 主要起到了限制過流和保護 L298 的作用。 LM393 的同相端直接連到了一個可變電位計上 ,電位計的參考電壓是可調的。調節電位計的參考電壓能調節L298 的限流電壓。 本調速控制系統對 L298 的兩路驅動進行了并聯使用 來 增強L298 的驅動能力 。 在直流電機中安裝霍爾開關傳感器，把速度信號傳送到 AT89S51， AT89S51進行定時計數，計算出直流電機每秒鐘的轉速，并用四位 BCD 碼輸出，由于 本系第三章 系統設計方案 14 統使用四位共陽數碼管顯示直流電動機的轉速，為了節省 I/O 口，我 使用 74LS47來把四位的 BCD 碼轉換成七段 LED 顯示 后 送 LED 顯示。 整個系統的電源由外接雙路穩壓電源（ +5V 、 +12V）提供。 南京工業大學學士學位論文 15 第 四 章 硬件系統的設計 直流電源部分 本設計中控制部分的邏輯元件需要 +5V的直流電源，而小型直流電動機的額定電壓為 12V。這樣我們就需要兩個直流電源。為解決這個問題，我們采用雙路輸出的直流穩壓電源。直流穩壓電源又分成線性直流穩壓電源和開關型直流穩壓電源，因為線性直流穩壓電源電路成熟，穩定度高，文波小，干擾小而且有很多成熟是集成元件可選擇，電路十分簡單 [4]。 所 以在本設計中應用雙路輸出的直流穩壓電源，如下圖 42。 圖 42 雙路輸出的直流穩壓電源 Alignment AUTOMATION stabilized voltage supply of double channel output 由上圖可見，這個雙路輸出的線形直流穩壓電源結構 十分簡單，只用了一個 220V 變 12V 的變壓器，一個整流橋，兩塊穩壓集成電路（ 7812 和 7805）和四個電容。圖中 C4是一個大容量的電解電容，起到低頻濾波的作用。由于 C4本身的電解比大，對高頻交流成分的濾波效果比較差，所以為了改善濾波電路的高頻抑制特性，在 C4旁邊并聯一個高頻濾波性能良好的小電容 C5。而直流穩壓電路輸出端的電容 C6 和 C7是用作改善穩壓電源電路的瞬態負載響應特性。 第四章 硬件系統的設計 16 PWM 波形發生原理 PWM 波形的產生是由 AT89S51 用軟件編程實現的，所以這部分的硬件比較少，主要是保證 AT89S51正常 工作的最少模式就可以了。至于 AT89S51正常工作的最少模式跟 AT89C51 基本上是一樣的，這里就不再詳述了。 AT89S51 的 引腳用作 PWM 波的輸出口。 電機驅動電路 在第二章的方案選擇中我們已經確定直流電動機的驅動部分選用集成芯片L298 及其外圍電路構成。其電路圖如下圖 43。 圖 43 L298 及其外圍硬件電路圖 Peripheral hardware circuit of L298 單片機 AT89S51 輸出的脈寬調制 (PWM)信號需經過功率放大才能驅動電機 ,本調速控制系統采用的是 L298驅動芯片。 L298有單極性、雙極性 2種工作方式。單極性工作方式指的是在一個 PWM 周期內 ,電機的電樞只承受單極性的電壓 。雙極性工作方式是指在一個 PWM 周期內電機電樞兩端的電壓呈正負變化。調速控制系統采用的是單極性工作方式。單片機的 PWM輸出引腳 L298的 EnA和EnB 引腳 ,它控制著電機轉速大小 。單片機的 經過一定的邏輯電路接到 L298的 IN1,IN2,IN3,IN4 輸入引腳上 ,它控制電機的 轉動方向。比較器 LM393 主要起到了限制過流和保護 L298 的作用。 LM393 的同相端直接連到了一個可變電位計南京工業大學學士學位論文 17 上 ,電位計的參考電壓是可調的。調節電位計的參考電壓能調節 L298 的限流電壓。 LM393 的反相端接到 L298 的 SENSEA 和 SENSEB 兩檢測端。當檢測電阻兩端的電壓大于限流電壓時 ,比較器的反相端的電壓大于同相端的電壓 ,輸出端輸出低電平 ,從而把 L298 的 EnA和 EnB 使能端拉低 ,L298 停止工作。這就起到了限制過流和保護 L298的作用。為了增強 L298的驅動能力 ,本調速控制系統對 L298的兩路驅動進行了 并聯使用 ,最大驅動能力可以達到 3A。現在我們可以通過 L298的內部結構圖，分析 L298 實現的功能。見下圖 34。 44 L298 的內部結構圖 internal structure images of L298 L298 的控制時序圖 P W MD IR E C T IO NIN 1 和 IN 3IN 2 和 IN 4VA1 和 V B 1VA3 和 V B 3 圖 45 L298 內部三極管根據輸入信號變化的時序圖 第四章 硬件系統的設計 18 Sequence diagram by changing of the signal input of the transistor material inside in L298 在時序圖中我們可以見到 PWM 波形的占空比由 40%到 80%到 60%的變化。在ENABLE輸入為 PWM波的情況下，當 DIRECTION輸入為高電平時，可以見到 1AV 與1BV 一直導通，其