基于單片機的直流電機控制系統的設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 頻率在 15Hz30Hz 時效果最佳。而具體采用的頻率可根據個別電動機性能在此范圍內調節。通過 輸入高電平信號 輸入低電平與 。通過對信號占空比的調整來對直流電機進行調節。 8 調速控制模塊 方案選擇 方案一：采用電阻網絡或數字電位器調整電動機的分壓，從而達到調速的目的。但是電阻網絡只能實現有級調速，而數字電阻的元器件價格比較昂貴。更主要的問題在于一般電動機的電阻很小，但電流很大；分壓不僅會降低效率，而且實現很困難。 方案二：采用繼電器對電動機的開或關進行控制，通過開關的切換對小車的速度進行調整。這個方案的優點是電路較為簡單，缺點是繼電器的響應時間慢、機械結構易損壞、壽命較短、可靠性不高。 方案三：采用 驅動芯片 L298N 驅動直流電機， L298N 具有驅動能力強，外圍電路簡 單等優點，因此我們采用方案三。 PWM 調速工作方式 方案一：雙極性工作制。雙極性工作制是在一個脈沖周期內，單片機兩控制口各輸出一個控制信號，兩信號高低電平相反，兩信號的高電平時差決定電動機的轉向和轉速。 方案二：單極性工作制。單極性工作制是單片機控制口一端置低電平，另一端輸出 PWM 信號，兩口的輸出切換和對 PWM的占空比調節決定電動機的轉向和轉速。 由于單極性工作制電壓波開中的交流成分比雙極性工作制的小，其電流的最大波動也比雙極性工作制的小，所以我們采用了單極性工作制。 PWM 調脈寬方 式 調脈寬的方式有三種：定頻調寬、定寬調頻和調寬調頻。我們采用了定頻調寬方式，因為采用這種方式，電動機在運轉時比較穩定；并且在采用單片機產生 PWM 脈沖的軟件實現上比較方便。 9 PWM 軟件實現方式 方案 一 ：采用軟件延時方式，在引入中斷 之 后，將有一定的誤差。 方案 二 ：采用定時器作為脈寬控制的定時方式，這一方式產生的脈沖寬度極其精確，誤差只在幾個 us，綜合考慮我們采用方案二 [67]。 系統分析與 硬件設計 鍵盤向單片機輸入相應控制指令，由單片機通過 與 其中一口輸出與轉速相應的 PWM 脈 沖，另一口輸出低電平，經過信號放大、驅動電動機控制電路，實現電動機轉向與轉速的控制 ， 電動機正轉，反轉， 加速 ， 減速 、 急停 。 總體設計方案的硬件部分詳細框圖如圖 21所示： A T 8 9S 5 2輸 入 模 塊顯 示 模 塊驅 動 模 塊 直 流 電 機電 源 模 塊圖 21 系統硬件框圖 單片機最小系統的設計 單片機最小系統 ： 所謂最小系統就是指由單片機和一些基本的外圍電路所組成的一個可以工作的單片機系統。一般來說，它包括單片機，晶振電路和復位電路。 設計部分分析： 單片機 AT89S52 AT89S52 8位單片機是 MSC51174。系列產品的升級版，有世界著名半導體公司 10 ATMEL 在購買 MSC51174。設計結構后，利用自身優勢技術 —— （掉電不丟數據）閃存生產技術對舊技術進行改進和擴展，同時使用新的半導體生產工藝，最終得到成型產品。與此同時，世界上其他的著名公司也通過基本的 51 內核，結合公司自身技術進行改進生產，推廣一批如 51F020 等高性能單片機。 AT89S52 片內集成 256 字節程序運行空間、 8K 字節 Flash 存儲空間，支持最大 64K 外部存儲擴展。根據不同的運行速度和功耗的要求，時鐘頻率可以設置在033M 之間。片內資源有 4 組 I/O 控制端口、 3 個定時器、 8 個中斷、軟件設置低能耗模式、看門狗和斷電保護?？梢栽?4V到 寬電壓范圍內正常工作。不斷發展的半導體工藝也讓該單片機的功耗不斷降低。同時，該單片機支持計算機并口下載，簡單的數字芯片就可以制成下載線，僅僅幾塊錢的價格讓該型號單片機暢銷 10 年不衰。根據不同場合的要求，這款單片機提供了多種封裝，本次設計根據最小系統有時需要更換單片機的具體情況，使用雙列直插 DIP40的封裝。 圖 22 DIP40封裝 89S52引腳圖 復位電路及時鐘電路 復位電路和時鐘電路是維持單片機最小 系統運行的基本模塊。復位電路通常分為兩種：上電復位和手動復位。 11 RST單片機C1R1GNDVCC RST單片機C2R2GNDVCCR3S?SWPB 上電復位 手動復位 有時系統在運行過程中出現程序跑飛的情況，在程序開發過程中，經常需要手動復位。所以本次設計選用手動復位。 高頻率的時鐘有利于程序更快的運行，也有可以實現更高的信號采樣率，從而實現更多的功能。但是告訴對系統要求較高，而且功耗大，運行環境苛刻?？紤]到單片機本身用在控制，并非高速信號采樣處理，所以選取合適的頻率即可。合適頻率的晶振對于 選頻信號強度準確度都有好處，本次設計選取 無源晶振接入 XTAL1 和 XTAL2引腳。并聯 2個 30pF 陶瓷電容幫助起振。 最小系統如圖： 12 圖 23 最小系統 電源電路設計 直流穩壓電源的基本原理：直流穩壓電源一般有電源變壓器 T、整流濾波電路及穩壓電路所組成，基本框圖如下。 圖 24 直流電源原理 各部分作用： (1)電源變壓器 T的作用是將 220V的交流電壓變換成整流濾波電路所需要的交流電壓 Ui。變壓器副邊與原邊的功率比為 P2/P1=n，式中 n是變壓器的效率。 (2)整流電路：整 流電路將交流電壓 Ui變換成脈動的直流電壓。再經濾波電路濾除較大的波紋成分，輸出波紋較小的直流電壓 U1。常用的整流濾波電路有全波整流濾波、橋式整流濾波等。 圖 25 整流電路 （ 3）濾波電路：各濾波電路 C滿足 RLC=（ 3~5） T/2，式中 T為輸入交流信號周期， RL為整流濾波電路的等效負載電阻。 13 圖 26 濾波電路 (4)穩壓電路 :常用的穩壓電路有兩種形式：一是穩壓管穩壓電路，二是串聯型穩壓電路。二者的工作原理有所不同。穩壓管穩壓電路其工作原理是利用穩壓管兩端的電壓稍有變化，會引起其電流有較大變 化這一特點，通過調節與穩壓管串聯的限流電阻上的壓降來達到穩定輸出電壓的目的。它一般適用于負載電流變化較小的場合。串聯型穩壓電路是利用電壓串聯負反饋的原理來調節輸出電壓的。集成穩壓電源事實上是串聯穩壓電源的集成化。常用穩壓電路歸納如下表： 電路名稱 典型電路 輸出電壓及有關參數 特點與用途 穩壓管穩定電壓 ? ?? ?0003~23~UUIIUUimZmZ??? 電路簡單，適用于輸出電壓恒定，負載電流變化小的場合，常用作基準電源 可調穩壓電源 Zf URRU ???????? ?? 10 1 電路引入電壓串聯負反饋，使輸出電壓更穩定且可調， 可獲得負電源 14 串聯型穩 壓電路 ZURRU RR ???????? ???? ,23 210 1， ZUR RRU ???????? ??? 3 21m ax0 1 ZURR RU ???????? ??? 23 1m in0 1 電路較復雜，輸出電壓可調，輸出電流較大，應用范圍廣 集成穩壓 電源 ??78 系列為正電源 ??79 系列為負電源 輸出電壓固定，為 5V，9V， 12V， 15V， 18V 等，可根據需要選用 電路簡單，輸出電壓固定 直流電機驅動電路設計 由于單片機 P3 口輸出的電壓最高才有 5V，難以直接驅動直流電機。所以我們需要使用 恒壓恒流橋式 2A 驅動芯片 L298N 來驅動電機。 L298N 可接受標準 TTL邏輯電平信號 VSS， VSS可接 ～ 7V電壓。 4腳 VS接電源電壓， VS電 壓范圍 VIH為＋ ～ 46V。輸出電流可達 ，可驅動電感性負載。 1腳和 15 腳下管的發射極分別單獨引出以便接入電流采樣電阻，形成電流傳感信號。 L298 可驅動 2個電動機， OUT1， OUT2 和 OUT3， OUT4 之間可分別接電動機，本實驗裝置我們選用驅動一臺電動機。 5， 7， 10， 12 腳接輸入控制電平，控制電機的正反轉。 EnA，EnB接控制使能端，控制電機的停轉。 同時需要加四個二極管在電機的兩端，防止電機反轉的時候產生強大的沖擊電流燒壞電機 [89]。具體驅動電路如下圖 27： 15 圖 27 驅動電路 顯示模塊設計 本次設計顯示模塊采用的是 SM410564 四位共陽數碼管顯示，因為單片機的輸出端口輸出的電流小，點亮數碼管的能力不大，所以需要采用三極管放大輸出電流，此次三極管采用的是 C9013，具體放大電路如圖示： 16 圖 28 放大電路 鍵盤電路設計 正轉、反轉、急停、加速、減速五個開關分別與單片機的 ， ， ， 相連，然后再與地相連。急停實現直流電機的停轉，正轉實現直流電機的正轉，反轉實現直流電機的 反轉，加速實現直流電機的加速，減速實現直流電機的減速，其電路如圖： 17 圖 29 按鍵電路 元件選擇與參數計算 （ 1）整流電路參數 輸出電壓平均值： Uo(AV)= U322 2? 輸出電流平均值： IO(AV)=LLAVO RURU 2)( ? 平均整流電流： ID(AV)=LLAVOAVO RURUI 2)()( ?? 最大反向電壓： URM= 22U 整流二極管的選擇（考慮電網 %10? ）：????? ?? LFRR UI UU 22 （ 2）濾波電路參數 18 濾波電容選擇： RLC=(3～ 5) 一般選幾十至幾千微法的電解電容，耐壓 U （ 3）實際計算過程 7812 正常工作，必須保證輸入與輸出之間維持大于 2V 的壓降，因此7812 輸入端直流電壓必須保證 14V 以上。 7812 輸入端的電流是對 變壓器副邊輸出電壓 U（ t） 整流、濾波后得到的。假設整流電路內阻為 0，負載電流為 0， 7812輸入端有最大電壓 U=， Uef 是 U（ t） 有效值。由于濾波電容不可能無限大，所以 U＜ ，根據經驗可知 U=，可知 Uef=，考慮到整流橋經過兩個二極管約有 的壓降，得變壓器可取 15V。 ：變壓器選擇雙 15V 變壓，考慮到電流不需要太大，最大電流為 1A，實際選擇變壓器輸出功率為 10W，可以很好的滿足要求。 ：考慮到電路中會出現沖擊電流，整流橋的額定電流是工作電流的2~3 倍。選取 RS301（ 100V， 3A）即可，實際購買過程中選擇了 RS307（ 700V，3A）也符合設計要求。 ：考慮到對紋波電壓要求比較高，故選擇了 2200μ F 耐壓值為25V 以及 100μ F耐壓值 50v 的電解電容。 ：去耦電容的選擇是 7812 及 7805 芯片要求的，查手冊可知分別為 F、用來濾除高頻分量防止產生自激。 ，故在輸出端加入 2200μ F、耐壓值為 25V的電解電容。 。 至此，所有元件的參數都已經確定。 （ 4） 12v、 5v 電源電路 19 圖 210 12v直流電源電路圖 圖 211 5v直流電源電路圖 20 系統整體硬件電路圖如圖 2