pwm控制的直流电动机调速系统的设计_毕业论文(编辑修改稿)

pwm控制的直流电动机调速系统的设计_毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

控制系统的主要功能包括：实现对直流电机的加速、减速以及电机的正转、反转和急停，能够很方便 的实现电机的智能控制。 主体电路：即直流电机 PWM 控制模块。 这部分电路主要由 AT89C51 单片机的 I/O 端口、定时计数器、外部中断扩展等控制直流电机的加速、减速以及电机的正转和反转，能够很方便的实现电机的智能控制。 其间是通过 AT89C51 单片机产生脉宽可调的脉冲信号并输入到 L298 驱动芯片来控制直流电机工作的。 该直流电机 PWM 控制系统主要由以下电路模块组成： 设计输入部分：这一模块主要是利用带中断的独立式键盘来实现对直流电机的加速、减速以及电机的正转、反转和急停控制，以及对 PWM 占空比和转速的实时显示。 设 计控制部分：主要由 AT89C51 单片机的外部中断扩展电路组成。 直流电机 PWM 控制实现部分主要由一些二极管、电机和 L298 直流电机驱动模块组成。 设计显示部分： LED 数码管显示部分，实现对 PWM 脉宽调制占空比的实时显示。 总体设计规划 设计任务 基于 MCS51 系列单片机 AT89C51，设计单片机控制的直流电动机 PWM 调速控制装置，实现对电机的正转、反转、急停、加速、减速的控制，以及 PWM 的占空比在 LED 上的实时显示。 设计要求 （ 1）在系统中扩展直流电动机控制驱动电路 L298，驱动 直流测速电动机。 （ 2）使用定时器产生可控的 PWM 波，通过按键改变 PWM 占空比，控制直流电动机的转速。 （ 3） 设计一个 4 个按键的键盘。 K1：“启动 /停止”。 K2：“正转 /反转”。 K3：“加速”。 K4：“减速”。 （ 4）手动控制。 在键盘上设置两个按键 直流电动机加速和直流电动机减速键。 在手动状态下，每按一次键，电动机的转速按照约定的速率改变。 （ 5）测量并在 LED 显示器上显示电动机转速（ rpm）。 中国地质大学长城学院 2020 届毕业设计 第 8 页 共 33 页 系统框架设计 方案说明：直流电机 PWM 调速系统以 AT89C51 单片机为控制核心，由命令输入模 块、LED 显示模块及电机驱动模块组成。 采用带中断的独立式键盘作为命令的输入，单片机在程序控制下，定时不断给 L298 直流电机驱动芯片发送 PWM 波形，完成电机正反转、加减速和急停控制； 同时单片机不停的将 PWM 脉宽调制占空比送到 LED 数码管完成实时显示 ，直流电机 PWM 调速方案如图 4 所示： 图 4 直流电机 PWM 调速方案 中国地质大学长城学院 2020 届毕业设计 第 9 页 共 33 页 4 系统硬件设计 系统基本组成 硬件模块组成 （ 1）单片机控制模块 （ 2）最小系统电路 （ 3） L298 电机驱动模块 （ 4） LED 显示模块及转速显示模块 （ 5）独立键盘控制模块 单片机整个控制模块 单片机整个控制模块如图 5 所示： 图 5 单片机整体控制模块 单片机 AT89C51 简介 AT89C51 单片机由 CPU 和 8 个部件组成，它们都通过片内单一总线连接，其基本结构依然是通用 CPU 加上外围芯片的结构模式，但在功能单元的控制上采用了特殊功能寄存中国地质大学长城学院 2020 届毕业设计 第 10 页 共 33 页 器的集中控制方法。 基本组成如图 6 所示： 图 6 AT89C51 基本结构图 单片机 AT89C51 与 MCS51 兼容，由中央处理器，存储器， 32 位可编程 I/O 口线，两个 16 位定时器 /计数器，一个全双工串行口和 5 个中断源构成。 4K 字节可编程闪 烁存储器寿命为 1000 写 /擦循环，通常数据保留时间为 10 年。 全静态工作频率范围 0Hz24Hz，三级程序存储器锁定，采用可编程串行通道，含有片内振荡器和时钟电路，此外，拥有低功耗的闲置和掉电模式为使用提供了方便 [11]。 中央处理器 CPU： 8 位 CPU 是单片机的核心，完成运算和控制功能。 内部数据存储器： AT89C51 芯片中共有 256 个 RAM 单元，能作为存储器使用的只是前 128 个单元，其地址为 00H— 7FH。 通常说的内部数据存储器就是指这前 128 个单元，简称内部 RAM。 内部程序存储器： AT89C51 芯片内部 共有 4K 个单元，用于存储程序、原始数据或表格，简称内部 ROM。 定时器： AT89C51 片内有 2 个 16 位的定时器，用来实现定时或者计数功能，并且以其定时或计数结果对计算机进行控制。 中断控制系统：该芯片共有 5 个中断源，即外部中断 2 个，定时 /计数中断 2 个和串行中断 1 个。 AT89C51 单片机引脚结构如图 7 所示： 图 7 8051 单片机引脚图 中国地质大学长城学院 2020 届毕业设计 第 11 页 共 33 页 复位电路及时钟电路 复位电路和时钟电路是维持单片机最小系统运行的基本模块，是每个单片机系统所必须的电路部分。 如图 8 所示： 图 8 单片机最小系统 有时系统 在运行过程中出现程序跑飞得情况，在程序开发过程中，经常需要手动复位，所以本次设计选用手动复位。 为确保微机系统中 电路 稳定可靠工作，复位电路是必不可少的一部分，复位电路的第一功能是上电复位。 一般微机电路正常工作需要供电电源为 5V177。 5%，即 ～。 由于微机电路是时序数字电路，它需要稳定的时钟信号，因此在电源上电时，只有当 VCC 超过 低于 以及晶体振荡器稳定工作时，复位信号才被撤除 ，微机电路开始正常工作 [12]。 高频率的时钟有利于程序的更快运行，也有可以实现更高的信号采样率，从而实现更多的功能。 但是对系统要求较高，而且功耗大，运行环境苛刻。 考虑到单片机本身用在控制，并非高速信号采样处理，所以选取适合的频率即可。 适合频率的晶振介入 XTAL1 和XTAL2 引脚，并联 2 个 30pF 陶瓷电容帮助起振。 L298 电机驱动模块 L298 是 SGS 公司的产品，比较常见的是 15 脚 Multiwatt 封装的 L298N，内部同样包含 4 通道逻辑驱动电路。 可以方便的驱动两个直流电机，或一个两相步进电机。 L298N 芯片可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个四相电机，输出电压最高可达 50V，可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接用单片机的 IO 口提供信号；而且电路简单，使用比中国地质大学长城学院 2020 届毕业设计 第 12 页 共 33 页 较方便 [13]。 L298N 的内部电路结构图如图 9 所示： 图 9 L298N 内部电路结构图 感性负载。 1 脚和 15 脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻，形成电流传感信号。 L298 可驱动 2 个电动机， OUT1， OUT2 和 OUT3， OUT4 之间可分别接电动机，本实验装置我们选用驱动一台电动机，利用按键 K2 控制电机的正反转， K1 按键控制电机的停 转， K K4 分别控制直流电机的加减速。 当使能端为高电平时，输入端 IN1 为 PWM 信号， IN2 为低电平信号时，电机正转；输入端 IN1 为低电平信号， IN2 为 PWM 信号时，电机反转； IN1 与 IN2 相同时，电机快速停止。 当使能端为低电平时，电动机停止转动。 在对直流电动机电压的控制和驱动中， L298 在使用上可以分为两种方式：线性放大驱动方式和开关驱动方式。 线性放大驱动方式是半导体功率器件工作在线性区，优点是控制原理简单，输出波动小，线性好，对邻近电路干扰小，缺点为功率器件工作在线性区，功率低和散热问题严重 [14]。 开关驱动方式是使半导体功率器件工作在开关状态，通过脉宽调制来控制电动机的电压，从而实现电动机转速的控制， L298 逻辑功能如表 1： 表 1 L298 功能逻辑图 IN1 IN2 ENA 电机状态 X X 0 停止 1 0 1 顺时针 0 1 1 逆时针 0 0 0 停止 1 1 0 停止 在直流电动机的驱动中对大功率的电动机常采用 IGBT 作为主开关元件 ,对中小功率的电机常采用功率场效应管作为主开关元件。 另外还可以采用集成电路来完成对电机的驱I N 1I N 2E N AO U T 1O U T 2O U T 3O U T 4I N 3I N 4E N B6 V 动 力 电 源中国地质大学长城学院 2020 届毕业设计 第 13 页 共 33 页 动，系统采用集成电路 L298 来驱动电机， L298 引脚接线图 如图 10 所示： 图 10 L298 引脚接线图 L298 是双 H 高电压大电流功率集成电路。 直接采用 L 逻辑电平控制，可以驱动继电器、直流电动机、步进电动机等电感性负载。 其内部有两个完全相同的功率放大回路 [15]。 其内部结构和引脚功能如图 22 所示。 L298 引脚符号及功能： SENSA、 SENSB：分别为两个 H 桥的电流反馈脚，不用时可以直接接地 ENA、 ENB：使能端，输入 PWM 信号 IN IN IN IN4：输入端， TTL 逻辑电平信号 OUT OUT OUT OUT4：输出端，与对应输入端同逻辑 VCC：逻辑控制电源， ~7V GND：地 VSS：电机驱动电源，最小值需比输入的低电平电压高 LED 数码管显示 LED 简介 LED（ Light Emitting Diode），发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。 LED 的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。 半导体晶片由两部分组成，一部分是 P 型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是 N 型半导体，在这边主要是电子。 但这两种半导体连接起 来的时候，它们之间就形成一个“ PN 结”。 中国地质大学长城学院 2020 届毕业设计 第 14 页 共 33 页 当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向 P 区，在 P 区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是 LED 发光的原理。 而光的波长也就是光的颜色，是由形成 PN 结的材料决定的。 除半导体激光器外，当电流激励时能发射光学辐射的半导体二极管。 严格地讲，术语 LED 应该仅应用于发射可见光的二极管；发射近红外辐射的二极管叫红外发光二极管（ IRED,Infrared Emitting Diode）；发射峰值波长在可见光短波限附近，由部份紫外辐射的二极管称为紫外发光 二极管；但是习惯上把上述三种半导体二极管统称为发光二极管。 LED 数码管和单片机的连接 LED 数码管接线如图 11 所示： 图 11 LED 数码管接线 电路的接法决定了必须采用逐位扫描显示方式。 即从段选口送出某位 LED 的字型码，然后选通该位 LED，并保持一段延时时间。 然后选通下一位，直到所有位扫描完，完成对PWM 的占空比在 LED 上的实时显示。 独立键盘控制模块 独立式按键就是各按键相互独立，每个按键各接入一根输入线，一根输入线上的按键工作状态不会影响其他输入线上的工作状态。 因此，通过检测输入线 的电平状态可以很容易判断哪个按键按下了。 独立式按键电路配置灵活，软件简单。 但每个按键需要占用一个输入口线，在按键数量较多时，需要较多的输入口线且电路结构复杂，故此种键盘适用于按键较少或操作速度较高的场合。 消除键抖动。 一般按键在按下的时候有抖动的问题，即键的簧片在按下时会有轻微的弹跳，需经过一个短暂的时间才会可靠地接触。 若在簧片抖动时进行扫描就可能得出不正中国地质大学长城学院 2020 届毕业设计 第 15 页 共 33 页 确的结果。 因此，在程序中要考虑防抖动的问题。 最简单的办法是在检测到有键按下时，等待（延迟）一段时间再进行“行扫描”，延迟时间为 10～ 20ms。 这可通过调用 子程序来解决，当系统中有显示子程序时，调用几次显示子程序也能同时达到消除抖动的目的。 按键控制模块如图 12 所示： 图 12 按键控制模块中国地质大学长城学院 2020 届毕业设计 第 16 页 共 33 页 5 系统的软件设计 系统软件设计分析 在进行单片机控制系统设计时，除了系统硬件设计外，大量的工作就是如何根据每个生产对象的实际需要设计应用程序。 因此，软件设计在控制系统设计中占重要地位。 在程序中通过软件产生 PWM，送出预设占空比的 PWM 波形。 PWM（脉冲宽度调制）是一系列周期固定、占空比可调的脉冲系列，由于每个脉冲的高电平时间和低电平时间之和必须等于周期数，所以输出电平的维持时间必须由定时器来控制。 设。