基于51单片机的pwm直流电机调速装置设计(编辑修改稿)

基于51单片机的pwm直流电机调速装置设计(编辑修改稿)内容摘要：

考虑到电网电压的波动范围为 10%，实际选用二极管时，应至少有 10%的量。 最大整流电流： 电气工程学院 2020 年“萌芽计划”科创训练计划报告 9 最高反向工作电压： ② 对滤波电路 电容滤波电路是利用电容的充放电作用，使输出电压趋于平滑。 当副边电压 u2 处于正半周期并且数值大于电容两端电压 uc 时，对电容 C 进行充电；当 u2 达到峰值后开始下降是，电容 C 通过负载 RL 放电；当 u2 的负半周幅值变化到恰好大于 uc 时，再次对 C 进行充电。 （电流方向如图 7 所示） 滤波电路的输出电压曲线如图 8 所示 , 滤波电解电容 C 的选择原则是：取其放电时间常数 RLC 大于充电周期的 3～ 5 倍，其耐压值必须大于脉动电压峰值。 对于桥式整流电路来说，脉动电压峰值为 2U2， C 的充电周期等于交流电源周期 T 的一半，即 C≥ (3~5) T2RL，式中 RL 为整流后的等效负载电阻。 通过可以看出，经滤波后的输出电压不仅变得平滑，而且平均值也得到提高。 电机 驱动模块 设计 功能介绍 L298N 是 SGSTHOMSON Microelectro nics 所出产的全桥步进电机专用驱动芯片 ,内部包含四信道逻辑驱动电路，是一种二相和四相步进电机的专用驱动器，接受标准的 TTL 逻辑准位信号，可驱动 46V、 2A 以下的步进电机。 该芯片具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。 可以直接通过电源来调节输出电压；此芯片可以直接用单片机的 I/O 口提供模拟时序信号，电路简单，使用方便。 L298N的引脚如图 31 所示，外形图如 32 所示，输入输出端如图 33 所示。 Pin1 和Pin15 可与电流侦测电阻连接来控制负载的电路； OUT OUT和 OUTOUT4 之间分别接两个电机； input1input4 输入控制电位来控制电机正反转 ；Enable 则控制电机停转 6。 电气工程学院 2020 年“萌芽计划”科创训练计划报告 10 图 321 L298N 引脚图 图 322 外形图 L298 的输入输出关系如下表所示： 表 31 L298N 输入输出关系 ENA IN1 IN2 电动机运行状态 H H L 正转 电气工程学院 2020 年“萌芽计划”科创训练计划报告 11 H L H 反转 H H H 急停 L X X 停止 数据来源： 2020 年 《潍 坊学院学 报 [ J ] . L298N 在直流电机 PWM 调 速 系 统 中 的应用 》 根据 L298N 的输入输出关系 ,使能控制端 ENA 接 AT89C51 的 口 ,并连接示波器显示占空比 ,单片机 IO 口 和 分别接入 L298N 输入端 IN1和 IN2， 可以控制电动机的正反转 (输入端 IN1 为 PWM 信号 ,输入端 IN2 为低电平 ,电动机正转。 输入端 IN2 为 PWM 信号 ,输入端 IN1 为低电平 ,电动机反转 )。 电动机的转速由单片机调节 PWM 信号的占空比来实现。 电路设计 L298N 电机驱动模块电路设计如下图： 图 323 L298N 电机驱动模块原理图 电气工程学院 2020 年“萌芽计划”科创训练计划报告 12 彩屏显示模块设计 功能介绍 TFT（ Thin Film Transistor）即薄膜场效应晶体管，属于液晶 显示器 中的一种 ，也就是“真彩” (TFT)。 能显示复杂的图象，画面的层次也更加丰富。 TFT的特点是亮度好、对比度高、层次感强、颜色鲜艳。 TFT 液晶技术加快手机彩屏的发展。 彩屏手机中基本上 26 万到 130 万显示，有的甚至支持 1600 万色，这时 TFT 的高对比度，色彩丰富的优势就非常重要了。 实物图如下图所示： 图 331 TFT 正面 图 332 TFT 反面 电路设计 图 333 TFT 彩屏显示电路 电气工程学院 2020 年“萌芽计划”科创训练计划报告 13 电路参数的计算及元器件的选择 ① 上拉电阻 51 单片机的 P0 口驱动显示模块上拉电阻通常用 10k,电阻太小将使系统功耗增加，电阻太大将使系统的抗干扰能力减弱。 1k 的上拉电阻，输出电平 0时需要灌入约 5mA 的电流（电源 5V 的情况下）。 当系统的上拉电路用的比较多时，这是一个不可不重视的问题。 ② 电位器 上图 R9 为 TFT 彩屏对比度调节电位器，通常采用 5K~10K 即可。 单片机最小系统模块设计 功能介 绍 单片机的最小系统是由组成单片机系统必需的一些元件构成的，除了单片机之外，还需要包括电源供电电路、时钟电路、复位电路。 单片机最小系统电路如图下图所示。 电气工程学院 2020 年“萌芽计划”科创训练计划报告 14 电路设计 图 341 单片机最小系统原理图 电路参数的计算及元器件的选择 ① 上电复位： STC89 系列单片及为高电平复位，通常在复位引脚 RST 上连接一个电容到 VCC，再连接一个电阻到 GND，由此形成一个 RC 充放电回路保证单片机在上电时 RST 脚上有足够时间的高电平进行复位，随后回归到低电平进入正常工作状态，这个电阻和电容的典 型值为 10K 和 10uF。 ② 振荡电路： STC89C51 使用 的晶体振荡器作为振荡源，由于单片机内部带有振荡电路，所以外部只要连接一个晶振和两个电容即可，电容容量一般在 15pF 至 50pF 之间。 电气工程学院 2020 年“萌芽计划”科创训练计划报告 15 DS18B20 温度传感器模块设计 功能介绍 DS18B20 是常用的温度传感器，具有体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，精度高的特点。 测量温度范围为 55176。 C~+125176。 C，在 10~+85176。 C 范围内 ,精度为177。 176。 C。 DS1822 的精度较差为177。 2176。 C。 DS18B20 引脚定义： (1)DQ 为数字信号输入 /输出端； (2)GND 为电源地； (3)VDD 为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。 图 351 引脚图 图 352 DS18B20 实物图 电气工程学院 2020 年“萌芽计划”科创训练计划报告 16 电路设计 DS18B20 的 DQ 引脚连接到刀片机的 I/O 端口。 红外收发模块设计 功能介绍 红外接收是指使用红外接收头接收红外线发射管所发出的红外线，波长在7501150NM。 红外接收头结构： 红 外接收头内部有两个重要元件，分别是 IC 和 PD。 IC是接收头的处理元件，主要由硅晶和电路组成，是一个高度集成的器件、主要功能有滤波、整形、解码、放大等功能。 PD 是光敏二极管，主要功能是接收光信号。 结构如下图： 图 361 红外接收头内部结构 电气工程学院 2020 年“萌芽计划”科创训练计划报告 17 接收头工作原理： 标准的接收头应用电路， 100 欧的电阻是限流电阻， 10 以上的上拉电阻，电容的作用是滤波。 载波频率 ，脉冲宽度 600us 左右，根据芯片而定，一般 400600800. 接收波长：接收头接收红外光曲线，接收的范围是 7501150，在 940NM的左右的波长段是接收效果最好的，因此遥控器的发射管波长是 940nm。 电路设计 图 362 红外接收头的 OUT 引脚连接到单片机的 I/O 口。 软件设计是把许多事物和问题抽象起来，并且抽象它们不同的层次和角度。 建议用数学语言来抽象事务和问题，因为数学是最好的抽象语言，并且它的本质就是抽象。 在进行微机控制系统设计时，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，软件设计在微机控制系统设计中 占重要地位。 对于本系统，软件更为重要。 在单片机控制系统中，大体上可分为数据处理、过程控制两个基本类型。 数据处理包括：数据的采集、数字滤波、标度变换等。 过程控制程序主要是使单片机按一定的方法进行计算，然后再输出，以便控制生产。 为了完成上述 电气工程学院 2020 年“萌芽计划”科创训练计划报告 18 任务，在进行软件设计时，通常把整个过程分成若干个部分，每一部分叫做一个模块。 所谓“模块”，实质上就是所完成一定功能，相对独立的程序段，这种程序设计方法叫模块程序设计法。 模块程序设计法将复杂的问题分解成可以管理的片断会更容易。 将问题或事物分解并模块化这使得解决问 题变得容易，分解的越细模块数量也就越多，它的副作用就是使得设计者考虑更多的模块之间耦合度的情况。 模块程序设计法的主要优点是： ① 单个模块比起一个完整的程序易编写及调试； ② 模块可以共存，一个模块可以被多个任务在不同条件下调用； ③ 模块程序允许设计者分割任务和利用已有程序，为设计者提供方便。 总体软件框图 电气工程学院 2020 年“萌芽计划”科创训练计划报告 19 图 411 主程序流程图 主程序 用 C 语言编写程序以达到各项功能，具体程序在附录的程序清单。 5 系统调试与测试 硬件测试 测试仪器与方法 ① 测试仪器 测试仪器包括数 字万用表、直流稳压电源、示波器等。 ② 测试方法 数字万用表主要用来测试分立元件的电阻、压降、漏电流、截止 /导通状态等参数；测量模块板是否可行。 软件 KEIL4 用于调试软件； 直流稳压电源在测试期间为各待测系统供电； 示波器用来检测显示单片机发出的 PWM 波； 电机运行调试； 掌握电机运行速度与软件设定值的关系，与软件算法协调调试，使静态误差最小。 电气工程学院 2020 年“萌芽计划”科创训练计划报告 20 软件调试 本程序较大且复杂，因此采用 C 语言编写，通过 keil 软件的不断修改，采用自下而上的调试方法，先调试功能电路，再调试整个系统。 在调 试的过程中与硬件的调试相结合，提高了调试的效率。 软硬件联合调试 当软件和硬件的基本功能分别调试后，进行软硬件联合调试及优化。 软件仿真 本次所用仿真软件为题目推荐的 Proteus 软件，仿真原理图如下图所示： 图 541 仿真原理图 本系统采用简单的按键操作，实现电机的加速、减速、制动、反转功能。 本系统各按键的功能如下 电气工程学院 2020 年“萌芽计划”科创训练计划报告 21 ① 加速键用于电机加速，每按一次电机转速增加转速。 ② 减速键用于电机减速，每按一次电机转速减小转速。 ③ 制动 键用于电机制动，停止电机旋转。 ④ 反转键用于电机反转，每按一次电机反转。 让电机启动正转，达到 200r/min，所需时间大致在 左右，如图所示。 图 542 加速正转 按一次减速键，电机转速减小 10r/min，到达 190r/min，如图所示。 图 543 减速 按一次反转按键，电机反转，到达 190r/min，如图所示。 电气工程学院 2020 年“萌芽计划”科创训练计划报告 22 图 544 反转 按一次制动键，电机制动，转速较大时，电机可以快速制动到接近零，之后缓慢减速，如图所示。 图 545 制动 经过仿真调试，发现系 统可以实现基本的调速功能，并且可以较快速地启动，系统具有较好的稳定性，误差范围在可允许范围。 6 系统功能、指标参数 系统实现功能 ① 系统具有独立供电系统。 ② 通过键盘设定 PWM 波的占空比达到电机调速的目的。 ③ 系统具有液晶显示功能，可以显示个人信息、温度、电机转速等相关信息，并切字体颜色随温度的变化而变化。 ④ 在系统中加入温度传感器，电机可根据外界温度的不同而实现自动调速功能。 ⑤ 在系统中加入红外传感器，电机可通过红外遥控器实现远距离调速功能。 ⑥ 将可调速的电机模拟运用到实际中去，模拟一个日常生活中的可。