基于单片机的pwm直流可逆调速系统设计-毕业论文

基于单片机的pwm直流可逆调速系统设计-毕业论文内容摘要：

通过单片机控制继电器的闭合来实现，但是驱动能力有限。 目前，受到器件容量的限制， PWM 直流调速系统只用于中、小功率的系统 [14] 测速发电机 测速发电机是一种测量转速的微型发电机，他把输入的机械转速变换为电压信号输出，并 要求输出的电压信号与转速成正比，分为直流与交流两种。 其绕组和磁路经过精确设计，输出电动势 E 和转速 n 成线性关系，即 E=kn，其中 k 是常数。 改变旋转方向时，输出电动势的极性即相应改变。 当被测机构与测速发电机同轴连接时，只要检测出输出电动势，即可以获得被测机构的转速，所以测速发电机又称速度传感器。 测速发电机广泛应用于各种速度或者位置控制系统，在自动控制系统中作为检测速度的元件，以调节电动机转速或者通过反馈来提高系统稳定性和精度。 数码管显示电路设计 （ 1）共阴数码管管脚说明与原理图 七段 LED 显示器 内部由七个条形发光二极管和一个小圆点发光二极管组成，根据各管的极管的接线形式，可分成共阴极型和共阳极型。 实训室实训扳上使用的是四位一体的共阴数码管 [15]。 LED 数码管的封装如图 6 所示。 XXXX 大学毕业设计（论文） — 11— 图 6 数码管的封装形式及内部结构 (2）数码管码值的推算 LED 数码管的 A—DP 七个发光二极管因以不同亮灭的组合就能形成不同的字形，这种组合称之为字形码，下面列出共阴极的字形码， ―数字 ‖是要数码管要显示的数字， ―字形码 ‖是单片机 P0 口要输出的十六进制数据。 例如数字―0‖和数字 ―7‖的字形码推算方法如图 7 所示： 图 7 数码管码值的推算方法 同理，按照上述的推倒方法和原则我们得出数字 0——9 的编码。 （ 3）数字的显示规律 ——查表法 由于显示的数字 0－ 9 的字形码没有规律可循，只能采用查表的方式来完成我们所需的要求了。 这样我们按着数字 0－ 9 的顺序，把每个数字的笔段代码按顺序排好，建立的表格如下所示： TABLE DB[]={3FH， 06H， 5BH， 4FH，66H， 6DH， 7DH， 07H， 7FH， 6FH}，当我们要显示一个数字，比如 ‗4‘的时候，我们就可以查表 TABLE DB[4]找到 66H，送 P0 口就可以了 [16]。 （ 4）数码管显示电路图 XXXX 大学毕业设计（论文） — 12— 图 8 数码管显示电路 设计中，用到了四位七段共阴数码管。 LED 是一类可直接将电能转化为可见光和辐射能的发光器件，具有工作电压低，耗电量小，发光效率高，发光响应时间极短，光色纯，结构牢固，抗冲击，耐振动，性能稳定可靠，重量轻，体积小，成本低等一系列特性。 数码管的显示电路连接分为串行接法和并行接法，使用串行接法可以节约I/O 口资源，并行接法会占用过多的 I/O 口，由于考虑到操作的熟练与实际的资源，本设计采用了后者并行接法。 L298N 驱动电路设计 L298 是 SGS 公司的产品， L298N 为 15 个管角的单块集成电路，高电压，高电流，四通道驱动，设计用 L298N 来接收 DTL 或者 TTL 逻辑电平，驱动感性负载 (比如继电器，直流和步进马达 )和开关电源晶体管。 内部包含 4 通道逻辑驱动电路，其额定工作电流为 1 A，最大可达 A， Vss 电压最小 V，最大可达 36 V； Vs 电压最大值也是 36 V。 L298N 可直接对电机进行控制，无须隔离电路，可以驱动电机 [17]。 XXXX 大学毕业设计（论文） — 13— IN 1IN 2EN AOUT 1 OUT 2 OUT 3 OUT 4IN 3IN 4EN B动力电源 图 9 L298N 内部电路 表 1 L298N 引脚符号及功能 引 脚 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 VSS 电机驱动电源，最小值需比输入的低电平电压高 GND 接地 表 2 L298N 的逻辑功能 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 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，半导体功率器件 (L298)在使用上可XXXX 大学毕业设计（论文） — 14— 以分为两种方式：线性放大驱动方式和开关驱动方式在线性放大驱动方式。 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。 开关驱动方式是使半导体功率器件工作在开关状态，通过脉调制（ PWM）来控制电动机的电压，从而实现电动机转速的控制 [18]。 图 10 L298 电机驱动电路 按键电路电路设计 本系统采用三个按键作为参数设置输入方式， K1 用于用于速度等级手动往上加； K2 用于速度等级手动往下减； K3 用于控制电机的正传和反转； K4用于速度重置。 按键电路的工作原理： I/O 口默认状态为高电平，当有按键按下是会将 I/O口电平拉低，及按下为低电平，不按为高电平。 单片机就 是通过检测高低电平变化来实现控制的。 电路图如下所示。 XXXX 大学毕业设计（论文） — 15— P 1 . 0P 1 . 1P 1 . 2P 1 . 380 C 51VCCK 1K 4K 3K 2 图 11 键盘电路原理图 图 12 键盘与单片机连接电路 XXXX 大学毕业设计（论文） — 16— 4 系统的软件设计 系统的设计包括两个方面：其一是硬件的设计，其二是软件的设计。 在前面，我们已经讨论了硬件电路的设计。 接下来，我们将讨论系统的软件设计实现。 对一个系统而言，没有硬件的支持，如同纸上谈兵，意义荡然无存；然而如果没有软件，硬件的应用范围也将受到极大的限制。 软件的设计在大多数系统中有着相当重要的意义。 如果没有软件的设计，就必须为每 一项具体功能的实现开发相应的硬件。 如若这样，将带来人力和财力的巨大浪费，且硬件的开发是一项及其复杂的过程，除非具有专业才能，否则无法达到。 所以通常我们采用通用的可编程器件。 利用软件设计，实现所需的功能。 软件语言对单片机而言最常用的有汇编语言和 C 语言： 在设计中，采用的可编程器件是单片机 STC89C52，使用的程序设计语言是汇编语言。 在余下的篇幅中，将主要讨论系统中软件的汇编语言实现。 在本系统中，软件的设计包括几个个方面：按键检测、数码管显示、电机驱动子程序。 系统的整体程序流程图 开 始系 统 初 始 化显 示 初 始 化键 处 理 子 程 序是 否 有 键 按 下调 用 按 键 子 程 序无 键 按 下有 键 按 下定 时 中 断 为 1定 时 中 断 为 0外 中 断 为 0发 送 数 据 至 处 理 器测 量 计 算 转 速发 送 测 量 值 到 处 理器系 统 时 间 计 时处 理中 断 返 回中 断 处 理 图 13 主程序流程图 XXXX 大学毕业设计（论文） — 17— 数码管 LED 显示程序设计 要让数码管显示数字需要软件的控制，则要求二进制代码来实现数码管发光段的控制。 TAB： DB 0C0H， 090H， 0A4H， 0B0H， 99H， 92H， 82H， 0F8H，80H， 90H 数码管显示利用的是动态扫描：动态扫描是利用人眼的视觉暂留原理，只要扫描频率不小于 24Hz，人眼就感觉不到显示器的闪烁。 本系统 24Hz的扫描脉冲由相应的外围电路提供。 动态扫描电路设计的关键在于位选信号要与显示的数据在时序上一一对应，因此电 路中必须提供同步脉冲信号 [19]。 图 14 数码管与单片机连接原理图 图 15 数码管与单片机连接电路图 XXXX 大学毕业设计（论文） — 18— 电机控制子程序 电机控制子程序是一个循环程序，其主要思路是，先设定好速度初始值，利用初始值与调速系统送来的值，然后用 PI 算法输出控制系数给 PWM 发生电路改变波形的占空比，进而控制电机的转速。 其程序流程图如图所示。 软件由 1 个主程序、 1 个中断子程序和 1 个 PI 控制算法子程序组成。 主程序是一个循环程序，其主要思路是由单片机 P1 口生数据送到 PWM 信号发生电路，然后用 PI 算法输出控制系数给 PWM 发生 电路改变波形的占空比进而控制电机的转速 [20]。 开 始系 统 初 始 化读 取 键 值正 转减 速停 机 程 序P W M 启 动 调 制 P 1 口数 值 增 加P W M 启 动 调 制 P 1 口数 值 减 小是停 机否否 减 速否加 速是加 速是按 键 是 否 按 下否反 转否是是是否是否是 图 16 PWM 脉宽调制流程图 XXXX 大学毕业设计（论文） — 19— 5 系统调试 常见的故障分析 单片机应用系统的硬件调试和软件调试是分不开的．许多硬件故障只有通过软、硬件联调才能发现 ,但一般是先排除系统中比较明显的硬件故障后才和软件一起联调。 (1)逻辑错误 样机硬件的逻辑错误是由于设计错误和加工过程中的工艺错误而造成的 ,包括错线、开路、短路、相位错误、时序错误等 ,其中最常见的是短路故障。 (2)元器件错误 元器件错 误的原因有器件损坏或性能不符合要求 ,电解电容、二极管的极性接反或集成块装反等。 (3)可靠性差 应用系统可靠性差的原因很多 ,如金属化孔、接插件接触不良、内部和外部的干扰、电压纹波系数过大、器件负载过重等均会造成系统的可靠性差。 另外 ,走线和布置的不合理也会造成系统可靠性差。 (4)电源故障 电源故障包括：电压值不符合设计要求、电源功率不足、负载能力差、纹波太重等。 系统调试注意事项 在加电前 ,先用万用表等工具 ,按图纸仔细核对样机线路是否正确 ,并对元器件的安装、型号、规格等进行仔细检查 ,特别注意 印制板加工和焊接时有无走线之间相互短路等。 在程序编写的过程中，需要认真对待每一个环节，包括键盘扫描处理、PWM 信号发生电路的控制、以及单片机控制直流电机的转动方向等问题，一点点调试，最后可以实现 正反转。 结论 — 20— 结论 PWM 技术是直流电机调速中最为有效的方法。 本文在硬件上采用了基于PWM 技术的 H 型桥式驱动电路，解决了电机驱动的效率问题，在软件上也采用较为合理的系统结构及算法，提高了单片机的使用效率，且具有一定的防飞能力。 本文所述的直流电机调速系统是以低价位的单片微机 STC89C52 为核心的，而 通过单片机来实现电机调整又有多种途径，相对于其他用硬件或者硬件与软件相结合的方法实现对电机进行调整，采用 PWM 软件方法来实现的调速过程具有更大的灵活性和更低的成本，它能够充分发挥单片机的效能，对于简易速度控制系统的实现提供了一种有效的途径。 参考文献 — 21— 参考文献 [1]胡健 .单片机原理及接口技术 [J].北京 :机械工业出版社， 2020 [2]李广弟 .单片机基础 [M].北京 :航空航天大学出版社， 1994 [3]王法能 .单片机原理及应用 [J].北京 :科学出版社， 2020 [4]Vizimuller, P.: ‗RF design guidesystems, circuits, and equations‘ (ArtechHouse, Boston, MA, 1995) [5]谢自美 .电子线路设计 实验 测试 (第二版 )[M].武汉 :华中科技大学出版社， 2020 [6]蔡美琴，张为民等 .MCS51 系列单片机系统及其应用设计 [M].北京 :高等教育出版社， 2020 [7]李朝青 .单片机原理及接口技术（修订版） [M].北京：北京航空航天大学出版社， 1998. [8]AT89C51 DATA SHEEP Philips Semiconductors [9]胡汉才 . 单片机原理及其接口技术 [M].清华大学出版社， 2020 年 5 月第一版 . [10]何立民 . 单片机高级教程 [M].北京航空航天大学出版社， 2020 年 5 月第一版 . [11]陈汝全 . 电子技术常用器件应用手册 [M].第二版，机械工业出版社，2020。