基于单片机的直流电机pwm控制系统

基于单片机的直流电机pwm控制系统内容摘要：

PCAD） 等知名 EDA 公司设计文件，以便用户顺利过渡到新的 EDA 平台。 Protel99 SE 共分 5 个模块，分别是原理图设计、 PCB 设计（包含信号完整性分析）、自动布线器、原理图混合信号仿真、 PLD设计。 基于单 片机的直流电机 PWM 控制系统硬件设计包括 6 个部分 ， 分别是：液晶显示电路、键盘控制电路、时钟电路、复位电路、霍尔测速电路和驱动电路。 设计本着简单明了，成本低廉，实用性强的原则。 首先， 系统的主控芯片采用的是 MCS51 系列单片机 ， 这是已经在工业 ，民用业 现场应用十分广泛的单片机型号了，目前已经发展了很多增强功能，本设计采用的是 STC89C52RC 单片机。 其次，驱动电路，采用的是 H 型桥接电路这种设计能够满足直流电机的正反转，实验中采用 5V 的直流电机。 还有 ，显示部分 采用液晶显示器 1602LCD 进行显示。 设计 主要能 及时 准确生动的的进行 数 据的显示， 以便于 直观的看到 电机的转速 变化 、正反方向以及占空比等 情况。 最后， 添加了蜂鸣器电路，与 PWM 波同频率，以便直观的观察占空比的变化。 时钟 电路的设计 MCS51 系列单片机 HMOS 器件内含有一个高增益的反相放大器，通过 XTALXTAL2 外接作为反馈元件的晶体后，构成自激振荡器。 接法如图 所示。 沈阳理工大学应用 技术学院 学士学位 论文 8 图 单片机 的时钟电路原理图 振荡器的振荡频率主要取决于晶体；电容对振荡频率有微调作用，通常在 30pF 左右。 电容的安装位置应尽量靠近单片机芯片。 复位 电路 的设计 单片机在启动运行时都需要复位，以便 CPU 和系统中的其他部件都处于某一确定的初始状态，并从该状态开始工作。 MCS51 系列单片机的复位（ RST）引脚上只要出现了 10ms 以上的高电平，单片机就实现复位。 复位的功能是把程序计数器 PC 值初始化为 0000H，使单片机从 0000H 单元开始执行程序。 除此之外，复位操作还对一些特殊功能寄存器的值有影响。 MCS51 系列单片机系统常常有上电复位和操作复位两种方法。 上电复位是指单片机上电瞬间，要在 RST 引脚上出现宽度大于 10ms 的正脉冲，才能使单片机进入复位状态。 操作 复位是指用户按下 “ 复位 ” 按钮使单片机进入复位状态 [4]。 本系统中这两种复位电路（如图 ）都体现出来了。 图 单片机 的复位电路原理图 沈阳理工大学应用 技术学院 学士学位 论文 9 上电时， +5V 电源立即对单片机芯片供电，同时经 R 对电容 C 充电。 C 上电建立的过程就是负脉冲的宽度，经过倒相后， RST 上出现正脉冲使单片机实现上电复位。 当按钮 S0 按下时， RST 上同样出现高电平 ， 实现复位。 液晶显示器电路的设计 液晶显示元件的选择 LCD 液晶显示器，英文名字是 Liquid Crystal Display，缩写为 LCD。 它的主要 原理是以电流刺激液晶分子产生点、线、面配合背部灯管构成画面。 LCD 的构造是在两片平行的玻璃当中放置液态的晶体，两片玻璃中间有许多垂直和水平的细小电线，透过通电与否来控制杆状水晶分子改变方向，将光线折射出来产生画面。 液晶显示器 （ LCD） 是平板显示器的一种，具有低电压、微功耗、无辐射、小体积等特点，被广泛应用于各种嵌入式产品中。 嵌入式系统开发中常用的液晶显示器有 12864 液晶和 LCD1602， 带中文字库的12864 液晶 是一种 具有 4 位 /8 位并行、 2 线或 3 线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库 的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨 率为 12864, 内置 8192个 16*16 点汉字，和 128 个 16*8 点 ASCII 字符集。 利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。 可以显示 84 行 1616 点阵的汉字。 也可完成图形显示。 LCD1602 显示模块只能实现 ASCII 字符显示，但是 低电压低功耗。 由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。 所以考虑到淋浴房温度控制显示系统不需要 太多的显示内容，从经济实惠的角度考虑。 本设计选用 LCD1602。 液晶显示元件 1602 字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式 LCD，目前常用 16*1， 16*2， 20*2 和 40*2 行等的模块，本设计使用的是长沙太阳人电子有限公司的1602 字符型液晶显示器。 一般 1602 字符型液晶显示器实物如图 所示。 沈阳理工大学应用 技术学院 学士学位 论文 10 图 LCD1602 实物图 （一） LCD1602 主要技术参数： 显示容量 为 162 个字符；芯片工作电压 是 —；工作电流 为 （ ）；模块最 佳工作电压 是 ；字符尺寸 为 （ WH） mm。 （ 二 ） 引脚功能说明 1602LCD 采用标准的 14 脚（无背光）或 16 脚（带背光）接口，各引脚接口说明如表。 表 1602LCD 引脚接口说明表 编号 符号 引脚说明 编号 符号 引脚说明 1 VSS 电源地 9 D2 数据 2 VDD 电源正极 10 D3 数据 3 VL 液晶显示偏压 11 D4 数据 4 RS 数据 /命令选择 12 D5 数据 5 R/W 读 /写选择 13 D6 数据 6 E 使能信号 14 D7 数 据 7 D0 数据 15 BLA 背光源正极 8 D1 数据 16 BLK 背光源负极 其中 VL 为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生 “ 鬼影 ” ，使用时可以通过一个 10kΩ 的电位器调整对比度。 RS 为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。 R/W 为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。 当 RS 和 R/W 共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当 RS 为低电平 R/W 为高电平时可以读忙信号，当 RS 为高电平 R/W为低电平时可以写入数据。 沈阳理工大学应用 技术学院 学士学位 论文 11 三、 1602LCD 的 RAM 地址映射及标准字库表 液晶显示模块是一个慢显示器件，所以在执行每条指令之前一定要确认模块的忙标志为低电平，表示不忙，否则 此指令失效。 要显示字符时要先输入显示字符地址，也就是告诉模块在 何处 显示字符， 如 图 是 1602 的内部显示地址。 图 LCD1602 内部显示地址 例如第二行第一个字符的地址是 40H，那么是否直接写入 40H 就可以将光标定位在第二行第一个字符的位置呢。 这样不行，因为写入显示地址时要求最高位 D7 恒定为高电平 1 所以实际写入的数据应该是 01000000B（ 40H） +10000000B（ 80H） =11000000B（ C0H）。 在对液晶模块的初始化中要先设置其显示模式，在液晶模块显示字符时光标是自动右移的，无需人工干预。 每次输入指令前都要判断液晶模块是否处于忙的状态。 1602 液晶模块内部的字符发生存储器（ CGROM）已经存储了 160 个不同的点阵字符图形，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常 用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如 英文字母 “ A” 的代码是 01000001B（ 41H），显示时模块把地址 41H 中的点阵字符图形显示出来， 就能看到字母 “ A”。 液晶显示 电路设计 液晶显示器 （ LCD） 是平板显示器的一种，具有低电压、微功耗、无辐射、小体积等特点，被广泛应用于各种嵌入式产品中。 因而本设计采用液晶显示器显示温室环境信息。 液晶显示器的接口电路有 2 种 ： 一种是总线式接口电路方式 ； 另一种是非总线式接口电路方式。 总线式接口电路方式是把液晶显示器看做外部的数据存储器 ， 访问液晶显示器就像访问数据存储器的一个单元一样 ， 采用这种方式能充分发挥单片机的总线读写功能 ， 便于升级和扩展。 而非总线方式是直接利用 I/O 口进行读写 ， 较灵活 ， 不便于升沈阳理工大学应用 技术学院 学士学位 论文 12 级。 这里采用总 线式接口方式。 接口时要注意显示器的使能信号 E 是高电平有效 ， 而单片机的读、写信号是低电平有效 ， 所以要取反。 这里使用的液晶显示器为 LCD1602。 LCD1602 为字符点阵式液晶显示器 ， 可以显示 162 个字符 ， 可以满足要求。 单片机将数据 发送到 LCD 显示模块 ， 并控制 LCD 显示模块按照一定的格式显示的 功能。 其具体的电路设计如图 所示。 图 液晶显示 电路 键盘控制 电路的设计 系统需要通过键盘控制直流电机的转速、方向与启停。 按键键盘有独立式按键和矩阵式键盘 [5]两种形式。 根据实际情况，本系统采用 独立式键盘设计。 其接口电路如图 所示。 四 个开关分别和单片机的 、 、 、 相连。 按下 S1 单片机产生 PWM的波形占空比增大，从而使得直流电机两端的电压平均电压增大，在磁通量不变的情况沈阳理工大学应用 技术学院 学士学位 论文 13 下，电压与转速成正比，从而使转速增加。 当按下 S2 后，正好相反，能够使转速减小。 按下 S3，电机的转动方式正好相反。 当 S4 按下时，系统会停止工作。 如此循环。 图 温度上下限调节电路原理图 四 个按钮控制功能如下： S1： 增加 PWM 波形的占空比。 S2： 减小 PWM 波形的占空比。 S3： 切换直流电机的转 动方向。 S4：切换系统工作的通断状态。 霍尔测速电路的设计 所谓霍尔效应 [6]，是指磁场作用于载流金属导体、半导体中的载流子时，产生横向电位差的物理现象。 当电流通过霍尔元件时，若在垂直于电流的方向施加磁场，则霍尔元件两侧面会出现横向电位差（即称为霍尔电压），由于磁场的变化，于是霍尔元件发出脉冲信号传输给控制器来处理，从而实现测速测位置等传感器或开关作用。 所以说，需要有磁场的变化，才能有相应的霍尔脉冲信号输出，对于单极性的霍尔，那么你就用磁铁的一极朝向霍尔的正面感应区，那么等到电机轴上的磁铁转到霍 尔放置的位置时，就会因为受到磁场变化，并切割磁力线，霍尔就会输出脉冲信号。 利用霍尔测速就是利用这个原理。 通常可以用计数法、测脉宽法和等精度法来进行测试。 所谓计数法就是给定一个闸门时间，在闸门时间内，计数输入的脉冲个数：脉冲宽度就是利用待测信号的脉宽来控制计数门。 对于一个高精度的高频计数信号进行计数。 由于闸门不能与被测信号同步。 因此，这两种都存在一定的误差第一种方法适合信号频率高的情况。 第二种适合频率低的情况。 实验中，采用第一种方法进行测速，设定沈阳理工大学应用 技术学院 学士学位 论文 14 的闸门时间为 1S。 霍尔传感器具有体积小，噪声低，灵敏度高，快 速上电等优点。 实际中安装方法如图 所示。 图 霍尔元件安装图 在直流电机的主轴上安装一个小磁刚，在电机转动后，每当小磁钢接近霍尔元件时，由霍尔元件的特性可知，此时霍尔输出为低电平，当小磁钢远离霍尔元件时，霍尔输出为高电平，如此循环，霍尔元件就能够测出电机的转速。 在实际的设计 中， 采用单极性的霍尔元件， 霍尔元件 的 2 脚 连接 到 单片机的 ，如图 所示。 单片机的 定时器 1 工作在计数状态。 图 霍尔元件连接图 驱动电路的设计 直流 电 机简介 直流电动机，这些年来一直作为换能器。 绝大多数的直流电动机都是由电磁力形成一种方向不变的转矩而实现的连续旋转的。 有刷直流电机的物理模型如图 所示。 其中固定部分（定子）由磁铁（成为主磁极）和电刷组成；转动部分（转子）由环形铁芯上的绕组组成，定子与转子之间有一气隙。 在电枢铁芯上放置由 A 和 B 两根导体连成的电枢线圈，线圈的首端和末端分别连到两个圆弧形的铜片上，此铜片称为换向片。 换向片之间互相绝缘，由换向片构成的整沈阳理工大学应用 技术学院 学士学位 论文 15 体称为换向器。 换向器固定在转轴上，换向片与转轴之间互相绝缘。 在换向片上放置着一对固定的不动的电刷 B1 和 B2，当电枢旋转时，电枢线圈通过换向器和电刷与外电路接通。 图 有刷直流电机的物理模型图 有刷直流电机的工作原理如图 所示。 给两个电刷加上直流电源，如图 (a)所示，有直流电流从电刷 A 流入，经过线圈 abcd,从电刷 B 流出，根据电磁力定律，载流导体ab 和 cd 受到电磁力的作用，其方向由左手定则判定，两段导体受到的力 形成了一个转矩，使得转子逆时针转动；当其方向转到图 (b)所示的位置，电刷 A 与换向片 2 接触，电刷 B 和换向片 1 接触，直流电机从电刷 A 流入，在线圈中的流动方向是 dcba,从电刷 B 流出。 此时载流导体 ab 和 cd 受到电磁力的作用，其方向仍由左手定则判定，两段导体受到的力形成了一个转矩，仍使得转子逆时针转动；如此循环，换向片配合电刷使得电机转动。