基于单片机的直流电机调速控制系统的设计(终稿)

基于单片机的直流电机调速控制系统的设计(终稿)内容摘要：

之间的联系方框图如图 24所示。 程 序 存 储 器M C S 5 1 核特 殊 功 能寄 存 器并 行 和 串 行 接 口定 时 / 计 数 器中 断 管 理监 视 定 时 器 等其 他 外 围 器 件 图 24 特殊功能寄存器（ SFR）工作框图 Special function registers（ SFR） working diagram CPU通过向相应的特殊功能存储器写入数据实现控制对应的在片外围器件的工作，从相应的特殊功能存储器读出数据实现读取对 应的在片外围器件的工作结果。 在 AT89S51 单片机中，包括前面提到的程序状态字寄存器（ PSW）的特殊功能存储器共有 26个，它们离散地分布在 80H～ FFH的内部数据存储器地址空间范围内。 对于没有定义的存储单元用户不能使用。 如果向这些存储单元写入数据将产生不确定的效果，从它们读取数据将得到一个随机数。 南京工业大学学士学位论文 9 对于字节地址低位为 8H或者 FH的特殊功能存储器，既可以进行字节操作，也可以进行位操作。 例如前面提到的用来确定当前工作寄存器组的程序状态字寄存器（ PSW），它的地址为 D0H，因此对它可以进行字节操作，也可以进行 位操作。 采用位操作可以直接控制程序状态字寄存器中的第 3 位（ RS0）或第 4 位（ RS1）数据而不影响其他位的数据。 低位地址不为 8H 或 FH 的特殊功能存储器只可以进行字节操作，当需要修改这些特殊功能存储器中的某些位时，对其他的位应注意保护。 片外数据存储空间可以被映射为数据存储器、扩展的输入 /输出接口、模拟/数字转换器和数字 /模拟转换器等。 这些外围器件统一编址。 所有外围器件的地址都占用数据存储空间的地址资源，因此 CPU 与片外外围器件进行数据交换时可以使用与访问外部数据存储器相同的指令。 CPU通过向相应的外部数据存储器地址单元写入数据实现控制对应的片外外围器件的工作，从相应的外部数据存储器地址单元读出数据实现读取对应的片外外围器件的工作结果。 直流电机驱动芯片 L298 据任务书的要求，本设计的核心部分就是对小型直流电动机进行可逆的 PWM调速控制。 要实现以上的功能，应用比较广泛的是由四个开关管构成的 H 型桥式驱动电路。 这种驱动电路可以很方便实现直流电机的四象限运行，分别对应正转、正转制动、反转、反转制动。 其基本原理如图 25所示。 我们可以根据需要对四个开关管进行控制，使其能实现可逆调速的功能。 使全桥式驱动电路的 4 只开关管都工作在斩波状态， V V4 为一组， V V3 为另一组，两组的状态互补，一组导通则另一组必须关断。 当 V V4 导通时，V V3 关断，电机两端加正向电压，可以实现电机的正转或反转制动；当 VV3导通时， V V4 关断电机两端为反向电压，电机反转或正转制动。 第二章 预备知识介绍 10 图 25 H 桥型 PWM 降压斩波器原理图 The schematic diagram of Hbridge PWM antihypertensive chopper 上述的这种方法叫双极性 PWM 控制方式，应用时要注意避免上下臂桥的同时导通，因为上下臂桥的同时导通会引起短路。 应用 H 型桥式驱动电路可以很好的实现设计任务所要求的功能。 但是为了简化电路，在设计中使用集成有桥式电路的电机专用芯片。 本设计选用 L298作为电机的驱动芯片。 L298是一种较稳定可靠的集成有桥式电路的电机专用芯片。 它由 ST 公司生产的内部集成有两个桥式电路的电机驱动专用芯片，它驱动的电压可达到 46V，单个桥直流电流可达到 2A。 具有两个使能控制端口，分别控制两个电机的启动和制动。 它可以外接电阻，把变化量反 馈给控制电路。 此外， L298 的两个桥式电路还可以并联起来驱动一个直流电动机，直流电流可达到 4A。 L298 的运行参数 南京工业大学学士学位论文 11 表 26 L298 的运行参数 operation parameters of L298 L298 的引脚功能 L298 芯片的引脚图如下图 26其引脚功能见表 27。 图 26 L298 引脚图 The pin figure of L298 表 27 L298 引脚功能表 第二章 预备知识介绍 12 Function table of L298 pins 显示模块 本系统使用四位共阳数码管显示直流电动机的转速，为了节省 I/O 口，我们使用 74LS47 来把四位的 BCD 码转换成七段 LED显示，所以在单片机中输出转速的数值要用 BCD表示，会详细在下一章的软件部分讲到。 下面给出 LED与单片机的接口电路图，如图 28。 图 28 LED 与单片机接口的硬件图 Hardware chart of LED connecting MCU 由上图可以看到，单片机 、 、 BCD码的输出口，分别与 74LS47 的 A、 B、 C 和 D 引脚相接。 单片机的 、 、 和 分别作为四位 LED 的由低位到高位的选通脚。 设计中我采用了通过控制三极管来选通 LED 的方法。 所使用的三极管是 9014，该三极管是 NPN 管，当给它一个高电平时就导通，给它低电平时截止。 由于 LED 正常的工作电压为 左右，如果直接给 LED 选通端接 5V电压， LED 可能会烧毁，所以先接两个压降为 的普通二极管进行降压后再送到三极管的集电极。 这样做可以保证 LED 能正常地工作。 南京工业大学学士学位论文 13 第 三 章 系统设计方案 本设计是基于 AT89S51 单片机的直流电机 PWM 调速系统 ，其基本原理为：由单片机 AT89S51接受键盘的信号并通过计算占空比产生出对应的 PWM信号输出和控制信号输出， 脉宽调制 (PWM)信号经过功率放大后 驱动电机 ,本调速控制系统采用的是 L298 驱动芯片。 L298 有单极性、双极性 2 种工作方式。 单极性工作方式指的是在一个 PWM 周期内 ,电机的电枢只承受单极性的电压。 双极性工作方式是指在一个 PWM 周期内电机电枢两端的电压呈正负变化。 调速控制系统采用的是单极性工作方式。 所以这两种输出信号 其中一路 控制 L298 的使能和方向，一路PWM 波形送 L298 控制直流电机的速度。 如图 31： 图 31 调速系统结构简图 Structure diagram of speed control system 单片机的 PWM 输出接 L298 的 使能端 ,它控制着电机转速大小。 单片机的 端口 经过 一定的逻辑电路接到 L298 的 四个输入端 控制电机的转动方向。 比较器LM393 主要起到了限制过流和保护 L298 的作用。 LM393 的同相端直接连到了一个可变电位计上 ,电位计的参考电压是可调的。 调节电位计的参考电压能调节L298 的限流电压。 本调速控制系统对 L298 的两路驱动进行了并联使用 来 增强L298 的驱动能力。 在直流电机中安装霍尔开关传感器，把速度信号传送到 AT89S51， AT89S51进行定时计数，计算出直流电机每秒钟的转速，并用四位 BCD 码输出，由于 本系第三章 系统设计方案 14 统使用四位共阳数码管显示直流电动机的转速，为了节省 I/O 口，我 使用 74LS47来把四位的 BCD 码转换成七段 LED 显示 后 送 LED 显示。 整个系统的电源由外接双路稳压电源（ +5V 、 +12V）提供。 南京工业大学学士学位论文 15 第 四 章 硬件系统的设计 直流电源部分 本设计中控制部分的逻辑元件需要 +5V的直流电源，而小型直流电动机的额定电压为 12V。 这样我们就需要两个直流电源。 为解决这个问题，我们采用双路输出的直流稳压电源。 直流稳压电源又分成线性直流稳压电源和开关型直流稳压电源，因为线性直流稳压电源电路成熟，稳定度高，文波小，干扰小而且有很多成熟是集成元件可选择，电路十分简单 [4]。 所 以在本设计中应用双路输出的直流稳压电源，如下图 42。 图 42 双路输出的直流稳压电源 Alignment AUTOMATION stabilized voltage supply of double channel output 由上图可见，这个双路输出的线形直流稳压电源结构 十分简单，只用了一个 220V 变 12V 的变压器，一个整流桥，两块稳压集成电路（ 7812 和 7805）和四个电容。 图中 C4是一个大容量的电解电容，起到低频滤波的作用。 由于 C4本身的电解比大，对高频交流成分的滤波效果比较差，所以为了改善滤波电路的高频抑制特性，在 C4旁边并联一个高频滤波性能良好的小电容 C5。 而直流稳压电路输出端的电容 C6 和 C7是用作改善稳压电源电路的瞬态负载响应特性。 第四章 硬件系统的设计 16 PWM 波形发生原理 PWM 波形的产生是由 AT89S51 用软件编程实现的，所以这部分的硬件比较少，主要是保证 AT89S51正常 工作的最少模式就可以了。 至于 AT89S51正常工作的最少模式跟 AT89C51 基本上是一样的，这里就不再详述了。 AT89S51 的 引脚用作 PWM 波的输出口。 电机驱动电路 在第二章的方案选择中我们已经确定直流电动机的驱动部分选用集成芯片L298 及其外围电路构成。 其电路图如下图 43。 图 43 L298 及其外围硬件电路图 Peripheral hardware circuit of L298 单片机 AT89S51 输出的脉宽调制 (PWM)信号需经过功率放大才能驱动电机 ,本调速控制系统采用的是 L298驱动芯片。 L298有单极性、双极性 2种工作方式。 单极性工作方式指的是在一个 PWM 周期内 ,电机的电枢只承受单极性的电压。 双极性工作方式是指在一个 PWM 周期内电机电枢两端的电压呈正负变化。 调速控制系统采用的是单极性工作方式。 单片机的 PWM输出引脚 L298的 EnA和EnB 引脚 ,它控制着电机转速大小。 单片机的 经过一定的逻辑电路接到 L298的 IN1,IN2,IN3,IN4 输入引脚上 ,它控制电机的 转动方向。 比较器 LM393 主要起到了限制过流和保护 L298 的作用。 LM393 的同相端直接连到了一个可变电位计南京工业大学学士学位论文 17 上 ,电位计的参考电压是可调的。 调节电位计的参考电压能调节 L298 的限流电压。 LM393 的反相端接到 L298 的 SENSEA 和 SENSEB 两检测端。 当检测电阻两端的电压大于限流电压时 ,比较器的反相端的电压大于同相端的电压 ,输出端输出低电平 ,从而把 L298 的 EnA和 EnB 使能端拉低 ,L298 停止工作。 这就起到了限制过流和保护 L298的作用。 为了增强 L298的驱动能力 ,本调速控制系统对 L298的两路驱动进行了 并联使用 ,最大驱动能力可以达到 3A。 现在我们可以通过 L298的内部结构图，分析 L298 实现的功能。 见下图 34。 44 L298 的内部结构图 internal structure images of L298 L298 的控制时序图 P W MD IR E C T IO NIN 1 和 IN 3IN 2 和 IN 4VA1 和 V B 1VA3 和 V B 3 图 45 L298 内部三极管根据输入信号变化的时序图 第四章 硬件系统的设计 18 Sequence diagram by changing of the signal input of the transistor material inside in L298 在时序图中我们可以见到 PWM 波形的占空比由 40%到 80%到 60%的变化。 在ENABLE输入为 PWM波的情况下，当 DIRECTION输入为高电平时，可以见到 1AV 与1BV 一直导通，其。