基于单片机的直流电动机的控制

基于单片机的直流电动机的控制内容摘要：

输出一个控制信号，通过两信号的高低电平差值来决定电动机的方向和速度。 方案二：单极性工作 方式，是单片机的控制端口接地，另一端输出 PWM 信号，切换两口的输出来调节 PWM 的占空比，进而可控制电动机的方向和速度。 因为双极性工作制电压波中的交流成分比单极性工作制的大，电流波动也较大，所以本设计采用了单极性工作制。 PWM 调速方法 PWM 调速原理如图 所示 T1 T T2 T：周期 T1：高电平持续时间 T2：低电平持续时间 t U 图 PWM 调速原理图 根据改变占空比方法的不同， PWM 调速可分为以下三种： （ 1）定宽调频 保持 T1不变，改变 T2，周期 T随之改变。 （ 2）调宽调频 保持 T2不变，改变 T1，周期 T随之 改变。 （ 3）定频调宽 保持周期 T不变，同时改变 T1和 T2。 前两种发法在改变占空比的同时改变了脉冲频率，当控制脉冲频率与系统固有频率接近时，将会引起振荡，所以，本设计采用第三种方法来调速。 PWM 软件实现方式 方案一：使用定时器作为脉宽控制的定时方式，此方式产生的脉冲宽度极其精确，误差只有几个微秒。 方案二：使用软件延时方式，此方式不如方案一精确，特别是在引入中断后，将有一定的误差。 但是由于方案二不占用定时器资源，且对于直流电机，采用软件延时所产生的定时误差在允许范围，因此本设计采用方案二。 系统结构设计 系统的结构框图如下图 所示，主要包括 4位键盘电路、电源电路、 89C51单片机芯片、直流电动机、 PWM 驱动电路、晶振电路以及复位电路七大部分。 4位键盘和单片机相连，主要用来控制直流电机，其中一位控制直流电机的启动和停止；一位控制直流电机的正反转；一位可以使直流电机加速；还有一位可以使电机减速。 电源主要为单片机提供电源。 晶振电路是为单片机提供振荡脉冲。 复位电路是将单片机的硬件做初始化操作。 而电机的加减速则需要调节 PWM的占空比来调节（具体见第一章）。 图 系统的结构框图 本设计选用 LM629 直流电机，而单片机则采用 51系列中的 89C51 单片机。 单片机 89C51 简介 之前已经学习过 80C51 芯片，在本设计中采用 89C51 单片机芯片。 他们之间芯片各脚的定义是完全兼容的，唯一的区别是 89C51内部集成了 4K的 FLASHROM,而 80C51 内部是厂家做好的掩膜式 ROM,除了在烧写 ROM 的时候方式不同，在电路中的功能是一样的。 因此在电路上没有区别。 89C51 单片机的主要特 性： 4K 字节可编程闪烁存储器； 128*8 位内部 RAM；有五个中断源；两个 16位定时器 /计数器和 32 位可编程输入 /输出线；具有时钟电路和片内振荡器；有可编程的串行通道；低功耗的闲置和掉电模式。 复位 电路 89C51 单片机 4 位 键盘 电源 电路 PWM 驱动 电路 直 流 电动机 时钟 电路 图 80C51 管脚图 L298N 电动机驱动芯片简介 使用 L298N 可以对电动机进行驱动 ,此芯片中含有两个桥式电路，可以对两台电动机进行驱动，本设计中只需要驱动一台电动机，所以选择 L298N 进行驱动是可行的方案。 其管脚如图 所示， IN IN IN IN4 为四个输入； ENA和 ENB为两个使能输入； SENSA 和 SENSA为电机电流 (或叫桥驱动电流 )检测引脚，一般不用直接接地； OUT OUT OUT OUT4 为四个输出。 图 L298N 管脚图 4 硬件设计 单片机系统电路 整个 89C51 单片机的系统电路就是将晶振电路模块、复位电路模块、键盘电路模块、直流电动机的驱动电路同 89C51 单片机连接在一起，再有就是单片机的Vcc 接 +5V 电源， Vss 接地，如图 所示。 本设计通过四个按键来实现对电动机的控制，按键与 P2 口相连，按下按键改变电平，将改变的电平通过单片机送给 和 口，在送到 L298N 的输入端口，从而对电动机的启停和方向进行控制；还将其产生在 PWM 脉冲送到 L298N的使能端，从而对电动机的速度进行控制。 图 系统电路图 复位电路 复位电路用于产生复位信号，通过 RST（高电平有效）引脚送入单片机，进行复位操作。 该引脚上出现持续两个机器周期（即 24 个时钟周期）以上的高电平，便可实现复位，复位电路对单片机系统顺利的工作有着至关重要的作用。 它可以保证程序从指定处开始执行，即从程序存储器的 0000H 地址单元开始执行程序。 另外，当程序进行出错或操作错误使系统处于“死机”状态时，需复位以重新启动。 复位信号的产生有上电自动复位和按键手动复位两种方式。 上电自动复位是通过外部复位电路 的电容充电实现的。 通电时，电容两端相当于短路，于是 RET 引脚上为高电平，然后电源通过电阻对电容进行充电， RET端电压慢慢降下来，降到一定程度时变成低电平，单片机开始正常工作。 对干扰抵抗能力差。 最简单的上电自动复位电路。 按键手动复位电路是通过电阻接高电平实现的。 按键手动复位电路。 在现代工业控制中，根据实际需要，一般采用兼有上电外部复位与按键复位的电路，这样复位电路能输出两种电平的复位控制信号，以适应外围 I/O 接口芯片所需要的不同复位电平信号。 而在本设计中采用的是按键手动复位 ,如图 所示。 图 复位电路图 时钟电路 时钟电路是单片机系统的心脏，它控制者单片机的工作节奏。 单片机虽然内部有振荡电路，但是要形成时钟，必须外部附加电路。 微型计算机的 CPU 实质上就是 一个复杂的同步时序电路，所有工作都是在时钟信号控制下进行的。 每执行一条指令， CPU 的控制器都要发出一系列特定的控制信号。 AT89C51 单片机的时钟信号通常由两种方式产生：一是内部振荡方式，二是外部时钟振荡方式。 内部时钟电路，在 AT89C51 单片机内部有一个高增益反相放大器，只要在单片机的 XTAL1 和 XTAL2 引脚外接定时反馈回路，振荡器 OSC 就能自激振荡，并在单片机内部产生矩形时钟脉冲信号。 定时反馈回路常由石英晶振和微调电容组成，其中石英晶振的频率是单片机的重要性能指标之一，时钟频率越高，单片机控制器的控 制节拍就越快，运算速度也就越快。 一般情况下，石英晶振的频率选为典型值 12MHz，这样有利于得到没有误差的波特率。 内部时钟电路对外接电容 C C2 并没有严格要求，它们起稳定振荡频率、快速起振的作用。 电容C1 和 C2 典型值在 60～ 70pF 之间振荡器有较高的频率稳定性。 选择 30pF 左右时对应的时钟频率为难 12MHz，外接陶瓷振荡器时，电容值通常选择为 47pF。 外部时钟电路是利用外部振荡信号直接作为时钟源直接接入 XTAL1 和XTAL2。 通常 XTAL2端直接接至内部时钟电路，输入端 XTAL1接地。 由于 XTAL2的逻辑 电平不是 TTL 的，所以建议接一个 ～ 10K 的上拉电阻。 RST 时钟电路则是由振荡电路产生震荡脉冲，从而得到晶振频率的电路。 本设计中选取内部时钟电路， 如下图 所示。 图 内部时钟电路。