基于单片机的直流电机pwm调速系统_毕业论文(编辑修改稿)

基于单片机的直流电机pwm调速系统_毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

择 本设计中要求实现电机的正反转及转速的设定， 正反转的状态及电机转速的设定值 都需要用显示器进行显示，所以 采用液晶显示屏 幕 作为系统的显示器，同时液晶显示屏（ LCD）具有功耗小、轻薄短小无辐射危险，平面直角显示以及影象稳定不闪烁，可视面积大，画面效果好，抗干扰能力强 ,并可灵活的实现多种状态。 测速传感器的 分析 与选择 5 对电机转速的测量，依据当今技术及本设计的现状，大致有以下三种可以执行的测量方式。 方案一：使用测速发电机测速，电机的输出电动势 E 和转速 n 成线性关系，即 E=kn，其中 k 是常数。 当改变旋转方向 时，输出电动势的极性也相应改变。 方案二：采用霍尔传感器测速，霍尔元件是磁敏元件，在被测的旋转体上装一个磁体，当电机旋转时，每当磁体经过霍尔元件，霍尔元件就发出一个信号，经放大整形得到脉冲信号，送至单片机进行运算。 方案三：采用红外光电耦合器测速，发射管发射信号，接收管接受到信号时输出脉冲。 电机转动时，每转半圈 OUT 端输出一个上脉冲，然后用单片机在单位时间里面来采集上升源的个数，这样就完成速度的采集。 经比较，方案一中测速发电机的安装不如方案二中霍尔元件安装方便，准确率也没方案二的高，并且方案二不需要 A/D 转换，测量值直接可以被单片机接收。 但方案二中霍尔传感器的采购不是很方便，价格比较也比较昂贵，方案三中硬件电路简单，器件采购方便，更重要的是它具有方案二的几乎所有的优点，故选择方案三。 方案三中具体的记数方法是通过单片机记数时间 S（秒）内的脉冲数 N，从而计算得到每分钟的转速： M=N/S 60。 同时还可以采用定时的方法：通过定时器记录脉冲的周期 T，这样每分钟的转速： M=60/T。 比较两个计数方法，方法一的误差主要是177。 1 误差（量化误差），假设电机的最低设计转速为 120 转 /分，则记数时间 S=1s，所以其误差 的绝对值 |γ |=|(N177。 1)/S 60N/S 60=60（转 /分），误差计算公式表明，增大记数时间可以提高测量精度，但这样做却增大了速度采样周期，会降低系统控制灵敏度。 而方法二所产生的误差主要是标准误差，并且使采样时间降到最短，误差γ =[60/（ T177。 1） 60/T]，设电机速度在 120— 6000 转 /分之间，那么 ≤ T≤ ，代入公式得： ≤ |γ |≤ （转 /分）。 由此明显看出 ,方法二在测量精度及提高系统控制灵敏度等方面优于方法一，所以在这里我采用方法二进行计数。 PWM 实现方案论证 (1)PWM 调速工作方式 6 方案一： 双极性工作制。 在一个脉冲周期内，来自单片机两个端口的两个控制信号电平高低相反，这样两个控制信号的高电平时差控制着电动机的转向和转速。 方案二：单极性工作制。 PWM 波的占空比取决于单片机的一个端口，另一个端口为低电平，两个输出口的切换控制着电机的正反转， PWM 占空比控制着电机的转速。 由于单极性工作制 相较于双极性工作制具有电流最大波动小和 电压波 中的交流成分小 的优点 ， 所以我们 本系统采用 单极性工作制 [3]。 (2) PWM 调脉宽方式 调脉宽的方式有三种：定频调宽 、定宽调频和调宽调频。 我 们采用了定频调宽方式，因为采用这种方式，电动机在运转时比较稳定 ，不会与单片机中的其他频率产生冲突， 并且在单片机产生 PWM 脉冲的软件实现上 也 比较方便 [3]。 (3) PWM 软件实现方式 方案 一 ：采用软件延时 的 方式， 此方式的缺点是 在引入中断 之 后，将 会 有一定的误差。 方案 二 ：采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， 最大误差只能达到 几个 微秒，综合考虑我们采用方案二 [4]。 键盘的方案 分析 与选择 键盘是单片机不可缺少的输入设备和实现人机对话的纽带。 常用的键盘 有独立式键盘和行列式键盘等。 方案 一 ：独立式键盘 独立式键盘与单片机进行接口时，键盘接口 使用 的 I/O 线 和键盘的数量相等，其特点为 其按键 的数量 比较少，且键盘 中各按键工作 时不会相互干扰。 因此可以依据设计需要实现对按键的灵活编码。 这 种形式的键盘结构简单，且按键识别比较容易。 独立 键盘的缺点是需要占用比较多的 I/O 口线，当单片机应用系统键盘中需要的按键比较少或 I/O 口线比较富余时，可以采用这种类型的键盘。 方案 二 ：行列式键盘 行列式键盘是用 N条 I/O 线作为行线， M 条 I/O 线作为列线组成的键盘，按键在行线和列线的每个 交叉点上，按键中按键的个数是 M*N 个。 这种形式的键盘结 7 构，能够有效的提高单片机系统中 I/O 的利用率，行列式键盘适用于按键输入多的情况 [5]。 本设计不仅要求对电机的转速进行设定，而且要求实现电机的启动、停止、加速、转速、正转和反转控制，势必需要至少十个以上的按键，又 根据以上的论述， 故 采用方案 二，以提高单片机系统中 I/O 的利用率，从而节省了单片机系统中的 I/O 端口。 输入输出通道的 分析 由于选用了红外光电耦合器进行测速 ， 微处理器采集的信号是脉冲信号 ， 故无需经过 A/D 转换就可以输入到单片机中。 由 于采用 PWM 控制直流电机的电枢电压 ， 单片机的输出 信号 通过驱动进行放大 后就是电机的电枢电压 ， 从而通过控制PWM 波的占空比 来控制电机的转速。 驱动模块的 分析 与选择 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。 要实现这些功能，基本上采用的是由四个开关管构成的 H 型桥式驱动电路。 对于小功率直流电机驱动有 H桥式驱动和 L298 驱动两种方法， L298 驱动芯片虽然简单，驱动能力也较强，但由于其价格昂贵，且本设计中电机属于小功率直流电机， H 桥式驱动电路就足以驱动，并且价格便宜，故而本设计采用 H 桥 式驱动作为小功率直流电机的驱动模块 [6]。 系统硬件组成 及各模块功能 本 调速系统主 要是由：单片机、驱动电路、直流电机、测速元件、接口电路、显示器和 输入控制模块 等部分组成。 硬件电路组成框图如图 ： 8 Ｓ Ｔ Ｃ ８ ９ Ｃ ５ ２单 片 机矩 阵 键 盘输 入 模 块Ｌ Ｃ Ｄ显 示 模 块Ｐ Ｗ Ｍ 控 制 及驱 动 电 路 模 块直 流 电 机红 外测 速 模 块 图 直流电机调速系统硬件 本调速系统 各模块的功能 分析如下： 中央控制模块：这部分电路 的核心部件是 STC89C52 单片机 ，它的功能总得来说分为三个方面，一、通过内部程序设定出初始 PWM 信号，输送给Ｈ桥式驱动从而控制电机运行；二、接受来自 键盘和红外光电接收管的信号再加以分析和处理；三、对处理的结果进行输出，如控制七段数码管的显示和点亮发光二极管。 输入 控制 模块：这一部分主要是利用带中断的 矩阵 键盘来实现对直流电机的控制。 由矩阵键盘十六个按键中的十个键实现对转速的 分级 设定 （ 0 键按下设定转速为 0,1 键按下设定转速为 5,2 键按下设定转速为 25,3 键按下设定转速为 40,4键按下设定转速为 60,5 键按下设定转速为 80,6 键按下设定转速为 100， 7 键按下设定转速为 120,8 键按下设定转速为 135,9 键按下设定转速为 150。 其中转速单位为 r/min） ，另外 六个按键分别实现 电机的开始、停止、加速、减速、正转和反转的 六种控制。 驱动模块：采用 H 桥式驱动来驱动电机及实现电机的正反转。 驱动接受来自 和 口的 PWM 波， 然后用来驱动直流电机。 本设计中驱动的是小功率直流电机，所以对驱动的驱动能力要求不是太高，一般的Ｈ桥式驱动既能满足要求。 测速模块： 采用红外光电耦合器测速，发射管发射信号，接收管接受到信号时输出脉冲。 电机转动时，每转半圈 OUT 端输出一个上脉冲，然后用单片机在单位时间里面来采集上升源的个数，这样就完成速度的采集。 9 显示模块： 本设计采用 液晶显示屏 （ LCD） 作为本设计的显示模块。 液晶显示屏上显示的内容包括：电机的 （正转或反转） 、电机的设定转速及电机的实时转速。 本章小结 本章主要介绍了直流电机调速系统的方案分析 与选择，应用了适合于该系统的电机调速控制方案和总体设计方案；在器件的选择方面也做了比较具体的说明；最后又详细介绍了各个模块实现的具体功能。 在本章最后完成了基于单片机 PWM直流电机调速系统的硬件组成框图设计。 10 第三章 系统硬件 设计 本章将基于上一章为基础对硬件系统各部分作进一步的分析，并且对硬件 各部分电路加以分析和呈现。 下面将 分别对 CPU 主控制模块、 电源、 PWM 波形产生部分、电机驱动部分、键盘输入部分、测速部分及显示部分进行设计。 CPU 主控制模块 本系统选用 STC89C52 单片机作为主控制器。 主要功能包括三个方面：接受外界信号、处理接受信号和输出控制信号。 外界信号主要指来自独立式键盘和红外光电耦合器接收管的信号；处理接受信号就是对接受的信号进行作用分析，并作出相应处理；输出信号包括输出 PWM 波控制电机转动和使数码管显示电机实时转速。 STC89C52 单片机内部资源很丰富，不需要扩展芯片。 在用 STC89C52 单片机设计系统时 ,首先要构成一个最小系统 ,单片机才能正常工作 ,即将单片机接上时钟(晶振 )电路和复位电路。 下面介绍单片机的设计部分分析： （ 1）单片机 STC89C52 STC89C52 单片机是 MSC51系列产品的升级版，有世界著名半导体公司 ATMEL在购买 MSC51 设计结构后 ， 利用自身优势技术 —— 闪存生产技术对旧技术进行改进和扩展，同时使用新的半导体生产工艺，最终得到成型产品。 与此同时，世界上其他的著名公司也通过基本的 51 内核，结合公司自身技术进行改进生产，推广一批如 51F020 等高性 能单片机 [7]。 STC89C52 片内集成 256 字节程序运行空间、 8K 字节 Flash 存储空间，支持最大 64K 外部存储扩展。 根据不同的运行速度和功耗的要求，时钟频率可以设置在033M 之间。 片内资源有 4 组 I/O 控制端口、 3 个定时器、 8个中断、软件设置低能耗模式 和 断电保护。 可以在 4V 到 宽电压范围内正常工作。 不断发展的半导体工艺也让该单片机的功耗不断降低。 同时，该单片机支持计算机并口下载，简单的数字芯片就可以制成下载线，仅仅几块钱的价格让该型号单片机畅销 10 年不衰。 根据不同场合的要求，这款单片机提供了多种 封装，本次设计根据最小系统有时需要更换单片机的具体情况，使用双列直插 DIP40的封装。 如图 所示： 11 图 DIP40 封装 STC89C52 引脚图 （ 2） 复位电路及时钟电路 复位电路和时钟电路是维持单片机最小系统运行的基本模块。 复位电路通常分为两种：上电复位和手动复位。 如图 所示： RST单片机C1R1GNDVCC RST单片机C2R2GNDVCCR3S?SWPB 上电复位 手动复位 图 复位电路图 有时系统在运行过程中出现程序跑飞的情况，在程序开发过程中，经常需要手动复位。 所以本 系统中 选 用手动复位 的方式。 程序的运行速度 取决 于时钟 的频率 ，而且 高频率时钟的应用 还可以 实现更高的信号的采样率。 然而 采用高时钟的代价是功耗大，同时对系统级运行环境都比较高。 本系统中 单片机本身 用于 控制， 不需要太高频率的时钟 ，所以 选择适当 频率 的时钟 ， 同时 适当频率的晶振有利于选频信号强度的准确度。 本 系统 选取 无源晶振接入 XTAL1 和 XTAL2 引脚 ， 并联 2个 20pF 陶瓷电容帮助起振。 最小系统如图 所示： 12 图 STC89C52 最小系统 电源电路 由于整个系统都是用单片机、小型电机和各类芯片以及电阻、电容组成的，其工作电压为 +5V，不需要负电压，所以可采用三端固定集成稳压器 LM2940 稳压芯片。 LM2940 为输出电压固定的低压差三端稳压器； 其输入电压为 ，输出电压 5V， 输出电流为 1A。 输出电流为 1A 时，最小输入输出电压差小于 ；最大 输入电压为 26V，输入电压范围比较大；工作温度也比较大，可以在 40至 +125 摄氏度范围内正常工作；内含静态电流降低电路、电流限制、过热保护、电池反接和反插入保护电路。 鉴于以上这些优点和其适合于本设计的要求， 故采用 LM2940 作为整个系统的供电芯片。 其中输入电压为直流 ，后接 1uF和 22uF电容进行滤波。 电源模块电路图 如图 所示。 13 图 电源电路 H 桥驱动电路 H 桥式电机驱动电路包括一个电机 和四个三极管 ，要使电机运转， 就 必须导通对角线上的一对三极管。 根据不同三极管对电流的导通情况，电流会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。 在本设计 中采。