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基于单片机AT89c51的直流电机调速控制系统

第一章: 前言

1.1 前言:

直流电机的定义:将直流电能转换成机械能(直流电动机)或将机械能转换成直流电能(直流发电机)的旋转电机。

近年来,随着科技的进步,直流电机得到了越来越广泛的应用,直流具有优良的调速特性,调速平滑,方便,调速范围广,过载能力强,能承受频繁的冲击负载,可实现频繁的无极快速起动、制动和反转,需要满足生产过程自动化系统各种不同的特殊要求,从而对直流电机提出了较高的要求,改变电枢回路电阻调速、改变电压调速等技术已远远不能满足现代科技的要求,这是通过PWM方式控制直流电机调速的方法就应运而生。

采取传统的调速系统主要有以下的缺陷:模拟电路容易随时间飘移,会产生一些不必要的热损耗,以及对噪声敏感等。而用PWM技术后,避免上述的缺点,实现了数字式控制模拟信号,可以大幅度减低成本和功耗。并且PWM调速系统开关频率较高,仅靠电枢电感的滤波作用就可以获得平滑的直流电流,低速特性好;同时,开关频率高,快响应特性好,动态抗干扰能力强,可获很宽的频带;开关元件只需工作在开关状态,主电路损耗小,装置的效率高,具有节约空间、经济好等特点。

随着我国经济和文化事业的发展,在很多场合,都要求有直流电机PWM调速系统来进行调速,诸如汽车行业中的各种风扇、刮水器、喷水泵、熄火器、反视镜、宾馆中的自动门、自动门锁、自动窗

帘、自动给水系统、柔巾机、导弹、火炮、人造卫星、宇宙飞船、舰艇、飞机、坦克、火箭、雷达、战车等场合。

1.2本设计任务:

任务: 单片机为控制核心的直流电机PWM调速控制系统

设计的主要内容以及技术参数:

功能主要包括:

1)直流电机的正转;

2)直流电机的反转;

3)直流电机的加速;

4)直流电机的减速;

5)直流电机的转速在数码管上显示;

6)直流电机的启动;

7)直流电机的停止;

第二章:总体设计方案

总体设计方案的硬件部分详细框图如图一所示。

数码管显示

键盘向单片机输入相应控制指令,由单片机通过P1.0与P1.1其中一口输出与转速相应的PWM 脉冲,另一口输出低电平,经过信号放大、光耦传递,驱动H 型桥式电动机控制电路,实现电动机转向与转速的控制。电动机的运转状态通过数码管显示出来。电动机所处速度级以速度档级数显示。正转时最高位显示“三” ,其它三位为电机转速;反转时最高位显示“F ”,其它三位为电机转速。每次电动机启动后开始显示,停止时数码管显示出“0000”。

1、系统的硬件电路设计与分析

电动机PWM 驱动模块的电路设计与实现具体电路见下图。本电路采用的是基于PWM 原理的H 型桥式驱动电路。

基于单片机AT89c51的直流电机调速控制系统

PWM 电路由复合体管组成H 型桥式电路构成,四部分晶体管以对角组合分为两组:根据两个输入端的高低电平决定晶体管的导通和截止。4个二极管在电路中起防止晶体管产生反向电压的保护作用,防止电动机两端的电流和晶体管上的电流过大的保护作用。

在实验中的控制系统电压统一为5v 电源,因此若复合管基极由控制系统直接控制,则控制电压最高为5V ,再加上三极管本身压降,加到电动机两端的电压就只有4V 左右,严重减弱了电动机的驱动力。基于上述考虑,我们运用了TLP521-2光耦集成块,将控制部分与电动机的驱动部分隔离开来。输入端各通过一个三

单片机 PWM 电机驱动

按键控制

极管增大光耦的驱动电流;电动机驱动部分通过外接12V电源驱动。这样不仅增加了各系统模块之间的隔离度,也使驱动电流得到了大大的增强。

在电动机驱动信号方面,我们采用了占空比可调的周期矩形信号控制。脉冲频率对电动机转速有影响,脉冲频率高连续性好,但带带负载能力差脉冲频率低则反之。经实验发现,当电动机转动平稳,但加负载后,速度下降明显,低速时甚至会停转;脉冲频率在10Hz以下,电动机转动有明显跳动现象。而具体采用的频率可根据个别电动机性能在此范围内调节。通过P10输入高电平信号,P11输入低电平,电机正转;通过P10输入低电平信号,P11输入高电平,电机反转;P10、P11同时为高电平或低电平时,电机不转。通过对信号占空比的调整来对电机转速进行调节。

2、系统的软件设计

本系统编程部分工作采用KELI-C51语言完成,采用模块化的设计方法,与各子程序做为实现各部分功能和过程的入口,完成键盘输入、按键识别和功能、PWM脉宽控制和数码管显示等部分的设计。

单片机资源分配如下表:

P0 显示模块接口

键盘中断

P1 键盘模块接口

系统时钟

P1.0/P1.1 PWM电机驱动

接口

①PWM脉宽控制:本设计中采用软件延时方式对脉冲宽度进行控制,延时程序函数如下:

/*****************延时函数*************************/

delays()

{

uchar i;

for(i=5000;i>0;i--);

}

②键盘中断处理子程序:采用中断方式,按下键,完成延时去抖动、键码识别、按键功能执行。

要实现按住加/减速键不放时恒加或恒减速直到放开停止,就需在判断是否松开该按键时,每进行一次增加/减少一定的占空比。

③显示子程序:利用数组方式定义显示缓存区,缓存区有8位,分别存放各个数码管要显示的值。

④定时中断处理程序:采用定时方式1,因为单片机使用12M晶

振,可产生最高约为65.5ms的延时。对定时器置初值B1E0H可定时20ms,即系统时钟精度可达0.02s。当20ms定时时间到,定时器溢出则响应该定时中断处理程序,完成对定时器的再次赋值,并对全局变量time加1,这样,通过变量time可计算出系统的运行时间。

3、软件设计中的特点:

对于电机的启停,在PWM控制上使用渐变的脉宽调整,即开启后由停止匀加速到默认速度,停止则由于当前速度逐渐降至零。这样有利于保护电机。键盘处理上采用中断方式,不必使程序对键盘反复扫描,提高了程序的效率。

第三章:系统硬件电路设计

整体框图如下:

基于单片机AT89c51的直流电机调速控制系统

第四章:系统功能调试

仿真整体图如下:

基于单片机AT89c51的直流电机调速控制系统

直流电机的调试功能仿真如下图:

1、正转时,电机正转,数码管最高位显示“三”,其它三位先所给定频率,如下图:

基于单片机AT89c51的直流电机调速控制系统

2、反转时,电机反转,数码管最高位显示“F”,其它三位先所给定频率,如下图:

3、输出波形如下:

基于单片机AT89c51的直流电机调速控制系统

4、加速分5档,波形依次如下:

基于单片机AT89c51的直流电机调速控制系统

基于单片机AT89c51的直流电机调速控制系统

基于单片机AT89c51的直流电机调速控制系统

基于单片机AT89c51的直流电机调速控制系统

基于单片机AT89c51的直流电机调速控制系统

5、减速分5档,波形如下:

基于单片机AT89c51的直流电机调速控制系统

基于单片机AT89c51的直流电机调速控制系统

基于单片机AT89c51的直流电机调速控制系统

基于单片机AT89c51的直流电机调速控制系统

基于单片机AT89c51的直流电机调速控制系统

第五章:程序见附件1

第六章:PCB图见附件2

第七章:元件清单见附件3

第八章:心得体会略

附件1

/***************基于单片机AT89C51的直流电机PWM调速控制系统*************/

/*******************地点:广东松山职业技术学院************************/

/****************班级:2009级检测技术及应用****************************/

/*****************指导老师:张军涛***********************************/ /***************时间:2011年7月1日***********************************/

/************头文件*********/

#include

#include

#include

/************************** /

/********自定义变量********/

#define uint unsigned int //自定义变量

#define uchar unsigned char

char gw,sw,bw,qw;

uchar j; //定时次数,每次20ms

uchar f=5; //计数的次数

sbit P10=P1^0; //PWM输出波形1

sbit P11=P1^1; //PWM输出波形2

sbit P12=P1^2; //正反转

sbit P13=P1^3; //加速

sbit P14=P1^4; //减速

sbit P15=P1^5; //停止

sbit P16=P1^6; //启动

uchar k;

uchar t; //脉冲加减

/**************************/*

/*********控制位定义********************/

uchar code smg[12]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f, 0x73,0x71};//程序存储区定义字型码表

char data led[4]={0x08,0x04,0x02,0x01}; //位码

uint x; //数码管显示的数值

display(); //数码管显示

delays(); //延时函数

key();

displays();

/*****************************************/

/***************主函数********************/

main (void)

{

TMOD=0x51; //T0方式1 定时计数T1方式1计数 TH0=0xb1; //装入初值20MS

TL0=0xe0;

TH1=0x00; // 计数567

TL1=0x00;

TR0=1; //启动t0

TR1=1; //启动t1

gw=sw=bw=qw=0; //数码管初始化

P0=0xc0;

P2=1;

while(1) //无限循环

{

display(); //数码管显示

key();

}

}

/*****************************************/

/***************数码管显示****************/

display()

{

uchar i;

gw=x%10; //求速度个位值,送到个位显示缓冲区 sw=(x/10)%10; //求速度十位值,送到十位显示缓冲区 bw=(x/100)%10; //求速度百位值,送到百位显示缓冲区 qw=x/1000; //求速度千位值,送到千位显示缓冲区 for(i=0;i<4;)

{

P2=led[i];

if(i==0) //显示个位

{

P0=smg[gw];

delays();

}

else if(i==1) //显示十位

{

P0=smg[sw];

delays();

}

else if(i==2) //显示百位

{

P0=smg[bw];

delays();

}

else if(i==3) //显示千位

{

if(k==0) //正转时显示"三"

{

P0=0x49;

delays();

}

else

{

P0=0x71; //反转时显示"F"

}

}

i++;

}

}

/*******************************************************/

/*****************延时函数*************************/ delays()

{

uchar i;

for(i=5000;i>0;i--);

}

/************************************************/

/*********t0定时*中断函数*************/

void t0() interrupt 1 using 2

{

TH0=0xb1; //重装t0

TL0=0xe0;

f--;

if(k==0)

{

if(f

P10=1;

else

P10=0;

P11=0;

}

else

{

if(f

P11=1;

else

P11=0;

P10=0;

}

if(f==0)

{

f=5;

}

j++;

if(j==50)

{

j=0;

x=TH1*256+TL1; //t1方式1计数,读入计数值 TH1=0x00;

TL1=0x00;

x++;

display();

}

}

/****************按键扫描**************/ key()

{

if(P12==0) //如果按下,

{

while(!P12) //去抖动

display();

k=~k;

}

if(P16==0) //启动

{

while(P16==0);

IE=0x8a;

}

if(P13==0) //加速

{

while (P13==0);

t++;

}

if(t>=5)

t=5;

if(P14==0) //减速

{

while(P14==0);

t--;

}

if(t<1)

t=1;

if(P15==0) //停止 {

while(P15==0);

EA=0;

P10=0;

P11=0; 稳压

霍尔片

}

}

/******************************************************/ 附件2:

基于单片机AT89c51的直流电机调速控制系统

附件3: