【電氣設(shè)計自動化論文】PWM數(shù)字直流電機調(diào)速設(shè)計

【電氣設(shè)計自動化論文】PWM數(shù)字直流電機調(diào)速設(shè)計,電氣設(shè)計,自動化,論文,pwm,數(shù)字,直流電機,調(diào)速,設(shè)計 合肥師范學院畢業(yè)設(shè)計本科畢業(yè)論文（設(shè)計）(2015 屆)PWM 數(shù)字直流電機調(diào)速院 系 電子信息工程學院 專 業(yè) 電氣工程及其自動化 姓 名 指導(dǎo)教師 2014 年 5 月學號：1108441029合肥師范學院畢業(yè)設(shè)計II目 錄目 錄 .II摘 要 1ABSTRACT21緒論 31.1 研究背景 .31.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 .21.3 研究的目的與意義 32系統(tǒng)總體設(shè)計 32.1 設(shè)計要求 32.2 系統(tǒng)設(shè)計方案 42.2.1 系統(tǒng)框圖 42.2.2 主控芯片選擇 42.2.3 電機調(diào)速模塊的選擇 52.2.4PWM 調(diào)速方式的選擇 .63系統(tǒng)硬件設(shè)計 63.1 最小系統(tǒng)設(shè)計 .63.1.1 復(fù)位電路 73.1.2 晶振電路 83.2 鍵盤控制電路 .93.3 直流電機電機驅(qū)動電路 .104系統(tǒng)軟件設(shè)計 .114.1 主程序流程圖 .114.2 讀按鍵子程序流程圖 12合肥師范學院畢業(yè)設(shè)計III4.3 按鍵處理子程序流程圖 .134.4 電機控制中斷程序流程圖 145系統(tǒng)調(diào)試與改進 .155.1 調(diào)試與改進 .155.2 運行結(jié)果 .16結(jié)論與展望 .19致謝 .20參考文獻 .21附錄 A：系統(tǒng)原理圖 .22附錄 B：系統(tǒng) PCB圖 .23附錄 C：系統(tǒng)源程序 .24合肥師范學院畢業(yè)設(shè)計1摘 要本文是基于對直流電機 PWM 調(diào)速器設(shè)計的研究，主要實現(xiàn)對直流電機的控制。本設(shè)計主要是實現(xiàn) PWM 調(diào)速器的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、減速、加速、停止的五大操作。并實現(xiàn)電路的仿真并設(shè)計實際電路進行控制。為實現(xiàn)系統(tǒng)的微機控制，在設(shè)計中，采用了 STC89C51單片機作為整個控制系統(tǒng)的控制電路的核心部分，驅(qū)動模塊，實現(xiàn)通過 PWM 波對電動機轉(zhuǎn)速參數(shù)的改變和測量；由命令輸入模塊、H 型驅(qū)動模塊組成。采用帶中斷的獨立式鍵盤作為命令的輸入，單片機在程序控制下，不斷給電路發(fā)送 PWM 波形，完成電機正反轉(zhuǎn)控制.是通過 H 型驅(qū)動電路，采用 PWM 調(diào)速方式，通過改變 PWM 的占空比從而改變電動機的電樞電壓，進而實現(xiàn)對電動機的調(diào)速。設(shè)計的整個控制系統(tǒng)，在硬件結(jié)構(gòu)上采用了大量的集成電路模塊，大大簡化硬件電路，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，使整個系統(tǒng)的性能得到提高。合肥師范學院畢業(yè)設(shè)計2AbstractThis article is a DC motor PWM speed control design study, the main achievement of motor control. This course is primarily designed to achieve PWM speed controller for forward and reverse, acceleration, deceleration, and stop such an operation. And to achieve the circuit simulation. To achieve system, microcomputer control, in the design, using STC89C51 microcontroller control system as a whole, the core of the control circuit drive module enables the motor speed parameter display and measurement; from the command input module, Optical isolation module and H-drive module. With the stand-alone keyboard with a break as a command input, single-chip in the process control, continuing to the optical isolation circuit to send PWM waveform, H-type motor driving circuit to complete positive inversion control. In the design, using PWM speed mode, by changing the PWM duty cycle to change the motor armature voltage, so as to realize the speed of the motor. Design of the control system hardware structure with a large number of integrated circuit modules, greatly simplifying the hardware circuitry to improve stability and reliability of the system so that the whole system performance is improved.Key words: STC89C51 microcontroller; PWM speed; positive inversion control合肥師范學院畢業(yè)設(shè)計31 緒論1.1 研究背景在電氣行業(yè)中，隨著各項技術(shù)水平的不斷提高，使得傳統(tǒng)工藝有了深層次的提高，對人類的生產(chǎn)與生活，產(chǎn)生了深刻且深遠的影響，已經(jīng)與我們息息相關(guān)。當需要良好的啟動，制動性能，并需要大范圍內(nèi)平滑調(diào)速時，直流電機是一個很好地選擇，因此在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。而且從自動控制的角度看 ，直流調(diào)速還是交流調(diào)速，電機拖動與基礎(chǔ)都是該領(lǐng)域的基礎(chǔ)。由模擬電路、運算放大器、非線性集成電路以及少量的數(shù)字電路組成的直流電機調(diào)速控制系統(tǒng)大多數(shù)都為早期的控制系統(tǒng),控制系統(tǒng)的硬件部分非常復(fù)雜,功能單一,而且系統(tǒng)非常不靈活、調(diào)試困難, 觸發(fā)精度易受電網(wǎng)電壓波動的影響，觸發(fā)脈沖不對稱度較大，調(diào)節(jié)器中的運算放大器，因網(wǎng)壓和溫度變化引起的漂移會產(chǎn)生運算誤差，模擬器件老化也會引起運算誤差，甚至使已經(jīng)整定好的系統(tǒng)性能變差，這些都使直流電機控制技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用范圍被阻礙。隨著單片機及一系列可編程邏輯控制器的發(fā)展，許多控制功能及其算法，均可使用軟件技術(shù)來完成，大大的提高了電機控制的靈活性，快速性，使系統(tǒng)變得更加穩(wěn)定而且使系統(tǒng)能達到了更高的性能,從而大大節(jié)約了人力資源,降低了系統(tǒng)成本,有效地提高了工作效率。單片機具有小巧靈活、成本低、易于產(chǎn)品化、可靠性好、適應(yīng)溫度范圍寬、易擴展、控制功能強等優(yōu)點，模擬電路常常有復(fù)雜的電路功能，如果構(gòu)成控制器，就需要很多電子元件，單片機的使用，很好地改變了這種現(xiàn)狀，電路簡單，成為了很大的優(yōu)點，單片機形成的控制器，可以使用軟件實現(xiàn)復(fù)雜的控制。單片機內(nèi)部就像計算機一樣，有很強的邏輯功能，而且運算速度快，擁有大量的存儲單元。單片機的控制系統(tǒng)有較好的靈活性。同時可以適應(yīng)在系統(tǒng)改變時，可以實現(xiàn)不同功能，實現(xiàn)不斷變換參數(shù)，使系統(tǒng)更優(yōu)化。在此期間改變系統(tǒng)的功能，同時可以實現(xiàn)數(shù)字化控制，減小模擬信號控制間相互干擾，減小模擬信號產(chǎn)生溫漂等不穩(wěn)定因素。單片機的使用有效的改變了零點漂移問題,無合肥師范學院畢業(yè)設(shè)計2論被控量的大小,都可以保證足夠的控制精度可提供人機界面,多機聯(lián)網(wǎng)工作等優(yōu)點。所以在電氣傳動實時控制系統(tǒng)中受到重視和普遍應(yīng)用。利用單片機邏輯功能強和軟件靈活的優(yōu)點，不僅可使很多控制硬件軟件化，便于參數(shù)的設(shè)定和調(diào)整，而且可以同時對系統(tǒng)工作中的各種信息數(shù)據(jù)進行診斷、檢測和及時處理，加強了實時維護和提高了控制系統(tǒng)的可靠性。它的發(fā)展趨勢將是向大容量、高性能化、外圍電路內(nèi)裝化等方面發(fā)展。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀我國直流電機的研究及制造起始于建國初期，從 50年代后期到 60年代后期，主要是高等院校和科研機構(gòu)為研究一些裝置而使用或開發(fā)少量產(chǎn)品。我國在建國初期后開始大量生產(chǎn)和應(yīng)用直流電機，例如江蘇、浙江、北京、南京、四川等各地都有投入生產(chǎn)，而且都在各行業(yè)使用，其中的驅(qū)動電路所有半導(dǎo)體器件都是完全國產(chǎn)化的，還有各種邏輯運算電路，同時還有電容耦合而構(gòu)成的計數(shù)器，各種觸發(fā)器以及分配器。 。至 80年代中期以來，由于直流電機精確模型做了大量研究工作，各種混合式直流電機及驅(qū)動器作為產(chǎn)品廣泛利用。在國外在一種減小成本等問題上，提出了更為嚴格的要求，各種電路的成本，效率等一些列工業(yè)化需求上，要求更為廉價的產(chǎn)品的出現(xiàn)，但同時需要增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性和產(chǎn)品要求，直流電機還有廣泛的應(yīng)用市場，但是大扭矩直流電機相比直流電動機成本較高，素以直流電機技術(shù)和經(jīng)濟指標高。一些少數(shù)高級的應(yīng)用，就用空心轉(zhuǎn)杯電機，交流電機。國外在小功率的場合，還使用直流電機，例如一些工業(yè)器材，工業(yè)生產(chǎn)裝備，打印機，復(fù)印件，速印機，銀行自動柜員機。目前,生產(chǎn)直流電機的廠家的確不少，但具有專業(yè)技術(shù)人員，能夠自行開發(fā)，研制的廠家卻非常少，大部分的廠家只一、二十人，連最基本的設(shè)備都沒有。僅僅處于一種盲目的仿制階段。這就給戶在產(chǎn)品選型、使用中造成許多麻煩。雖然直流電機已被廣泛地應(yīng)用，但直流電機并不能象普通的直流電機，交流電機在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅(qū)動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好直流電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業(yè)知識。1.3 研究的目的與意義近年來，科技發(fā)展的越來越快，直流電機具有良好的起動特性和調(diào)速特性。其中調(diào)速平滑，方便，可實現(xiàn)頻繁的無極快速起動、制動和反轉(zhuǎn)，能承受很大負載，需要滿足生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)各種不同的特殊要求，但是隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，應(yīng)用場合的不斷擴大，從而對直流電機提出了較高的要求，改變電樞回路電合肥師范學院畢業(yè)設(shè)計3阻調(diào)速、改變電壓調(diào)速等技術(shù)已經(jīng)不能完成時代所賦予的任務(wù)了，PWM 波調(diào)速的方法的發(fā)現(xiàn)，滿足了時代的要求。采取傳統(tǒng)的調(diào)速系統(tǒng)主要有以下的缺陷：模擬電路所使用的模擬信號很容易受到干擾，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定，從而很容易隨時間飄移，會產(chǎn)生一些不必要的熱損耗，以及溫度漂移等。而用 PWM技術(shù)后，避免上述的缺點，不僅簡化了電路還實現(xiàn)了通過電力電子器件改變開關(guān)頻率，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性還有抗干擾能力。同時還有模擬信號的不穩(wěn)定性很好地被數(shù)字信號所取代，很大程度地節(jié)約了成本。隨著我國經(jīng)濟和文化事業(yè)的發(fā)展，科技的進步，在很多場合，都要求有直流電機PWM調(diào)速系統(tǒng)來進行調(diào)速，諸如汽車行業(yè)中的各種風扇、刮水器、噴水泵、熄火器、反視鏡、賓館中的自動門、自動門鎖、自動窗簾、自動給水系統(tǒng)、柔巾機、導(dǎo)彈、火炮、人造衛(wèi)星、宇宙飛船、艦艇、飛機、坦克、火箭、雷達、戰(zhàn)車等場合。2 系統(tǒng)總體設(shè)計2.1 設(shè)計要求本論文所選的直流電機，鍵盤向單片機輸入相應(yīng)控制指令，由單片機通過 P2.3與 P2.4其中一口輸出與轉(zhuǎn)速相應(yīng)的 PWM脈沖，另一口輸出低電平，經(jīng)過信號放大、驅(qū)動 H型橋式電動機控制電路，實現(xiàn)電動機轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速的控制本設(shè)計的目的是以單片機為核心設(shè)計出一個單片機控制直流電機的控制系統(tǒng)。主要實現(xiàn)功能：5個按鍵控制整個電路，對應(yīng)功能分別是：正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、復(fù)位、速度加、速度減；合肥師范學院畢業(yè)設(shè)計42.2 系統(tǒng)設(shè)計方案2.2.1 系統(tǒng)框圖硬件主要以單片機為核心，本次設(shè)計選用的直流電機，通過軟件和硬件的結(jié)合改變 PWM波控制直流電機的啟停、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速功能。主要通過三大塊來設(shè)計，包括驅(qū)動電路的設(shè)計和按鍵部分是設(shè)計。本設(shè)計的系統(tǒng)總框圖如圖 2-1所示電源模塊鍵盤控制模塊單片機 電機驅(qū)動模塊圖 2-1 總體設(shè)計框圖2.2.2 主控芯片選擇單片機在中國市場上任然是應(yīng)用最廣泛的一種芯片，其作為微型計算機的一個重要分支，在控制領(lǐng)域里應(yīng)用及其廣泛，故也可稱為微控制器。大多數(shù)單片機都是由集成電路芯片組成，內(nèi)部包含著計算機的基本功能部件，如處理器，存儲器和I/O接口電路等。通過擴張的外圍設(shè)備組成一個完整的控制系統(tǒng)。然而單片機往往不能滿足控制系統(tǒng)的要求，需要增強單片機的性能，從而市場上出現(xiàn)了各種增強型單片機來滿足市場的要求。有增加 ROM來增強速度，有改變工作電壓來增強穩(wěn)定性，有的也增強輔助功能，如增加各種接口等輔助模塊來增強其性能。單片機在相對發(fā)展時間上看上去，發(fā)展時間較長，從最初可以支持簡單易學的編程語合肥師范學院畢業(yè)設(shè)計5言，從匯編到現(xiàn)在的 C語言等其他單片機支持的語言，同時還有各種編程與其相適應(yīng)的工具，并有大量的知道資料，指引其適合市場發(fā)展。同時單片機可以在大多數(shù)溫度下工作，并且較穩(wěn)定和一定的抗干擾能力。單片機在工業(yè)上，商業(yè)上，軍工產(chǎn)品上使用在功耗和抗干擾方面，本控制系統(tǒng)的要求都不高，一般的單片機芯片都能滿足要求。鑒于以上單片機的有點，STC89C51 單片機具有單片機的優(yōu)點同時兼容性比較好，因此作為主控芯片，且足夠本設(shè)計運行，且價格便宜，下載程序方便。2.2.3 電機調(diào)速模塊的選擇方案一：可以采用電阻網(wǎng)絡(luò)或數(shù)字電位器改變直流電機的電壓，從而達到調(diào)速的目的。但是又具有局限性，電阻網(wǎng)絡(luò)只能實現(xiàn)有級調(diào)速，而數(shù)字電阻的元器件價格比較昂貴。然而最大的局限性在于大多數(shù)電動機的電阻很小，但電流很大；這樣分壓不僅會降低直流電機的工作效率，而且在大多數(shù)情況下很難實現(xiàn)。方案二：繼電器的出現(xiàn)，出現(xiàn)了對電動機新的控制方法，對電動機開或關(guān)進行控制，速度的變換可以通過控制器的開合關(guān)來控制。但是也有其優(yōu)缺點，優(yōu)點是電路較為簡單，但是響應(yīng)時間慢、機械結(jié)構(gòu)易損壞、壽命較短、可靠性不高也成為了它的致命缺點。方案三：還有采用由晶閘管和二極管組成的 H 型 PWM 電路。晶閘管和二極管的組合導(dǎo)通狀態(tài)，使之工作在占空比可調(diào)的開關(guān)狀態(tài)，電動機的轉(zhuǎn)速和方向被控制，不同狀況下，H 型電路工作效率不同，在飽和截止狀態(tài)下，能實現(xiàn)電機很好地控制，電子器件的使用，極大地提高了控制速度和穩(wěn)定性，是一種被廣泛采用的一種 PWM 調(diào)速技術(shù)。對于上面三種方案的分析可知，方案三具有很好地適用于本系統(tǒng)的設(shè)計，能滿足設(shè)計的要求，能提高其系統(tǒng)的各種性能。合肥師范學院畢業(yè)設(shè)計62.2.4PWM 調(diào)速方式的選擇脈寬調(diào)制（PWM）：脈寬調(diào)制是一種新型控制方法，是一種不改變脈沖周期，只改變輸出電壓半個周期內(nèi)，改變其寬度并與整個周期內(nèi)形成一個占空比，在改變占空比的時候，實現(xiàn)控制效果。但是在此期間電壓的幅值不變的情況下，實現(xiàn)變壓的效果。如果改變周期，就可以實現(xiàn)變頻變壓。這種方法稱為 PWM（Pule Width Modulation）調(diào)制，PWM 調(diào)制可以直接在逆變器中完成電壓與頻率的同時變化，控制電路比較簡單。方案一：雙極性工作制。雙極性工作制是指一個脈沖周期內(nèi)，電機的轉(zhuǎn)速和方向通過兩個高低信號的切換來改變，單片機輸出信號帶達到這種目的。方案二：單極性工作制。這種方法雖然也是兩個控制輸出，但是兩個輸出信號形式的不同來改變電機的轉(zhuǎn)速和方向。通過兩口的低電平和 PWM 波的切換來改變。從上面的分析上看，鑒于操作應(yīng)該簡單等要求，可以使用單極性工作制。3 系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1 最小系統(tǒng)設(shè)計單片機最小系統(tǒng)，或者稱為最小應(yīng)用系統(tǒng)，是指用最少的元件組成的單片機可以工作的系統(tǒng)。對 51 系列單片機來說，最小系統(tǒng)一般應(yīng)該包括:單片機、晶振電路、復(fù)位電路。下面給出一個 51 單片機的最小系統(tǒng)電路圖。合肥師范學院畢業(yè)設(shè)計7P101P112P123P134P145P156P167P178RST9P3010P3111P3212P3313P3414P3515P3616P3717XTAL118XTAL219GND20 P20 21P21 22P22 23P23 24P24 25P25 26P26 27P27 28PS EN 29ALE 30EA 31VCC 40P00 39P01 38P02 37P03 36P04 35P05 34P06 33P07 32U1STC89C52R1220R2100SFSW-PBP30P31Y1CRYSTALC130pFC230pFC31uFVCC圖 3-1 單片機的最小系統(tǒng)3.1.1 復(fù)位電路單片機在系統(tǒng)運行過程中，不同的工作電壓可以達到不同的效果，保持工作時的一個電壓，若超過或者低于一定范圍內(nèi)的電壓單片機才能正常工作，因此在某個范圍的電壓稱為復(fù)位電壓，通常單片機內(nèi)都是時序數(shù)字電路，因此超過復(fù)位電壓或者低于復(fù)位電壓，單片機才能有穩(wěn)定的時鐘信號，才能正常工作。單片機復(fù)位在系統(tǒng)中極其重要，就好像電腦死機一樣，必須需要重啟功能才能恢復(fù)系統(tǒng)的正常運行，單片機也一樣，當系統(tǒng)程序跑飛等其他情況就需要使程序重新開始運行，從而使系統(tǒng)穩(wěn)定。復(fù)位電路由按鍵復(fù)位和上電復(fù)位兩部分組成。(1)上電復(fù)位：上電復(fù)位顧名思義為高電平復(fù)位，當復(fù)位引腳接入一定電壓，并和電阻、電容形成一個回路，保證在商店過程中形成高電平，通常電阻和電容的典型值為 10K 和 10uF。(2)按鍵復(fù)位：是指在鍵盤操作下形成高電平，也就是相當于有一個開關(guān)，開關(guān)的閉合與否決定了復(fù)位引腳是否為高電平，其中電路中有一個電容，通過電壓的充電來保持單片機復(fù)位。本系統(tǒng)采用按鍵復(fù)位，在單片機啟動 0.1S 后，電容 C 兩端的電壓持續(xù)充電為5V，這是時候 10K 電阻兩端的電壓接近于 0V，RST 處于低電平所以系統(tǒng)正常工作。當按鍵按下的時候，開關(guān)導(dǎo)通，這個時候電容兩端形成了一個回路，電容被短路，所合肥師范學院畢業(yè)設(shè)計8以在按鍵按下的這個過程中，電容開始釋放之前充的電量。隨著時間的推移，電容的電壓在 0.1S 內(nèi)，從 5V 釋放到變?yōu)榱?1.5V，甚至更小。根據(jù)串聯(lián)電路電壓為各處之和，這個時候 10K 電阻兩端的電壓為 3.5V，甚至更大，所以 RST 引腳又接收到高電平。單片機系統(tǒng)自動復(fù)位。3.1.2 晶振電路晶振是電路中常用用的時鐘元件,全稱是叫晶體震蕩器，在單片機系統(tǒng)里晶振的作用非常大，他結(jié)合單片機內(nèi)部的電路，產(chǎn)生單片機所必須的時鐘頻率，單片機的一切指令的執(zhí)行都是建立在這個基礎(chǔ)上的，晶振的提供的時鐘頻率越高，那單片機的運行速度也就越快。晶振的使用，使單片機在運行過程中擁有穩(wěn)定的狀態(tài)，晶振的作用是為系統(tǒng)提供基本的時鐘信號。晶振作為系統(tǒng)的時鐘信號，通常與單片機系統(tǒng)內(nèi)各部分保持同步。 晶振通常與鎖相環(huán)電路配合使用，以提供系統(tǒng)所需的時鐘頻率。如果不同子系統(tǒng)需要不同頻率的時鐘信號，可以用與同一個晶振相連的不同鎖相環(huán)來提供單片機的腳 XTAL0 和腳 XTAL1 構(gòu)成的振蕩電路時，晶振組成的電路是系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生不穩(wěn)定因素，但是不影響系統(tǒng)內(nèi)部的穩(wěn)定，改變這種情況，通常運用電容來改變和消除諧波。3.2 鍵盤控制電路鍵盤相當于人的眼睛，鍵盤在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中能實現(xiàn)向單片機輸入數(shù)據(jù)、傳送命令等功能，是人工干預(yù)單片機的主要手段。但是鍵盤實質(zhì)是一組按鍵開關(guān)的集合。通過運用機械原理的開關(guān)來達到控制的效果，在實際情況中防止鍵盤的震蕩，因為機械方面的原因，在按鍵盤過程中，由于時間和機械原因，會產(chǎn)生一定的抖動，按下時和松開始均產(chǎn)生抖動且為無效狀態(tài)，在其兩者時間差中才可以產(chǎn)生有效狀態(tài)，因此需要一個延時狀態(tài)，來消除抖動。根據(jù)按鍵的閉合與否，反映在輸出電壓上就是呈現(xiàn)出高電平或低電平。輸出電壓的檢測，便可以判斷鍵盤按鍵是否按下，但是必須擁有用一定的方法對鍵盤進行掃描。在本設(shè)計的系統(tǒng)中，鍵盤的按鍵是否按下及其機械原因，為了防止外界條件的干擾，合肥師范學院畢業(yè)設(shè)計9確保每次按鍵有效，必須要消除抖動?，F(xiàn)在主要消除按鍵抖動有硬件、軟件兩種方法。但是硬件消抖電路設(shè)計復(fù)雜，且不合實際情況，在此不再詳細敘述；然而軟件消抖適合按鍵較多的情況，方便簡單。其原理是在第一次檢測到有鍵按下時，執(zhí)行一段延時程序后在確認該鍵電平是否仍保持閉合狀態(tài)電平，如果保持閉合狀態(tài)電平則確認為真正有鍵按下，從而消除了抖動的影響。其原理圖如圖 3.2 所示:圖 3-2 鍵盤控制模塊原理圖3.3 直流電機電機驅(qū)動電路合肥師范學院畢業(yè)設(shè)計10電動機 PWM驅(qū)動模塊的電路設(shè)計與實現(xiàn)具體電路見下圖。本電路采用的是基于 PWM原理的 H型橋式驅(qū)動電路。4 系統(tǒng)軟件設(shè)計電機控制系統(tǒng)的軟件需要同時完成讀取鍵盤、處理鍵盤、控制直流電機電機轉(zhuǎn)動等任務(wù)，這就必須通過中斷技術(shù)來實現(xiàn)。在本設(shè)計中，主程序采用查詢方式掃描鍵盤端口，檢測按鍵動作是否發(fā)生，若有按鍵動作則處理鍵盤，根據(jù)按鍵值修改相應(yīng)參數(shù)值，實現(xiàn)鍵盤的實時處理功能。定時器 0 中斷服務(wù)程序控制直流電機的轉(zhuǎn)動；根據(jù)轉(zhuǎn)動方向控制位的值，控制脈沖信號循環(huán)移動的方向，達到對轉(zhuǎn)動方向控制的目的。合肥師范學院畢業(yè)設(shè)計114.1 主程序流程圖系統(tǒng)分為電機正轉(zhuǎn)、電機反轉(zhuǎn)、電機加速與電機減速的幾部分組成，其主程序框圖如圖 4-1所示：開始初始化調(diào)按鍵 ， 顯示子查詢調(diào)用正反轉(zhuǎn) 按鍵子程序調(diào)用加減速子程序停止圖 4-1 直流電機主程序流程圖合肥師范學院畢業(yè)設(shè)計124.2 讀按鍵子程序流程圖按鍵采用掃描的方法，掃描時間的不同和不同時間的檢測與初始值相比，如果相等則說明沒有鍵按下，不相等則表示已經(jīng)按了但是需要一定的時間來判斷，以便確認是否真的有鍵按下。延時 10ms 后再次掃描，第二次與初始值比較，若相等則表明前一次比較不相等是由抖動產(chǎn)生；如果相等則表明確實有鍵按下。執(zhí)行鍵盤之程序里的指令，將相應(yīng)的變量值改變，為鍵盤處理子程序做準備。如圖 4-2 所示:啟動是否有按鍵按下處理子程序是否圖 4-2 掃描鍵盤字程序流程圖合肥師范學院畢業(yè)設(shè)計134.3 按鍵處理子程序流程圖按鍵處理子程序流程圖如圖 4-3 所示：開始占空比 5 0 %加速鍵按下減速鍵按下結(jié)束增加占空比減小占空比否否是是圖 4-3 鍵盤處理子程序流程圖直流電機的啟停控制通過啟停定時器 T0來實現(xiàn)，因為定時器 T0控制著脈沖信號的輸出，關(guān)閉定時器 T0也就阻止了脈沖信號的輸出。合肥師范學院畢業(yè)設(shè)計144.4 電機控制中斷程序流程圖定時器中斷 0 服務(wù)程序流程圖如圖 4-4 所示:開始設(shè)置 T 0 時間參數(shù)判斷按鍵有控制位輸出脈中退出圖 4-4 定時器中斷 0服務(wù)程序流程圖定時器中斷 0服務(wù)程序的中斷時間由當前的轉(zhuǎn)速決定。進入中斷程序后，首先要保護現(xiàn)場，再根據(jù)當前值設(shè)置 TH0和 TL0的值。然后判斷轉(zhuǎn)動方向控制位的值，最后恢復(fù)現(xiàn)場，返回，等待下次中斷。通過用當前轉(zhuǎn)速控制中斷時間，控制了脈沖的輸出頻率，也就到達了直流電機轉(zhuǎn)動速度的目的；通過檢測方向控制位的電平，控制了直流各引出端的接通順序，也就到實現(xiàn)了直流電機轉(zhuǎn)動方向的控制。合肥師范學院畢業(yè)設(shè)計155 系統(tǒng)調(diào)試與改進5.1 調(diào)試與改進軟件測試的時候也有些問題，主要有：1.軟件去抖方式，和時間的控制。2.控制直流電機轉(zhuǎn)動的程序段完成后，調(diào)試發(fā)現(xiàn)對直流電機速度的控制范圍過小，查閱資料后發(fā)現(xiàn)設(shè)計思路不太合理，原先的設(shè)計思路是用主程序控制直流電機轉(zhuǎn)動，采用延時方式控制直流電機速度，由定時器處理鍵盤；改進程序，主程序用來處理鍵盤，由定時器控制直流電機轉(zhuǎn)動，直流電機轉(zhuǎn)動速度由定時器定時時間決定。問題得到解決，不僅擴大了直流電機速度的控制范圍，也使得單片機對直流電機速度的控制更加精確。由于編譯只能檢查是否存在語法錯誤，所以還要看是否存在邏輯錯誤。程序修改好以后，當顯示編譯 0錯誤，0 警告的時候，這說明已經(jīng)沒有語法錯誤了，是否有邏輯錯誤還要看接上電路板通過仿真以后，直流電機能否正常轉(zhuǎn)動，顯示是否正常。合肥師范學院畢業(yè)設(shè)計165.2 運行結(jié)果電機正轉(zhuǎn)合肥師范學院畢業(yè)設(shè)計17電機反轉(zhuǎn)合肥師范學院畢業(yè)設(shè)計18電機停止合肥師范學院畢業(yè)設(shè)計19結(jié)論與展望在把理論設(shè)計轉(zhuǎn)換成實物的整個過程，如：電路設(shè)計、分析計算、畫電路圖、焊接電路、檢查調(diào)試、軟件流程控制設(shè)計分析、編寫調(diào)試軟件、燒寫軟件到整個軟硬件系統(tǒng)的調(diào)試，最后直到系統(tǒng)完成。其中整個系統(tǒng)的前期準備是首先必須做到位的，如控制什么、用什么控制、得到什么結(jié)果，進而對各部分應(yīng)選擇具體的芯片作進一步的考慮，以使系統(tǒng)得到最優(yōu)的表現(xiàn)。通過本課題，一方面我在查閱資料的基礎(chǔ)上，了解 STC89C51單片機控制的一些基本技術(shù)，掌握其控制系統(tǒng)的分析方法與實現(xiàn)方法,能對單片機外圍電路設(shè)計進行系統(tǒng)學習與掌握；另一方面，在設(shè)計直流電機控制系統(tǒng)的硬件電路，控制程序和相應(yīng)的電路圖時，應(yīng)充分運用說學知識，善于思考，琢磨，分析。我們的學習不但要立足于書本，以解決理論和實際教學中的實際問題為目的，還要以實踐相結(jié)合，理論問題即實踐課題，解決問題即課程研究，學生自己就是一個專家，通過自己的手來解決問題比用腦子解決問題更加深刻。學習就應(yīng)該采取理論與實踐結(jié)合的方式，理論的問題，也就是實踐性的課題。這種做法既有助于完成理論知識的鞏固，又有助于帶動實踐，解決實際問題，加強我們的動手能力和解決問題的能力。合肥師范學院畢業(yè)設(shè)計20致謝這次畢業(yè)設(shè)計，凝結(jié)了很多人的心血，在此我表示由衷的感謝。沒有他們的幫助，我將無法順利完成這次設(shè)計。首先，我要特別感謝老師對我的悉心指導(dǎo)，在畢業(yè)設(shè)計期間曲老師指導(dǎo)我、幫助我收集文獻資料，理清設(shè)計思路，完善操作方法，并對我所做的設(shè)計提出有效的改進方案。老師淵博的知識、嚴謹?shù)淖黠L、誨人不倦的態(tài)度和學術(shù)上精益求精的精神讓我受益終生。作 為一個本科生的畢業(yè)設(shè)計，由于經(jīng)驗的匱乏，難免有許多考慮不周全的地方，如果沒有導(dǎo)師的督促指導(dǎo)，想要完成這個設(shè)計是難以想象的。因此，特別需要感謝曲培新老師給予的耐心細致的指導(dǎo)，在此，再一次向曲培新教師以及關(guān)心幫助我的教師同學表示最誠摯的謝意！其次，學校在這方面也給我們提供了很大的支持和幫助，學校領(lǐng)導(dǎo)比較重視，每個設(shè)計小組配有專門的指導(dǎo)老師，幫助我們能順利完成整個設(shè)計。對于學校和老師為我的畢業(yè)設(shè)計所提供的極大幫助和關(guān)心，在此我致以衷心的感謝！最后，通過這一段時間的學習，鞏固了以前學的知識，為更好走入社會。同時也要感謝身邊朋友的熱心幫助，沒有你們的關(guān)心與支持，我不可能這么快完成我的畢業(yè)設(shè)計！這幾個月的歲月是我學生生涯中最有價值的一段時光，也將會成為我以后永遠的美好的回憶，在這里有治學嚴謹而不失親切的老師，也有互相幫助情同骨肉的同學，更有和諧、融洽的學習生活氛圍，這里將是我永遠向往的地方。借此論文之際，我想向所有人表達我的最誠摯的謝意，愿我們將來都越來越好。合肥師范學院畢業(yè)設(shè)計21參考文獻[1]張友德等，單片機原理應(yīng)用與實驗[M]，復(fù)旦大學出版社 1992.[2]張毅剛，彭喜源，譚曉鈞，曲春波.MCS－51 單片機應(yīng)用設(shè)計[M]. 哈爾濱工業(yè)大學出版社 2001.1.[3]宋慶環(huán)，才衛(wèi)國，高志，89C51 單片機在直流電動機調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用[M]。唐山學院，2008.4[4]陳 錕 危立輝，基于單片機的直流電機調(diào)速器控制電路[J]，中南民族大學學報(自然科學版)，2003.9.[5]李維軍 韓小剛 李 晉，基于單片機用軟件實現(xiàn)直流電機 PWM 調(diào)速系統(tǒng)[J]，維普資訊，2007.9[6]曹巧媛.單片機原理及應(yīng)用[M].北京，電子工業(yè)出版社，1997.[7]劉大茂，嚴飛.單片機應(yīng)用系統(tǒng)監(jiān)控主程序的設(shè)計方法[J].福州大學學報(自然科學福建農(nóng)林大學碩士論文版)，1998.2.合肥師范學院畢業(yè)設(shè)計22附錄 A：系統(tǒng)原理圖3KR12QS8054VC9v6DPWMFZ OT./I7EXLNUYpu-BinGd+fazhjtge合肥師范學院畢業(yè)設(shè)計23附錄 B：系統(tǒng) PCB 圖合肥師范學院畢業(yè)設(shè)計24附錄 C：系統(tǒng)源程序#include #define uchar unsigned char//數(shù)據(jù)類型宏定義#define uint unsigned intsbit key1 = P3^1; //定義加速按鍵sbit key2 = P3^2; //定義減速按鍵sbit key3 = P3^3; //定義正轉(zhuǎn)按鍵sbit key4 = P3^4; //定義反轉(zhuǎn)按鍵sbit key5 = P3^5; //定義停止按鍵sbit PWMZ = P2^3; //定義調(diào)速端口sbit PWMF = P2^4; //定義調(diào)速端口unsigned char CYCLE; //定義周期 該數(shù)字 X 基準定時時間 如果是 10 則周期是 10 x 0.1msunsigned char PWM_ON ;//定義高電平時間uchar flag;/******************************************************************//* 延時函數(shù) Xms *//******************************************************************/void delay(uint z){uint x,y;for(x=z;x0;x--)for(y=110;y0;y--);}/******************************************************************//* 獨立鍵盤掃描函數(shù) *//******************************************************************/void keyscan() {P3=0xff;//拉高 P3 口，以讀取 P3 口的值if(key1==0)//鍵 1 被按下{delay(5);//延時消抖if(key1==0){PWM_ON++;if(PWM_ON=CYCLE)PWM_ON=CYCLE;合肥師范學院畢業(yè)設(shè)計25}while(!key1);delay(5);//延時消抖while(!key1);//松手檢測}if(key2==0){delay(5);if(key2==0){PWM_ON--;if(PWM_ON=1)PWM_ON=1;}while(!key2);delay(5);while(!key2);}if(key3==0)//鍵 3 被按下{delay(5);if(key3==0){flag=1;TR0=1;PWMF = 0;}while(!key3);delay(5);//延時消抖while(!key3);//松手檢測}if(key4==0){delay(5);if(key4==0){flag=0;TR0=1;PWMZ=0;}while(!key4);delay(5);while(!key4);}if(key5==0){delay(5);if(key5==0){TR0=0;PWMZ = 0; PWMF = 0;}while(!key5);delay(5);while(!key5);}合肥師范學院畢業(yè)設(shè)計本科畢業(yè)論文（設(shè)計）(2015 屆)PWM 數(shù)字直流電機調(diào)速院 系 電子信息工程學院 專 業(yè) 電氣工程及其自動化 姓 名 指導(dǎo)教師 2014 年 5 月學號：1108441029合肥師范學院畢業(yè)設(shè)計II目 錄目 錄 .II摘 要 1ABSTRACT21緒論 31.1 研究背景 .31.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 .21.3 研究的目的與意義 32系統(tǒng)總體設(shè)計 32.1 設(shè)計要求 32.2 系統(tǒng)設(shè)計方案 42.2.1 系統(tǒng)框圖 42.2.2 主控芯片選擇 42.2.3 電機調(diào)速模塊的選擇 52.2.4PWM 調(diào)速方式的選擇 .63系統(tǒng)硬件設(shè)計 63.1 最小系統(tǒng)設(shè)計 .63.1.1 復(fù)位電路 73.1.2 晶振電路 83.2 鍵盤控制電路 .93.3 直流電機電機驅(qū)動電路 .104系統(tǒng)軟件設(shè)計 .114.1 主程序流程圖 .114.2 讀按鍵子程序流程圖 12合肥師范學院畢業(yè)設(shè)計III4.3 按鍵處理子程序流程圖 .134.4 電機控制中斷程序流程圖 145系統(tǒng)調(diào)試與改進 .155.1 調(diào)試與改進 .155.2 運行結(jié)果 .16結(jié)論與展望 .19致謝 .20參考文獻 .21附錄 A：系統(tǒng)原理圖 .22附錄 B：系統(tǒng) PCB圖 .23附錄 C：系統(tǒng)源程序 .24合肥師范學院畢業(yè)設(shè)計1摘 要本文是基于對直流電機 PWM 調(diào)速器設(shè)計的研究，主要實現(xiàn)對直流電機的控制。本設(shè)計主要是實現(xiàn) PWM 調(diào)速器的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、減速、加速、停止的五大操作。并實現(xiàn)電路的仿真并設(shè)計實際電路進行控制。為實現(xiàn)系統(tǒng)的微機控制，在設(shè)計中，采用了 STC89C51單片機作為整個控制系統(tǒng)的控制電路的核心部分，驅(qū)動模塊，實現(xiàn)通過 PWM 波對電動機轉(zhuǎn)速參數(shù)的改變和測量；由命令輸入模塊、H 型驅(qū)動模塊組成。采用帶中斷的獨立式鍵盤作為命令的輸入，單片機在程序控制下，不斷給電路發(fā)送 PWM 波形，完成電機正反轉(zhuǎn)控制.是通過 H 型驅(qū)動電路，采用 PWM 調(diào)速方式，通過改變 PWM 的占空比從而改變電動機的電樞電壓，進而實現(xiàn)對電動機的調(diào)速。設(shè)計的整個控制系統(tǒng)，在硬件結(jié)構(gòu)上采用了大量的集成電路模塊，大大簡化硬件電路，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，使整個系統(tǒng)的性能得到提高。合肥師范學院畢業(yè)設(shè)計2AbstractThis article is a DC motor PWM speed control design study, the main achievement of motor control. This course is primarily designed to achieve PWM speed controller for forward and reverse, acceleration, deceleration, and stop such an operation. And to achieve the circuit simulation. To achieve system, microcomputer control, in the design, using STC89C51 microcontroller control system as a whole, the core of the control circuit drive module enables the motor speed parameter display and measurement; from the command input module, Optical isolation module and H-drive module. With the stand-alone keyboard with a break as a command input, single-chip in the process control, continuing to the optical isolation circuit to send PWM waveform, H-type motor driving circuit to complete positive inversion control. In the design, using PWM speed mode, by changing the PWM duty cycle to change the motor armature voltage, so as to realize the speed of the motor. Design of the control system hardware structure with a large number of integrated circuit modules, greatly simplifying the hardware circuitry to improve stability and reliability of the system so that the whole system performance is improved.Key words: STC89C51 microcontroller; PWM speed; positive inversion control合肥師范學院畢業(yè)設(shè)計31 緒論1.1 研究背景在電氣行業(yè)中，隨著各項技術(shù)水平的不斷提高，使得傳統(tǒng)工藝有了深層次的提高，對人類的生產(chǎn)與生活，產(chǎn)生了深刻且深遠的影響，已經(jīng)與我們息息相關(guān)。當需要良好的啟動，制動性能，并需要大范圍內(nèi)平滑調(diào)速時，直流電機是一個很好地選擇，因此在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。而且從自動控制的角度看 ，直流調(diào)速還是交流調(diào)速，電機拖動與基礎(chǔ)都是該領(lǐng)域的基礎(chǔ)。由模擬電路、運算放大器、非線性集成電路以及少量的數(shù)字電路組成的直流電機調(diào)速控制系統(tǒng)大多數(shù)都為早期的控制系統(tǒng),控制系統(tǒng)的硬件部分非常復(fù)雜,功能單一,而且系統(tǒng)非常不靈活、調(diào)試困難, 觸發(fā)精度易受電網(wǎng)電壓波動的影響，觸發(fā)脈沖不對稱度較大，調(diào)節(jié)器中的運算放大器，因網(wǎng)壓和溫度變化引起的漂移會產(chǎn)生運算誤差，模擬器件老化也會引起運算誤差，甚至使已經(jīng)整定好的系統(tǒng)性能變差，這些都使直流電機控制技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用范圍被阻礙。隨著單片機及一系列可編程邏輯控制器的發(fā)展，許多控制功能及其算法，均可使用軟件技術(shù)來完成，大大的提高了電機控制的靈活性，快速性，使系統(tǒng)變得更加穩(wěn)定而且使系統(tǒng)能達到了更高的性能,從而大大節(jié)約了人力資源,降低了系統(tǒng)成本,有效地提高了工作效率。單片機具有小巧靈活、成本低、易于產(chǎn)品化、可靠性好、適應(yīng)溫度范圍寬、易擴展、控制功能強等優(yōu)點，模擬電路常常有復(fù)雜的電路功能，如果構(gòu)成控制器，就需要很多電子元件，單片機的使用，很好地改變了這種現(xiàn)狀，電路簡單，成為了很大的優(yōu)點，單片機形成的控制器，可以使用軟件實現(xiàn)復(fù)雜的控制。單片機內(nèi)部就像計算機一樣，有很強的邏輯功能，而且運算速度快，擁有大量的存儲單元。單片機的控制系統(tǒng)有較好的靈活性。同時可以適應(yīng)在系統(tǒng)改變時，可以實現(xiàn)不同功能，實現(xiàn)不斷變換參數(shù)，使系統(tǒng)更優(yōu)化。在此期間改變系統(tǒng)的功能，同時可以實現(xiàn)數(shù)字化控制，減小模擬信號控制間相互干擾，減小模擬信號產(chǎn)生溫漂等不穩(wěn)定因素。單片機的使用有效的改變了零點漂移問題,無合肥師范學院畢業(yè)設(shè)計2論被控量的大小,都可以保證足夠的控制精度可提供人機界面,多機聯(lián)網(wǎng)工作等優(yōu)點。所以在電氣傳動實時控制系統(tǒng)中受到重視和普遍應(yīng)用。利用單片機邏輯功能強和軟件靈活的優(yōu)點，不僅可使很多控制硬件軟件化，便于參數(shù)的設(shè)定和調(diào)整，而且可以同時對系統(tǒng)工作中的各種信息數(shù)據(jù)進行診斷、檢測和及時處理，加強了實時維護和提高了控制系統(tǒng)的可靠性。它的發(fā)展趨勢將是向大容量、高性能化、外圍電路內(nèi)裝化等方面發(fā)展。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀我國直流電機的研究及制造起始于建國初期，從 50年代后期到 60年代后期，主要是高等院校和科研機構(gòu)為研究一些裝置而使用或開發(fā)少量產(chǎn)品。我國在建國初期后開始大量生產(chǎn)和應(yīng)用直流電機，例如江蘇、浙江、北京、南京、四川等各地都有投入生產(chǎn)，而且都在各行業(yè)使用，其中的驅(qū)動電路所有半導(dǎo)體器件都是完全國產(chǎn)化的，還有各種邏輯運算電路，同時還有電容耦合而構(gòu)成的計數(shù)器，各種觸發(fā)器以及分配器。 。至 80年代中期以來，由于直流電機精確模型做了大量研究工作，各種混合式直流電機及驅(qū)動器作為產(chǎn)品廣泛利用。在國外在一種減小成本等問題上，提出了更為嚴格的要求，各種電路的成本，效率等一些列工業(yè)化需求上，要求更為廉價的產(chǎn)品的出現(xiàn)，但同時需要增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性和產(chǎn)品要求，直流電機還有廣泛的應(yīng)用市場，但是大扭矩直流電機相比直流電動機成本較高，素以直流電機技術(shù)和經(jīng)濟指標高。一些少數(shù)高級的應(yīng)用，就用空心轉(zhuǎn)杯電機，交流電機。國外在小功率的場合，還使用直流電機，例如一些工業(yè)器材，工業(yè)生產(chǎn)裝備，打印機，復(fù)印件，速印機，銀行自動柜員機。目前,生產(chǎn)直流電機的廠家的確不少，但具有專業(yè)技術(shù)人員，能夠自行開發(fā)，研制的廠家卻非常少，大部分的廠家只一、二十人，連最基本的設(shè)備都沒有。僅僅處于一種盲目的仿制階段。這就給戶在產(chǎn)品選型、使用中造成許多麻煩。雖然直流電機已被廣泛地應(yīng)用，但直流電機并不能象普通的直流電機，交流電機在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅(qū)動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好直流電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業(yè)知識。1.3 研究的目的與意義近年來，科技發(fā)展的越來越快，直流電機具有良好的起動特性和調(diào)速特性。其中調(diào)速平滑，方便，可實現(xiàn)頻繁的無極快速起動、制動和反轉(zhuǎn)，能承受很大負載，需要滿足生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)各種不同的特殊要求，但是隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，應(yīng)用場合的不斷擴大，從而對直流電機提出了較高的要求，改變電樞回路電合肥師范學院畢業(yè)設(shè)計3阻調(diào)速、改變電壓調(diào)速等技術(shù)已經(jīng)不能完成時代所賦予的任務(wù)了，PWM 波調(diào)速的方法的發(fā)現(xiàn)，滿足了時代的要求。采取傳統(tǒng)的調(diào)速系統(tǒng)主要有以下的缺陷：模擬電路所使用的模擬信號很容易受到干擾，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定，從而很容易隨時間飄移，會產(chǎn)生一些不必要的熱損耗，以及溫度漂移等。而用 PWM技術(shù)后，避免上述的缺點，不僅簡化了電路還實現(xiàn)了通過電力電子器件改變開關(guān)頻率，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性還有抗干擾能力。同時還有模擬信號的不穩(wěn)定性很好地被數(shù)字信號所取代，很大程度地節(jié)約了成本。隨著我國經(jīng)濟和文化事業(yè)的發(fā)展，科技的進步，在很多場合，都要求有直流電機PWM調(diào)速系統(tǒng)來進行調(diào)速，諸如汽車行業(yè)中的各種風扇、刮水器、噴水泵、熄火器、反視鏡、賓館中的自動門、自動門鎖、自動窗簾、自動給水系統(tǒng)、柔巾機、導(dǎo)彈、火炮、人造衛(wèi)星、宇宙飛船、艦艇、飛機、坦克、火箭、雷達、戰(zhàn)車等場合。2 系統(tǒng)總體設(shè)計2.1 設(shè)計要求本論文所選的直流電機，鍵盤向單片機輸入相應(yīng)控制指令，由單片機通過 P2.3與 P2.4其中一口輸出與轉(zhuǎn)速相應(yīng)的 PWM脈沖，另一口輸出低電平，經(jīng)過信號放大、驅(qū)動 H型橋式電動機控制電路，實現(xiàn)電動機轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速的控制本設(shè)計的目的是以單片機為核心設(shè)計出一個單片機控制直流電機的控制系統(tǒng)。主要實現(xiàn)功能：5個按鍵控制整個電路，對應(yīng)功能分別是：正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、復(fù)位、速度加、速度減；合肥師范學院畢業(yè)設(shè)計42.2 系統(tǒng)設(shè)計方案2.2.1 系統(tǒng)框圖硬件主要以單片機為核心，本次設(shè)計選用的直流電機，通過軟件和硬件的結(jié)合改變 PWM波控制直流電機的啟停、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速功能。主要通過三大塊來設(shè)計，包括驅(qū)動電路的設(shè)計和按鍵部分是設(shè)計。本設(shè)計的系統(tǒng)總框圖如圖 2-1所示電源模塊鍵盤控制模塊單片機 電機驅(qū)動模塊圖 2-1 總體設(shè)計框圖2.2.2 主控芯片選擇單片機在中國市場上任然是應(yīng)用最廣泛的一種芯片，其作為微型計算機的一個重要分支，在控制領(lǐng)域里應(yīng)用及其廣泛，故也可稱為微控制器。大多數(shù)單片機都是由集成電路芯片組成，內(nèi)部包含著計算機的基本功能部件，如處理器，存儲器和I/O接口電路等。通過擴張的外圍設(shè)備組成一個完整的控制系統(tǒng)。然而單片機往往不能滿足控制系統(tǒng)的要求，需要增強單片機的性能，從而市場上出現(xiàn)了各種增強型單片機來滿足市場的要求。有增加 ROM來增強速度，有改變工作電壓來增強穩(wěn)定性，有的也增強輔助功能，如增加各種接口等輔助模塊來增強其性能。單片機在相對發(fā)展時間上看上去，發(fā)展時間較長，從最初可以支持簡單易學的編程語合肥師范學院畢業(yè)設(shè)計5言，從匯編到現(xiàn)在的 C語言等其他單片機支持的語言，同時還有各種編程與其相適應(yīng)的工具，并有大量的知道資料，指引其適合市場發(fā)展。同時單片機可以在大多數(shù)溫度下工作，并且較穩(wěn)定和一定的抗干擾能力。單片機在工業(yè)上，商業(yè)上，軍工產(chǎn)品上使用在功耗和抗干擾方面，本控制系統(tǒng)的要求都不高，一般的單片機芯片都能滿足要求。鑒于以上單片機的有點，STC89C51 單片機具有單片機的優(yōu)點同時兼容性比較好，因此作為主控芯片，且足夠本設(shè)計運行，且價格便宜，下載程序方便。2.2.3 電機調(diào)速模塊的選擇方案一：可以采用電阻網(wǎng)絡(luò)或數(shù)字電位器改變直流電機的電壓，從而達到調(diào)速的目的。但是又具有局限性，電阻網(wǎng)絡(luò)只能實現(xiàn)有級調(diào)速，而數(shù)字電阻的元器件價格比較昂貴。然而最大的局限性在于大多數(shù)電動機的電阻很小，但電流很大；這樣分壓不僅會降低直流電機的工作效率，而且在大多數(shù)情況下很難實現(xiàn)。方案二：繼電器的出現(xiàn)，出現(xiàn)了對電動機新的控制方法，對電動機開或關(guān)進行控制，速度的變換可以通過控制器的開合關(guān)來控制。但是也有其優(yōu)缺點，優(yōu)點是電路較為簡單，但是響應(yīng)時間慢、機械結(jié)構(gòu)易損壞、壽命較短、可靠性不高也成為了它的致命缺點。方案三：還有采用由晶閘管和二極管組成的 H 型 PWM 電路。晶閘管和二極管的組合導(dǎo)通狀態(tài)，使之工作在占空比可調(diào)的開關(guān)狀態(tài)，電動機的轉(zhuǎn)速和方向被控制，不同狀況下，H 型電路工作效率不同，在飽和截止狀態(tài)下，能實現(xiàn)電機很好地控制，電子器件的使用，極大地提高了控制速度和穩(wěn)定性，是一種被廣泛采用的一種 PWM 調(diào)速技術(shù)。對于上面三種方案的分析可知，方案三具有很好地適用于本系統(tǒng)的設(shè)計，能滿足設(shè)計的要求，能提高其系統(tǒng)的各種性能。合肥師范學院畢業(yè)設(shè)計62.2.4PWM 調(diào)速方式的選擇脈寬調(diào)制（PWM）：脈寬調(diào)制是一種新型控制方法，是一種不改變脈沖周期，只改變輸出電壓半個周期內(nèi)，改變其寬度并與整個周期內(nèi)形成一個占空比，在改變占空比的時候，實現(xiàn)控制效果。但是在此期間電壓的幅值不變的情況下，實現(xiàn)變壓的效果。如果改變周期，就可以實現(xiàn)變頻變壓。這種方法稱為 PWM（Pule Width Modulation）調(diào)制，PWM 調(diào)制可以直接在逆變器中完成電壓與頻率的同時變化，控制電路比較簡單。方案一：雙極性工作制。雙極性工作制是指一個脈沖周期內(nèi)，電機的轉(zhuǎn)速和方向通過兩個高低信號的切換來改變，單片機輸出信號帶達到這種目的。方案二：單極性工作制。這種方法雖然也是兩個控制輸出，但是兩個輸出信號形式的不同來改變電機的轉(zhuǎn)速和方向。通過兩口的低電平和 PWM 波的切換來改變。從上面的分析上看，鑒于操作應(yīng)該簡單等要求，可以使用單極性工作制。3 系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1 最小系統(tǒng)設(shè)計單片機最小系統(tǒng)，或者稱為最小應(yīng)用系統(tǒng)，是指用最少的元件組成的單片機可以工作的系統(tǒng)。對 51 系列單片機來說，最小系統(tǒng)一般應(yīng)該包括:單片機、晶振電路、復(fù)位電路。下面給出一個 51 單片機的最小系統(tǒng)電路圖。合肥師范學院畢業(yè)設(shè)計7P101P112P123P134P145P156P167P178RST9P3010P3111P3212P3313P3414P3515P3616P3717XTAL118XTAL219GND20 P20 21P21 22P22 23P23 24P24 25P25 26P26 27P27 28PS EN 29ALE 30EA 31VCC 40P00 39P01 38P02 37P03 36P04 35P05 34P06 33P07 32U1STC89C52R1220R2100SFSW-PBP30P31Y1CRYSTALC130pFC230pFC31uFVCC圖 3-1 單片機的最小系統(tǒng)3.1.1 復(fù)位電路單片機在系統(tǒng)運行過程中，不同的工作電壓可以達到不同的效果，保持工作時的一個電壓，若超過或者低于一定范圍內(nèi)的電壓單片機才能正常工作，因此在某個范圍的電壓稱為復(fù)位電壓，通常單片機內(nèi)都是時序數(shù)字電路，因此超過復(fù)位電壓或者低于復(fù)位電壓，單片機才能有穩(wěn)定的時鐘信號，才能正常工作。單片機復(fù)位在系統(tǒng)中極其重要，就好像電腦死機一樣，必須需要重啟功能才能恢復(fù)系統(tǒng)的正常運行，單片機也一樣，當系統(tǒng)程序跑飛等其他情況就需要使程序重新開始運行，從而使系統(tǒng)穩(wěn)定。復(fù)位電路由按鍵復(fù)位和上電復(fù)位兩部分組成。(1)上電復(fù)位：上電復(fù)位顧名思義為高電平復(fù)位，當復(fù)位引腳接入一定電壓，并和電阻、電容形成一個回路，保證在商店過程中形成高電平，通常電阻和電容的典型值為 10K 和 10uF。(2)按鍵復(fù)位：是指在鍵盤操作下形成高電平，也就是相當于有一個開關(guān)，開關(guān)的閉合與否決定了復(fù)位引腳是否為高電平，其中電路中有一個電容，通過電壓的充電來保持單片機復(fù)位。本系統(tǒng)采用按鍵復(fù)位，在單片機啟動 0.1S 后，電容 C 兩端的電壓持續(xù)充電為5V，這是時候 10K 電阻兩端的電壓接近于 0V，RST 處于低電平所以系統(tǒng)正常工作。當按鍵按下的時候，開關(guān)導(dǎo)通，這個時候電容兩端形成了一個回路，電容被短路，所合肥師范學院畢業(yè)設(shè)計8以在按鍵按下的這個過程中，電容開始釋放之前充的電量。隨著時間的推移，電容的電壓在 0.1S 內(nèi)，從 5V 釋放到變?yōu)榱?1.5V，甚至更小。根據(jù)串聯(lián)電路電壓為各處之和，這個時候 10K 電阻兩端的電壓為 3.5V，甚至更大，所以 RST 引腳又接收到高電平。單片機系統(tǒng)自動復(fù)位。3.1.2 晶振電路晶振是電路中常用用的時鐘元件,全稱是叫晶體震蕩器，在單片機系統(tǒng)里晶振的作用非常大，他結(jié)合單片機內(nèi)部的電路，產(chǎn)生單片機所必須的時鐘頻率，單片機的一切指令的執(zhí)行都是建立在這個基礎(chǔ)上的，晶振的提供的時鐘頻率越高，那單片機的運行速度也就越快。晶振的使用，使單片機在運行過程中擁有穩(wěn)定的狀態(tài)，晶振的作用是為系統(tǒng)提供基本的時鐘信號。晶振作為系統(tǒng)的時鐘信號，通常與單片機系統(tǒng)內(nèi)各部分保持同步。 晶振通常與鎖相環(huán)電路配合使用，以提供系統(tǒng)所需的時鐘頻率。如果不同子系統(tǒng)需要不同頻率的時鐘信號，可以用與同一個晶振相連的不同鎖相環(huán)來提供單片機的腳 XTAL0 和腳 XTAL1 構(gòu)成的振蕩電路時，晶振組成的電路是系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生不穩(wěn)定因素，但是不影響系統(tǒng)內(nèi)部的穩(wěn)定，改變這種情況，通常運用電容來改變和消除諧波。3.2 鍵盤控制電路鍵盤相當于人的眼睛，鍵盤在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中能實現(xiàn)向單片機輸入數(shù)據(jù)、傳送命令等功能，是人工干預(yù)單片機的主要手段。但是鍵盤實質(zhì)是一組按鍵開關(guān)的集合。通過運用機械原理的開關(guān)來達到控制的效果，在實際情況中防止鍵盤的震蕩，因為機械方面的原因，在按鍵盤過程中，由于時間和機械原因，會產(chǎn)生一定的抖動，按下時和松開始均產(chǎn)生抖動且為無效狀態(tài)，在其兩者時間差中才可以產(chǎn)生有效狀態(tài)，因此需要一個延時狀態(tài)，來消除抖動。根據(jù)按鍵的閉合與否，反映在輸出電壓上就是呈現(xiàn)出高電平或低電平。輸出電壓的檢測，便可以判斷鍵盤按鍵是否按下，但是必須擁有用一定的方法對鍵盤進行掃描。在本設(shè)計的系統(tǒng)中，鍵盤的按鍵是否按下及其機械原因，為了防止外界條件的干擾，合肥師范學院畢業(yè)設(shè)計9確保每次按鍵有效，必須要消除抖動。現(xiàn)在主要消除按鍵抖動有硬件、軟件兩種方法。但是硬件消抖電路設(shè)計復(fù)雜，且不合實際情況，在此不再詳細敘述；然而軟件消抖適合按鍵較多的情況，方便簡單。其原理是在第一次檢測到有鍵按下時，執(zhí)行一段延時程序后在確認該鍵電平是否仍保持閉合狀態(tài)電平，如果保持閉合狀態(tài)電平則確認為真正有鍵按下，從而消除了抖動的影響。其原理圖如圖 3.2 所示:圖 3-2 鍵盤控制模塊原理圖3.3 直流電機電機驅(qū)動電路合肥師范學院畢業(yè)設(shè)計10電動機 PWM驅(qū)動模塊的電路設(shè)計與實現(xiàn)具體電路見下圖。本電路采用的是基于 PWM原理的 H型橋式驅(qū)動電路。4 系統(tǒng)軟件設(shè)計電機控制系統(tǒng)的軟件需要同時完成讀取鍵盤、處理鍵盤、控制直流電機電機轉(zhuǎn)動等任務(wù)，這就必須通過中斷技術(shù)來實現(xiàn)。在本設(shè)計中，主程序采用查詢方式掃描鍵盤端口，檢測按鍵動作是否發(fā)生，若有按鍵動作則處理鍵盤，根據(jù)按鍵值修改相應(yīng)參數(shù)值，實現(xiàn)鍵盤的實時處理功能。定時器 0 中斷服務(wù)程序控制直流電機的轉(zhuǎn)動；根據(jù)轉(zhuǎn)動方向控制位的值，控制脈沖信號循環(huán)移動的方向，達到對轉(zhuǎn)動方向控制的目的。合肥師范學院畢業(yè)設(shè)計114.1 主程序流程圖系統(tǒng)分為電機正轉(zhuǎn)、電機反轉(zhuǎn)、電機加速與電機減速的幾部分組成，其主程序框圖如圖 4-1所示：開始初始化調(diào)按鍵 ， 顯示子查詢調(diào)用正反轉(zhuǎn) 按鍵子程序調(diào)用加減速子程序停止圖 4-1 直流電機主程序流程圖合肥師范學院畢業(yè)設(shè)計124.2 讀按鍵子程序流程圖按鍵采用掃描的方法，掃描時間的不同和不同時間的檢測與初始值相比，如果相等則說明沒有鍵按下，不相等則表示已經(jīng)按了但是需要一定的時間來判斷，以便確認是否真的有鍵按下。延時 10ms 后再次掃描，第二次與初始值比較，若相等則表明前一次比較不相等是由抖動產(chǎn)生；如果相等則表明確實有鍵按下。執(zhí)行鍵盤之程序里的指令，將相應(yīng)的變量值改變，為鍵盤處理子程序做準備。如圖 4-2 所示:啟動是否有按鍵按下處理子程序是否圖 4-2 掃描鍵盤字程序流程圖合肥師范學院畢業(yè)設(shè)計134.3 按鍵處理子程序流程圖按鍵處理子程序流程圖如圖 4-3 所示：開始占空比 5 0 %加速鍵按下減速鍵按下結(jié)束增加占空比減小占空比否否是是圖 4-3 鍵盤處理子程序流程圖直流電機的啟停控制通過啟停定時器 T0來實現(xiàn)，因為定時器 T0控制著脈沖信號的輸出，關(guān)閉定時器 T0也就阻止了脈沖信號的輸出。合肥師范學院畢業(yè)設(shè)計144.4 電機控制中斷程序流程圖定時器中斷 0 服務(wù)程序流程圖如圖 4-4 所示:開始設(shè)置 T 0 時間參數(shù)判斷按鍵有控制位輸出脈中退出圖 4-4 定時器中斷 0服務(wù)程序流程圖定時器中斷 0服務(wù)程序的中斷時間由當前的轉(zhuǎn)速決定。進入中斷程序后，首先要保護現(xiàn)場，再根據(jù)當前值設(shè)置 TH0和 TL0的值。然后判斷轉(zhuǎn)動方向控制位的值，最后恢復(fù)現(xiàn)場，返回，等待下次中斷。通過用當前轉(zhuǎn)速控制中斷時間，控制了脈沖的輸出頻率，也就到達了直流電機轉(zhuǎn)動速度的目的；通過檢測方向控制位的電平，控制了直流各引出端的接通順序，也就到實現(xiàn)了直流電機轉(zhuǎn)動方向的控制。合肥師范學院畢業(yè)設(shè)計155 系統(tǒng)調(diào)試與改進5.1 調(diào)試與改進軟件測試的時候也有些問題，主要有：1.軟件去抖方式，和時間的控制。2.控制直流電機轉(zhuǎn)動的程序段完成后，調(diào)試發(fā)現(xiàn)對直流電機速度的控制范圍過小，查閱資料后發(fā)現(xiàn)設(shè)計思路不太合理，原先的設(shè)計思路是用主程序控制直流電機轉(zhuǎn)動，采用延時方式控制直流電機速度，由定時器處理鍵盤；改進程序，主程序用來處理鍵盤，由定時器控制直流電機轉(zhuǎn)動，直流電機轉(zhuǎn)動速度由定時器定時時間決定。問題得到解決，不僅擴大了直流電機速度的控制范圍，也使得單片機對直流電機速度的控制更加精確。由于編譯只能檢查是否存在語法錯誤，所以還要看是否存在邏輯錯誤。程序修改好以后，當顯示編譯 0錯誤，0 警告的時候，這說明已經(jīng)沒有語法錯誤了，是否有邏輯錯誤還要看接上電路板通過仿真以后，直流電機能否正常轉(zhuǎn)動，顯示是否正常。合肥師范學院畢業(yè)設(shè)計165.2 運行結(jié)果電機正轉(zhuǎn)合肥師范學院畢業(yè)設(shè)計17電機反轉(zhuǎn)合肥師范學院畢業(yè)設(shè)計18電機停止合肥師范學院畢業(yè)設(shè)計19結(jié)論與展望在把理論設(shè)計轉(zhuǎn)換成實物的整個過程，如：電路設(shè)計、分析計算、畫電路圖、焊接電路、檢查調(diào)試、軟件流程控制設(shè)計分析、編寫調(diào)試軟件、燒寫軟件到整個軟硬件系統(tǒng)的調(diào)試，最后直到系統(tǒng)完成。其中整個系統(tǒng)的前期準備是首先必須做到位的，如控制什么、用什么控制、得到什么結(jié)果，進而對各部分應(yīng)選擇具體的芯片作進一步的考慮，以使系統(tǒng)得到最優(yōu)的表現(xiàn)。通過本課題，一方面我在查閱資料的基礎(chǔ)上，了解 STC89C51單片機控制的一些基本技術(shù)，掌握其控制系統(tǒng)的分析方法與實現(xiàn)方法,能對單片機外圍電路設(shè)計進行系統(tǒng)學習與掌握；另一方面，在設(shè)計直流電機控制系統(tǒng)的硬件電路，控制程序和相應(yīng)的電路圖時，應(yīng)充分運用說學知識，善于思考，琢磨，分析。我們的學習不但要立足于書本，以解決理論和實際教學中的實際問題為目的，還要以實踐相結(jié)合，理論問題即實踐課題，解決問題即課程研究，學生自己就是一個專家，通過自己的手來解決問題比用腦子解決問題更加深刻。學習就應(yīng)該采取理論與實踐結(jié)合的方式，理論的問題，也就是實踐性的課題。這種做法既有助于完成理論知識的鞏固，又有助于帶動實踐，解決實際問題，加強我們的動手能力和解決問題的能力。合肥師范學院畢業(yè)設(shè)計20致謝這次畢業(yè)設(shè)計，凝結(jié)了很多人的心血，在此我表示由衷的感謝。沒有他們的幫助，我將無法順利完成這次設(shè)計。首先，我要特別感謝老師對我的悉心指導(dǎo)，在畢業(yè)設(shè)計期間曲老師指導(dǎo)我、幫助我收集文獻資料，理清設(shè)計思路，完善操作方法，并對我所做的設(shè)計提出有效的改進方案。老師淵博的知識、嚴謹?shù)淖黠L、誨人不倦的態(tài)度和學術(shù)上精益求精的精神讓我受益終生。作 為一個本科生的畢業(yè)設(shè)計，由于經(jīng)驗的匱乏，難免有許多考慮不周全的地方，如果沒有導(dǎo)師的督促指導(dǎo)，想要完成這個設(shè)計是難以想象的。因此，特別需要感謝曲培新老師給予的耐心細致的指導(dǎo)，在此，再一次向曲培新教師以及關(guān)心幫助我的教師同學表示最誠摯的謝意！其次，學校在這方面也給我們提供了很大的支持和幫助，學校領(lǐng)導(dǎo)比較重視，每個設(shè)計小組配有專門的指導(dǎo)老師，幫助我們能順利完成整個設(shè)計。對于學校和老師為我的畢業(yè)設(shè)計所提供的極大幫助和關(guān)心，在此我致以衷心的感謝！最后，通過這一段時間的學習，鞏固了以前學的知識，為更好走入社會。同時也要感謝身邊朋友的熱心幫助，沒有你們的關(guān)心與支持，我不可能這么快完成我的畢業(yè)設(shè)計！這幾個月的歲月是我學生生涯中最有價值的一段時光，也將會成為我以后永遠的美好的回憶，在這里有治學嚴謹而不失親切的老師，也有互相幫助情同骨肉的同學，更有和諧、融洽的學習生活氛圍，這里將是我永遠向往的地方。借此論文之際，我想向所有人表達我的最誠摯的謝意，愿我們將來都越來越好。合肥師范學院畢業(yè)設(shè)計21參考文獻[1]張友德等，單片機原理應(yīng)用與實驗[M]，復(fù)旦大學出版社 1992.[2]張毅剛，彭喜源，譚曉鈞，曲春波.MCS－51 單片機應(yīng)用設(shè)計[M]. 哈爾濱工業(yè)大學出版社 2001.1.[3]宋慶環(huán)，才衛(wèi)國，高志，89C51 單片機在直流電動機調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用[M]。唐山學院，2008.4[4]陳 錕 危立輝，基于單片機的直流電機調(diào)速器控制電路[J]，中南民族大學學報(自然科學版)，2003.9.[5]李維軍 韓小剛 李 晉，基于單片機用軟件實現(xiàn)直流電機 PWM 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x,y;for(x=z;x0;x--)for(y=110;y0;y--);}/******************************************************************//* 獨立鍵盤掃描函數(shù) *//******************************************************************/void keyscan() {P3=0xff;//拉高 P3 口，以讀取 P3 口的值if(key1==0)//鍵 1 被按下{delay(5);//延時消抖if(key1==0){PWM_ON++;if(PWM_ON=CYCLE)PWM_ON=CYCLE;合肥師范學院畢業(yè)設(shè)計25}while(!key1);delay(5);//延時消抖while(!key1);//松手檢測}if(key2==0){delay(5);if(key2==0){PWM_ON--;if(PWM_ON=1)PWM_ON=1;}while(!key2);delay(5);while(!key2);}if(key3==0)//鍵 3 被按下{delay(5);if(key3==0){flag=1;TR0=1;PWMF = 0;}while(!key3);delay(5);//延時消抖while(!key3);//松手檢測}if(key4==0){delay(5);if(key4==0){flag=0;TR0=1;PWMZ=0;}while(!key4);delay(5);while(!key4);}if(key5==0){delay(5);if(key5==0){TR0=0;PWMZ = 0; PWMF = 0;}while(!key5);delay(5);while(!key5);}