直流風扇電機轉(zhuǎn)速測量與PWM控制 單片機課程設計.doc

直流風扇電機轉(zhuǎn)速測量與PWM控制摘要：本課題是對直流電機PWM調(diào)速器設計的研究，主要實現(xiàn)對電動機的控制。因此在設計中，對直流調(diào)速的原理，直流調(diào)速控制方式以及調(diào)速特性，PWM基本原理及實現(xiàn)方式進行了全面的闡述。為實現(xiàn)系統(tǒng)的微機控制，在設計中，采用了AT89C51單片機作為整個控制系統(tǒng)的控制電路的核心部分，在設計中，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。設計的整個控制系統(tǒng)，在硬件結構上采用了大量的集成電路模塊，大大的簡化了硬件電路，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。關鍵詞：直流電機，轉(zhuǎn)速測量，PWM控制。一. 直流風扇電機轉(zhuǎn)速測量與PWM控制的基本原理:直流電機的工作原理為：直流電機的磁極N,S間裝著一個可以轉(zhuǎn)動的鐵磁圓柱體，圓柱體的表面固定著線圈abcd。當線圈流過電流的時候，線圈受到電磁力的作用，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。根據(jù)左手定則可知，當流過線圈中電流改變方向時，線圈的受力方向也將改變，因此通過改變線圈電流的方向?qū)崿F(xiàn)改變電機的方向。控制電路主要由單片機來控制，單片機發(fā)出的PWM脈沖來實現(xiàn)對驅(qū)動的控制。二設計方案：程序應用模塊化進行設計，主要有初始化模塊、顯示模塊、讀鍵模塊、數(shù)制轉(zhuǎn)換模塊、雙字節(jié)除法模塊、中斷模塊和控制調(diào)節(jié)模塊。編程次序可按此先后進行。初始化模塊：8155工作方式、T0和T1工作方式、標志位狀態(tài)、所用單元初值、中斷設置以及初始顯示等。顯示模塊：設定值和實測值的數(shù)值與字符動態(tài)顯示。讀鍵模塊：從I/O口依據(jù)某位數(shù)碼管亮時讀入小按鍵是否有效，然后根據(jù)四個小鍵盤的不同功能進行相應的處理，只要設定值一改變立刻顯示。加1鍵和減1鍵要有連加連減功能。數(shù)制轉(zhuǎn)換模塊：將二進制轉(zhuǎn)換為十進制。外部中斷模塊：將轉(zhuǎn)1圈的時間通過雙字節(jié)除法程序求出即時轉(zhuǎn)速。定時中斷模塊：PWM輸出波形形成?？刂普{(diào)節(jié)模塊：通過設定值和實測值的比較來改變脈沖波的占空比，該數(shù)據(jù)的調(diào)節(jié)分為簡單比例調(diào)節(jié)PP和比例積分調(diào)節(jié)PI。調(diào)節(jié)公式分別為：YK=YK1+KP*EKYK=YK1+KP*EK+KI*EK2YK：要輸出的數(shù)據(jù)YK1：上次輸出的數(shù)據(jù)EK：設定值和實測值的差值EK1：上次的EK值EK2：EK-EK1的差值KP：比例系數(shù)（設KP=12）KI：積分系數(shù)（設KI=12）三. 硬件設計對題目進行深入的分析和思考，可以將整個模塊分為以下幾個部分：控制部分，隔離電路，驅(qū)動電路和負載的續(xù)流電路。系統(tǒng)的框圖如圖3.1所示。3.1控制電路的設計控制電路主要由單片機來控制，編寫一段程序使單片機發(fā)出的PWM脈沖來實現(xiàn)對驅(qū)動的控制。新一代的單片機增加了很多的功能，其中包括PWM功能。單片機通過初始化設置，使其能自動的發(fā)出PWM脈沖波，只有在改變占空比的時候CPU才干預。3.2隔離電路的設計隔離電路主要作用是防止驅(qū)動電路中的電流過大，與單片機直接相連是可能會燒毀單片機而加的保護性電路。其電路圖如下圖3.2所示。其中1,2,3,4腳分別接單片機的P1.1 ,P1.2,P1.3，P1.4口。電阻起限流左右。電阻R1，R3，R5，R7阻值為470，電阻R2，R4，R6，R8的電阻都為1K。其工作原理如下：當電機中的電壓正常時，發(fā)光二極管導通，發(fā)光使光敏三極管導通，電路接通正常工作；當電路中電壓很高時，發(fā)光二極管被擊穿，電路不導通，從而起到保護單片機的作用。3.3 驅(qū)動電路的設計開關驅(qū)動是利用大功率晶體管的開關作用。將恒定的直流電源電壓轉(zhuǎn)換為一定的方波電壓加在電機電樞上，與線性方式不同，在這種驅(qū)動方式下，驅(qū)動器的功率管工作在開關狀態(tài)，當器件導通時，器件的電流很大但是壓降很??；器件關斷時，壓降很大但是電流很小。因此驅(qū)動器的功率消耗少，發(fā)熱量少，效率較高。通過控制開關的頻率和脈寬，可以對電機的轉(zhuǎn)向進行控制。我們在本次設計中采用的PWM脈沖調(diào)制方式正是一種開關驅(qū)動方式，是直流電機最重要也是最常見的驅(qū)動方式。采樣控制理論中有一個重要的結論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖及在具有慣性環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同，這正是PWM控制技術的理論基礎。PWM驅(qū)動方式易與處理器接口，使用簡單，最常見的就是H橋電路。集成H橋芯片很很多型號，我們使用的是L298的芯片驅(qū)動電路是H橋電路，圖3.4為H橋驅(qū)動電路的工作原理圖。同一側的晶體管不能同時導通。當SW1和SW4導通，當SW2和S3截止時，電路由正電流經(jīng)SW1,從電機的正極流入電機，電機反向運轉(zhuǎn)。當SW1和SW3或者SW2和SW4同時導通的時候，電機處于制動狀態(tài)，電路中二極管注意是起續(xù)流保護作用。由于電機具有較大的感性，電流不能突變，若忽然將電流切斷將在功率管兩端產(chǎn)生巨大的電壓，損壞器件。我們采用的是模塊是H橋芯片L298,圖3.5所示是L298的內(nèi)部原理圖L298需要2個電壓，一個為邏輯電路工作時所需要的5V電壓VCC，另一個為功率電路所需的驅(qū)動電壓VSS。驅(qū)動電路的輸入可直接與單片機的引腳相連，為了進一步提高抗干擾能力我們還使用了光電耦合器件組成的隔離電路和控制電路和動力電路進行電氣隔離。參見表3.1。我們來分析原理，使能端輸入使能。控制輸入端A端輸入PWM信號，控制輸入端B端輸入PWM的反相信號，在一個PWM周期里，電機的電樞承受雙極性的電壓，電機的速度和方向均由PWM決定。PWM占空比為50%時，對應的電機的轉(zhuǎn)速為0 即電機停止轉(zhuǎn)動，占空比為0%-50%的時候電機的轉(zhuǎn)速時-MAX-0，即電機反轉(zhuǎn)；占空比為50%-100%對應的電機的轉(zhuǎn)速為0- +MAX即 電機正轉(zhuǎn)。電機的轉(zhuǎn)動速度由PWM脈沖的頻率決定。頻率高則速度快，即電機加速，頻率降低則是電機轉(zhuǎn)動速度減慢。即電機減速。使能端輸入PWM信號控制輸入端A端和控制輸入B端輸入控制電機狀態(tài)的信號，電機狀態(tài)參見表3.2 圖3.6直流電機PWM調(diào)速方案圖3.6 直流電機的PWM調(diào)速方案3.4續(xù)流電路的設計由于電機具有較大的感性，電流不能突變，若忽然將電流切斷將在功率管兩端產(chǎn)生巨大的電壓，損壞器件。我們應用二極管來續(xù)流，利用二極管的單向?qū)ㄐ?。二極管的選用必須要根據(jù)PWM的頻率和電機的電流來決定。二極管要有足夠迅速的恢復時間和足夠的電流承受能力。電流如果突變易損壞功率管即L298芯片。為保護芯片而加上續(xù)流電路，其電路原理圖如圖3.7所示3.5 整個電路原理圖四軟件設計4.1主程序設計 該程序主要完成初始化，設置定時常數(shù)和中斷入口程序，主程序不斷的循環(huán)，處于等待中斷狀態(tài)。ORG0000HAJMP STARTORG 0003HLJMP INT0ORG 0030H ;系統(tǒng)初始化START: MOV SP,#60H ；賦初值 MOV R0,#00H ；賦值R0=0MOV R1,#00H ;賦值R1=0CLR P1.5 ;置0CLR P1.6 ;置0CLR P1.7 ；置0 MOV TMOD ,#01H ；寫控制字MOV TL0,#0FFH ；置定時常數(shù)MOV TH0,#0FFH SETB EA ；允許中斷SETB EX0 ；允許外部中斷0SETB ET0 ；允許TL0中斷CLR IT0 SETB TR0 ；啟動TL0圖4.1 主流程圖4.2 顯示設計通過P1.1，P1.2口來控制數(shù)碼，顯示通過調(diào)用查表和調(diào)用延時來實現(xiàn)數(shù)的顯示，其程序代碼如下：MOV DPTR,#TABMOV 40H ，#0 ;置0MOV 41H ,#0 ；置0LED: SETB P1.1 ；P1.1置1CLR P1.2 ；P1.2清0MOV A ,40H ；將40H的內(nèi)容送AMOVC A ,A+DPTR ；查表MOV P0,A ；查表得A值送P0口LCALL TTS ；調(diào)用延時CLR P 1.1 ；P1.1清0SETB P1.2 ；P1.1置1 MOV A ,41H ；將41內(nèi)容送AMOVC A,A+DPTR ；查表MOV P0,A ；查表得A值送P0口LCALL TTS ；調(diào)用延時CLR P 1.2 ；P1.2清0LJMP LED ；跳轉(zhuǎn)到LED ORG 2000HTAB:DB 40H ,79H,24H,30H,19HDB 12H ,02H,78H,00H,10H4.3功能程序設計結束中斷以后轉(zhuǎn)入相應的功能鍵程序，為加速，減速，正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)，暫停。程序代碼如下：ITTO :CLR P 1.5 JNB P1.5 ,Z1MOV A ,#0FFH SUBB A ,RO 圖4.2 數(shù)碼顯示流程圖 圖 4.3 中斷子程序流程圖MOV TH0 ,A SETB TR0 ；啟動TR0 RETI Z1 :MOV TH0 ,R0 ；高電平定時 SETB TR0 RETIINT0:CLR EX0 ；實現(xiàn)鍵盤控制MOV A ,#0FFH MOV P2 ,A MOV A ,P2 JNB ACC.0 ,JIA JNB ACC.1 ,JIANJNB ACC.2 ,ZZJNB ACC.3 ,FFJNB ACC.4 ,TZAJMP CCJIA:CJNE R0 ,#0FFH,AA ；實現(xiàn)電機加速 AJMP CCJIAN:CJNE R0 ,#00,BB ；實現(xiàn)電機減速 AJMP CCBB:MOV A ,R0 SUBB A ,#5 MOV R0 ,A AJMP CC CC:MOV A,R0 ；數(shù)碼顯數(shù) MOV B ,#5 DIV AB MOV 40H,A MOV 41H ,B SETB EX0 LCALL TTS ；調(diào)用延時 LCALL TTS ；調(diào)用延時 LCALL TTS ；調(diào)用延時 LCALL TTS ；調(diào)用延時 RETIZZ:SETB P 1.6 ；電機正轉(zhuǎn) CLR P 1.7 LCALL TTS LCALL TTS LCALL TTSSETB EX0 RETI FF:CLR P 1.6 ；電機反轉(zhuǎn) SETB P 1.7 LCALL TTS LCALL TTS LCALL TTS SETB EX0 RETI TZ:CLR P1.6 ;實現(xiàn)電機停止 CLR P1.7 LCALL TTS LCALL TTS LCALL TTS SETB EX0 RETITTS :MOV R3 ,#0E0H ;延時子程序TT1S:MOV R4 ,#30H TT0S:DJNZ R4 ,TT0S DJNZ R3 ,TT1S RET END 五. 結論通過本次課程設計，使我學到了許多書本上無法學到的知識，也使我深刻領會到單片機技術應用領域的廣泛。不僅讓我對學過的單片機知識得到鞏固，同時也對單片機這門課產(chǎn)生了很大的興趣，在課程設計的過程中，體會良多，收獲很大。主要有以下方面：1. 鞏固了書本上學習的知識，通過本次的課程設計，對書本上面的知識更加的了解，也對編寫程序有了一定的認識。2. 在本次的課程設計中，我進一步加強了自己的動手的能力和運用專業(yè)知識的能力，從中學到如何去思考和解決問題3. 通過本次的課程設計，讓我了解到單片機技術對當今人們生活的重要性