基于AT89C51直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計

1、目 錄第一章 緒 論31.概述31.1 直流電機(jī)的特點及應(yīng)用和控制前景31.2 直流調(diào)速的發(fā)展42.直流電動機(jī)原理52.1 直流電機(jī)的基本工作原理52.2 直流電機(jī)的電器特性6第二章 直流電機(jī)的控制方案設(shè)計72.1 直流電動機(jī)的調(diào)速方法72.1.1 PWM調(diào)速設(shè)計112.1.2 直流電機(jī)控制結(jié)構(gòu)圖12第三章 直流電機(jī)調(diào)速硬件設(shè)計133.1 最小系統(tǒng)設(shè)計133.11 AT89C51介紹133.12 系統(tǒng)時鐘的設(shè)計173.1.3 系統(tǒng)復(fù)位方式173.2 電源電路的設(shè)計183.2.1 芯片介紹183.2.2 電源電路圖1933 顯示電路設(shè)計193.3.1 78LS48芯片介紹193.3.2 顯示電路

2、圖203.4 鍵盤電設(shè)計203.5 驅(qū)動電路設(shè)計213.5.1 L298N芯片介紹213.5.4 驅(qū)動電路21第四章 直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制程序設(shè)計224.1 主程序流程圖224.2 鍵盤掃描流程圖234.3 中斷程序流程圖24第五章 結(jié)論與展望245.1 結(jié)論245.2 展望25致謝25參考文獻(xiàn)26英文摘要26附錄(主程序及原理圖)27基于AT89C51的直流電動機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計摘要 ：文章設(shè)計了以單片機(jī)AT89C51和L298N控制的直流電機(jī)脈寬調(diào)制（PWM）調(diào)速系統(tǒng)。主要介紹了用單片機(jī)軟件實現(xiàn)PWM調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速的基本方法，給出了程序流程圖、Keic51程序。硬件電路實現(xiàn)了對電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)

3、、急停、加速、減速控制以及PWM的占空比在四位LED上的實時顯示。關(guān)鍵字：單片機(jī)，調(diào)速，直流電動機(jī)， PWM控制第一章 緒 論1.概述1.1 直流電機(jī)的特點及應(yīng)用和控制前景電機(jī)是把電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的裝置。電機(jī)的種類繁多，如果按電源類型分，可分為直流電機(jī)和交流電機(jī)兩大類。常見的直流電機(jī)包括有刷電機(jī)、無刷電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等。直流有刷電機(jī)是所有電機(jī)的基礎(chǔ)，它具有啟動快、制動及時、可在大范圍內(nèi)平滑地調(diào)速、控制電路相對簡單等特點。歷來是自動控制系統(tǒng)的主要執(zhí)行元件，在軋鋼及其輔助機(jī)械、礦井卷揚(yáng)機(jī)、挖掘機(jī)、海洋鉆機(jī)、大型起重機(jī)、金屬切削機(jī)床、造紙機(jī)、紡織機(jī)械等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。 換向器是直流電機(jī)的主要薄

4、弱環(huán)節(jié),它使直流電機(jī)的單機(jī)容量、過載能力、最高電壓、最高轉(zhuǎn)速等重要指標(biāo)都受到限制,也給直流電機(jī)的制造和維護(hù)添了不少麻煩。然而，鑒于直流拖動控制系統(tǒng)的理論和實踐都比較成熟，直流電機(jī)仍在廣泛的使用。因此，長期以來，在應(yīng)用和完善直流拖動控制系統(tǒng)的同時，人們一直不斷在研制性能與價格都趕得上直流系統(tǒng)的交流拖動控制系統(tǒng)，近年來，在微機(jī)控制和電力電子變頻裝置高度發(fā)展之后，這個愿望終于有了實現(xiàn)的可能。電動機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展得力于微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、自動控制技術(shù)；特別是微控制器技術(shù)，現(xiàn)代控制技術(shù)是以微控制器為核心的技術(shù)，由此構(gòu)成的控制系統(tǒng)成為當(dāng)今工業(yè)控制的主流系統(tǒng)。這種系統(tǒng)已取代常規(guī)的模擬檢測、

5、調(diào)節(jié)、顯示、記錄等儀器設(shè)備和很大部分操作的人工職能，使受控對象的動態(tài)過程按規(guī)定方式和技術(shù)運行，以完成各種控制、操作管理等任務(wù)。近幾年來，這種嵌入式系統(tǒng)在肩同、通信、工業(yè)、儀器、等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，現(xiàn)代控制技術(shù)已深入各行業(yè)的諸多領(lǐng)域。進(jìn)入90年代以來，由于計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，推動數(shù)控技術(shù)更快的更新?lián)Q代。世界上許多數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家利用PC機(jī)豐富的軟硬件資源開發(fā)開放式體系結(jié)構(gòu)的新一代數(shù)控系統(tǒng)。開放式體系結(jié)構(gòu)使數(shù)控系統(tǒng)有更好的通用性、柔性、適應(yīng)性、擴(kuò)展性，并向智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向大大發(fā)展。正是這些技術(shù)的進(jìn)步使電動機(jī)控制技術(shù)在近20年內(nèi)發(fā)生了很大的變化。其中，電動機(jī)控制策略的模擬實現(xiàn)正逐漸退出歷史舞臺，而

6、采用微處理器、FPGA/CPLD、通用計算機(jī)、PWM控制技術(shù)等現(xiàn)代手段構(gòu)成的數(shù)字控制系統(tǒng)得到了迅速發(fā)展。應(yīng)用先進(jìn)控制算法，開發(fā)全數(shù)字化的智能控制運動控制系統(tǒng)將成為新一代控制系統(tǒng)設(shè)計方向。1.2 直流調(diào)速的發(fā)展直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)最早采用恒定直流電壓給直流電動機(jī)供電，通過改變電樞回路中的電阻來實現(xiàn)調(diào)速。這種方法簡單易行、設(shè)備制造方便、價格低廉；但缺點是效率低、機(jī)械特性軟，不能得到較寬和平滑的調(diào)速性能,所以目前極少采用。該法只適用在一些小功率且調(diào)速范圍要求不大的場合。20世紀(jì)30年代末期，出現(xiàn)了發(fā)電機(jī)-電動機(jī)(也稱為旋轉(zhuǎn)變流組)，配合采用磁放大器、電機(jī)擴(kuò)大機(jī)、閘流管等控制器件，可獲得優(yōu)良的調(diào)速性能，

7、如有較寬的調(diào)速范圍(十比一至數(shù)十比一)、較小的轉(zhuǎn)速變化率和調(diào)速平滑等，特別是當(dāng)電動機(jī)減速時，可以通過發(fā)電機(jī)非常容易地將電動機(jī)軸上的飛輪慣量反饋給電網(wǎng)，這樣，一方面可得到平滑的制動特性，另一方面又可減少能量的損耗，提高效率。但發(fā)電機(jī)、電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的主要缺點是需要增加兩臺與調(diào)速電動機(jī)相當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)電機(jī)和一些輔助勵磁設(shè)備。但此方法的主要缺點是系統(tǒng)重量大、占地多、效率低及維修困難。自出現(xiàn)汞弧變流器后，利用汞弧變流器代替上述發(fā)電機(jī)、電動機(jī)系統(tǒng)，使調(diào)速性能指標(biāo)又進(jìn)一步提高。特別是它的系統(tǒng)快速響應(yīng)性是發(fā)電機(jī)、電動機(jī)系統(tǒng)不能比擬的。但是汞弧變流器仍存在一些缺點:維修還是不太方便，特別是水銀蒸汽對維護(hù)人員會造成一

8、定的危害等。1957年，世界上出現(xiàn)了第一只晶閘管，與其它變流元件相比，品閘管具有許多獨特的優(yōu)越性，因而晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)立即顯示出強(qiáng)大的生命力。由于它具有體積小、響應(yīng)快、工作可靠、壽命長、維修簡便等一系列優(yōu)點，采用晶閘管供電，不僅使直流調(diào)速系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)上和可靠性有所提高，而且在技術(shù)性能上也顯示出很大的優(yōu)越性。晶閘管變流裝置的放大倍數(shù)在10000以上，比機(jī)組(放大倍數(shù)10)高1000倍，比汞弧變流器(1000)高10倍;在響應(yīng)快速性上，機(jī)組是秒級，而晶閘管變流裝置為毫秒級。從20世紀(jì)80年代中后期起，以晶閘管整流裝置取代了己往的直流發(fā)電機(jī)電動機(jī)組及水銀整流裝置，使直流電氣傳動完成一次大的躍進(jìn)。同

9、時，控制電路已經(jīng)實現(xiàn)高集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技術(shù)的應(yīng)用，使直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)大幅提高，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，直流調(diào)速技術(shù)不斷發(fā)展。近年來，隨著得力于微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、自動控制技術(shù)的迅速發(fā)展，由晶閘管變流器供電的直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)已取代了發(fā)電機(jī)-電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，它的調(diào)速性能也遠(yuǎn)遠(yuǎn)地超過了發(fā)電機(jī)-電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。特別是大規(guī)模集成電路技術(shù)以及計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，使直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的精度、動態(tài)性能、可靠性有了更大的提高。電力電子技術(shù)中IGBT等大功率器件的發(fā)展正在取代晶閘管，出現(xiàn)了性能更好的直流調(diào)速系統(tǒng)，出現(xiàn)了微控制器技術(shù)，現(xiàn)代控制技術(shù)是以微控制器為核心的技術(shù)，

10、由此構(gòu)成的控制系統(tǒng)成為當(dāng)今工業(yè)控制的主流系統(tǒng)。這種系統(tǒng)已取代常規(guī)的模擬檢測、調(diào)節(jié)、顯示、記錄等儀器設(shè)備和很大部分操作的人工職能，使受控對象的動態(tài)過程按規(guī)定方式和技術(shù)運行，以完成各種控制、操作管理等任務(wù)。這種嵌入式系統(tǒng)在肩同、通信、工業(yè)、儀器、等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。正是這些技術(shù)的進(jìn)步使電動機(jī)控制技術(shù)在近20年內(nèi)發(fā)生了很大的變化。其中，電動機(jī)控制策略的模擬實現(xiàn)正逐漸退出歷史舞臺，而采用微處理器、通用計算機(jī)、PWM控制技術(shù)等現(xiàn)代手段構(gòu)成的數(shù)字控制系統(tǒng)得到了迅速發(fā)展。應(yīng)用先進(jìn)控制算法，開發(fā)全數(shù)字化的智能控制運動控制系統(tǒng)將成為新一代控制系統(tǒng)設(shè)計方向使得直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的研究得到了更深的發(fā)展。2.直流電動機(jī)原

11、理 2.1 直流電機(jī)的基本工作原理直流電機(jī)由永久磁鐵、電樞、換相器等組成。如圖1-1和圖1-2所示，上下是兩個固定的永久磁鐵，上面是N極，下面是S極，磁力線從N到S。兩極之間是一段可旋轉(zhuǎn)的導(dǎo)體abcd，稱為電樞。電樞的ab段與cd段分別接到兩個互不接觸的半圓形金屬片上，這兩個金屬片稱為換向器。如圖2-1所示，在換向器的AB兩端上加上一個上正下負(fù)的直流電壓，電流由a到b，由c到d。根據(jù)左手定則，ab段在自上而下的磁力線作用下，向左移動，cd段向右移動。在這兩個力的作用下，abcd電樞開始逆時針旋轉(zhuǎn)，因為換向器和電樞固定在一起，它也跟著轉(zhuǎn)動。圖1-1直流電動機(jī)工作原理（1）圖1-2 直流電動機(jī)工作

12、原理（2）當(dāng)電樞轉(zhuǎn)過180時如圖1-2所示，cd段在上方，ab段在下方，電流由d到c，由b到a。根據(jù)左手定則，cd段在自上而下的磁力線作用下，向左移動，ab段向右移動，即電樞繼續(xù)往逆時針旋轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn)。當(dāng)電樞再轉(zhuǎn)過180后，變回圖1-1的情況，電機(jī)繼續(xù)重復(fù)地轉(zhuǎn)動。如果把AB兩端的電壓方向反過來,電樞將順時針旋轉(zhuǎn)，原理同上。2.2 直流電機(jī)的電器特性 圖1-3為直流電機(jī)的等效電路圖。電源Eb給電機(jī)供電,產(chǎn)生電流Ia。電機(jī)在運轉(zhuǎn)過程中等效于電阻Ra和反向電動勢Ec串接起來。其中Ra為電樞等效電阻；Ec為電樞旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的反向電動勢，它和轉(zhuǎn)速成正比，轉(zhuǎn)速越快，反向電動勢越大。圖1-3 直流電機(jī)的等效電路

13、根據(jù)圖1-3列出了如下公式： Eb=RaIa+Ec (1-1)上面已經(jīng)說過，反向電動勢和轉(zhuǎn)速成正比，具體關(guān)系為： (1-2)式中是電動勢常數(shù)，是氣隙磁通，它們都是電機(jī)的固有常數(shù)。另外，電機(jī)的電流和電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩成正比。具體關(guān)系為： (1-3)式中是電磁轉(zhuǎn)矩常數(shù)，它是電機(jī)的固有常數(shù)。 第二章 直流電機(jī)的控制方案設(shè)計2.1 直流電動機(jī)的調(diào)速方法直流電動機(jī)分為有換向器和無換向器兩大類。直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)最早采用恒定直流電壓給直流電動機(jī)供電，通過改變電樞回路中的電阻來實現(xiàn)調(diào)速。這種方法簡單易行、設(shè)備制造方便、價格低廉；但缺點是效率低、機(jī)械特性軟，不能得到較寬和平滑的調(diào)速性能。該法只適用在一些小功率且調(diào)

14、速范圍要求不大的場合。30年代末期，發(fā)電機(jī)-電動機(jī)系統(tǒng)的出現(xiàn)才使調(diào)速性能優(yōu)異的直流電動機(jī)得到廣泛應(yīng)用。這種控制方法可獲得較寬的調(diào)速范圍、較小的轉(zhuǎn)速變化率和平滑的調(diào)速性能。但此方法的主要缺點是系統(tǒng)重量大、占地多、效率低及維修困難。近年來，隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，由晶閘管變流器供電的直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)已取代了發(fā)電機(jī)-電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，它的調(diào)速性能也遠(yuǎn)遠(yuǎn)地超過了發(fā)電機(jī)-電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。特別是大規(guī)模集成電路技術(shù)以及計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，使直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的精度、動態(tài)性能、可靠性有了更大的提高。電力電子技術(shù)中IGBT等大功率器件的發(fā)展正在取代晶閘管，出現(xiàn)了性能更好的直流調(diào)速系統(tǒng)。直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速n和

15、其他參量的關(guān)系可表示為: (2-1)式中 Ua電樞供電電壓（V）； 電樞電流（A）； 勵磁磁通（）； 電樞回路總電阻（）；電勢系數(shù)，p為電磁對數(shù)，N為導(dǎo)體數(shù)。由式(2-1)可以看出，式中、三個參量都可以成為變量，只要改變其中一個參量，就可以改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，所以直流電動機(jī)有三種基本調(diào)速方法：(1)改變電樞回路總電阻；(2)改變電樞供電電壓；(3)改變勵磁磁通。1.改變電樞回路電阻調(diào)速各種直流電動機(jī)都可以通過改變電樞回路電阻來調(diào)速，如圖2-1(a)所示。此時轉(zhuǎn)速特性公式為 (2-2)式中為電樞回路中的外接電阻（）。當(dāng)負(fù)載一定時，隨著串入的外接電阻的增大，電樞回路總電阻增大，電動機(jī)轉(zhuǎn)速就降低。其機(jī)

16、械特性如圖2-1(b)所示。的改變可用接觸器或主令開關(guān)切換來實現(xiàn)。圖2-1 改變電樞電阻電路圖圖2-1(b) 改變電樞電阻調(diào)速時的機(jī)械特性這種調(diào)速方法為有級調(diào)速，調(diào)速比一般約為2：1左右，轉(zhuǎn)速變化率大，輕載下很難得到低速，效率低，故現(xiàn)在已極少采用。2.改變電樞電壓調(diào)速（1）采用發(fā)電機(jī)-電動機(jī)組調(diào)速方法如圖2-2(a)所示，通過改變發(fā)電機(jī)勵磁電流來改變發(fā)電機(jī)的輸出電壓從而改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速n。在不同的電樞電壓時，其得到的機(jī)械特性便是一簇完全平行的直線，如圖2-2(b)所示。改變發(fā)電機(jī)勵磁電流的方向，的極性和n的轉(zhuǎn)向都更這改變，就可以使系統(tǒng)很方便地工作在任意四個象限內(nèi)。圖2-2 (a) G-M直流調(diào)

17、速系統(tǒng)圖2-2(b) G-M機(jī)械特性由圖可知，這種調(diào)速方法需要兩臺與調(diào)速電動機(jī)容量相當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)電機(jī)和另一臺容量小一些的勵磁發(fā)電機(jī)，因而設(shè)備多、體積大、費用高、效率低、安裝需打基礎(chǔ)、運行噪聲大、維護(hù)不方便。為克服這些缺點，50年代開始采用水銀整流器（大容量）和閘流管這樣的靜止交流裝置來代替上述的旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組。目前已被更經(jīng)濟(jì)、可靠的晶閘管變流裝置所取代。（2）采用晶閘管變流器供電的調(diào)速方法圖2-3(a) V-M調(diào)速系統(tǒng)圖2-3(b)V-M調(diào)速系統(tǒng)機(jī)械特性有晶閘管變流器供電的調(diào)速電路如圖2-3(a)所示。通過調(diào)節(jié)觸發(fā)器的控制電壓來移動觸發(fā)脈沖的相位，即可改變整流電壓，從而實現(xiàn)平滑調(diào)速。在此調(diào)速方法下可

18、得到與發(fā)電機(jī)-電動機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)類似的調(diào)速特性。其開環(huán)機(jī)械特性示于圖2-3(b)中。圖2-3(b)中的每一條機(jī)械特性曲線都由兩段組成，在電流連續(xù)區(qū)特性還比較硬，改變延遲角a時，特性呈一簇平行的直線，它和發(fā)電機(jī)-電動機(jī)組供電時的完全一樣。但在電流斷續(xù)區(qū)，則為非線性的軟特性。這是由于晶閘管整流器在具有反電勢負(fù)載時電流易產(chǎn)生斷續(xù)造成的。變電樞電壓調(diào)速是直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用最廣的一種調(diào)速方法。在此方法中，由于電動機(jī)在任何轉(zhuǎn)速下磁通都不變，只是改變電動機(jī)的供電電壓，因而在額定電流下，如果不考慮低速下通風(fēng)惡化的影響（也就是假定電動機(jī)是強(qiáng)迫通風(fēng)或為封閉自冷式），則不論在高速還是低速下，電動機(jī)都能輸出額定轉(zhuǎn)矩

19、，故稱這種調(diào)速方法為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。這是它的一個極為重要的特點。如果采用反饋控制系統(tǒng)，調(diào)速范圍可達(dá)50:1150：1，甚至更大。（3）采用大功率半導(dǎo)體器件的直流電動機(jī)脈寬調(diào)速方法PWM(脈寬調(diào)制)是利用功率開關(guān)器件通斷實現(xiàn)控制，調(diào)節(jié)通斷時間比例，將固定的直流電源電壓變成平均值可調(diào)的直流電壓。脈寬調(diào)速系統(tǒng)出現(xiàn)的歷史久遠(yuǎn)，但因缺乏高速大功率開關(guān)器件而未能及時在生產(chǎn)實際中推廣應(yīng)用。近年來，由于大功率晶體管(GTR)，特別是IGBT功率器件的制造工藝成熟、成本不斷下降，大功率半導(dǎo)體器件實現(xiàn)的直流電動機(jī)脈寬調(diào)速系統(tǒng)才獲得迅猛發(fā)展，目前其最大容量已超過幾十兆瓦數(shù)量級。本設(shè)計因使用小容量直流電機(jī)，故采用第三種調(diào)

20、速方法即PWM控制技術(shù)，實現(xiàn)基于AT89C51的直流電機(jī)的速度控制。3.改變勵磁電流調(diào)速當(dāng)電樞電壓恒定時，改變電動機(jī)的勵磁電流也能實現(xiàn)調(diào)速。由式1可看出，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速與磁通（也就是勵磁電流）成反比，即當(dāng)磁通減小時，轉(zhuǎn)速n升高；反之，則n降低。與此同時，由于電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩是磁通和電樞電流的乘積（即），電樞電流不變時，隨著磁通的減小，其轉(zhuǎn)速升高，轉(zhuǎn)矩也會相應(yīng)地減小。所以，在這種調(diào)速方法中，隨著電動機(jī)磁通的減小，其轉(zhuǎn)矩升高，轉(zhuǎn)矩也會相應(yīng)地降低。在額定電壓和額定電流下，不同轉(zhuǎn)速時，電動機(jī)始終可以輸出額定功率，因此這種調(diào)速方法稱為恒功率調(diào)速。為了使電動機(jī)的容量能得到充分利用，通常只是在電動機(jī)基速以上調(diào)速時

21、才采用這種調(diào)速方法。采用弱磁調(diào)速時的范圍一般為1.5:13:1，特殊電動機(jī)可達(dá)到5:1。這種調(diào)速電路的實現(xiàn)很簡單，只要在勵磁繞組上加一個獨立可調(diào)的電源供電即可實現(xiàn).2.1.1 PWM調(diào)速設(shè)計調(diào)速采用PWM（Pulse Width Modulation）脈寬調(diào)制，工作原理：通過產(chǎn)生矩形波，改變占空比，以達(dá)到調(diào)整脈寬的目的。PWM的定義:脈寬調(diào)制(PWM)是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。模擬信號的值可以連續(xù)變化，其時間和幅度的分辨率都沒有限制。9V電池就是一種模擬器件，因為它的輸出電壓并不精確地等于9V，而是隨時

22、間發(fā)生變化，并可取任何實數(shù)值。與此類似，從電池吸收的電流也不限定在一組可能的取值范圍之內(nèi)。模擬信號與數(shù)字信號的區(qū)別在于后者的取值通常只能屬于預(yù)先確定的可能取值集合之內(nèi)，例如在0V,5V這一集合中取值。模擬電壓和電流可直接用來進(jìn)行控制，如對汽車收音機(jī)的音量進(jìn)行控制。在簡單的模擬收音機(jī)中，音量旋鈕被連接到一個可變電阻。擰動旋鈕時，電阻值變大或變??；流經(jīng)這個電阻的電流也隨之增加或減少，從而改變了驅(qū)動揚(yáng)聲器的電流值，使音量相應(yīng)變大或變小。與收音機(jī)一樣，模擬電路的輸出與輸入成線性比例。 盡管模擬控制看起來可能直觀而簡單，但它并不總是非常經(jīng)濟(jì)或可行的。其中一點就是，模擬電路容易隨時間漂移，因而難以調(diào)節(jié)。能

23、夠解決這個問題的精密模擬電路可能非常龐大、笨重(如老式的家庭立體聲設(shè)備)和昂貴。模擬電路還有可能嚴(yán)重發(fā)熱，其功耗相對于工作元件兩端電壓與電流的乘積成正比。模擬電路還可能對噪聲很敏感，任何擾動或噪聲都肯定會改變電流值的大小。通過以數(shù)字方式控制模擬電路，可以大幅度降低系統(tǒng)的成本和功耗。此外，許多微控制器和DSP已經(jīng)在芯片上包含了PWM控制器，這使數(shù)字控制的實現(xiàn)變得更加容易了。設(shè)計方案主要包括四個模塊：單片機(jī)控制模塊，L298N驅(qū)動模塊，占空比顯示模塊，運行方式設(shè)置模塊。2.1.2 直流電機(jī)控制結(jié)構(gòu)圖圖2-4直流電機(jī)控制結(jié)構(gòu)圖第三章 直流電機(jī)調(diào)速硬件設(shè)計3.1 最小系統(tǒng)設(shè)計3.11 AT89C51介

24、紹AT89C51是美國ATMEL公司生產(chǎn)的AT89系列單片機(jī)中的一種，它與MCS51系列的許多機(jī)種都具有兼容性，并具有廣泛的代表性。AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機(jī)。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲

25、器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡版本。AT89C單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。 AT89C51的特點l 與MCS-51 兼容 l 4K字節(jié)可編程閃爍存儲器 l 壽命：1000寫/擦循環(huán)l 數(shù)據(jù)保留時間：10年l 全靜態(tài)工作：0Hz-24MHzl 三級程序存儲器鎖定l 1288位內(nèi)部RAMl 32可編程I/O線l 兩個16位定時器/計數(shù)器l 5個中斷源 l 可編程串行通道l 低功耗的閑置和掉電模式l 片內(nèi)振蕩器和時鐘電路 引腳定義及功能AT89C51有40條引腳，與其他51系列單片機(jī)引腳是兼容的。這40

26、條引腳可分為I/O端口線、電源線、控制線、外接晶體線四部分。其封裝形式有兩種：雙列直插封裝(DIP)形式和方形封裝形式，如圖3-1所示。圖3-1 AT89C51引腳主電源引腳VCC：供電電壓（+5V）。GND：接地。I/O端口功能P0口： P0口有八條端口線，命名為P0.0P0.7，其中P0.0為低位，P0.7為高位。每條線的結(jié)構(gòu)組成如圖3-2所示。它由一個輸出鎖存器，兩個三態(tài)緩沖器，輸出驅(qū)動電路和輸出控制電路組成。P0口是一個三態(tài)雙向I/O口，它有兩種不同的功能，用于不同的工作環(huán)境。P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。

27、P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。 圖3-2 P0口位結(jié)構(gòu)圖 P1口：P1口有八條端口線，命名為P1.0P1.7，每條線的結(jié)構(gòu)組成如圖3-3所示。P1口是一個準(zhǔn)雙向口，只作普通的I/O口使用，其功能與P0口的第一功能相同。作輸出口使用時，由于其內(nèi)部有上拉電阻，所以不需外接上拉電阻；作輸入口使用時，必須先向鎖存器寫入“1”，使場效應(yīng)管T截止，然后才能讀取數(shù)據(jù)。P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1

28、后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。 圖3-3 P1口位結(jié)構(gòu)圖P2口：P2口有八條端口線，命名為P2.0P2.7，每條線的結(jié)構(gòu)如圖3-4所示。P2口也是一個準(zhǔn)雙向口，它有兩種使用功能：一種是當(dāng)系統(tǒng)不擴(kuò)展外部存儲器時，作普通I/O口使用，其功能和原理與P0口第一功能相同，只是作為輸出口時不需外接上拉電阻；另一種是當(dāng)系統(tǒng)外擴(kuò)存儲器時，P2口作系統(tǒng)擴(kuò)展的地址總線口使用，輸出高8位的地址A7A15，與P0口第二功能輸出的低8位地址相配合，共同訪問外部程序或數(shù)據(jù)存儲器(64 KB)，但它只確定

29、地址并不能像P0口那樣還可以傳送存儲器的讀寫數(shù)據(jù)。P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。P3口：P3口有八條端口線，命名為P3.0P3.7，每條線的結(jié)構(gòu)如

30、圖3-1所示。P3口是一個多用途的準(zhǔn)雙向口。第一功能是作普通I/O口使用，其功能和原理與P1口相同。第二功能是作控制和特殊功能口使用，這時八條端口線所定義的功能各不相同，如表3-4所示。P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。圖3-4 P2口位結(jié)構(gòu)圖 圖3-5 P3口位結(jié)構(gòu)圖表1 P3口各位的第二功能引腳第二功能功 能 說 明 P3.0RXD串行數(shù)據(jù)輸入端 P3.1TXD串行數(shù)據(jù)

31、輸出端 P3.2INT0外部中斷0中斷請求信號輸入端P3.3INT1外部中斷1中斷請求信號輸入端P3.4T0定時/計數(shù)器0外部計數(shù)脈沖輸入端P3.5T1定時/計數(shù)器1外部計數(shù)脈沖輸入端P3.6WR片外RAM寫選通信號輸出端 P3.7RD片外RAM讀選通信號輸出端 3.12 系統(tǒng)時鐘的設(shè)計時鐘電路是用來產(chǎn)生AT89C51單片機(jī)工作時所必須的時鐘信號，AT89C51本身就是一個復(fù)雜的同步時序電路，為保證工作方式的實現(xiàn)，AT89C51在唯一的時鐘信號的控制下嚴(yán)格的按時序執(zhí)行指令進(jìn)行工作 ，時鐘的頻率影響單片機(jī)的速度和穩(wěn)定性。通常時鐘由于兩種形式：內(nèi)部時鐘和外部時鐘。我們系統(tǒng)采用內(nèi)部時鐘方式來為系統(tǒng)提

32、供時鐘信號。AT89C51內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反向放大器，該放大器的輸入輸出引腳為XTAL1和XTAL2，它們跨接在晶體振蕩器和用于微調(diào)的電容，便構(gòu)成了一個自激勵振蕩器。電路中的C1、C2的選擇在30PF左右，但電容太小會影響振蕩的頻率、穩(wěn)定性和快速性。晶振頻率為在1.2MHZ12MHZ之間，頻率越高單片機(jī)的速度就越快，但對存儲器速度要求就高。為了提高穩(wěn)定性我們采用溫度穩(wěn)定性好的NPO電容，采用的晶振頻率為12MHZ。圖3-6 系統(tǒng)時鐘3.1.3 系統(tǒng)復(fù)位方式當(dāng)MCS-5l系列單片機(jī)的復(fù)位引腳RST(全稱RESET)出現(xiàn)2個機(jī)器周期以上的高電平時，單片機(jī)就執(zhí)行復(fù)位操作。如果RST持

33、續(xù)為高電平，單片機(jī)就處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài)。根據(jù)應(yīng)用的要求，復(fù)位操作通常有兩種基本形式：上電復(fù)位和上電或開關(guān)復(fù)位。上電復(fù)位要求接通電源后，自動實現(xiàn)復(fù)位操作。常用的上電復(fù)位電路如圖 (3-7)中左圖所示。圖中電容C1和電阻R1對電源十5V來說構(gòu)成微分電路。上電后，保持RST一段高電平時間，由于單片機(jī)內(nèi)的等效電阻的作用，不用圖中電阻R1，也能達(dá)到上電復(fù)位的操作功能，如圖 (3-7)中所示。上電或開關(guān)復(fù)位要求電源接通后，單片機(jī)自動復(fù)位，并且在單片機(jī)運行期間，用開關(guān)操作也能使單片機(jī)復(fù)位。常用的上電或開關(guān)復(fù)位電路如圖 (3-8)所示。上電后，由于電容C3的充電和反相門的作用，使RST持續(xù)一段時間的高電平。當(dāng)單

34、片機(jī)已在運行當(dāng)中時，按下復(fù)位鍵K后松開，也能使RST為一段時間的高電平，從而實現(xiàn)上電或開關(guān)復(fù)位的操作。根據(jù)實際操作的經(jīng)驗，下面給出這兩種復(fù)位電路的電容、電阻參考值。 單片機(jī)的復(fù)位電路圖3-7 中：Cl22uF，R11k圖3-8中：C：22uF，Rl300，R21k圖3-7復(fù)位電路圖3-8手動復(fù)位電路3.2 電源電路的設(shè)計3.2.1 芯片介紹78XX,XX就代表它所輸出的電壓值，能降低電壓4-5V電子產(chǎn)品中常見到的三端穩(wěn)壓集成電路有正電壓輸出的78系列和負(fù)電壓輸出的79系列。故名思義，三端IC是指這種穩(wěn)壓用的集成電路只有三條引腳輸出，分別是輸入端、接地端和輸出端。用78/79系列三端穩(wěn)壓IC來組

35、成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少,電路內(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)整管的保護(hù)電路。該系列集成穩(wěn)壓IC型號中的78或79后面的數(shù)字代表該三端集成穩(wěn)壓電路的輸出電壓，如7806表示輸出電壓為正6V，7909表示輸出電壓為負(fù)9V。有時在數(shù)字78或79后面還有一個M或L，如78M12或79L24,用來區(qū)別輸出電流和封裝形式等，其中78L調(diào)系列的最大輸出電流為100mA，78M系列最大輸出電流為1A，78系列最大輸出電流為1.5A。在實際應(yīng)用中，應(yīng)在三端集成穩(wěn)壓電路上安裝足夠大的散熱器（當(dāng)然小功率的條件下不用）。當(dāng)穩(wěn)壓管溫度過高時，穩(wěn)壓性能將變差，甚至損壞。3.2.2 電源電路圖用78系列的芯片產(chǎn)生5V電壓供給單

36、片機(jī)使用，給單片機(jī)供電。圖3-9電源電路33 顯示電路設(shè)計3.3.1 78LS48芯片介紹48為內(nèi)部上拉電阻的BCD-七段譯碼驅(qū)動器，共有54/74448 、54/74LS48兩種線路結(jié)構(gòu)形式。輸出端（Ya-Yg）為高電平有效，可驅(qū)動緩沖器或共陰極VLED。當(dāng)要求輸出0-15時，消隱輸入（BI）應(yīng)為高電平或開路，對于輸出為0時還要求脈沖消隱輸入（RBI）為高電平或開路。當(dāng)BI為低電平時，不管其它輸入端狀態(tài)如何，YaYg均為低電平。當(dāng)RBI和地址端（A0-A3）均為低電平，并測試輸入端（LT）為高電平時Ya-Yg為低電平。引出端符號A0-A3 譯碼地址輸入端BI/RBO 消隱輸入（低電平有效）/

37、脈沖消隱輸出（低電平有效）LT 燈測試輸入端（低電平有效）RBT 脈沖消隱輸入端（低電平有效）Ya-Yg 段輸出端3.3.2 顯示電路圖 用四位共陰LED數(shù)碼管實時顯示電機(jī)的速度.以AT89C51單片機(jī)的P0口做八位數(shù)據(jù)線以P0.0-P0.3為數(shù)碼管的控制端。 圖3-11 顯示電路3.4 鍵盤電設(shè)計運行方式的設(shè)置主要有P1口外接鍵盤來完成，判斷鍵盤是否按下的方法：首先設(shè)置P1口為高電平，然后從P1.0到P1.4逐個檢測引腳的電平，如果某個引腳為低電平表示該鍵按下，此時不需要做相應(yīng)的處理實現(xiàn)鍵盤功能，如果引腳為高電平則不做處理。采用5個獨立的開關(guān)主要控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，急停，加減速。 圖3-11

38、鍵盤電路3.5 驅(qū)動電路設(shè)計3.5.1 L298N芯片介紹L298N是SGS公司的產(chǎn)品，是由達(dá)林頓管組成的雙橋高電壓大電流集成PWM電路。PWM電路由四個大功率晶體管組成的橋電路, 四個晶體管分為兩組, 交替導(dǎo)通和截止, 用單片機(jī)控制達(dá)林頓管使之工作在開關(guān)狀態(tài), 根據(jù)調(diào)整輸入脈沖的占空比, 精確調(diào)整電動機(jī)轉(zhuǎn)速。這種電路由于管子工作只在飽合和截止?fàn)顟B(tài)下, 效率非常高。H型電路使實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制簡單化, 且電子開關(guān)的速度很快, 穩(wěn)定性也極強(qiáng), 是一種廣泛采用的PWM調(diào)速技術(shù)。內(nèi)部的每個H橋的下側(cè)橋臂晶體管發(fā)射極連在一起, 其輸出腳(SENSEA和SENSEB) 用來連接電阻檢測電流。VSS接邏

39、輯控制的電源。VS為電動機(jī)驅(qū)動電源.IN1-IN4輸入引腳為標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號, 用來控制橋的開與關(guān)即實現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn), ENA、ENB引腳則為使能控制端, 用來輸入PWM信號實現(xiàn)電機(jī)調(diào)速。3.5.4 驅(qū)動電路采用L298N驅(qū)動器，接受單片機(jī)的輸入信號并放大，驅(qū)動電機(jī)運轉(zhuǎn)。 圖3-12 驅(qū)動電路第四章 直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制程序設(shè)計4.1 主程序流程圖圖4-1 主流程圖主程序主要完成的工作是設(shè)置堆棧，清除標(biāo)志位，清除暫存，清顯示，對T0口進(jìn)行初始化，對串口進(jìn)行初始化后，調(diào)用其它功能子程序，完成設(shè)計的任務(wù)。4.2 鍵盤掃描流程圖圖4-2 鍵盤掃描流程圖采用獨立式鍵盤，本設(shè)計的鍵盤較為簡單，只設(shè)計了

40、電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，急停，加減速5個按鍵。4.3 中斷程序流程圖圖4-3中斷流程圖第五章 結(jié)論與展望5.1 結(jié)論本文對直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了初步研究，從直流調(diào)速系統(tǒng)原理出發(fā)，逐步建立了直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并在此基礎(chǔ)上給出了軟、硬件實現(xiàn)方案。本文采用PWM控制技術(shù)，即利用逆變器裝置中半導(dǎo)體開關(guān)的開通和關(guān)斷，把直流電壓轉(zhuǎn)化變成一定規(guī)律的電壓脈沖序列，以實現(xiàn)調(diào)頻、調(diào)壓和消除諧波三個目的。 PWM控制技術(shù)經(jīng)歷了一個不斷創(chuàng)新和不斷完善的發(fā)展過程，電力電子技術(shù)的發(fā)展，一些全控型快速半導(dǎo)體器件，如BJT、IGBT、GTO等的出現(xiàn)，推動了PWM控制技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。PWM控制技術(shù)有許多種，如等脈寬PWM法、

41、正弦波PWM法(SPWM法)、磁鏈追蹤型PWM法和電流跟蹤型PWM法以及新近發(fā)展起來的空間矢量PWM法(SVPWM)等。根椐占空比和電機(jī)電樞兩端U及電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系，通過改變PWM的占空比來調(diào)節(jié)電機(jī)兩端的平均電壓,實現(xiàn)粗略的調(diào)速. 通過S3，S4來改變PWM的占空比,每按動一次就改變10%數(shù)碼管顯示當(dāng)前的PWM占空比,例如顯示5表示占空比為50%;LED1和LED2分別表示電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。參考文獻(xiàn)1張彥，張同莊 基于80C196KB單片機(jī)實現(xiàn)數(shù)字化觸發(fā)技術(shù)J機(jī)械制造與自動化，2005(1) ,45-602陳伯時. 電力拖動自動控制系統(tǒng)M. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2003.3李發(fā)海 王巖. 電

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