基于STC單片機的直流電機調(diào)速系統(tǒng)設計

.z.----.可修編.畢業(yè)設計（論文）題目：姓名：專業(yè)：學院：繼續(xù)教育學院學習形式：助學單位：指導教師：2014年7月-.z.-.z.畢業(yè)設計（論文）說明書題目院別：專業(yè)：班級：設計人：指導教師：-.z.畢業(yè)設計（論文）任務書一、題目：二、基礎數(shù)據(jù)-.z.三、內(nèi)容要求：1.說明部分：2.計算部分：-.z.3.繪圖部分：四、發(fā)給日期：年月日五、要求完成日期：年月日指導教師：系主任：年月日-.z.基于STC單片機的直流調(diào)速系統(tǒng)設計摘要本文介紹一種基于STC89C52單片機控制的PWM直流電機脈寬調(diào)速系統(tǒng)。系統(tǒng)以廉價的STC89C52單片機為控制核心，以直流電機為控制對象。從系統(tǒng)的角度出發(fā)，對電路進行總體方案論證設計，確定電路各個的功能模塊之間的功能銜接和接口設置，詳細分析了各個模塊的方案論證和參數(shù)設置。整個系統(tǒng)利用52單片機的定時器產(chǎn)生1K左右的PWM脈沖，通過快速光耦6N137實現(xiàn)控制單元與驅(qū)動單元的強弱電隔離，采用4個9013和2個9012構(gòu)成的H橋電路實現(xiàn)對直流電機的調(diào)速，用光電編碼盤完成測速功能。關(guān)鍵詞：STC89C52；PWM；光耦隔離；光電編碼盤-.z.DesignofDCspeedcontrolsystembasedonSTCsinglechipmicroputerAbstractWiththedevelopmentofscienceandtechnology,automaticcontrolsystemhasbeenwidelyusedanddevelopmentinallwalksoflife,whichtheapplicationoftheautomaticspeedcontrolsystemplaysaparticularlyimportantrole.DCmotorasACmotorasthestructureissimple,cheap,easytomanufacture,easytomaintain,butithasagoodstart,brakingperformance,itisappropriateinawiderangeofsmoothspeed,DCspeedcontrolsystemisstillautomaticallyspeedcontrolsysteminthemainform.Motorcontrolfromsimpletople*,andmatureintothemainstream.Withthedevelopmentofpowerelectronicstechnology,theswitchingspeedisfaster,easiertocontrolthefull-controlledpowerdevicesMOSFETandIGBTbeemainstream,pulsewidthmodulationtechnologyshowedagreatersuperiority:themaincircuitlineissimple,needtousethepowerponents;switchingfrequency,currentcontinuous,harmonic,motorlossandfeveraresmall;goodlow-speedperformance,high-speedstability,andthusawidespeedrange;rapidsystemresponseperformance,dynamicimmunityThedesignofthe89C52MCUasthecore,usingtheCprogramminglanguagetocontrol,usingMCUinternaltimeradjustablerectangularwave.StartandstopthekeyboardasaninputtocontroltheDCmotorspeedanddirection,themeasurementofthespeedofthemotor,workingprincipleandmathematicalmodeloftheDCmotorandpulsewidthmodulation(PWM)controlprinciplesandH-bridgecircuitdesign,basedonthebasicprinciplesofdesignadrivercircuit,aPWMtechniquetocontrolthemotor,thepurposeofcalculationofthedutycycletoachieveprecisespeedcontrolthephotoelectrictubeaswellasthecodedisktomeasurethespeedofthemotortopreventthemotorstallinsteadburn.Speedmeasuredbyfourdigitaltubedisplay.Keywords:STC89C52；PWM；Optocouplerisolation；photoelectriccodeddisk目錄TOC\o"1-3"\h\u27956摘要I21841AbstractII296991前言193871.1數(shù)字直流調(diào)速的意義183001.2研究現(xiàn)狀綜述1102791.2.1電氣傳動的發(fā)展現(xiàn)狀同時2295481.2.2微處理器控制直流電機發(fā)展現(xiàn)狀2122682系統(tǒng)總體方案論證636952.1系統(tǒng)方案比較與選擇6107662.2系統(tǒng)方案描述661883硬件電路的模塊設計760333.1驅(qū)動電路方案論證設計7220403.1.1驅(qū)動電路方案、參數(shù)描述7221593.1.2IGBTH橋驅(qū)動電路原理726803.2隔離電路方案論證設計9211253.2.16N137光耦隔離910113.3單片機最小系統(tǒng)11297173.4電動機驅(qū)動電路14294023.4.1直流電機驅(qū)動原理14132433.4.2直流電機PWM調(diào)速控制原理15310983.4.3H橋電動機驅(qū)動電路16225803.4.4PWM調(diào)速原理17246083.5電動機測速電路18233503.6數(shù)碼管顯示電路19165333.6.1.實時顯示狀態(tài)1979383.6.2.數(shù)碼管顯示分析19247823.7按鍵電路21107914軟件設計22286894.1PWM實現(xiàn)方式方案論證2235514.2程序流程圖2296024.3主要程序設計分析2331744.3.1定時器0中斷服務函數(shù)2329454.3.2占空比調(diào)節(jié)部分24315635硬件電路設計2528965.1硬件設計2523135.2電源電路設計25252665.3單片機最小系統(tǒng)2622196調(diào)試結(jié)果描述2815253結(jié)論3015175參考文獻317695謝辭321前言1.1數(shù)字直流調(diào)速的意義現(xiàn)在電氣傳動的主要方向之一是電機調(diào)速系統(tǒng)采用微處理器實現(xiàn)數(shù)字化控制。從上世紀80年代中后期起，世界各大電氣公司如ABB、通用、西屋、西門子等都在競相開發(fā)數(shù)字式調(diào)速傳動裝置，經(jīng)過二十幾年的發(fā)展，當前直流調(diào)速已發(fā)展到一個很高的技術(shù)水平：功率元件采用可控硅；控制板采用表面安裝技術(shù)；控制方式采用電源換相、相位控制[1]。特別是采用了微處理器及其他先進電力電子技術(shù)，使數(shù)字式直流調(diào)速裝置在精度的準確性、控制性能的優(yōu)良性和抗干擾的性能有很大的提高和發(fā)展，在國內(nèi)外得到廣泛的應用。數(shù)字化直流調(diào)速裝置作為目前最新控制水平的傳動方式顯示了強大優(yōu)勢。全數(shù)字化直流調(diào)速系統(tǒng)不斷升級換代，為工程應用和工業(yè)生產(chǎn)提供了優(yōu)越的條件。采用微處理器控制，使整個調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字化程度，智能化程度有很大改觀；采用微處理器控制，使調(diào)速系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上簡單化，可靠性提高，操作維護變得簡捷，電機穩(wěn)態(tài)運行時轉(zhuǎn)速精度等方面達到較高水平。由于微處理器具有較佳的性價比，所以微處理器在工業(yè)過程及設備控制中得到日益廣泛的應用。近年來，盡管交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展很快，但是直流電機憑借其良好的啟動、制動性能，在金屬切削機床、軋鋼機、海洋鉆機、挖掘機、造紙機、礦井卷揚機、電鍍、高層電梯等需要廣泛*圍內(nèi)平滑調(diào)速的高性能可控電力拖動領域中仍得到了廣泛的應用?，F(xiàn)階段，我國還沒有自主的全數(shù)字化直流調(diào)速控制裝置生產(chǎn)商，而國外先進的控制器價格昂貴，且技術(shù)轉(zhuǎn)讓受限，為此研究及更好的使用國外先進的控制器，吸收國外先進的數(shù)字化直流電機調(diào)速裝置的優(yōu)點，具有重要的實際意義和重大的經(jīng)濟價值。1.2研究現(xiàn)狀綜述20世紀70年代以來，直流電機傳動經(jīng)歷了重大的技術(shù)、裝備變革。整流器的更新?lián)Q代，以晶閘管整流裝置取代了習用已久的直流發(fā)電機電動機組及水銀整流裝置使直流電氣傳動完成了一次大的躍進[1]。電氣傳動的發(fā)展現(xiàn)狀同時高集成化、小型化、高可靠性及低成本成為控制的電路的發(fā)展方向。使直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標大幅提高，應用*圍不斷擴大。直流調(diào)速技術(shù)不斷發(fā)展，走向成熟化、完善化、系列化、標準化，在可逆脈寬調(diào)速、高精度的電氣傳動領域中仍然難以替代[1]。早期直流傳動的控制系統(tǒng)采用模擬分離器件構(gòu)成，由于模擬器件有其固有的缺點，如存在溫漂、零漂電壓，構(gòu)成系統(tǒng)的器件較多，使得模擬直流傳動系統(tǒng)的控制精度及可靠性較低[2]。隨著計算機控制技術(shù)的發(fā)展，微處理器已經(jīng)廣泛使用于直流傳動系統(tǒng)，實現(xiàn)了全數(shù)字化控制。由于微處理器以數(shù)字信號工作，控制手段靈活方便，抗干擾能力強。所以，全數(shù)字直流調(diào)速控制精度、可靠性和穩(wěn)定性比模擬直流調(diào)速系統(tǒng)大大提高。所以，直流傳動控制采用微處理器實現(xiàn)全數(shù)字化，使直流調(diào)速系統(tǒng)進入一個嶄新的階段。微處理器控制直流電機發(fā)展現(xiàn)狀微處理器誕生于上個世紀七十年代，隨著集成電路大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路制造工藝的迅速發(fā)展，微處理器的性價比越來越高。此外，由于電力電子技術(shù)的發(fā)展，制作工藝的提升，使得大功率電子器件的性能迅速提高。為微處理器普遍用于控制電機提供了可能，利用微處理器控制電機完成各種新穎的、高性能的控制策略，使電機的各種潛在能力得到充分的發(fā)揮，使電機的性能更符合工業(yè)生產(chǎn)使用要求[2]，還促進了電機生產(chǎn)商研發(fā)出各種如步進電機、無刷直流電機、開關(guān)磁阻電動機等便于控制且實用的新型電機，使電機的發(fā)展出現(xiàn)了新的變化。對于簡單的微處理器控制電機，只需利用用微處理器控制繼電器、電子開關(guān)元器件，使電路開通或關(guān)斷就可實現(xiàn)對電機的控制。現(xiàn)在帶微處理器的可編程控制器，已經(jīng)在各種的機床設備和各種的生產(chǎn)流水線中普遍得到應用，通過對可編程控制器進行編程就可以實現(xiàn)對電機的規(guī)律化控制。對于復雜的微處理器控制電機,則要利用微處理器控制電機的電壓、電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角等，使電機按給定的指令準確工作。通過微處理器控制，可使電機的性能有很大的提高。目前相比直流電機和交流電機他們各有所長，如直流電機調(diào)速性能好，但帶有機械換向器，有機械磨損及換向火花等問題；交流電機，不論是異步電機還是同步電機，結(jié)構(gòu)都比直流電機簡單，工作也比直流電機可靠，但在頻率恒定的電網(wǎng)上運行時，它們的速度不能方便而經(jīng)濟地調(diào)節(jié)[2]。高性能的微處理器如DSP(DIGITALSIGNALPROCESSOR即數(shù)字信號處理器)的出現(xiàn)，為采用新的控制理論和控制策略提供了良好的物質(zhì)基礎，使電機傳動的自動化程度大為提高。在先進的數(shù)控機床等數(shù)控位置伺服系統(tǒng)，已經(jīng)采用了如DSP等的高速微處理器，其執(zhí)行速度可達數(shù)百萬兆以上每秒，且具有適合的矩陣運算[2]。1.3直流電動機調(diào)速概述直流電機調(diào)速原理直流電動機根據(jù)勵磁方式不同，直流電動機分為自勵和他勵兩種類型。不同勵磁方式的直流電動機機械特性曲線有所不同。但是對于直流電動機的轉(zhuǎn)速有以下公式：其中：U—電壓；—勵磁繞組本身的電阻；—每極磁通(Wb)；Cc—電勢常數(shù)；Cr—轉(zhuǎn)矩常量[3]。由上式可知，直流電機的速度控制既可采用電樞控制法，也可采用磁場控制法。磁場控制法控制磁通，其控制功率雖然較小，但低速時受到磁極飽和的限制，高速時受到換向火花和換向器結(jié)構(gòu)強度的限制[4]，而且由于勵磁線圈電感較大，動態(tài)響應較差[5]。所以在工業(yè)生產(chǎn)過程中常用的方法是電樞控制法。圖1-1直流電機的工作原理圖電樞控制是在勵磁電壓不變的情況下，把控制電壓信號加到電機的電樞上，以控制電機的轉(zhuǎn)速。傳統(tǒng)的改變電壓方法是在電樞回路中串聯(lián)一個電阻，通過調(diào)節(jié)電阻改變電樞電壓，達到調(diào)速的目的，這種方法效率低、平滑度差，由于串聯(lián)電阻上要消耗電功率，因而經(jīng)濟效益低，而且轉(zhuǎn)速越慢，能耗越大[6]。隨著電力電子的發(fā)展，出現(xiàn)了許多新的電樞電壓控制方法。如：由交流電源供電，使用晶閘管整流器進行相控調(diào)壓；脈寬調(diào)制(PWM)調(diào)壓等等。調(diào)壓調(diào)速法具有平滑度高，能耗少，精度高等優(yōu)點。在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用其中脈寬調(diào)制(PWM)應用更為廣泛。脈寬調(diào)速利用一個固定的頻率來控制電源的接通或斷開，并通過改變一個周期內(nèi)“接通”和“斷開”時間的長短，即改變直流電機電樞上電壓的“占空比”來改變平均電壓的大小，從而控制電動機的轉(zhuǎn)速，因此，PWM又被稱為“開關(guān)驅(qū)動裝置”。圖1-2電樞電壓占空比和平均電壓的關(guān)系圖根據(jù)圖1-2，如果電機始終接通電源時，電機轉(zhuǎn)速最大為，占空比為D=/T，則電機的平均速度為：，可見只要改變占空比D，就可以得到不同的電機速度，從而達到調(diào)速的目的[7]。2系統(tǒng)總體方案論證2.1系統(tǒng)方案比較與選擇方案一：采用專用PWM集成芯片、IR2110功率驅(qū)動芯片構(gòu)成整個系統(tǒng)的核心，現(xiàn)在市場上已經(jīng)有很多種型號，如Tl公司的TL494芯片，東芝公司的ZSK313I芯片等。這些芯片除了有PWM信號發(fā)生功能外，還有“死區(qū)”調(diào)節(jié)功能、過流過壓保護功能等。這種專用PWM集成芯片可以減輕單片機的負擔，工作更可靠，但其價格相對較高，難于控制工業(yè)成本不宜采用。方案二：采用STC52單片機、功率集成電路芯片L298構(gòu)成直流調(diào)速裝置。L298是雙H高電壓大電流功率集成電路，直接采用TTL邏輯電平控制，可用來驅(qū)動繼電器、線圈、直流電動機、步進電動機等電感性負載。其驅(qū)動電壓為46V，直流電流總和為4A。該方案總體上是具有可行性，但是L298的驅(qū)動電壓和電流較小，不利于工業(yè)生產(chǎn)應用，無法滿足工業(yè)生產(chǎn)實踐中大電壓、大電流的直流電機調(diào)速。方案三：整個系統(tǒng)利用52單片機的定時器產(chǎn)生1K左右的PWM脈沖，通過快速光耦6N137實現(xiàn)控制單元與驅(qū)動單元的強弱電隔離，采用4個9013和2個9012構(gòu)成的H橋電路實現(xiàn)對直流電機的調(diào)速，用光電編碼盤完成測速功能。綜合上述三種方案，本設計采用方案三作為整個系統(tǒng)的設計思路。2.2系統(tǒng)方案描述本系統(tǒng)采用STC52為控制核心，配以2鍵盤和LCD顯示，通過晶體管驅(qū)動直流電機和LCD速度顯示。同時利用STC52產(chǎn)生的PWM經(jīng)過邏輯延遲電路后加載到以9013和9012構(gòu)成的H橋主干電路上實現(xiàn)對直流電機的控制和調(diào)速。本系統(tǒng)的控制部分均為5V的電壓，采用6N137光耦隔離直流電機對單片機的信號干擾。3硬件電路的模塊設計3.1驅(qū)動電路方案論證設計IGBTH橋驅(qū)動電路原理H橋驅(qū)動電路是一個典型的直流電機控制電路，電路得名于“H橋驅(qū)動電路”是因為它的形狀酷似字母H。H型變換器在控制方式上分為雙極式、單極式和受限式三種[5]。本設計同樣采用選用雙極式H型PWM變換器。如圖3.2所示，四個電力晶體管IGBT和四個續(xù)流二級管FR307構(gòu)成了H橋驅(qū)動電路。基極驅(qū)動電壓分為兩組即、同時工作其驅(qū)動電壓分別為和，和同時工作其驅(qū)動電壓為。在一個開關(guān)周期內(nèi)，時和為正，晶體管和飽和導通；而和為負值，和截止。這時，+加在電樞AB兩端，，電樞電流沿回路1流通；當時，和變?yōu)樨撝?，和截止；和變成正值，但是和并不能立即導通，因為在電樞電感釋放儲能的作用下，沿回?經(jīng)二極管、續(xù)流，在和上的壓降使、集電極和發(fā)射極承受反壓，這時，在一個周期內(nèi)正負相間，這是雙極式PWM變換器的特征[2]。圖3-1IGBTH橋驅(qū)動電路在一個周期內(nèi)具有正負相間的脈沖波形。而電機的正反轉(zhuǎn)則體現(xiàn)在驅(qū)動電壓正、負脈沖的寬窄上。當正脈沖較寬時，，則電樞兩端的平均電壓為正，在電動運行時電機正轉(zhuǎn)。當，平均電壓為負值，電機反轉(zhuǎn)。如果正負脈沖相等時電樞電壓為零，電機停轉(zhuǎn)。雙極型可逆PWM變換器電樞平均電壓為[3]：若定義占空比為和電壓系數(shù)的定義與不可逆變換器中相同，則在雙極式控制的可逆變換器中=2-1與不可逆變換器中的不同。調(diào)速時的可調(diào)*圍為0~1，相應的=-1~1。當時，為正，電動機正轉(zhuǎn)；當時，為負，電動機負轉(zhuǎn)；當時，=0，電動機停止。雙極式控制的電壓平衡方程式[3]：（）（）電樞兩端在一個周期內(nèi)的平均電壓都是：。其平均值方程都可寫成[3]：則機械特性方程[3]：用轉(zhuǎn)矩表示[3]：式中，——電機在額定磁通下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)，?！硐肟蛰d轉(zhuǎn)速，與電壓系數(shù)成正比，。3.2隔離電路方案論證設計3.2.16N137光耦隔離隔離是整個設計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，如果隔離沒有做好，將導致強弱電互相串擾，強電串到弱電的控制單元時會導致整個控制單元燒毀。因為系統(tǒng)的主電路電壓均為高電壓、大電流，而控制單元為弱電壓，弱電流，所以它們之間必須采取光電隔離措施，以提高系統(tǒng)抗干擾措施，綜合考慮決定采用快速關(guān)斷型驅(qū)動芯片6N137。選用6N137光耦既保證了功率驅(qū)動電路與PWM脈寬調(diào)制電路的可靠隔離，又具備了直接驅(qū)動MOSFET的能力，驅(qū)動電路簡單。根據(jù)6N137的數(shù)據(jù)手冊要求5、8腳之間必修接104旁路電容使輸出均勻化，降低負載需求。具體電路設計如圖3-4：3.3單片機最小系統(tǒng)本系統(tǒng)的單片機采用的是89C52單片機，此單片機的最小系統(tǒng)如下圖3-2所示。其中P0口接數(shù)碼管段選，P2口高四位接數(shù)碼管位選，P2.0接電動機的PWM調(diào)速端，P3.4讀取光電測速電路送給單片機的脈沖，進行電動機轉(zhuǎn)速的測量，P1口接按鍵。本系統(tǒng)主要采用STC89C52RC單片機，STC89C52RC是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8KB在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52RC為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、有效的解決方案。STC89C52RC具有以下標準功能：8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM32位I/O口線看門狗定時器，2個數(shù)據(jù)指針，三個16位定時器/計數(shù)器一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口片內(nèi)晶振及時鐘電路另外，STC89C52RC可降至0Hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式。空閑模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。P1口只做I/O口使用：其內(nèi)部有上拉電阻。P2口有兩個功能(1)擴展外部存儲器時，當作地址總線使用(2)做一般I/O口使用，其內(nèi)部有上拉電阻；P3口有兩個功能除了作為I/O使用外（其內(nèi)部有上拉電阻），還有一些特殊功能，由特殊寄存器來設置，具體功能請參考我們后面的引腳說明。圖3-2單片機最小系統(tǒng)有內(nèi)部EPROM的單片機芯片（例如8751），為寫入程序需提供專門的編程脈沖和編程電源，這些信號也是由信號引腳的形式提供的，即：編程脈沖：30腳（ALE/PROG）單片機最小系統(tǒng)構(gòu)成如下：1.電源STC89C52RC單片機的電壓為4.0V-5.5V，我們采用7805穩(wěn)壓到5V進行供電。2.晶振晶振結(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。本系統(tǒng)主要采用的是12M晶振，配合2個30pF的電容構(gòu)成晶體振蕩電路。3.復位為確保微機系統(tǒng)中電路穩(wěn)定可靠工作，復位電路是必不可少的一部分，復位電路的第一功能是上電復位，復位電路通過電容加給RST端一個短暫的高電平信號，此高電平信號隨著Vcc對電容的充電過程而逐漸回落，即RST端的高電平持續(xù)時間取決于電容的充電時間。另外，在復位期間，端口引腳處于隨機狀態(tài)，復位后，系統(tǒng)將端口置為全“l(fā)”態(tài)。如果系統(tǒng)在上電時得不到有效的復位，則程序計數(shù)器PC將得不到一個合適的初值，因此，CPU可能會從一個未被定義的位置開始執(zhí)行程序。3.4電動機驅(qū)動電路圖3-3電動機驅(qū)動電路直流電機驅(qū)動原理直流電機的物理模型如圖3-4所示：圖3-4電機物理模型電機定子有兩個磁極，磁極上形成的勵磁磁場極性如圖所示，轉(zhuǎn)子上有電樞、換向器和電刷，固定于定子的電刷位于兩個磁極間的中心線上，并與外部電源相通。當電樞在外施電壓Ua作用下產(chǎn)生電流時，電流產(chǎn)生磁場，轉(zhuǎn)子收到逆時針方向的電磁轉(zhuǎn)矩作用而旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生如圖3-7所示的反電動勢Ea，并與外部電源電壓相平衡，直到轉(zhuǎn)速n穩(wěn)定為止。直流電機可以看成是電氣部分與機械運動兩部分。電氣部分有電樞繞組和勵磁繞組，機械部分只有轉(zhuǎn)子運動機構(gòu)[10]。直流電機PWM調(diào)速控制原理直流電機改變電壓調(diào)速就是改變電樞繞組端電壓的調(diào)速。電樞繞組端電壓不能隨意變化，因為電源及電機繞組絕緣耐壓的限制，電樞繞組端電壓一般不能超過額定電樞電壓，所以直流電機調(diào)壓調(diào)速是，電樞繞組的電壓大小只能在額定電樞電壓及其以下*圍內(nèi)調(diào)節(jié)。當然，電樞電壓的極性是可以改變的。當勵磁磁通額定不變時，調(diào)節(jié)電樞繞組電壓、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)速的機械特性如圖所示為一組平行線，所以電樞端電壓和轉(zhuǎn)速呈線性關(guān)系[11]。圖3-5改變電樞電壓調(diào)速的基本特性在直流調(diào)速系統(tǒng)中，電樞電流的時間常數(shù)較小，電流內(nèi)環(huán)必須有足夠高的采樣頻率，而電流調(diào)節(jié)算法一般比較簡單，采用較高的采樣頻率是可能的。因此電流調(diào)節(jié)器一般都可以采用間接方法設計，先按連續(xù)控制系統(tǒng)設計，然后再將得到的調(diào)節(jié)器數(shù)字化[12]。對于轉(zhuǎn)速，由于系統(tǒng)的動態(tài)性能往往對轉(zhuǎn)速截止頻率的大小有一定要求，不能太低。但轉(zhuǎn)速控制有時比較復雜，占用的機時較長，因而轉(zhuǎn)速的采樣頻率又不能很高。如果所選擇的采樣頻率不夠高，按連續(xù)系統(tǒng)設計誤差較大時，就應按照離散控制系統(tǒng)來設計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。電動機驅(qū)動電路采用H橋式驅(qū)動，圖中用三極管組成H型平衡橋，驅(qū)動功率大，驅(qū)動能力強。同時H型PWM電路工作在晶體管的飽和狀態(tài)與截止狀態(tài)，具有非常高的效率。圖中兩個光電耦合器起隔離作用，因為電動機驅(qū)動電壓為12V，單片機的工作電壓為5V，若三極管的基極直接與單片機相連，會燒壞單片機，所以必加一個光電耦合器，隔離兩邊的電壓，由于光電耦合器的傳輸速度最高可以達到70KHz，所以光電耦合器可以滿足隔離的要求，同時也可滿足脈沖信號傳遞速度較快的要求。當單片機給P2.0口低電平時，光耦不導通，所以Q5的基極是低電平不導通，當單片機給P2.0口高電平時，光電耦合器導通，此時光電耦合器的右邊的電壓被拉高，三極管Q5導通，Q7和Q8也導通，此時電動機反轉(zhuǎn)。當單片機給P2.1口低電平時，光耦不導通，所以Q10的基極是低電平不導通，當單片機給P2.1口高電平時，光電耦合器導通，此時光電耦合器的右邊的電壓被拉高，三極管Q10導通，Q6和Q9也導通，此時電動機正轉(zhuǎn)。H橋電動機驅(qū)動電路圖3-6中所示這是一個非常常用的電動機驅(qū)動控制電路。因為它的形狀和字母H非常相似，因此叫作“H橋驅(qū)動電路”。4個三極管組成這個電動機驅(qū)動電路。如圖所示，電動機驅(qū)動電路H橋式通常包括4個三極管和一個電動機。導通對角線上的一對三極管，則電動機運轉(zhuǎn)。判斷不同三極管對的導通與否，然后判斷電流的流向，根據(jù)電流的流向控制電動機的轉(zhuǎn)向。圖3-6H橋結(jié)構(gòu)圖對角線上的一對三極管導通則電動機運轉(zhuǎn)。例如，如圖3-7所示，如果Q1管和Q4管導同時通時，電流就從三極管Q1從左至右如黑線所示流過電動機，這樣電動機就正轉(zhuǎn)了。在圖中箭頭所示的為電流流過的方向，這時電流將驅(qū)動電動機正向轉(zhuǎn)動。圖3-7H橋控制電動機正轉(zhuǎn)3.4.4PWM調(diào)速原理脈沖寬度調(diào)制（PWM）是英文“PulseWidthModulation”的縮寫，簡稱脈寬調(diào)制。主要用單片機等處理器的數(shù)字量來對模擬量進行控制的一種技術(shù)，廣泛應用于通信，測量，電動機速度變換等工業(yè)控制領域[13]。脈沖寬度調(diào)制是一種對模擬信號進行數(shù)字脈沖編碼的方法。通過單片機等微處理器定的時器以及計數(shù)器的使用，方波的占空比D被調(diào)制用來對一個具體模擬信號的電平進行編碼，PWM信號仍然是數(shù)字的，在給定的任何時刻，它都只表現(xiàn)出開和關(guān)兩種狀態(tài)，驅(qū)動電路要么完全導通，要么完全關(guān)閉。PWM的一個優(yōu)點是從處理器到被控系統(tǒng)信號都是數(shù)字形式的，無需進行數(shù)模轉(zhuǎn)換。讓信號保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小。噪聲只有在強到足以將邏輯1改變?yōu)檫壿?或?qū)⑦壿?改變?yōu)檫壿?時，也才能對數(shù)字信號產(chǎn)生影響[14]。電壓或電流源是以一種通或斷的重復脈沖序列被加到模擬負載上去的。當導通時，直流供電被加到負載上，當關(guān)斷時，供電被斷開的時候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進行編碼。多數(shù)負載無論是電感性負載還是電容性負載都需要的調(diào)制頻率高于10Hz，通常調(diào)制頻率為1kHz到200kHz之間。3.5電動機測速電路圖3-8電動機測速電路當電動機轉(zhuǎn)動時，帶動光電碼盤轉(zhuǎn)動，發(fā)光元件發(fā)出的光經(jīng)過光電碼盤時，由于碼盤是由多個格子組成的，所以碼盤轉(zhuǎn)動時，在光敏元件會產(chǎn)生多個矩形脈沖，如上圖所示，我們通過在一定的時間T內(nèi)測量脈沖的個數(shù)N，以及碼盤的精度P（多少格的碼盤）就可以計算出電動機的轉(zhuǎn)速Vr[15]。其轉(zhuǎn)速:Vr=(N/P)/T電動機測速電路采用光電編碼盤和紅外光電對管組成，紅外光電對管其原理如下圖所示：圖3-9光電碼盤編碼原理通過電動機測速電路，單片機可以實時的判斷電動機電路是否正常工作，若測得電動機轉(zhuǎn)速過低或者為零，則證明電動機堵轉(zhuǎn)或者異常，此時單片機可以控制電動機停轉(zhuǎn)來保護電動機并發(fā)出報警，在數(shù)碼管上顯示。3.6數(shù)碼管顯示電路圖3-10數(shù)碼管顯示電路.實時顯示狀態(tài)顯示電路為四位數(shù)碼管，用來顯示實時電動機轉(zhuǎn)速。通過數(shù)碼管上的顯示，我們可以清楚的判斷電動機的轉(zhuǎn)速情況。.數(shù)碼管顯示分析在實際的單片機系統(tǒng)中，往往需要多位顯示。動態(tài)顯示應用非常廣泛是一種最常見的多位顯示方法，。用數(shù)碼管顯示測得的數(shù)據(jù)，數(shù)碼管有8段而每段必需占用一個單片機的IO口，所以一位數(shù)碼管必須占8個單片機IO口，本次設計采用4位數(shù)碼管，則需要12個I/O口，而89C52單片機的I/O口只有32個。動態(tài)顯示能夠很好的解決數(shù)碼管占用單片機IO口過多的問題。所有數(shù)碼管的段選全部連接在一起，如何能顯示不同的內(nèi)容呢？動態(tài)顯示的原理是多位數(shù)碼管，交替來進行顯示，利用人的視覺暫留效果使人看到好像有多個數(shù)碼管同時顯示。在編程時，要用單片機控制段選和位選，所謂的位選是選中其中一個數(shù)碼管，然后利用單片機輸出段碼，需要顯示的數(shù)字就能顯示在這位數(shù)碼管上了，延時一段時間后，再選中另一個數(shù)碼管，再輸出對應的段碼，高速交替。在動態(tài)顯示程序中，各個位的延時時間長短是非常重要的，如果延時時間長，則會出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象；如果延時時間太短，則會出現(xiàn)顯示發(fā)暗且有重影。靜態(tài)驅(qū)動就是給單獨每一個LED供電。這樣每個LED都有足夠的電流，亮度也相應的比較高。動態(tài)掃描驅(qū)動就是把本來供給一個LED燈的電流，同時分給了N個燈，所以它的亮度會有所降低。當然在同時供給兩個led燈電流時不是平均的分配電流，而是led間掃描期間電流不斷地交替，掃描的頻率依據(jù)單片機的速度決定，也就是說各位的數(shù)碼管上的電流在掃描頻率內(nèi)是供個其中一個led，在下一個掃描頻率內(nèi)是供給了另一個led。由上面的分析可以得到限流電阻R的值若我們想讓這個4位數(shù)碼管的每段工作時的電流為8mA.Uled為正常工作時的電壓取1.7V。則我們可以得出限流電阻的取值為所以我們選取100歐的限流電阻。這樣每個LED工作時的電流約為8mA.在保證LED能亮的同時不會被燒壞。根據(jù)上面的計算可得每位數(shù)碼的電流為64mA,8550的集電極電流最大可達1.5A，完全滿足設計要求。由于單片機最大的拉電流一般約為2-5mA,所以必須串一個1K的限流電阻，此處的三極管相當于開關(guān)作用，控制各位數(shù)碼管的開關(guān)。3.7按鍵電路按鍵共5個，當按鍵未按時，單片機接收到的是高電平，當按鍵按下時連接單片機的引腳電平被拉低，單片機通過判斷引腳電平的變化來確定有無按鍵按下。由于是機械按鍵，所以會有機械抖動問題，導致在按一下時，會引起單片機多次的誤觸發(fā)，所以我們在程序中必須要加一定的延時來去掉抖動。圖3-11按鍵電路按鍵1是速度加，按鍵2是速度減，按鍵3是正反轉(zhuǎn)切換，按鍵4是電機停止。4軟件設計4.1PWM實現(xiàn)方式方案論證方案一：軟件延時基本思想：首先預設占空比值D，再根據(jù)周期T分別給輸出端口置高電平M個單位時間，即。然后，在給輸出端口置低電平個單位時間，即。通過改變M和的值，就可實現(xiàn)改變占空比，從而實現(xiàn)對單片機調(diào)速[23]。軟件延時雖然理論上實現(xiàn)起來較容易，但占用系統(tǒng)資源過多，使用不方便。方案二：定時計數(shù)基本思想：利用單片機定時器0中斷方式產(chǎn)生PWM脈沖，當定時器計數(shù)到設定時間后輸出端口實現(xiàn)高低電平轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)PWM輸出。此方案占用單片機資源比較少，使用較為簡單。綜合兩個方案，本設計采用方案二。4.2程序流程圖系統(tǒng)程序為一個主程序（包括若干功能模塊），中斷子程序，以及若干個子程序，共計三大部分構(gòu)成。按照任務的定義，每個功能模塊都能完成*一明確的任務，實現(xiàn)具體的*個功能，如測量、計算、顯示、鍵盤掃描、輸出控制等。本設計的總程序設計流程圖及其部分主要子程序流程圖。圖4-1PWM輸出流程圖4.3主要程序設計分析定時器0中斷服務函數(shù)voidtime0()interrupt1{TH0=(65536-18432)/256; TL0=(65536-18432)%256; a++; if(a==100) { a=0; key1=1; second++; num2=num*60; num1=num2/100; num=0; if(second==60) { second=0; minute++; if(minute==60) { minute=0;hour++; if(hour==23) { hour=0; } } } }}占空比調(diào)節(jié)部分if(!Inc) pwm=pwm>0"pwm-1:0; if(!Dec) pwm=pwm<1000"pwm+1:1000; PWM=1; delay(pwm); PWM=0; delay(1000-pwm);5硬件電路設計5.1硬件設計系統(tǒng)主要采用89C52單片機為主控芯片，單片機讀取按鍵值，然后控制電動機正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)，啟動，停止，調(diào)速，以及速度的測量。單片機先讀取按鍵值，然后控制電動機的轉(zhuǎn)動，同時光電測速電路對電動機的轉(zhuǎn)速進行測量，將測量的結(jié)果送給單片機，單片機處理后送到4位數(shù)碼管上進行顯示。電源部分給單片機以及各電路供電，本系統(tǒng)電動機驅(qū)動部分和單片機等數(shù)字器件分開供電，單片機等數(shù)字器件用+5V電源，電動機用+7.2V電源。這樣分開供電，避免了電動機對單片機等數(shù)字芯片及器件的干擾。有利于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。5.2電源電路設計電動機驅(qū)動系統(tǒng)中，供電電源為系統(tǒng)的正常工作提供能源，本系統(tǒng)主要是采用5V電源給單片機供電，12V電源給電動機供電，直流電主要是市電通過整流，濾波，穩(wěn)壓得到5V直流電源以及12V電源，其原理圖如圖5-1。圖5-15V供電電路和12V供電電路圖5-2直流穩(wěn)壓電源組成圖供電電路采用的是直流線性穩(wěn)壓器組成。一般直流穩(wěn)壓電源的組成如圖5-2所示。其中，交流電經(jīng)過變壓器變壓得到電壓UAC,根據(jù)單相橋式整流電路的特性，我們可以計算出整流以后的電壓UO，UO是整流電路的輸出端電壓瞬時值在一個周期內(nèi)的平均值，如圖5-2所示。根據(jù)上圖中的波形可得，UO==12.1V5.3單片機最小系統(tǒng)本系統(tǒng)的單片機采用的是89C52單片機，此單片機的最小系統(tǒng)如下圖所示。其中P0口接數(shù)碼管段選，P2口高四位接數(shù)碼管位選，P2.0接電動機的PWM調(diào)速端，P3.4讀取光電測速電路送給單片機的脈沖，進行電動機轉(zhuǎn)速的測量，P1口接按鍵。本系統(tǒng)主要采用STC89C52RC單片機，STC89C52RC是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8KB在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52RC為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、有效的解決方案。STC89C52RC具有以下標準功能：8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM32位I/O口線看門狗定時器，2個數(shù)據(jù)指針，三個16位定時器/計數(shù)器一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口片內(nèi)晶振及時鐘電路另外，STC89C52RC可降至0Hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。P1口只做I/O口使用：其內(nèi)部有上拉電阻。P2口有兩個功能(1)擴展外部存儲器時，當作地址總線使用(2)做一般I/O口使用，其內(nèi)部有上拉電阻；P3口有兩個功能除了作為I/O使用外（其內(nèi)部有上拉電阻），還有一些特殊功能，由特殊寄存器來設置，具體功能請參考我們后面的引腳說明。6調(diào)試結(jié)果描述圖6-1PWM為默認值200，即占空比為20%時候的情況圖6-2占空比為0情況的波形圖6-3占空比為100%情況的波形從上表可知：當占空比為50%電機停轉(zhuǎn)，隨著占空比的增加或減少電機轉(zhuǎn)速也越來越快。通過改變占空比即可實現(xiàn)對直流電機的調(diào)速。-.