【基于單片機(jī)的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)12000字（論文）】

基于單片機(jī)的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)目錄第1章緒論 11.1課題的研究目的和意義 11.2直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)研究現(xiàn)狀 21.2.1國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 31.2.2國(guó)外研究現(xiàn)狀 41.3本文主要研究?jī)?nèi)容 5第2章直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其原理 62.1直流電機(jī)的結(jié)構(gòu) 62.2直流電動(dòng)機(jī)的工作原理 72.3PWM直流電機(jī)調(diào)速原理 82.4系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)思路 9第3章硬件電路設(shè)計(jì) 113.1基于單片機(jī)控制電路設(shè)計(jì) 113.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 143.3調(diào)速系統(tǒng)供電電源電路設(shè)計(jì) 163.4測(cè)試模塊電路設(shè)計(jì) 163.5PWM信號(hào)發(fā)生電路設(shè)計(jì) 17第4章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 194.1系統(tǒng)程序設(shè)計(jì) 194.1.1主程序設(shè)計(jì) 194.1.2PWM信號(hào)發(fā)生程序設(shè)計(jì) 204.1.3延時(shí)程序設(shè)計(jì) 214.2系統(tǒng)調(diào)試 224.2.1軟件調(diào)試 224.2.2測(cè)速軟件設(shè)計(jì) 23第5章系統(tǒng)仿真調(diào)試 245.1仿真調(diào)試軟件選取 245.1.1編程軟件選取 245.1.2硬件電路仿真軟件選取 255.2系統(tǒng)仿真調(diào)試結(jié)果 25結(jié)論 28參考文獻(xiàn) 29第1章緒論1.1課題的研究目的和意義隨著工業(yè)發(fā)展的進(jìn)步，直流電機(jī)由于能提供多數(shù)電力設(shè)備電能被應(yīng)用于社會(huì)生活中的很多領(lǐng)域中，如交通、工廠、航天等諸多領(lǐng)域中。而直流電機(jī)的作用就是產(chǎn)生電能，它主要是由定子與轉(zhuǎn)子所構(gòu)成，其中定子代表的就是在機(jī)器運(yùn)行時(shí)器件處于靜止?fàn)顟B(tài)的部分，其主要的作用就是產(chǎn)生磁場(chǎng)；轉(zhuǎn)子指的就是運(yùn)行器件中負(fù)責(zé)運(yùn)動(dòng)的部件，主要負(fù)責(zé)電磁轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生。而直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)是通過(guò)認(rèn)為操作來(lái)改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速?gòu)亩_(dá)到預(yù)期想要結(jié)果的一種操作。在控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的時(shí)候必須根據(jù)不同的用電要求選擇合適的轉(zhuǎn)速，并且在工業(yè)生產(chǎn)中能夠滿足更多的生產(chǎn)要求，不過(guò)工程應(yīng)用當(dāng)中穩(wěn)速卻不能夠達(dá)到要求，要滿足網(wǎng)速要求，必須要在一定的精度條件下按照規(guī)定速度運(yùn)行，并且運(yùn)行的時(shí)候不能受到太大的干擾以及轉(zhuǎn)速改變。一般直流電機(jī)出現(xiàn)速度不穩(wěn)定的現(xiàn)象是因?yàn)橹绷髡{(diào)速單元出現(xiàn)了調(diào)節(jié)器故障，無(wú)法快速根據(jù)負(fù)載參數(shù)的改變作出反應(yīng)。因?yàn)橹绷麟姍C(jī)的數(shù)字模型比較容易得到，而利用經(jīng)典控制理論可以明確被控制對(duì)象的傳遞函數(shù)的具體值，市面上大多數(shù)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)都是基于上述理論進(jìn)行設(shè)計(jì)的。不過(guò)在實(shí)際的傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程當(dāng)中，數(shù)字模型中所表示的電機(jī)參數(shù)以及拖動(dòng)負(fù)載參數(shù)與實(shí)際參數(shù)之間可能有一些出入，特別是一些需要調(diào)速的中小型電機(jī)。而且對(duì)直流電機(jī)的管理和控制并不根據(jù)線性控制進(jìn)行，因?yàn)樵S多非線性元素都會(huì)干擾到拖動(dòng)載荷，又因?yàn)楸豢刂茖?duì)象的非線性參數(shù)，因此必須明確調(diào)節(jié)器的常數(shù)參數(shù)，不然的話就無(wú)法在各種運(yùn)行條件下確定系統(tǒng)的調(diào)速指標(biāo)，這樣往往會(huì)導(dǎo)致調(diào)速系統(tǒng)的性能無(wú)法達(dá)到規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，特別是在系統(tǒng)模型范圍涉及較大的情況下，控制性能往往達(dá)不到系統(tǒng)所要的調(diào)速標(biāo)準(zhǔn)，通常無(wú)法在非線性因素以及載荷因素的影響下保持穩(wěn)定。進(jìn)行工程設(shè)計(jì)的過(guò)程當(dāng)中，控制器的控制性能必須滿足系統(tǒng)需要，比如說(shuō)軋輥磨床車架電控系統(tǒng)，運(yùn)行過(guò)程都必須穩(wěn)定。進(jìn)行生產(chǎn)的時(shí)候，不管是生產(chǎn)負(fù)荷參數(shù)還是電機(jī)速度，都應(yīng)該滿足設(shè)計(jì)要求。近些年來(lái)，隨著自動(dòng)控制技術(shù)的興起，關(guān)于以單片機(jī)為控制芯片的操作系統(tǒng)的研究也越來(lái)越多，而PWM(脈沖寬度調(diào)制)技術(shù)的出現(xiàn)，它能夠控制元器件電路的開(kāi)關(guān)，使其直流電壓伴隨元器件開(kāi)關(guān)而發(fā)生變化。并且大多數(shù)單片機(jī)都具有使用簡(jiǎn)單，功能強(qiáng)大的優(yōu)點(diǎn)，使單片機(jī)結(jié)合PWM直流電機(jī)調(diào)速成為一種很重要的研究方法。PWM調(diào)速系統(tǒng)的整體系統(tǒng)較為簡(jiǎn)單，操作方便，并且能夠在很大范圍內(nèi)都能進(jìn)行調(diào)速，因此能夠應(yīng)用到很多領(lǐng)域中，并且還能夠?qū)崿F(xiàn)與數(shù)字信號(hào)通信。1.2直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)研究現(xiàn)狀近些年，因?yàn)橹悄芗夹g(shù)以及自動(dòng)化技術(shù)在近幾年的進(jìn)步速度加快，相關(guān)領(lǐng)域?qū)τ谥绷麟姍C(jī)調(diào)速系統(tǒng)的研究?jī)?nèi)容不斷豐富，并且在這方面的研究，國(guó)外要比國(guó)內(nèi)更多一些，所以國(guó)外的研究技術(shù)更為成熟一些，而國(guó)內(nèi)的發(fā)展也是近些年才開(kāi)始的，所以發(fā)展的較為慢一些。我國(guó)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展高速時(shí)因?yàn)槲覈?guó)的第一只晶閘管在剛剛研究出的時(shí)候就被迅速應(yīng)用到調(diào)速系統(tǒng)上并且取得了一定的成功。電力電子技術(shù)的出現(xiàn)促進(jìn)了電機(jī)控制技術(shù)的進(jìn)步，電力電機(jī)技術(shù)更新?lián)Q代的速度不斷加快，這些都為電機(jī)控制技術(shù)的進(jìn)步奠定了基礎(chǔ)。自從上世紀(jì)60年代晶體管誕生以后，發(fā)展到如今，電力電子器件已經(jīng)更新到了第4代。每一次電力電子器件產(chǎn)品的更新，都會(huì)讓產(chǎn)品的性能更上一個(gè)臺(tái)階，這也帶動(dòng)了相關(guān)結(jié)構(gòu)和技術(shù)的進(jìn)步，使得不同領(lǐng)域內(nèi)的競(jìng)爭(zhēng)逐漸加劇，這也帶動(dòng)了更多電子應(yīng)用的出現(xiàn)。并且在微電子技術(shù)以及自動(dòng)控制技術(shù)等高科技技術(shù)興起之后，電機(jī)控制技術(shù)也得到了一定的完善，這也為后續(xù)的智能化、自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。在之前的20年時(shí)間里，這些技術(shù)在我國(guó)各領(lǐng)域的應(yīng)用范圍逐漸變得廣闊。剛開(kāi)始的時(shí)候模擬隔離器件由自動(dòng)控制器組成，因?yàn)槟M器件的各類缺點(diǎn)，控制精度很高，需要多個(gè)組成器件共同輔助系統(tǒng)運(yùn)行，這也使得模擬直流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可靠性低。自從上世紀(jì)70年代之后，單片機(jī)就被當(dāng)成了電機(jī)控制系統(tǒng)的主要控制芯片。在基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)當(dāng)中，單片機(jī)作為系統(tǒng)控制的核心元件需要進(jìn)行一些算法計(jì)算，同時(shí)還要完成信息的輸入與輸出。而單片機(jī)所具備的各項(xiàng)功能也決定了控制系統(tǒng)能夠滿足的所有功能。上世紀(jì)70年代以后微型計(jì)算機(jī)才得以誕生，并且在集成電路制造工藝不斷更新與完善之后，微型計(jì)算機(jī)的功能也越來(lái)越強(qiáng)，同時(shí)性價(jià)比也越來(lái)越高。另外電力電子技術(shù)的出現(xiàn)也帶動(dòng)了高速電子設(shè)備性能的發(fā)展。所以市面上普遍利用微機(jī)對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)不同性能的調(diào)整與控制，使得電機(jī)的所有功能得到了充分運(yùn)用，使電機(jī)的性能更加一致?？蒲腥藛T按照人民的工作需要，生產(chǎn)出了具備各種能力的電機(jī)，這無(wú)疑提高了電機(jī)控制技術(shù)。對(duì)一些簡(jiǎn)單的電機(jī)微機(jī)電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)，只需要在微機(jī)上安裝繼電器以及開(kāi)關(guān)元件對(duì)電路的通斷進(jìn)行控制即可。而當(dāng)前機(jī)床設(shè)備的流水線生產(chǎn)過(guò)程中，已經(jīng)將基于微機(jī)的可編程控制器進(jìn)行大量投入使用，根據(jù)規(guī)律對(duì)各類電機(jī)的動(dòng)作進(jìn)行控制。關(guān)于電機(jī)控制，需要對(duì)電機(jī)的電流、電壓等進(jìn)行調(diào)控，讓電機(jī)遵循系統(tǒng)發(fā)出的指令進(jìn)行工作。通過(guò)微機(jī)控制之后,能夠大幅度提高電機(jī)性能。傳統(tǒng)的直流電機(jī)或者交流電機(jī)，都有著明顯的缺點(diǎn)，比如說(shuō)直流電機(jī)雖然具備機(jī)械轉(zhuǎn)換器，能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)速度的控制，但其具有機(jī)械磨損以及換向火花的問(wèn)題。而交流電機(jī)具有直流電機(jī)無(wú)法具備的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì),并且性能比直流電機(jī)更穩(wěn)定，但在固定頻率的電網(wǎng)中運(yùn)行的時(shí)候，其速度調(diào)節(jié)無(wú)法滿足經(jīng)濟(jì)性要求。通過(guò)微機(jī)來(lái)滿足電機(jī)調(diào)速需要的，并設(shè)計(jì)出數(shù)字化控制的調(diào)速系統(tǒng)是當(dāng)前電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究的主要研究方向。自從上世紀(jì)80年代之后，各國(guó)的電力公司都紛紛推出了自己自創(chuàng)的數(shù)字調(diào)速轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)，因?yàn)榱髁靠刂萍夹g(shù)的快速進(jìn)步，晶體管成為了主要的功率部件。相位控制方法以及功率整流方法都是市面上常用的調(diào)速控制方法，尤其是對(duì)于需要利用微機(jī)的智能控制系統(tǒng)，對(duì)于直流調(diào)速裝置的精度要求以及性能要求都要更高。而數(shù)字直流調(diào)速單元因其出眾的性能受到了電子市場(chǎng)的普遍歡迎。1.2.1國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀李瑋等人[1]提出了以8089單片機(jī)作為主控系統(tǒng)的新型的全數(shù)字式直流調(diào)速系統(tǒng)。彭代欣[2]提出了一種基于52單片機(jī)的PWM直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)外附紅外傳感器能夠直接的對(duì)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量，借助C語(yǔ)言進(jìn)行程序編寫，從而對(duì)主控系統(tǒng)進(jìn)行控制，通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以知道該系統(tǒng)的性能符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，可以滿足設(shè)計(jì)要求。趙劍曦[3]學(xué)者主要對(duì)模型車的小型調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究。此系統(tǒng)選擇了MC9S12DG128B單片機(jī)，借助PWM技術(shù)，對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的起動(dòng)、運(yùn)行、換向、制動(dòng)、停止等控制。該調(diào)速系統(tǒng)具有實(shí)用性強(qiáng)、性價(jià)比高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗低等特點(diǎn)。周金明等人[4]研究了單勵(lì)磁直流電動(dòng)機(jī)大范圍運(yùn)行時(shí)的全局速度控制問(wèn)題。首先對(duì)電機(jī)進(jìn)行了兩個(gè)局部建模，當(dāng)轉(zhuǎn)速低于基速時(shí)為線性模型，當(dāng)磁場(chǎng)減弱得到遠(yuǎn)高于基速時(shí)為非線性模型。然后對(duì)線性模型設(shè)計(jì)線性魯棒狀態(tài)反饋控制器，對(duì)非線性模型設(shè)計(jì)自適應(yīng)backstepping控制器?？紤]了電樞和磁場(chǎng)電阻的不確定性以及負(fù)載轉(zhuǎn)矩干擾。然后利用全局控制方法將局部控制器組合在一起，獲得兩個(gè)局部控制器之間的平滑插值。最后，對(duì)所提出的控制器進(jìn)行了仿真試驗(yàn)。1.2.2國(guó)外研究現(xiàn)狀R.R.Boudreaux等人[5]認(rèn)為可以借助模擬控制技術(shù)對(duì)DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓進(jìn)行控制。數(shù)字控制實(shí)現(xiàn)中的關(guān)鍵問(wèn)題包括模數(shù)轉(zhuǎn)換范圍，分辨率和延遲，計(jì)算時(shí)間和數(shù)值精度。并且使用Matlab和Simulink軟件進(jìn)行仿真建模。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了模擬模型的效果很好。CPHenze等人[6]介紹并分析了一種輸入電流為正弦的交直流電源調(diào)節(jié)器。使用了兩個(gè)控制回路。內(nèi)部量化增益電流程序環(huán)路采用可變遲滯來(lái)提高抗噪聲能力。數(shù)字比例積分控制通過(guò)調(diào)節(jié)電流程序回路的增益來(lái)提供輸出電壓調(diào)節(jié)。RRShamshiri等人[7]首先利用基本物理學(xué)原理推導(dǎo)了直流電動(dòng)機(jī)機(jī)電特性的線性微分方程，以模擬輸入和輸出之間的關(guān)系(傳遞函數(shù))。該傳遞函數(shù)用于分析系統(tǒng)的性能，并設(shè)計(jì)合適的控制器(滯后補(bǔ)償器和PID)以滿足設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。KMRaza等人[8]提出了采用PWM方法來(lái)滿足直流電機(jī)的速度控制的所有要求。基于PWM的速度控制系統(tǒng)由電子元件(集成電路、傳感器等)組成。這篇文章主要借助PWM對(duì)直流電機(jī)速度進(jìn)行控制。采用集成電路，配合光電耦合器檢測(cè)直流電機(jī)的速度。整流電路是給電路和電機(jī)供電的電路。本文表明，在不使用昂貴的元件和復(fù)雜的電路的情況下，可以有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)小型直流電機(jī)的精確控制。MGeorge[9]討論了利用斬波電路實(shí)現(xiàn)SEDM的速度控制。并與采用傳統(tǒng)控制器的傳統(tǒng)控制系統(tǒng)進(jìn)行了性能比較。整個(gè)系統(tǒng)的建模使用MATLAB進(jìn)行仿真。據(jù)相關(guān)研究數(shù)據(jù)可以知道，NARMA-L2控制器能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)置換電流的控制。TAbubokar等學(xué)者[10]利用智能軟件進(jìn)行仿真測(cè)試，明確直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速性能控制。本文的目的是解釋結(jié)合非線性控制（電樞電壓和勵(lì)磁電流）和(PID)控制器來(lái)控制直流電機(jī)速度的原理。在勵(lì)磁控制模式下，電樞電壓保持恒定，并且向勵(lì)磁施加可調(diào)電壓。采用MATLAB/Simulink建立直流電機(jī)仿真模型。MKelemen等人[11]首先介紹了直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型。在控制器的設(shè)計(jì)中使用了兩種方法：頻率整形和PWM控制，使用Matlab/Simulink軟件模擬和比較這兩種方法，從而明白使用該控制方法的優(yōu)劣勢(shì)。1.3本文主要研究?jī)?nèi)容這篇文章主要以51系列單片機(jī)作為控制芯片，以PWM直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)為研究對(duì)象，進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究。同時(shí)還闡述了硬件電路與軟件編程之間的差別，探究了以下幾方面內(nèi)容：（1）對(duì)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與原理進(jìn)行系統(tǒng)研究，并結(jié)合本課題的具體情況設(shè)計(jì)出合適的基于單片機(jī)的直流電機(jī)調(diào)試系統(tǒng)。（2）探究直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)軟硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；分析系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境的必要條件，明確系統(tǒng)設(shè)計(jì)的具體步驟。（3）利用相關(guān)軟硬件平臺(tái)進(jìn)行系統(tǒng)算法測(cè)試，然后把得出的結(jié)果進(jìn)行分析與討論。第2章直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其原理現(xiàn)如今我國(guó)對(duì)于直流電機(jī)調(diào)速的技術(shù)研究越來(lái)越完善，并且因?yàn)橹绷麟姍C(jī)調(diào)速系統(tǒng)可以應(yīng)用到社會(huì)生活種的各個(gè)領(lǐng)域中，所以對(duì)其的研究有著很強(qiáng)的研究?jī)r(jià)值，因此本章主要對(duì)以單片機(jī)為控制核心的PWM直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行研究，然后對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路和運(yùn)行原理進(jìn)行系統(tǒng)的探討。2.1直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)發(fā)電機(jī)以及電動(dòng)機(jī)是直流電機(jī)的兩個(gè)重要結(jié)構(gòu)，直流電動(dòng)機(jī)的工作原理是將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能；而發(fā)電機(jī)則是將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，其結(jié)構(gòu)如下圖2-1所示：圖2-1直流電機(jī)結(jié)構(gòu)圖通過(guò)觀察上邊的結(jié)構(gòu)圖可以發(fā)現(xiàn)，直流電機(jī)主要由轉(zhuǎn)子和定子組成。在定子與轉(zhuǎn)自之間有一個(gè)空隙，在電樞鐵心上邊置放一組電樞繞組，這個(gè)電樞繞組的手段與末端之間分別連接到兩個(gè)圓弧的銅片上邊，該圖片也叫換相片。為了設(shè)計(jì)過(guò)程更加保險(xiǎn)，兩銅片之間是必須完全絕緣的，滿足完全不導(dǎo)電的要求，并且可以將換向器設(shè)置在兩銅片的連接點(diǎn)上。換向器會(huì)固定在直流電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上，同時(shí)與轉(zhuǎn)軸直接也是相互絕緣的。在換向片上邊還會(huì)有一對(duì)固定的電刷，其主要負(fù)責(zé)的就是當(dāng)電樞在發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，可以與外界電路接通。直流電機(jī)主要是利用磁場(chǎng)作用來(lái)產(chǎn)生動(dòng)能，磁場(chǎng)指就是磁極鐵芯周圍纏上一層線圈，發(fā)電過(guò)后會(huì)在線圈周圍產(chǎn)生一定的作用力，而產(chǎn)生這些作用力的就是磁場(chǎng)。2.2直流電動(dòng)機(jī)的工作原理接下來(lái)著重講述直流電動(dòng)機(jī)的工作原理。實(shí)際的工作原理可以見(jiàn)圖2-4：圖2-4直流電動(dòng)機(jī)的物理模型根據(jù)直流電動(dòng)機(jī)模型圖可以得到，受到電動(dòng)機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)的影響之后，導(dǎo)體ab從右到左開(kāi)始受力，但在S端導(dǎo)體受力的方向與ab端相反，呈現(xiàn)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的電磁力矩。比如說(shuō)電流流經(jīng)ab電刷的過(guò)程當(dāng)中，電刷a和B將會(huì)分別成為電源的正負(fù)極，電流還會(huì)不斷流過(guò)電樞線圈。當(dāng)電樞進(jìn)行旋轉(zhuǎn)之后，其結(jié)構(gòu)如下圖2-5所示：圖2-5旋轉(zhuǎn)后的直流電動(dòng)機(jī)的物理模型當(dāng)原來(lái)電機(jī)的N機(jī)型下的導(dǎo)體ab在旋轉(zhuǎn)之后到了S極下，受力方向也發(fā)生了變化，轉(zhuǎn)變成了從左到右的方向，導(dǎo)體CD在旋轉(zhuǎn)之后處于N極下方,這一過(guò)程改變了電機(jī)受力方向。電磁力會(huì)導(dǎo)致電路系統(tǒng)產(chǎn)生一個(gè)逆時(shí)針?lè)较虻碾姶呸D(zhuǎn)矩。而直流發(fā)電機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)最為相似的一點(diǎn)就是兩者都有超過(guò)兩個(gè)的電磁線圈，并且擁有多個(gè)磁極。直流電機(jī)的目的是實(shí)現(xiàn)電能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)換，如果電機(jī)受到外部壓力作用，會(huì)造成導(dǎo)體中生成電流，載流導(dǎo)體就會(huì)導(dǎo)致磁場(chǎng)中出現(xiàn)電磁力。并且可以借助換向器的換向作用，當(dāng)導(dǎo)體被放置到異性磁極的時(shí)候，會(huì)對(duì)現(xiàn)在導(dǎo)體中存在的電流方向發(fā)生改變，這也能保證電磁轉(zhuǎn)矩方向不會(huì)發(fā)生改變，從而使直流電動(dòng)機(jī)能夠進(jìn)行連續(xù)的轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣也就能夠?qū)崿F(xiàn)把電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能作為輸出。2.3PWM直流電機(jī)調(diào)速原理PWM（PluseWidthModulation）被叫做脈沖寬度調(diào)制器，電機(jī)內(nèi)部的脈沖電需要調(diào)制器來(lái)提供。其中脈沖寬度對(duì)于電機(jī)的調(diào)速性能來(lái)說(shuō)十分重要，電機(jī)的轉(zhuǎn)速與平均電壓成正比，平均電壓越大，轉(zhuǎn)速越高。如果前兩者的值過(guò)小，導(dǎo)致電機(jī)的平均電壓變小那么電機(jī)的轉(zhuǎn)速就會(huì)不可避免的變慢。PWM的電平高低與電機(jī)的狀態(tài)無(wú)關(guān)，平均電壓才是電機(jī)轉(zhuǎn)速的主要影響因素。PWM（脈沖寬度調(diào)制）能夠?qū)δM信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼。通過(guò)借助高分辨率控制器對(duì)方波進(jìn)行調(diào)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)特定信號(hào)的編碼操作。PWM信號(hào)屬于一種數(shù)字信號(hào)。主要原因是在任何時(shí)候，直流電源的電流供應(yīng)只有存在和不存在兩種情況。而電源的開(kāi)關(guān)狀態(tài)以重復(fù)脈沖序列的施加過(guò)程有關(guān)。電源處于開(kāi)啟狀態(tài)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電源的負(fù)載增加，而電源處于關(guān)閉狀態(tài)的時(shí)候，電源負(fù)載就會(huì)減少。如果帶寬滿足要求的話，可以利用PWM對(duì)任何信號(hào)進(jìn)行編碼操作。PWM能夠直接實(shí)現(xiàn)受控系統(tǒng)的數(shù)字信號(hào)傳輸，省去了模數(shù)轉(zhuǎn)換這一步驟。以數(shù)字形態(tài)進(jìn)行，信號(hào)傳輸能夠在一定程度上削弱噪聲。噪聲也只有在邏輯1~0或邏輯0~1的時(shí)候才會(huì)對(duì)數(shù)字信號(hào)傳輸過(guò)程造成干擾。因此可以看出PWM的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)就是抗噪優(yōu)勢(shì)，因此該技術(shù)在通信領(lǐng)域也有著較為廣泛的應(yīng)用范圍。PWM進(jìn)行模擬信號(hào)傳輸?shù)臅r(shí)候能夠最大程度的提高通信范圍。接收端能夠滿足高頻方波的過(guò)濾調(diào)制，然后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬狀態(tài)。而該調(diào)速系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)見(jiàn)下圖2-6和圖2-7所示：圖2-6PWM調(diào)速系統(tǒng)工作原理圖2-7PWM調(diào)速系統(tǒng)輸出波形其調(diào)速原理的占空比公式如公式（2-1）所示：（2-1）公式中的代表的就是對(duì)電機(jī)施加的電壓的變化周期；公式中的代表的就占空比；代表的是在一個(gè)周期內(nèi)電機(jī)施加的高電平一直持續(xù)的時(shí)間；代表的是在一個(gè)周期內(nèi)電機(jī)施加的低電平一直持續(xù)的時(shí)間；如果想要改變PWM脈沖占空比，最常用的幾種方法右調(diào)頻、調(diào)寬以及兩者進(jìn)行結(jié)合一起調(diào)節(jié)。2.4系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)思路在本文中我們考慮到直流電機(jī)在速度上較為穩(wěn)定，因此此次設(shè)計(jì)才選用了51系列單片機(jī)，進(jìn)行單片機(jī)設(shè)置的時(shí)候還需要對(duì)PWM進(jìn)行調(diào)試，通過(guò)這兩方面的結(jié)合實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)系統(tǒng)的調(diào)速要求。在搭建系統(tǒng)的過(guò)程中，要對(duì)軟硬件系統(tǒng)進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，為了確保直流電機(jī)的速度控制精度滿足標(biāo)準(zhǔn)，必須要讓系統(tǒng)各個(gè)部分都滿足性能要求，其系統(tǒng)組成如下圖2-9所示：圖2-9系統(tǒng)總體構(gòu)成框圖通過(guò)上邊的系統(tǒng)構(gòu)成圖可以得到通過(guò)單片機(jī)對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，在P答辯人進(jìn)行信號(hào)輸出之后，還需要利用改變占空比來(lái)對(duì)電機(jī)速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，輸出端的信號(hào)進(jìn)行處理之后，會(huì)轉(zhuǎn)變成控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制信號(hào)，而這些部分均為直流電機(jī)，調(diào)速系統(tǒng)的重要組成部分。第3章硬件電路設(shè)計(jì)硬件電路的設(shè)計(jì)是極其重要的，是整個(gè)系統(tǒng)能否正常運(yùn)行的基礎(chǔ)，要是硬件電路突然故障，系統(tǒng)運(yùn)行就會(huì)受阻，所以一定要重視硬件電路的設(shè)計(jì)過(guò)程。對(duì)于此次研究的直流調(diào)速系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，需要注意的地方一來(lái)是硬件元器件的選型，二來(lái)是對(duì)整個(gè)電路的控制，要在能夠滿足預(yù)先設(shè)定的要求的同時(shí)還要盡量降低成本。3.1基于單片機(jī)控制電路設(shè)計(jì)此次設(shè)計(jì)選用的是STC89C52RC芯片，是當(dāng)前51系列單片機(jī)的升級(jí)版。它使用MCS-51內(nèi)核，但具有許多51微控制器所沒(méi)有的特性。正是因?yàn)榫邆溥@些使得這款單片機(jī)一直被很多人使用。其單片機(jī)引腳的示意圖如下圖3-1所示：圖3-1STC89C52RC單片機(jī)引腳示意圖通過(guò)觀察上圖可以得到，在STC89C52RC單片機(jī)中40引腳的VCC指的就是單片機(jī)的電源；20引腳的VSS指的是單片機(jī)的接地端；9針RST指示微控制器的復(fù)位輸出，30針ALE/PROG指示地址鎖存器ALE在訪問(wèn)外部程序或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)接受脈沖輸出。地址的低8位字節(jié)，引腳31上的EA，指示存在外部訪問(wèn)信號(hào)時(shí)是否允許訪問(wèn)[13]。如果EA處于低電平狀態(tài)，則允許訪問(wèn)，否則不允許位訪問(wèn)。其中P0至P3的功能如下表3-1所示：表3-1引腳功能表引腳功能P0（P0.0-P0.7）8位漏極開(kāi)關(guān)型雙向I/O端口。可以作為通用I/O口使用，但必須加上拉電阻。P1（P1.0-P1.7）內(nèi)部帶上拉電阻的8位準(zhǔn)雙向I/O端口P2（P2.0-P2.7）內(nèi)部帶上拉電阻的8位準(zhǔn)雙向I/O端口。P3（P3.0-P3.7）內(nèi)部帶上拉電阻的8位多功能雙向I/O端口。其時(shí)鐘電路和復(fù)位電路也同樣重要，在STC89C52RC單片機(jī)的內(nèi)部存在有一個(gè)能夠組成振蕩器的高效益反相放大器，在其引腳RXD與引腳TXD分別為這個(gè)放大器的輸入以及輸出。如下圖3-2所示：（a）內(nèi)部方式時(shí)鐘電路（b）外部方式時(shí)鐘電路圖3-2時(shí)鐘電路圖a顯示內(nèi)部模式時(shí)鐘電路，圖b顯示外部模式時(shí)鐘電路。市面上經(jīng)常選用晶體管與電容器組成的諧振電路作為系統(tǒng)的定時(shí)元件。在外部方式時(shí)鐘電路中，引腳RXD會(huì)直接接地，引腳TXD將與外部振蕩器相連，并且不會(huì)對(duì)外部震蕩信號(hào)產(chǎn)生干擾，只要確保脈沖寬度滿足要求即可。復(fù)位電路在單片機(jī)中有著非常重要的作用，一般包含兩部分。外部電路主要負(fù)責(zé)向觸發(fā)器發(fā)送復(fù)位信號(hào)，觸發(fā)器輸出信號(hào)之前需要在復(fù)位電路進(jìn)行定位采樣，這樣才能夠得到需要的復(fù)位信號(hào)。復(fù)位操作的方式有很多，復(fù)位電路如下圖3-3所示：（a）上電復(fù)位（b）按鍵電平復(fù)位（c）按鍵脈沖復(fù)位圖3-3復(fù)位信號(hào)電路圖圖a為上電復(fù)位，圖b為按鍵電平復(fù)位，圖c為按鍵脈沖復(fù)位。電源復(fù)位主要利用電容復(fù)位的充電過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)，要想讓該過(guò)程自動(dòng)進(jìn)行，一定要確保電源VCC的上升時(shí)間不會(huì)超過(guò)1ms。而利用按鍵進(jìn)行手動(dòng)復(fù)位的方式有電平方式和脈沖方式兩種，按鍵電平復(fù)位主要通過(guò)在復(fù)位端和電源之間安裝電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)，按鍵脈沖復(fù)位主要是利用RC差分電路為復(fù)位電路提供正脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)。3.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)本文使用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊是L298N模塊，該模塊能夠同時(shí)滿足高電壓以及強(qiáng)電流工作環(huán)境下穩(wěn)定工作的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。該模塊的特點(diǎn)是：工作電壓較大，最大時(shí)可以達(dá)到46伏，并且輸出電流也很大，最大峰值電流能達(dá)到3A，而正常工作的時(shí)候，電流值也在2A左右，并且額定功率為25瓦。此模塊的作用就是用來(lái)給直流電機(jī)等電力設(shè)備提供動(dòng)力。其原理圖如下圖3-4所示：圖3-4L298N驅(qū)動(dòng)原理圖通過(guò)觀察其原理圖可以得到這個(gè)模塊中所具備的電容其作用是為了濾波。VCC代表的是L298N芯片供電5V，此模塊需要外接，此處接地時(shí)最好取邏輯部分的電壓供電；D1-D8代表的是續(xù)流二極管；VIN指的就是電機(jī)供電的電源接口，要是電機(jī)是用9伏電源進(jìn)行供電的，那么就將VIN與電源正極相連，GND與負(fù)極相連。必須要知道的是如果L298N的充電電壓達(dá)到了5伏，如果要更換電源供電方式，使得供電電源與單片機(jī)電源分開(kāi)，就必須實(shí)現(xiàn)GND的相互連接，這樣才能夠滿足單片機(jī)邏輯信號(hào)必須具備參考零點(diǎn)的要求。其L298N模塊在控制直流電機(jī)時(shí)，接收的信號(hào)與輸出的信號(hào)都十分重要，其輸入輸出關(guān)系如下表3-2所示：表3-2L298N輸入輸出關(guān)系ENAIN1IN2電機(jī)運(yùn)行情況0XX停止110順時(shí)針101逆時(shí)針000停止011停止當(dāng)L298N驅(qū)動(dòng)模塊控制直流電機(jī)時(shí)，其如下圖3-5所示：圖3-5L298N控制直流電機(jī)通過(guò)觀察上圖可以發(fā)現(xiàn)L298N模塊可以當(dāng)收到單片機(jī)的信號(hào)時(shí)，進(jìn)行分析處理從而能夠?qū)崿F(xiàn)控制直流電機(jī)的功能。3.3調(diào)速系統(tǒng)供電電源電路設(shè)計(jì)本文設(shè)計(jì)的調(diào)速系統(tǒng)中單片機(jī)電源電壓需要的是5V，但是驅(qū)動(dòng)模塊中所需的電壓是12V，所以本文設(shè)計(jì)的調(diào)速系統(tǒng)的電源電路能夠同時(shí)提供5V以及12V電壓，所以在設(shè)計(jì)電源電路的時(shí)候需要實(shí)現(xiàn)不同電壓輸出的線性直流電源。所以本系統(tǒng)中使用雙路直流穩(wěn)壓電源。雙路是指電源有兩路獨(dú)立輸出，所以雙路直流穩(wěn)壓電源指的就是有兩路獨(dú)立輸出的直流穩(wěn)壓電源。其電路原理圖如下圖3-6所示：圖3-6雙路直流穩(wěn)壓電源的電路原理圖雙路輸出電流穩(wěn)壓電源的優(yōu)點(diǎn)是在于針對(duì)固有的傳統(tǒng)直流穩(wěn)壓電源，雙路輸出電流穩(wěn)壓電源使用了雙向通道進(jìn)行輸出直流電源，因?yàn)樗峭ㄟ^(guò)內(nèi)部整合使交流電源變成了直流電源，從而使變壓器的利用率變高，同時(shí)這個(gè)結(jié)構(gòu)可以廣泛應(yīng)用到各個(gè)場(chǎng)所中，所以此次設(shè)計(jì)就選擇該模塊當(dāng)作直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的電源模塊。3.4測(cè)試模塊電路設(shè)計(jì)采用光電傳感器測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速，在電機(jī)軸上端安裝紙卡，紙卡上留有兩個(gè)孔。每當(dāng)電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，發(fā)光二極管發(fā)出的光通過(guò)紙卡上的一個(gè)孔到達(dá)接收二極管，接收二極管就可以產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖信號(hào)。統(tǒng)計(jì)1秒內(nèi)輸出的脈沖信號(hào)個(gè)數(shù)，取計(jì)數(shù)結(jié)果的一半，求出電機(jī)的轉(zhuǎn)速。光電傳感器接線圖如下圖3-7所示：圖3-7測(cè)速模塊原理圖3.5PWM信號(hào)發(fā)生電路設(shè)計(jì)PWM（脈沖寬度調(diào)制）系統(tǒng)是通過(guò)控制不同的參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的控制。與其他控制方式相比，PWM控制技術(shù)具有操作難度相對(duì)較低、運(yùn)行周期相對(duì)較短、數(shù)據(jù)結(jié)果相對(duì)穩(wěn)定等諸多實(shí)際優(yōu)勢(shì)，因此在工業(yè)生產(chǎn)中也得到廣泛應(yīng)用。PWM技術(shù)沒(méi)有地域性，關(guān)鍵是理解控制思想，理解開(kāi)關(guān)控制。利用PWM技術(shù)的控制時(shí)間差異，通過(guò)改變電壓的比值來(lái)完成PWM信號(hào)的變化，PWM的變化體現(xiàn)在直流變化上。PWM信號(hào)可以通過(guò)STC89C52RC編程實(shí)現(xiàn)，本設(shè)計(jì)采用的調(diào)速方式為恒頻調(diào)寬方式，即固定脈沖信號(hào)的頻率（周期），調(diào)節(jié)電壓增大脈沖的寬度。電平狀態(tài)改變脈沖信號(hào)占空比的時(shí)間（一個(gè)周期內(nèi)高電平狀態(tài)的電壓值占一個(gè)周期的百分比）電機(jī)電樞兩端的平均電壓值，從而達(dá)到調(diào)速的目的直流電機(jī)的調(diào)節(jié)。其直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)的電路原理圖如下圖所示：圖3-8直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)的電路原理圖第4章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)本文設(shè)計(jì)的基于51單片機(jī)的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)在硬件電路設(shè)計(jì)完成后還需要設(shè)計(jì)系統(tǒng)的軟件部分。系統(tǒng)程序主要由三部分組成：主程序、中斷程序和控制過(guò)程的其他程序。其中，主程序的作用是改變電壓實(shí)現(xiàn)速率常數(shù)值的占空比，中斷程序主要是提高系統(tǒng)效率，維持系統(tǒng)正常運(yùn)行，滿足實(shí)時(shí)處理。它提供了需求和錯(cuò)誤處理方法，一個(gè)可以隨時(shí)中斷的程序，需要對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，最終在PWM信號(hào)波形發(fā)生變化時(shí)得到電機(jī)轉(zhuǎn)速。4.1系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)4.1.1主程序設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)軟件的時(shí)候，最重要的是要實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)控制，而如何對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)控制，就需要進(jìn)行程序編程，所以主程序的設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。其系統(tǒng)流程圖如圖4-1所示：圖4-1主程序流程圖通過(guò)觀察圖4-1可以得到，本文設(shè)計(jì)的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)使用的是AT89C52RC型號(hào)的單片機(jī)作為控制器，通過(guò)PWM信號(hào)發(fā)生電路、L298N驅(qū)動(dòng)模塊安裝在直流電機(jī)軸上邊固定的霍爾傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)量。本文通過(guò)PWM信號(hào)所引起的在直流電機(jī)上邊的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的變化，然后能夠?qū)χ绷麟姍C(jī)進(jìn)行測(cè)速，并且對(duì)測(cè)量到的速度進(jìn)行記錄，并且使用濾波器對(duì)其信號(hào)進(jìn)行解壓來(lái)發(fā)快電機(jī)信號(hào)，最后通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換的芯片把轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)信號(hào)發(fā)送到單片機(jī)上邊，在內(nèi)部程序中循環(huán)控制最終實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。4.1.2PWM信號(hào)發(fā)生程序設(shè)計(jì)PWM(PulseWidthModulation)，即脈寬調(diào)制。利用微處理器的數(shù)字輸出來(lái)控制模擬電路是一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于測(cè)量、通信、電源控制、轉(zhuǎn)換等諸多領(lǐng)域。PWM是一種對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。它使用高分辨率計(jì)數(shù)器來(lái)調(diào)制方波的占空比，以對(duì)特定模擬信號(hào)的電平進(jìn)行編碼。PWM信號(hào)仍然是數(shù)字的。這是因?yàn)?，在任何給定時(shí)刻，滿量程直流電源要么完全存在(ON)，要么完全不存在(OFF)。電壓或電流源以O(shè)N或OFF的重復(fù)脈沖序列施加到模擬負(fù)載。開(kāi)啟時(shí)，將直流電源添加到負(fù)載，關(guān)閉時(shí)，移除電源。如果您有足夠的帶寬，您可以使用PWM對(duì)任何模擬值進(jìn)行編碼。大多數(shù)這些負(fù)載，無(wú)論是電感性還是電容性負(fù)載，都需要高于10Hz的調(diào)制頻率，通常為1kHz至200kHz。而PWM產(chǎn)生的信號(hào)我們用鋸齒波來(lái)表示，因此鋸齒波能夠很好的表示出信號(hào)變化的規(guī)律相較于其它波形。PWM信號(hào)在產(chǎn)生時(shí)主要的波形變化是由于占空比不同導(dǎo)致波形也會(huì)有很大，同時(shí)在一個(gè)周期內(nèi)其波形的變化是固定的。它的作用如下圖4-2所示:圖4-2產(chǎn)生PWM信號(hào)時(shí)的電路波形產(chǎn)生PWM信號(hào)時(shí)波形的發(fā)生過(guò)程如下圖4-3所示：圖4-3產(chǎn)生PWM信號(hào)時(shí)波形的發(fā)生過(guò)程4.1.3延時(shí)程序設(shè)計(jì)每個(gè)程序都需要有自己的延時(shí)程序才能保證程序能夠順利運(yùn)行，一般是使用單片機(jī)的晶振和機(jī)器周期進(jìn)行延時(shí)程序的編寫在延時(shí)過(guò)程的編程需要使用for程序進(jìn)行嵌套。因?yàn)橄到y(tǒng)設(shè)計(jì)中選用了PWM電路具有能夠保證時(shí)間和轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，因此能夠適用與直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)中。本文設(shè)計(jì)的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)適用L298N驅(qū)動(dòng)模塊結(jié)合51單片機(jī)發(fā)生PWM信號(hào)從而達(dá)到控制電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制等操作。PWM電路的H型又保證轉(zhuǎn)速穩(wěn)定的前提下結(jié)果的穩(wěn)定性，也同樣被高頻率的適用于控制系統(tǒng)中，本文設(shè)計(jì)的延時(shí)程序流程圖如圖4-4所示：圖4-4延時(shí)程序流程圖4.2系統(tǒng)調(diào)試當(dāng)本文設(shè)計(jì)的軟件程序與硬件電路相結(jié)合之后，需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試。保證能夠順利實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。4.2.1軟件調(diào)試軟件測(cè)試對(duì)每個(gè)系統(tǒng)都是必要且極為重要的一個(gè)步驟，因?yàn)檐浖y(cè)試主要是針對(duì)目前研發(fā)的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)是否能夠正常運(yùn)行進(jìn)行測(cè)試，如果在測(cè)試過(guò)程中出現(xiàn)一些問(wèn)題，那么就需要及時(shí)的對(duì)這個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整以達(dá)到預(yù)期執(zhí)行的結(jié)果；軟件調(diào)試需要從軟件設(shè)計(jì)的最開(kāi)始就進(jìn)行，如果在系統(tǒng)全部完成才開(kāi)始進(jìn)行調(diào)試，那么調(diào)試的復(fù)雜難度會(huì)很高，如果在設(shè)計(jì)中的每一步都帶有檢測(cè)調(diào)試，那么既方便快捷，又省時(shí)省力。本論文主要由硬件和軟件兩部分組成，其中52臺(tái)單片機(jī)是硬件的核心，是整個(gè)論文執(zhí)行的基本保障，為計(jì)算和計(jì)算提供了最直接的功能。軟件部分的操作。軟件部分是對(duì)從硬件部分得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，也是論文硬件部分結(jié)果的實(shí)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析對(duì)比，分析單機(jī)直流電機(jī)的調(diào)速效果。在論文的仿真中選擇Proteus，先畫(huà)出并查看整個(gè)過(guò)程的電路圖。觀察有無(wú)缺陷，如果編程語(yǔ)言能正確運(yùn)行，則生成模擬文件，并將這些模擬文件發(fā)送到系統(tǒng)進(jìn)行方舟，驗(yàn)證從論文中得到的數(shù)據(jù)是否正確。4.2.2測(cè)速軟件設(shè)計(jì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的關(guān)鍵是由7個(gè)程序組成，這4個(gè)驅(qū)動(dòng)相互限制，每一步的測(cè)試結(jié)果相互影響，通過(guò)控制4個(gè)驅(qū)動(dòng)電路中的每一個(gè)，定時(shí)器測(cè)量單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)。然后計(jì)算電機(jī)的轉(zhuǎn)速，最后通過(guò)顯示器顯示電機(jī)轉(zhuǎn)速。其測(cè)試程序流程圖如下圖4-5所示：圖4-5測(cè)試程序流程圖通過(guò)觀察上圖4-5可以得到，測(cè)試電機(jī)的體現(xiàn)主要通過(guò)程序的編寫和圖像的顯示來(lái)確定。第5章系統(tǒng)仿真調(diào)試本章是將本文設(shè)計(jì)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行仿真調(diào)試，為的就是能夠確保設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行。5.1仿真調(diào)試軟件選取5.1.1編程軟件選取本文使用的STC89C52RC單片機(jī)需要使用C語(yǔ)言程序編程才可以對(duì)單片機(jī)進(jìn)行控制，而編程C語(yǔ)言需要的軟件便是KeilC51,這個(gè)軟件是由美國(guó)的一個(gè)名為KeilSoftware的公司為51系列單片機(jī)開(kāi)發(fā)編寫了C語(yǔ)言軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。匯編語(yǔ)言是所有編程語(yǔ)言中最低的，在通用特性和結(jié)構(gòu)上都比C語(yǔ)言有優(yōu)勢(shì)。Keil公司提供完整的開(kāi)發(fā)解決方案，包括通過(guò)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(Vision)組合的C編譯器、宏匯編器、鏈接器、庫(kù)管理和強(qiáng)大的仿真器調(diào)試器。C51工具包的整體結(jié)構(gòu)由Vision和Ishell組成，這是C51的Windows集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（IDE），可以完成編輯、編譯、鏈接、調(diào)試、仿真的整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程。開(kāi)發(fā)人員可以使用IDE本身或任何其他編輯器來(lái)編輯C或匯編源文件。然后它編譯C51和C51編譯器以生成目標(biāo)文件(.obj)。在LIB51中可以創(chuàng)建目標(biāo)文件來(lái)創(chuàng)建庫(kù)文件，也可以與庫(kù)文件鏈接以創(chuàng)建絕對(duì)目標(biāo)文件(.abs)。abs文件由OH51轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)hex文件，可與調(diào)試器dScope51或tScope51一起用于源代碼級(jí)調(diào)試，也可用于直接在仿真器中調(diào)試目標(biāo)板。它被寫入程序存儲(chǔ)器，例如EPROM。KeilC51生成的目標(biāo)代碼非常高效，大部分句子生成的匯編代碼簡(jiǎn)潔易懂。在開(kāi)發(fā)大型軟件時(shí)，可以更好地體現(xiàn)高級(jí)語(yǔ)言的優(yōu)勢(shì)。C語(yǔ)言在功能、結(jié)構(gòu)、可讀性、可維護(hù)性等方面都優(yōu)于匯編語(yǔ)言，易于學(xué)習(xí)和使用。5.1.2硬件電路仿真軟件選取因?yàn)橛布娐啡绻苯舆M(jìn)行實(shí)物的焊接可能會(huì)出現(xiàn)很多問(wèn)題，所以需要先進(jìn)行仿真調(diào)試，以便能夠及時(shí)找出問(wèn)題，當(dāng)在仿真軟件上邊能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)先設(shè)定的功能時(shí)，在進(jìn)行實(shí)物焊接更具有效率。本文選用的proteus軟件進(jìn)行硬件電路仿真。Proteus軟件是英國(guó)LabCenterElectronics公司發(fā)布的一款EDA工具軟件（該軟件在中國(guó)的總代理為廣州峰標(biāo)電子科技有限公司）。它可以模擬微控制器和外設(shè)，并具有其他EDA工具軟件的模擬能力。一個(gè)更好的模擬單片機(jī)和外設(shè)的工具。國(guó)內(nèi)推廣才剛剛開(kāi)始，但受到了MCU愛(ài)好者、從事MCU教育的教師、致力于MCU開(kāi)發(fā)應(yīng)用的科技從業(yè)者的好評(píng)。從原理圖布局、代碼調(diào)試到MCU與外圍電路的協(xié)同仿真，再到一鍵切換到PCB設(shè)計(jì)，一個(gè)從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)栩栩如生。全球唯一集電路仿真軟件、PCB設(shè)計(jì)軟件、虛擬模型仿真軟件于一體的設(shè)計(jì)平臺(tái)，處理器型號(hào)有8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DSPIC33、AVR、ARM、8086等和MSP430。2010年增加了Cortex和DSP系列處理器，其他系列處理器型號(hào)繼續(xù)增加。編譯方面，支持IAR、Keil、MATLAB等多種編譯器。Proteus上可用的模擬組件資源：模擬數(shù)以千計(jì)的組件，例如數(shù)字和模擬、交流和直流，并擁有一個(gè)包含30多個(gè)組件的庫(kù)。Proteus可提供的仿真儀表資源：示波器、邏輯分析儀、虛擬終端、SPI調(diào)試器、I2C調(diào)試器、信號(hào)發(fā)生器、模式發(fā)生器、交直流電壓表、交直流電流表。理論上同一種儀器可以在一個(gè)電路中隨意的調(diào)用。同時(shí)Proteus可提供的調(diào)試手段Proteus提供了比較豐富的測(cè)試信號(hào)用于電路的測(cè)試。這些測(cè)試信號(hào)包括模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。5.2系統(tǒng)仿真調(diào)試結(jié)果在Proteus中畫(huà)出系統(tǒng)原理圖，包括單片機(jī)、直流電機(jī)和電流放大器的最小系統(tǒng)。對(duì)電流放大器、D鎖存器、4位數(shù)碼管等一系列按鍵開(kāi)關(guān)的電氣規(guī)律檢查，本文的主要目的是對(duì)成熟控制系統(tǒng)中常用的89C51單片機(jī)控制的PWM信號(hào)進(jìn)行參數(shù)化，并使其是通過(guò)控制常用的直流電機(jī)的速度本設(shè)計(jì)中直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片模塊采用專用L298N芯片結(jié)合單片機(jī)產(chǎn)生PWM信號(hào)和直流電機(jī)控制系統(tǒng)，完成電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制、調(diào)速等等。其仿真結(jié)果如圖5-1所示：圖5-1系統(tǒng)Protel仿真初始狀態(tài)圖當(dāng)按下遞增/遞減按鈕時(shí)，系統(tǒng)會(huì)提供準(zhǔn)確的響應(yīng)。同時(shí)在初始LED數(shù)碼管上會(huì)有實(shí)時(shí)顯示一遍又一遍地重復(fù)的圖像。當(dāng)然，鋸齒波的發(fā)射也存在一些問(wèn)題，鋸齒波只是對(duì)電容充放電方式的另一種解釋，可以定量控制，為電容加裝開(kāi)關(guān)。輸入和終端開(kāi)關(guān)的輸入和輸出被調(diào)整以控制電容器，產(chǎn)生的波形統(tǒng)稱為初始狀態(tài)圖，其正轉(zhuǎn)時(shí)如圖5-2所示：圖5-2系統(tǒng)Protel仿真正轉(zhuǎn)按下反轉(zhuǎn)鍵后，看到電機(jī)緩慢的改變方向，同時(shí)，速度被LED顯示出來(lái)，是逐漸變化到穩(wěn)定狀態(tài)的。其反轉(zhuǎn)時(shí)如圖5-3所示：圖5-3系統(tǒng)Protel仿真反轉(zhuǎn)第6章結(jié)論本文研究設(shè)計(jì)了一種基于51單片機(jī)的PWM直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行程序編寫以及硬件設(shè)計(jì)，這篇文章主要使用了STC89C51單片機(jī)傳輸PWM信號(hào)，然后控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，最終在最后進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)能夠很好的對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。而本文已經(jīng)重新根據(jù)需求設(shè)計(jì)了一套直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，并且對(duì)其硬件電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)單片機(jī)等電子元器件進(jìn)行選型，然后對(duì)系統(tǒng)軟件程序進(jìn)行設(shè)計(jì)同時(shí)調(diào)試，調(diào)試結(jié)果滿足實(shí)際需求。通過(guò)應(yīng)用單片機(jī)產(chǎn)生PWM信號(hào)，并且把信號(hào)輸入到了L298芯片中，從而達(dá)成控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的，還能將直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)到之前設(shè)置的速度。電路系統(tǒng)的邏