冬基于51系列单片机的直流电机PWM调速

南昌工程学院本科综合课程设计1第一章直流电动机调速概述1.1直流电机调速原理直流电动机根据励磁方式不同，直流电动机分为自励和他励两种类型。不同励磁方式的直流电动机机械特性曲线有所不同。但是对于直流电动机的转速有以下公式：n=U/Cc-TR内/CrCc其中：U—电压；R内—励磁绕组本身的电阻；—每极磁通(Wb)；Cc—电势常数；Cr—转矩常量。由上式可知，直流电机的速度控制既可采用电枢控制法，也可采用磁场控制法。磁场控制法控制磁通，其控制功率虽然较小，但低速时受到磁极饱和的限制，高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制，而且由于励磁线圈电感较大，动态响应较差。所以在工业生产过程中常用的方法是电枢控制法。图1-1直流电机的工作原理图电枢控制是在励磁电压不变的情况下，把控制电压信号加到电机的电枢上，以控制电机的转速。在工业生产中广泛使用其中脉宽调制(PWM)应用更为广泛。脉宽调速利用一个固定的频率来控制电源的接通或断开，并通过改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短，即改变直流电机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速，因此，PWM又被称为“开关驱动装置”。第一章直流电动机调速概述2图1-2电枢电压占空比和平均电压的关系图根据上图，如果电机始终接通电源时，电机转速最大为vmax，占空比为D=1t/T，则电机的平均速度为：DmaxV=V*D，可见只要改变占空比D，就可以得到不同的电机速度，从而达到调速的目的。1.2直流调速系统实现方式PWM为主控电路的调速系统：基于单片机类由软件来实现PWM，在PWM调速系统中占空比D是一个重要参数在电源电压ud不变的情况下，电枢端电压的平均值取决于占空比D的大小，改变D的值可以改变电枢端电压的平均值从而达到调速的目的。改变占空比D的值有三种方法：A、定宽调频法：保持t1不变，只改变t，这样使周期(或频率)也随之改变。（图1-2）B、调宽调频法：保持t不变，只改变t1，这样使周期(或频率)也随之改变。（图1-2）C、定频调宽法：保持周期T(或频率)不变，同时改变t1和t。（图1-2）前两种方法在调速时改变了控制脉冲的周期(或频率)，当控制脉冲的频率与系统的固有频率接近时，将会引起振荡，因此常采用定频调宽法来改变占空比从而改变直流电动机电枢两端电压。南昌工程学院本科综合课程设计31.389C51单片机89C51单片机接口如图1-3所示：XTAL218XTAL119ALE30EA31PSEN29RST9P0.0/AD039P0.1/AD138P0.2/AD237P0.3/AD336P0.4/AD435P0.5/AD534P0.6/AD633P0.7/AD732P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78P3.0/RXD10P3.1/TXD11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.7/RD17P3.6/WR16P3.5/T115P2.7/A1528P2.0/A821P2.1/A922P2.2/A1023P2.3/A1124P2.4/A1225P2.5/A1326P2.6/A1427U4AT89C51图1-389C51单片机第二章硬件电路设计4第二章硬件电路设计2.1PWM波形的程序实现随计算机技术及电力电子技术的发展，PWM波形采用软件方法实现显得非常灵活和实用以89C51单片机为控制核心,晶振频率为12MHz定时计数器TO,T1作定时器使用，工作在方式1，定时时间为0.1ms，若PWM波形的频率为50Hz，占空比为1：1，则和R0载入30H和31H单元的值初始100,若在程序中利用按键产生中断调用来改变30H和31H单元的值就可以改变占空比.系统流程图如图2-1所示：图2-1程序流程图2.2直流电动机驱动在直流电动机的驱动中对大功率的电动机常采用IGBT作为主开关元件,对中小功率的电机常采用功率场效应管作为主开关元件.另外还可以采用集成电路来完成对电机的驱动，系统采用集成电路L298来驱动电机图2-2L298内部结构和功能引脚图开始正转？系统初始化反转？停止？调显示子程序发正转命令发反转命令发停止命令YYY南昌工程学院本科综合课程设计5L298是双H高电压大电流功率集成电路.直接采用L逻辑电平控制,可以驱动继电器、直流电动机、步进电动机等电感性负载。其内部有两个完全相同的功率放大回路。其内部结构和引脚功能如图2-2所示。L298引脚符号及功能SENSA、SENSB：分别为两个H桥的电流反馈脚，不用时可以直接接地ENA、ENB：使能端，输入PWM信号IN1、IN2、IN3、IN4：输入端，TTL逻辑电平信号OUT1、OUT2、OUT3、OUT4：输出端，与对应输入端同逻辑VCC：逻辑控制电源，4.5~7VGND:地VSS：电机驱动电源，最小值需比输入的低电平电压高当使能端为高电平时，输入端IN1为PWM信号,IN2为低电平信号时,电机正转；输入端IN1为低电平信号，IN2为PWM信号时,电机反转;;IN1与IN2相同时,电机快速停止。当使能端为低电平时,电动机停止转动。2.3续流电路设计由于电机具有较大的感性，电流不能突变，若突然将电流切断，将在功率管两端产生很高的电压，损坏器件。我们在此电路中应用的是二极管来续流，利用二极管的单向导通性。二极管的选用要根据PWM的频率和电机的电流来决定，二极管要有足够迅速的恢复时间和足够的电流承受能力。由于电机具有较大的感性，电流如果突变易损坏功率胳即L298芯片。为保护芯片加上洗续流电路。电路的工作原理替如图3.7所示。电路的工作原理：当电机正转时，若突然掉电，D1、D4导通，D2、D3截止；当电机反转时，突然掉电D2、D3导通，D1、D4截止。D1D2D3D4-+MM1VSY1Y2图2-3续流电路工作原理图第三章软件设计6第三章软件设计3.1主程序设计该主程序主要完成初始化，设置定时常数和中断入口程序，主程序不断的循环处于等待中断状态.ORG0000HAJMPSTARTORG0003HLJMPINT0；T0中断ORG000BHLJMPITT0；T1中断ORG0030H；系统初始化START:MOVSP,#60H；赋初值堆栈指针MOVR0,#00H；给R0送值0MOVR1,#00H；给R1送值0CLRP1.5；置0CLRP1.6；置0CLRP1.7；置0MOVTMOD,#01H；写控制字控制方式MOVTL0,#0FFH；置定时常数MOVTH0,#0FFHSETBEA；允许中断SETBEX0；允许外部中断0SETBET0；允许TL0中断CLRIT0SETBTR0；启动TL0南昌工程学院本科综合课程设计73.2数码显数设计通过P1.1，P1.2口来控制数码，显示通过查表和调用延时实现数的显示程序代码：MOVDPTR,#TABMOV40H,#0；清0MOV41H,#0；置0LED:SETBP1.1；P1.1置1CLRP1.2；P1.2清0MOVA,40H；将40H的内容送往AMOVCA,@A+DPTR；查表MOVP0,A；查表所得A值送往P0口LCALLTTS；调用延时CLRP1.1；P1.1清0SETBP1.2；P1.2置1MOVA,41H；将41H的内容送往AMOVCA,@A+DPTR；查表MOVP0,A；查表所得A值送往P0口LCALLTTS；调用延时CLRP1.2；P1.2口清0LJMPLED；跳转到LEDORG2000HTAB:DB40H,79H,24H,30H,19HDB12H,02H,78H,00H,10H3.3功能程序设计结束中断后转入相应的功能键程序，为加速、减速、正转、反转、暂停程序代码：ITT0:CPLP1.5；P1.5口取反JNBP1.5,Z1MOVA,#0FFH；低电平定时第三章8SUBBA,R0MOVTH0,ASETBTR0；启动TL0RETIZ1:MOVTH0,R0；高电平定时SETBTR0RETIINT0:CLREX0；实现键盘控制MOVA,#0FFHMOVP2,AMOVA,P2JNBACC.0,JIAJNBACC.1,JIANJNBACC.2,FF图3-2数码显示流程图图3-3中断子程序流程图南昌工程学院本科综合课程设计9JNBACC.3,ZZJNBACC.4,TZAJMPCCJIA:CJNER0,#0FFH,AA；实现电机加速AJMPCCAA:MOVA,R0ADDA,#25MOVR0,AAJMPCCJIAN:CJNER0,#00,BB；实现电机减速AJMPCCBB:MOVA,R0SUBBA,#25MOVR0,AAJMPCCCC:MOVA,R0；数码显数MOVB,#25DIVABMOVB,#10DIVABMOV40H,AMOV41H,BSETBEX0LCALLTTS；调用延时LCALLTTS；调用延时LCALLTTS；调用延时LCALLTTS；调用延时RETIFF:SETBP1.6；电机反传CLRP1.7第三章软件设计10LCALLTTSLCALLTTSLCALLTTSSETBEX0RETIZZ:CLRP1.6；电机正转SETBP1.7LCALLTTSLCALLTTSLCALLTTSSETBEX0RETITZ:CLRP1.6；实现电机停止CLRP1.7LCALLTTSLCALLTTSLCALLTTSSETBEX0RETITTS:MOVR3,#0E0H；延时子程序TT1S:MOVR4,#40HTT0S:DJNZR4,TT0SDJNZR3,TT1SRETEND南昌工程学院本科综合课程设计113.4仿真图在该设计中，利用Proteus软件进行仿真。仿真结果如图3-4所示:图3-4仿真图相应电机的显示如图3-5所示图3-5仿真结果第三章软件设计123.5仿真结果分析当仿真开始运行时，各个模块处于初始状态。点击右边的独立键盘加速或是减速按钮。显示模块便开始显示数字，然后点击正传或是反转。电机的驱动模块能够实现电机的正转、反转、加速、减速、停止等操作。且改变PWM脉冲时的占空比电机的工作电压改变。因此，从仿真结果可以看出，本设计可以得到预期的仿真效果。南昌工程学院本科综合课程设计13心得体会通过本次课程设计，使我学到了许多书本上无法学到的知识,也使我深刻体会到单片机技术应用领域的广泛。不仅让我对学过的单片机知识有了很多的巩固，同时也对单片机这一门课程产生了更大的兴趣。在本次课程设计过程中，我学会了在网络上查找有关本设计的各硬件的资源，其中包括：直流电机PWM调速、AT89C51单片机、L289引脚图及其引脚功能等，为本次课程设计提供了一定的资料。在做课程设计的初期阶段，难度很大，没有头绪。通过求助于章老师、理清了思路。同时，在图书馆里、网上查阅资料，攻克了课程设计中的道道难题。最后经过指导老师章老师的耐心指点和连续的奋战才算基本合格。办事只要有了头绪，就会简单很多。本次设计我能独立完成，算是有了很大的收获。总的感受有以下几方面：1、通过本次设计，我不但对单片机有了更为深入的了解，对一个课题如何画流程图，编程序等有了一定的认识。2、进一步加强了我的动手能力和运用专业知识的能力，从中学习到如何去思考和解决问题，以及如何灵活地改变方法去实现设计方案。特别是深刻体会到了软件和硬件结合的重要性，以及两者的联系和配合作用。3、让我了解到单片机技术对当今人们生活的重要性。同时这次做课程设计的经历也使我受益匪浅，让我知道做任何事情都应脚踏实地，刻苦努力地去做，只有这样，才能做好。14参考文献[1]李朝青，《单片机原理及接口技术》（简明修订版）［M］，北京航空航天大学出版社，1998[2]李广弟，《单片机基础》［M］，北京航空航天大学出版社，1994[3]阎石，《数字电子技术基础》（第三版）［M］，高等教育出版社，1989[4]廖常初，现场总线概述[J]，电工技术，1999[5]于永学、葛建，1-WIRE总线数字温度传感器DS18B20及应用[J]，电子产品世界，2003[6]陈跃东，DS18B20集成温度传感器原理与应用[J]，安徽机电学院学报，2002