直流风扇电机转速测量及PWM控制doc.docx
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1直流机⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
..6.
1.1直流机的构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
7
1.2
直流机的原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
7
1.3
直流机的主要技参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
8
1.4
直流机速技指⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
9
2.片机的相关知⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
9
2.1
片机的介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
.9
2.2
片机的展史⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
.9
2.3
片机的特点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
10
2.4AT89C51片机的介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
11
3.硬件路的⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.13
3.1控制路的⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.13.
3.2隔离路的⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯..14
3.3路的⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯14
3.4流路的⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.17
3.5整个路原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.18
4.件
4.1
主程序⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
..18
4.2
数数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
.20.
4.3
功能程序⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
..20
5.束⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.24
参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯..24
.
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摘要
本课题是对直流电机PWM调速器设计的研究,主要实现对电动机的控制。
因此在设计中,对直流调速的原理,直流调速控制方式以及调速特性,PWM基本原理及实现方式进行了全面的阐述。
为实现系统的微机控制,在设计中,采用了AT89S52单片机作为整个控制系统的控制电路的核心部分,配以各种显示,驱动模块,实现对电动机的转速的显示和测量;由命令输入模块,光电隔离模块及H型驱动模块组成。
采用带中断的独立式键盘作为命令的输入,单片机在程序的控制下,不断给光电隔离电路发送PWM波形,H型驱动电路完成电机的正反转控制。
在设计中,采用PWM调速方式,通过改变PWM的占空比从而改变电动机的电枢电压,进而实现对电动机的调速。
设计的整个控制系统,在硬件结构上采用了大量的集成电路模块,大大的简化了硬件电路,提高了系统的稳定性和可靠性,使整个系统的性能得到提高。
.
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1直流电机
1.1直流电机的结构
直流电机的结构应由定子和转子两大部分组成。
直流电机运行时静止不动的部
分称为定子,定子的主要作用是产生磁场,由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承
和电刷装置等组成。
运行时转动的部分称为转子,其主要作用是产生电磁转矩和感
应电动势,是直流电机进行能量转换的枢纽,所以通常又称为电枢,由转轴、电枢
铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成。
直流电机的结构如图
1.2直流电机的工作原理
直流电机模型如图1.2所示,磁极N,S间装着一个可以转动的铁磁圆柱体,圆
柱体的表面固定着线圈abcd。
当线圈流过电流的时候,线圈受到电磁力的作用,产
生旋转。
根据左手定则可知,当流过线圈中电流改变方向时,线圈的受力方向也将
改变,因此通过改变线圈电流的方向实现改变电机的方向。
.
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1.3直流电机的主要的技术参数
额定功率Pn:
在额定电流和电压下,电机的负载能力。
额定电压Ue:
长期运行的最高电压。
额定电流Ie:
长期运行的最大电流。
额定转速n:
单位时间里面电机转速的快慢。
励磁电流If:
施加到电极线圈上的电流。
1.4直流电机的调速的技术指标
1.4.1调速范围
调速范围是指最低可控转速到最高可控转速的范围,最低可控转速对最高
可控转速的比值,叫电机的调速比。
1.4.2调速的相对稳定性和静差度
所谓相对稳定性,是指负载转矩在给定的范围里面变化所引起的速度的变
化,它决定于机械特性的斜率。
静差度(又称静差率)是指当电动机在一条机械特性上运行时,由理想空
载到满载时的转速降落与理想空载转速n0的比值。
用百分数表示,即
,在一般的情况下,取额定转矩下的速度落差,有
1.4.3调速的平滑性
调速的平滑性是在一定的调速范围内,相邻两极速度变化的程度,用平滑
系数表示,即
式中和相邻两极,即i级与i-1级的速度
.
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1.4.4调速时的容许输出
调速时的容许输出是指电动机在得到充分利用的情况下,在调速的过程中轴
能够输出的功率和转矩。
2单片机的相关知识
2.1单片机的简介
单片机是一种集成在电路芯片,是采用超大规模集成电路技术把具有数据处
理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断
系统、定时器/计时器等功能(可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟
多路转换器、A/D转换器等电路)集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算
机系统。
2.2单片机的发展史
2.2.14位单片机
1975年,美国德克萨斯公司首次推出4位单片机TMS-1000,此后各个计算机公司竞相推出4位单片机。
日本松下公司的MN1400系列。
美国洛克威尔公司的PPS/1系列等。
4位单片机的主要的应用的领域有:
PC机的输入装置。
电池的充电器,运动器材,带液晶显示器的音/视频产品控制器,一般家用电器的
控制及遥控器,电子玩具,钟表,计算器,多功能电话等。
2.2.28位单片机
1972年,美国Intel公司首先推出8位微处理器8008,并与1976年9月率
先推出MCS-48系列单片机。
在这以后,8位单片机纷纷面世。
例如莫斯特克和
仙童公司合作生产的3870系列,摩托罗拉公司生产的6801系列等。
随着集成
电路工艺水平的提高,一些高性能的8位单片机相继问世,例如1978年摩托罗
拉公司的MC6801。
这类单片机的寻址能力达到64KB,片内ROM的容量达4-8KB,
片内除带有并行I/O口,甚至还有A/D转换器的功能。
8位单片机由于性能强大,
被广泛用于自动化装置,智能接口,过程控制等各领域。
2.2.316位单片机
.
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1983年以后,集成电路的集成度可达几十万只管/片,各系列16位单片机纷纷面世,这一阶段的代表产品有1983年Intel公司推出的MCS-96系列,1987
年Intel公司推出了80C96,美国半导体公司推出了HPC16040。
16位单片机主要用于工业控制,智能仪器仪表等场合。
2.2.432位单片机
随着高新技术智能机器人,激光打印机,图像与数据实时处理,复杂实时控
制,网络服务器等领域的应用和发展,20世纪80年代末,推出了32位单片机,
如摩托罗拉公司的MC683XX系列。
32位单片机是单片机的发展趋势,随着技术
的发展和开发成本的降低,将会和8位单片机并驾齐驱。
2.2.564位单片机
近年来,64位单片机在引擎控制,智能机器人,磁盘控制,算法密集的实时
控制场所已有应用。
如英国的Inmos公司的TransputerT800是高性能的64位
单片机
2.3单片机的特点
1、单片机的特点
(1)高集成度,体积小,高可靠性
单片机将各功能部件集成在一块晶体芯片上,集成度很高,体积自然也是最小的。
芯片本身是按工业测控环境要求设计的,内部布线很短,其抗工业噪音
性能优于一般通用的CPU。
单片机程序指令,常数及表格等固化在ROM中不易破坏,许多信号通道均在一个芯片内,故可靠性高。
(2)控制功能强
为了满足对对象的控制要求,单片机的指令系统均有极丰富的条件:
分支转移能力,I/O口的逻辑操作及位处理能力,非常适用于专门的控制功能。
(3)低电压,低功耗,便于生产便携式产品
为了满足广泛使用于便携式系统,许多单片机内的工作电压仅为1.8V~3.6V,而工作电流仅为数百微安。
(4)易扩展
片内具有计算机正常运行所必需的部件。
芯片外部有许多供扩展用的三总线
.
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及并行、串行输入/输出管脚,很容易构成各种规模的计算机应用系统。
(5)优异的性能价格比
单片机的性能极高。
为了提高速度和运行效率,单片机已开始使用RISC流水线和DSP等技术。
单片机的寻址能力也已突破64KB的限制,有的已可达到1MB
和16MB,片内的ROM容量可达62MB,RAM容量则可达2MB。
由于单片机的广泛使用,因而销量极大,各大公司的商业竞争更使其价格十分低廉,其性能价格
比极高。
2.4AT89S52单片机介绍
AT89S52单片机是一款低功耗、低电压、高性能CMOS8位单片机,片内含8KB
(可经受1000次擦写周期)的FLASH可编程可反复擦写的只读程序存储器
(EPROM),器件采用CMOS工艺和ATMEL公司的高密度,非易失性存储器(NURAM)技术制造,其输出引脚和指令系统都与MCS-51兼容,片内的FLASH存储器允许
在系统内可改编程序或用常规的非易失性存储编程器来编程。
因此,AT89C52是
一种功能强,灵活性高且价格合理的单片机,可方便的应用在各个控制领域[1]。
AT89S52具有以下主要性能:
1.8KB可改编程序FLASH存储器;
2.全表态工作:
0~24HZ;
3.256X8字节内部RAM;
4.32个外部双向输入,输出(I、O)口;
如图2.1。
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图2-1AT89S52引脚说明
引脚功能说明如下[2]:
VCC:
电源电压。
GND:
地。
P0口:
P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口,也即地址/数据线复用口。
作为输出口时,每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路,对端口写“1”可作为高阻抗输入端。
在访问外部数据储存器或程序储存器时,这组口线分时转换地址(低
8位)
和数据总线复用,在访问期间激活内部上拉电阻。
FLASH编程时,P0口接收指令
字节,而在程序校验时,输出指令字节,校验时,要求外接上拉电阻。
P1口:
P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口,P1的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作为输入口。
作为输入口使用时,因为内部存在上
拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。
FLASH编程和程序校验期
.
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间,P1接收低8位地址。
P2口:
P2是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作为输入口。
作为输入口使用时,因为内部存在上
拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。
在访问外部程序储存器或16位地址的外部数据储存器(例如执行MOVX@DPTR指令)时,P2口送出高8位地址数据。
在访问8位地址的外部数据储存器(例如执行MOVX@RI指令)时,P2口线上的内容(也即特殊功能寄存器(SFR)区中R2寄存器的内容),在整个访
问期间不改变。
FLASH编程或校验时,P2亦接收高位地址和其他控制信号。
P3口:
P3是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口,P3的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作为输入口。
作为输入口使用时,因为内部存在上
拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。
P3除了作为一般的I/O口线外,更重要的用途是它的第二功能,具体功能
说明如表2-1。
P3口还接收一些用于FLASH闪速存储器编程和程序校的控制信号。
RST:
复位输入。
当振荡器工作时,RST引脚出现两个机器周期以上高电平将
使单片机复位。
ALE/PROG:
当访问外部程序存储器或数据存储器时,ALE(地址锁存允许)
输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。
端口引脚
第二功能
P3.0
RXD(穿行输出口)
P3.1
TXD(穿行输入口)
P3.2
INT0(外部中断0)
P3.3
INT1(外部中断1)
P3.4
T0(定时/计数器0)
P3.5
T1(定时/计数器0)
P3.6
WR(外部数据写选通)
P3.7
RD(外部数据读选通)
.
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表3-1P3口的第二功能表
即使不访问外部存储器,ALE仍以是时钟振荡频率的1/6输出固定的正脉冲
信号,因此他可对外输出时钟或用于定时目的。
要注意的是:
每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。
对FLASH存储器编程期间,该引脚还用于输入编程脉冲(PROG)。
如有必要,可通过对特殊功能寄存器(SFR)区中的8EH单元的D0位置位,可禁止ALE操作。
该位置位后,只有一条MOVX和MOVC指令ALE才会被激活。
此
外,该引脚会被微弱拉高,单片机执行外部程序时,应设置ALE无效。
PSEN:
程序储存允许(PSEN)输出是外部程序存储器的读选通信号,当
AT80C51由外部程序存储器取指令(或数据)时,每个机器周期两次PSEN有效,
即输出两个脉冲。
在此期间,当访问外部数据存储器,这两次有效的PSEN信号
不出现。
EA/VPP:
外部访问允许。
欲使CPU仅访问外部程序储存器(地址为0000H-FFFFH),EA端必须保持低电平(接地)。
需要注意的是:
如果加密位LB1被编程,复位时内部会锁存EA端状态。
如EA端为高电平(Vcc端),CPU则执行内部程序储存器中的指令。
FLASH储存器编程时,该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp,当然这必须是
该器件是使用12v编程电压。
XTAL1:
振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。
XTAL2:
振荡器反相放大器的输出端
3硬件电路的设计
对题目进行深入的分析和思考,可以将整个模块分为以下几个部分:
控制部
分,隔离电路,驱动电路和负载的续流电路。
系统的框图如图3.1所示。
3.1控制电路的设计
控制电路主要由单片机来控制,编写一段程序使单片机发出的PWM脉冲来实
现对驱动的控制。
新一代的单片机增加了很多的功能,其中包括PWM功能。
单片
机通过初始化设置,使其能自动的发出PWM脉冲波,只有在改变占空比的时候
CPU才干预。
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3.2隔离电路的设计
隔离电路主要作用是防止驱动电路中的电流过大,与单片机直接相连是可能会烧毁单片机而加的保护性电路。
其电路图如下图3.2所示。
其中2脚分别接单片机的P1.4口。
电阻起限流左右。
电阻R28阻值为510Ω。
其工作原理如下:
当电机中的电压正常时,发光二极管导通,发光使光敏三极管导通,电路接通正常工作;当电路中电压很高时,发光二极管被击穿,电路不导通,从而起到保护单片机的作用。
3.4续流电路的设计
由于电机具有较大的感性,电流不能突变,若忽然将电流切断将在功率管两
端产生巨大的电压,损坏器件。
我们应用二极管来续流,利用二极管的单向导通
性。
二极管的选用必须要根据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。
为保护芯片而加上续流电路,其电路原理图如图3.7所示
.
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3.5红外测速部分电路的设计
红外测速部分,R17用来限制发射二极管的电流。
发射管的电流大则发射
功率大,但不能超过它的极限电流,它的极限输入正向电流为50mA。
3.6电机控制正反转电路设计
H桥部分控制电路设计
知道通过调节直流电机的电压可以改变电机的转速,但是一般我们设计的电源大都是固定的电压,而且模拟可调电源不易于单片机控制,数字可调电源设计麻烦。
.
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所以这里用脉宽调制(PWM)来实现调速。
方波的有效电压跟电压幅值和占空
比有关,我们可以通过站空比实现改变有效电压。
一般用软件模拟PWM可以有延时和定时两种方法,延时方法占用大量的CPU,所以这里采用定时方法。
直流电机旋转方向
一般利用H桥电路来实现调速。
H桥驱动电路:
图4.12中所示为一个典型的直流电机控制电路。
电路得名于“H桥驱动电路”是因为它的形状酷似字母H。
4个三极管组成H的4条垂直腿,而电机就是H中的横杠(注意:
图4.12及随后的两个图都只是示意图,而不是完整的电路图,其中三极管的驱动电路没有画出来)。
如图所示,H桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机。
要使电机运转,必须导通对角线上的一对三极管。
根据不同三极管对的导通情况,电流可能会从左至右或从右至左流过电机,从而控制电机的转向。
图4.12H桥驱动电路
要使电机运转,必须使对角线上的一对三极管导通。
例如,如图
4.13所示,当
Q1
管和Q4管导通时,电流就从电源正极经Q1从左至右穿过电机,然后再经
Q4
回到电源负极。
按图中电流箭头所示,该流向的电流将驱动电机顺时针转动。
当三极管Q1和Q4导通时,电流将从左至右流过电机,从而驱动电机按特定方向转动(电机周围的箭头指示为顺时针方向)。
.
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图4.13H桥电路驱动电机顺时针转动
图4.14所示为另一对三极管Q2和Q3导通的情况,电流将从右至左流过电机。
当三极管Q2和Q3导通时,电流将从右至左流过电机,从而驱动电机沿另一方向转动(电机周围的箭头表示为逆时针方向)。
图4.14H桥驱动电机逆时针转动
实际电路图如下图所示:
.
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3.7显示设计
LED数码管是一种半导体发光器件,其基本单元是发光二极管,通过对其不同的管脚输入相对的电流,会使其发亮,从而显示出数字。
可以显示:
时间、日期、距离等可以用数字代替的参数。
数码管按段数分为七段数码管和八段数码管,八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元(多一个小数点显示);按能显示多少个“8”可分为1位、2位、
4位等等数码管;按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码
管。
共阳极数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极(COM)的数码管。
共阳极数码管在应用时应将公共极COM接到+5V,当某一字段发光二极管的阴极为低电平时,相应字段就点亮。
当某一字段的阴极为高电平时,相应字段就不亮。
动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端连在一起,另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路,通过由各自独立
的I/O线控制,当单片机的P0口输出字形码时,所有数码管都接收到相同的字
形码,但究竟是那个数码管会显示出字形,取决于单片机对P2.4-P2.7位选通
COM端电路的控制,所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开,该位就
显示出字形,没有选通的数码管就不会亮。
通过分时轮流控制各个数码管的COM
端,就使各个数码管轮流受控显示,这就是动态驱动。
.
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在本设计中采用了四位七段数码管,用动态驱动来显示距离的值,如图5
所示。
3.8整个电路原理图
.
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5结束语
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,也使我深刻领会到单片机技术应用领域的广泛。
不仅让我对我学过的单片机知识的巩固,同时也对单片机这门课产生了很大的兴趣,在课程设计的之中,体会良多,收获很大。
主要有以下方面:
1.巩固了书本上学习的知识,通过本次的课程设计,对书本上面的知识更加的了解,也对编写程序有了一定的认识。
2.在本次的课程设计中,我进一步加强了自己的动手的能力和运用专业知识的能力,从中学到如何去思考和解决问题
3.通过本次的课程设计,让我了解到单片机技术对当今人们生活的重要性。
同时这次课程设计也让我明白不管做什么事都要脚踏实地,刻苦努力的去做。
参考文献
[1].何立明,单片机中级教程[M]北京:
北京航天航空大学出版社2006.10
[2]邹久朋,80C51单片机实用技术[M]北京航天航空大学出版社2008.04
[3]刘湘涛,江世明单片机原理与应用[M]北京:
电子工业出本社2007.04
[4]李全利单片机原理及接口技术(第二版)高等教育出版社2009.01
.
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源程序代码:
/****************************************************
=========直流电机控制+速度显示==========
****************************************************/
#include
#defineucharunsignedchar//宏定义
#defineuintunsignedint
#defineCYCLE10//定义PWM的周期T为10ms
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