1、精選優質文檔-傾情為你奉上工程實訓報告題 目： 基于單片機的直流 電機調速系統 班 級： 電信13-2班 姓 名： 王 坤 學 號： 指導教師： 張沛泓 成 績：電子與信息工程學院信息與通信工程系目 錄一 直流電機調速器簡介1.1 直流電機調速器脈寬調制的全稱為：PulseWidthModulator 簡稱PWM，直流電機調速器就是調節直流電動機速度的設備， 由于直流電動機具有低轉速大力矩的特點，是交流電動機無法取代的， 因此調節直流電動機速度的設備直流調速器，由于它的特殊性能、常被用于直流負載回路中、燈具調光或直流電動機調速、HW-1020型調速器、就是利用脈寬調制(PWM)原理制作的馬達調

2、速器、PWM調速器已經在：工業直流電機調速、工業傳送帶調速、燈光照明調解、計算機電源散熱、直流電扇等、得到廣泛應用。1.2 調速原理直流電動機根據勵磁方式不同，分為自勵和他勵兩種類型。不同勵磁方式的機械特性曲線有所不同，對于直流電動機的轉速有以下公式：其中：U電壓； 勵磁繞組電阻；磁通(Wb)； Cc電勢常數；Cr轉矩常量。由上式可知，直流電機的速度控制分兩種方法，有電樞控制法和磁場控制法。比較兩種方法優劣，對于磁場控制法，其控制功率較小，低速傳動時易受到磁極飽和限制，而高速傳動時又受到換向火花和換向器結構限制。所以磁場控制法并不合適，電樞控制法在電機調速中是比較常用的方法。直流電動機的基本結

3、構直流電機的結構是多種多樣的,但任何直流電機都包括定子部分和轉子 部分,這兩部分間存在著一定大小的氣隙,使電機中電路和磁場發生相對運 動.直流電機定子部分主要由主磁極,電刷裝置和換向極等組成,轉子部分 主要由電樞繞組,換向器和轉軸等構成，如下圖所示：圖1-1 直流電機工作原理圖電樞控制即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，以控制電機的轉速。在電機調速中廣泛使用，其中脈寬調制應用廣泛。脈寬調速的概念是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“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速。 圖1

4、-2 直流電機脈寬調制圖根據上圖，當電動機始終接通電源時，電機轉速最大為，占空比為，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，從而實現調速。1.3 直流調速系統實現方式 PWM為主控電路的調速系統：基于單片機類由軟件來實現PWM，在PWM調速系統中占空比是一個重要參數，電源電壓不變時，電樞端電壓的平均值取決于占空比的大小，改變的值可以改變電樞端電壓的平均值： 1、定寬調頻法：保持t1不變，只改變t，使周期也隨之改變。 2、調寬調頻法：保持t不變，只改變t1，使周期或頻率也隨之改變。 3、定頻調寬法：保持周期T(或頻率)不變，同時改變t1和t。 1和2方法在調速時改變了

5、控制脈沖的周期或頻率，當控制脈沖的頻率與系統的固有頻率接近時，將會引起振蕩，因而不合適，用定頻調寬法來改變占空比從而改變直流電動機電樞兩端電壓。1.3 控制程序的設計軟件采用定時中斷進行設計。當單片機上電后，系統進入準備狀態。當按動按鈕后執行相應的程序，根據P1.1的高低電平決定直流電機正反轉。根據加、減速按鈕，調整P1.1輸出高低電平的占空比，從而可以控制高低電平的延時時間，進而控制電壓的大小來決定直流電機的轉速。二 系統硬件電路的設計2.1 系統總體設計框圖及單片機系統的設計本系統采用STC89C51控制輸出數據，由單片機IO口產生PWM信號，送到直流電機，直流電機通過測速電路將實時轉速送

6、回單片機，進行轉速顯示，從而實現對電機速度和轉向的控制，達到直流電機調速的目的。具體使用器件如下：1) 9*15萬用板 2) 51單片機 3)40腳IC座 4) 1602液晶 5) 16p母座6) 16p排針 7) 10k電阻*3 8) 1k電阻*5 9) 3v直流電機 10) 磁鐵*211) 塑料管 12) 3144霍爾傳感器 13) 4148二極管*4 14) 8050三極管*415) 8550三極管*2 16) 103排阻 17) 104獨石電容 18) 10uf電解電容19）30pf瓷片電容*2 20) 12M晶振 21) 按鍵*6 22) 自鎖開關23) DC電源插口 24) 導線若

7、干 25) 焊錫若干 26) USB電源線所以，直流電機調速系統總體設計框圖如下所示： 圖2-1 系統總體設計圖2.2 STC89C51單片機 STC89C51單片機由CPU和8個部件組成，它們都通過片內單一總線連接，其基本結構依然是通用CPU加上外圍芯片的結構模式，但在功能單元的控制上采用了特殊功能寄存器的集中控制方法。中央處理器CPU：它是單片機的核心，完成運算和控制功能。內部數據存儲器：STC89C51芯片中共有256個RAM單元，能作為存儲器使用的只是前128個單元，其地址為00H7FH。通常說的內部數據存儲器就是指這前128個單元，簡稱內部RAM。內部程序存儲器：STC89C51芯片

8、內部共有4K個單元，用于存儲程序、原始數據或表格，簡稱內部ROM。定時器：STC89C51片內有2個16位的定時器，用來實現定時或者計數功能，并且以其定時或計數結果對計算機進行控制。中斷控制系統：該芯片共有5個中斷源，即外部中斷2個，定時/計數中斷2個和串行中斷1個。其基本組成如下圖所示: 圖2-2 單片機的組成2.3 STC89C51單片機引腳圖及其功能 圖2-3 單片機引腳圖 VCC：供電電壓。 GND：接地。 P0口：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P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數據存儲器，它可以被定義為數據/地址的第八

9、位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。 P1口：P1口是一個內部提供上拉電阻的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后，被內部上拉為高，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。 P2口：P2口為一個內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳被內部上拉電阻拉高，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。這是由于內部上拉的緣

10、故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數據存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內部上拉優勢，當對外部八位地址數據存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內容。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口管腳是8個帶內部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”后，它們被內部上拉為高電平，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。 P3.0 RXD（串行輸入口） P3.1 TXD（串行輸出口） P3.2 /INT0（外部中斷0） P3.3 /I

11、NT1（外部中斷1） P3.4 T0（記時器0外部輸入） P3.5 T1（記時器1外部輸入） P3.6 /WR（外部數據存儲器寫選通） P3.7 /RD（外部數據存儲器讀選通） P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。 I/O口作為輸入口時有兩種工作方式，即所謂的讀端口與讀引腳。讀端口時實際上并不從外部讀入數據，而是把端口鎖存器的內容讀入到內部總線，經過某種運算或變換后再寫回到端口鎖存器。只有讀端口時才真正地把外部的數據讀入到內部總線。上面圖中的兩個三角形表示的就是輸入緩沖器CPU將根據不同的指令分別發出讀端口或讀引腳信號以完成不同的操作。這是由硬件自動完成的，不需要我們操心，1然后再

12、實行讀引腳操作，否則就可能讀入出錯，為什么看上面的圖，如果不對端口置1端口鎖存器原來的狀態有可能為0，Q端為0。Q為1加到場效應管柵極的信號為1，該場效應管就導通對地呈現低阻抗，此時即使引腳上輸入的信號為1，也會因端口的低阻抗而使信號變低使得外加的1信號讀入后不一定是1。若先執行置1操作，則可以使場效應管截止引腳信號直接加到三態緩沖器中實現正確的讀入，由于在輸入操作時還必須附加一個準備動作，所以這類I/O口被稱為準雙向口。89C51的P0/P1/P2/P3口作為輸入時都是準雙向口。RST：復位輸入，當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。 ALE/PROG：當訪問外部存儲器

13、時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數據存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時， ALE只有在執行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執行狀態ALE禁止，置位無效。 /PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數據存儲器時，這兩次有效

14、的/PSEN信號將不出現。 /EA/VPP：當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內部鎖定為RESET；當/EA端保持高電平時，此間內部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。三 PWM信號發生電路設計 3.1 PWM的基本原理 調速采用PWM（Pulse Width Modulation）脈寬調制，工作原理：通過產生矩形波，改變占空比，以達到調整脈寬的目的。PWM的定義:脈寬調

15、制(PWM)是利用微處理器的數字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術，廣泛應用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領域中。模擬信號的值可以連續變化，其時間和幅度的分辨率都沒有限制。3.2 系統的硬件電路設計電動機PWM驅動模塊的電路采用H橋驅動，設計與實現具體電路見下圖。本電路采用的是基于PWM原理的驅動電路。 圖3-1 電動機PWM驅動模塊PWM電路由復合體管組成，兩個輸入端高低電平控制晶體管是否導通或截止。NPN的三極管高電平輸入時導通，PNP的三極管低電平輸入時導通，當Q1和Q2都導通時，Q3和Q6截止，Q4和Q5導通，電機兩端都是GND，電機是不轉的，當Q1和Q2都截止時，Q3

16、和Q6導通，Q4和Q5截止，電機兩端都是VCC，電機也是不轉的，那么，當Q1導通，Q2截止時，Q4和Q6導通，電機右邊是電源，左邊是地，電機逆時針轉動，此時保持Q2截止，PWM控制Q1的導通截止，就可以控制電機的速度，同理，當Q1截止，Q2導通時，Q3和Q5導通，電機的左邊是電源，右邊是地，電機順時針轉動，此時保持Q1截止，PWM控制Q2的導通截止就可以控制電機的轉速。4個二極管在電路中的作用是防止晶體管產生不當反向電壓，以及電機兩端電流和晶體管上的電流過大保護。3.3 H橋驅動電路設計H橋式電動機驅動電路包括4個三極管和一個電機，因為它的形狀與字母H相似，故因此而得名。如下圖 所示，要使電動

17、機成功運轉，須對對角線上的一對三極管通電。據不同的三極管對的導通通電的情況，電流會從右至左或相反方向流過電機，從而改變電機的轉動方向。 圖3-2 H橋驅動電路因此要想使電動機運轉，必須使對角線上兩個三極管通電。例如，當Q2管與Q3管導通時，電流 從電源正極經Q2從左到右通過電機，再經 Q3到電源的負極。同樣Q1與Q4亦是如此，由電流箭頭可看，驅動電動機將順時針轉動。 圖3-3 H橋驅動電路驅動電機轉動四 主電路設計4.1 單片機系統經過研究以及分析可以得到調速系統的主電路設計圖，如下：圖4-1 主電路設計圖4.2 液晶電路LCD1062 液晶部分的電路圖如下圖所示：圖4-2 液晶電路的電路圖L

18、CD（Liquid Crystal Display）是液晶顯示器英文名稱的縮寫，液晶顯示器是一種被動式的顯示器，即液晶本身并不發光，而是利用液晶經過處理后能改變光線通過方向的特性，達到白底黑字或黑底白字顯示的目的。液晶顯示器具有功耗低、抗干擾能力強等優點。4.2.1 LCD1602與單片機連接LCD 1602可以采用兩種方式與單片機連接，一種是采用8位數據總線D0D7，和RS、R/W、EN三個控制端口；另一種是只用D4D7作為四位數據分兩次傳送。進行LCD設計主要是LCD的控制/驅動和外界的接口設計，控制主要是通過接口與外界通信、管理內/外顯示RAM，控制驅動器，分配顯示數據；驅動主要是根據控

19、制器要求，驅動LCD進行顯示，控制器還常含有內部ASCII字符庫，或可外擴的大容量漢字庫。單片機的P1.1與LCD 1602的使能端E相連，GND與讀寫選擇端R/W相連，P1.0與RS相連，當使能端使能時，再通過命令選擇端來控制讀數據，寫數據，寫命令，控制P0端口與LCD 1602的數據端口相連，傳輸數據。4.2.2 LCD1602的顯示與控制LCD 1602液晶模塊內部的字符發生內存（CGROM）已經存儲了160個不同的點陣字符圖形，這些字符有：阿拉伯數字、英文字母的大小寫、常用的符號、和日文假名等，每一個字符都有一個固定的代碼，比如大寫的英文字母“A”的代碼是B（41H），顯示時模塊把地址

20、41H中的點陣字符圖形顯示出來，我們就能看到字母“A”。LCD 1602液晶模塊內部的控制器共有11條控制指令，它的讀寫操作、屏幕和光標的操作都是通過指令編程來實現的。（說明：1為高電平、0為低電平）指令1：清顯示，指令碼01H，光標復位到地址00H位置；指令2：光標復位，光標返回到地址00H；指令3：光標和顯示模式設置I/D，光標移動方向，高電平右移，低電平左移S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高電平表示有效，低電平則無效；指令4：顯示開關控制，D：控制整體顯示的開與關，高電平表示開顯示，低電平表示關顯示C：控制光標的開與關，高電平表示有游標，低電平表示無游標B：控制光標是否閃爍，高電平閃

21、爍，低電平不閃爍；指令5：光標或顯示移位元S/C：高電平時移動顯示的文字，低電平時移動光標；指令6：功能設置命令DL：高電平時為4位總線，低電平時為8位總線N：低電平時為單行顯示，高電平時雙行顯示F：低電平時顯示5×7的點陣字符，高電平時顯示5×10的點陣字符；指令7：字符發生器RAM地址設置；指令8：DDRAM地址設置；指令9：讀忙信號和光標地址BF：為忙標志位，高電平表示忙，此時模塊不能接收命令或者數據，如果為低電平表示不忙；指令10：寫數據；指令11：讀數據。液晶顯示模塊是一個慢顯示器件，所以在執行每條指令之前一定要確認模塊的忙標志為低電平，表示不忙，否則此指令失效。

22、要顯示字符時要先輸入顯示字符地址，也就是告訴模塊在哪里顯示字符。4.3 按鍵電路本設計采用按鍵接低的方式來讀取按鍵，單片機初始時，因為為高電平，當按鍵按下的時候，會給單片機一個低電平，單片機對信號進行處理單片機鍵盤有獨立鍵盤和矩陣式鍵盤兩種：獨立鍵盤每一個I/O 口上只接一個按鍵，按鍵的另一端接電源或接地（一般接地），這種接法程序比較簡單且系統更加穩定；而矩陣式鍵盤式接法程序比較復雜，但是占用的I/O少。根據本設計的需要這里選用了獨立式鍵盤接法。獨立式鍵盤的實現方法是利用單片機I/O口讀取口的電平高低來判斷是否有鍵按下。將常開按鍵的一端接地，另一端接一個I/O 口，程序開始時將此I/O口置于高

23、電平，平時無鍵按下時I/O口保護高電平。當有鍵按下時，此I/O 口與地短路迫使I/O 口為低電平。按鍵釋放后，單片機內部的上拉電阻使I/O口仍然保持高電平，我們所要做的就是在程序中查尋此I/O口的電平狀態就可以了解我們是否有按鍵動作了。在用單片機對鍵盤處理的時候涉及到了一個重要的過程，那就是鍵盤的去抖動。這里說的抖動是機械的抖動，是當鍵盤在未按到按下的臨界區產生的電平不穩定正常現象，并不是我們在按鍵時通過注意可以避免的。這種抖動一般10200毫秒之間，這種不穩定電平的抖動時間對于人來說太快了，而對于時鐘是微秒的單片機而言則是慢長的。硬件去抖動就是用部分電路對抖動部分加之處理，軟件去抖動不是去掉

24、抖動，而是避抖動部分的時間，等鍵盤穩定了再對其處理。所以這里選擇了軟件去抖動，實現法是先查尋按鍵當有低電平出現時立即延時10200毫秒以避開抖動（經典值為20毫秒），延時結束后再讀一次I/O 口的值，這一次的值如果為1 表示低電平的時間不到10200 毫秒，視為干擾信號，當讀出的值是0時則表示有按鍵按下，調用相應的處理程序。硬件電路如圖所示：圖4-3 按鍵部分電路4.4 霍爾元件電路用于測量的A44E集成霍爾開關，磁鋼用直徑D=6.004mm，長度為L=3.032mm的釹鐵硼磁鋼。電源用直流，霍爾開關輸出由四位半直流數字電壓表測量，磁感應強度B用95A型集成霍爾元件測量。 圖4-4 霍爾片管腳

25、以及管腳接線4.4.1 霍爾傳感器測量原理測量電機轉速的第一步就是要將電機的轉速表示為單片機可以識別的脈沖信號，從而進行脈沖計數。霍爾器件作為一種轉速測量系統的傳感器，它有結構牢固、體積小、重量輕、壽命長、安裝方便等優點，因此選用霍爾傳感器檢測脈沖信號，其基本的測量原理如圖所示，當電機轉動時，帶動傳感器運動，產生對應頻率的脈沖信號，經過信號處理后輸出到計數器或其他的脈沖計數裝置，進行轉速的測量。 圖4-5 霍爾器件測速原理五 直流電機系統程序構成5.1主函數 void main() flag_1=0; m=100; /占空比為100 zhuansu=0; /轉速初值0 flag=0; zhen

26、g=1; /初始化電機正轉動 fan=0; init(); while(1) keyscan(); 通過主函數的設置，來帶動整體程序的運行，設置轉速初值，經過運行保證能讓電機正常轉動，再接下來進入下一程序。5.2輸入字節函數 void write_com(uchar com) /向1602寫一字節（控制指令） rs=0;P0=com; delay(5);en=0; delay(10);en=1; void write_data(uchar date) /向1602寫一字節（數據） rs=1;P0=date; delay(5);en=0; delay(5);en=1;5.3轉速顯示函數 void

27、 display() write_com(0x82); zhuansu=zhuansu*30; /將兩秒內的計數乘以30得到轉每分 if(zhuansu/10000!=0) write_data(zhuansu/10000+0x30); /如果轉速的萬位不為0， 正常顯示否則顯示空格 else write_data(' '); if(zhuansu/1000=0) write_data(' '); else write_data(zhuansu%10000%1000+0x30); /如果轉速小于1000 千位 為空格，否則正常顯示 if(zhuansu/100=

28、0) write_data(' '); else write_data(zhuansu%10000%1000/100+0x30); /如果轉速小于100 百位 為空格，否則正常顯示 if(zhuansu/10=0) write_data(' '); else write_data(zhuansu%10000%1000%100/10+0x30); /如果轉速小于10 十 位為空格，否則正常顯示 write_data(zhuansu%10000%1000%100%10+0x30); write_com(0xd0); /如果沒有這句，當中斷內的顯示函數執行完，就會在轉

29、速的位置顯示占 空比數據，導致亂碼5.4占空比顯示函數 void displaym() write_com(0xcb); if(m/200%10!=0) write_data(m/200%10+0x30); /如果占空比百位不為0， 顯示百位否則顯示空格 else write_data(' '); if(m/200%10=0&&m/20%10=0) write_data(' '); else write_data(m/20%10+0x30); /如果占空比小于10 十位正 常顯示，否則顯示空格 write_data(m/2%10+0x30); /

30、顯示個位5.5初始化函數 void init() /初始化函數 en=0;rw=0; write_com(0x01); /lcd初始化 write_com(0x38); /5X7顯示 write_com(0x0c); /關閉光標 TMOD=0x01; /定時器方式1 TH0=0xdc; TL0=0x00; /定時器裝入初值 EA=1; /開總中斷 ET0=1; /定時器0開中斷 TR0=1; EX1=1; IT1=1; /定時器啟動 TH1=0xfc; TL1=0x66;/定時100us ET1=1; /定時器1開中斷 TR1=1; write_com(0x80); write_data(&#

31、39;V'); write_data(':'); write_com(0x87); /第一行顯示轉速 write_data('r');write_data('p');write_data('m');write_com(0xc0); write_data('z');write_data('h');write_data('a');write_data('n'); write_data('k');write_data('o');write_data('n');write_data('g'); write_data('b'