单片机直流电机调速系统设计

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1、1总体设计方案 . 2 （一） . 方案一：PWM 波调速 2 （二） . 方案二：晶闸管调速 2 2. . 单元模块设计 . 3 （一） . H 桥驱动电路设计方案 3 （二） . 调速设计方案 5 （三） . 系统硬件电路设计 6 1电源电路 . 6 2. H 桥驱动电路 . 6 3. 基于霍尔传感器地测速模块 . 7 4. LCD 显不模块 . * 8 （四） . 调速设计模块 9 1. PWM 波软件软件设计 . 9 2. 测速软件设计 . 12 3系统功能调试 . 13 （一） . 调试软忖绍 13 （二） . 宜流电机地调速功能仿真 14 1. 调速前地波形图 . 14 2. 调速

2、后地波形图 . 14 （三） . 电机速度地测量并显示功能仿真 15 （四） . 系统地电路原理图 15 （五） . 系统地 PCB 图 16 4 设计总结 . 17 5参考文献 . 17 附录 . 17前言 2 总体设计方案 图 2电机调速系统框图 （二）方案二：晶闸管调速 采用闸流管或汞弧整流器地离子拖动系统是最早应用静止式变流装置供电地直流电动机调速系 统.1957 年,晶闸管（俗称“可控硅”）问世倒了 60年代，已生产出成套地晶闸管整流装置，并应用于直 流电动机调速系统,即晶闸管可控整流器供电地直流调速系统（V-M 系统） 如图 1-3,VT是晶闸管可 控整流器，通过调节触发装置 GT

3、 地控制电压 3来移动触发脉冲地相位，即可改变整流电压 0，从而 实现平滑调速晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很人提高,而且在技术性能上也显示出 较人地优越性；晶闸管可控整流器地功率放人倍数在 3 以上，其门极电流可以直接用晶体管来控制, 不再像直流发电机那样需要较人功率地放人器.在控制作用地快速性上，变流机组是秒级，而晶闸管整 流器是亳秒级，这将人人提高系统地动态性能.因此，在 60年代到 70年代,晶闸管可控整流器供电地直 流调速系统（V-M 系统）代替旋转变流机组直流电动机调速系统（G-M 系统），得到了广泛地应用. 但是由于晶闸管地单向导电性，它不允许电流反向，给系统地可逆运行

4、造成困难：晶闸管对过电压.过 电流和过高地 凹与凹 都十分敏感,若超过允许值会在很短地时间内损坏器件另外，由谐波与 无功功率引起电网电压波形畸变,殃及附近地用电设备，造成“电力公害”，因此必须添置无功补偿和谐 波滤波装置. 兼于方案二调速特性优良调整平滑调速范 I 韦 I 广.过载能力人，因此本设计采用方案一. 2 单元模块设计 （一）H桥驱动电路设计方案 图 2-1所示地 H桥式电机驱动电路包扌舌 4个三极管和一个电机，电路得名于“H桥驱动电路是因 为它地形状酷似字母 H.如图 1.1-1 所示,要使电机运转，必须导通对角线上地一对三极管.根据不同三 极管对地导通情况,电流可能会从左至右或从

5、右至左流过电机，从而控制电机地转向. 图4 H桥驱动电路 要使电机运转，必须使对角线上地一对三极管导通.例如，如图2-2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，该流向地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（电机周围地箭头指示为顺 时针方向）. 图5 H桥驱动电机顺时针转动 图2-3所示为另一对三极管Q2和Q3导通地情况，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 围地箭头表示为逆

6、时针方向）. 图6 H桥驱动电机逆时针转动 （二）调速设计方案 调速釆用PWM （Pulse Width Modulation）脉宽调制，工作原理：通过产生矩形波, 改变占空比，以达到调整脉宽地目地.PWM地定义:脉宽调制（PWM）是利用微处理器地数字 输出來对模拟电路进行控制地一种非常有效地技术，广泛应用在从测量.通信到功率控 制与变换地许多领域中.模拟信号地值可以连续变化，其时间和幅度地分辨率都没有限 制.9V电池就是一种模拟器件，因为它地输出电压并不精确地等于9V,而是随时间发生 变化，并可取任何实数值.与此类似，从电池吸收地电流也不限定在一组可能地取值范围 之内.模拟信号与数字信号地区

7、别在于后者地取值通常只能属于预先确定地可能取值集 合之内，例如在OV, 5V这一集合中取值. 模拟电压和电流可直接用来进行控制，如对汽车收音机地音量进行控制在简单地 模拟收音机中，音量旋钮被连接到一个可变电阻.拧动旋钮时，电阻值变大或变小；流经 这个电阻地电流也随之增加或减少，从而改变了驱动扬声器地电流值，使音量相应变大 或变小.与收音机一样，模拟电路地输出与输入成线性比例. 尽管模拟控制看起来可能直观而简单，但它并不总是非常经济或可行地.其中一点 就是，模拟电路容易随时间漂移，因而难以调节能够解决这个问题地精密模拟电路可能 非常庞大.笨重（如老式地家庭立体声设备）和昂贵.模拟电路还有可能严重

8、发热,其功耗 相对于工作元件两端电压与电流地乘积成正比.模拟电路还可能对噪声很敏感,任何扰 动或噪声都肯定会改变电流值地大小.通过以数字方式控制模拟电路，可以大幅度降低 系统地成本和功耗.此外，许多微控制器和DSP己经在芯片上包含了 PW控制器，这使数 字控制地实现变得更加容易了. (三) 系统硬件电路设计 1.电源电路 (1)芯片介绍 78XX.XX 就代表它所输出地电压值，能降低电压 4-5V 电子产品中常见到地三端稳压集成电路有正电压输出地 78xx 系列和负电压输出地 79灯系列.故 名思义，三端 IC是指这种稳压用地集成电路只有三条引脚输出,分别是输入端.接地端和输出端. 用 78/

9、79 系列三端稳压 IC 来组成稳压电源所需地外闱元件极少，电路内部还有过流.过热及调整 管地保护电路.该系列集成稳压 IC 型号中地 78或 79后面地数字代表该三端集成稳压电路地输出电 压， 如 7806 表示输出电压为正 6VJ909 表示输出电压为负 9V. 有时在数字 78或 79后面还有一个 M或 L,如 78M12 或 79L24,用来区别输出电流和封装形式等, 其中 78L调系列地最人输出电流为 100mA,78M 系列最人输出电流为 1A,78 系列最大输出电流为 1.5A.在实际应用中，应在三端集成稳压电路上安装足够大地散热器(当然小功率地条件卞不用)当 稳压管温度过高时，

10、稳压性能将变差，甚至损坏. (2 )电路原理图 电源电路采用 78系列芯片产生+5V.+15V.电路图如图 2-4： 图 7 78 系列地电源电路 2. H桥驱动电路 基于三极管地使用机理和特性，在驱动电机中采用 H 桥功率驱动电路,H 桥功率驱动电路町应用 于步进电机.交流电机及直流电机等地驱动.永磁步进电机或混合式步进电机地励磁绕组都必须用 双极性电源供电，也就是说绕组有时需正向电流，有时需反向电流，这样绕组电源需用 H桥驱动.直流电 机控制使用 H 桥驱动电路(图 2-5),当 PWM1为低电平,通过对 PWM2输出占空比不同地矩形波使 三极管 Q1.Q6同时导通 Q5截止,从而实现电机

11、正向转动以及转速地控制；同理，当 PWM2 为高电平, 通过对 PWM1 输出占空比不同地矩形波使三极管 Q1.Q6同时导通,Q6 截止，从而实现电机反向转动 以及转速地控制. 3.基于霍尔传感器地测速模块 (1 )霍尔传感器地工作原理 霍尔效应：在一块半导体薄片上，其长度为 1,宽度为 b,厚度为 d,当它被置于磁感应强度为 B地磁场 中,如果在它相对地两边通以控制电流 I,且磁场方向与电流方向正交，则在半导体另外两边将产生一 个大小与控制电流 I 和磁感应强度 B 乘枳成正比地电势 UH,即 UH=KHIB,其中 kH 为霍尔元件地灵 敏度该电势称为霍尔电势,半导体薄片就是霍尔元件. 工作

12、原理：霍尔开关集成电路中地信号放人器将霍尔元件产生地幅值随磁场强度变化地霍尔电压 UH 放人后再经信号变换器.驱动器进行整形.放人后输出幅值相等.频率变化地方波信号.信号输出端 每输出一个周期地方波，代表转过了一个齿单位时间内输出地脉冲数 N,因此可求出单位时间内地速 度 V=NT (2 )霍尔传感器地电路原理 4. LCD显示模块 (1 ) 1602芯片介绍 1602 液晶模块内部地字符发生存储器(CGROM)已经存储了 160 个不同地点阵字符图形，这些 字符有：阿拉伯数字.英文字母地人小写.常用地符号.和口文假名等,每一个字符都有一个固定地代码, 比如人写地英文字母 A 哋代码是 010

13、0000IB (41H)，显示时模块把地址 41H中地点阵字符图形显 示出来，我们就能看到字母“A”因为 1602 识别地是 ASCII 码，实验可以用 ASCII 码直接赋值，在单片机 编程中还可以用字符型常量或变量赋值，如 W.1602 采用标准地 16脚接 I I,其中： 第 1脚：VSS为电源地 第 2脚：VDD 接 5V 电源正极 第 3脚：V0 为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高(对比 度过高时会产生“鬼影”,使用时可以通过一个 10K地电位器调整对比度). 第 4脚：RS为寄存器选择，高电平 1时选择数据寄存器.低电平 0时选择指令寄存器. 第

14、5脚：RW为读写信号线，高电平(1)时进行读操作，低电平(0)时进行写操作. 第 6脚：E(或 EN)端为使能(enable)端. 第 714脚：D0D7 为 8位双向数据端. 第 1516 脚：空脚或背灯电源.15脚背光正极,16 脚背光负极. (四) 调速设计模块 1PWM波软件软件设计 程序流程图:(2 )电路原理图 10K Rrt TJTJ - -7 7C5C55 5斗 3 3 2 2 1 1 o o E E S S 7 图 10 LCD 显示电路 按键查询 图 11软件电机控制地方框图 通过控制总中断使能 EA 控制电机地开关，同时使能对霍尔传感器输出地方波在单位时间内脉 冲个数地计

15、数.其中定时器 T0.T1 分别对脉冲地宽度.霍尔元件输出地脉冲数对应地 1 秒时间定时.对 脉冲宽度地调整是通过改变高电平地定时长度,由变量 high 控制.变量 change. sub_speed .add_speed 分别实现电机地转向加速减速. /*通过按键实现对电机开关.调速.转向地控制地程序*/ void motoi_contiol() if(open = 1) EA= lo inclose = 1) EA = Oo inswap = 1) change = -change OPEN 是否按下 Add.speed 是否按卜 Subspeed 是否按下 ZI ZI Swap 或 cl

16、ose 是 否按下 JI JI 增人矩形波占空 减小矩形波占空 改变转向或关闭 电机 定时器 TO 开始计时 产生矩形波 while(swap != 0) if(sub_speed = 1) high 卄。 if(high = 30) EA=0o while(sub_speed != 0) if(add_speed = 1) high。 if(liigh = 5) high = 5 o wliile(add_speed != 0) 2.测速软件设计 OPEN 是否按下 定时器 T1 开始计时 对单位时间内的脉冲计数 根据公式计算出电机的速度 液晶显示电机速度 图 12软件测速地方框图 /*T1

17、 中断服务程序*单位时间(S)方波地个数*/ void tiinel_mt(void) iiitemipt 3 count_speed-H-o if(count_speed = 20) count_speed = 0。 num_display = num_mediunio num_medium = 0。 3系统功能调试 （一） 调试软件介绍 Protel99SE 是应用于 Windows9X/2000NT 操作系统卜地 EDA 设计软件,采用设计库管理模式， 可 以进行联网设计，具有很强地数据交换能力和开放性及 3D模拟功能，可以完成电路原理图设计，印制 电路板设计和可编程逻辑器件设计等工作，

18、可以设计 32 个信号层,16 个电源-地层和 16个机加工层. 按照系统功能来划分,Piotel99se主要包含6 6个功能模块：电路工程设计部分.印刷电路板设计系统.自 动布线系统电路模拟仿真系统可编程逻辑设计系统.高级信号完整性分析系统存储器和特殊功能寄 存器地存取.中断功能灵活地指针 KeilC51 软件提供丰富地库函数和功能强大地集成开发调试工具， 全 Wmdows 界面.另外重要地 一点,只要看一卞编译后生成地汇编代码，就能体会到 KeilC51 生成地目标代码效率非常之高,多数语 句生成地汇编代码很紧凑，容易理解在开发大型软件时更能体现高级语言地优势.KEIL C51 编译器由

19、uVisioii2 集成开发环境与编辑器和调试器以及 C51 编译器组成.其中 uVision2 集成开发坏境中地工 程（project）是由源文件.开发工具选项以及编程说明三部分组成地。编辑器和调试器包括源代码编辑 器断点设置.调试函数语言.变量和存储器. Proteus 软件是一种低投资地电子设计自动化软件，提供可仿真数字和模拟.交流和直流等数种 元器件和多达 30 多个元件库.Proteus 软件提供多种现实存在地虚拟仪器仪表.此外,Proteus 还提供图 形显示功能，可以将线路上变化地信号，以图形地方式实时地显示出来.这些虚拟仪器仪表具有理想地 参数指标,例如极高地输入阻抗极低地输出

20、阻抗,尽可能减少仪器对测量结呆地影响,Proteus 软件提 供丰富地测试信号用于电路地测试这些测试信号包括模拟信号和数字信号.提供 Schematic Diawmg.SPICE 仿真与 PCB设计功能，同时可以仿真单片机和周边设备，可以仿真 51 系列.AVR.PIC 等常用地 MCU,并提供周边设备地仿真，例如 373.1ed.示波器等.Proteus 提供了人量地元件库，有 RAM.ROM.键盘.马达.LED.LCD.AD/DA.部分 SPI 器件.部分 UC 器件,编译方面支持 Keil 和 MPLAB 等编译器一台计算机.一套电子仿真软件， 在加上一本虚拟实验教程，就可相当于一个设备

21、先进地实验 室.以虚代实以软代硬，就建立一个完善地虚拟实验室在计算机上学习电工基础，模拟电路数字电路. 单片机应用系统等课程，并进行电路设计仿真.调试等当电路设计完成之后，为了减少在电路板上调 试时地难度，保证电路设计地正确性，将Keil c51 编译生成地*.HEX 文件载入 Proteus 软件，实现电路仿 真. （二） 直流电机地调速功能仿真 当按下 open 键时,电机开始工作.若需要加快电机地转速，则按下 add_speed 键，直到电机转速适 中；相反，需要减慢电机地转速时，则按 F sub_speed 键,待转速满意后，放开按键.当然，在某种特定地环 境下,还需改变电机地转速，此

22、时，你可以按一卞 sw叩键,以达到改变电机转向地目地.当电机不工作时, 则按下 close键. LOOT kivtu - HelLo 5pdi812 心 s f?W AIW P1IH2 P5.vr 、jr IMS % F1 rave rm SR FHC5 -rm nrr* 图 13直流电机调速系统地 Proteus仿真图 1 调速前地波形图 Diaitol Q u I 电源胡 Di gi til Oscilloscope LCD显不电路 单片机控制单元 CI. 口； ?!LT 7to 7J MCK r. 兀 jpoti rj 兀八 poi r.i 兀 JOSI 卩* n.ipoii 卩* 7l

23、dD1| r 兀 APO%I 卩* 兀Apoi ZM| 0| Z3A)Ae4| ri.%12 乃、如1| TIAIJ n40i| ri.|X| Z33)ftei| XI6U mp* XI6U 73“2| owo r3J( (aj| riJlMiii no- （五）系统地PCB图 4. 设计总结 经过2个星期地课程设计，留给我印象最深地是要设计一个成功地电路，必须要有 要有扎实地理论基础，还要有坚持不懈地精神. 本产品实现了对直流电机地调速和测速，个人感觉其中还有许多不够完善地地方, 例如：对电机地控制采用地是独立按键，而非矩阵键盘；电机地驱动电路地设计也不是 很成熟. n n a a 03 图

24、18直流电机调速系统地ProtelPCB图 此次地设计并不奢望一定能成功,但一定要对己学地各种电子知识能有一定地运用 能力，我做设计地目地是希望能检查下对所学知识地运用能力地好坏，并且开始慢慢走 上创造地道路，这是非常可贵地一点. 5. 参考文献 11傅丰林.模拟电子线路基础M.西安：西安电子科技大学出版社,2001.1 2 江志红.51单片机技术与应用系统开发案列精选Ml.北京：清华大学出版 社，2008. 12 3 王选民智能仪器原理及设计 M.北京:清华大学出版社,2008. 7 4 文东孙鹏飞C语言程序设计Ml.北京：中国人民大学出版社,2009. 2 5杨加国单片机原理与应用及C51

25、程序设计Ml.北京：清华大学出版社,2008. 3 附录 #include #defiiie ucliai unsigned char #defiiie umt unsigned int sbit open = P2 0。 sbit close = P2T。 sbit swap = P2A2o sbit sub_speed = P2A3o sbit add_speed = P2A4o sbit PWM1 = P3A0o sbit PWM2 = P3T。 sbit E=P3A7o sbRW = P3 人 6。 sbit RS = P3A5o sbit test = P3A4o int time

26、= Oo int high = 20。 int period = 30。 int change = 0。 int flag = 0o int num_medium = 0。 int num_display = 0。 int count_speed = 0。 ucharwwoni=0 x30,0 x31，0 x32,0 x33,0 x34,0 x35,0 x36,0 x37,0 x3&0 x39。 严*延时 t 亳秒*/ void delav(uchar t) uint io while(t) /*对于 11.0592MHz 时钟，延时 1ms*/ fdr(i=Oo i125o i+)。 写命令

27、函数 LCD void wc5 lr(uchai- j) RS=0o RW=0o P1=J。 E=lo E=0o delay(3)o 写数据函数 LCD void wc51 ddi(uchai- j) RS=lo RW=0o Pl=j。 E=lo E=0o delav(2)o 初始化函数 LCD void wc511(0 x01)。 清屏 wc511(0 x38)。 使用 8位数据，显示两行，使用 5*7 地字型 wc51r(0 x0c)o 显示器件,光标开，字符不闪烁 wc511(0 x06) o 字符不动，光标自动右移一格 void timeO_int(void) mtemipt 1 ti

28、me+o /time 为中断次数 THO = Oxeco TLO = 0 x78o if(change = 0) PWM2 = 1。 if(tune = high) /high 次中断后电平由高电平变成高电平 PWM1=O else if(time = period) /penod 相当于周期，保持不变地 PWM1 = lo time = Oo else PWM1 = 1。 if(time = liigh) PWM2=0。 else if(tiine = period) PWM2= 1。 time = Oo 严*/ /*T1 中断服务程序*单位时间（S）方波地个数*/ void time l_

29、int(void) mtermpt 3 count_speed+4-0 if(count_speed = 20) count_speed = 0。 numdisplav = num_mediumo num_medium = Oo 严 * *竹 void dataniadeQ unit data MMNN。 wc51r(0 xc2)o wc51ddi(S)。 wc51ddi(p)。 wc51ddi(e)。 wc51ddi(e)。 wc51ddi(d)。 wc51ddr(0 x3a)o NN = num_display% 100 o MM = num_display/100o wc51 dck(w

30、woidMM)。 MM = NN/10o NN = NN%10o wc51 ddi(wwoidMMJ)。 wc51 dd(wwo】dNN)。 严*/ 严*通过按键实现对电机开关调速转向地控制*/ void motoi_contiol() if(open = 1) EA= lo inclose = 1) EA= 0。 change = change。 wlule(swap != 0) inswap = 1) if(sub_speed = 1) high+o 改变 high 来改变占空比 if(lugh = 30) EA=0o wliile(sub_speed != 0) if(add_speed

31、 = 1) high-o if(liigh = 5) high = 5 o wliile(add_speed != 0) 严*, ,，* * 主诵数* *, void main() P2= 0 x00o ET0= lo /to 中断允许位 ET1 = lo TMOD = Oxllo THO = Oxeco 定时器 TO 设置参数 TLO = 0 x78o THl = 0 x3co /定时器 T1 设置参数 TL1 = OxbOo TR0= lo TRI = lo iuitQ o 液晶显不初始化程序 wlule(l) wc 511(0 x84) o wc51dd【(H)。 wc51ddr(,e,)o wc51ddr(T)o wc51ddr(T)o wc51ddrfo,)o if(test = 0) num_medium+。 datamadeQo