毕业设计（论文）-基于红外遥控的电机控制系统设计与实现.doc

基于红外遥控的电机控制系统设计与实现摘 要 摘要：本文介绍了基于红外遥控电机控制系统的设计，讲述了直流电机调速的相关知识以及PWM调速的基本原理和实现方法。直流电机具有优良的调速特性，调速平滑，方便，调速范围广，过载能力大，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的快速启动、制动和反转；能满足生产过程中自动化系统各种不同的特殊运行要求。电机控制系统采用红外遥控控制是电气传动的发展方向之一。采用红外遥控控制后，整个电机系统体积小、结构简单、可靠性高、操作维护方便，电动机稳态运转时转速精度可达到较高水平。本设计方案基于市场的需求，结合红外遥控设计简单，操作方便，成本低廉等特点，采用了51单片机作为遥控发射接收芯片，HS0038作为红外一体化接收发射管，在此基础上设计了一个简单的红外遥控直流电机系统。本设计实现了直流电机的几项基本功能：启动、停止、加速、减速、正转、反转。关键词：PWM;直流电机调速；红外遥控Abstract Abstract: this paper introduced based on infrared remote control motor control system design, tells the dc motor speed and related knowledge of PWM speed with the basic principle and method. Dc motor with excellent speed characteristics, speed smooth, convenient, speed range, overload ability, can withstand the impact of frequent, which can realize frequent load fast start, braking and reverse; Can satisfy the production process automation system of various special operation requirements. Motor control system based on infrared remote control is the development direction of electric drive one. Using infrared remote control, the motor system volume small, simple structure, high reliability, operation and maintenance convenience, motor when the steady-state operation speed precision reaches a higher level. This design scheme based on the demand of the market, combined with infrared remote control design simple, convenient operation, low cost etc, using a 51 SCM as remote launch receiver chips, HS0038 as infrared integration receiving tubes, based on this design a simple infrared remote control dc motor system. This design is realized the dc motor of the several basic functions: start and stop, acceleration and deceleration, are turning, inversion. Keywords: PWM; Dc motor speed; Infrared remote control目录第一章 直流电机的调速分析及研究意义.1 1.1 直流电机调速原理.1 1.2 PWM基本原理及实现方法.2 1.3控制程序设计 . 3 1.4 研究背景. 1.5 论文研究的目的与意义. 1.5.1 目的. 1.5.2 意义.第二章 系统硬件设计. 2.1 系统方案. 2.2 设计要求. 2.3 功能简介. 2.4 主要内容. 2.5 电机调速控制模块. 2.5.1 方案选择. 2.5.2 PWM调速工作方式. 2.5.3 PWM调脉宽方式. 2.5.4 PWM 软件实现方式. 2.6 系统分析与硬件设计. 2.6.1 单片机最小系统的设计. 2.6.2 电源电路的设计. 2.6.3 直流电机驱动电路的设计. 2.7 红外遥控电路的设计. 2.7.1 红外系统方框图. 2.7.2 系统功能需求. 2.7.3 红外发射电路. 2.7.4 红外检测接收电路. 2.7.5 键盘设计. 2.8 设计所需部分器件. 2.9 技术路线. 2.10 应用软件的编制、调试.第3章 系统软件设计. 3.1 电机控制系统程序的总体设计. 3.2 红外遥控器的程序设计. 3.2.1 遥控码的发射. 3.2.2 红外接收. 3.2.3 调速单元.第4章 系统的功能调试. 4.1 直流电机的调速功能仿真图形.4.2 系统的电路原理图.结论和总结.参考文献.致谢.附程序清单.第1章 直流电机的调速分析及研究意义1.1 直流电机调速原理根据励磁方式不同，直流电机分为自励和他励两种类型。不同励磁方式的直流电机机械特性曲线有所不同。对于直流电机来说，人为机械特性方程式为： (1.1）式中UN ,- 额定电枢电压、额定磁通量; ,-与电机有关的常数； ,-电枢外加电阻、电枢内电阻； ,理想空载转速、转速降。分析(1.1)式可得当分别改变UN、 和Rad时，可以得到不同的转速n，从而实现对速度的调节。由于=，当改变励磁电流If时，可以改变磁通量的大小，从而达到变磁通调速的目的。但由于励磁线圈发热和电动机磁饱和的限制，电动机的励磁电流If,和磁通量只能在低于其额定值的范围内调节，故只能弱磁调速。而对于调节电枢外加电阻Rad时，会使机械特性变软，导致电机带负载能力减弱。对于他励直流电机来说，当改变电枢电压时UN，分析人为机械特性方程式，得到人为特性曲线如图1-1。如图1-1所示。理想空载转速随电枢电压升降而发生相应的升降变化。不同电枢电压的机械特性曲线相互平行，说明硬度不随电枢电压的变化而改变，电机带负载能力恒定。当我们平滑调节他励直流电机电枢两端电压时，可实现电机的无级调速。基于以上特性，改变电枢电压，实现对直流电机速度调节的方法被广泛采用。改变电枢电压可通过多种途径实现，如晶闸管供电速度控制系统、大功率晶体管速度控制系统、直流发电机供电速度控制系统及晶体管直流脉宽调速系统等。图1-1直流电动机机械特性曲线 图1-2 电枢电压“占空比”与平均电压关系1.2 PWM基本原理及其实现方法1.2.1 PWM基本原理 PWM是通过控制固定电压的直流电源开关频率，从而改变负载两端的电压，进而达到控制要求的一种电压调整方法。PWM可以应用在许多方面，如电机调速、温度控制、压力控制等。在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。通过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”。在脉冲作用下，当电机通电时，速度增加；电机断电时，速度逐渐减少。只要按一定规律，改变通、断电的时间，即可让电机转速得到控制。设电机始终接通电源时，电机转速最大为Vmax,设占空比为D=t1/T，则电机的平均速度为: =* (1.2） 式中，Vd-电机的平均速度； Vmax-电机全通电时的速度（最大）； D=t1/T-占空比。 由公式1-2可见，当我们改变占空比时D=t1/T，就可以得到不同的电机平均速度 ，从而达到调速的目的。严格地讲，平均速度Vd与占空比D=t1/T并不是严格的线性关系，在一般的应用中，可以将其近似地看成线性关系.1.2.2 实现方法PWM信号的产生通常有两种方法：一种是软件的方法；另一种是硬件的方法。硬件方法的实现已有很多文章介绍，这里不做赘述。本文主要介绍利用单片机对PWM信号的软件实现方法。STC89C51单片机具有两个定时器T0和T1。通过控制定时器初值T0和T1，从而可以实现输出口输出不同占空比的脉冲波形。由于PWM信号软件实现的核心是单片机内部的定时器，而不同单片机的定时器具有不同的特点，即使是同一台单片机由于选用的晶振不同，选择的定时器工作方式不同，其定时器的定时初值与定时时间的关系也不同。因此，首先必须明确定时器的定时初值与定时时间的关系。如果单片机的时钟频率为f，定时器/计数器为N位，则定时器初值与定时时间的关系为： (1.3）式中，T- 定时器定时初值； N-一个机器周期的时钟数。N随着机型的不同而不同。在应用中应根据具体的机型给出相应的值。这样，我们可以通过设定不同的定时初 值 ，从而改变占空比D=t1/T，进而达到控制电机转速的目的。1.3 控制程序设计控制程序的设计有两种方法：软件延时法和计数法。软件延时法的基本思想是：首先求出占空比D=t1/T，再根据周期T分别给电机通电M个单位时间t0，所以M=t0/t1。然后，再断电M个单位时间，所以M=t2/t0 。改变M和M的值，从而也就改变了占空比D。计数法的基本思想是：当单位延时个数M求出之后，将其作为给定值存放在某存储单元中。在通电过程中，对通电单位时间t0的次数进行计数，并与存储器的内容进行比较。若不相等，则继续输出控制脉冲，直到计数值与给定值相等，使电机断电。软件采用定时中断进行设计。如图2-12所示，单片机上电后，系统进入准备状态。当按动按钮后，执行相应的程序，根据P2.6或P2.7输出的高电平决定直流电机的正反转。根据不同的加、减速按钮，调整P2.6或P2.7输出高低电平时的占空比，从而可以控制P2.6或P2.7输出高低电平时的延时时间，进而控制电压的大小来决定直流电机转速。1.4 研究背景随着社会的发展，各种智能化的产品日益走入寻常百姓家。为了实现产品的便携性、低成品以及对电源的限制，小型直流电机应用相当广泛。对直流电机的速度调节，我们可以采用多种办法，本文在给出直流电机调整和PWM实现方法的基础上，提供一种用单片机软件实现PWM调速的方法。1.5 论文研究的目的与意义1.5.1 目的 对基于STC89C51单片机实现直流电机调速系统进行研究和设计，能够在红外遥控器不同的按键作用下分别实现直流电机的停止、加速、减速、正转、反转控制；能够实现基于STC89C51系列单片机的直流电机PWM的调速设计。1.5.2 意义(1) 直流电动机有良好的起动、制动性能, 宜于在广范围内平滑调速, 至今在金属切削机床、造纸机等需要高性能可控电力拖动的领域中仍有广泛的应用。直流调速系统在不断发展, 尤其是近年来, 国内外各厂家竞相推出全数字直流调速装置, 使得直流调速系统在理论和实践方面都迈上了一个新的台阶。以往的直流调速装置是全模拟式设备。变电压调速是直流调速的主要方法, 常用晶闸管可控整流器做可控直流电源。这些旧设备急待更新改造。另外, 目前高等院校的电力拖动自动控制系统的实验教学, 还采用全模拟式的实验设备, 尚无适合于教学的全数字式直流调速实验装置, 有待于开发。(2) 本文研究的基于STC89C51单片机的直流电机PWM调速系统属于微机控制领域，通过对单片机的学习和研究对自己以后从事硬件产品的开发有一定的实际指导意义。(3) 将所学的知识理论和实践想结合，为以后再此基础上结合相关领域设计智能化产品和改进某些产品性能具有很好的实践意义。 第2章 系统硬件设计2.1 系统方案 本设计以STC89C51单片机为核心，以红外遥控器的5个按键作为输入达到控制直流电机的停止、加速、减速、正转、反转。在设计中，采用PWM技术对电机进行控制，通过对占空比的改变达到调速的目的。2.2设计要求 （1）能实现通过调节给定的电压对直流电机的速度及转向控制。 （2）通过按钮能实现直流电机的加速、减速、等变速及转向控制。2.3 功能简介直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，调速范围广；过载能力大，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速起动、停止和反转；能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求。电动机调速系统采用微机实现自动控制，是电气传动发展的主要方向之一。采用微机控制后，整个调速系统实现自动化，结构简单，可靠性高，操作维护方便，电动机稳态运转时转速精度可达到较高水平，静动态各项指标均能较好地满足工业生产中高性能电气传动的要求。由于单片机性能优越，具有较佳的性能价格比，所以单片机在工业过程及设备控制中得到日益广泛的应用。PWM调速系统与可控整流式调速系统相比有下列优点：由于PWM调速系统的开关频率较高，仅靠电枢电感的滤波作用就可获得平稳的直流电流，低速特性好：同样，由于开关频率高，快速响应特性好，动态抗干扰能力强，可以获得很宽的频带；开关器件只工作在开关状态，主电路损耗小，装置效率高。本文所介绍的系统就是一个采用典型的开环调速原理组成的单片机PWM调速系统。2.4 主要内容 采用单片机构成的直流电动机数字PWM调速系统,其控制核心主要由最小系统、电源模块、电机驱动电路、按键（加速、减速、停止、正转、反转）、直流电机组成。系统采用L298N芯片作为PWM驱动直流电动机的供电主回路。单片机通过软件处理输出PWM信号, 实现了直流电动机的速度控制,在运行中获得了良好的动静态性能。由于系统性价比高,结构简单,具有实用价值和推广价值。在介绍了基于单片机用PWM实现直流电机调整的基本方法，直流电机调速的相关知识，及PWM调整的基本原理和实现方法。重点介绍了基于STC89C51单片机的用软件产生PWM信号的途径，并介绍了一种独特的通过软件定时中断实现PWM信号占空比调节的方法。对于直流电机速度控制系统的实现提供了一种有效的途径。（1）键盘识别：通过P1口的低电平输入识别不同的按键。（2）通过对单片机程序实现对直流电机的停止、加速、减速、正转、反转 控制。（3）由于单片机的驱动能力不强，驱动直流电机需要很强的电流所以必须 有外围的驱动电路，因此本设计采用L298芯片放大单片机微弱的电流。 控制原理：以STC89C51单片机为核心的直流电机控制系统控制，由软件转换成PWM信号，并由P2.6、P2.7输出，经驱动电路输出给电机，从而控制电机得电与失电。软件采用定时中断进行设计。单片机上电后，系统进入准备状态。当按动启动按钮后，根据P2.6为高电平实现电机正转，P2.7为高电平时实现电机反转。根据不同的加减速按钮，调整P2.6/ P2.7输出高低电平时的预定值，从而可以控制P2.6/ P2.7输出高低电平时的占空比，进而控制电压的大小。控制程序应用于电机的加减速。在电动机驱动信号方面，我们采用了占空比可调的周期矩形信号控制。脉冲频率对电动机转速有影响，脉冲频率高连续性好，但带带负载能力差脉冲频率低则反之。经实验发现，脉冲频率在40Hz以上，电动机转动平稳，但加负载后，速度下降明显，低速时甚至会停转；脉冲频率在10Hz以下，电动机转动有明显跳动现象。实验证明，脉冲频率在15Hz-30Hz时效果最佳。而具体采用的频率可根据个别电动机性能在此范围内调节。通过 P2.6输入高电平信号P2.7输入低电平与P2.6输入低电平P2.7输入高电平信号分别实现电动机的正转与反转功能。通过对信号占空比的调整来对直流电机的转速进行调节。2.5 电机调速控制模块2.5.1 方案选择方案一：采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速的目的。但是电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵。更主要的问题在于一般电动机的电阻很小，但电流很大；分压不仅会降低效率，而且实现很困难。方案二：采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对电机的速度进行调整。这个方案的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间慢、机械结构易损坏、寿命较短、可靠性不高。方案三：采用驱动芯片L298N驱动直流电机，L298N具有驱动能力强，外围电路简单等优点，因此我们采用方案三。2.5.2 PWM调速工作方式方案一：双极性工作制。双极性工作制是在一个脉冲周期内，单片机两控制口各输出一个控制信号，两信号高低电平相反，两信号的高电平时差决定电动机的转向和转速。方案二：单极性工作制。单极性工作制是单片机控制口一端置低电平，另一端输出PWM信号，两口的输出切换和对PWM的占空比调节决定电动机的转向和转速。由于单极性工作制电压波开中的交流成分比双极性工作制的小，其电流的最大波动也比双极性工作制的小，所以我们采用了单极性工作制。2.5.3 PWM调脉宽方式调脉宽的方式有三种：定频调宽、定宽调频和调宽调频。我们采用了定频调宽方式，因为采用这种方式，电动机在运转时比较稳定；并且在采用单片机产生PWM脉冲的软件实现上比较方便。2.5.4 PWM软件实现方式 方案一：采用软件延时方式，在引入中断之后，将有一定的误差。 方案二：采用定时器作为脉宽控制的定时方式，这一方式产生的脉冲宽度 极其精确，误差只在几个us，综合考虑我们采用方案二。2.6 系统分析与硬件设计 键盘向单片机输入相应控制指令，由单片机通过P2.6与P2.7其中一口输出与转速相应的PWM脉冲，另一口输出低电平，经过信号放大、驱动电动机控制电路，实现电动机转向与转速的控制，电动机正转，反转，加速，减速、停止。总体设计方案的硬件部分详细框图如图2-1所示：图2-1 系统硬件框图2.6.1单片机最小系统的设计 单片机最小系统：所谓最小系统就是指由单片机和一些基本的外围电路所组成的一个可以工作的单片机系统。一般来说，它包括单片机，晶振电路和复位电路。设计部分分析：1、单片机STC89C51 STC89C51内有8位的CPU、4K的ROM程序存贮器，128个字节RAM数据存贮器，4个8位并行口，2个16位定时器T0和T1，一个异步串行口UART。STC89C51是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。使用高密度非易失性存储器技术制造。另外，STC89C51可降至0HZ静态逻辑操作，支持两种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切停止工作，直到下一个中断或硬件复位为止。根据不同场合的要求，这款单片机提供了多种封装，本次设计根据最小系统有时需要更换单片机的具体情况，使用双列直插PDIP-40的封装。2、 复位电路及时钟电路复位电路和时钟电路是维持单片机最小系统运行的基本模块。复位电路通常分为两种：上电复位和手动复位。 图2-3 上电复位 图2-4 手动复位有时系统在运行过程中出现程序跑飞的情况，在程序开发过程中，经常需要手动复位。所以本次设计选用手动复位。高频率的时钟有利于程序更快的运行，也有可以实现更高的信号采样率，从而实现更多的功能。但是告诉对系统要求较高，而且功耗大，运行环境苛刻。考虑到单片机本身用在控制，并非高速信号采样处理，所以选取合适的频率即可。合适频率的晶振对于选频信号强度准确度都有好处，本次设计选取12.000M无源晶振接入XTAL1和XTAL2引脚。并联2个30pF陶瓷电容帮助起振。2.6.2电源电路设计 直流稳压电源的基本原理：直流稳压电源一般有电源变压器T、整流滤波电路及稳压电路所组成，基本框图如下：图2-5 直流电源原理各部分作用：(1)电源变压器T的作用是将220V的交流电压变换成整流滤波电路所需要的交流电压Ui。变压器副边与原边的功率比为P2/P1=n，式中n是变压器的效率。(2)整流电路：整流电路将交流电压Ui变换成脉动的直流电压。再经滤波电路滤除较大的波纹成分，输出波纹较小的直流电压U1。常用的整流滤波电路有全波整流滤波、桥式整流滤波等。图2-6 整流电路（3）滤波电路：各滤波电路C满足RL-C=（3-5）T/2，式中T为输入交流信号周期，RL为整流滤波电路的等效负载电阻。图2-7 滤波电路(4) 稳压电路:常用的稳压电路有两种形式：一是稳压管稳压电路，二是串联型稳压电路。二者的工作原理有所不同。稳压管稳压电路其工作原理是利用稳压管两端的电压稍有变化，会引起其电流有较大变化这一特点，通过调节与稳压管串联的限流电阻上的压降来达到稳定输出电压的目的。它一般适用于负载电流变化较小的场合。串联型稳压电路是利用电压串联负反馈的原理来调节输出电压的。集成稳压电源事实上是串联稳压电源的集成化。常用稳压电路归纳如下表2-1：表2-1电路名称典型电路输出电压及有关参数特点与用途稳压管稳定电压电路简单，适用于输出电压恒定，负载电流变化小的场合，常用作基准电源可调稳压电源U0电路引入电压串联负反馈，使输出电压更稳定且可调， 可获得负电源串联型稳压电路U0电路较复杂，输出电压可调，输出电流较大，应用范围广集成稳压电源系列为正电源系列为负电源输出电压固定，为5V，9V，12V，15V，18V等，可根据需要选用电路简单，输出电压固定本次设计采用7805芯片产生+5V电压。电路如图2-8：图2-8 5V直流电源电路图2.6.3 直流电机驱动电路设计由于单片机P3口输出的电压最高才有5V，难以直接驱动直流电机。所以我们需要使用恒压恒流桥式2A驱动芯片L298N来驱动电机。L298N可接受标准TTL逻辑电平信号VSS，VSS可接4.57V电压。4脚VS接电源电压，VS电压范围VIH为2.546V。输出电流可达2.5A，可驱动电感性负载。1脚和15脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻，形成电流传感信号。L298可驱动2个电动机，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之间可分别接电动机，本实验装置我们选用驱动一台电动机。5，7，10，12脚接输入控制电平，控制电机的正反转。EnA，EnB接控制使能端，控制电机的停转。同时需要加四个二极管在电机的两端，防止电机反转的时候产生强大的冲击电流烧坏电机。具体驱动电路如下图2-9： 图2-9 直流电机驱动电路2.7 红外遥控电路设计2.7.1 红外系统方框图（1） 发射端电路：由单片机系统、红外发射电路及红外遥控按键，电源电路等组成。其设计原理图如下：图2-10 遥控器方框图（2）红外接收端电路： 由单片机系统、红外发射电路、以及按键电路、电源电 路、控制单元等组成。其设计原理图如下： 图2-11 红外接收端方框图2.7.2 系统功能需求本遥控系统要求用单片机作为控制芯片制作一个遥控器，使一个单片机系统能被遥控操作。本系统要求遥控器能够实现直流电机的启停、加速、减速、正转、反转功能。用STC89C51来作主芯片控制，采用红外接收头，具有红外遥控功能。2.7.3 红外发射电路本遥控发射器采用码分制遥控方式，码分制红外遥控就是指令信号产生电路以不同的脉冲编码（不同的脉冲数目及组合）代表不同的控制指令。在确定选择STC89C51作为本设计发射电路核心芯片和点触式开关作为控制键后，加上一个简单红外发射电路和12M晶体振荡器便可实现红外发射。发射部分的主要元件为红外发光二极管。它实际上是一只特殊的发光二极管，由于其内部材料不同于普通发光二极管，因而在其两端施加一定电压时，它发出的便是红外线而不是可见光。目前大量使用的红外发光二极管发出的红外线波长为940nm左右，外形与普通二极管相同，只是颜色不同。遥控发射通过遥控器键盘，每按下一个键，即产生具有不同的编码数字脉冲，这种代码指令信号调制在40KHZ的载波上，激励红外发光二极管产生不同的脉冲，通过空间的传送到受控机得遥控接收器。电路图如图所示： 图2-12 红外发射电路2.7.4 红外检测接收电路 在接收过程中，脉冲通过光学滤波器和红外二极管转换为40KHZ的电信号，此信号经过放大，检波，整形，解调，送到解码与接口电路，从而完成相应的遥控功能。接收电路如图 通常，红外遥控器将遥控信号（二进制脉冲码）调制在40KHZ的载波上，经缓冲放大后送至红外发光二极管，产生红外信号发射出去。将上述的遥控编码脉冲对频率为40KHZ的载波信号进行脉幅调制（PAM),再经缓冲放大后送到红外发光管，将遥控信号发射出去。 根据遥控信号编码和发射过程，遥控信号的识别即解码过程是去除40KHZ载波信号后识别出二进制脉冲码中的0和1。由ST89C51单片机、一体化红外接收头、还原调制和红外发光管驱动电路组成。 接收部分主要元件是红外接收管，它是一种光敏二极管（实际上是三极管，基极为感光部分）。在实际应用中要给红外接收二极管加反向偏压，它才能正常工作，亦即红外接收二极管在电路中应用时是反向运用，这样才能获得较高的灵敏度。 图2-13 红外接收电路2.7.5 键盘设计单片机系统所用的键盘有编码键盘和非编码键盘两种。编码键盘本身除了按键之外，还包括产生键码的硬件电路。只要按下编码键盘的某一个键，它就能产生这个键的代码，并称为键码，与此同时还产生一个脉冲信号，以通知CPU接收键码，编码键盘的优点是使用比较方便，亦不需要编写太复杂的程序。其缺点是使用的硬件较复杂。非编码键盘的按键是排列成行、列矩阵形式的。按键的作用只是简单的实现接点的接通或断开。因此必须有一套相应的程序与之配合，才能产生相应的键码，非编码键盘几乎不需要附加什么硬件电路。因此为了简洁电路。我使用非编码键盘。但使用非编码键盘需要通过软件来解决按键的识别、防抖动以及如何产生键码的问题。2.8 设计所需部分器件变压器、单片机STC89C51、直流电机驱动芯片L298N、12MHZ晶振、7805、四位共阳数码管、电容、电阻、红外遥控器、直流电动机等。2.9 技术路线 P2.6/P2.7脉冲宽度调制器(PWM) 通道,它们产生可由编程决定宽度和间隔的脉冲。脉冲的间隔周期是由一个for循环控制,来产生不同的占空比。单片机产生的PWM信号不能直接驱动电机,这就需要设计合适的驱动电路。我们可借助于恒压恒流桥式2A驱动芯片L298N来完成对电动机的驱动。具体的设计方法是通过Keil C编程，Proteus联合仿真来实现的。Proteus是一种低投资的电子设计自动化软件，提供Schematic Drawing，SPICE仿真与PCB设计功能，这一点proteus 与 multisim比较类似，只不过它可以仿真单片机和周边设备，可以仿真51系列、AVR，PIC等常用的MCU，与keil和MPLAB不同的是它还提供了周边设备的仿真，只要给出电路图就可以仿真，例如373，led，示波器，Proteus提供了大量的元件库有RAM，ROM，键盘，马达，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件，编译方面支持Keil和MPLAB，里面有大量的例子参考. Proteus可提供的仿真元件资源Proteus软件提供了可仿真数字和模拟、交流和直流等数千种元器件和多达30多个元件库。 Proteus可提供的仿真仪表资源虚拟仪器仪表的数量、类型和质量，是衡量仿真软件实验室是否合格的一个关键因素。在Proteus软件中，理论上同一种仪器可以在一个电路中随意的调用。除了现实存在的仪器外，Proteus还提供了一个图形显示功能，可以将线路上变化的信号，以图形的方式实时地显示出来，其作用与示波器相似但功能更多。这些虚拟仪器仪表具有理想的参数指标，例如极高的输入阻抗、极低的输出阻抗。这些都尽可能减少了仪器对测量结果的影响。Proteus可提供的调试手段 Proteus提供了比较丰富的测试信号用于电路的测试。这些测试信号包括模拟信号和数字信号。Keil是德国开发的一个51单片机开发软件平台，最开始只是一个支持C语言和汇编语言的编译器软件。后来随着开发人员的不断努力以及版本的不断升级，使它已经成为了一个重要的单片机开发平台，不过KEIL的界面并不是非常复杂，操作也不是非常困难，很多工程师的开发的优秀程序都是在KEIL的平台上编写出来的。可以说它是一个比较重要的软件，熟悉他的人很多很多，用户群极为庞大，要远远超过伟福等厂家软件用户群，操作有不懂的地方只要找相关的书看看，到相关的单片机技术论坛问问，很快就可以掌握它的基本使用了。2.10 应用软件的编制、调试使用Keil 软件工具时，项目开发流程和其它软件开发项目的流程极其相似。(1) 创建一个项目，从器件库中选择目标器件，配置工具设置。(2) 用C语言或汇编语言创建源程序。(3) 用项目管理器生成应用。(4) 修改源程序中的错误。(5) 测试，连接应用。第3章 系统软件的设计3.1 电机控制系统程序的总体设计 利用P2口，编制程序输出一串脉冲，经放大后驱动直流电机，改变输出脉冲的电平的持续时间，达到使电机正转、反转、加速、减速、停转等目的。由软件编程从P2.6/P2.7管脚产生PWM信号，经驱动电路输出给电机，从而控制电机得电与失电。软件采用延时法进行设计。单片机上电后，系统进入准备状态。当按动启动按钮后，根据P2.6为高电平时实现电机正转，P2.7为高电平时实现电机反转。根据不同的加减速按钮，调整P2.6/ P2.7输出高低电平时的占空比，从而可以控制P2.6/ P2.7输出高低电平时的有效值，进而控制电机的加减速。其总体流程图如图3-1示：图3-1 总体程序流程图3.2 红外遥控器的程序设计3.2.1 遥控码的发射（1）遥控码的发射当某个操作按键按下时，单片机先读出键值，然后根据键值设定遥控码得脉冲个数，再调制成40KHZ方波由红外线发光管发射出去。通常，红外遥控是将遥控信号（二进制脉冲码）调调制在40KHZ的载波上，经缓冲放大后送至红外发光二极管，转化为红外信号发射出去的。为了提高抗干扰性能和降低电源消耗，将上述的遥控编码脉冲对频率为40KHZ（周期为26us）的载波信号进行脉幅调制（PAM），再经缓冲放大后送到红外发光管，将遥控信号发射出去。红外信号发射过程：首先装入发射脉冲个数（发射时为3ms脉冲，停发时为1ms脉冲），此时若发射脉冲个数为1则返回主程序，若不为1则发1ms脉冲，然后停发1ms脉冲，这样结束整个发射过程。在实践中，采用红外线遥控时，由于受遥控距离、角度等影响，使用效果不是很好，如采用调频或调幅发射接收码，可提高遥控距离，并且没有角度影响。（2) 发射端程序流程图图3-2 遥控发射主程序流程图图3-3 遥控发射器遥控码发射程序流程图3.2.2 红外接收 遥控接收部分的主程序及初始化及延时过程如下：首先初始化，然后判断是否有按键按下，若有，则发送相应信号；若无按键按下，则返回。（1） 接收端程序流程图图3-4 遥控接收器主程序流程图（2） 中断过程：首先判断低电平脉宽是否大于2ms，若脉宽不到2ms，则中断返回；若低电平大于2ms，则接收并对低电平脉冲计数，接下来看判断高电平买宽度是否大于3ms，若脉宽不到3ms，则返回上一接收计数过程；若高电平脉宽大于3ms，则按照脉冲个数至对应功能程序，此时中断返回。图3-5 遥控接收器中断程序流程图3.2.3 调速单元调速原理：脉宽调制技术是利用数字输出对模拟电路进行控制的一种有效技术，尤其是在对电机的转速控制方面，可大大节省能量，PWM控制技术的理论为基础（冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形）。第4章 系统的功能调试 4.1直流电机的调速功能仿真图形初始状态，直流电机有如图示4-1运行效果。图4-1 电机半速运转按下急停键，直流电机有图4-2的停止运行结果。图4-2 电机停转按下加速键，直流电机有图4-3的正向加速运行结果。图4-3 电机正转加速按下减速键，直流电机有图4-4正向减速运行结果。 图4-4 电机正转减速按下反转键，直流电机有图4-5反向加速运行结果。 图4-5 电机反转加速4.2 系统的电路原理图图4-6 电源电路图4-7 直流电机系统电路 总结和体会经过将近几个月的努力，终于完成了毕业设计。在 Protuse和Keil c中仿真了出来，同时也做出了实物，基本上实现了直流电机的停止、加速、减速以及转向控制。个人感觉其中还有许多不够完善的地方，例如：对红外遥控器控制时加速和减速控制不能连续进行，另外，电机驱动电路的设计也不是很成熟。此次毕业设计并不奢望做的非常完美，但一定要对已学过的各种电子知识能有一定的运用能力。毕业设计是每个大学生必须面临的一项综合素质的考验，如果说在过去三年里，我们的学习是一个知识的积累过程，那么现在的毕业设计就是对过去所学的知识的综合应用，是对理论进行深化和重新认识的实践活动。在这近两个月的毕业设计中，我们有艰辛的付出，也有了收获。知识固然得到了巩固和提高，但我相信在实践中的切身体会将会使我在以后的工作和学习中终身受用。做毕业设计的目的不仅是为了完成学习任务，同时也能检查下对所学知识的运用能力，并且开始慢慢走上创造的道路。通过此次毕业设计，我们的学习能力和解决问题的信心都得到了提高。在毕业设计的过程中，遇到了很多困难，但是在查阅了很多有关书籍和向同学请教后终于解决了。通过这次毕业设计，我不仅对理论有了更深一步的认识，还培养了自学能力和解决问题的能力，更重要的是，培养了克服困难的勇气和信心。参考文献1 顾绳谷.电机及拖动基础M，北京：机械工业出版社，2007.2 杨斌文，梅英，徐宇明.并励直流电动机的机械特性分析(英文)J，湖南文 理学院学报(自然科学版)，2006，Vol.18，NO.2：60-61,68.3 王鉴光.电动机控制系统M，北京：北京机械工业出版社，1994.4 王小明.电动机的单片机控制M，北京：北京航空航天大学出版社，2002.5 张琛.直流无刷电动机原理及应用M，北京：北京机械工业出版社，1996.6 袁淑芬.实现直流无刷电动机调速控制的一种新型方法J，长春理工大学学 报，2009，Vol.25，NO.1：113-115.7 吴宝启，张元伟，刘阳.基于单片机的无刷直流电机控制方案设计J，煤矿 现代化，2009，Vol.16，NO.6：74.8 刘小春，首珩.无刷直流电动机的单片机控制J，自动化技术与应用，2009， Vol.21，NO.3：129-131. 9 周兴华.用单片机控制直流电机变速J，电子制作，2006，Vol.34，NO.6： 34-