直流电机PWM调速系统参考论文

毕业论文 基于 51 单片机的直流电机 PWM 调速控制系统设计 所 在 学 院 专 业 名 称 年 级 学 生 姓 名 学号 指导教师姓名 职称 完 成 日 期 摘要 I 摘 要 本文主要研究了利用 MCS 51 系列单片机控制 PWM 信号从而实现对直流电 机转速进行控制的方法 本文中采用了三极管组成了 PWM 信号的驱动系统 并 且对 PWM 信号的原理 产生方法以及如何通过软件编程对 PWM 信号占空比进 行调节 从而控制其输入信号波形等均作了详细的阐述 另外 本系统中使用了 霍尔元件对直流电机的转速进行测量 经过处理后 将测量值送到液晶显示出来 关键词 PWM信号 霍尔元件 液晶显示 直流电动机 目录 III 目录目录 目录 III 1 引言 1 1 1 课题背景 1 1 1 2 开发背景 1 1 1 3 选题意义 2 1 2 研究方法及调速原理 2 1 2 1 直流调速系统实现方式 4 1 2 2 控制程序的设计 5 2 系统硬件电路的设计 6 2 1 系统总体设计框图及单片机系统的设计 6 2 2 STC89C51 单片机简介 6 2 2 1 STC89C51 单片机的组成 6 2 2 2 CPU 及部分部件的作用和功能 7 2 2 3 STC89C51 单片机引脚图 8 2 2 4 STC89C51 引脚功能 8 3 PWM 信号发生电路设计 11 3 1 PWM 的基本原理 11 3 2 系统的硬件电路设计与分析 11 3 3 H 桥的驱动电路设计方案 12 5 主电路设计 14 5 1 单片机最小系统 14 5 2 液晶电路 14 5 2 1 LCD 1602 功能介绍 15 5 2 2 LCD 1602 性能参数 16 5 2 3 LCD 1602 与单片机连接 18 5 2 4 LCD 1602 的显示与控制命令 19 5 3 按键电路 20 5 4 霍尔元件电路 21 目录 IV 5 4 1 A3144 霍尔开关的工作原理及应用说明 22 5 4 2 霍尔传感器测量原理 23 6 系统功能调试 24 总结 25 致谢 26 参考文献 27 本科毕业论文 1 1 引言 1 1 课题背景 1 1 2 开发背景 在现代电子产品中 自动控制系统 电子仪器设备 家用电器 电子玩具等 等方面 直流电机都得到了广泛的应用 大家熟悉的录音机 电唱机 录相机 电子计算机等 都不能缺少直流电机 所以直流电机的控制是一门很实用的技术 直流电机 大体上可分为四类 几相绕组的步进电机 永磁式换流器直流电机 伺服电机 两相低电压交流电机 直流电机的特点是启动转矩大 最大转矩大 转速控制容易 调速后效率很 高 与交流调速相比 直流电机结构复杂 生产成本高 维护工作量大 随着大 功率晶体管的问世以及矢量控制技术的成熟 使得矢量控制变频技术获得迅猛发 展 从而研制出各种类型 各种功率的变频调速装置 并在工业上得到广泛应用 适用范围 直流调速器可以应用在造纸印刷 纺织印染 光缆设备 电工技术设 备 食品加工机械 橡胶加工机械 生物制药设备 电路板设备 实验器材 特种加工 轻工业 输送设备 车辆工程 医疗设备 通讯设备 雷达设备 等 行业中 高性能的交流传动应用比重逐年上升 在工业部门中 用可调速交流传 动取代直流传动将成为历史的必然 尽管如此 我认为设计一个直流电机调速系统 不论是从学习还是实践的角 度 对一名机电工程专业的大学生都会产生积极地作用 有利于提高学习热情 本科毕业论文 2 1 1 3 选题意义 直流电机拥有有良好的起制动性能 可应用于在大范围内的平滑调速 也可 广泛的应用于许多需要调速或正反向的电力拖动领域中 在控制角度来看 直流 调速更是交流拖动系统的基础 早期的控制系统较大部分以模拟电路作为基础 有运算放大器 非线性集成电路和少量数字电路等 控制系统的硬件部分功能比 较复杂 功能比较单一 而且软件系统不灵活 不好调试 不利于直流电动机调 速技术发展和应用范围 伴随着单片机控制技术的快速发展 使得许多控制功能 算法以及软件得以完成 为直流电动机调速控制提供了更大的发展空间 并使系 统达到更高的性能 采用单片机构成控制系统 可以节约人力资源和降低系统成 本 从而有效的提高工作效率 传统的控制系统采用模拟元件 虽然满足了生产要求 但由于元件易老化和 使用时容易受到干扰影响 并且线路很复杂 控制效果受到器件性能 温度等因 素的影响 故系统的运行可靠性及准确性得不到保证 甚至出现事故 目前 直流电动机调速系统数字化已经走向实用化 伴随着电子技术的高度 发展 促使直流电机调速逐步从模拟化向数字化转变 特别是单片机技术的应用 使直流电机调速技术又进入到一个新的阶段 智能化 高可靠性已成为它发展的 趋势 因此实现直流无级调速对我们社会生产和生活有着重大的意义 1 2 研究方法及调速原理 直流电动机根据励磁方式不同 分为自励和他励两种类型 不同励磁方式的 机械特性曲线有所不同 对于直流电动机的转速有以下公式 本科毕业论文 3 n U Cc TR内 CrCc 公式 1 1 其中 U 电压 励磁绕组电阻 R内 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分两种方法 有电枢控制法和磁场控制法 比较两种方法优劣 对于磁场控制法 其控制功率较小 低速传动时易受到磁极 饱和限制 而高速传动时又受到换向火花和换向器结构限制 所以磁场控制法并 不合适 电枢控制法在电机调速中是比较常用的方法 直流电动机的基本结构直 流电机的结构是多种多样的 但任何直流电机都包括定子部分和转子 部分 这两 部分间存在着一定大小的气隙 使电机中电路和磁场发生相对运 动 直流电机定 子部分主要由主磁极 电刷装置和换向极等组成 转子部分 主要由电枢绕组 换向 器和转轴等构成 如图 1 1 所示 图 1 1 直流电机的工作原理图 电枢控制即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 在电机调速中广泛使用 其中脉宽调制应用广泛 脉宽调速 的概念是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 本科毕业论文 4 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 根据上图 当电动机始终接通电源时 电机转速最大为 占空比为 max V D T 则电机的平均速度为 可见只要改变占空比 D 就可以得 1 t Dmax V V D 到不同的电机速度 从而实现调速 1 2 1 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 系统中占空比是一个重要参数 电源电压不变时 电枢端电压的平均值取决于占 空比的大小 改变的值可以改变电枢端电压的平均值 1 定宽调频法 保持不变 只改变 t 使周期也随之改变 1 t 2 调宽调频法 保持 t 不变 只改变 使周期或频率也随之改变 1 t 3 定频调宽法 保持周期 T 或频率 不变 同时改变和 t 1 t 1 2 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 因而不合适 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 本科毕业论文 5 1 2 2 控制程序的设计 软件采用定时中断进行设计 当单片机上电后 系统进入准备状态 当按动 按钮后执行相应的程序 根据 P1 1 的高低电平决定直流电机正反转 根据加 减速按钮 调整 P1 1 输出高低电平的占空比 从而可以控制高低电平的延时时 间 进而控制电压的大小来决定直流电机的转速 本科毕业论文 6 2 系统硬件电路的设计 2 1 系统总体设计框图及单片机系统的设计 本系统采用 STC89C51 控制输出数据 由单片机 IO 口产生 PWM 信号 送到直 流电机 直流电机通过测速电路将实时转速送回单片机 进行转速显示 从而实 现对电机速度和转向的控制 达到直流电机调速的目的 图 2 1 系统总体设计图 2 2 STC89C51 单片机简介 2 2 1 STC89C51 单片机的组成 STC89C51 单片机由 CPU 和 8 个部件组成 它们都通过片内单一总线连接 其 基本结构依然是通用 CPU 加上外围芯片的结构模式 但在功能单元的控制上采用 了特殊功能寄存器的集中控制方法 其基本组成如下图所示 主控芯片 驱动电路 直流 电机 霍尔元 件 液晶显示 键盘电路 本科毕业论文 7 2 2 2 CPU 及部分部件的作用和功能 中央处理器 CPU 它是单片机的核心 完成运算和控制功能 内部数据存储器 STC89C51 芯片中共有 256 个 RAM 单元 能作为存储器使用 的只是前 128 个单元 其地址为 00H 7FH 通常说的内部数据存储器就是指这前 128 个单元 简称内部 RAM 内部程序存储器 STC89C51 芯片内部共有 4K 个单元 用于存储程序 原始 数据或表格 简称内部 ROM 定时器 STC89C51 片内有 2 个 16 位的定时器 用来实现定时或者计数功能 并且以其定时或计数结果对计算机进行控制 中断控制系统 该芯片共有 5 个中断源 即外部中断 2 个 定时 计数中断 2 个和串行中断 1 个 本科毕业论文 8 2 2 3 STC89C51 单片机引脚图 2 2 4 STC89C51 引脚功能 VCC 供电电压 GND 接地 P0 口 P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I O 口 每脚可吸收 8TTL 门电流 当 P1 口的管 脚第一次写 1 时 被定义为高阻输入 P0 能够用于外部程序数据存储器 它可以被定义为数 据 地址的第八位 在 FIASH 编程时 P0 口作为原码输入口 当 FIASH 进行校验时 P0 输 出原码 此时 P0 外部必须被拉高 P1 口 P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P1 口缓冲器能接收输出 4TTL 门电流 P1 口管脚写入 1 后 被内部上拉为高 可用作输入 P1 口被外部下拉为低电 平时 将输出电流 这是由于内部上拉的缘故 在 FLASH 编程和校验时 P1 口作为第八位 地址接收 P2 口 P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P2 口缓冲器可接收 输出 4 个 TTL 门电流 当 P2 口被写 1 时 其管脚被内部上拉电阻拉高 且作为输入 并因此作为 输入时 P2 口的管脚被外部拉低 将输出电流 这是由于内部上拉的缘故 P2 口当用于外 部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存取时 P2 口输出地址的高八位 在给出地 本科毕业论文 9 址 1 时 它利用内部上拉优势 当对外部八位地址数据存储器进行读写时 P2 口输出其 特殊功能寄存器的内容 P2 口在 FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号 P3 口 P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I O 口 可接收输出 4 个 TTL 门电流 当 P3 口写入 1 后 它们被内部上拉为高电平 并用作输入 作为输入 由于外部下拉为 低电平 P3 口将输出电流 ILL 这是由于上拉的缘故 P3 0 RXD 串行输入口 P3 1 TXD 串行输出口 P3 2 INT0 外部中断 0 P3 3 INT1 外部中断 1 P3 4 T0 记时器 0 外部输入 P3 5 T1 记时器 1 外部输入 P3 6 WR 外部数据存储器写选通 P3 7 RD 外部数据存储器读选通 P3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号 I O 口作为输入口时有两种工作方式 即所谓的读端口与读引脚 读端口时实际上并不 从外部读入数据 而是把端口锁存器的内容读入到内部总线 经过某种运算或变换后再写回 到端口锁存器 只有读端口时才真正地把外部的数据读入到内部总线 上面图中的两个三角 形表示的就是输入缓冲器 CPU 将根据不同的指令分别发出读端口或读引脚信号以完成不同的 操作 这是由硬件自动完成的 不需要我们操心 1 然后再实行读引脚操作 否则就可能读 入出错 为什么看上面的图 如果不对端口置 1 端口锁存器原来的状态有可能为 0Q 端为 0Q 为 1 加到场效应管栅极的信号为 1 该场效应管就导通对地呈现低阻抗 此时即使引脚上 输入的信号为 1 也会因端口的低阻抗而使信号变低使得外加的 1 信号读入后不一定是 1 若 先执行置 1 操作 则可以使场效应管截止引脚信号直接加到三态缓冲器中实现正确的读入 由于在输入操作时还必须附加一个准备动作 所以这类 I O 口被称为准双向口 89C51 的 P0 P1 P2 P3 口作为输入时都是准双向口 RST 复位输入 当振荡器复位器件时 要保持 RST 脚两个机器周期的高电平时间 ALE PROG 当访问外部存储器时 地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节 在 FLASH 编程期间 此引脚用于输入编程脉冲 在平时 ALE 端以不变的频率周期输出正 脉冲信号 此频率为振荡器频率的 1 6 因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的 然而要注意的是 每当用作外部数据存储器时 将跳过一个 ALE 脉冲 如想禁止 ALE 的输 本科毕业论文 10 出可在 SFR8EH 地址上置 0 此时 ALE 只有在执行 MOVX MOVC 指令是 ALE 才起作 用 另外 该引脚被略微拉高 如果微处理器在外部执行状态 ALE 禁止 置位无效 PSEN 外部程序存储器的选通信号 在由外部程序存储器取指期间 每个机器周期两 次 PSEN 有效 但在访问外部数据存储器时 这两次有效的 PSEN 信号将不出现 EA VPP 当 EA 保持低电平时 则在此期间外部程序存储器 0000H FFFFH 不管是 否有内部程序存储器 注意加密方式 1 时 EA 将内部锁定为 RESET 当 EA 端保持高电平 时 此间内部程序存储器 在 FLASH 编程期间 此引脚也用于施加 12V 编程电源 VPP XTAL1 反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入 XTAL2 来自反向振荡器的输出 本科毕业论文 11 3 PWM 信号发生电路设计 3 1 PWM 的基本原理 调速采用 PWM Pulse Width Modulation 脉宽调制 工作原理 通过产生 矩形波 改变占空比 以达到调整脉宽的目的 PWM 的定义 脉宽调制 PWM 是利 用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术 广泛应用 在从测量 通信到功率控制与变换的许多领域中 模拟信号的值可以连续变化 其时间和幅度的分辨率都没有限制 3 2 系统的硬件电路设计与分析 电动机 PWM 驱动模块的电路采用 H 桥驱动 设计与实现具体电路见下图 本电路采用的是基于 PWM 原理的驱动电路 M1D J V CC b ce Q 3 S8050 b ce Q 6 S8050 b ce Q 4 S8550 b ce Q 5 S8550 R4 1K R5 1K D 1 4148 D 2 4148 D 3 4148 D 4 4148 R1 1K R2 1K b ce Q 1 S8050 b ce Q 2 S8050 V CC P34 P37 C4 104 本科毕业论文 12 PWM 电路由复合体管组成 两个输入端高低电平控制晶体管是否导通或截 止 NPN 的三极管高电平输入时导通 PNP 的三极管低电平输入时导通 当 Q1 和 Q2 都导通时 Q3 和 Q6 截止 Q4 和 Q5 导通 电机两端都是 GND 电机 是不转的 当 Q1 和 Q2 都截止时 Q3 和 Q6 导通 Q4 和 Q5 截止 电机两端都 是 VCC 电机也是不转的 那么 当 Q1 导通 Q2 截止时 Q4 和 Q6 导通 电 机右边是电源 左边是地 电机逆时针转动 此时保持 Q2 截止 PWM 控制 Q1 的导通截止 就可以控制电机的速度 同理 当 Q1 截止 Q2 导通时 Q3 和 Q5 导通 电机的左边是电源 右边是地 电机顺时针转动 此时保持 Q1 截 止 PWM 控制 Q2 的导通截止就可以控制电机的转速 4 个二极管在电路中的 作用是防止晶体管产生不当反向电压 以及电机两端电流和晶体管上的电流 过大保护 3 3 H 桥的驱动电路设计方案 H 桥式电动机驱动电路包括 4 个三极管和一个电机 因为它的形状与字母 H 相似 故因此而得名 如下图 所示 要使电动机成功运转 须对对角线上的一 对三极管通电 据不同的三极管对的导通通电的情况 电流会从右至左或相反方 向流过电机 从而改变电机的转动方向 本科毕业论文 13 因此要想使电动机运转 必须使对角线上两个三极管通电 例如 当 Q2 管 与 Q3 管导通时 电流 从电源正极经 Q2 从左到右通过电机 再经 Q3 到电源的负 极 同样 Q1 与 Q4 亦是如此 由电流箭头可看 驱动电动机将顺时针转动 本科毕业论文 14 5 主电路设计 5 1 单片机最小系统 5 2 液晶电路 液晶部分的电路图如下图所示 GND 1 VCC 2 V0 3 RS 4 R W 5 EN 6 D0 7 D1 8 D2 9 D3 10 D4 11 D5 12 D6 13 D7 14 A 15 K 16 U 3LCD 1602 R6 10K R7 1K D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 RS EN V CC V CC V CC RW 在本毕业设计中 波形的显示是采用简单的液晶 LCD 1602 显示屏 P1 0 1 P1 1 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 RST 9 P3 0 RXD 10 P3 1 TXD 11 P3 2 INT0 12 P3 3 INT1 13 P3 4 T0 14 P3 5 T1 15 P3 6 WR 16 P3 7 RD 17 XTAL2 18 XTAL1 19 GND 20 A8 P2 0 21 A9 P2 1 22 A10 P2 2 23 A11 P2 3 24 A12 P2 4 25 A13 P2 5 26 A14 P2 6 27 A15 P2 7 28 PSEN 29 ALE PROG 30 EA VPP 31 AD7 P0 7 32 AD6 P0 6 33 AD5 P0 5 34 AD4 P0 4 35 AD3 P0 3 36 AD2 P0 2 37 AD1 P0 1 38 AD0 P0 0 39 VCC 40 89C52 Y1 11 0592MHz C2 30 C330 R7 10K VCC C1 10uF 12 34 K0 RESET VCC 本科毕业论文 15 LCD Liquid Crystal Display 是液晶显示器英文名称的缩写 液晶显示器是一种被动式 的显示器 即液晶本身并不发光 而是利用液晶经过处理后能改变光线通过方向的特性 达 到白底黑字或黑底白字显示的目的 液晶显示器具有功耗低 抗干扰能力强等优点 5 2 1 LCD 1602 功能介绍功能介绍 LCD 1602 也被称作 1602 字符型液晶 它是一种专门用来显示字母 数字 符号等的点 阵型液晶模块 它有若干个或者等点阵字符位组成 每个点阵字符位都可以显示75 115 一个字符 每位之间有一个点距的间隔 每行之间也有也有间隔 这样则起到了字符间距和 行间距的作用 也正因为如此 它不能显示图形 LCD 1602 是指显示的内容为 即可以显示两行 每行 16 个字符液晶模块 显示216 字符和数字 LCD 1602 实物图如图 3 4 所示 LCD 1602 引脚图如图 3 5 所示 图 3 4 LCD 1602 实物图 本科毕业论文 16 图 3 5 LCD 1602 引脚图 目前市面上字符液晶绝大多数是基于 HD44780 液晶芯片的 控制原理是完全相同的 因此基于 HD44780 写的控制程序可以很方便地应用于市面上大部分的字符型液晶 5 2 2 LCD 1602 性能参数性能参数 LCD 1602 的主要技术参数及应用配置如表 3 1 所示 表 3 1 芯片的主要技术参数及应用配置 显示容量 16 2 个字符 芯片工作电压 4 5 5 5V 工作电流 2 0mA 5 0V 模块最佳工作电压 5 0V 字符尺寸 2 95 4 35 WXH mm LCD1602 的管脚排列如图 3 6 所示 它共有 16 个引脚 各引脚功能如表 3 2 所示 详 细说明如下 1 VSS 电源地 2 VDD 电源正极 3 VL 液晶显示偏压信号 对比度调整端 接地时最高 接正电源最低 可接 10K 电位器调整 4 RS 寄存器选择 高电平选择数据寄存器 低电平选择指令寄存器 5 R W 读 写选择端 高电平读操作 低电平写操作 本科毕业论文 17 6 E 使能信号 当 E 端由高电平跳变成低电平时 液晶模块执行命令 7 BLA 背光源正极 BLK 背光源负极 8 D0 D7 数据端口 表 3 2 LCD 1602 管脚功能及说明 LCD 1602 的主要技术参数如表 3 3 所示 编号符号引脚说明 1VSS电源地 2VDD电源正极 3VL液晶显示偏压信号 4RS数据 命令选择端 H L 5R W读 写选择端 H L 6E使能信号 7D0Data I O 8D1Data I O 9D2Data I O 10D3Data I O 11D4Data I O 12D5Data I O 13D6Data I O 14D7Data I O 15BLA背光源正 16BLK背光源负 本科毕业论文 18 表 3 3 LCD 1602A 主要技术参数 指令码功能 00111000设置 16 2 显示 5 7 点阵 8 位数据接口 LCD 1602 显示模式如表 3 4 所示 表 3 4 LCD 1602 显示模式 指令码功能 00001DCB D 1 开显示 D 0 关显示 C 1 显示光标 C 0 不显示光标 B 1 光标闪烁 B 0 光标不闪烁 000001NS N 1 当读 写一个字符后 地址指针加 1 且光 标加 1 N 0 当读 写一个字符后 地址指针减 1 且光 标减 1 S 1 当写一个字符 整屏显示左移 N 1 或者右 移 N 0 以得到光标不移动而整屏移动的效果 S 0 当写一个字符 整屏显示不移动 5 2 3 LCD 1602 与单片机连接与单片机连接 LCD 1602 可以采用两种方式与单片机连接 一种是采用 8 位数据总线 D0 D7 和 RS R W EN 三个控制端口 另一种是只用 D4 D7 作为四位数据 分两次传送 进行 LCD 设计主要是 LCD 的控制 驱动和外界的接口设计 控制主要是通过 接口与外界通信 管理内 外显示 RAM 控制驱动器 分配显示数据 驱动主要 是根据控制器要求 驱动 LCD 进行显示 控制器还常含有内部 ASCII 字符库 本科毕业论文 19 或可外扩的大容量汉字库 单片机 AT89S52 的 P1 1 与 LCD 1602 的使能端 E 相连 GND 与读写选择端 R W 相连 P1 0 与 RS 相连 当使能端使能时 再通过命令选择端来控制读数据 写数据 写命令 控制 P0 端口与 LCD 1602 的数据端口相连 传输数据 5 2 4 LCD 1602 的显示与控制命令的显示与控制命令 LCD 1602 液晶模块内部的字符发生内存 CGROM 已经存储了 160 个不同 的点阵字符图形 这些字符有 阿拉伯数字 英文字母的大小写 常用的符号 和日文假名等 每一个字符都有一个固定的代码 比如大写的英文字母 A 的代 码是 01000001B 41H 显示时模块把地址 41H 中的点阵字符图形显示出来 我 们就能看到字母 A LCD 1602 液晶模块内部的控制器共有 11 条控制指令 它的读写操作 屏幕 和光标的操作都是通过指令编程来实现的 说明 1 为高电平 0 为低电平 指令 1 清显示 指令码 01H 光标复位到地址 00H 位置 指令 2 光标复位 光标返回到地址 00H 指令 3 光标和显示模式设置 I D 光标移动方向 高电平右移 低电平左移 S 屏幕上所有文字是否左移或者右移 高电平表示有效 低电平则无效 指令 4 显示开关控制 D 控制整体显示的开与关 高电平表示开显示 低电平表示关显示 C 控制光标的开与关 高电平表示有游标 低电平表示无游 标 B 控制光标是否闪烁 高电平闪烁 低电平不闪烁 指令 5 光标或显示移位元 S C 高电平时移动显示的文字 低电平时移动 光标 指令 6 功能设置命令 DL 高电平时为 4 位总线 低电平时为 8 位总线 N 低电平时为单行显示 高电平时双行显示 F 低电平时显示 5 7 的点阵字符 高 电平时显示 5 10 的点阵字符 指令 7 字符发生器 RAM 地址设置 本科毕业论文 20 指令 8 DDRAM 地址设置 指令 9 读忙信号和光标地址 BF 为忙标志位 高电平表示忙 此时模块不 能接收命令或者数据 如果为低电平表示不忙 指令 10 写数据 指令 11 读数据 液晶显示模块是一个慢显示器件 所以在执行每条指令之前一定要确认模块的忙标志为 低电平 表示不忙 否则此指令失效 要显示字符时要先输入显示字符地址 也就是告诉模 块在哪里显示字符 5 3 按键电路 本设计采用按键接低的方式来读取按键 单片机初始时 因为为高电平 当 按键按下的时候 会给单片机一个低电平 单片机对信号进行处理 单片机键盘有独立键盘和矩阵式键盘两种 独立键盘每一个 I O 口上只接一 个按键 按键的另一端接电源或接地 一般接地 这种接法程序比较简单且系 统更加稳定 而矩阵式键盘式接法程序比较复杂 但是占用的 I O 少 根据本设 计的需要这里选用了独立式键盘接法 独立式键盘的实现方法是利用单片机 I O 口读取口的电平高低来判断是否有 键按下 将常开按键的一端接地 另一端接一个 I O 口 程序开始时将此 I O 口 置于高电平 平时无键按下时 I O 口保护高电平 当有键按下时 此 I O 口与地 短路迫使 I O 口为低电平 按键释放后 单片机内部的上拉电阻使 I O 口仍然保 持高电平 我们所要做的就是在程序中查寻此 I O 口的电平状态就可以了解我们 是否有按键动作了 在用单片机对键盘处理的时候涉及到了一个重要的过程 那就是键盘的去抖动 这里说的抖动是机械的抖动 是当键盘在未按到按下的临界区产生的电平不稳定 正常现象 并不是我们在按键时通过注意可以避免的 这种抖动一般 10 200 毫 本科毕业论文 21 秒之间 这种不稳定电平的抖动时间对于人来说太快了 而对于时钟是微秒的单 片机而言则是慢长的 硬件去抖动就是用部分电路对抖动部分加之处理 软件去 抖动不是去掉抖动 而是避抖动部分的时间 等键盘稳定了再对其处理 所以这 里选择了软件去抖动 实现法是先查寻按键当有低电平出现时立即延时 10 200 毫秒以避开抖动 经典值为 20 毫秒 延时结束后再读一次 I O 口的值 这一次 的值如果为 1 表示低电平的时间不到 10 200 毫秒 视为干扰信号 当读出的值 是 0 时则表示有按键按下 调用相应的处理程序 硬件电路如图 3 15 所示 12 34 K 1 zheng 12 34 K 2 fan 12 34 K 3 add 12 34 K 4 dec 12 34 K 5 stop P10 P11 P12 P13 P14 图 按键部分电路 5 4 霍尔元件电路 用于测量的 A44E 集成霍尔开关 磁钢用直径 D 6 004mm 长度为 L 3 032mm 的钕铁硼磁钢 电源用直流 霍尔开关输出由四位半直流数字电压表 测量 磁感应强度 B 用 95A 型集成霍尔元件测量 图 3 7 霍尔片管脚 管脚接线 本科毕业论文 22 5 4 1 A3144 霍尔开关的工作原理及应用说明 根据霍尔效应 人们用半导体材料制成的元件叫霍尔元件 它具有对磁场敏 感 结构简单 体积小 频率响应宽 输出电压变化大和使用寿命长等优点 因 此 在测量 自动化 计算机和信息技术等领域得到广泛的应用 霍尔传感器 A3144 是 Allegro MicroSystems 公司生产的宽温 开关型霍 尔效应传感器 其工作温度范围可达 40 150 它由电压调整电路 反相 电源保护电路 霍尔元件 温度补偿电路 微信号放大器 施密特触发器和 OC 门输出极构成 通过使用上拉电阻可以将其输出接入 CMOS 逻辑电路 该芯片具 有尺寸小 稳定性好 灵敏度高等特点 有两种封装形式 一种是 3 脚贴片微小 型封装 后缀为 LH 另一种是 3 脚直插式封装 后缀为 UA A3144E 系列单极高温霍尔效应集成传感器是由稳压电源 霍尔电压发生器 差分放大器 施密特触发器和输出放大器组成的磁敏传感电路 其输入为磁感应 强度 输出是一个数字电压讯号 它是一种单磁极工作的磁敏电路 适用于矩形 或者柱形磁体下工作 可应用于汽车工业和军事工程中 霍尔传感器的外形图和与磁场的作用关系如图 2 4 所示 磁场由磁钢提供 所以霍尔传感器和磁钢需要配对使用 霍尔元件和磁钢 管脚图 图 3 8 霍尔传感器的外形图 该霍尔传感器的接线图如图 3 9 所示 本科毕业论文 23 图 3 9 霍尔传感器的接线图 5 4 2 霍尔传感器测量原理 测量电机转速的第一步就是要将电机的转速表示为单片机可以识别的脉冲信 号 从而进行脉冲计数 霍尔器件作为一种转速测量系统的传感器 它有结构牢 固 体积小 重量轻 寿命长 安装方便等优点 因此选用霍尔传感器检测脉冲 信号 其基本的测量原理如图 2 6 所示 当电机转动时 带动传感器运动 产生 对应频率的脉冲信号 经过信号处理后输出到计数器或其他的脉冲计数装置 进 行转速的测量 6 图 3 10 霍尔器件测速原理 本科毕业论文 24 6 系统功能调试 仿真整体图如下 本科毕业论文 25 总结 本文所述的直流电机 PWM 调速系统是以低价位的单片微机 STC89C51 为核心的 而通过单片机来实现电机调整又有多种途径 相对于其他方法 如用硬件或者硬 件与软件相结合的方法对电机转速