单片机控制直流电机

课程设计说明书 第 I 页 单片机直流电机 摘 要 本设计以 AT89C51 单片机为核心 以 4 4 矩阵键盘做为输入达到控制直流电 机的启停 速度和方向 完成了基本要求和发挥部分的要求 采用 AT89C5 单片 机来控制直流电机 实现了软件与硬件相结合的控制方法 用软件代替环形分配 器 达到了对步进电机的最佳控制 采用的 H 桥驱动器使直流电机在开环状态 下达到较高的变速转速 同时断电相不产生负的转矩分量 其能量被输入到电源 即将接通的下一相中去 增大了电流容量 提高了其工作的可靠性 在设计中 采用了 PWM 技术对电机进行控制 通过对占空比的计算达到精确调速的目的 关键词 直流电机 PWM 技术 占空比 H 桥驱动器 课程设计说明书 第 II 页 目 录 1 设计方案比较与分析 1 1 1 电机调速控制模块 1 1 2 PWM 调速工作方式 1 1 3 PWM 调脉宽方式 2 1 4 PWM 软件实现方式 2 2 系统分析与设计 2 2 1 系统的硬件电路设计与分析 3 2 2 系统的软件设计 4 2 2 1 实验程序流程 5 2 2 2 PWM 脉宽控制 8 2 2 3 键盘中断处理子程序 9 2 2 4 显示子程序 9 2 2 5 定时中断处理程序 10 3 测试结果与分析 11 致 谢 12 参考文献 13 课程设计说明书 第 1 页 1 设计方案比较与分析 1 1 电机调速控制模块 方案 1 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 2 采用继电器对电动机的开或关进行控制 通过开关的切换对小车 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 3 采用由达林顿管组成的 H 型 PWM 电路 用单片机控制达林顿管使 之工作在占空比可调的开关状态 精确调整电动机转速 这种电路由于工作在 管子的饱和截止模式下 效率非常高 H 型电路保证了可以简单地实现转速和 方向的控制 电子开关的速度很快 稳定性也极佳 是一种广泛采用的 PWM 调 速技术 兼于方案 3 调速特性优良 调整平滑 调速范围广 过载能力大 因此本 设计采用方案 3 1 2 PWM 调速工作方式 方案 1 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 2 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 1 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 课程设计说明书 第 2 页 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 1 4 PWM 软件实现方式 方案 1 采用定时器做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 方案 2 采用软件延时方式 这一方式在精度上不及方案 1 特别是在引入 中断后 将有一定的误差 但是基于不占用定时器资源 且对于直流电机 采 用软件延时所产生的定时误差在允许范围 故采用方案 2 2 系统分析与设计 总体设计方案的硬件部分详细框图如图一所示 图 2 1 设计方案硬件框图 键盘向单片机输入相应控制指令 由单片机通过 P2 0 与 P2 1 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 光耦传递 驱 动 H 型桥式电动机控制电路 实现电动机转向与转速的控制 电动机的运转状 态通过 LED 显示出来 电动机所处速度级以速度档级数显示 正转时数字向右 移动 反转时数字向左移动 移动速度分 7 档 快慢与电动机所处速度级快慢 一一对应 每次电动机启动后开始计时 停止时 LED 显示出本次运转所用时间 时间精确到 0 1s 2 1 系统的硬件电路设计与分析 电动机 PWM 驱动模块的电路设计与实现具体电路见下图 2 2 本电路采用 的是基于 PWM 原理的 H 型桥式驱动电路 课程设计说明书 第 3 页 图 2 2 H 型桥式驱动电路 PWM 电路由四个大功率晶体管组成 H 型桥式电路构成 四部分晶体管以对 角组合分为两组 根据两个输入端的高低电平决定晶体管的导通和截止 4 个 二极管在电路中起防止晶体管产生反向电压的保护作用 4 个电感在电路中是 起防止电动机两端的电流和晶体管上的电流过大的保护作用 在实验中的控制系统电压统一为 5v 电源 因此若达林顿管基极由控制系 统直接控制 则控制电压最高为 5V 再加上三极管本身压降 加到电动机两端 的电压就只有 4V 左右 严重减弱了电动机的驱动力 基于上述考虑 我们运用 了 4N25 光耦集成块 将控制部分与电动机的驱动部分隔离开来 输入端各通过 一个三极管增大光耦的驱动电流 电动机驱动部分通过外接 12V 电源驱动 这 样不仅增加了各系统模块之间的隔离度 也使驱动电流得到了大大的增强 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 N1 输入信号 N2 输入低电 平与 N1 输入低电平 N2 输入信号分别实现电动机的正转与反转功能 通过对 课程设计说明书 第 4 页 信号占空比的调整来对车速进行调节 速度分 7 档控制 从高电平 第 6 档 到低电平 第 0 档 中间占空比以 20 逐极递减 速度微调方面 可以通过对 占空比以 1 的跨度逐增或逐减分别实现对速度的逐加或逐减 2 2 系统的软件设计 本系统编程部分工作采用 KELI C51 语言完成 采用模块化的设计方法 与 各子程序做为实现各部分功能和过程的入口 完成键盘输入 按键识别和功能 PWM 脉宽控制和 LED 显示等部分的设计 单片机资源分配如下表 1 P0 显示模块接口 P1 键盘模块接口 外部中断 0 P3 2 键盘中断 P2 0 P2 1 PWM 电机驱动接口内部定时器 0系统时钟 表 1 系统主函数流程如图 2 3 图 2 3 系统主函数流程 课程设计说明书 第 5 页 图 2 4 系统函数流程 2 2 1 实验程序流程 ORG 05E0H SE13 MOV SP 53H MOV 7EH 00H MOV 7DH 08H MOV 7CH 03H MOV 7BH 02H 显示缓冲区初值 LO20 MOV A 80H 停止 CALL LO21 MOV A 00H 反转 CALL LO21 MOV A 80H 停止 CALL LO21 课程设计说明书 第 6 页 MOV A 0FFH 正转 CALL LO21 SJMP LO20 D A 直流电机正转 反转 停止 LO21 MOV DPTR 0FFE0H MOVX DPTR A 送 0832 转换 MOV R0 79H LCALL PTDS MOV R2 00H L023 LCALL DIS 显示 DJNZ R2 L023 RET PTDS MOV R1 A 拆送显示缓冲区 ACALL PTDS1 MOV A R1 SWAP A PTDS1 ANL A 0FH MOV R0 A INC R0 RET DIS PUSH DPH PUSH DPL 课程设计说明书 第 7 页 SETB RS1 MOV R0 7EH MOV R2 20H MOV R3 00H MOV DPTR LS0 LS2 MOV A R0 MOVC A A DPTR MOV R1 0DCH MOVX R1 A MOV A R2 inc R1 MOVX R1 A LS1 DJNZ R3 LS1 CLR C RRC A MOV R2 A DEC R0 JNZ LS2 MOVX r0 a DEC R0 CP1 a MOVX r0 a 课程设计说明书 第 8 页 CLR RS1 POP DPL POP DPH RET LS0 DB 0C0H 0F9H 0A4H 0B0H 99H 92H DB 82H 0F8H 80H 90H 88H 83H 0C6H DB 0A1H 86H 8EH 0FFH 0CH 89H 7FH 0BFH END 2 2 2 PWM 脉宽控制 本设计中采用软件延时方式对脉冲宽度进行控制 延时程序函数如下 void delay unsigned char dlylevel int i 50 dlylevel while i 此函数为带参数 DLYLEVEL 约产生 DLYLEVEL 400us 的延时 因此一个脉 冲周期可以由高电平持续时间系数 hlt 和低电平持续时间系数 llt 组成 本设 计中采用的脉冲频率为 25Hz 可得 hlt llt 100 占空比为 hlt hlt llt 因此要实现定频调宽的调速方式 只需通过程序改变全局变量 hlt llt 的值 该子程序流程图如图四 2 2 3 键盘中断处理子程序 采用中断方式 按下键 单片机 P3 2 脚产生一负跳沿 响应该中断处理程 序 完成延时去抖动 键码识别 按键功能执行 课程设计说明书 第 9 页 图 2 5 系统子程序流程 调速档 持续加 减速 调速档通过 0 6 共七档固定占空比 即相应档 位相应改变 hlt llt 的值 以实现调速档位的实现 而要实现按住加 减速键 不放时恒加或恒减速直到放开停止 就需在判断是否松开该按键时 每进行一 次增加 减少 1 占空比 即 hlt llt 其程序流程如图 2 5 2 2 4 显示子程序 利用数组方式定义显示缓存区 缓存区有 8 位 分别存放各个 LED 管要显 示的值 显示子程序为一带参子程序 参数为显示缓存的数组名 通过 for i 0 i 8 i 方式对每位加上位选码 送到 P0 口并进行一两毫秒延时 该显示子程序只对各个 LED 管分别点亮一次 因此在运行过程中 每秒执 行的次数不应低于每秒 24 次 2 2 5 定时中断处理程序 采用定时方式 1 因为单片机使用 12M 晶振 可产生最高约为 65 5ms 的延 时 对定时器置初值 3CB0H 可定时 50ms 即系统时钟精度可达 0 05s 当 50ms 定时时间到 定时器溢出则响应该定时中断处理程序 完成对定时器的再次赋 值 并对全局变量 time 加 1 这样 通过变量 time 可计算出系统的运行时间 对于一个数的显示 先应转成 BCD 码 即取出每一个位 分别送入显示缓 存区 对于转 BCD 的算法 应对一个数循环除 10 取模 直至为 0 程序如下 课程设计说明书 第 10 页 do dispbuff bcd p bechange 10 dispbuff 为显示缓冲区数组 bcd p while bechange 10 disp p 为数组指针 软件设计中的特点 对于电机的启停 在 PWM 控制上使用渐变的脉宽调整 即开启后由停止匀 加速到默认速度 停止则由于当前速度逐渐降至零 这样有利于保护电机 如 电机运用于小车上 在启动上采用此方式也可加大启动速度 防止打滑 对于运行时间的计算 显示 配合传感器技术可用于计算距离 速度等重 要的运行数据 键盘处理上采用中断方式 不必使程序对键盘反复扫描 提高了程序的效 率 3 测试结果与分析 结束语 本设计在硬件上采用了基于 PWM 技术的 H 型桥式驱动电路 解决了电机 马驱动的效率问题 在软件上也采用较为合理的系统结构及算法 提高了单片 机的使用效率 且具有一定的防飞能力 但该设计也有不足之处 主要是在关 于速度的反馈上 无法提供较为直观的速度表示方式 因此 有必要引入传感 器技术对速度进行反馈 以 rpm 或 rps 表达当前的转速进行显示 课程设计说明书 第 11 页 致 谢 从设计之初的无从下手到设计工作的圆满完成 期间遇到了诸多的问题和 困难 但在李文芳老师的细心指导和帮助下 通过自己的努力 最终这些问题 与困难都得到了圆满解决 使我可以按时完成课程设计并使自己的专业知识与 综合能力都得到了相应的提高 在毕业设计过程中 李文芳老师在百忙中对我 的课程设计进行了指导 李文芳老师首先细致地为我解题 当我迷茫于众多的 资料时 她又为我提纲挈领 梳理脉络 使我确立了本文的框架 感谢李文