【基于单片机的PWM直流电机调速系统研究6600字（论文）】

PAGE基于单片机的PWM直流电机调速系统研究目录摘要： 11绪论 21.1研究背景及意义 21.2国内外研究现状 21.3研究的主要内容 22直流调速系统概述 22.1直流电机的工作原理 22.2直流电机的调速实现方式 32.3H桥驱动电机的综述 33系统的硬件设计 43.1单片机总设计框图设计方案 43.2单片机最小系统 43.2.1晶振电路 43.2.2复位电路 53.3单片机简介 53.3.1AT89C52 53.3.2引脚图 64系统主电路设计 74.1液晶电路 74.1.1LCD1602功能及参数 74.1.2LCD1602与单片机的连接与显示 84.2按键电路 84.3霍尔元件电路 94.3.1A3144霍尔开关的工作原理及应用 94.3.2霍尔传感器测量原理 94.4电机PWM驱动模块电路 105单片机系调试 115.1PROTEUS设计仿真平台与单片机传统开发过程区别 115.2软件调试 115.3硬件调试 175.3.1物示 175.3.2能试 18结论 21参考文献 21附录 23附录1 23附录2 23PAGE30摘要：在社会生产中随着现在科学技术的发展，电子电力技术飞速的发展并且应用在各个领域中。其中的自动化系统是非常重要的。他可以提高生产效率。本文主要研究了如何通过单片机对直流电机进行调速的方法，本文中阐述了直流电机、H桥电路、脉宽调制的工作原理，以单片机控制为核心，各个电路之间相连接，本文中通过使用霍尔元件测量转速，实现对直流电机的调速功能。关键词：单片机；直流电机；霍尔元件；PWM1绪论1.1研究背景及意义1.2国内外研究现状1.3研究的主要内容2直流调速系统概述2.1直流电机的工作原理直流电动机是将直流电能转换为机械能的电动机，由定子和转子组成，电流从正极发出经过电刷向电枢供电，由于电磁驱动原理，当电枢部分经过转动，就完成能量转化过程。通电线圈在磁场中受力转动，由于受力方向的改变，不能一直在一个方向转动，就不能一个转动的循环。电流从正极流出经过线圈流向负极。因为电流在两个磁极中的方向相反此时就会形成一个相反的作用力导致发生转动。当线圈垂直于磁感线时，就会形成一对平衡力，由于惯性线圈会来回摆动。所以要想线圈在磁场中连续转动就需要换向器。换向器是由两个半圆环组成，换向器通过两个碳刷与电源正负极连接，半圆环分别于线圈两端相接。线圈转动时，半圆换也转动，当线圈转动到与磁感线垂直时，此时碳刷与间隙相连电路中没有电流，但是由于惯性，线圈继续转动，电流出现，形成继续转动。这就是电机的工作原理。将电压信号加在电枢上，就可以控制电机的转速。使用脉宽调制来实现。使用频率来改变周期的长短。就是通过改变占空比得到不同转速。图2-1直流电机的模型图图2-2占空比和电压图2.2直流电机的调速实现方式pwm调速系统基于单片机的软件实现pwm，占空比在这个过程中是核心，当电源不变时，通过占空比可以知道电枢端电压的值。正常情况下有三种方法调速定宽调频法：调宽调频法、定频调宽法，由于前两种方法会引起系统不稳定，所以不适用，这里采用定频调宽来实现直流电机的调速。2.3H桥驱动电机的概述H桥式电动机驱动电路是由三极管和电机组成，如下图图2-3H桥式电机要想使电机正常转动就要让两个三极管形成一个循环，例如Q1Q4接通，当Q1Q4接通时电流按顺序依次经过Q1电机Q4回到负极，同理Q2Q3也是如此，但是在保证上述条件的前提下，同时也要注意同侧的三极管是不连接的。如果Q3Q4一侧的三极管连接就会导致电流不经过电机，就会导致电流过大，从而可能会导致电路器件损坏，电源性能降低。3系统的硬件设计3.1单片机总设计框图设计方案由按键对单片机进输入及直流电机通过霍尔元件测量的速度传送回单片机。单片机经过处理通过驱动电路传输给单片机，从而达到控制直流电机的方向和速度，设计框图如图所示：图3-1总设计框图3.2单片机最小系统在单片机能够正常工作时必须拥有一些组成部分称为单片机的最小组成部分。这是单片机能完成工作及设计所必备的部分。框图如图所示：图3-2单片机最小系统框图3.2.1晶振电路晶振的全名叫晶体震荡器，是由电阻和电容并联再于电容串联。单片机的各个部件都由时钟信号开控制。进行正常的工作。时钟的频率与单片机的速度息息相关。晶振电路决定单片机的工作速度，进而影响单片机的稳定性，此电路中的C2C3都是30uf电容的大小会导致震荡七频率的高低。频率越高单片机的运行速度越快。电路如图所示;图3-3晶振电路3.2.2复位电路复位电路就相当于机器的重启或初始化，当程序出错或电路出现问题。都可以按下复位键来重启程序，复位电路也是单片机最小系统必不可少的组成部分，在单片机刚通电时，电容中没有电，电源给电容通电。在次设计中电阻接地使用大小为10k欧，电容连接VCC大小为10微法。电路图如图所示；图3-4复位电路3.3单片机简介3.3.1AT89C52AT89c52单片机内部框图如图所示；图3-5单片机内部框图3.3.2引脚图及部分引脚功能Vcc：电源电压，GND：接地，P0；是一组八位1/0口，P1：是一组八位1/0口，ALE/PROG：对外输出时钟或这用于定时，PSEN：当程序存储器读取数据时，每个周期两次内有效，EA/VPP:允许外部访问，XTAL1;震荡器反相放大器的输入端，P3.0RXD串行输入口，P3.1TXD串行输出口，P3.2INTO外中断0，P3.3INTO外中断1，P3.6WR外部数据存储器写选通，等引脚功能。图3-6单片机引脚图4系统主电路设计4.1液晶电路液晶电路电路图如图所示图4-1液晶电路4.1.1LCD1602功能及参数我们在生活中液晶显示器非常多，，液晶显示模块在很多电子产品中都有应用。，如在洗衣机、体称计、冰箱及很多家电产品中都有使用，主要是通过数字，文字以及一些符号组成，如图所示。图4-2lcd的主要技术参数及应用配置lcd1602的管脚功能如图所示。图4-3lcd1602的管脚功能图4.1.2LCD1602与单片机的连接与显示LCD1602液晶指令都有相应的功能，每一个功能指令的实现都是由编程实现的。如下图所示LCD1602指令图。图4-4指令图4.2按键电路按键部分电路如图所示：图4-5按键电路此设计使用的是按键电路控制，此电路各个按键之间相互不连接。一个按键连接一条线，比较灵活，且不影响其他的线路，其中有一个线路出问题时，不会影响到其他电路。当按键按下时单片机从高电平变成低电平，然后对产生的信号进行处理。而这个过程中就会产生物理震动，我们要想办法解决这种震动。震动的产生是在按键按下的过程中产生的，是一种正常的现象。是不可避免的。这种震动一般以为ms为单位的。，对于人来说虽然很快，但是单片机的时钟是由微秒来计算，就显得是时间特别久，在这里我们不是去除震动，而是在震动的时间内不测值，我们使用的方法是当发现按键有低电平出现时，先延迟一段时间等震动结束后在记录一次输出的值，如果为是干扰信号则不记录，读出值为0时有按键按下，则进行处理。4.3霍尔元件电路4.3.1A3144霍尔开关的工作原理及应用霍尔传感器是的核心是磁电效应，可以利用这种效应制作成霍尔元件。当电子在磁场中运动时，电荷就会向另一个方向运动，就会形成电势差，可以使用左手法则判断洛伦兹力的方向，这样就会检测到电压，霍尔元件具有耐脏、不怕液体、耐用、不耗电节能等特点。霍尔元件最主要的功能就是检测磁场。霍尔传感器的外形图如图所示霍尔片管脚和接线图如图所示图4-6霍尔传感器管脚及接线图4.3.2霍尔传感器测量原理使用霍尔传感器测量电机转速，在电动机转盘上安装两块小磁铁，然后在靠近转盘部分安装霍尔元件，当转盘转动时带动小磁铁转动，在转动时就会产生相应的脉冲，通过检测脉冲数就可以判断转动的圈数，产生的磁感线垂直于转盘，形成磁场，由于磁场的作用，电子就会受力，电荷向一边倾斜，形成电势差也就是霍尔感应电压，简单来说，他的原理就是加入磁场输出电压。霍尔元件最主要的就是应用在直流电机上。霍尔电压也有很多优点和缺点，优点是它可以测量方向、速度、位置等物理量，因为霍尔元件的使用时固定在一个地方的，所以基本上不会有磨损，可以长时间使用，也可重复利用，霍尔元件组成简单，只有三个引脚，便于安装，最主要的优点是可以测量高频率的物理量。接下来说说它的缺点，它必须要按安装在测量物体旁边，距离影响很大。由于一些未知的磁场可能也会导致测量不准确。图4-7霍尔元件电路4.4电机PWM驱动模块电路电动机PWM驱动模块采用的是H桥驱动，电路见下图。图4-8H桥电路驱动模块PWM驱动电路三极管和二极管组成，使用高低电平来控制截止和导通，当导通的三极管都连接电源或接地时，电路都不导通，当连接一个电源一个接地，电动机就可以正常运转，在此条件下，通过控制Q1或Q2就可以控制电机的转速。加入二极管时起限制的的作用防止电路运行错误或电流过大损坏电路。图4-9H桥模型5单片机系调试电动机的驱动和传动和控制功能常常会应用在工业自动化和智能产品中，而现在的智能控制系统对电机的要求越来越高。伴随着科学技术的的发展，也出现各种功能要求的电机如开关磁阻等非常规电机。但是对于一些要求比较低的控制系统中，直流电机还是有反打的优势，随着计算机的发展数字应用越来越广泛，数字控制系统具有电路简单、界面清晰等特点。5.1PROTEUS设计仿真平台与单片机传统开发过程区别单片机的传统开发过程第一步硬件设计，先设计原理图，然后连接元器件并检测，第二步是软件设计设计程序调试编程。第三步单片机综合调试，使用proteus仿真设计也分为三步，第一步在isis上设计原理图连接元器件，第二步在keil平台上编写程序，调试编译，生成hex文件，第三步将hex文件加载到单片机开始仿真。5.2软件调试此设计选用的是C语言程序编程，在keil4开发环境下编程，对程序编译调试，连接好仿真电路，将keil4生成的hex文件载入单片机模拟仿真，运行如图所示图5-1keil4环境下编程按下加速按键，占空比增加，电机转速增加，加速仿真测试如图5-2所示。图5-2加速仿真测试按下减速按键，占空比减小，电机转速降低。减速仿真测试如图所示。图5-3减速仿真调试按下正向转动按键，电机正向转动，仿真测试如图所示。图5-4正向转动仿真测试按下反向按键，电机反向转动，仿真结果如下图所示。图5-5反向运转仿真测试当程序或系统运行出错时，按下复位按钮，程序重启，仿真如图所示，图5-6复位仿真5.3硬件调试5.3.1物示系统调试完成后，直流电机调速系统实物图如图所示图5-7直流调速实物图5.3.2实物能试按下开始键，电机开始转动。实物图如图所示。图5-8电机开始转动按下加速按键，占空比增加，转速增加。图5-9电机加速转动图按下减速按键，占空比减少，转速减少。图5-10电机减速转动图按下正向转动按键，电机正向转动，如图所示。5-11电机正向转动图按下反向转动按键，电机反向转动，如图所示图5-12电机反向转动图按下电机复位按钮，电机关闭，如图所示。图5-13电机重启结论本设计为基于单片机的pwm直流电机调速系统。共包括五个模块，单片机控制模块，霍尔传感器模块、直流电机驱动模块、液晶显示模块和按键模块。主要过程是按下按键，对单片机发出指令使其产生信号传输给直流电机，霍尔元件测速，在传回单片机，然后通过液晶进行显示，达到调速目的。按下按键产生对应的功能，该设计实现的功能符合预期要求。通过这个设计把我所学的知识综合起来，在应用能力方面又得到提高。在软件应用方面也得到很大提高。这次理论与实践的结合增加了我们的经验同时也完成了对整体设计的把握，对细节的控制，还有元器件的选择，是一次全面综合的提升，在实践方面，通过制作实物又增强了动手能力。从开始到完成一次次的设计，在杨国老师的指导下，从方案设计到元器件选择到论文的撰写，让我对设计有了更深入的了解。在这个过程中，潜移默化的提升了我们的综合能力。这也对我以后的工作有益。参考文献[1]雷思孝,冯育长.单片机系统设计及工程应用[M].西安:西安电子科技大学出版社,2005.[2]刘和平.单片机C语言编译器及其应用一基于C51系列[M]北京:北京航空航天大学出版社,2007.4.[3]宋书中.交流调速系统[M.北京:机械工业出版社,2001.[4]刘和平等.CS1单片机原理及接口程序设计[M].北京:北京航空航天大学出版社,2004.8.[5]张洁．基于场强差的机械人听觉导航与控制[D].河北工业大学,2010.[6]刘振安,张培仁.MCS-96系列单片机微机原理与实践[M]合肥:中国科学技术大学出版社,2002.[7]林克明,石昭祥,张善金,董伯明(译).Z8高性能单片微机原理与应用[M]合肥:中国科学技术大学出版社,1994.[8]张兴华.交直流传动技术实训教材IM北京:科学出版社,2003.[9]苑正翘.电力传动与自动化控制系统[M]:北京航空航火大学出版社,2003.[10]王君艳.交流调速[M]北京:高等教育出版社,2003.[11]徐甫荣等，高压变频调速技术应用现状与发展趋势[J].自动化博览,2008,3(2)：19-23.[12]张健等，基于AT89S52单片机控制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附录附录1仿真图附录2程序#include<reg52.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintvoiddisplaym();sbiten=P2^5; //16026管脚sbitrs=P2^6; //1602端口 4管脚sbitrw=P2^7;//lcd1602控制端口5管脚sbitnum1=P1^0; //占空比加1sbitnum2=P1^1; //占空比减一sbitnum3=P1^2; //正传sbitnum4=P1^3; //反转sbitnum5=P1^4; //开始停止切换sbitout=P3^4; //PWM输出用于正传sbitout1=P3^7; //PWM输出用于反转uintzhuansu,flag,z1,z2,m,flag_1,zheng,fan,kai;voiddelay(uintz)//延时1ms函数{uintx,y;for(x=0;x<z;x++)for(y=0;y<110;y++);}voidwrite_com(ucharcom)//向1602写一字节（控制指令）{rs=0;P0=com;delay(5);en=0;delay(10);en=1;}voidwrite_data(uchardate)//向1602写一字节（数据）{rs=1;P0=date;delay(5);en=0;delay(5);en=1;}voidinit()//初始化函数{en=0;rw=0;write_com(0x01);//lcd初始化write_com(0x38); //5X7显示write_com(0x0c); //关闭光标TMOD=0x01;//定时器方式1TH0=0xdc;TL0=0x00;//定时器装入初值EA=1;//开总中断ET0=1;//定时器0开中断TR0=1;EX1=1;IT1=1;//定时器启动TH1=0xfc;TL1=0x66;//定时100usET1=1;//定时器1开中断TR1=1;write_com(0x80);write_data('V');write_data(':');write_com(0x87); //第一行显示转速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');write_data('i'); //在第二行显示zhankongbi:write_data(':');displaym();}voidkeyscan()//键盘扫描函数{if(num1==0){delay(5);//消除抖动 if(num1==0) { if(m<=199) m++; displaym(); //设定占空比加一}}if(num2==0){delay(5); if(num2==0) { if(m>=1) m--; displaym(); //设定占空比减一 }}if(num3==0){delay(5); if(num3==0) { zheng=1; //正传标志置1 fan=0; //反转标志置0 }}if(num4==0){delay(5); if(num4==0) { zheng=0; //正传标志置0 fan=1; //反转标志置1 }}if(num5==0){delay(5); if(num5==0) { while(num5==0) ; kai=1-kai; }}}voiddisplay(){write_com(0x82);zhuansu=zhuansu*30; //将两秒内的计数乘以30得到转每分if(zhuansu/10000!=0)write_data(zhuansu/10000+0x30); //如果转速的万位不为0 正常显示否则显示空格elsewrite_data('');if(zhuansu/1000==0)write_data('');elsewrite_data(zhuansu%10000%1000+0x30); //如果转速小于1000千位为空格否则正常显示if(zhuansu/100==0)write_data('');elsewrite_data(zhuansu%10000%1000/100+0x30); //如果转速小于100百位为空格否则正常显示if(zhuansu/10==0)write_data('');elsewrite_data(zhuansu%10000%1000%100/10+0x30); //如果转速小于10十位为空格否则正常显示write_data(zhuansu%10000%1000%100%10+0x30);write_com(0xd0); //如果没有这句，当中断内的显示函数执行完，就会在转速的位置显示占空比数据，导致乱码}voiddisplaym(){write_com(0xcb);if(m/200%10!=0)write_data(m/200%10+0x30); //如果占空比百位不为0则显示百位否则显示空格elsewrite_data('');if(m/200%10==0&&m/20%10==0)write_data('');elsewrite_data(