溫控直流電機控制系統(tǒng)第一節(jié)溫控直流電機控制系統(tǒng)框圖第二節(jié)直流電機原理第三節(jié)溫控直流電機控制系統(tǒng)硬件設(shè)計第四節(jié)直流電機調(diào)速原理第五節(jié)溫控直流電機軟件設(shè)計用室溫控制小功率直流電機的轉(zhuǎn)速。當室溫小于22℃時，電機不工作；當室溫超過22℃時，電機開始旋轉(zhuǎn)；在此基礎(chǔ)上，室溫每增加2℃，電機轉(zhuǎn)速增加一個擋位，使直流電機的轉(zhuǎn)速隨溫度自動調(diào)整。知識目標·了解直流電機的構(gòu)成?！な煜ぶ绷麟姍C的工作原理?！な煜ぶ绷麟姍C的驅(qū)動方法?！な煜ぶ绷麟姍C的調(diào)速方法。·掌握PWM波調(diào)速原理?！ふ莆誔WM波產(chǎn)生方法。能力目標·認識直流電機。·能夠畫出硬件電路圖?！ふ_編寫直流電機驅(qū)動函數(shù)。·根據(jù)要求產(chǎn)生一定占空比的PWM波形。·正確編寫直流電機調(diào)速函數(shù)?！じ鶕?jù)要求編寫源程序。

第一節(jié)溫控直流電機控制系統(tǒng)框圖

溫控直流電機控制系統(tǒng)由單片機AT89S52作為控制核心，溫度傳感器用于檢測室內(nèi)溫度，單片機通過驅(qū)動電路控制直流電機旋轉(zhuǎn)并調(diào)速，顯示器用于顯示室溫及直流電機轉(zhuǎn)速擋位，如圖7-1所示。

第二節(jié)直流電機原理

2.1常見直流電機直流電機用于實現(xiàn)直流電能和機械能的相互轉(zhuǎn)換，是常用的機電執(zhí)行部件。直流發(fā)電機用于將機械能轉(zhuǎn)換成直流電能，直流電動機用于將直流電能轉(zhuǎn)換成機械能。直流電機具有可逆性，是指從原理上講，一臺直流電機既可作為電動機運行，也可作為發(fā)電機運行。本項目中是作為電動機運行。常見的直流電機如圖7-2所示。2.2直流電機的特點直流電機有以下優(yōu)點：(1)直流電機結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，造型美觀。(2)直流電機調(diào)速時能量損耗低，振動小，噪音低。(3)直流電機調(diào)速范圍寬，調(diào)速特性平滑。(4)直流電機過載能力較強，起動和制動轉(zhuǎn)矩較大。(5)直流電機采用新型密封裝置，保護性能好，對環(huán)境適應(yīng)性強。由于直流電機上述的特點，它主要用于調(diào)速范圍廣且需要平滑調(diào)速的場所。2.3直流電機的基本工作原理直流電機由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。定子在直流電機運行時靜止不動，其主要作用是產(chǎn)生磁場，由機座、主磁極、換向極、端蓋、軸承和電刷裝置等組成。轉(zhuǎn)子在直流電機運行時處于轉(zhuǎn)動狀態(tài)，其主要作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動勢，是直流電機進行能量轉(zhuǎn)換的樞紐，又稱為電樞，由轉(zhuǎn)軸、電樞鐵心、電樞繞組、換向器和風(fēng)扇等組成。圖7-3(a)中定子的主磁極N、S固定不動，電樞繞組的線圈abcd在主磁極N、S產(chǎn)生的磁場中旋轉(zhuǎn)，與線圈相連的換向片1、2與線圈同步旋轉(zhuǎn)，電刷及引出導(dǎo)線A、B不動。首先，在線圈中產(chǎn)生電流。圖7-3(b)將直流電的正極接于電刷的A端，負極接于電刷的B端時，直流電、電刷、與電刷相接觸的換向片以及線圈abcd，形成閉合回路。在N極范圍內(nèi)，線圈的ab邊中電流的方向是從a至b；在S極范圍內(nèi)，線圈cd邊中電流的方向是從d至c。其次，定子產(chǎn)生固定方向的磁場。最后，通電導(dǎo)體在磁場中受到電磁力的作用產(chǎn)生運動。通電導(dǎo)體在磁場中的受力方向由左手定則判斷，ab邊的受力方向朝左，cd邊的受力方向朝右，在均勻的磁場中，線圈ab邊與cd邊中電流大小相同，因此所受電磁力大小相等但方向相反，最終線圈按逆時針方向轉(zhuǎn)動，如圖7-3(b)所示。當線圈轉(zhuǎn)至水平方向，即磁極中性面時，線圈中的電流為0，所受電磁力也為0，這時由于慣性，線圈繼續(xù)轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)過中性面之后，ab與cd互相調(diào)換了位置，ab邊在S極范圍之內(nèi)，與電刷的B端相連，電流從b至a；cd邊在N極范圍之內(nèi)與電刷的A端相連，電流從c至d；位置的改變，導(dǎo)致電流的方向發(fā)生變化，但所受電磁力方向不變，線圈仍按逆時針旋轉(zhuǎn)，如圖7-3(c)所示。繞于轉(zhuǎn)子上的所有線圈按一定規(guī)律連接在一起就稱為電樞繞組。電樞繞組產(chǎn)生的電磁力作用于轉(zhuǎn)子產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，通過齒輪等機構(gòu)的傳動拖動負載轉(zhuǎn)動。2.4直流電機的參數(shù)轉(zhuǎn)矩：電機得以旋轉(zhuǎn)的力矩。轉(zhuǎn)速：電機旋轉(zhuǎn)的速度，單位為r/min，表示每分多少轉(zhuǎn)。電樞電阻：電樞內(nèi)部的電阻，包括電刷與換向器之間的接觸電阻，其阻值越小越好。額定功率：是指直流電機在長期使用時，軸上允許輸出的機械功率。單位用kW表示。額定電壓：是指直流電機在額定條件下運行時，從電刷兩端施加給電機的直流電壓。單位用V表示。額定電流：是指直流電機在額定電壓下輸出額定功率時，長期運轉(zhuǎn)允許輸入的工作電流。單位用A表示。額定轉(zhuǎn)速：指直流電機在額定運轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速。單位為r/min，表示每分多少轉(zhuǎn)。

第三節(jié)溫控直流電機控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1直流電機的驅(qū)動用單片機控制直流電機旋轉(zhuǎn)時，必須通過驅(qū)動電路，才能夠為直流電機提供足夠大的工作電流。在選擇驅(qū)動電路時，主要考慮兩個問題：第一是直流電機旋轉(zhuǎn)時，是否需要改變轉(zhuǎn)動的方向；第二是直流電機轉(zhuǎn)動時，是否需要調(diào)節(jié)直流電機的轉(zhuǎn)速。直流電機的驅(qū)動方式有繼電器、功率管、達林頓管、專用驅(qū)動芯片等。功率管、達林頓管使用方便，但是無法控制電機的轉(zhuǎn)向；直流電機需要正反向轉(zhuǎn)動時，只能用H橋電路驅(qū)動，專用驅(qū)動芯片的本質(zhì)也是H橋電路，如圖7-4所示。單向轉(zhuǎn)動的直流電機，可以用功率管、達林頓管或繼電器直接驅(qū)動；雙向轉(zhuǎn)動的直流電機，可以使用由4個功率管組成的H橋電路，也可以選用專用的驅(qū)動芯片L298等；直流電機不需要調(diào)速時，用繼電器就可以驅(qū)動了；需要調(diào)速時，最好使用功率管、達林頓管、專用芯片等電子開關(guān)元件驅(qū)動，以實現(xiàn)平穩(wěn)調(diào)速。本項目要求直流電機的轉(zhuǎn)速受室溫的控制，實現(xiàn)平穩(wěn)的調(diào)速，不需要改變轉(zhuǎn)向，綜合考慮，采用達林頓管驅(qū)動直流電機。3.2達林頓管ULN20031．特點ULN2003是高電壓、大電流達林頓晶體管陣列電路，由7個硅NPN復(fù)合晶體管組成，具有電流增益高、工作電壓高、溫度范圍寬、帶負載能力強等特點，適應(yīng)于各類要求高速大功率驅(qū)動的系統(tǒng)。ULN2003具有以下特點：(1)電流增益高，約為1000；(2)帶負載能力強，輸出電流約為500mA；(3)溫度范圍寬，-40～85℃；(4)輸入電壓為5V；(5)驅(qū)動電壓高，約為50V。ULN2003電路主要用于驅(qū)動直流電機、步進電機、電磁閥或可控照明燈。2．內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖7-5所示為ULN2003的引腳圖和內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。在ULN2003的內(nèi)部有7個NPN達林頓管陣列，適用于TTL和COMS電路。ULN2003采用集電極開路輸出結(jié)構(gòu)，它的輸出端允許通過電流為500?mA，飽和壓降VCE約1?V左右，耐壓BVCEO約為36?V，可直接用于驅(qū)動繼電器、電機，也可直接驅(qū)動低壓燈泡。除此之外，還集成了7個用于消除線圈反電動勢的二極管。在邏輯關(guān)系上，ULN2003是一個包含7個非門的集成電路。3．引腳·COM—為公共端。該引腳是內(nèi)部7個續(xù)流二極管負極的公共端，各二極管的正極分別接各達林頓管的集電極。用于驅(qū)動感性負載時，COM腳接負載電源正極，實現(xiàn)續(xù)流作用。COM不用時，也可以懸空?！ND—地?！N1～IN7—脈沖輸入端?！UT1～OUT7—脈沖輸出端。IN1～IN7與OUT1～OUT7分別為達林頓管的輸入與輸出端。3.3溫控直流電機控制系統(tǒng)硬件設(shè)計溫控直流電機控制系統(tǒng)硬件電路如圖7-6所示。數(shù)字式溫度傳感器DS18B20的DQ與P2.4相連，DS18B20用于測量室內(nèi)溫度，它可以將溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，從P2.4送入單片機。直流電機的一端接5V電源，另一端與達林頓芯片ULN2003的OUT4相連，與OUT4對應(yīng)的輸入端IN4與單片機的P1.0相連，通過P1.0對直流電機進行調(diào)速。單片機讀入室溫的數(shù)字量，一方面根據(jù)室內(nèi)溫度選擇直流電機工作的擋位，再根據(jù)擋位，改變端口P1.0輸出矩形波的占空比，通過ULN2003驅(qū)動直流電機旋轉(zhuǎn)；另一方面處理后在數(shù)碼管上顯示出室溫及擋位。編程時，除了數(shù)碼管的數(shù)據(jù)口以外，都采用位尋址，定義為sbitDUANLE=P2^0; //數(shù)碼管動態(tài)顯示字段口74HC573鎖存使能端sbitWEILE=P2^1; //數(shù)碼管動態(tài)顯示字位口74HC573鎖存使能端sbitDQ=P2^4;sbitPWM=P1^0; //直流電機控制端3.4直流電機驅(qū)動函數(shù)根據(jù)圖7-6中直流電機的連接方式，只要在控制端P1.0輸出高電平，經(jīng)ULN2003取反后，為直流電機的可控端提供低電平，電機就可以全速旋轉(zhuǎn)。直流電機不需要全速轉(zhuǎn)動時，可以在P1.0端輸出一定頻率的矩形波，控制直流電機旋轉(zhuǎn)。在矩形波的高電平期間，直流電機旋轉(zhuǎn)；在矩形波的低電平期間，直流電機停止轉(zhuǎn)動。由于矩形波的頻率較高及轉(zhuǎn)動的慣性，實際上不管是高電平還是低電平期間，直流電機都是轉(zhuǎn)動的，電機的轉(zhuǎn)速取決于矩形波所能提供的平均電壓。直流電機驅(qū)動函數(shù)就是為直流電機提供一定頻率的矩形波，矩形波的高電平寬度由全局變量pwmgao控制，低電平寬度由全局變量pwmdi控制，因此該矩形波的周期就是pwmgao+pwmdi。/*函數(shù)名：qudong()作用：輸出頻率固定、一定占空比的矩形波，控制直流電機的旋轉(zhuǎn)速度。入口參數(shù)：無。出口參數(shù)：無。說明： PWM：直流電機控制端，輸出矩形波，控制電機的旋轉(zhuǎn)。pwmdi：存放PWM波低電平的寬度，定義為全局變量。pwmgao：存放PWM波高電平的寬度，定義為全局變量。*/voidqudong(void){ uchari; for(i=0;i<pwmdi;i++) { PWM=0;

delayus(1); } for(i=0;i<pwmgao;i++) { PWM=1; delayus(1); } }

第四節(jié)直流電機調(diào)速原理

4.1直流電機調(diào)速原理1．直流電機調(diào)速方法改變直流電機的轉(zhuǎn)速，一般有下述三種方法：(1)調(diào)節(jié)電樞供電電壓U。改變電樞電壓是從額定電壓向下降低電樞電壓，調(diào)節(jié)后電機的轉(zhuǎn)速只能低于額定轉(zhuǎn)速，屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法。對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，這種方法最好。電樞電流變化遇到的時間常數(shù)較小時，能快速響應(yīng)，但是需要大容量可調(diào)直流電源。(2)改變電動機主磁場。改變主磁場也可以實現(xiàn)無級平滑調(diào)速，但只能減弱磁場，從電動機額定轉(zhuǎn)速向下降低調(diào)速，屬恒功率調(diào)速方法。電樞電流變化時遇到的時間常數(shù)要大很多，響應(yīng)速度較慢，但所需電源容量小。(3)改變電樞電阻R。在電動機電樞回路外串聯(lián)電阻進行調(diào)速的方法，這種方法設(shè)備簡單，操作方便。但是只能進行有級調(diào)速，且調(diào)速平滑性差，機械特性較軟；在調(diào)速電阻上消耗大量電能。改變電阻調(diào)速缺點很多，目前很少采用。2．PWM原理在單片機控制系統(tǒng)中，主要采用改變電樞電壓的方法進行調(diào)速，通過PWM波來改變供給電樞的平均電壓。PWM就是脈沖寬度調(diào)制。通過單片機給直流電機提供一個具有一定頻率的脈沖波形，該脈沖波形的脈沖寬度是可以調(diào)節(jié)的。脈沖寬度越大即占空比越大，提供給電機的平均電壓越大，電機轉(zhuǎn)速就高；反之脈沖寬度越小，則占空比越??；提供給電機的平均電壓越小，電機轉(zhuǎn)速就低；總而言之，PWM波形就是占空比可調(diào)的脈沖波形。最常用的PWM信號是矩形波。矩形波的占空比是指高電平寬度在一個周期內(nèi)所占的百分比。改變矩形波的占空比的方法有定寬法和定頻法兩種，如圖7-7所示。定寬法是指高電平的脈沖寬度保持不變，通過改變周期來改變占空比。采用定寬法改變占空比時，矩形波的頻率是變化的。定頻法是指矩形波的頻率保持不變，通過改變高電平的脈沖寬度來改變占空比。采用定頻法改變占空比時，矩形波的周期是固定不變的，高電平寬度增加時，相應(yīng)的低電平寬度就減少。3．PWM波產(chǎn)生方法在單片機I/O口輸出PWM波，有下面三種方法：(1)利用軟件延時輸出PWM波。首先根據(jù)PWM波的頻率確定一個時間基準，編寫一個有參的延時函數(shù)；在I/O口輸出低電平時，調(diào)用若干次延時函數(shù)；低電平時間到后，在I/O口輸出高電平，再調(diào)用若干次延時函數(shù)；如此重復(fù)就可以輸出一定占空比的PWM波。(2)利用定時器輸出PWM波。利用定時器的定時功能，控制高、低電平的翻轉(zhuǎn)。(3)利用單片機自帶的PWM功能輸出PWM波。4.2直流電機調(diào)速函數(shù)在本項目中，由于AT89S52單片機中沒有PWM功能，只能利用軟件或定時器輸出PWM波，綜合考慮后，最終選擇軟件延時、采用定頻法改變PWM波的占空比。首先確定PWM波的頻率。PWM波的頻率與直流電機的性能有關(guān)，頻率過低時，直流電機要么不能轉(zhuǎn)動，要么轉(zhuǎn)動的時候噪聲大，抖動嚴重；而頻率選的過高，又會引入高頻信號的問題。最終選擇頻率為5?kHz，周期為200μs。其次，根據(jù)擋位確定占空比。直流電機的轉(zhuǎn)速分為5擋，室溫、擋位、PWM波的占空比及高低電平的寬度之間的關(guān)系，如表7-1所示。當溫度小于22℃，為0擋，這時直流電機停止轉(zhuǎn)動，點空比為0，即高電平寬度為0、低電平寬度為200?s；此后，溫度每增加2℃，擋位增加一檔，占空比增加25%，高電平的寬度增加50?s，低電平的寬度減少50?s；當溫度超過28℃時，占空比為100%，高電平寬度為200?s，直流電機全速旋轉(zhuǎn)。觀察表7-1，可以看出不管占空比怎么改變，PWM波的周期都固定為200s。/*函數(shù)名：pwmtiaosu()作用：根據(jù)室溫，確定擋位及PWM波高低電平的寬度。入口參數(shù)：無。出口參數(shù)：無。說明： dangwei：存放直流電機的轉(zhuǎn)速擋位，分5級，定義為全局變量。pwmgao：存放PWM波高電平的寬度，定義為全局變量。pwmdi：存放PWM波低電平的寬度，定義為全局變量.*/voidpwmtiaosu(void){ if(wendu<220) dangwei=0; elseif(wendu<240) dangwei=1;

elseif(wendu<260) dangwei=2; elseif(wendu<280) dangwei=3; else dangwei=4; switch(dangwei) { case0:pwmgao=0; pwmdi=200; break; case1:pwmgao=50; pwmdi=150; break; case2:pwmgao=100; pwmdi=100; break; case3:pwmgao=150; pwmdi=50; break; case4:pwmgao=200; pwmdi=0; break; }}

第五節(jié)溫控直流電機軟件設(shè)計

在主函數(shù)中，先調(diào)用函數(shù)ds18b20sjcl()，啟動DS18B20開始溫度轉(zhuǎn)換，并讀出轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量，將數(shù)字量還原為實際溫度值存入全局變量wendu中；其次調(diào)用pwmtiaosu()函數(shù)，確定擋位及pwm波高低電平的寬度；第三，調(diào)用xianshi()函數(shù)，在數(shù)碼管上顯示擋位及室溫；最后，調(diào)用qudong()函數(shù)，驅(qū)動直流電機按照擋位旋轉(zhuǎn)。/*預(yù)處理*/#include<reg52.h> #defineucharunsignedchar#defineuintunsignedint/*全局變量定義*/sbitDUANLE=P2^0;sbitWEILE=P2^1;sbitDQ=P2^4;sbitPWM=P1^0;ucharpwmgao=0,pwmdi=6;//存放高電平、低電平的寬度uchardangwei=0;uintwendu;ucharcodeduanma[]={ 0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f};ucharcodeduanma1[]={ 0xbf,0x86,0xdb,0xcf,0xe6,0xed,0xfd,0x87,0xff,0xef};/*函數(shù)聲明*/voiddelayms(uinta);voiddelayus(uinta);voidds18b20chushihua(void);voidds18b20xie(ucharzijie);uchards18b20du(void);voidds18b20sjcl(void);voidxianshi(void);voidpwmtiaosu(void);voidqudong(void);/*主函數(shù)*/voidmain(){ PWM=0; while(1) { ds18b20sjcl(); pwmtiaosu();xianshi(); qudong(); }}/*函數(shù)定義，除主函數(shù)外*/voidqudong(void){ uchari; for(i=0;i<pwmdi;i++) { PWM=0; delayus(1); } for(i=0;i<pwmgao;i++)

{ PWM=1; delayus(1); } }voidpwmtiaosu(void){ if(wendu<220) dangwei=0; elseif(wendu<240) dangwei=1; elseif(wendu<260) dangwei=2; elseif(wendu<280) dangwei=3; else dangwei=4; switch(dangwei) { case0:pwmgao=0; pwmdi=200; break; case1:pwmgao=50; pwmdi=150; break;

case2:pwmgao=100; pwmdi=100; break;case3:pwmgao=150; pwmdi=50; break;case4:pwmgao=200; pwmdi=0; break; }}voidxianshi() {DUANLE=1; P0=duanma[wendu/100]; DUANLE=0;WEILE=1; P0=0xfe; WEILE=0;delayms(1);DUANLE=1; P0=duanma1[wendu/10%10];DUANLE=0;WEILE=1; P0=0xfd; WEILE=0;delayms(1);DUANLE=1; P0=duanma[wendu%10]; DUANLE=0;WEILE=1; P0=0xfb; WEILE=0;delayms(1); DUANLE=1; P0=duanma[dangwei]; DUANLE=0; WEILE=1; P0=0xef; WEILE=0;delayms(1);}voiddelayms(uinta){uinti,j;for(i=0;i<a;i++)for(j=0;j<100;j++);}voiddelayus(uinta){ while(--a);}voidds18b20chushihua(void){ DQ=1;delayus(8); DQ=0; delayus(80); DQ=1;