目錄第一章研究背景及意義 第一章研究背景及意義直流電動機(jī)是最早出現(xiàn)也是最早實(shí)現(xiàn)調(diào)速的電動機(jī)，它擁有良好的調(diào)速性能，在調(diào)速系統(tǒng)中一直占據(jù)著主導(dǎo)地位。隨著科技的發(fā)展，直流電機(jī)的功能和控制方式都有了重大的改變。使用電力電子器件進(jìn)行PWM控制已成為主流。它通過單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)，控制效果精準(zhǔn)、且單片機(jī)價(jià)格低廉，能夠大大節(jié)約生產(chǎn)成本。為數(shù)字化控制提供了良好前景。近年來，從整流器件到晶閘管調(diào)速再到PWM調(diào)速，直流電機(jī)的控制方式不斷革新，其工作效益及可靠性都在不斷地提高，適用范圍也在持續(xù)擴(kuò)大。單片機(jī)通過數(shù)字信號控制，控制方式簡便，且擁有較高的抗干擾能力，能實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)的自動化控制，因此，直流電氣傳動采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，使系統(tǒng)進(jìn)入了一個嶄新的階段。直流電機(jī)PWM調(diào)速與電力電子器件發(fā)展密切相關(guān)。PWM調(diào)制原理早于70年代中期就以產(chǎn)生。但由于電子器件發(fā)展水平低下使得該技術(shù)一直未能得到實(shí)現(xiàn)。直到近年來科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，各種微型電子器件的產(chǎn)生才使得PWM技術(shù)得到廣泛地應(yīng)用，并使得PWM調(diào)制技術(shù)得到高速的發(fā)展，同時(shí)也推動了電氣驅(qū)動技術(shù)的不斷發(fā)展。如今PWM技術(shù)已廣泛應(yīng)用到了軍事及人們的日常生活中，在發(fā)電、供電及電機(jī)調(diào)速方面都得到了廣泛地應(yīng)用。近年來，我國也在進(jìn)一步深入PWM技術(shù)的創(chuàng)造和研發(fā)，可以預(yù)見，以PWM技術(shù)為主的更高性能的電力電子器件還會不斷出現(xiàn)。第二章系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架2.1設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)一個以AT89C51單片機(jī)為核心控制器件，數(shù)碼管為檔位顯示器件，按鍵控制檔位變化（轉(zhuǎn)速）的直流電機(jī)PWM脈寬調(diào)速系統(tǒng)。要求由單片機(jī)產(chǎn)生周期為20ms，占空比可調(diào)的周期性信號（在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)需要調(diào)整脈沖周期），單片機(jī)通過判斷按鍵次數(shù)來改變直流電機(jī)PWM的占空比，以控制電機(jī)兩端的電壓進(jìn)而控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。2.2系統(tǒng)原理框圖該系統(tǒng)的基本組成由1個獨(dú)立按鍵（通過按鍵改變系統(tǒng)預(yù)設(shè)的檔位，調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速）、LED數(shù)碼管（顯示直流電機(jī)運(yùn)行的檔位）、AT89C51單片機(jī)（發(fā)出可控的PWM脈沖信號）及其最小系統(tǒng)（單片機(jī)能正常工作的最少配置）、驅(qū)動芯片ULN2003A（驅(qū)動電機(jī)旋轉(zhuǎn)）和直流電機(jī)。設(shè)計(jì)的原理圖框圖如下：單片機(jī)AT89C51電機(jī)驅(qū)動模塊PWM信號單片機(jī)AT89C51電機(jī)驅(qū)動模塊PWM信號按鍵輸入按鍵輸入數(shù)碼管顯示檔位直流電機(jī)旋轉(zhuǎn)數(shù)碼管顯示檔位直流電機(jī)旋轉(zhuǎn)（）（）圖2.1設(shè)計(jì)原理框圖第三章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1硬件電路連接圖圖3.1硬件電路連接圖3.2AT89C51單片機(jī)簡介本系統(tǒng)采用的芯片是AT89C51單片機(jī)，該芯片是具有4k字節(jié)40個引腳的閃爍存儲器。32個可編程的i/o口，2個16位的定時(shí)器或存儲器（可根據(jù)工作模式的不同自行選擇），設(shè)置為定時(shí)方式時(shí)，可以滿足各種定時(shí)要求?？梢赃x擇低消耗的靜態(tài)工作模式，1000次的讀寫和擦除次數(shù)。AT89C51單片機(jī)引腳排列圖如下：圖3.2單片機(jī)引腳結(jié)構(gòu)圖引腳特性：40引腳VCC:輸入電壓；20引腳GND：接地；（在proteus建模中所有的集成電路的這兩個引腳被默認(rèn)隱藏且VCC和GND都已正確連接）。P0、P1、P2、P3常常作為輸入端口（此時(shí)管口第一次寫1）.P3口也作為特殊功能端口。具體特性如下：P3.0、P3.1串行輸入/出口，P3.2、P3.3外部中斷0/1，P3.4、P3.5計(jì)時(shí)器外部輸入。P3.6、P3.7外部數(shù)據(jù)存儲器寫/讀選通。RST復(fù)位電路的輸入端口。XTAL1、XTAL2內(nèi)部振蕩電路的輸入輸出端口。EA:可加入編程電源。4kb的片內(nèi)程序存儲器。256字節(jié)片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器RAM，在程序運(yùn)行時(shí)可以隨時(shí)寫入和讀出數(shù)據(jù)，用于存放函數(shù)相互傳遞的參數(shù)、接收的外部數(shù)據(jù)、運(yùn)算的中間結(jié)果、最后的結(jié)果以及顯示的數(shù)據(jù)等；在本設(shè)計(jì)中要使單片機(jī)能正常行使其功能時(shí)，電路中還需要包含以下幾個部分：供電電源、內(nèi)部時(shí)鐘電路（晶振電路）和復(fù)位電路。這幾個部分組成了單片機(jī)的最小系統(tǒng)；復(fù)位電路：RST是一個高電平有效的復(fù)位引腳。當(dāng)RST引腳出現(xiàn)24個振蕩周期以上的高電平時(shí)系統(tǒng)自動復(fù)位。復(fù)位分為兩種方式：上電復(fù)位：當(dāng)RST引腳高電平的輸入時(shí)間超過10ms時(shí)，系統(tǒng)自動復(fù)位。2）手動復(fù)位：手動復(fù)位即按鍵復(fù)位。在下圖中，當(dāng)按鍵未按下時(shí)R2沒有接入到電路當(dāng)中，此時(shí)為上電復(fù)位方式。當(dāng)按鍵按下時(shí)，R1、R2組成分壓電路，能給RST引腳提供高電位實(shí)現(xiàn)復(fù)位。復(fù)位電路原理圖如下：圖3.3復(fù)位電路結(jié)構(gòu)圖時(shí)鐘電路：本次采用了時(shí)鐘電路的內(nèi)部振蕩方式，也稱晶振電路。它能產(chǎn)生時(shí)鐘頻率。而單片機(jī)指令操作的實(shí)現(xiàn)都離不開時(shí)鐘頻率。晶振通常采用三端式電容等效電路。其中C1、C2可以調(diào)整振蕩頻率。電路結(jié)構(gòu)圖如下：圖3.4晶振電路結(jié)構(gòu)圖AT89C51單片機(jī)的最小系統(tǒng)原理圖如下：圖3.5單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖3.3直流電機(jī)簡介直流電機(jī)的組成分為定子和轉(zhuǎn)子兩部分。它能使直流電能及機(jī)械能進(jìn)行相互轉(zhuǎn)化。定子能產(chǎn)生磁場轉(zhuǎn)子能進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換。直流電機(jī)上下裝有永磁體，當(dāng)轉(zhuǎn)子中通入電流時(shí)，線圈將產(chǎn)生安培力，若線圈與磁場方向平行時(shí)轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動，則會受到相反的磁場力，而在電刷與轉(zhuǎn)換片的作用下使電流方向也發(fā)生改變，產(chǎn)生的電磁力方向不變使電機(jī)沿同一方向轉(zhuǎn)動。其基本運(yùn)行原理如下圖所示：圖3.6直流電動機(jī)原理圖在上圖中，當(dāng)電刷AB上加上直流電源，此時(shí)線圈中就有電流通過，其方向?yàn)閺腶到d。通過線圈的電流與磁場的相互作用，則產(chǎn)生電磁力f=Bil，電樞受到電磁力的作用下發(fā)生轉(zhuǎn)動，從而帶動生產(chǎn)設(shè)備旋轉(zhuǎn)。當(dāng)電樞轉(zhuǎn)過180o時(shí)，外部電路的i不變，線圈中的電流大小方向從d到a，此時(shí)電磁力方向不變，電機(jī)沿同一方向旋轉(zhuǎn)。3.4PWM調(diào)速的基本原理PWM調(diào)制技術(shù)是保持電源電壓不變而改變開關(guān)型電子器件的開斷狀態(tài)，使負(fù)載兩端電壓發(fā)生改變的控制技術(shù)。當(dāng)電子器件開通時(shí)，負(fù)載兩端輸出為高電平，當(dāng)電子器件關(guān)斷時(shí)，負(fù)載兩端輸出為低電平。通過電子器件的開斷就能把電壓變成可控的脈沖信號，只需改變電子器件的開關(guān)頻率就能改變PWM信號。從而改變負(fù)載兩端的平均電壓，實(shí)現(xiàn)調(diào)速目的。下圖為PWM脈沖信號輸出波形： Ua Ud T1 T2 t T 圖3.7PWM波形圖上圖中脈沖信號T1段為器件導(dǎo)通（高電平段），T2段為器件關(guān)閉段（低電平段）。定義占空比α為在一個周期內(nèi)，高電平所占的時(shí)長與整個周期的時(shí)長之比，則α=T1/T。當(dāng)電源電壓Ua不變時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速取決于平均電壓Ud的大小，而Ud的大小又與占空比α有關(guān)，因而只要改變占空比α的大小就可以改變直流電機(jī)兩端的電壓進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)控。改變占空比α通常用以下幾種方法：調(diào)頻調(diào)節(jié)電壓為低電平的時(shí)間段T2，T2變化使得占空比α變化。調(diào)寬調(diào)節(jié)電壓為高電平的時(shí)間段T1來改變占空比α。調(diào)寬調(diào)頻同時(shí)調(diào)節(jié)T1、T2來調(diào)節(jié)電機(jī)兩端平均電壓。這種方式可以使電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，且產(chǎn)生PWM脈沖實(shí)現(xiàn)上更方便。3.5電機(jī)驅(qū)動模塊ULN2003A是擁有16個引腳的達(dá)林頓管。由七個反向器組成的集成電路，即當(dāng)輸入為高電平時(shí)輸出為低電平，常用于智能儀表的控制電路中，可直接驅(qū)動繼電器、電磁閥、伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等負(fù)載且?guī)ж?fù)載能力強(qiáng)，適用于高負(fù)荷的驅(qū)動系統(tǒng)中。引腳介紹：1B、2B、3B、4B、5B、6B、7B：信號輸入端；1C、2C、3C、4C、5C、6C、7C：信號輸出端；COM(VCC)：邏輯控制電源;該驅(qū)動模塊的引腳圖結(jié)構(gòu)如下：圖3.8ULN2003A引腳結(jié)構(gòu)圖3.6按鍵控制模塊按鍵控制分為獨(dú)立式和行列式，獨(dú)立式按鍵適用于按鍵數(shù)目較少的系統(tǒng)，每個按鍵占用一條接線，當(dāng)輸入接口較多或電路結(jié)構(gòu)較復(fù)雜時(shí)就需要多個接口和按鍵。因此獨(dú)立式按鍵只適用于電路結(jié)構(gòu)較簡單的系統(tǒng)。行列式按鍵排列成矩陣形式，適合多按鍵的復(fù)雜系統(tǒng)，本系統(tǒng)采用1個獨(dú)立式按鍵。該按鍵與單片機(jī)的P3.2接口相連，初始狀態(tài)為按鍵未按下，并給P3.2接口賦予一個輸出為1的高電平。然后讓單片機(jī)檢測P3.2口的電平變化，若按鍵按下，則P3.2口變?yōu)榈碗娖健Ｔ摪存I與單片機(jī)的引腳接線圖如下圖所示：圖3.9按鍵與單片機(jī)的引腳接線圖3.7LED數(shù)碼管LED數(shù)碼管是由多個二極管組成的“8”字形器件。根據(jù)接線方式的不同分為共陰極和共陽極，公共端為K0。陽極公共端相連時(shí)為共陽極數(shù)碼管，陰極公共端相連時(shí)為共陰極數(shù)碼管。向某個二極管加上正向電壓時(shí)，則該二極管亮，反之則暗。它能顯示多種格式的文件效果。根據(jù)用戶需求的不同，能顯示圖案、數(shù)字、視頻等。當(dāng)多位LED顯示時(shí)，為了節(jié)約成本，將所有段選線并接，用一個多位的I/O口控制。本設(shè)計(jì)用一個按鍵控制一個數(shù)碼管，通過按鍵控制顯示直流電機(jī)運(yùn)行的檔位。下圖為數(shù)碼管與單片機(jī)的引腳接線圖：圖3.10數(shù)碼管與單片機(jī)的引腳接線圖在上圖的電路圖中若要使P0口作為源碼輸出，則P0口需接一個上拉電阻，因此，在P0的輸出端口串聯(lián)一個排阻。第四章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1程序流程開始開始系統(tǒng)初始化系統(tǒng)初始化啟動定時(shí)器T0 啟動定時(shí)器T0數(shù)碼管顯示檔位數(shù)碼管顯示檔位按鍵是否按下？ 否 是根據(jù)按鍵次數(shù)確定當(dāng)前檔位根據(jù)按鍵次數(shù)確定當(dāng)前檔位匹配相應(yīng)的脈沖寬度圖4.1程序流程圖4.2定時(shí)中斷設(shè)計(jì)部分程序設(shè)計(jì)如下：voidDelay(uinti){ uintx,j; for(j=0;j<i;j++) for(x=0;x<=148;x++) ; }voidTime0(void){ TMOD=0x01; //定時(shí)器設(shè)置1msin11.0592Mcrystal TH0=0xFC; TL0=0x66;//定時(shí)1mS ET0=1; EA=1; TR0=1; voidtim(void)interrupt1using1{ staticunsignedcharcount=0; TH0=0xFC; TL0=0x66;//定時(shí)1mS if(count==PWM_ON) { PWM=1; //直流電機(jī)轉(zhuǎn) } count++; if(count==CYCLE) { count=0; PWM=0;//直流電機(jī)不轉(zhuǎn) }} 4.3按鍵消除抖動在按鍵按下時(shí)，按鍵的簧片會有輕微的抖動，需要經(jīng)過一個短暫的延時(shí)簧片才會穩(wěn)定接觸，若在剛按下簧片時(shí)程序就進(jìn)行掃描就可能會影響到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，因此在設(shè)計(jì)程序時(shí)當(dāng)檢測到有按鍵按下時(shí)可以加入一個15ms的延時(shí)，使得按鍵的抖動問題不會影響到實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。常用的按鍵消都有硬件消抖和軟件消抖兩種方法，為了節(jié)約成本，在本次設(shè)計(jì)中采用了軟件消抖的方法，程序如下main(){ ucharPWM_Num; //定義檔位 Time0(); CYCLE=20; //時(shí)間可以調(diào)整 PWM=0; P0=0x06; P2=0xfe; while(1) { if(!KEY1) { Delay(15); if(!KEY1) { PWM_Num++;//按一下P3.2口，就給直流電機(jī)換一個檔位 if(PWM_Num==4) { PWM_Num=0; } switch(PWM_Num) { case0: P0=0x06; PWM_ON=0; break; case1: P0=0x5B; PWM_ON=1; break; case2: P0=0x4F; PWM_ON=2; break; case3: P0=0x66; PWM_ON=3; break; default: break; } while(1) { if(KEY1==1) { Delay(15); if(KEY1==1) { break; } } } } } }}總結(jié)在本次設(shè)計(jì)中，用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了一個簡易的電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)控系統(tǒng)。通過單片機(jī)的定時(shí)器產(chǎn)生PWM信號，把信號傳入驅(qū)動模塊ULN2003A中驅(qū)動直流電機(jī)轉(zhuǎn)動，通過控制開關(guān)型電子器件的開斷狀態(tài)改變PWM信號的脈沖寬度進(jìn)而改變電機(jī)兩端電壓的大小，對電機(jī)進(jìn)行加速或減速的控制。在該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，通過網(wǎng)絡(luò)、課本查閱了與該系統(tǒng)設(shè)計(jì)相關(guān)的文獻(xiàn)及資料。對直流電機(jī)的工作原理有了進(jìn)一步的了解，對AT89C51單片機(jī)和ULN2003基本工作原理及引腳特性都有了更深的認(rèn)識.同時(shí)也將在校期間所學(xué)的知識融入到了該設(shè)計(jì)中，如電機(jī)學(xué)、電力電子技術(shù)、單片機(jī)原理等知識，進(jìn)一步加強(qiáng)了理論與實(shí)踐的結(jié)合。即便如此，在該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中仍有諸多不足之處，對此我將在以后的工作和學(xué)習(xí)中努力完善這些設(shè)計(jì)中的缺陷。附錄源程序#include<reg52.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintsbitKEY1=P3^2; //定義調(diào)速的按鍵sbitPWM=P1^0; //定義直流電機(jī)的控制端口ucharCYCLE; //定義周期ucharPWM_ON; //定義低電平時(shí)間voidDelay(uinti){ uintx,j; for(j=0;j<i;j++) for(x=0;x<=148;x++) ; }voidTime0(void){ TMOD=0x01; //定時(shí)器設(shè)置1msin11.0592Mcrystal TH0=0xFC; TL0=0x66;//定時(shí)1mS ET0=1; EA=1; TR0=1; //定時(shí)器打開}voidtim(void)interrupt1using1{ staticunsignedcharcount=0; TH0=0xFC; TL0=0x66;//定時(shí)1mS if(count==PWM_ON) { PWM=1; //直流電機(jī)轉(zhuǎn) } count++; if(count==CYCLE) { count=0; PWM=0;//直流電機(jī)不轉(zhuǎn) }}main(){ ucharPWM_Num; //定義檔位 Time0(); CYCLE=20; //時(shí)間可以調(diào)整這個是100步調(diào)整周期100ms8位PWM就是256步 PWM=0; P0=0x06; P2=0xfe; while(1) { if(!KEY1) { Delay(15); if(!KEY1) { PWM_Num++; //按一下P3.2口，就給直流電機(jī)換一個檔位 if(PWM_Num==4) { PWM_Num=0; } switch(PWM_Num) { case0: P0=0x06; PWM_ON=0; break; case1: P0=0x5B; PWM_ON=1; break; case2: P0=0x4F; PWM_ON=2; break; case3: P0=0x66; PWM_ON=3; break; default: break; } while(1) { if(KEY1==1) { Delay(15); if(KEY1==1) { break; } } } } } }}參考文獻(xiàn)[1]焦玉鵬.基于51單片機(jī)的PWM直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)[D].2013.5.5.[2]王兆安,黃俊.電力電子技術(shù)[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2000.[3]張才勇,王庭有,李馳骎.基于單片機(jī)的直流電機(jī)調(diào)速控制[J].201911-0885-07.[4]尹冬梅.基于單片機(jī)控制的PWM直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)[J].2015,0(24).[5]陳