摘要

本文主要研究了利用MCS-51系列單片機控制PWM信號從而實現(xiàn)對直流電機轉(zhuǎn)速進行控制的方法。本文中采用了三極管組成了PWM信號的驅(qū)動系統(tǒng)，并且對PWM信號的原理、產(chǎn)生方法以及如何通過軟件編程對PWM信號占空比進行調(diào)節(jié)，從而控制其輸入信號波形等均作了詳細的闡述。另外，本系統(tǒng)中使用了霍爾元件對直流電機的轉(zhuǎn)速進行測量，經(jīng)過處理后，將測量值送到液晶顯示出來。

1 引言

在現(xiàn)代電子產(chǎn)品中，自動控制系統(tǒng)，電子儀器設(shè)備、家用電器、電子玩具等等方面，直流電機都得到了廣泛的應(yīng)用。大家熟悉的錄音機、電唱機、錄相機、電子計算機等，都不能缺少直流電機。所以直流電機的控制是一門很實用的技術(shù)。直流電機，大體上可分為四類：幾相繞組的步進電機、永磁式換流器直流電機、伺服電機、 兩相低電壓交流電機

直流電機的特點是啟動轉(zhuǎn)矩大，最大轉(zhuǎn)矩大，轉(zhuǎn)速控制容易，調(diào)速后效率很高。與交流調(diào)速相比，直流電機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，生產(chǎn)成本高，維護工作量大。隨著大功率晶體管的問世以及矢量控制技術(shù)的成熟，使得矢量控制變頻技術(shù)獲得迅猛發(fā)展，從而研制出各種類型、各種功率的變頻調(diào)速裝置，并在工業(yè)上得到廣泛應(yīng)用。適用范圍：直流調(diào)速器可以應(yīng)用在造紙印刷、紡織印染、光纜設(shè)備、電工技術(shù)設(shè)備、食品加工機械、橡膠加工機械、生物制藥設(shè)備、電路板設(shè)備、實驗器材 、特種加工、輕工業(yè)、 輸送設(shè)備 車輛工程、醫(yī)療設(shè)備、通訊設(shè)備、雷達設(shè)備 等行業(yè)中。高性能的交流傳動應(yīng)用比重逐年上升，在工業(yè)部門中，用可調(diào)速交流傳動取代直流傳動將成為歷史的必然。

盡管如此，我認為設(shè)計一個直流電機調(diào)速系統(tǒng)，不論是從學(xué)習(xí)還是實踐的角度，對一名機電工程專業(yè)的大學(xué)生都會產(chǎn)生積極地作用，有利于提高學(xué)習(xí)熱情。

直流電機擁有有良好的起制動性能，可應(yīng)用于在大范圍內(nèi)的平滑調(diào)速，也可廣泛的應(yīng)用于許多需要調(diào)速或正反向的電力拖動領(lǐng)域中。在控制角度來看，直流調(diào)速更是交流拖動系統(tǒng)的基礎(chǔ)。早期的控制系統(tǒng)較大部分以模擬電路作為基礎(chǔ)，有運算放大器、非線性集成電路和少量數(shù)字電路等，控制系統(tǒng)的硬件部分功能比較復(fù)雜，功能比較單一，而且軟件系統(tǒng)不靈活、不好調(diào)試，不利于直流電動機調(diào)速技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用范圍。伴隨著單片機控制技術(shù)的快速發(fā)展，使得許多控制功能算法以及軟件得以完成，為直流電動機調(diào)速控制提供了更大的發(fā)展空間，并使系統(tǒng)達到更高的性能。采用單片機構(gòu)成控制系統(tǒng)，可以節(jié)約人力資源和降低系統(tǒng)成本，從而有效的提高工作效率。

傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)采用模擬元件，雖然滿足了生產(chǎn)要求，但由于元件易老化和使用時容易受到干擾影響，并且線路很復(fù)雜，控制效果受到器件性能、溫度等因素的影響，故系統(tǒng)的運行可靠性及準確性得不到保證，甚至出現(xiàn)事故。

目前，直流電動機調(diào)速系統(tǒng)數(shù)字化已經(jīng)走向?qū)嵱没�，伴隨著電子技術(shù)的高度發(fā)展，促使直流電機調(diào)速逐步從模擬化向數(shù)字化轉(zhuǎn)變，特別是單片機技術(shù)的應(yīng)用，使直流電機調(diào)速技術(shù)又進入到一個新的階段，智能化、高可靠性已成為它發(fā)展的趨勢。因此實現(xiàn)直流無級調(diào)速對我們社會生產(chǎn)和生活有著重大的意義。

直流電動機根據(jù)勵磁方式不同，分為自勵和他勵兩種類型。不同勵磁方式的機械特性曲線有所不同。對于直流電動機的轉(zhuǎn)速有以下公式：

n=U/Cc-TR內(nèi)/CrCc                   （公式 1-1）

其中：

U—電壓； —勵磁繞組電阻；

—磁通(Wb)；Cc—電勢常數(shù)；Cr—轉(zhuǎn)矩常量。

由上式可知，直流電機的速度控制分兩種方法，有電樞控制法和磁場控制法。比較兩種方法優(yōu)劣，對于磁場控制法，其控制功率較小，低速傳動時易受到磁極飽和限制，而高速傳動時又受到換向火花和換向器結(jié)構(gòu)限制。所以磁場控制法并不合適，電樞控制法在電機調(diào)速中是比較常用的方法。直流電動機的基本結(jié)構(gòu)直流電機的結(jié)構(gòu)是多種多樣的,但任何直流電機都包括定子部分和轉(zhuǎn)子 部分,這兩部分間存在著一定大小的氣隙,使電機中電路和磁場發(fā)生相對運 動.直流電機定子部分主要由主磁極,電刷裝置和換向極等組成,轉(zhuǎn)子部分 主要由電樞繞組,換向器和轉(zhuǎn)軸等構(gòu)成，如圖1-1所示：

圖1-1 直流電機的工作原理圖

電樞控制即在勵磁電壓不變的情況下，把控制電壓信號加到電機的電樞上，以控制電機的轉(zhuǎn)速。在電機調(diào)速中廣泛使用，其中脈寬調(diào)制應(yīng)用廣泛。脈寬調(diào)速的概念是利用一個固定的頻率來控制電源的接通或斷開，并通過改變一個周期內(nèi)“接通”和“斷開”時間的長短，即改變直流電機電樞上電壓的“占空比”來改變平均電壓的大小，從而控制電動機的轉(zhuǎn)速。

根據(jù)上圖，當(dāng)電動機始終接通電源時，電機轉(zhuǎn)速最大為，占空比為D=/T，則電機的平均速度為：，可見只要改變占空比D，就可以得

到不同的電機速度，從而實現(xiàn)調(diào)速。

PWM為主控電路的調(diào)速系統(tǒng)：基于單片機類由軟件來實現(xiàn)PWM，在PWM調(diào)速系統(tǒng)中占空比是一個重要參數(shù)，電源電壓不變時，電樞端電壓的平均值取決于占空比的大小，改變的值可以改變電樞端電壓的平均值：

1、定寬調(diào)頻法：保持不變，只改變t，使周期也隨之改變。

2、調(diào)寬調(diào)頻法：保持t不變，只改變，使周期或頻率也隨之改變。

3、定頻調(diào)寬法：保持周期T(或頻率)不變，同時改變和t。

1，2方法在調(diào)速時改變了控制脈沖的周期或頻率，當(dāng)控制脈沖的頻率與

系統(tǒng)的固有頻率接近時，將會引起振蕩，因而不合適，用定頻調(diào)寬法來改變占空

比從而改變直流電動機電樞兩端電壓。

軟件采用定時中斷進行設(shè)計。當(dāng)單片機上電后，系統(tǒng)進入準備狀態(tài)。當(dāng)按動按鈕后執(zhí)行相應(yīng)的程序，根據(jù)P1.1的高低電平?jīng)Q定直流電機正反轉(zhuǎn)。根據(jù)加、減速按鈕，調(diào)整P1.1輸出高低電平的占空比，從而可以控制高低電平的延時時間，進而控制電壓的大小來決定直流電機的轉(zhuǎn)速。

2 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計

本系統(tǒng)采用STC89C51控制輸出數(shù)據(jù)，由單片機IO口產(chǎn)生PWM信號，送到直流電機，直流電機通過測速電路將實時轉(zhuǎn)速送回單片機，進行轉(zhuǎn)速顯示，從而實現(xiàn)對電機速度和轉(zhuǎn)向的控制，達到直流電機調(diào)速的目的。

圖2-1系統(tǒng)總體設(shè)計圖

STC89C51單片機由CPU和8個部件組成，它們都通過片內(nèi)單一總線連接，其基本結(jié)構(gòu)依然是通用CPU加上外圍芯片的結(jié)構(gòu)模式，但在功能單元的控制上采用了特殊功能寄存器的集中控制方法。其基本組成如下圖所示：

中央處理器CPU：它是單片機的核心，完成運算和控制功能。

內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器：STC89C51芯片中共有256個RAM單元，能作為存儲器使用的只是前128個單元，其地址為00H—7FH。通常說的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器就是指這前128個單元，簡稱內(nèi)部RAM。

內(nèi)部程序存儲器：STC89C51芯片內(nèi)部共有4K個單元，用于存儲程序、原始數(shù)據(jù)或表格，簡稱內(nèi)部ROM。

定時器：STC89C51片內(nèi)有2個16位的定時器，用來實現(xiàn)定時或者計數(shù)功能，并且以其定時或計數(shù)結(jié)果對計算機進行控制。

中斷控制系統(tǒng)：該芯片共有5個中斷源，即外部中斷2個，定時/計數(shù)中斷2個和串行中斷1個。

XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。

3 PWM信號發(fā)生電路設(shè)計

調(diào)速采用PWM（Pulse Width Modulation）脈寬調(diào)制，工作原理：通過產(chǎn)生矩形波，改變占空比，以達到調(diào)整脈寬的目的。PWM的定義:脈寬調(diào)制(PWM)是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。模擬信號的值可以連續(xù)變化，其時間和幅度的分辨率都沒有限制。

電動機PWM驅(qū)動模塊的電路采用H橋驅(qū)動，設(shè)計與實現(xiàn)具體電路見下圖。本電路采用的是基于PWM原理的驅(qū)動電路。

PWM電路由復(fù)合體管組成，兩個輸入端高低電平控制晶體管是否導(dǎo)通或截止。NPN的三極管高電平輸入時導(dǎo)通，PNP的三極管低電平輸入時導(dǎo)通，當(dāng)Q1和Q2都導(dǎo)通時，Q3和Q6截止，Q4和Q5導(dǎo)通，電機兩端都是GND，電機是不轉(zhuǎn)的，當(dāng)Q1和Q2都截止時，Q3和Q6導(dǎo)通，Q4和Q5截止，電機兩端都是VCC，電機也是不轉(zhuǎn)的，那么，當(dāng)Q1導(dǎo)通，Q2截止時，Q4和Q6導(dǎo)通，電機右邊是電源，左邊是地，電機逆時針轉(zhuǎn)動，此時保持Q2截止，PWM控制Q1的導(dǎo)通截止，就可以控制電機的速度，同理，當(dāng)Q1截止，Q2導(dǎo)通時，Q3和Q5導(dǎo)通，電機的左邊是電源，右邊是地，電機順時針轉(zhuǎn)動，此時保持Q1截止，PWM控制Q2的導(dǎo)通截止就可以控制電機的轉(zhuǎn)速。4個二極管在電路中的作用是防止晶體管產(chǎn)生不當(dāng)反向電壓，以及電機兩端電流和晶體管上的電流過大保護。

H橋式電動機驅(qū)動電路包括4個三極管和一個電機，因為它的形狀與字母H相似，故因此而得名。如下圖 所示，要使電動機成功運轉(zhuǎn)，須對對角線上的一對三極管通電。據(jù)不同的三極管對的導(dǎo)通通電的情況，電流會從右至左或相反方向流過電機，從而改變電機的轉(zhuǎn)動方向。

因此要想使電動機運轉(zhuǎn)，必須使對角線上兩個三極管通電。例如，當(dāng)Q2管與Q3管導(dǎo)通時，電流 從電源正極經(jīng)Q2從左到右通過電機，再經(jīng) Q3到電源的負極。同樣Q1與Q4亦是如此，由電流箭頭可看，驅(qū)動電動機將順時針轉(zhuǎn)動。

5 主電路設(shè)計

5.1 單片機最小系統(tǒng)

液晶部分的電路圖如下圖所示：

LCD 1602也被稱作1602字符型液晶。它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等的點陣型液晶模塊，它有若干個或者等點陣字符位組成，每個點陣字符位都可以顯示一個字符。每位之間有一個點距的間隔，每行之間也有也有間隔，這樣則起到了字符間距和行間距的作用，也正因為如此，它不能顯示圖形。

LCD 1602是指顯示的內(nèi)容為，即可以顯示兩行，每行16個字符液晶模塊（顯示字符和數(shù)字）。LCD 1602實物圖如圖3-4所示，LCD 1602引腳圖如圖3-5所示。

LCD 1602可以采用兩種方式與單片機連接，一種是采用8位數(shù)據(jù)總線D0～D7，和RS、R/W、EN三個控制端口；另一種是只用D4～D7作為四位數(shù)據(jù)分兩次傳送。

進行LCD設(shè)計主要是LCD的控制/驅(qū)動和外界的接口設(shè)計。控制主要是通過接口與外界通信、管理內(nèi)/外顯示RAM，控制驅(qū)動器，分配顯示數(shù)據(jù)；驅(qū)動主要是根據(jù)控制器要求，驅(qū)動LCD進行顯示。控制器還常含有內(nèi)部ASCII字符庫，或可外擴的大容量漢字庫。

單片機AT89S52的P1.1與LCD 1602的使能端E相連，GND與讀寫選擇端R/W相連，P1.0與RS相連，當(dāng)使能端使能時，再通過命令選擇端來控制讀數(shù)據(jù)，寫數(shù)據(jù)，寫命令。控制P0端口與LCD 1602的數(shù)據(jù)端口相連，傳輸數(shù)據(jù)。

LCD 1602液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生內(nèi)存（CGROM）已經(jīng)存儲了160個不同的點陣字符圖形，這些字符有：阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號、和日文假名等，每一個字符都有一個固定的代碼，比如大寫的英文字母“A”的代碼是01000001B（41H），顯示時模塊把地址41H中的點陣字符圖形顯示出來，我們就能看到字母“A”。

LCD 1602液晶模塊內(nèi)部的控制器共有11條控制指令，它的讀寫操作、屏幕和光標的操作都是通過指令編程來實現(xiàn)的。（說明：1為高電平、0為低電平）

指令1：清顯示，指令碼01H，光標復(fù)位到地址00H位置；

指令2：光標復(fù)位，光標返回到地址00H；

指令3：光標和顯示模式設(shè)置I/D：光標移動方向，高電平右移，低電平左移S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高電平表示有效，低電平則無效；

指令4：顯示開關(guān)控制。D：控制整體顯示的開與關(guān)，高電平表示開顯示，低電平表示關(guān)顯示C：控制光標的開與關(guān)，高電平表示有游標，低電平表示無游標B：控制光標是否閃爍，高電平閃爍，低電平不閃爍；

指令5：光標或顯示移位元S/C：高電平時移動顯示的文字，低電平時移動光標；

指令6：功能設(shè)置命令DL：高電平時為4位總線，低電平時為8位總線N：低電平時為單行顯示，高電平時雙行顯示F：低電平時顯示5×7的點陣字符，高電平時顯示5×10的點陣字符；

指令7：字符發(fā)生器RAM地址設(shè)置；

指令8：DDRAM地址設(shè)置；

指令9：讀忙信號和光標地址BF：為忙標志位，高電平表示忙，此時模塊不能接收命令或者數(shù)據(jù)，如果為低電平表示不忙；

指令10：寫數(shù)據(jù)；

指令11：讀數(shù)據(jù)。

液晶顯示模塊是一個慢顯示器件，所以在執(zhí)行每條指令之前一定要確認模塊的忙標志為低電平，表示不忙，否則此指令失效。要顯示字符時要先輸入顯示字符地址，也就是告訴模塊在哪里顯示字符。

本設(shè)計采用按鍵接低的方式來讀取按鍵，單片機初始時，因為為高電平，當(dāng)按鍵按下的時候，會給單片機一個低電平，單片機對信號進行處理

單片機鍵盤有獨立鍵盤和矩陣式鍵盤兩種：獨立鍵盤每一個I/O 口上只接一個按鍵，按鍵的另一端接電源或接地（一般接地），這種接法程序比較簡單且系統(tǒng)更加穩(wěn)定；而矩陣式鍵盤式接法程序比較復(fù)雜，但是占用的I/O少。根據(jù)本設(shè)計的需要這里選用了獨立式鍵盤接法。

獨立式鍵盤的實現(xiàn)方法是利用單片機I/O口讀取口的電平高低來判斷是否有鍵按下。將常開按鍵的一端接地，另一端接一個I/O 口，程序開始時將此I/O口置于高電平，平時無鍵按下時I/O口保護高電平。當(dāng)有鍵按下時，此I/O 口與地短路迫使I/O 口為低電平。按鍵釋放后，單片機內(nèi)部的上拉電阻使I/O口仍然保持高電平。我們所要做的就是在程序中查尋此I/O口的電平狀態(tài)就可以了解我們是否有按鍵動作了。

在用單片機對鍵盤處理的時候涉及到了一個重要的過程，那就是鍵盤的去抖動。這里說的抖動是機械的抖動，是當(dāng)鍵盤在未按到按下的臨界區(qū)產(chǎn)生的電平不穩(wěn)定正常現(xiàn)象，并不是我們在按鍵時通過注意可以避免的。這種抖動一般10~200毫秒之間，這種不穩(wěn)定電平的抖動時間對于人來說太快了，而對于時鐘是微秒的單片機而言則是慢長的。硬件去抖動就是用部分電路對抖動部分加之處理，軟件去抖動不是去掉抖動，而是避抖動部分的時間，等鍵盤穩(wěn)定了再對其處理。所以這里選擇了軟件去抖動，實現(xiàn)法是先查尋按鍵當(dāng)有低電平出現(xiàn)時立即延時10~200毫秒以避開抖動（經(jīng)典值為20毫秒），延時結(jié)束后再讀一次I/O 口的值，這一次的值如果為1 表示低電平的時間不到10~200 毫秒，視為干擾信號。當(dāng)讀出的值是0時則表示有按鍵按下，調(diào)用相應(yīng)的處理程序。硬件電路如圖3-15所示：

圖 按鍵部分電路

用于測量的A44E集成霍爾開關(guān)，磁鋼用直徑D=6.004mm，長度為L=3.032mm的釹鐵硼磁鋼。電源用直流，霍爾開關(guān)輸出由四位半直流數(shù)字電壓表測量，磁感應(yīng)強度B用95A型集成霍爾元件測量。

圖3-7霍爾片管腳        管腳接線

根據(jù)霍爾效應(yīng)，人們用半導(dǎo)體材料制成的元件叫霍爾元件。它具有對磁場敏感、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、頻率響應(yīng)寬、輸出電壓變化大和使用壽命長等優(yōu)點，因此，在測量、自動化、計算機和信息技術(shù)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

霍爾傳感器A3144是Allegro MicroSystems公司生產(chǎn)的寬溫、開關(guān)型霍爾效應(yīng)傳感器，其工作溫度范圍可達-40℃～150℃。它由電壓調(diào)整電路、反相電源保護電路、霍爾元件、溫度補償電路、微信號放大器、施密特觸發(fā)器和OC門輸出極構(gòu)成，通過使用上拉電阻可以將其輸出接入CMOS邏輯電路。該芯片具有尺寸小、穩(wěn)定性好、靈敏度高等特點，有兩種封裝形式，一種是3腳貼片微小型封裝，后綴為“LH”；另一種是3腳直插式封裝，后綴為“UA”。

A3144E系列單極高溫霍爾效應(yīng)集成傳感器是由穩(wěn)壓電源，霍爾電壓發(fā)生器，差分放大器，施密特觸發(fā)器和輸出放大器組成的磁敏傳感電路，其輸入為磁感應(yīng)強度，輸出是一個數(shù)字電壓訊號。它是一種單磁極工作的磁敏電路，適用于矩形或者柱形磁體下工作。可應(yīng)用于汽車工業(yè)和軍事工程中。

霍爾傳感器的外形圖和與磁場的作用關(guān)系如圖2-4所示。磁場由磁鋼提供，所以霍爾傳感器和磁鋼需要配對使用。

霍爾元件和磁鋼                            管腳圖

圖3-8 霍爾傳感器的外形圖

該霍爾傳感器的接線圖如圖3-9所示。

  圖3-9 霍爾傳感器的接線圖

測量電機轉(zhuǎn)速的第一步就是要將電機的轉(zhuǎn)速表示為單片機可以識別的脈沖信號，從而進行脈沖計數(shù)。霍爾器件作為一種轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的傳感器，它有結(jié)構(gòu)牢固、體積小、重量輕、壽命長、安裝方便等優(yōu)點，因此選用霍爾傳感器檢測脈沖信號，其基本的測量原理如圖2-6所示，當(dāng)電機轉(zhuǎn)動時，帶動傳感器運動，產(chǎn)生對應(yīng)頻率的脈沖信號，經(jīng)過信號處理后輸出到計數(shù)器或其他的脈沖計數(shù)裝置，進行轉(zhuǎn)速的測量[6]。

圖3-10霍爾器件測速原理

6 系統(tǒng)功能調(diào)試

仿真整體圖如下：

總結(jié)

本文所述的直流電機PWM調(diào)速系統(tǒng)是以低價位的單片微機STC89C51為核心的，而通過單片機來實現(xiàn)電機調(diào)整又有多種途徑，相對于其他方法，如用硬件或者硬件與軟件相結(jié)合的方法對電機轉(zhuǎn)速進行調(diào)整，采用PWM軟件方法來實現(xiàn)調(diào)速過程的優(yōu)點是擁有更大靈活性和更低成本，它能夠有效發(fā)揮單片機控制優(yōu)點和效能，對于簡易的速度控制系統(tǒng)實現(xiàn)提供了較為有效的途徑。

致謝

經(jīng)過這次畢業(yè)設(shè)計我感受頗多，在正式進行設(shè)計之前，我參考了一些網(wǎng)上的資料，通過對這些設(shè)計方案來開拓自己的思路，最后終于有了自己的思路。

此次畢業(yè)設(shè)計不僅是對前面所學(xué)單片機技術(shù)和運動控制理論的一種檢驗，更是對所學(xué)知識大融合，站在新的高度看待新的問題，而且也是對自己運用所學(xué)知識的能力的一種提高。通過這次畢業(yè)設(shè)計使我明白了自己原來知識還比較欠缺，自己要學(xué)習(xí)的東西還太多。以前老是覺得自己什么東西都會，什么東西都懂，有點眼高手低。通過這次課程設(shè)計，我才明白學(xué)習(xí)是一個長期積累的過程，在以后的工作、生活中都應(yīng)該不斷的學(xué)習(xí)，努力提高自己知識和綜合素質(zhì)。

本設(shè)計在硬件上采用了基于PWM技術(shù)的H型橋式驅(qū)動電路，解決了電機馬驅(qū)動的效率問題，在軟件上也采用較為合理的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及算法，提高了單片機的使用效率，且更有效的控制電機。

這次畢設(shè)使我深感要注重理論知識，注重理論聯(lián)系實際。以前一直覺得理論知識離我們很遠，理論只是大談空談，這才發(fā)現(xiàn)理論的重要性，這才發(fā)現(xiàn)理論知識與生活的聯(lián)系的重要性。

最后，我要感謝魏老師對我這次畢業(yè)設(shè)計的大力支持，使我不僅在知識方面有了更深一步的了解，并且在我設(shè)計東西的思路與邏輯方面有更深刻的影響，使我知道了設(shè)計思路與邏輯的重要性，讓我獲益匪淺。

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