【正文】 直流電機(jī)設(shè)計(jì)方案第1章 緒 論當(dāng)今，自動(dòng)化控制系統(tǒng)已經(jīng)在各行各業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展，而直流驅(qū)動(dòng)控制作為電氣傳動(dòng)的主流在現(xiàn)代化生產(chǎn)中起著主要作用。長(zhǎng)期以來(lái)，直流電動(dòng)機(jī)因其轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)比較靈活，方法簡(jiǎn)單，易于大范圍平滑調(diào)速，控制性能好等特點(diǎn)，一直在傳動(dòng)領(lǐng)域占有統(tǒng)治地位。它廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人等工廠自動(dòng)化設(shè)備中。隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，各個(gè)行業(yè)對(duì)直流電機(jī)的需求愈益增大，并對(duì)其性能提出了更高的要求。為此，研究并制造高性能、高可靠性的直流電機(jī)控制系統(tǒng)有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。 本文設(shè)計(jì)開發(fā)了一套基于單片機(jī)的直流電機(jī)多速控制器，作為其配套的試驗(yàn)裝置。論文根據(jù)系統(tǒng)的要求完成了整體方案設(shè)計(jì)和系統(tǒng)選型，針對(duì)所設(shè)計(jì)的控制方案對(duì)控制系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計(jì)作了詳細(xì)論述。硬件部分先作了整體設(shè)計(jì)，然后介紹了以AT89S51單片機(jī)為核心的硬件構(gòu)成，對(duì)調(diào)速電路、測(cè)量電路、閉環(huán)檢測(cè)電路和顯示電路等作了詳細(xì)闡述。軟件部分采用模塊化設(shè)計(jì)思想，編制了各個(gè)模塊的流程圖。論述了軟件的設(shè)計(jì)思想和方法。實(shí)現(xiàn)了對(duì)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)參數(shù)的設(shè)置、啟動(dòng)、停止、加速、減速、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和顯示等功能。利用AT89S51芯片進(jìn)行低成本直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，能夠簡(jiǎn)化系統(tǒng)構(gòu)成、降低系統(tǒng)成本、增強(qiáng)系統(tǒng)性能、滿足更多應(yīng)用場(chǎng)合的需要。針對(duì)直流電機(jī)運(yùn)行環(huán)境惡劣、干擾嚴(yán)重的特點(diǎn)，從系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)等多方面進(jìn)行抗干擾的綜合考慮，并利用多種軟件和硬件技術(shù)來(lái)提高和改善系統(tǒng)的抗干擾能力，有效地提高了系統(tǒng)的可靠性和實(shí)用性。運(yùn)行結(jié)果表明，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的高精度多速度控制，達(dá)到了性能指標(biāo)要求。本設(shè)計(jì)將介紹一種基于單片機(jī)的直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用以單片機(jī)為核心，產(chǎn)生PWM（脈寬調(diào)制）信號(hào)；通過(guò)H橋驅(qū)動(dòng)電路來(lái)控制直流電機(jī)的啟動(dòng)、速度、暫停以及方向的變化；并且采用鍵盤作為輸入，加減改變PWM信號(hào)數(shù)據(jù)；通過(guò)LCD液晶顯示屏顯示電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。對(duì)電動(dòng)機(jī)的控制可分為簡(jiǎn)單控制和復(fù)雜控制兩種，簡(jiǎn)單控制是對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行啟動(dòng)、制動(dòng)、正反轉(zhuǎn)控制和順序控制，復(fù)雜控制是對(duì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)矩、電壓、電流等物理量進(jìn)行控制。本次設(shè)計(jì)可以作為簡(jiǎn)單控制向復(fù)雜控制的過(guò)度，實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)啟動(dòng)、制動(dòng)、正反轉(zhuǎn)控制和順序控制外，還要進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制。為以后復(fù)雜控制做為基礎(chǔ)學(xué)習(xí)。 主要內(nèi)容如下1. 通過(guò)鍵盤設(shè)定步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速及方向2. 接通電源后LCD液晶屏第一行用英文顯示“電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)”的字樣，第二行顯示出電動(dòng)機(jī)當(dāng)前用行狀態(tài)。3. 電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)用過(guò)鍵盤來(lái)控制。4. 其中四只按鍵來(lái)控制電機(jī)正傳、反轉(zhuǎn)、停止和暫停，另外四只按鍵分別來(lái)控制電機(jī)速度每分鐘加、減5轉(zhuǎn)或每分鐘加、減1轉(zhuǎn)。5. 所有運(yùn)行狀態(tài)在LCD液晶屏上都會(huì)顯示出來(lái)。一、 設(shè)計(jì)方案比較與分析：電機(jī)調(diào)速控制模塊：方案一：采用電阻網(wǎng)絡(luò)或數(shù)字電位器調(diào)整電動(dòng)機(jī)的分壓，從而達(dá)到調(diào)速的目的。但是電阻網(wǎng)絡(luò)只能實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速，而數(shù)字電阻的元器件價(jià)格比較昂貴。更主要的問(wèn)題在于一般電動(dòng)機(jī)的電阻很小，但電流很大；分壓不僅會(huì)降低效率，而且實(shí)現(xiàn)很困難。方案二：采用繼電器對(duì)電動(dòng)機(jī)的開或關(guān)進(jìn)行控制，通過(guò)開關(guān)的切換對(duì)小車的速度進(jìn)行調(diào)整。這個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)是電路較為簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是繼電器的響應(yīng)時(shí)間慢、機(jī)械結(jié)構(gòu)易損壞、壽命較短、可靠性不高。方案三：采用由達(dá)林頓管組成的H型PWM電路。用單片機(jī)控制達(dá)林頓管使之工作在占空比可調(diào)的開關(guān)狀態(tài)，精確調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。這種電路由于工作在管子的飽和截止模式下，效率非常高；H型電路保證了可以簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制；電子開關(guān)的速度很快，穩(wěn)定性也極佳，是一種廣泛采用的PWM調(diào)速技術(shù)。兼于方案三調(diào)速特性優(yōu)良、調(diào)整平滑、調(diào)速范圍廣、過(guò)載能力大，因此本設(shè)計(jì)采用方案三。PWM調(diào)速工作方式：方案一：雙極性工作制。雙極性工作制是在一個(gè)脈沖周期內(nèi)，單片機(jī)兩控制口各輸出一個(gè)控制信號(hào)，兩信號(hào)高低電平相反，兩信號(hào)的高電平時(shí)差決定電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。方案二：?jiǎn)螛O性工作制。單極性工作制是單片機(jī)控制口一端置低電平，另一端輸出PWM信號(hào)，兩口的輸出切換和對(duì)PWM的占空比調(diào)節(jié)決定電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。由于單極性工作制電壓波開中的交流成分比雙極性工作制的小，其電流的最大波動(dòng)也比雙極性工作制的小，所以我們采用了單極性工作制。PWM調(diào)脈寬方式：調(diào)脈寬的方式有三種：定頻調(diào)寬、定寬調(diào)頻和調(diào)寬調(diào)頻。我們采用了定頻調(diào)寬方式，因?yàn)椴捎眠@種方式，電動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)比較穩(wěn)定；并且在采用單片機(jī)產(chǎn)生PWM脈沖的軟件實(shí)現(xiàn)上比較方便。PWM軟件實(shí)現(xiàn)方式：方案一：采用定時(shí)器做為脈寬控制的定時(shí)方式，這一方式產(chǎn)生的脈沖寬度極其精確，誤差只在幾個(gè)us。方案二：采用軟件延時(shí)方式，這一方式在精度上不及方案一，特別是在引入中斷后，將有一定的誤差。但是基于不占用定時(shí)器資源，且對(duì)于直流電機(jī)，采用軟件延時(shí)所產(chǎn)生的定時(shí)誤差在允許范圍，故采用方案二。 二、 系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)：總體設(shè)計(jì)方案的硬件部分詳細(xì)框圖如圖一所示。鍵盤向單片機(jī)輸入相應(yīng)控制指令，另一口輸出低電平，經(jīng)過(guò)信號(hào)放大、光耦傳遞，驅(qū)動(dòng)H型橋式電動(dòng)機(jī)控制電路，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速的控制。電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)通過(guò)LCD顯示出來(lái)。電動(dòng)機(jī)所處速度級(jí)以速度檔級(jí)數(shù)顯示。正轉(zhuǎn)時(shí)數(shù)字向右移動(dòng)，反轉(zhuǎn)時(shí)數(shù)字向左移動(dòng)。移動(dòng)速度分7檔，快慢與電動(dòng)機(jī)所處速度級(jí)快慢一一對(duì)應(yīng)。每次電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后開始計(jì)時(shí)，停止時(shí)LCD顯示出本次運(yùn)轉(zhuǎn)所用時(shí)間。系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)與分析電動(dòng)機(jī)PWM驅(qū)動(dòng)模塊的電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)具體電路見下圖二。本電路采用的是基于PWM原理的H型橋式驅(qū)動(dòng)電路。圖二PWM電路由四個(gè)大功率晶體管組成H型橋式電路構(gòu)成，四部分晶體管以對(duì)角組合分為兩組：根據(jù)兩個(gè)輸入端的高低電平?jīng)Q定晶體管的導(dǎo)通和截止。4個(gè)二極管在電路中起防止晶體管產(chǎn)生反向電壓的保護(hù)作用。4個(gè)電感在電路中是起防止電動(dòng)機(jī)兩端的電流和晶體管上的電流過(guò)大的保護(hù)作用。在實(shí)驗(yàn)中的控制系統(tǒng)電壓統(tǒng)一為5v電源，因此若達(dá)林頓管基極由控制系統(tǒng)直接控制，則控制電壓最高為5V，再加上三極管本身壓降，加到電動(dòng)機(jī)兩端的電壓就只有4V左右，嚴(yán)重減弱了電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)力?；谏鲜隹紤]，我們運(yùn)用了4N25光耦集成塊，將控制部分與電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)部分隔離開來(lái)。輸入端各通過(guò)一個(gè)三極管增大光耦的驅(qū)動(dòng)電流；電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)部分通過(guò)外接12V電源驅(qū)動(dòng)。這樣不僅增加了各系統(tǒng)模塊之間的隔離度，也使驅(qū)動(dòng)電流得到了大大的增強(qiáng)。在電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)方面，我們采用了占空比可調(diào)的周期矩形信號(hào)控制。脈沖頻率對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速有影響，脈沖頻率高連續(xù)性好，但帶帶負(fù)載能力差脈沖頻率低則反之。經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，脈沖頻率在40Hz以上，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)，但加負(fù)載后，速度下降明顯，低速時(shí)甚至?xí)＾D(zhuǎn)；脈沖頻率在10Hz以下，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)有明顯跳動(dòng)現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)證明，脈沖頻率在15Hz30Hz時(shí)效果最佳。而具體采用的頻率可根據(jù)個(gè)別電動(dòng)機(jī)性能在此范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。通過(guò)N1輸入信號(hào)，N2輸入低電平與N1輸入低電平，N2輸入信號(hào)分別實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)功能。通過(guò)對(duì)信號(hào)占空比的調(diào)整來(lái)對(duì)車速進(jìn)行調(diào)節(jié)。速度分7檔控制，從高電平（第6檔）到低電平（第0檔）中間占空比以20%逐極遞減。速度微調(diào)方面，可以通過(guò)對(duì)占空比以1%的跨度逐增或逐減分別實(shí)現(xiàn)對(duì)速度的逐加或逐減。系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)編程部分工作采用KELIC51語(yǔ)言完成，采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，與各子程序做為實(shí)現(xiàn)各部分功能和過(guò)程的入口，完成鍵盤輸入、按鍵識(shí)別和功能、PWM脈寬控制和LED顯示等部分的設(shè)計(jì)。單片機(jī)資源分配如下表：P0 顯示模塊接口 外部中斷0（） 鍵盤中斷P1 鍵盤模塊接口 系統(tǒng)主函數(shù)流程如圖三：①PWM脈寬控制：本設(shè)計(jì)中采用軟件延時(shí)方式對(duì)脈沖寬度進(jìn)行控制，延時(shí)程序函數(shù)如下：void delay(unsigned char dlylevel){int i=50*dlylevel。while(i)。}此函數(shù)為帶參數(shù)DLYLEVEL，約產(chǎn)生DLYLEVEL*400us的延時(shí)，因此一個(gè)脈沖周期可以由高電平持續(xù)時(shí)間系數(shù)hlt和低電平持續(xù)時(shí)間系數(shù)llt組成，本設(shè)計(jì)中采用的脈沖頻率為25Hz，可得hlt+llt=100，占空比為hlt/(hlt+llt)，因此要實(shí)現(xiàn)定頻調(diào)寬的調(diào)速方式，只需通過(guò)程序改變?nèi)肿兞縣lt，llt的值，該子程序流程圖如圖四。②鍵盤中斷處理子程序：采用中斷方式，按下鍵，響應(yīng)該中斷處理程序，完成延時(shí)去抖動(dòng)、鍵碼識(shí)別、按鍵功能執(zhí)行。調(diào)速檔、持續(xù)加/減速：調(diào)速檔通過(guò)（06）共七檔固定占空比，即相應(yīng)檔位相應(yīng)改變hlt，llt的值，以實(shí)現(xiàn)調(diào)速檔位的實(shí)現(xiàn)。而要實(shí)現(xiàn)按住加/減速鍵不放時(shí)恒加或恒減速直到放開停止，就需在判斷是否松開該按鍵時(shí)，每進(jìn)行一次增加/減少1%占空比（即hlt++/。llt/++）,其程序流程圖如圖五。③顯示子程序：利用數(shù)組方式定義顯示緩存區(qū)，緩存區(qū)有8位，分別存放各個(gè)LED管要顯示的值。顯示子程序?yàn)橐粠⒆映绦?，參?shù)為顯示緩存的數(shù)組名，通過(guò)for(i=0。i8。i++)方式對(duì)每位加上位選碼，送到P0口并進(jìn)行一兩毫秒延時(shí)。該顯示子程序只對(duì)各個(gè)LED管分別點(diǎn)亮一次，因此在運(yùn)行過(guò)程中，每秒執(zhí)行的次數(shù)不應(yīng)低于每秒24次。④定時(shí)中斷處理程序：采用定時(shí)方式1，因?yàn)閱纹瑱C(jī)使用12M晶振。對(duì)定時(shí)器置初值3CB0H可定時(shí)50ms。當(dāng)50ms定時(shí)時(shí)間到，定時(shí)器溢出則響應(yīng)該定時(shí)中斷處理程序，完成對(duì)定時(shí)器的再次賦值，并對(duì)全局變量time加1，這樣，通過(guò)變量time可計(jì)算出系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間。對(duì)于一個(gè)數(shù)的顯示，先應(yīng)轉(zhuǎn)成BCD碼，即取出每一個(gè)位，分別送入顯示緩存區(qū)，對(duì)于轉(zhuǎn)BCD的算法，應(yīng)對(duì)一個(gè)數(shù)循環(huán)除10取模，直至為0，程序如下：do{dispbuff[bcd_p]=bechange%10。 //dispbuff為顯示緩沖區(qū)數(shù)組bcd_p++。}while(bechange/=10) //disp_p為數(shù)組指針軟件設(shè)計(jì)中的特點(diǎn): 對(duì)于電機(jī)的啟停，在PWM控制上使用漸變的脈寬調(diào)整，即開啟后由停止勻加速到默認(rèn)速度，停止則由于當(dāng)前速度逐漸降至零。這樣有利于保護(hù)電機(jī)，如電機(jī)運(yùn)用于小車上，在啟動(dòng)上采用此方式也可加大啟動(dòng)速度，防止打滑。 對(duì)于運(yùn)行時(shí)間的計(jì)算、顯示。配合傳感器技術(shù)可用于計(jì)算距離，速度等重要的運(yùn)行數(shù)據(jù)。 鍵盤處理上采用中斷方式，不必使程序?qū)︽I盤反復(fù)掃描，提高了程序的效率。三、 測(cè)試結(jié)果與分析：本設(shè)計(jì)在硬件上采用了基于PWM技術(shù)的H型橋式驅(qū)動(dòng)電路，解決了電機(jī)馬驅(qū)動(dòng)的效率問(wèn)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(jī)的使用效率，且具有一定的防飛能力。但該設(shè)計(jì)也有不足之處，主要是在關(guān)于速度的反饋上，無(wú)法提供較為直觀的速度表示方式，因此，有必要引入傳感器技術(shù)對(duì)速度進(jìn)行反饋，以rpm或rps表達(dá)當(dāng)前的轉(zhuǎn)速進(jìn)行顯示。第2章 設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的基本組成單元包括單片機(jī)最小系統(tǒng)、H驅(qū)動(dòng)電路橋、LCD顯示器、鍵盤掃描電路，本章將逐一進(jìn)行介紹。1970年微型計(jì)算機(jī)研制成功之后，隨之即出現(xiàn)了單片機(jī)（即單片微型計(jì)算機(jī)）— 美國(guó)Intel公司1971年生產(chǎn)的4位單片機(jī)4004和1972年生產(chǎn)的雛形8位單片機(jī)8008，這也算是單片機(jī)的第一次公眾亮相。1976年Intel公司首先推出能稱為單片機(jī)的MCS48系列單片微型計(jì)算機(jī)。它以體積小、功能全、價(jià)格低等特點(diǎn)，贏得了廣泛的應(yīng)用，同時(shí)一些與單片機(jī)有關(guān)公司都爭(zhēng)相推出各自的單片機(jī)。1978年下半年Motorola公司推出M6800系列單片機(jī)，Zilog公司相繼推出Z8單片機(jī)系列。1980年Intel公司在MCS48系列基礎(chǔ)上又推出高性能的MCS51系列單片機(jī)。這類單片機(jī)均帶有串行I/O口，定時(shí)器/計(jì)數(shù)器為16位，片內(nèi)存儲(chǔ)容量（RAM，ROM）都相應(yīng)增大，并有優(yōu)先級(jí)中斷處理功能，單片機(jī)的功能、尋址范圍都比早期的擴(kuò)大了，它們是當(dāng)時(shí)單片機(jī)應(yīng)用的主流產(chǎn)品。1982年Mostek公司和Intel公司先后又推出了性能更高的16位單片機(jī)MK68200和MCS96系列，NS公司和NEC公司也分別在原有8位單片機(jī)的基礎(chǔ)上推出了16位單片機(jī)HPC16040和μPD783系列。1987年Intel公司又宣布了性能比8096高兩倍的CMOS型80C196，1988年推出帶EPROM的87C196單片機(jī)。由于16位單片機(jī)推出的時(shí)間較遲、價(jià)格昂貴、開發(fā)設(shè)備有限等多種原因，至今還未得到廣泛應(yīng)用。而8位單片機(jī)已能滿足大部分應(yīng)用的需要，因此，在推出16位單片機(jī)的同時(shí)，高性能的新型8位單片機(jī)也不斷問(wèn)世?？v觀這短短的20年，經(jīng)歷了4次更新?lián)Q代，單片機(jī)正朝著集成化、多功能、多選擇、高速度、低功耗、擴(kuò)大存儲(chǔ)容量和加強(qiáng)I/O功能及結(jié)構(gòu)兼容的方向發(fā)展。新一代的80C51系列單片機(jī)除了上述的結(jié)構(gòu)特性外，其最主要的技特點(diǎn)是向外部接口電路擴(kuò)展，以實(shí)現(xiàn)微控制器（microcontroller）完善的控制功能為己任。這一系列單片機(jī)為外部提供了相當(dāng)完善的總線結(jié)構(gòu)，為系統(tǒng)的擴(kuò)展和配置打下了良好的基礎(chǔ)。由于80C51系列單片機(jī)所具有的一系列優(yōu)越的特點(diǎn)，獲得廣泛使用指日可待。下面我們就來(lái)重點(diǎn)介紹一下本畢業(yè)論文討論的系統(tǒng)所用的AT89C51系列單片機(jī)。 AT89C51系列單片機(jī)介紹 AT89C51系列基本組成及特性AT89C51是一種帶4k字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。而在眾多的51系列單片機(jī)中，要算 ATMEL 公司的AT89C51更實(shí)用，也是一種高效微控制器，因?yàn)樗坏?051指令、管腳完全兼容，而且其片內(nèi)的4K程序存儲(chǔ)器是FLASH工藝的，這種工藝的存儲(chǔ)器，用戶可以用電的方式達(dá)到瞬間擦除、改寫。而這種單片機(jī)對(duì)開發(fā)設(shè)備的要求很低，開發(fā)時(shí)間也大大縮短。AT89C51基本功能描述如下：AT89C51是一種低損耗、高性能、CMOS八位微處理器，而且在其片種還有4k字節(jié)的在線可重復(fù)編程快擦快寫程序存儲(chǔ)器，能重復(fù)寫入/擦除1000次，數(shù)據(jù)保存時(shí)間為十年。它與MCS51系列單片機(jī)在指令系統(tǒng)和引腳上完全兼容，不僅可完全代替MCS51系列單片機(jī)，而且能使系統(tǒng)具有許多MCS51系列產(chǎn)品沒(méi)有的功能。AT89C51可構(gòu)成真正的單片機(jī)最小應(yīng)