【正文】 直流調(diào)速系統(tǒng)向數(shù)字化方向發(fā)展成為一種趨勢(shì)。運(yùn)用低成本的自動(dòng)化技術(shù)不僅有益于獲得經(jīng)濟(jì)效益，而且還能提高生產(chǎn)率。 通過利用單片機(jī)產(chǎn)生 PWM 控制信號(hào)控制直流電機(jī)，詳細(xì)介紹脈寬調(diào)制（ PWM）控制原理，直流電機(jī)的工作原理和數(shù)學(xué)模型以及 用 H 型橋電路基本原理 設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路。 系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中 被控對(duì)象 采用 5V 的直流電機(jī)， 以 MCS51 單片機(jī)為控制核心， 采用 LCD1602 液晶作為顯示元件，進(jìn)行 軟硬件的設(shè)計(jì)。 PWM 控制提高了調(diào)速范圍， 提高了調(diào)速精度，改善了快速性能、功率和功率因數(shù)。 本系統(tǒng) PWM 控制直流電機(jī)采用調(diào)壓調(diào)速的方法，整體設(shè)計(jì)包括軟件和硬件兩個(gè)部分。而對(duì)于低成本的自動(dòng)化技術(shù)更是受到國(guó)內(nèi)外各類企業(yè)的青睞，尤其是小型企業(yè)。例如：軍事和宇航方面的雷達(dá)天線、火炮瞄準(zhǔn)、慣性導(dǎo)航等的控制；工業(yè)方面的數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、印刷機(jī)械等設(shè)備的控制；計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備以及辦公設(shè)備；音響設(shè)備以及家用電器中的錄音機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、洗衣機(jī)、空調(diào)等的控制。利用這種能自關(guān)斷的器件，取消了原來普通晶閘管所必須的換向電路，簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)，提高了效率，提高了工作頻率，降低了噪聲，也縮小了電力電子裝置的體積和重量。隨后的十沈陽理工大學(xué)應(yīng)用 技術(shù)學(xué)院 學(xué)士學(xué)位 論文 2 多年，由于出現(xiàn)了寬調(diào)速永磁直流電機(jī)，它們之間的結(jié)合促使 PWM 技術(shù)的快速發(fā)展，并使得電氣驅(qū)動(dòng)技術(shù)達(dá)到了一個(gè)新的高度。 如今電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和電機(jī)控制技術(shù)相結(jié)合的趨勢(shì)更加明顯，促進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)以更快速度向前發(fā)展。 沈陽理工大學(xué)應(yīng)用 技術(shù)學(xué)院 學(xué)士學(xué)位 論文 3 1 系統(tǒng)的總體分析與器件的選擇 本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案 單片機(jī)時(shí) 鐘 電 路鍵 盤 控 制 電 路霍 爾 測(cè) 速 電 路L C D 顯 示 電 路驅(qū) 動(dòng) 電 路直 流 電 機(jī)復(fù) 位 電 路 圖 直流電機(jī) PWM 控制系統(tǒng)的方框圖 從直流電機(jī) PWM 控制系統(tǒng)圖 中，可以清楚的看到系統(tǒng)的各個(gè)組成部分，包括：鍵盤控制電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、 LCD 顯示電路、驅(qū)動(dòng)電路、霍爾測(cè)速電路以及被控對(duì)象直流電機(jī)與系統(tǒng)的核心元件單片機(jī)。STC89 系列單片機(jī)高速（最高時(shí)鐘頻率 90MHz），低功耗，在系統(tǒng)中應(yīng)用可編程（ ISP，IAP），不占用用戶資源。 （ 1） STC89C52 系列單片機(jī)引腳功能分類單片機(jī)引腳結(jié)構(gòu)圖如圖 所示： 圖 STC89C52 引腳結(jié)構(gòu)圖 STC89C52 是 40 引腳雙列直插式封裝，由于 DIP40 封裝系列與 8051 為 pintopin兼容 ，則他管腳功能兼容 8051 的功能。 STC89C52 主要性能和參數(shù) [3]： ① 它具有低功耗，超低價(jià)，高速（ 0～ 90M） ， 高可靠性的特點(diǎn)； ② RC/RD+系列為真正的看門狗，缺省為關(guān)閉（冷啟動(dòng)），啟動(dòng)后無法關(guān)閉可放心省沈陽理工大學(xué)應(yīng)用 技術(shù)學(xué)院 學(xué)士學(xué)位 論文 5 去外部看門狗； ③ 內(nèi)部 Flash 擦寫次數(shù)為 100000 次以上； ④ STC89C52RC/RD+系列單片機(jī)出廠時(shí)就已完全加密，無法解密，用戶程是用ISP/IAP 機(jī)制寫入，一邊校驗(yàn)一邊寫，無讀出命令，徹底無法解密； ⑤ 具有 8 個(gè)中斷源、 6 個(gè)中斷矢量、 2 個(gè)優(yōu)先權(quán)的中斷機(jī)構(gòu)； ⑥ 低功耗模式有空閑模式和掉電模式； ⑦ 工作電壓是（ ～ 5v），典型值是 5v。 2 個(gè) Flash存儲(chǔ)塊在物理上 Block0 在前， Block1 在后。已經(jīng)編程的器件也可以用 ISP 方式擦除或再編程。系統(tǒng)復(fù)位時(shí)，單片機(jī)檢查狀態(tài)字節(jié)中的內(nèi)容。 STC89C52RC/RD+系列單片機(jī)出廠時(shí)就已完全加密，無法解密，用戶程序是用ISP/IAP 機(jī)制寫入，一邊校驗(yàn)一邊寫，無讀出命令，徹底無法解密； ISP 主要應(yīng)用于在線（或遠(yuǎn)程）升級(jí)，通過執(zhí)行 ISP 引導(dǎo)碼改寫用戶程序，無須編程，無須親臨現(xiàn)場(chǎng)。 IAP 功能就是在應(yīng)用可編程，利用該功能，就可將本不具有 EEPROM 的單片機(jī)具有相當(dāng)于 EEPROM的功能，而且存儲(chǔ)空間遠(yuǎn)大于 EEPROM。程序流程定位： Block1（ ISP 引導(dǎo)碼）到 Block0（用戶程序 REMAP 部分）到 Block1（用戶程序） 要使用 IAP 功能，必須啟用 IAP 功能。 （ 2）可以對(duì)產(chǎn)品升級(jí)軟件進(jìn)行升級(jí)。 （ 3）還可以在線對(duì)產(chǎn)品參數(shù)修改。Protel99SE 是 Protel 公司近 10 年來致力于 Windows 平臺(tái)開發(fā)的最新結(jié)晶，能實(shí)現(xiàn)從電學(xué)概念設(shè)計(jì)到輸出物理生產(chǎn)數(shù)據(jù)，以及這之間的所有分析、驗(yàn)證和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)管理。設(shè)計(jì)本著簡(jiǎn)單明了，成本低廉，實(shí)用性強(qiáng)的原則。 設(shè)計(jì) 主要能 及時(shí) 準(zhǔn)確生動(dòng)的的進(jìn)行 數(shù) 據(jù)的顯示， 以便于 直觀的看到 電機(jī)的轉(zhuǎn)速 變化 、正反方向以及占空比等 情況 。 沈陽理工大學(xué)應(yīng)用 技術(shù)學(xué)院 學(xué)士學(xué)位 論文 8 圖 單片機(jī) 的時(shí)鐘電路原理圖 振蕩器的振蕩頻率主要取決于晶體；電容對(duì)振蕩頻率有微調(diào)作用，通常在 30pF 左右。復(fù)位的功能是把程序計(jì)數(shù)器 PC 值初始化為 0000H，使單片機(jī)從 0000H 單元開始執(zhí)行程序。操作 復(fù)位是指用戶按下 “ 復(fù)位 ” 按鈕使單片機(jī)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài) [4]。 當(dāng)按鈕 S0 按下時(shí)， RST 上同樣出現(xiàn)高電平 ， 實(shí)現(xiàn)復(fù)位。 液晶顯示器 （ LCD） 是平板顯示器的一種，具有低電壓、微功耗、無輻射、小體積等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各種嵌入式產(chǎn)品中。也可完成圖形顯示。本設(shè)計(jì)選用 LCD1602。 （ 二 ） 引腳功能說明 1602LCD 采用標(biāo)準(zhǔn)的 14 腳（無背光）或 16 腳（帶背光）接口，各引腳接口說明如表 。當(dāng) RS 和 R/W 共同為低電平時(shí)可以寫入指令或者顯示地址，當(dāng) RS 為低電平 R/W 為高電平時(shí)可以讀忙信號(hào)，當(dāng) RS 為高電平 R/W為低電平時(shí)可以寫入數(shù)據(jù)。 在對(duì)液晶模塊的初始化中要先設(shè)置其顯示模式，在液晶模塊顯示字符時(shí)光標(biāo)是自動(dòng)右移的，無需人工干預(yù)。因而本設(shè)計(jì)采用液晶顯示器顯示溫室環(huán)境信息。 這里采用總 線式接口方式。 單片機(jī)將數(shù)據(jù) 發(fā)送到 LCD 顯示模塊 ， 并控制 LCD 顯示模塊按照一定的格式顯示的 功能。根據(jù)實(shí)際情況，本系統(tǒng)采用 獨(dú)立式鍵盤設(shè)計(jì)。當(dāng)按下 S2 后，正好相反，能夠使轉(zhuǎn)速減小。 圖 溫度上下限調(diào)節(jié)電路原理圖 四 個(gè)按鈕控制功能如下： S1： 增加 PWM 波形的占空比 。 霍爾測(cè)速電路的設(shè)計(jì) 所謂霍爾效應(yīng) [6]，是指磁場(chǎng)作用于載流金屬導(dǎo)體、半導(dǎo)體中的載流子時(shí)，產(chǎn)生橫向電位差的物理現(xiàn)象。通?？梢杂糜?jì)數(shù)法、測(cè)脈寬法和等精度法來進(jìn)行測(cè)試。因此，這兩種都存在一定的誤差第一種方法適合信號(hào)頻率高的情況。實(shí)際中安裝方法如圖 所示。 圖 霍爾元件連接圖 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) 直流 電 機(jī)簡(jiǎn)介 直流電動(dòng)機(jī)，這些年來一直作為換能器。在電樞鐵芯上放置由 A 和 B 兩根導(dǎo)體連成的電樞線圈，線圈的首端和末端分別連到兩個(gè)圓弧形的銅片上，此銅片稱為換向片。 圖 有刷直流電機(jī)的物理模型圖 有刷直流電機(jī)的工作原理如圖 所示。改變電樞電壓主要是從額定電壓往下降低電樞電壓，從電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速向下變速，屬于橫轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法。改變磁通可以實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，但只能減弱磁通進(jìn)行調(diào)速（簡(jiǎn)稱弱磁調(diào)速），從電機(jī)額定轉(zhuǎn)速向上調(diào)速，屬于恒功率調(diào)速方法。但是只能進(jìn)行有級(jí)調(diào)速，調(diào)速平滑性差，機(jī)械特性較軟；空載時(shí)幾乎沒有什么調(diào)速作用；還會(huì)在調(diào)速電阻上消耗大量的電能。 H 型橋驅(qū)動(dòng)電路 利用 PWM 波控制直流電機(jī)，實(shí)際就是將 PWM 波加載到電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的兩端。電路中， H橋式電路驅(qū)動(dòng)電路包括四個(gè)三極管和一個(gè)直流電機(jī)。當(dāng)三極管 Q1 和 Q4 導(dǎo)通時(shí)，電流將從左向右流過電機(jī)，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)按特定方向轉(zhuǎn)動(dòng)。此時(shí)，電路中只有兩個(gè)三極管 而沒有其他的任何負(fù)載，因此電路上的電流可能達(dá)到最大值（該電流受電源性能限制），甚至燒壞三極管。由于單極性工作制電壓波中的交流成分比雙極性工作制中的小，其電流的最大波動(dòng)也 比雙極性工作制的小，所以實(shí)際設(shè)計(jì)中采用的是單極性工作制。主程序的流程圖如圖 所示 。 圖 主程序流程圖 以下是主程序： void main() { init()。}//增加 if(!s2) {k1++。 if(k1==100)k1=0。if(k1==20)tem[1]++。 } } 系統(tǒng)初始化 子 程序設(shè)計(jì) 系統(tǒng)初始化 設(shè)計(jì)包括 LCD 液晶初始化和單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器的初始化，以及單片機(jī)端口初始化幾部分。液晶顯示子程序的邏輯圖如圖 所示。定時(shí)器 T0 工作在定時(shí)狀態(tài)，定時(shí)器 T1 工作在技術(shù)狀態(tài)。 一般來說 ， 系統(tǒng)調(diào)試分為硬件調(diào)試和軟件調(diào)試兩部分。 硬件調(diào)試 一 、 硬件調(diào)試方法 （ 1）靜態(tài)調(diào)試 在樣機(jī)加電之前，先用萬用表等工具，根據(jù)硬件邏輯設(shè)計(jì)圖仔細(xì)檢查樣機(jī)線路的正確性，核對(duì)元器件型號(hào)、規(guī)格和安裝是否符合要求。這類錯(cuò)誤包括錯(cuò)線、開路、短路，其中短路是最常見也是最 難以排出的故障。一次只執(zhí)行一條指令，在每步完成后又返回臨控調(diào)試程序。用戶可以在程序任何處設(shè)置斷點(diǎn)，當(dāng)程序執(zhí)行到斷點(diǎn)時(shí)，控制返回到臨控調(diào)試程序。能按匯編語言程序的符號(hào)進(jìn)行調(diào)試。 在 Keil 軟件的工具欄中選 Debug 進(jìn)行調(diào)試，調(diào)試文件 時(shí) 得選好時(shí)鐘芯片的晶振 為，將文件先分段調(diào)試， 然后再將整個(gè)文件一起 調(diào)試。 在調(diào)試中，并不是一次就能成功的。 評(píng)價(jià)一個(gè)系統(tǒng)做的如何，不僅要看硬件的構(gòu)造，成本是否低廉，實(shí)用性是否較強(qiáng)，適應(yīng)環(huán)境是否多變，還要看軟件是否比較簡(jiǎn)練。用過匯編語言后再使用 C 來開發(fā)，體會(huì)更加深刻。下面詳細(xì)介紹 Keil C51 開發(fā)系統(tǒng)各部分功能和使用 [10]。目標(biāo)文件可由 LIB51 創(chuàng)建生成庫文件，也可以與庫文件一起經(jīng) L51 連接定位生成絕對(duì)目標(biāo)文件 （ .ABS） 。對(duì)于 Keil 更詳細(xì)的介紹，可以參考一些專門書籍資料。這樣，在編譯的時(shí)候，其他的文件會(huì)被自動(dòng)的導(dǎo)入到工程里來。 圖 Keil 軟件打開新工程界面 點(diǎn)開后，在出現(xiàn)的對(duì)話框中選擇工程存在路徑，單擊 “ 保存 ” 后，出現(xiàn)（如圖 所示）界面。 接下來的事，就是在這個(gè)工程里面加入自己的程序代碼。 到目前為步，我們已經(jīng)建立了一個(gè)工程，也寫了一個(gè)程序代碼。在打開的對(duì)話框中，選擇剛存的文件路徑和對(duì)應(yīng)的擴(kuò)展名。接著， Keil 會(huì)打出下面的提示： Build target 39。出現(xiàn)如圖 所示對(duì)話框，選擇 “Output”按圖示，將箭頭所指的多選框勾上，點(diǎn) “ 確定 ” 。同樣的，在這里，只對(duì) Debug 進(jìn)行簡(jiǎn)單應(yīng)用介紹，更詳細(xì)的使用方法可以參看相關(guān)書籍資料。 沈陽理工大學(xué)應(yīng)用 技術(shù)學(xué)院 學(xué)士學(xué)位 論文 32 圖 Keil 調(diào)試界面 點(diǎn)擊 中對(duì)應(yīng)的工具按鈕則可以開始調(diào)試。 （二） STCISP 軟件 這里采用的單片機(jī)程序燒寫軟件 ， 這個(gè)軟件在 網(wǎng)上流傳很廣，因?yàn)槠湎螺d線制作簡(jiǎn)單。在左上角的芯片型號(hào)選擇列表框中選擇對(duì)應(yīng)的芯片型號(hào)，單擊檢測(cè)器件，如果軟件提示檢測(cè)到 器件，則硬件電路沒有問題，接下來就開始往單片機(jī)里燒寫程序了，單擊 “ 打開文件 ” 出現(xiàn)所示對(duì)話框。在實(shí)際的模擬運(yùn)行當(dāng)中，系統(tǒng)運(yùn)行非常穩(wěn)定，各個(gè)部分工作協(xié)調(diào)，完全達(dá)到了設(shè)計(jì)的基本要求。同時(shí)電樞回路電流變化遇到的時(shí)間常數(shù)較 小，能快速響應(yīng)，效率比較高。 實(shí)際中采用霍爾元件測(cè)速，基于霍爾元件的優(yōu)越性能，遠(yuǎn)比光測(cè)所得的數(shù)據(jù)更為 準(zhǔn)確。它屬于字符點(diǎn)陣式的顯示器，共能顯示 16x2個(gè)字符，顯示功能相比數(shù)碼管而言，非常強(qiáng)大。 沈陽理工大學(xué)應(yīng)用 技術(shù)學(xué)院 學(xué)士學(xué)位 論文 35 致 謝 本文的研究工作是在我的導(dǎo)師 劉義杰老師 的精心指導(dǎo)和悉心關(guān)懷下完成的， 從論文選題到課題難點(diǎn)的解決， 劉老師 都給予了本人悉心地指導(dǎo)。在此我要向我的導(dǎo)師致以最衷心的感謝和深深的敬意。 在論文即將完成之際，謹(jǐn)向所有在我課題研究和論文完成期間曾教我學(xué)業(yè)、助我研究、關(guān)心我學(xué)習(xí)和生活的老師、同學(xué)、朋友和家人致以最真摯的謝意 ！ 沈陽理工大學(xué)應(yīng)用 技術(shù)學(xué)院 學(xué)士學(xué)位 論文 36 參考文獻(xiàn) [1] 沙占友，王彥朋 ，孟志永 ． 單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì) ． 第一版 ．北京電子工業(yè) 出版社，2020： P135－ 137， P222－ 226． [2] 何立民 ． 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì) ． 第三版 ． 航空航天大學(xué)出版社， 1994： P24－ 38． [3] 姚永平 ． STC89C52RC/RD+系列單片機(jī)中文指南 ． 深圳 ． 宏晶科技， 2020． [4] 鄭毛祥 ． 單片機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ) ． 第一版 ． 人民郵電出版社， 2020： P36－ 39． [5] 李群芳，張士軍，黃建 ． 單片微型計(jì)算機(jī)與接口技術(shù) ． 電子工業(yè)出版社， 2020： P65－ 88． [6] 李鄧化，彭書華 ． 智能檢測(cè)技術(shù)及儀表 ． 第一版 ． 科技 出版社， 2020： P36－ 39． [7] 楊耕，羅應(yīng)立 ． 電機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng) ． 清華大學(xué)出版社， 2020： P92－ 174． [8] 陳曉