【文章內(nèi)容簡介】 2 系統(tǒng)論述 設(shè)計背景近幾年來，伴隨著科技技術(shù)的發(fā)展，電力電子技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，直流電機(jī)得到了越來越普遍的應(yīng)用。直流電機(jī)它具有調(diào)速特性良好,調(diào)速平滑、方便快捷,調(diào)速范圍寬廣。過載能力強(qiáng),能夠頻繁承受沖擊負(fù)載,可以實現(xiàn)頻繁的無級快速起動、制動和正反轉(zhuǎn)。使用時能滿足生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)各種不同的特殊運行要求，從而對直流電機(jī)的調(diào)速提出了很高的要求，改變電樞回路電阻調(diào)速，改變電樞電壓調(diào)速等技術(shù)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足我們的要求，這時通過PWM方式控制直流電機(jī)調(diào)速的方法隨即而產(chǎn)生。 設(shè)計思路直流電機(jī)PWM控制系統(tǒng)的功能主要有以下幾種，包括實現(xiàn)對直流電機(jī)的加、減速以及電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止轉(zhuǎn)動，并且可以調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速，能夠簡便快捷的實現(xiàn)直流電機(jī)的智能化控制。主體電路是直流電機(jī)PWM的控制模塊。這部分電路主要由AT89S52單片機(jī)的I/O端口、定時計數(shù)器、外部中斷擴(kuò)展等控制直流電機(jī)的加、減速以及電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，并且可以調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)動速度，能夠很方便快捷的實現(xiàn)電機(jī)的智能化控制。它是通過AT89S52單片機(jī)產(chǎn)生脈寬可調(diào)的脈沖信號并輸入到L298驅(qū)動芯片來控制直流電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)動運行的。其直流電機(jī)PWM控制系統(tǒng)由以下幾種電路模塊溝成：設(shè)計控制部分，主要由AT89S52單片機(jī)的外部中斷擴(kuò)展電路組成。直流電機(jī)PWM控制實現(xiàn)部分主要由一些二極管、直流電機(jī)和L298直流電機(jī)驅(qū)動模塊構(gòu)成。設(shè)計顯示部分，主要是LED數(shù)碼顯示部分，它實現(xiàn)對PWM脈寬調(diào)制占空比的實時進(jìn)行顯示。設(shè)計輸入部分，這一模塊主要是利用帶中斷的獨立式鍵盤來達(dá)到對直流電機(jī)的加 、減速以及電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)和急停進(jìn)行控制。 系統(tǒng)框架設(shè)計方案簡介：直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)主要以AT89S52單片機(jī)為控制的核心，由命令輸入模塊、LED顯示模塊及電機(jī)驅(qū)動模塊組成。利用帶中斷的獨立式鍵盤輸入命令，AT89S52單片機(jī)在程序的控制下，定時不斷給L298直流電機(jī)驅(qū)動芯片發(fā)送PWM波形，H型驅(qū)動電路實現(xiàn)直流電機(jī)正，反轉(zhuǎn)和急?？刂疲煌瑫r單片機(jī)不停的將PWM脈寬調(diào)制占空比傳送到LED數(shù)碼管完成實時的顯示。見圖21。圖21 系統(tǒng)框架設(shè)計因為PWM調(diào)速系統(tǒng)的開關(guān)次數(shù)很多，所以僅靠電樞電感的濾波作用就可以得到穩(wěn)定的直流電流，速度低性能好；同樣，因為開關(guān)次數(shù)高，響應(yīng)迅速性能好，動態(tài)抗干擾能力強(qiáng)，就可以得到很寬廣的頻帶；開關(guān)器件只工作在開關(guān)的狀態(tài)，主電路功率損耗低，裝置效率高。PWM 抗噪性很強(qiáng)，而且有節(jié)約空間、比較經(jīng)濟(jì)實惠等優(yōu)點。另外，利用傳統(tǒng)的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的模擬電路容易隨著時間進(jìn)行飄移，因而會產(chǎn)生一些不必要的熱能損耗，以及對噪聲敏感等缺點。而在直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)利用了PWM技術(shù)后，避免了上述的缺點，實現(xiàn)了對數(shù)字方式來控制模擬信號，可以大幅度降低支出成本和功率損耗。3 PWM脈寬調(diào)制原理 PWM調(diào)速原理PWM（脈沖寬度調(diào)制）是利用控制固定電壓的直流電源開關(guān)次數(shù)，來實現(xiàn)改變負(fù)載兩端的電壓大小，從而實現(xiàn)控制要求的一種電壓調(diào)整方案。PWM可以應(yīng)用于許多的方面，譬如：電機(jī)調(diào)速、溫度控制、壓力控制等等[7]。在PWM驅(qū)動控制的調(diào)整系統(tǒng)中，按照一個不變的頻率來接通和斷開電源，并且根據(jù)需要來改變一個周期內(nèi)“運行”和“停止”時間的大小。通過變化直流電機(jī)電樞上電壓的“占空比”來實現(xiàn)改變平均電壓大小的目的，從而可以控制直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。也正因為這樣，PWM也被稱為“開關(guān)驅(qū)動裝置”，見圖31所示。 圖31 PWM信號的占空比設(shè)電機(jī)一直接通電源時，電機(jī)轉(zhuǎn)速最大值為Vmax，設(shè)占空比為D= t1 / T，則電機(jī)的平均速度為Va = Vmax * D，其中Va指的是電機(jī)的平均速度；Vmax 是指電機(jī)在接通電時的最大速度；D = t1 / T是指占空比。通過上面的公式可以知道，當(dāng)我們把占空比D=t1/T改變時，就可以得到各種電機(jī)平均速度Va,從而實現(xiàn)了我們需要的調(diào)速目的。嚴(yán)格來講，平均速度Vd和占空比D并不是嚴(yán)格的線性關(guān)系，但是在通常的應(yīng)用中，我們可以把它近似的當(dāng)成是線性關(guān)系。直流電機(jī)的速度調(diào)節(jié)既可利用電樞控制法, 也可以通過磁場控制法。磁場控制法控制磁通, 它的控制功率雖然較小, 但低速運行時受到磁極飽和的控制, 高速時受到換向火花和換向器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的控制,而且因為勵磁線圈電感較小, 動態(tài)響應(yīng)較慢, 一次在工業(yè)生產(chǎn)過程中通常使用的是電樞控制法。電樞控制是在勵磁電壓不變的情況下, 把控制電壓信號放在電機(jī)的電樞上來影響電機(jī)的轉(zhuǎn)速。過去改變電壓方法是在電樞回路中串聯(lián)一個電阻, 通過調(diào)節(jié)電阻大小改變電樞兩端電壓,從而達(dá)到調(diào)速的目的, 所以說這種方法效率低、平滑度差, 而且由于串聯(lián)電阻上要消耗電功率,也引發(fā)出經(jīng)濟(jì)效益低, 而且轉(zhuǎn)速越慢, 能量損耗越大等缺點。隨著電力電子的快速進(jìn)步和發(fā)展, 出現(xiàn)了大量新的電樞電壓控制方法。如: 通過交流電源提供電源, 利用晶閘管整流器來相控調(diào)壓。 脈寬調(diào)制 ( PWM )調(diào)壓等方法。調(diào)壓調(diào)速法因為平滑度高、能耗低、精度準(zhǔn)確等優(yōu)點, 在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛使用, 尤其PWM 應(yīng)用更為廣泛。脈寬調(diào)速利用一個穩(wěn)定的頻率來調(diào)節(jié)電源的接通或斷開, 并通過改變一個周期內(nèi)“ 接通” 和“斷開”時間的大小, 即通過變化直流電機(jī)電樞上電壓的“占空比 ”來改變平均電流的大小, 從而改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)動快慢, 所以 PWM又被叫成“開關(guān)驅(qū)動裝置”。根據(jù)圖 1, 如果電機(jī)始終接通電源時, 電機(jī)轉(zhuǎn)動最快時的速度為 Vm ax,占空比為D = t1*T,則電機(jī)的平均轉(zhuǎn)動速度為: VD= Vmax/ D,顯而改變占空比 D大小,就可以得到各種需要的電機(jī)速度, 從而實現(xiàn)改變速度的結(jié)果, 非常嚴(yán)格地說, 平均速度與占空比 D 它們之間并不是嚴(yán)格的線性關(guān)系, 在一般的生產(chǎn)生活應(yīng)用中, 我們可以把其近似當(dāng)成是線性關(guān)系。 PWM調(diào)速方法由于單片機(jī)類通過軟件來達(dá)到我們需要的PWM：在PWM調(diào)速系統(tǒng)中占空比D是一個決定性的參數(shù)，在電源電壓保持穩(wěn)定的狀態(tài)下，電樞端電壓的平均大小受到占空比D的大小的影響，改變D的大小可以使電樞端電壓的平均值發(fā)生變化從而達(dá)到改變速度的目的。改變占空比D的值有三種方法：①定寬調(diào)頻法：首先不變，只改變t，從而使周期(或頻率)也隨之發(fā)生變化。②定頻調(diào)寬法：首先周期T(或頻率)不變，通過改變 t1和t值大小。③調(diào)寬調(diào)頻法：首先t穩(wěn)定，僅改變，從而使周期(或頻率)也隨之發(fā)生改變。前兩種方法在改變速度時使控制脈沖的周期(或頻率)發(fā)生了變化，當(dāng)控制脈沖的頻率與系統(tǒng)的固有頻率值一樣時，將會產(chǎn)生振蕩，所以一般通過定頻調(diào)寬法來改變占空比來實現(xiàn)改變直流電動機(jī)電樞電壓大小。利用單片機(jī)的定時計數(shù)器外加軟件延時等方法來達(dá)到脈寬的自由調(diào)整，這種方法可以簡便硬件電路，操作容易等優(yōu)點。 PWM實現(xiàn)方式⑴：通過軟件延時方法，這種方法在精度上沒有第二種精確，尤其是在采用了中斷后，將有產(chǎn)生很大的誤差。故采用方案二。⑵：通過定時器當(dāng)作脈寬控制的時間控制方式，這種方法產(chǎn)生的脈沖寬度非常精確，誤差只有幾個us。 PWM控制流程圖在本設(shè)計中PWM脈沖調(diào)制控制流程圖如下圖32圖32 PWM控制流程圖 4 系統(tǒng)硬件設(shè)計 系統(tǒng)基本組成 硬件模塊組成（1）單片機(jī)控制模塊（2）LED顯示模塊（3）L298電機(jī)驅(qū)動模塊（4）獨立鍵盤控制模塊 單片機(jī)整個控制模塊 直流電機(jī)調(diào)節(jié)速度系統(tǒng)的控制板塊見圖41圖41單片機(jī)整個控制模塊，而后通過驅(qū)動芯片L298放大后調(diào)節(jié)直流電機(jī)轉(zhuǎn)動。驅(qū)動芯片的輸入電壓是兩引腳的電勢差，在調(diào)節(jié)快慢時一根引腳線產(chǎn)生調(diào)速方波，另一個引腳接低電平，這樣兩個引腳的電壓之間的差值就可以通過改變其中一個引腳來控制。當(dāng)我們需要讓電機(jī)轉(zhuǎn)動方向發(fā)生改變時，兩個引腳的輸出一樣。定時計數(shù)器若干時間（1us）停止一次。直流電機(jī)的速度有10個等級構(gòu)成，所以一個周期就有10個脈沖組成，周期為一百個脈沖的時長構(gòu)成，速度等級與一個周期的高電平脈沖的個數(shù)相關(guān)聯(lián)。占空比為高電平脈沖個數(shù)在周期中總脈沖數(shù)量中所對應(yīng)百分比。一個周期內(nèi)通過電機(jī)兩端的電壓為脈沖高電壓和占空比的乘積。占空比越大，相應(yīng)電機(jī)兩端的電壓越大，電機(jī)轉(zhuǎn)速越大。電機(jī)的平均速度就是在穩(wěn)定的占空比下電機(jī)的轉(zhuǎn)速的最大值乘以占空比。當(dāng)我們改變占空比的大小時，就可以得到不同的電機(jī)平均速度，從而實現(xiàn)我們改變速度的目的。精確的講，平均速度與占空比并不是嚴(yán)格的線性關(guān)系，在我們通常使用和利用的時候，可以認(rèn)為他們就是線性關(guān)系。 AT89S52的簡介 AT89S52主要性能AT89S52是一種功率損耗大，性能不好的CMOS8位微控制器，擁有8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲裝置。使用Atmel 公司高密度不容易失去記憶的存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳可以共同使用。片上Flash使用程序存儲器在系統(tǒng)可以通過編程得到，也可以用在常規(guī)編程器。在單芯片上，具有小巧簡便的4 位CPU 和在系統(tǒng)使用到的可以使用的Flash，使得AT89S52為較少嵌入式約束應(yīng)用系統(tǒng)提供靈活性強(qiáng)、方法有效的解決方法。與MCS51單片機(jī)產(chǎn)品完全可以混合使用；8K字節(jié)在系統(tǒng)可編程Flash存儲器；10000次擦寫周期；所有的都是靜止操作：1Hz～33Hz；三級加密程序存儲器；48個可編程I/O口線；三個32位定時器/計數(shù)器；十六個中斷源；全雙工UART串行通道；低功耗空閑和斷電狀態(tài)；關(guān)閉電源后中斷可喚醒；看門狗定時器；雙數(shù)據(jù)指針；掉電標(biāo)識符。 AT89S52主要功能列舉擁有靈巧的4位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash晶片內(nèi)部具時鐘振蕩器（傳統(tǒng)最高工作頻率可至12MHz）內(nèi)部程序存儲器（ROM）為16KB內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器（RAM）為256字節(jié)32 個可編程I/O 口線8 個中斷向量源三個 32 位定時器/計數(shù)器三級加密程序存儲器全雙工UART串行通道 AT89S52各引腳功能介紹AT89S52單片機(jī)各個引腳見圖42圖42 AT89S52單片機(jī)各引腳VCC：AT89S52輸入電源正極10V。VSS：電源地端。XTAL1：單芯片系統(tǒng)時鐘的反相放大器輸入端。XTAL2：系統(tǒng)時鐘的反相放大器輸出端，通常在設(shè)計時只要在 XTAL2 和 XTAL1 上裝上一只石英振蕩晶體系統(tǒng)就可以完成我們的需要了，此外可以在兩引腳與地之間加入一 個30PF 的小電容，可以讓系統(tǒng)更穩(wěn)定運行，避免噪聲干擾而引起機(jī)器停止運行。RESET：AT89S52的重置引腳，高電平動作，當(dāng)要對晶片重新改動時，只要對此引腳電平提升到高電平并在兩個機(jī)器周期以上的時間保持不變，AT89S51就能夠完成系統(tǒng)要求的的各項動作，就能讓內(nèi)部特殊功能寄存器中的數(shù)據(jù)都被設(shè)成已知狀態(tài)，而且至地址00000H處開始輸入程序代碼而執(zhí)行程序命令。EA/Vpp：EA為英文External Access的縮寫，意思是存儲外部程序代碼，低電平動作，相當(dāng)于當(dāng)此引腳接低電平后，系統(tǒng)就會利用外部的程序代碼（存于外部EPROM中）來執(zhí)行命令。因此在8031及8033中，EA引腳一定要與低電平相連，因為它的內(nèi)部中沒有程序存儲器空間。如果是使用 8751 內(nèi)部程序空間時，這時候要引腳要引入高電平。而且，在將程序代碼變成了8751內(nèi)部EPROM時，可以利用此引腳來得到21V的燒錄高壓（Vpp）。ALE/PROG：ALE是英文Address Latch Enable的意思，表示地址鎖存器開啟狀態(tài)。AT89S52可以通過這支引腳來引起外面的8位鎖存器（如74LS373），將端口0的地址總線（A0～A7）放在鎖存器之中，由于AT89S52是以多種的方案傳出地址及數(shù)據(jù)。通常在程序執(zhí)行時ALE引腳的輸出單位時間次數(shù)約是系統(tǒng)工作單位時間次數(shù)的1/12，所以可以依靠驅(qū)動其他附近晶片的時基輸入。并且在燒錄8751程序代碼時，此引腳會被當(dāng)成程序設(shè)計的特殊需要來采用。PSEN：此為Program Store Enable的意思，意思是程序儲存功能開啟，當(dāng)8051被設(shè)成為讀作外部程序代碼工作狀態(tài)時（EA=0），會送出此信號方便得到程序代碼，一般這