【導(dǎo)讀】直流電機(jī)具有良好的線性調(diào)速特性、簡(jiǎn)單的控制性能、高的效率、優(yōu)異的動(dòng)態(tài)特性；顯然對(duì)它的控制也越來(lái)越重要。本設(shè)計(jì)是基于PWM的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)STC89C52. 為控制核心，產(chǎn)生PWM脈沖，通過(guò)改變占空比實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制的目的。件連調(diào)進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，最后寫(xiě)出軟件程序，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的要求。直流調(diào)速系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r---------------------------------------------1-. 本課題研究的目的和意義--------------------------------------------------------3-. 研究?jī)?nèi)容和技術(shù)要求-----------------------------------------------------4-. 第2章控制系統(tǒng)及其控制方法-----------------------------------------------------------5-. 控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型---------------------------------------------------------------5-. 控制系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖和動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖-----------------------------------6-. 第3章系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)-------------------------------------------------------------10-. 電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制的方法----------------------------------------------------------12-. 液晶顯示器的選擇---------------------------------------------------------------13-. 測(cè)速模塊的選擇------------------------------------------------------------------14-

　　

【正文】 起到續(xù)流保護(hù)的作用。 需要注意的是，雖然在 L298N 內(nèi)部的 H 橋驅(qū)動(dòng)電路中含有續(xù)流二極管，但它只是用來(lái)防止同側(cè)三極管導(dǎo)通時(shí)燒壞三極管。因此，為保護(hù)電機(jī)電樞繞組在電機(jī)轉(zhuǎn)向時(shí)不被反相電動(dòng)勢(shì)損壞， 在電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中必須要設(shè)置保護(hù)電路。由于電動(dòng)機(jī)的感性很強(qiáng)所以在電機(jī)改變運(yùn)行狀態(tài)或是在開(kāi)機(jī)關(guān)機(jī)的瞬間會(huì)產(chǎn)生很大的反向感應(yīng)電壓，當(dāng)此感應(yīng)電壓過(guò)大時(shí)會(huì)燒壞電機(jī) 甚至 驅(qū)動(dòng)芯片。所以為了保護(hù)驅(qū)動(dòng)芯片需要在電動(dòng)機(jī)的兩端接兩組二極管。 當(dāng)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)突然改變時(shí)，可以通過(guò)續(xù)流二極管形成回路釋放反電動(dòng)勢(shì)的電能從而起到保護(hù)電機(jī)的作用。 LCD1602 簡(jiǎn)介 LCD1602 是字符型液晶， 顯示字母 、 數(shù)字比較方便， 易于 控制，成本低。 LCD1602 每行可以顯示 16 個(gè)字，可 顯示 2 行， 共 16 只引腳，其中數(shù)據(jù)線 DB0DB7 和控制信號(hào)線 寄存器選擇（ RS） 、 讀寫(xiě)控制端子（ R/W） 、 使能端子（ E） 用來(lái)與單片機(jī)連接， 另外三只引腳為電源信號(hào)線 VSS、 VDD、 VEE。 在系統(tǒng)中，使用 P0 口作為數(shù)據(jù)輸入端口， 1602 的 RS,RW,E 端口分別連接單片機(jī)的， ， 口。 STC89C52 單片機(jī)的 P0 口是一個(gè)八位漏極開(kāi)路型雙向 I/O 口，單片機(jī)內(nèi)部沒(méi)有上拉電阻，因此需要外部連接上 拉電阻，一般都是加上阻值 為 10K 的排阻。 霍爾元件介紹 在電機(jī)的定子磁場(chǎng)中，固定在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的小磁鋼的磁力線通向轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中引起定子磁通發(fā)生周期性的變化，從而引起了霍爾元件輸出信號(hào)的頻率變化，產(chǎn)生脈沖。 在規(guī)定的時(shí)間間隔 1s 內(nèi)，產(chǎn)生的脈沖數(shù)就是電機(jī) 1s 內(nèi)的轉(zhuǎn)數(shù)。利用霍爾傳感器感應(yīng)旋轉(zhuǎn)磁鋼產(chǎn)生的垂直磁場(chǎng)和平行磁場(chǎng)信息，電機(jī)轉(zhuǎn)軸每旋轉(zhuǎn)一周，產(chǎn)生一個(gè)脈沖，脈沖送入單片機(jī)計(jì)數(shù)，最終輸出電機(jī)轉(zhuǎn)速。 電路中，電阻 R1 為上拉電阻，目的是使信號(hào)穩(wěn)定，然后通過(guò)一個(gè) 9013 型 NPN 三極管輸出 給 單片機(jī)。發(fā)光二極管便于觀察，其閃爍的頻率也就是輸出脈沖的頻率。 第 5 章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 在本次設(shè)計(jì)中需明確設(shè)計(jì) 的 要求，根據(jù) 需要 設(shè)計(jì) 一個(gè)主函數(shù)，同時(shí)必須 還要 有顯示子 程序 、 按鍵處理子程序 、 測(cè)速 子 程序 和 轉(zhuǎn)速控制 子 程序。 再 將這些子程序合理的安排和連接起來(lái) ，構(gòu)成一個(gè)完整的控制程序 。 主程序的設(shè)計(jì) 在主程序中 ， 主要完成對(duì)各個(gè)可編程芯片進(jìn)行初始化 ， 用 if 語(yǔ)句掃描判斷單片機(jī)的P1 口的 六 個(gè) 狀態(tài)，每次 當(dāng) 有按鍵按下經(jīng)過(guò)延時(shí)消抖后分別調(diào)用 其 相關(guān)的子程序。 主程序中有定時(shí)器初始化，兩個(gè)定時(shí)器中斷子程序 和一個(gè) 外部中斷服務(wù) 子 程序。定時(shí)器初始化，選擇了兩個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)器的工作方式和中斷標(biāo)志位的分別定義。 在 T0 定時(shí)器服務(wù)子程序 中 ，首先 要 賦予定時(shí)器初值，在定時(shí)器的基礎(chǔ)上產(chǎn)生 PWM 脈沖，并且在定時(shí)周期內(nèi)計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)速的實(shí)際值。其中兩個(gè)定時(shí)器中斷主要是來(lái)控制產(chǎn)生 所需的 PWM脈沖，從而通過(guò)控制定時(shí)計(jì)數(shù)器的初值變化來(lái)實(shí)現(xiàn)占空比的變化以達(dá)到要求。 主程序流程圖如圖 5— 1 所示： 圖 5— 1 主程序流程圖 本系統(tǒng)編程部分工作采用 KeilC51 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(pán)輸入、按鍵識(shí)別和功能、 PWM 脈寬控制和數(shù)碼管顯示等部分的設(shè)計(jì)。 （ 1） PWM 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： /*****************延時(shí)函數(shù) *************************/ void delay(uint z)// 延時(shí) 1MS { uint a,b。 for(a=z。a0。a) for(b=120。b0。b)。 } （ 2） 鍵盤(pán)中斷處理子程序：采用中斷方式，按下鍵，完成延時(shí)去抖動(dòng)、鍵碼識(shí)別、按鍵功能執(zhí)行。按鍵時(shí)，每進(jìn)行一次增加 或 減少一定的占空比。 （ 3） 顯示子程序： 1602 液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲(chǔ)器（ CGROM)可以 存儲(chǔ)多個(gè)不同的點(diǎn)陣字符圖形， 提供各種控制命令 ,如：清屏、字符閃爍、光標(biāo)閃爍、顯示移位等多種功能 ,有 80 字節(jié) 顯示數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 DDRAM,內(nèi)建有 192 個(gè) 5X7 點(diǎn)陣 的字型的字符發(fā)生器CGROM,8 個(gè)可由用戶自定義的 5X7 的字符發(fā)生器 CGRAM[15]。 （ 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，可產(chǎn)生最高約為 的延時(shí)。對(duì)定時(shí)器置初值 0x38， 可定時(shí) 200us，即系統(tǒng)時(shí)鐘精度可達(dá) 。當(dāng) 200us 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。 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(kāi)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)。鍵盤(pán)處理上采用中斷方式，不必使程序?qū)︽I盤(pán)反復(fù)掃描，提高了程序的效率。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序 的設(shè)計(jì) L298N 控制電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)有兩 個(gè) 方案： （ 1） 利用控制端子 IN1 和 IN2 高低電平來(lái)控制電機(jī)的 正反轉(zhuǎn) ，當(dāng)這兩個(gè)端子的電平不同時(shí)分別使電機(jī) 正轉(zhuǎn) 或 反轉(zhuǎn) ；用 ENA 端口輸出 PWM 波驅(qū)動(dòng)電機(jī)的加減速，當(dāng) IN3 和IN4 兩端電平相同時(shí)電機(jī)急停。 （ 2） 利用 IN1 控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)， IN2 輸入 PWM 波驅(qū)動(dòng)電機(jī)的加減速，用 ENA使能，高電平時(shí)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，低電平時(shí)電機(jī)停止運(yùn)動(dòng)。 經(jīng)過(guò)比較選擇我們采用第 一 種方案，因?yàn)橛檬鼓芏藛为?dú)控制電機(jī)的 加減速 即方便又簡(jiǎn)單，且該方案分別用三個(gè)控制端控制實(shí)現(xiàn)電機(jī)不同功能的驅(qū)動(dòng)，互不干擾影響，簡(jiǎn)單可 行，且易于程序的編寫(xiě)。具體控制思路如下： 通過(guò)控制 T0,T1 兩個(gè)定時(shí)器定時(shí)計(jì)數(shù)器中斷實(shí)現(xiàn)對(duì) PWM 波形占空比的控制，使能ENA 輸出 PWM 波驅(qū)動(dòng)電機(jī)的加減速 。通過(guò) L298N 來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，則可根據(jù)其三個(gè)控制端口 IN IN ENA 來(lái)控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)行。 當(dāng) IN1=0， IN2=1 時(shí) ， 電機(jī)正轉(zhuǎn)； 當(dāng) IN1=1， IN2=0 時(shí) ， 電機(jī)反轉(zhuǎn)； 當(dāng) IN1=IN2 時(shí)， 則電機(jī)急停。 在 L298N 的 OUT1 和 OUT2 之間 接 負(fù)載直流電機(jī)，通過(guò)霍爾器件對(duì)其進(jìn)行速度的采樣和計(jì)算，通過(guò)數(shù)脈沖計(jì)算出轉(zhuǎn)速的大小，最終將采集的速度傳給單片機(jī)的 I/O 口，并且通過(guò) 1602 顯示出該速度值。 PWM 波程序的設(shè)計(jì) PWM 波可以由具有 PWM 輸出的單片機(jī)通過(guò)編程來(lái)得以產(chǎn)生，也可以采 用 PWM 專用芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng) PWM 波的頻率太高時(shí)，它對(duì)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的功率管要求太高，而當(dāng)它的頻率太低時(shí)，其產(chǎn)生的電磁噪聲就比較大，在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng) PWM波的頻率在 18KHz左右時(shí)，效果最好。 PWM 脈沖調(diào)制的控制流程見(jiàn)圖 4— 3。 圖 5— 3 PWM 脈沖調(diào)制的控制流程圖 在本設(shè)計(jì)中 ， PWM 波由單片機(jī)通過(guò)定時(shí)器產(chǎn)生，由單片機(jī) 口輸出，接 L298N的 ENA 使能端 進(jìn)而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。當(dāng)實(shí)測(cè)速度大于設(shè)定轉(zhuǎn)速時(shí)， PWM 占空比自動(dòng)減??；當(dāng)實(shí)測(cè)速度小于設(shè)定轉(zhuǎn)速時(shí)， PWM 占空比自動(dòng)增大。這樣就可以實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速的 的目的了。 以下是 PWM 波控制程序： if(start) //開(kāi)啟狀態(tài) 輸出 PWM { if(countjd) //判斷 1ms 次數(shù)是否小于角度標(biāo)識(shí) PWM=1。 else PWM=0 。 //大于則輸出低電平 count=(count+1)。 //1ms 次數(shù)加 1 if(count=50) //100hz 的頻率輸出 count=0。 } else PWM=0。 從程序中即可以看出 PWM 占空比分為了 50 份，當(dāng)占空比逐漸增加時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速也隨之增加；當(dāng)程序執(zhí)行到 if(countjd) PWM=1。PWM 輸出高電平， count 計(jì)數(shù)也自動(dòng)加 1，即 1ms 計(jì)數(shù)加 1；此時(shí) PWM 波以 100hz 的頻率輸出。 當(dāng) count=50 時(shí)，占空比達(dá)到最大值，即電機(jī)速度達(dá)到最大。 按鍵子程序的設(shè)計(jì) 在對(duì)按鍵功能進(jìn)行編寫(xiě)時(shí)，有兩種方法非別是掃描法和查詢法。在這次設(shè)計(jì)中采用了掃描的方式，利用 if 語(yǔ)句分別對(duì)單片機(jī)的 六 個(gè) I/O 口進(jìn)行查詢， 若 =0， 則表示電機(jī) 啟動(dòng) 鍵按下，經(jīng)過(guò)一個(gè)延時(shí)消抖，進(jìn)而調(diào)用正轉(zhuǎn)子程序，電機(jī) 啟動(dòng) 正轉(zhuǎn) ，在這里說(shuō)明一下，本設(shè)計(jì)程序編寫(xiě)時(shí)，啟動(dòng)鍵按下，電機(jī)默認(rèn)為正轉(zhuǎn)狀態(tài) ； 若 =0，電機(jī) 加速 ；=0，電機(jī) 減速 ； =0，電機(jī) 加速 ； =0，電機(jī)減速 。=0，電機(jī)急停。在按鍵程序中主要不斷的循環(huán)判斷按鍵的狀態(tài)，并對(duì)按鍵做好消抖工作即可。不斷地掃描和調(diào)用以實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速的功能。 按鍵子程序流程圖如圖 5— 4 所示： 圖 5— 4 按鍵掃描子程序流程圖 LCD1602 的顯示程序 LCD 顯示控制是一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的過(guò)程，需要首先設(shè)置 RS， RW， E 引腳高低電平，隨后對(duì)數(shù)據(jù)輸入口進(jìn)行賦值，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的功能。因此，用 input、 displaychar 和displaydata 三個(gè)函數(shù)分別實(shí)現(xiàn) LCD 寫(xiě)指令、 LCD 寫(xiě)字符和 LCD 寫(xiě)數(shù)據(jù)的功能，用延時(shí)程序來(lái)判斷 LCD 忙碌狀態(tài)。 本次設(shè)計(jì)采用 LCD1602，在顯示中分別有顯示字符和顯示數(shù)據(jù)從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速 +單位的顯示即（ Speed:+20r/s),1602 顯示主要依靠三個(gè)控制端分別為： RS—寄存器選擇輸入端；R/W—讀寫(xiě)信號(hào)輸入端； E—使能端。 在 1602 顯示字符：是通過(guò)用 *dat 指針來(lái)實(shí)現(xiàn)的，將指針變量賦給 P0 口，通過(guò)指針自加，使指針中的字符全部輸出，從而實(shí)現(xiàn)輸出所需要的字符。 1602 顯示數(shù)據(jù)：主要是通過(guò)傳遞它所能識(shí)別的 Ascall 碼值來(lái)傳遞的，因?yàn)?0 的 Ascall碼是 0X30，可以分別將轉(zhuǎn)速的千、百、十、個(gè)位以 3001000]0[ Xdati ?? 的方式 ， 使每個(gè)數(shù)在 0 的基礎(chǔ)上加上自己本身從而轉(zhuǎn)化成 1602 可以識(shí)別的數(shù)字，進(jìn)而傳出并顯示。 在編寫(xiě)程序時(shí)首先要對(duì) 1602 初始化： 初始化按鍵查詢啟動(dòng)鍵按下 正轉(zhuǎn)鍵按下 反轉(zhuǎn)鍵按下 加速鍵按下 減速鍵按下 急停鍵按下電機(jī)啟動(dòng) 電機(jī)正轉(zhuǎn) 電機(jī)反轉(zhuǎn)PW M 占空比增加PW M 占空比減小電機(jī)急停開(kāi)始 0X01 清屏 0X06 字符不動(dòng)，光標(biāo)自動(dòng)右移一格 0X0C 顯示開(kāi)關(guān)設(shè)置 0X80 顯示第一行首地址 0X38 使用 8 位數(shù)據(jù)顯示兩行，使用 5*7 字符 根據(jù) 1602 的特性對(duì)三個(gè)控制端口經(jīng)過(guò)單片機(jī)的 I/O 口進(jìn)行控制。 顯示子程序流程圖如圖 5— 6 所示： 圖 5— 6 LCD1602 顯示子程序流程圖 定時(shí) /計(jì)數(shù)器 T1 測(cè)速程序的設(shè)計(jì) MCS51 單片機(jī)（ 51 系列）內(nèi)部包含有兩個(gè) 16 為的定時(shí) /計(jì)數(shù)器，分別為 T0 和 T1，開(kāi)始初始化成 8 位口2 行顯示 ， 5 * 7 陣列第一行顯示 S p ee d ：實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速第二行顯示 SET ：設(shè)定轉(zhuǎn)速及電機(jī)狀態(tài)S / Z / F設(shè)置光標(biāo)平移設(shè)置顯示光標(biāo)結(jié)束清屏 可以用來(lái)定時(shí)、延時(shí)、對(duì)外部和內(nèi)部脈沖計(jì)數(shù)、分頻和事故記錄。 單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí) /計(jì)數(shù)器由 6 個(gè)特殊功能寄存 器組成，其中， TMOD 是定時(shí) /計(jì)數(shù)器方式控制寄存器，它的作用是控制兩個(gè)定時(shí) /計(jì)數(shù)器的工作方式，其各位的定義如表 5 所示； TCON 是定時(shí) /計(jì)數(shù)器控制寄存器，它是用來(lái)控