【導讀】調速原理制成的數(shù)字直流PWM調速控制器。論文主要介紹了基于單片機用PWM實現(xiàn)。路面黑線檢測使用。接的LED來顯示時間和總的路程。采用單片機控制取代了以往的模擬控制，無零點。漂移，使控制精度更高，而且方便系統(tǒng)的改進和升級，靈活性和適應性更強。

　　

【正文】 為 。 若 Vcc=5V， 有關1/3Vcc=,2/3Vcc=,能 滿足要求。但為了適應實際情況，采取可變參考電壓，改變 NE555 的第 5 腳電壓，可取得不同的回差電壓 （ 1/3Vcc）， 此電壓越大，電路干擾性越強，但觸發(fā)靈敏度低。綜合考慮，我們取 5 腳電壓為 ，則1/3Vcc=,2/3Vcc=。 當光電傳感器檢測到黑線時，第 4 端電壓為高電平,NE555 的第 2 腳也為高電平， 3 腳輸出低電平；反之，在白紙上時， NE555 的3 腳輸出高電平。利用下降沿可觸發(fā) AT89C51 中斷“ 0” 。 電機調速控制模塊 目前較好的調速方法是脈寬調制 (PWM)， 脈寬調制 (PWM)是 通過改變周期性脈沖信號的占空比來改變加在電動機上的平均電壓，從而達到調速目的。 PWM 脈沖可由具有 PWM 輸出口的單片機通過編程產生，或者由單片機外擴8253 來構成脈寬調制器，還可以采用 PWM 專用芯片。在實踐中我們采用 單片機AT89C51 具有 PWM 輸出口的 、 通過軟件程序來產生 PWM 脈沖。 東華理工大學長江學院畢業(yè)設計（論文） 系統(tǒng)硬件電路的模塊設計 19本系統(tǒng)是 在單片機 AT89C51 的控制下，通過對單片機 、 產生的脈寬波形進行調制的方法 來實現(xiàn)對直流電機的輕松調速， 即采用脈寬調制 （ PWM） 原理來控制直流電機的調速 [7]。脈沖寬度的變化可以通過硬件和軟件來實現(xiàn)： 硬件實現(xiàn)是通過改變震蕩電路中的 RC 參數(shù)來調整充放電時間；而軟件的做法是通過設置高電平及低電平的保持時間來達到 [5]。比較而言，軟件調整量化指標更高、調整更可靠、更方便、更準確。脈沖頻率對電機轉速也有影響，脈沖頻率高連續(xù)性好，單帶負載能力差，頻率低則反之。經過實驗發(fā)現(xiàn)，脈沖頻率在 15～ 20Hz 效果最佳。脈寬調速實質上是調節(jié)加在電機兩端的平均功率，通過計算可發(fā)現(xiàn)小車的速度與脈寬成正比。軟件 編程時的考慮是設置脈寬這個變量，在 的啟?？刂贫水a生 20Hz 可調脈寬 方波 。 PWM 調速原理分析 PWM是通過控制固定電壓的直流電源開關頻率 ,從而改變負載兩端的電壓 ,進而達到控制要 求的一種電壓調整方法。 PWM 可以應用在許多方面 ，如電機調速、 溫度控制 、壓力控制等。 在 PWM 驅動控制的調整系統(tǒng)中，按一個固 定的頻率來接通和斷開電源 ,并根據需要改變一個周期內“接通”和“斷開”時間的長短 [8]。通過改 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速。因此 ,P WM 又被稱為 “開關驅動裝置”如圖 53 所示 。 脈沖信號 t1 t2 T 最大值 Vmax 平均值 Vd 最小值 Vmin 圖 53 電樞電壓“占空比”與平均電壓關系圖 東華理工大學長江學院畢業(yè)設計（論文） 系統(tǒng)硬件電路的模塊設計 20 在脈沖作用下 ， 當電機通 電時，速度增加； 電機斷電時 ， 速度逐漸減少。只要按一 定規(guī)律，改變通、 斷電的時間 ， 即可讓電機轉速得到控制 。 設電機始終接通電源時 ，電機轉速最大為 Vmax， 設占空比為 D=t1/T， 則電機的平均速度為 Vd=VmaxD 式中， Vd電機的平均速度； Vmax電機全通電時的速度（最大）； D=t1/T占空比。 由公式 Vd=VmaxD 可見， 當我們改變占空比 D=t1/T 時， 就可以得到不同的電機平均速度 Vd， 從而達 到調速的目的。嚴格地講， 平均速度 Vd 與占空比 D 并不是嚴格的線性關系，在一般的應用中， 可以將其近似地看成線性關系。 PWM是一種對模擬信號電平進行數(shù)字編碼的方法。通過高分辨率計數(shù)器的使用，方波的占空比被調制用來對一個具體模擬信號的電平進行編碼。 PWM 信號仍然是數(shù)字的，因為在給定的任何時刻，滿幅值的直流供電要么完全有 (ON)，要么完全無(OFF)。電壓或電流源是以一種通 (ON)或斷 (OFF)的重復脈沖序列被加到模擬負載上去的。通的時候即是直流供電被加到負載上的時候，斷的時候即是供電被斷開的時候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用 PWM 進行編碼。 PWM 的 優(yōu)點是從處理器到被控系統(tǒng)信號都是數(shù)字形式的，無需進行數(shù)模轉 換 。讓信號保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小。噪聲只有在強到足以將邏輯 1 改變?yōu)檫壿?0 或將邏輯 0 改變?yōu)檫壿?1時，也才能對數(shù)字信號產生影響。 PWM 調速 原理如圖 54 所示。 KDA+M+IaUaUa 圖 54 PWM 調速原理電路圖 PWM 脈沖驅動電路 ： 直流電機的速度控制中，需 要對控制信號進行功率驅動或電氣隔離， 圖 55 為典型應用電路（負載為直流電機 M）。 PWM 脈沖的占空比，決定電機 M 的轉速。 東華理工大學長江學院畢業(yè)設計（論文） 系統(tǒng)硬件電路的模塊設計 21M12J112J2C1D1U14N25R1R3 R2Q1Q212VVCCGND光電隔離PWM 信號輸入功率驅動級 圖 55 PWM 脈沖驅動電路 PWM（脈沖寬度調制）控制，通常配合橋式驅動電路實現(xiàn)直流電機調速 ， 非常簡單，且調速范圍大，它的原理就是直流斬波原理。假設高電平導通，忽略 三極 管損耗，則在一個周期內的導通時間為 t，周期為 T， 則電機兩端的平均電壓為： U=Vcc t/ T=αVcc ， 其中， α=t/T稱為占空比， Vcc 為電源電壓（電源電壓 三極 減去兩個開關 管的飽和壓降）。電機的轉速與電機兩端 的電壓成比例，而電機兩端的電壓與控制波形的占空比成正比，因此電機的速度與占空比成比例，占空比越大，電機轉得越快，當占空比 α＝ 1 時，電機轉速最大 [9]。 系統(tǒng)中 PWM 脈沖頻率就由接通的時間決定，而占空比即為接通時間與總時間的比值。如果要使電機轉速下降，即得到一個比較低的 PWM 脈寬輸出值，可以減少接通時間的值；要使電機轉速增加，即得到一個更高的 PWM 的輸出值，可以增加接通時間的值。在程序中可以通過中斷重新設定接通時間的 值 來 改 變 電 機 的 轉 速 。 PWM 驅動裝置的控制結構可以分為兩大部分，從主電源將 能量傳遞給電機的電路稱為功率轉換電路，其余部分稱為控制電路。 PWM 驅動裝置控制原理框圖如圖 56 所示。 圖 56 PWM 驅動裝置控制原理框圖 PWM 調速系統(tǒng)的特點： （ 1） 頻帶寬、頻率高，晶體管“結電容”小，開關頻率遠高于可控頻率 （ 20Hz） ，可達 2～ 10KHz。快速性好。 脈沖寬度調制電路 脈沖分 配電路 基極驅動電路 M 東華理工大學長江學院畢業(yè)設計（論文） 系統(tǒng)硬件電路的模塊設計 22（ 2） 電流脈動小，由于 PWM 調制頻率高，電機負載成感性對電流脈動有平滑作用，波形系數(shù)接近于 1。 （ 3） 電源的功率因數(shù)高， SCR 系統(tǒng)由于導通角的影響，使交流電源的波形畸變、高次諧波的干擾，降低了電源功率因數(shù)。 PWM 系統(tǒng)的直流電源為不受控的整流輸出，功率因數(shù)高。 （ 4） 動態(tài)硬度好，校正瞬態(tài)負載擾動能力強，頻帶寬，動態(tài)硬度高。 用 PWM 控制 系統(tǒng)的 電機調速電路 根據對 PWM 調速原理的分析，本設計中選用 PWM 控制電機調速系統(tǒng)。 并 利用了芯片 AT89C51 的 P1 口的 、 兩個管腳。為什么會選用 、 接口呢？是由于 可用作定時器 /計數(shù)器 2 的計數(shù)脈沖輸入端 T2； 可用作定時器 /計數(shù)器 2 的外部控制端 T2EX。根據這個原因才選用 、 口。模塊中為什么要利用脈寬調制來控制 電機呢？由于 脈寬調制 (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，廣泛應用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領域中 [10]。 本系統(tǒng)工程在小車電機的控制部分利用 8050、 8550 等不同三極管的組合，構造一座“橋”，實現(xiàn)了對驅動電機的輕松控制，電機驅動電路如圖 57 所示。 Q38550Q68550A+Q58050Q78050Q48050Q18050Q28050D41N4148D51N41481KR31KR41KR51KR61KR7GND+9V向前向后+5V+5V330R2GND 圖 57 電機 驅動 電路 東華理工大學長江學院畢業(yè)設計（論文） 系統(tǒng)硬件電路的模塊設計 23其控制過程如下： 為正反轉控制端， 為啟?？刂贫恕? 為高電平時： （ 1）、 當 為低電平時，則“向后”端為低電平，由 Q1 構成的反相器使向 前端為高電平。于是， Q Q Q4 導通， Q Q Q7 截止。其中 Q2 為激勵級， QQ4 為功放級。電流從 +9V經 Q3 到電機“ +”端再到“ ”端最后經 Q4 入地端，電機正轉；當 為高電平時，則反之， Q Q Q7 導通， Q Q Q4 截止，電機反轉。 （ 2）、 為低電平時 ： “向前”和“向后”端均為低電平，電機停轉。 該“橋”的優(yōu)點是原理簡單、易控制、帶負載能力強。在單片機的配合下，通過調脈寬的方法，實現(xiàn)了對驅動電機的輕松調速，可以使小車適應各種不同的電源。正因為采取了該項技術，使我們完成基本要 求的過程變得簡單易行。 在速度控制方面，一般是通過改變加在電機兩端的電壓來實現(xiàn)的，可以是連續(xù)改變（加直流電壓），也可以是斷續(xù)改變（加脈沖電壓）。為了簡單實用 本設計中 采用了脈寬調速，脈沖寬度的變化可以通過硬件或是軟件來實現(xiàn)，本設計就是通過軟件程序來實現(xiàn)脈寬調制的。 脈沖頻率對電機轉速也有影響，脈沖頻率高連續(xù)性好，但帶負載能力差，頻率低則反之。經實驗發(fā)現(xiàn)，脈沖頻率在 15~20HZ 效果最好。脈沖調速實質是調節(jié)加在電機兩端的平均功率，通過計算可發(fā)現(xiàn)汽車的速度與脈寬成正比。 PWM 調速下 小車 行駛狀態(tài)的變化 顯示 本系統(tǒng)小車在脈寬調制下，共有三種狀態(tài)：停止狀態(tài)、加速狀態(tài)和限速狀態(tài)。 當小車從起跑線上出發(fā)碰到第二根黑線時系統(tǒng)就調用加速子程使小車加速行駛，相應的發(fā)光管顯示小車的 加速 行駛狀態(tài)；當小車碰到第三根黑線時調用限速子程，小車進入限速區(qū)，相應的發(fā)光管顯示小車的限速行駛狀態(tài)；當小車 碰到第四根黑線時，小車已經過了限速區(qū)，系統(tǒng)調用相應的程序控制小車有進入加速行駛狀態(tài)；當小車碰到第五根黑線時，小車又開始限速行駛直到小車到達第六根黑線即是終點線，系統(tǒng)調用子程控制小車停止行駛，同時停車行駛狀態(tài)顯示。到達終點線小車停止后，調用 延時子程，使小車停止 10s 后返回起跑線 [12]。 因此，我們采用三個不同顏色的發(fā)光二極管來顯示小車所處的不同 行駛 狀態(tài)： （ 1） 紅色表示停止狀態(tài)； （ 2） 綠色表示加速狀態(tài)； （ 3） 黃色表示限速狀態(tài)。 這 三個紅、綠、黃顏色的發(fā)光二級管 D D D3 分別 與 單片機的 、 、 引腳相連，如圖 58 所示 。接入了這三個發(fā)光二極管后，不但小車的運行狀態(tài)能夠更好的表現(xiàn)出來，更重要的是，在軟件調試中，這三個發(fā)光二極管可以給我們很大東華理工大學長江學院畢業(yè)設計（論文） 系統(tǒng)硬件電路的模塊設計 24的參照，可以提示我們程序運行到什么位置，是否按照要求輸出快速的 PWM 波形或者是慢速 PWM 波形。 30pFC230pFC312MHXTAL1KR1+5V+12345678RESET91011121314151617XTAL218XTAL119VSS202122232425262728PSEN29ALE/PROG30EA/VPP313233343536373839VCC