【正文】 ...............................................................................................23 參考文獻(xiàn) .................................................................................................................................25 附錄 1......................................................................................................................................27 附錄 2......................................................................................................................................28 附錄 3......................................................................................................................................28 電氣工程學(xué)院 2020 年“萌芽計(jì)劃”科創(chuàng)訓(xùn)練計(jì)劃報(bào)告 1 1 前 言 開(kāi)發(fā)背景 現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，電動(dòng)機(jī)是主要的驅(qū)動(dòng)設(shè)備，目前在直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)中已大量采用晶閘 管 (即可控硅 )裝置向電動(dòng)機(jī)供電的 KZ—D 拖動(dòng)系統(tǒng)，取代了笨重的發(fā)電動(dòng)一電動(dòng)機(jī)的 F—D 系統(tǒng)，又伴隨著電子技術(shù)的高度發(fā)展，促使直流電機(jī)調(diào)速逐步從模擬化向數(shù)字化轉(zhuǎn)變，特別是單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，使直流電機(jī)調(diào)速技術(shù)又進(jìn)入到一個(gè)新的階段，智能化、高可靠性已成為它發(fā)展的趨勢(shì)。改變電壓的方法很多，最常見(jiàn)的一種 PWM 脈寬調(diào)制，調(diào)節(jié)電機(jī)的輸入占空比就可以控制電機(jī)的平均電壓，控制轉(zhuǎn)速。直到進(jìn)入上世紀(jì) 80 年代，隨著全控型電力電子器件的出現(xiàn)和迅速發(fā)展， PWM 控制技術(shù)才真正得到應(yīng)用。 選題的目的和意義 直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起動(dòng)、制動(dòng)性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動(dòng)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。早期直流電動(dòng)機(jī)的控制均以模擬電路為基礎(chǔ)，采用運(yùn)算放大器、非線性集成電路以及少量的數(shù)字電路組成，控制系統(tǒng)的硬件部分非常復(fù)雜，功能單一，而且系統(tǒng)非常不靈活、調(diào)試?yán)щy，阻礙了直流電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用范圍的推廣。采用單片機(jī)構(gòu)成控制系統(tǒng)，可以節(jié)約人力資源和降低系統(tǒng)成本，從而有效的提高工作效率。 目前，直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)數(shù)字化已經(jīng)走向?qū)嵱没殡S著電子技術(shù)的高度發(fā)展，促使直流電機(jī)調(diào)速逐步從模擬化向數(shù)字化轉(zhuǎn)變，特別是單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，使直流電機(jī)調(diào)速技術(shù)又進(jìn)入到一個(gè)新的階段，智能化、高可靠性已成為它發(fā)展的趨勢(shì)。 直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)原理圖如圖 11 所示： 電氣工程學(xué)院 2020 年“萌芽計(jì)劃”科創(chuàng)訓(xùn)練計(jì)劃報(bào)告 3 圖 211 直流電機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖 雖然不同勵(lì)磁方式的電機(jī)機(jī)械特性不同，但他們的轉(zhuǎn)速都是由公式 ?E aaaC IRUn ?? (21) 計(jì)算而得 ,式中 aU — 電樞供電電壓（ V）； aI —— 電樞電流（ A）； Φ—— 勵(lì)磁磁通（ Wb）； aR —— 電樞回路總電阻（ Ω） ； EC —— 電勢(shì)系數(shù)。 由式可見(jiàn)， 直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法可以分為 ， , 。另一方面，因調(diào)速電阻容量較大， 一般多采用電器開(kāi)關(guān)分級(jí)控制，不能連續(xù)調(diào)節(jié)，只能有級(jí)調(diào)速。需串入的電阻值越大，損耗越大，這樣使電動(dòng)機(jī)的效率大為降低。電樞反應(yīng)和換向元件中電流的去磁效應(yīng)對(duì)于轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性的影響較大，并且勵(lì)磁線圈的電感較大，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差。所以只能在低于額定轉(zhuǎn)速的范圍進(jìn)行調(diào)節(jié)。在對(duì)直流電動(dòng)機(jī)電樞電壓的控制和驅(qū)動(dòng)中．目前廣泛應(yīng)用的是通過(guò)改變電機(jī)電樞電壓接通時(shí)間與通電周期的比值 f (占空比 )來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 PWM 調(diào) 速 方式 PWM（脈沖寬度調(diào)制）是通過(guò)控制固定電壓的直流電源開(kāi)關(guān)頻率 ,改變負(fù)載兩端的電壓，從而達(dá)到直流電機(jī)調(diào)速的一種方法。 占空比就是輸出的 PWM 中，高電平 保持的時(shí)間與該 PWM 的時(shí)鐘周期的時(shí)間之比。通過(guò)改變直流電機(jī)電樞上電壓的“占空比”來(lái)達(dá)到改變平均電壓大小的目的，來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。如圖 12 所示： 圖 212 PWM 方波 占空比的公式為 TtD 1? ,其中 1t 為一個(gè)周期內(nèi)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通（即高電平）的時(shí)間，T 為一個(gè)周期。當(dāng)電源電壓不變的情況下，電樞的端電壓的平均值為DVVD ?? max ，因此改變占空比 D 就可以改變端電壓的平均值，從而達(dá)到調(diào)速的目的，這就是 PWM 調(diào)速原理。定寬調(diào)頻法：保持 1t 不變，只改變 t ，這樣使周期 (或頻率 )也隨之改變。 調(diào)寬調(diào)頻法和定寬調(diào)頻法在調(diào)速時(shí)改變了控制脈沖的周期 (或頻率 )，當(dāng)控制脈沖的頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近時(shí)，將會(huì)引起振蕩，使電路不穩(wěn)定。 方案選擇 由 上 所 述 ， 我 選 擇 的 基 于 L298 的 直 流 電 機(jī) 調(diào) 速 控 制 方 案 為 ： 利 用STC89C51 單片機(jī)進(jìn)行核心控制，因?yàn)樗目刂乒δ軓?qiáng)、可靠性高、易擴(kuò)展、市 場(chǎng)上較為普遍。 TFT 作為顯示模塊，它可以顯示英文字母、符號(hào)、漢字。其結(jié)構(gòu)模塊如下圖所示 ： 圖 22 結(jié)構(gòu)模塊圖 電氣工程學(xué)院 2020 年“萌芽計(jì)劃”科創(chuàng)訓(xùn)練計(jì)劃報(bào)告 6 總體設(shè)計(jì)概述 單片機(jī)直流電機(jī)調(diào)速簡(jiǎn)介：?jiǎn)纹瑱C(jī)直流調(diào)速系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的平滑調(diào)速。在 PWM 驅(qū)動(dòng)控制的調(diào)整系統(tǒng)中，按一個(gè)固定的頻率來(lái)接通和斷開(kāi)電源，并根據(jù)需要改變一個(gè)周期內(nèi) “接通 ”和 “斷開(kāi) ”時(shí)間的長(zhǎng)短。因此， PWM 又被稱為 “開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置 ”。 系統(tǒng)控制方案的分析：本直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)以單片機(jī)系統(tǒng)為依托，根據(jù)PWM 調(diào)速的基本原理，以直流電機(jī)電樞上電壓的占空比來(lái)改變平均電壓的大小，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為依據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的平滑調(diào)速，并通過(guò)單片機(jī)控制速度的變化。硬件部分是前提，是整個(gè)系統(tǒng)執(zhí)行的基礎(chǔ)，它主要為軟件提供程序運(yùn)行的平臺(tái)。 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖 本系統(tǒng)采用 89C51 控制輸出數(shù)據(jù)，由 PWM 信號(hào)發(fā)生電路產(chǎn)生 PWM 信號(hào)，送到直流電機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)速度和轉(zhuǎn)向的控制，達(dá)到直流電機(jī)調(diào)速的目的。如圖 首先通過(guò)變壓器把生活用電交流 220V 降為交流 18V，其次經(jīng)由四個(gè) IN4007 構(gòu)成的橋式整流電路變?yōu)榉底兓绷麟?，再?jīng)電容濾波變?yōu)榉底兓^小的直流電，利用直流穩(wěn)壓器 7812 使輸出為穩(wěn)定的 +12V，最后經(jīng)電容濾波，又利用直流穩(wěn)壓器 7805 使輸出為穩(wěn)定的 +5V，最后經(jīng)電容濾波，輸出紋波較小的 +5V 直流電壓源。 電路設(shè)計(jì) 電源模塊電路設(shè)計(jì)如圖： 電氣工程學(xué)院 2020 年“萌芽計(jì)劃”科創(chuàng)訓(xùn)練計(jì)劃報(bào)告 8 圖 312 電源模塊原理圖 電路參數(shù)的計(jì)算及元器件的選擇 ① 對(duì)整流電路 輸出電壓平均值： 輸出電流平均值： 對(duì)二極管 考慮到電網(wǎng)電壓的波動(dòng)范圍為 10%，實(shí)際選用二極管時(shí)，應(yīng)至少有 10%的量。當(dāng)副邊電壓 u2 處于正半周期并且數(shù)值大于電容兩端電壓 uc 時(shí)，對(duì)電容 C 進(jìn)行充電；當(dāng) u2 達(dá)到峰值后開(kāi)始下降是，電容 C 通過(guò)負(fù)載 RL 放電；當(dāng) u2 的負(fù)半周幅值變化到恰好大于 uc 時(shí)，再次對(duì) C 進(jìn)行充電。對(duì)于橋式整流電路來(lái)說(shuō)，脈動(dòng)電壓峰值為 2U2， C 的充電周期等于交流電源周期 T 的一半，即 C≥ (3~5) T2RL，式中 RL 為整流后的等效負(fù)載電阻。 電機(jī) 驅(qū)動(dòng)模塊 設(shè)計(jì) 功能介紹 L298N 是 SGSTHOMSON Microelectro nics 所出產(chǎn)的全橋步進(jìn)電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)芯片 ,內(nèi)部包含四信道邏輯驅(qū)動(dòng)電路，是一種二相和四相步進(jìn)電機(jī)的專用驅(qū)動(dòng)器，接受標(biāo)準(zhǔn)的 TTL 邏輯準(zhǔn)位信號(hào)，可驅(qū)動(dòng) 46V、 2A 以下的步進(jìn)電機(jī)?？梢灾苯油ㄟ^(guò)電源來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓；此芯片可以直接用單片機(jī)的 I/O 口提供模擬時(shí)序信號(hào)，電路簡(jiǎn)單，使用方便。 Pin1 和Pin15 可與電流偵測(cè)電阻連接來(lái)控制負(fù)載的電路； OUT OUT和 OUTOUT4 之間分別接兩個(gè)電機(jī)； input1input4 輸入控制電位來(lái)控制電機(jī)正反轉(zhuǎn) ；Enable 則控制電機(jī)停轉(zhuǎn) ??6 。輸入端 IN2 為 PWM 信號(hào) ,輸入端 IN1 為低電平 ,電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn) )。 電路設(shè)計(jì) L298N 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路設(shè)計(jì)如下圖： 圖 323 L298N 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊原理圖 電氣工程學(xué)院 2020 年“萌芽計(jì)劃”科創(chuàng)訓(xùn)練計(jì)劃報(bào)告 12 彩屏顯示模塊設(shè)計(jì) 功能介紹 TFT（ Thin Film Transistor）即薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體管，屬于液晶 顯示器 中的一種 ，也就是“真彩” (TFT)。 TFT的特點(diǎn)是亮度好、對(duì)比度高、層次感強(qiáng)、顏色鮮艷。彩屏手機(jī)中基本上 26 萬(wàn)到 130 萬(wàn)顯示，有的甚至支持 1600 萬(wàn)色，這時(shí) TFT 的高對(duì)比度，色彩豐富的優(yōu)勢(shì)就非常重要了。 1k 的上拉電阻，輸出電平 0時(shí)需要灌入約 5mA 的電流（電源 5V 的情況下）。 ② 電位器 上圖 R9 為 TFT 彩屏對(duì)比度調(diào)節(jié)電位器，通常采用 5K~10K 即可。單片機(jī)最小系統(tǒng)電路如圖下圖所示。 ② 振蕩電路： STC89C51 使用 的晶體振蕩器作為振蕩源，由于單片機(jī)內(nèi)部帶有振蕩電路，所以外部只要連接一個(gè)晶振和兩個(gè)電容即可，電容容量一般在 15pF 至 50pF 之間。 測(cè)量溫度范圍為 55176。 C，在 10~+85176。 176。 DS1822 的精度較差為177。 C 。 圖 351 引腳圖 圖 352 DS18B20 實(shí)物圖 電氣工程學(xué)院 2020 年“萌芽計(jì)劃”科創(chuàng)訓(xùn)練計(jì)劃報(bào)告 16 電路設(shè)計(jì) DS18B20 的 DQ 引腳連接到刀片機(jī)的 I/O 端口。 紅外接收頭結(jié)構(gòu)： 紅 外接收頭內(nèi)部有兩個(gè)重要元件，分別是 IC 和 PD。 PD 是光敏二極管，主要功能是接收光信號(hào)。 載波頻率 ，脈沖寬度 600us 左右，根據(jù)芯片而定，一般 400600800. 接收波長(zhǎng)：接收頭接收紅外光曲線，接收的范圍是 7501150，在 940NM的左右的波長(zhǎng)段是接收效果最好的，因此遙控器的發(fā)射管波長(zhǎng)是 940nm。 軟件設(shè)計(jì)是把許多事物和問(wèn)題抽象起來(lái)，并且抽象它們不同的層次和角度。 在進(jìn)行微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，除了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)外，大量的工作就是如何根據(jù)每個(gè)生產(chǎn)對(duì)象的實(shí)際需要設(shè)計(jì)應(yīng)用程序。對(duì)于本系統(tǒng)，軟件更為重要。數(shù)據(jù)處理包括：數(shù)據(jù)的采集、數(shù)字濾波、標(biāo)度變換等。 為了完成上述 電氣工程學(xué)院 2020 年“萌芽計(jì)劃”科創(chuàng)訓(xùn)練計(jì)劃報(bào)告 18 任務(wù)，在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)，通常把整個(gè)過(guò)程分成若干個(gè)部分，每一部分叫做一個(gè)模塊。 模塊程序設(shè)計(jì)法將復(fù)雜的問(wèn)題分解成可以管理的片斷會(huì)更容易。 模塊程序設(shè)計(jì)法的主要優(yōu)點(diǎn)是： ① 單個(gè)模塊比起一個(gè)完整的程序易編寫(xiě)及調(diào)試； ② 模塊可以共存，一個(gè)模塊可以被多個(gè)任務(wù)在不同條件下調(diào)用； ③ 模塊程序允許設(shè)計(jì)者分割任務(wù)和利用已有程序，為設(shè)計(jì)者提供方便。 5 系統(tǒng)調(diào)試與測(cè)試 硬件測(cè)試 測(cè)試儀器與方法 ① 測(cè)試儀器 測(cè)試儀器包括數(shù) 字萬(wàn)用表、直流穩(wěn)壓電源、示波器等。 軟件 KEIL4 用于調(diào)試軟件； 直流穩(wěn)壓電源在測(cè)試期間為各待測(cè)系統(tǒng)供電； 示波器用來(lái)檢測(cè)顯示單片機(jī)發(fā)出的 PWM 波； 電機(jī)運(yùn)行調(diào)試； 掌握電機(jī)運(yùn)行速度與軟件設(shè)定值的關(guān)系，與軟件算法協(xié)調(diào)調(diào)試，使靜態(tài)誤差最小。在調(diào) 試的過(guò)程中與硬件的調(diào)試相結(jié)合，提高了調(diào)試的效率。 軟件仿真 本次所用仿真軟件為題目推薦的 Proteus 軟件，仿真原理圖如下圖所示： 圖 541 仿真原理圖 本系統(tǒng)采用簡(jiǎn)單的按鍵操作，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的加速、減速、制動(dòng)、反轉(zhuǎn)功能。 ② 減速鍵用于電機(jī)減速，每按一次電機(jī)轉(zhuǎn)速減小轉(zhuǎn)速。 ④ 反轉(zhuǎn)鍵用于電機(jī)反轉(zhuǎn)，每按一次電機(jī)反轉(zhuǎn)。 圖 542 加速正轉(zhuǎn) 按一次減速鍵，電機(jī)轉(zhuǎn)速減小 10r/min，到達(dá) 190r/min，如圖所示。 電氣工程學(xué)院 2020 年“萌芽計(jì)劃”科創(chuàng)訓(xùn)練計(jì)劃報(bào)告 22 圖 544 反轉(zhuǎn) 按一次制動(dòng)鍵，電