【正文】 STC89C52；PWMIIIThe Design of PWM Controlled DC Motor Speed Control System Based On Single ChipABSTRACTPulse Width Modulation (PWM) with high precision speed control, fast response, wide speed range and low loss characteristics, has bee the mainstream technology to DC motor control ,and access to a wide range of applications.The system used STC89C52 microcontroller as the system39。經(jīng) 測 試 ： 系 統(tǒng) 穩(wěn) 定 、 靈 活 ， 調(diào) 速 范 圍 為 5002022 轉(zhuǎn) /每 分 ， PWM 波 調(diào) 整 步 長 為 1，對 應 的 電 機 轉(zhuǎn) 速 的 調(diào) 整 步 長 為 10r/min。I 學校代碼： 11059 學 號：0905074010Hefei University 畢 業(yè) 論 文 （ 設 計 ）BACHELOR DISSERTATION 論文題目： 基于單片機的直流電機 PWM 調(diào)速系統(tǒng) 學位類別： 工 學 學 士 學科專業(yè)： 自 動 化 作者姓名： 馬 明 全 導師姓名： 臺 德 藝 完成時間： 2022 年 5 月 25 日 II單片機控制的 PWM 直流電機調(diào)速系統(tǒng)設計中 文 摘 要脈 寬 調(diào) 制 （ PWM） 具 有 調(diào) 速 精 度 高 ， 響 應 速 度 快 ， 調(diào) 速 范 圍 寬 和 損 耗 低 的 特 點 ，逐 漸 成 為 直 流 電 機 控 制 的 主 流 技 術 ， 并 獲 得 了 廣 泛 應 用 。本 系 統(tǒng) 采 用 STC89C52 單 片 機 作 為 系 統(tǒng) 的 中 央 處 理 器 ， 采 用 紅 外 光 電 耦 合 器 測 量電 動 機 的 轉(zhuǎn) 速 ， 用 矩 陣 鍵 盤 實 現(xiàn) 直 流 電 機 的 速 度 設 定 及 啟 動 、 停 止 、 方 向 和 加 減 速 度的 控 制 ， 采 用 QC12864 液 晶 顯 示 屏 幕 實 現(xiàn) 電 機 實 時 轉(zhuǎn) 速 、 設 定 轉(zhuǎn) 速 及 轉(zhuǎn) 動 狀 態(tài) 的 顯 示 。關鍵詞: 直流電機。s central processor, using infrared optocouplers to measure the motor speed, when Matrix keyboard DC motor speed setting and start, stop, direction and control of acceleration and deceleration, using QC12864 LCD screen to achieve realtime speed of the motor, set the speed and rotational state of the display. Tested: the system Stable, flexible, speed range of 5002022rev/minute, PWM wave adjustment in steps of 1, the corresponding adjustment of the motor speed in steps of 10rev/minute.Keyword: DC Motor。 STC89C52。早期的直流電機控制均以模擬電路為基礎，采用運算放大器，非線性集成電路以及少量的數(shù)字電路組成，控制系統(tǒng)的硬件復雜，而且系統(tǒng)非常不靈活，功能單一，調(diào)試困難，阻礙了直流電機控制技術的發(fā)展和應用范圍的推廣。近年來，電氣傳動的 PWM 控制技術已成為電氣傳動自動控制技術的熱點之一。單片機具有體積小、功能強、重量輕、抗干擾能力強、控制靈活、應用方便、價格低廉等特點，而被廣泛應用于直流電機調(diào)速系統(tǒng)。電機調(diào)速性能對提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高勞動生產(chǎn)率和節(jié)省電能有著決定性的影響。 課題選擇的意義直流電機具有良好的啟動性能和調(diào)速特性，雖然各種類型的電機層出不窮，然而在電子儀器設備、自動控制領域等方面，直流電機的應用仍然占有突出地位。為了滿足生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)各種不同的特殊要求，從而對直流電機提出了較高的要求，改變電樞回路電阻調(diào)速、改變電壓調(diào)速等技術已遠遠不能滿足現(xiàn)代科技的要求，通過 PWM 方式控制直流電機調(diào)速的方法就應運而生。通過學習并熟練掌握這個調(diào)速系統(tǒng)，對今后的工作有非常重要的意義。 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀控制直流電機調(diào)速大致有下面幾種方法：第一，最初的直流調(diào)速系統(tǒng)是采用恒定的直流電壓向直流電機供電，通過改變電樞回路中的電阻來實現(xiàn)調(diào)速。第三，隨著 1957 年世界上第一支晶閘管的誕生，人們開始采用晶閘管整流裝置調(diào)速。在微機直流電氣傳動控制系統(tǒng)的應用中，傾向于數(shù)字化、智能化的思路，極大地促進了電氣傳動的發(fā)展。數(shù)字直流調(diào)速裝置，在技術上它可以成功地完成從一個給定的信號，經(jīng)過調(diào)整參數(shù)設置，最后實現(xiàn)觸發(fā)脈沖的數(shù)字化。目前我國的晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)也得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應用，已廣泛應用于我國的各個部門。隨著 PWM 技術的發(fā)展，我國直流電機調(diào)速也正在向著脈寬調(diào)制方向發(fā)展。但由于進口設備價格昂貴，也給出了國產(chǎn)全數(shù)字控制直流調(diào)速裝置的發(fā)3展空間，所以國內(nèi)許多科研單位、大專院校和廠家也都在開發(fā)全數(shù)字直流調(diào)速裝置 [1]。展望 21 世紀，交流電動機變頻調(diào)速技術將會有更大發(fā)展。變頻裝置的數(shù)字化技術是從 20 世紀 80年代中期開始逐步發(fā)展到 16 位、32 位微處理器，目前普遍采用 DSP[2]。由于 PWM 逆變器的開關損耗隨著功率和頻率的增加而迅速增加，這就限制了 PWM 逆變器的高頻化和大功率，因此，在這些方面人類還有大量的工作。在大功率裝置方面，除盡量采用優(yōu)化 PWM 模式外，多電平逆變器也越來越受到人們的重視，這樣開關損耗問題將轉(zhuǎn)化為多管串聯(lián)后的均壓問題 [2]。該系統(tǒng)需要能實現(xiàn)用軟件產(chǎn)生 PWM 信號，并且實線對電機啟動和停止、加速和減速、正傳和反轉(zhuǎn)的控制，同時還可以實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速的設定；最后在顯示器上顯示直流電機的實時轉(zhuǎn)速、設定轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動狀態(tài)。 本章小結(jié)本章節(jié)主要分析了直流電機 PWM 調(diào)速系統(tǒng)研究的背景和研究的目的及意義；并且介紹了直流電機控制系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展情況；PWM 變頻調(diào)速的發(fā)展前景；以及本課題的主要研究內(nèi)容及預期目標做了簡要說明。完成直流電機和單片機接口電路的設計和系統(tǒng)軟件的設計。 系統(tǒng)分析與選擇根據(jù)題目要求系統(tǒng)模塊可以劃分為：中央處理器模塊、顯示電路模塊、控制模塊、電機測速模塊及電機驅(qū)動模塊。 控制器模塊根據(jù)題目要求，控制器主要功能有：產(chǎn)生初始的 PWM 波；接收來自控制模塊和測速模塊的信號并加以分析處理；將信號的處理結(jié)果輸出至顯示模塊和驅(qū)動模塊，前者以顯示電機設定轉(zhuǎn)速、實時轉(zhuǎn)速及電機轉(zhuǎn)動方向，后者以控制電機的運轉(zhuǎn)狀態(tài)。單片機不僅具有很好算術運算能力，而且編程時靈活、自由度大。因此，在本設計中采用 STC89C52 作為系統(tǒng)的中央控制器。5 測速傳感器的分析與選擇對電機轉(zhuǎn)速的測量，依據(jù)當今技術及本設計的現(xiàn)狀，大致有以下三種可以執(zhí)行的測量方式。當改變旋轉(zhuǎn)方向時，輸出電動勢的極性也相應改變。方案三：采用紅外光電耦合器測速，發(fā)射管發(fā)射信號，接收管接受到信號時輸出脈沖。經(jīng)比較，方案一中測速發(fā)電機的安裝不如方案二中霍爾元件安裝方便，準確率也沒方案二的高，并且方案二不需要 A/D 轉(zhuǎn)換，測量值直接可以被單片機接收。方案三中具體的記數(shù)方法是通過單片機記數(shù)時間 S（秒）內(nèi)的脈沖數(shù) N，從而計算得到每分鐘的轉(zhuǎn)速：M=N/S60。比較兩個計數(shù)方法，方法一的誤差主要是177。1)/S60N/S60=60（轉(zhuǎn)/分），誤差計算公式表明，增大記數(shù)時間可以提高測量精度，但這樣做卻增大了速度采樣周期，會降低系統(tǒng)控制靈敏度。1）60/T]，設電機速度在 120—6000 轉(zhuǎn)/分之間，那么 ≤T≤ ，代入公式得： ≤|γ|≤（轉(zhuǎn)/分）。 PWM 實現(xiàn)方案論證(1)PWM 調(diào)速工作方式6方案一：雙極性工作制。方案二：單極性工作制。由于單極性工作制相較于雙極性工作制具有電流最大波動小和電壓波中的交流成分小的優(yōu)點，所以我們本系統(tǒng)采用單極性工作制 [3]。我們采用了定頻調(diào)寬方式，因為采用這種方式，電動機在運轉(zhuǎn)時比較穩(wěn)定，不會與單片機中的其他頻率產(chǎn)生沖突，并且在單片機產(chǎn)生 PWM 脈沖的軟件實現(xiàn)上也比較方便 [3]。方案二：采用定時器作為脈寬控制的定時方式，此方式產(chǎn)生的脈沖寬度極其精確，最大誤差只能達到幾個微秒，綜合考慮我們采用方案二 [4]。常用的鍵盤有獨立式鍵盤和行列式鍵盤等。因此可以依據(jù)設計需要實現(xiàn)對按鍵的靈活編碼。獨立鍵盤的缺點是需要占用比較多的 I/O 口線，當單片機應用系統(tǒng)鍵盤中需要的按鍵比較少或 I/O 口線比較富余時，可以采用這種類型的鍵盤。這種形式的鍵盤7結(jié)構(gòu)，能夠有效的提高單片機系統(tǒng)中 I/O 的利用率，行列式鍵盤適用于按鍵輸入多的情況 [5]。 輸入輸出通道的分析由于選用了紅外光電耦合器進行測速，微處理器采集的信號是脈沖信號，故無需經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換就可以輸入到單片機中。 驅(qū)動模塊的分析與選擇本設計的核心部分就是對小型直流電動機進行可逆的 PWM 調(diào)速控制。對于小功率直流電機驅(qū)動有 H 橋式驅(qū)動和 L298 驅(qū)動兩種方法，L298 驅(qū)動芯片雖然簡單，驅(qū)動能力也較強，但由于其價格昂貴，且本設計中電機屬于小功率直流電機，H 橋式驅(qū)動電路就足以驅(qū)動，并且價格便宜，故而本設計采用 H 橋式驅(qū)動作為小功率直流電機的驅(qū)動模塊 [6]。硬件電路組成框圖如圖 所示：8ＳＴＣ ８９ Ｃ ５２單片機矩陣鍵盤輸入模塊ＬＣＤ顯示模塊ＰＷＭ 控制及驅(qū)動電路模塊直流電機紅外測速模塊圖 直流電機調(diào)速系統(tǒng)硬件本調(diào)速系統(tǒng)各模塊的功能分析如下：中央控制模塊：這部分電路的核心部件是 STC89C52 單片機，它的功能總得來說分為三個方面，一、通過內(nèi)部程序設定出初始 PWM 信號，輸送給Ｈ橋式驅(qū)動從而控制電機運行；二、接受來自鍵盤和紅外光電接收管的信號再加以分析和處理；三、對處理的結(jié)果進行輸出，如控制七段數(shù)碼管的顯示和點亮發(fā)光二極管。由矩陣鍵盤十六個按鍵中的十個鍵實現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的分級設定（0 鍵按下設定轉(zhuǎn)速為 0,1 鍵按下設定轉(zhuǎn)速為 5,2 鍵按下設定轉(zhuǎn)速為 25,3 鍵按下設定轉(zhuǎn)速為40,4 鍵按下設定轉(zhuǎn)速為 60,5 鍵按下設定轉(zhuǎn)速為 80,6 鍵按下設定轉(zhuǎn)速為 100，7鍵按下設定轉(zhuǎn)速為 120,8 鍵按下設定轉(zhuǎn)速為 135,9 鍵按下設定轉(zhuǎn)速為 150。驅(qū)動模塊：采用 H 橋式驅(qū)動來驅(qū)動電機及實現(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)。本設計中驅(qū)動的是小功率直流電機，所以對驅(qū)動的驅(qū)動能力要求不是太高，一般的Ｈ橋式驅(qū)動既能滿足要求。電機轉(zhuǎn)動時，每轉(zhuǎn)半圈 OUT 端輸出一個上脈沖，然后用單片機在單位時間里面來采集上升源的個數(shù)，這樣就完成速度的采集。液晶顯示屏上顯示的內(nèi)容包括：電機的（正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)）、電機的設定轉(zhuǎn)速及電機的實時轉(zhuǎn)速。在本章最后完成了基于單片機 PWM直流電機調(diào)速系統(tǒng)的硬件組成框圖設計。下面將分別對 CPU 主控制模塊、電源、PWM 波形產(chǎn)生部分、電機驅(qū)動部分、鍵盤輸入部分、測速部分及顯示部分進行設計。主要功能包括三個方面：接受外界信號、處理接受信號和輸出控制信號。STC89C52 單片機內(nèi)部資源很豐富，不需要擴展芯片。下面介紹單片機的設計部分分析：（1）單片機 STC89C52STC89C52 單片機是 MSC51 系列產(chǎn)品的升級版，有世界著名半導體公司ATMEL 在購買 MSC51 設計結(jié)構(gòu)后，利用自身優(yōu)勢技術——閃存生產(chǎn)技術對舊技術進行改進和擴展，同時使用新的半導體生產(chǎn)工藝，最終得到成型產(chǎn)品。STC89C52 片內(nèi)集成 256 字節(jié)程序運行空間、8K 字節(jié) Flash 存儲空間，支持最大 64K 外部存儲擴展。片內(nèi)資源有 4 組 I/O 控制端口、3 個定時器、8 個中斷、軟件設置低能耗模式和斷電保護。不斷發(fā)展的半導體工藝也讓該單片機的功耗不斷降低。根據(jù)不同場合的要求，這款單片機提供了多種封裝，本次設計根據(jù)最小系統(tǒng)有時需要更換單片機的具體情況，使用雙列直插 DIP40 的封裝。復位電路通常分為兩種：上電復位和手動復位。所以本系統(tǒng)中選用手動復位的方式。然而采用高時鐘的代價是功耗大，同時對系統(tǒng)級運行環(huán)境都比較高。本系統(tǒng)選取 無源晶振接入 XTAL1 和 XTAL2 引腳，并聯(lián) 2 個 20pF 陶瓷電容幫助起