【正文】 。 調(diào)速； STC89C52；PWMThe 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(yīng) 的 電 機(jī) 轉(zhuǎn) 速 的 調(diào) 整 步 長 為 10r/min。 學(xué)校代碼： 11059 學(xué) 號(hào)：0905074010Hefei University 畢 業(yè) 論 文 （ 設(shè) 計(jì) ）BACHELOR DISSERTATION 論文題目： 基于單片機(jī)的直流電機(jī) PWM 調(diào)速系統(tǒng) 學(xué)位類別： 工 學(xué) 學(xué) 士 學(xué)科專業(yè)： 自 動(dòng) 化 作者姓名： 馬 明 全 導(dǎo)師姓名： 臺(tái) 德 藝 完成時(shí)間： 2022 年 5 月 25 日 單片機(jī)控制的 PWM 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)中 文 摘 要脈 寬 調(diào) 制 （ PWM） 具 有 調(diào) 速 精 度 高 ， 響 應(yīng) 速 度 快 ， 調(diào) 速 范 圍 寬 和 損 耗 低 的 特 點(diǎn) ，逐 漸 成 為 直 流 電 機(jī) 控 制 的 主 流 技 術(shù) ， 并 獲 得 了 廣 泛 應(yīng) 用 。本 系 統(tǒng) 采 用 STC89C52 單 片 機(jī) 作 為 系 統(tǒng) 的 中 央 處 理 器 ， 采 用 紅 外 光 電 耦 合 器 測 量電 動(dòng) 機(jī) 的 轉(zhuǎn) 速 ， 用 矩 陣 鍵 盤 實(shí) 現(xiàn) 直 流 電 機(jī) 的 速 度 設(shè) 定 及 啟 動(dòng) 、 停 止 、 方 向 和 加 減 速 度的 控 制 ， 采 用 QC12864 液 晶 顯 示 屏 幕 實(shí) 現(xiàn) 電 機(jī) 實(shí) 時(shí) 轉(zhuǎn) 速 、 設(shè) 定 轉(zhuǎn) 速 及 轉(zhuǎn) 動(dòng) 狀 態(tài) 的 顯 示 。關(guān)鍵詞: 直流電機(jī)。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(jī)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)的硬件復(fù)雜，而且系統(tǒng)非常不靈活，功能單一，調(diào)試?yán)щy，阻礙了直流電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用范圍的推廣。近年來，電氣傳動(dòng)的 PWM 控制技術(shù)已成為電氣傳動(dòng)自動(dòng)控制技術(shù)的熱點(diǎn)之一。單片機(jī)具有體積小、功能強(qiáng)、重量輕、抗干擾能力強(qiáng)、控制靈活、應(yīng)用方便、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用于直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。電機(jī)調(diào)速性能對提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高勞動(dòng)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(jī)具有良好的啟動(dòng)性能和調(diào)速特性，雖然各種類型的電機(jī)層出不窮，然而在電子儀器設(shè)備、自動(dòng)控制領(lǐng)域等方面，直流電機(jī)的應(yīng)用仍然占有突出地位。為了滿足生產(chǎn)過程自動(dòng)化系統(tǒng)各種不同的特殊要求，從而對直流電機(jī)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(shù)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代科技的要求，通過 PWM 方式控制直流電機(jī)調(diào)速的方法就應(yīng)運(yùn)而生。通過學(xué)習(xí)并熟練掌握這個(gè)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(jī)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(jī)供電，通過改變電樞回路中的電阻來實(shí)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(jī)直流電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用中，傾向于數(shù)字化、智能化的思路，極大地促進(jìn)了電氣傳動(dòng)的發(fā)展。數(shù)字直流調(diào)速裝置，在技術(shù)上它可以成功地完成從一個(gè)給定的信號(hào)，經(jīng)過調(diào)整參數(shù)設(shè)置，最后實(shí)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(yīng)用，已廣泛應(yīng)用于我國的各個(gè)部門。隨著 PWM 技術(shù)的發(fā)展，我國直流電機(jī)調(diào)速也正在向著脈寬調(diào)制方向發(fā)展。但由于進(jìn)口設(shè)備價(jià)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)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(jì)，交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)將會(huì)有更大發(fā)展。變頻裝置的數(shù)字化技術(shù)是從 20 世紀(jì) 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(guān)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(guān)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(shí)現(xiàn)用軟件產(chǎn)生 PWM 信號(hào)，并且實(shí)線對電機(jī)啟動(dòng)和停止、加速和減速、正傳和反轉(zhuǎn)的控制，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的設(shè)定；最后在顯示器上顯示直流電機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速、設(shè)定轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)。 本章小結(jié)本章節(jié)主要分析了直流電機(jī) 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(jī)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(yù)期目標(biāo)做了簡要說明。完成直流電機(jī)和單片機(jī)接口電路的設(shè)計(jì)和系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)。 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(jī)測速模塊及電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(hào)并加以分析處理；將信號(hào)的處理結(jié)果輸出至顯示模塊和驅(qū)動(dòng)模塊，前者以顯示電機(jī)設(shè)定轉(zhuǎn)速、實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速及電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向，后者以控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。單片機(jī)不僅具有很好算術(shù)運(yùn)算能力，而且編程時(shí)靈活、自由度大。因此，在本設(shè)計(jì)中采用 STC89C52 作為系統(tǒng)的中央控制器。 測速傳感器的分析與選擇對電機(jī)轉(zhuǎn)速的測量，依據(jù)當(dāng)今技術(shù)及本設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀，大致有以下三種可以執(zhí)行的測量方式。當(dāng)改變旋轉(zhuǎn)方向時(shí)，輸出電動(dòng)勢的極性也相應(yīng)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(hào)，接收管接受到信號(hào)時(shí)輸出脈沖。經(jīng)比較，方案一中測速發(fā)電機(jī)的安裝不如方案二中霍爾元件安裝方便，準(zhǔn)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(jī)接收。方案三中具體的記數(shù)方法是通過單片機(jī)記數(shù)時(shí)間 S（秒）內(nèi)的脈沖數(shù) N，從而計(jì)算得到每分鐘的轉(zhuǎn)速：M=N/S60。比較兩個(gè)計(jì)數(shù)方法，方法一的誤差主要是177。1)/S60N/S60=60（轉(zhuǎn)/分），誤差計(jì)算公式表明，增大記數(shù)時(shí)間可以提高測量精度，但這樣做卻增大了速度采樣周期，會(huì)降低系統(tǒng)控制靈敏度。1）60/T]，設(shè)電機(jī)速度在 120—6000 轉(zhuǎn)/分之間，那么 ≤T≤ ，代入公式得： ≤|γ|≤（轉(zhuǎn)/分）。 PWM 實(shí)現(xiàn)方案論證(1)PWM 調(diào)速工作方式方案一：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(dòng)小和電壓波中的交流成分小的優(yōu)點(diǎn)，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?yàn)椴捎眠@種方式，電動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)比較穩(wěn)定，不會(huì)與單片機(jī)中的其他頻率產(chǎn)生沖突，并且在單片機(jī)產(chǎn)生 PWM 脈沖的軟件實(shí)現(xiàn)上也比較方便 [3]。方案二：采用定時(shí)器作為脈寬控制的定時(shí)方式，此方式產(chǎn)生的脈沖寬度極其精確，最大誤差只能達(dá)到幾個(gè)微秒，綜合考慮我們采用方案二 [4]。常用的鍵盤有獨(dú)立式鍵盤和行列式鍵盤等。因此可以依據(jù)設(shè)計(jì)需要實(shí)現(xiàn)對按鍵的靈活編碼。獨(dú)立鍵盤的缺點(diǎn)是需要占用比較多的 I/O 口線，當(dāng)單片機(jī)應(yīng)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(shí)，可以采用這種類型的鍵盤。這種形式的鍵盤結(jié)構(gòu)，能夠有效的提高單片機(jī)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(jìn)行測速，微處理器采集的信號(hào)是脈沖信號(hào)，故無需經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換就可以輸入到單片機(jī)中。 驅(qū)動(dòng)模塊的分析與選擇本設(shè)計(jì)的核心部分就是對小型直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行可逆的 PWM 調(diào)速控制。對于小功率直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)有 H 橋式驅(qū)動(dòng)和 L298 驅(qū)動(dòng)兩種方法，L298 驅(qū)動(dòng)芯片雖然簡單，驅(qū)動(dòng)能力也較強(qiáng)，但由于其價(jià)格昂貴，且本設(shè)計(jì)中電機(jī)屬于小功率直流電機(jī)，H 橋式驅(qū)動(dòng)電路就足以驅(qū)動(dòng)，并且價(jià)格便宜，故而本設(shè)計(jì)采用 H 橋式驅(qū)動(dòng)作為小功率直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)模塊 [6]。硬件電路組成框圖如圖 所示：ＳＴＣ ８９ Ｃ ５２單片機(jī)矩陣鍵盤輸入模塊ＬＣＤ顯示模塊ＰＷＭ 控制及驅(qū)動(dòng)電路模塊直流電機(jī)紅外測速模塊圖 直流電機(jī)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(jī)，它的功能總得來說分為三個(gè)方面，一、通過內(nèi)部程序設(shè)定出初始 PWM 信號(hào)，輸送給Ｈ橋式驅(qū)動(dòng)從而控制電機(jī)運(yùn)行；二、接受來自鍵盤和紅外光電接收管的信號(hào)再加以分析和處理；三、對處理的結(jié)果進(jìn)行輸出，如控制七段數(shù)碼管的顯示和點(diǎn)亮發(fā)光二極管。由矩陣鍵盤十六個(gè)按鍵中的十個(gè)鍵實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的分級(jí)設(shè)定（0 鍵按下設(shè)定轉(zhuǎn)速為 0,1 鍵按下設(shè)定轉(zhuǎn)速為 5,2 鍵按下設(shè)定轉(zhuǎn)速為 25,3 鍵按下設(shè)定轉(zhuǎn)速為40,4 鍵按下設(shè)定轉(zhuǎn)速為 60,5 鍵按下設(shè)定轉(zhuǎn)速為 80,6 鍵按下設(shè)定轉(zhuǎn)速為 100，7鍵按下設(shè)定轉(zhuǎn)速為 120,8 鍵按下設(shè)定轉(zhuǎn)速為 135,9 鍵按下設(shè)定轉(zhuǎn)速為 150。驅(qū)動(dòng)模塊：采用 H 橋式驅(qū)動(dòng)來驅(qū)動(dòng)電機(jī)及實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。本設(shè)計(jì)中驅(qū)動(dòng)的是小功率直流電機(jī)，所以對驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)能力要求不是太高，一般的Ｈ橋式驅(qū)動(dòng)既能滿足要求。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，每轉(zhuǎn)半圈 OUT 端輸出一個(gè)上脈沖，然后用單片機(jī)在單位時(shí)間里面來采集上升源的個(gè)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(jī)的（正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)）、電機(jī)的設(shè)定轉(zhuǎn)速及電機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速。在本章最后完成了基于單片機(jī) PWM直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的硬件組成框圖設(shè)計(jì)。下面將分別對 CPU 主控制模塊、電源、PWM 波形產(chǎn)生部分、電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分、鍵盤輸入部分、測速部分及顯示部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。主要功能包括三個(gè)方面：接受外界信號(hào)、處理接受信號(hào)和輸出控制信號(hào)。STC89C52 單片機(jī)內(nèi)部資源很豐富，不需要擴(kuò)展芯片。下面介紹單片機(jī)的設(shè)計(jì)部分分析：（1）單片機(jī) STC89C52STC89C52 單片機(jī)是 MSC51 系列產(chǎn)品的升級(jí)版，有世界著名半導(dǎo)體公司ATMEL 在購買 MSC51 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)后，利用自身優(yōu)勢技術(shù)——閃存生產(chǎn)技術(shù)對舊技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)和擴(kuò)展，同時(shí)使用新的半導(dǎo)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(yùn)行空間、8K 字節(jié) Flash 存儲(chǔ)空間，支持最大 64K 外部存儲(chǔ)擴(kuò)展。片內(nèi)資源有 4 組 I/O 控制端口、3 個(gè)定時(shí)器、8 個(gè)中斷、軟件設(shè)置低能耗模式和斷電保護(hù)。不斷發(fā)展的半導(dǎo)體工藝也讓該單片機(jī)的功耗不斷降低。根據(jù)不同場合的要求，這款單片機(jī)提供了多種封裝，本次設(shè)計(jì)根據(jù)最小系統(tǒng)有時(shí)需要更換單片機(jī)的具體情況，使用雙列直插 DIP40 的封裝。復(fù)位電路通常分為兩種：上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位。所以本系統(tǒng)中選用手動(dòng)復(fù)位的方式。然而采用高時(shí)鐘的代價(jià)是功耗大，同時(shí)對系統(tǒng)級(jí)運(yùn)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