直流风扇电机转速测量与PWM控制论文

直流风扇电机转速测量与PWM控制 《单片机应用系统与制作》 课程设计报告 摘要…………………………………………..5 直流电机……………………………………………………………..6. 1.1直流电机的结构…………………………………………………………………7 1.2直流电机的原理…………………………………………………………………7 1.3直流电机的主要技术参数………………………………………………………8 1.4直流电机调速技术指标…………………………………………………………9 2 .单片机的相关知识………………………………………………9 2.1单片机的简介………………………………………………………………….9 2.2单片机的发展史……………………………………………………………….9 2.3单片机的特点…………………………………………………………………10 2.4 AT89C51单片机的介绍………………………………………………………11 3. 硬件电路的设计………………………………………………….13 3.1 控制电路的设计………………………………………………………….13. 3.2 隔离电路的设计…………………………………………………………..14 3.3驱动电路的设计……………………………………………………………14 3.4续流电路的设计…………………………………………………………….17 3.5 整个电路原理图…………………………………………………………….18 4. 软件设计 4.1 主程序设计………………………………………………………………..18 4.2 数码显数设计…………………………………………………………….20. 4.3功能程序设计……………………………………………………………..20 5.结束语………………………………………………………………………….24 参考文献…………………………………………………………………………..24 摘 要 本课是对直流电机PWM调速器设计的研究，主要实现对电动机的控制。因此在设计中，对直流调速的原理，直流调速控制方式以及调速特性，PWM基本原理及实现方式进行了全面的阐述。 为实现系统的微机控制，在设计中，采用了AT89C51单片机作为整个控制系统的控制电路的核心部分，配以各种显示，驱动模块，实现对电动机的转速的显示和测量;由命令输入模块，光电隔离模块及H型驱动模块组成。采用带中断的独立式键盘作为命令的输入，单片机在程序的控制下，不断给光电隔离电路发送PWM波形，H型驱动电路完成电机的正反转控制。在设计中，采用PWM调速方式，通过改变PWM的占空比从而改变电动机的电枢电压，进而实现对电动机的调速。设计的整个控制系统，在硬件结构上采用了大量的集成电路模块，大大的简化了硬件电路，提高了系统的稳定性和可靠性，使整个系统的性能得到提高。 1 直流电机 1.1直流电机的结构 直流电机的结构应由定子和转子两大部分组成。直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢，由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成。直流电机的结构如图 1.2 直流电机的工作原理 直流电机模型如图1.2所示，磁极N,S间装着一个可以转动的铁磁圆柱体，圆柱体的表面固定着线圈abcd。当线圈流过电流的时候，线圈受到电磁力的作用，产生旋转。根据左手定则可知，当流过线圈中电流改变方向时，线圈的受力方向也将改变，因此通过改变线圈电流的方向实现改变电机的方向。 1.3 直流电机的主要的技术参数 额定功率Pn:在额定电流和电压下，电机的负载能力。 额定电压Ue:长期运行的最高电压。 额定电流Ie:长期运行的最大电流。 额定转速n:单位时间里面电机转速的快慢。 励磁电流If:施加到电极线圈上的电流。 1.4直流电机的调速的技术指标 1.4.1 调速范围 调速范围是指最低可控转速到最高可控转速的范围，最低可控转速对最高可控转速的比值，叫电机的调速比。 1.4.2 调速的相对稳定性和静差度 所谓相对稳定性，是指负载转矩在给定的范围里面变化所引起的速度的变化，它决定于机械特性的斜率。 静差度(又称静差率)是指当电动机在一条机械特性上运行时，由理想空载到满载时的转速降落与理想空载转速n0的比值。用百分数表示，即 ，在一般的情况下，取额定转矩下的速度落差，有 1.4.3 调速的平滑性 调速的平滑性是在一定的调速范围内，相邻两极速度变化的程度，用平滑 系数表示，即 式中和相邻两极，即i级与i-1级的速度 1.4.4 调速时的容许输出 调速时的容许输出是指电动机在得到充分利用的情况下，在调速的过程中轴 能够输出的功率和转矩。 2 单片机的相关知识 2.1单片机的简介 单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能(可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路)集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。 2.2 单片机的发展史 2.2.1 4位单片机 1975年，美国德克萨斯公司首次推出4位单片机TMS-1000，此后各个计算机公司竞相推出4位单片机。日本松下公司的MN1400系列。美国洛克威尔公司的PPS/1系列等。4位单片机的主要的应用的领域有:PC机的输入装置。电池的充电器，运动器材，带液晶显示器的音/视频产品控制器，一般家用电器的控制及遥控器，电子玩具，钟表，计算器，多功能电话等。 2.2.2 8位单片机 1972年，美国Intel公司首先推出8位微处理器8008，并与1976年9月率先推出MCS-48系列单片机。在这以后，8位单片机纷纷面世。例如莫斯特克和仙童公司合作生产的3870系列，摩托罗拉公司生产的6801系列等。随着集成电路工艺水平的提高，一些高性能的8位单片机相继问世，例如1978年摩托罗拉公司的MC6801。这类单片机的寻址能力达到64KB，片内ROM的容量达4-8KB，片内除带有并行I/O口，甚至还有A/D转换器的功能。8位单片机由于性能强大，被广泛用于自动化装置，智能接口，过程控制等各领域。 2.2.3 16位单片机 1983年以后，集成电路的集成度可达几十万只管/片，各系列16位单片机纷纷面世，这一阶段的代表产品有1983年Intel公司推出的MCS-96系列，1987年Intel公司推出了80C96 ，美国半导体公司推出了HPC16040。16位单片机主要用于工业控制，智能仪器仪表等场合。 2.2.4 32位单片机 随着高新技术智能机器人，激光打印机，图像与数据实时处理，复杂实时控制，网络服务器等领域的应用和发展，20世纪80年代末，推出了32位单片机，如摩托罗拉公司的MC683XX系列。32位单片机是单片机的发展趋势，随着技术的发展和开发成本的降低，将会和8位单片机并驾齐驱。 2.2.5 64位单片机 近年来，64位单片机在引擎控制，智能机器人，磁盘控制，算法密集的实时控制场所已有应用。如英国的Inmos 公司的Transputer T800是高性能的64位单片机 2.3 单片机的特点 1、单片机的特点 (1)高集成度，体积小，高可靠性 单片机将各功能部件集成在一块晶体芯片上，集成度很高，体积自然也是最小的。芯片本身是按工业测控环境要求设计的，内部布线很短，其抗工业噪音性能优于一般通用的CPU。单片机程序指令，常数及表格等固化在ROM中不易破坏，许多信号通道均在一个芯片内，故可靠性高。 (2)控制功能强 为了满足对对象的控制要求，单片机的指令系统均有极丰富的条件:分支转移能力，I/O口的逻辑操作及位处理能力，非常适用于专门的控制功能。 (3)低电压，低功耗，便于生产便携式产品 为了满足广泛使用于便携式系统，许多单片机内的工作电压仅为1.8V,3.6V，而工作电流仅为数百微安。 (4)易扩展 片内具有计算机正常运行所必需的部件。芯片外部有许多供扩展用的三总线及并行、串行输入/输出管脚，很容易构成各种规模的计算机应用系统。 (5)优异的性能价格比 单片机的性能极高。为了提高速度和运行效率，单片机已开始使用RISC流水线和DSP等技术。单片机的寻址能力也已突破64KB的限制，有的已可达到1MB和16MB，片内的ROM容量可达62MB，RAM容量则可达2MB。由于单片机的广泛使用，因而销量极大，各大公司的商业竞争更使其价格十分低廉，其性能价格比极高。 2.4 AT89C51 单片机的简介 主要特性: ?与MCS-51 兼容 ?4K字节可编程闪烁存储器 寿命:1000写/擦循环 数据保留时间:10年 ?全静态工作:0Hz-24Hz ?三级程序存储器锁定 ?128*8位内部RAM ?32可编程I/O线 ?两个16位定时器/计数器 ?5个中断源 ?可编程串行通道 ?低功耗的闲置和掉电模式 ?片内振荡器和时钟电路 2(管脚说明: VCC:供电电压。 GND:接地。 P0口:P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。 P1口:P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口:P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口:P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流(ILL)这是由于上拉的缘故。 P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口 P3.0 RXD(串行输入口) P3.1 TXD(串行输出口) P3.2 /INT0(外部中断0) P3.3 /INT1(外部中断1) P3.4 T0(记时器0外部输入) P3.5 T1(记时器1外部输入) P3.6 /WR(外部数据存储器写选通) P3.7 /RD(外部数据存储器读选通) P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST:复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG:当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是:每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。 /PSEN:外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。 /EA/VPP:当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器(0000H-FFFFH)，不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET;当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)。 XTAL1:反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2:来自反向振荡器的输出。 3(振荡器特性: XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。 3硬件电路的设计 对题目进行深入的分析和思考，可以将整个模块分为以下几个部分:控制部分，隔离电路，驱动电路和负载的续流电路。系统的框图如图3.1所示。 3.1控制电路的设计 控制电路主要由单片机来控制，编写一段程序使单片机发出的PWM脉冲来实现对驱动的控制。新一代的单片机增加了很多的功能，其中包括PWM功能。单片机通过初始化设置，使其能自动的发出PWM脉冲波，只有在改变占空比的时候CPU才干预。 3.2隔离电路的设计 隔离电路主要作用是防止驱动电路中的电流过大，与单片机直接相连是可能会烧毁单片机而加的保护性电路。 其电路图如下图3.2所示。其中1,2,3,4脚分别接单片机的P1.1 ,P1.2,P1.3，P1.4口。电阻起限流左右。电阻R1，R3，R5，R7阻值为470Ω，电阻R2，R4，R6，R8的电阻都为1KΩ。 其工作原理如下:当电机中的电压正常时，发光二极管导通，发光使光敏三极管导通，电路接通正常工作;当电路中电压很高时，发光二极管被击穿，电路不导通，从而起到保护单片机的作用。 3.3 驱动电路的设计 开关驱动是利用大功率晶体管的开关作用。将恒定的直流电源电压转换为一定的方波电压加在电机电枢上，与线性方式不同，在这种驱动方式下，驱动器的功率管工作在开关状态，当器件导通时，器件的电流很大但是压降很小;器件关断时，压降很大但是电流很小。因此驱动器的功率消耗少，发热量少，效率较高。 通过控制开关的频率和脉宽，可以对电机的转向进行控制。 我们在本次设计中采用的PWM脉冲调制方式正是一种开关驱动方式，是直流电机最重要也是最常见的驱动方式。采样控制理论中有一个重要的结论:冲量相等而形状不同的窄脉冲及在具有惯性环节上时，其效果基本相同，这正是PWM控制技术的理论基础。PWM驱动方式易与处理器接口，使用简单，最常见的就是H桥电路。集成H桥芯片很很多型号，我们使用的是L298的芯片 驱动电路是H桥电路，图3.4为H桥驱动电路的工作原理图。同一侧的晶体管不能同时导通。当SW1和SW4导通，当SW2和S3截止时，电路由正电流经SW1,从电机的正极流入电机，电机反向运转。当SW1和SW3或者SW2和SW4同时导通的时候，电机处于制动状态，电路中二极管注意是起续流保护作用。由于电机具有较大的感性，电流不能突变，若忽然将电流切断将在功率管两端产生巨大的电压，损坏器件。 我们采用的是模块是H桥芯片L298,图3.5所示是L298的内部原理图 L298需要2个电压，一个为逻辑电路工作时所需要的5V电压VCC，另一个为功率电路所需的驱动电压VSS。驱动电路的输入可直接与单片机的引脚相连，为了进一步提高抗干扰能力我们还使用了光电耦合器件组成的隔离电路和控制电路和动力电路进行电气隔离。参见表3.1。我们来分析原理，使能端输入使能。控制输入端A端输入PWM信号，控制输入端B端输入PWM的反相信号，在一个PWM周期里，电机的电枢承受双极性的电压，电机的速度和方向均由PWM决定。 PWM占空比为50%时，对应的电机的转速为0 即电机停止转动，占空比为0%-50%的时候电机的转速时-MAX-0，即电机反转;占空比为50%-100%对应的电机的转速为0- +MAX即 电机正转。电机的转动速度由PWM脉冲的频率决定。频率高则速度快，即电机加速，频率降低则是电机转动速度减慢。即电机减速。 使能端输入PWM信号控制输入端A端和控制输入B端输入控制电机状态的信号，电机状态参见表3.2 图3.6直流电机PWM调速 图3.6 直流电机的PWM调速方案 3.4续流电路的设计 由于电机具有较大的感性，电流不能突变，若忽然将电流切断将在功率管两端产生巨大的电压，损坏器件。我们应用二极管来续流，利用二极管的单向导通 二极管的选用必须要根据PWM的频率和电机的电流来决定。二极管要有足够性。 迅速的恢复时间和足够的电流承受能力。 电流如果突变易损坏功率管即L298芯片。为保护芯片而加上续流电路，其电路原理图如图3.7所示 3.5 整个电路原理图 4 软件设计 4.1主程序设计 该程序主要完成初始化，设置定时常数和中断入口程序，主程序不断的循环， 处于等待中断状态。 ORG0000H AJMP START ORG 0003H LJMP INT0 ORG 0030H ;系统初始化 START: MOV SP,#60H ;赋初值 MOV R0,#00H ;赋值R0=0 MOV R1,#00H ;赋值R1=0 CLR P1.5 ;置0 CLR P1.6 ;置0 CLR P1.7 ;置0 MOV TMOD ,#01H ;写控制字 MOV TL0,#0FFH ;置定时常数 MOV TH0,#0FFH SETB EA ;允许中断 SETB EX0 ;允许外部中断0 SETB ET0 ;允许TL0中断 CLR IT0 SETB TR0 ;启动TL0 图4.1 主流程图 4.2 显示设计 通过P1.1，P1.2口来控制数码，显示通过调用查表和调用延时来实现数 的显示，其程序代码如下: MOV DPTR,#TAB MOV 40H ，#0 ;置0 MOV 41H ,#0 ;置0 LED: SETB P1.1 ;P1.1置1 CLR P1.2 ;P1.2清0 MOV A ,40H ;将40H的内容送A MOVC A ,@A+DPTR ;查表 MOV P0,A ;查表得A值送P0口 LCALL TTS ;调用延时 CLR P 1.1 ;P1.1清0 SETB P1.2 ;P1.1置1 MOV A ,41H ;将41内容送A MOVC A,@A+DPTR ;查表 MOV P0,A ;查表得A值送P0口 LCALL TTS ;调用延时 CLR P 1.2 ;P1.2清0 LJMP LED ;跳转到LED ORG 2000H TAB:DB 40H ,79H,24H,30H,19H DB 12H ,02H,78H,00H,10H 4.3功能程序设计 结束中断以后转入相应的功能键程序，为加速，减速，正转，反转，暂停。程序 代码如下: ITTO :CLR P 1.5 JNB P1.5 ,Z1 MOV A ,#0FFH SUBB A ,RO 图4.2 数码显示流程图 图 4.3 中断子程序流程图 MOV TH0 ,A SETB TR0 ;启动TR0 RETI Z1 :MOV TH0 ,R0 ;高电平定时 SETB TR0 RETI INT0:CLR EX0 ;实现键盘控制 MOV A ,#0FFH MOV P2 ,A MOV A ,P2 JNB ACC.0 ,JIA JNB ACC.1 ,JIAN JNB ACC.2 ,ZZ JNB ACC.3 ,FF JNB ACC.4 ,TZ AJMP CC JIA:CJNE R0 ,#0FFH,AA ;实现电机加速 AJMP CC JIAN:CJNE R0 ,#00,BB ;实现电机减速 AJMP CC BB:MOV A ,R0 SUBB A ,#5 MOV R0 ,A AJMP CC CC:MOV A,R0 ;数码显数 MOV B ,#5 DIV AB MOV 40H,A MOV 41H ,B SETB EX0 LCALL TTS ;调用延时 LCALL TTS ;调用延时 LCALL TTS ;调用延时 LCALL TTS ;调用延时 RETI ZZ:SETB P 1.6 ;电机正转 CLR P 1.7 LCALL TTS LCALL TTS LCALL TTS SETB EX0 RETI FF:CLR P 1.6 ;电机反转 SETB P 1.7 LCALL TTS LCALL TTS LCALL TTS SETB EX0 RETI TZ:CLR P1.6 ;实现电机停止 CLR P1.7 LCALL TTS LCALL TTS LCALL TTS SETB EX0 RETI TTS :MOV R3 ,#0E0H ;延时子程序 TT1S:MOV R4 ,#30H TT0S:DJNZ R4 ,TT0S DJNZ R3 ,TT1S RET END 5结束语 通过本次课程设计，使我学到了许多书本上无法学到的知识，也使我深刻领会到单片机技术应用领域的广泛。不仅让我对我学过的单片机知识的巩固，同时也对单片机这门课产生了很大的兴趣，在课程设计的之中，体会良多，收获很大。 主要有以下方面: 1. 巩固了书本上学习的知识，通过本次的课程设计，对书本上面的知识更 加的了解，也对编写程序有了一定的认识。 2. 在本次的课程设计中，我进一步加强了自己的动手的能力和运用专业知 识的能力，从中学到如何去思考和解决问题 3. 通过本次的课程设计，让我了解到单片机技术对当今人们生活的重要性。 同时这次课程设计也让我明白不管做什么事都要脚踏实地，刻苦努力的 去做。 在本次的课程设计中，得到了我们的指导老师南老师的悉心指导和帮助，在此表示衷心的感谢。 参考文献 [1].何立明，单片机中级教程[M] 北京:北京航天航空大学出版社2006.10 [2] 邹久朋，80C51单片机实用技术,M,北京航天航空大学出版社2008.04 [3]刘湘涛，江世明 单片机原理与应用,M,北京:电子工业出本社 2007.04 [4]李全利 单片机原理及接口技术(第二版)高等教育出版社 2009.01 课程设计成绩评定表 姓 名 性 别 专业班级 课程设计题目: 课程设计答辩或质疑: 成绩评定 指导教师签字: 2010 年 6