基于单片机的直流电机调速系统硬件设计

基于单片机的直流电机调速系统硬件设计 --- 论文题目:基于单片机的直流电机调速系统硬件设计 专业: 本科生: 签名: 指导教师: 签名: 摘 要 直流电机因为具有良好的启动制动性能且易于实现较宽范围内的平滑调速即有良好的调速效果，因此它被广泛应用于冶金，机械和轻工业等生产部门。 论文基于AT89C52单片机及由它作为核心器件组成的最小系统的基础之上实现对直流电机各种运行状态(正转，反转，加速，减速和急停)的控制。同时，在不同的电机运行状态下显示电机的实时速度和流过电枢绕组的电流。在这次基于单片机的直流电机调速系统设计中对通过PWM波设定合适的频率(1K)对加在直流电机电枢两端电压的改变，以实现一定范围内的平滑调速。在调节电机速度的同时，对电机的电枢电流进行采样，经AD转换之后输入单片机与阈值进行比较以实现对电机的保护，当电枢电流过高或是过低时发出报警信号。 论文包括了按键控制模块、电机速度和电流显示模块、L298N电机驱动模块及以AT89C52为核心的最小系统。 关键词:直流电机，AT89C52，PWM，L298N -- --- Topic:The Speed Control System of DC motor Based on single Chip microcomputer Major:Electrical Engineering and Automation Guidance Teacher: Signature: Student: Signature: ABSTRACT DC motor has a better performance during starting and braking，and it is easy to realize speed regulation on wide range. So DC motor is used on many occasion , such as metallurgy , mechanics and light industry. In the System of DC motor speed control based on single microcomputer, as the core of single microcomputer, AT89C52 could control motor′s state (contain clockwise and anti-clockwise )，speed up and down and stop. During the motor working , we used LCD1602 to display the speed and current of motor. In order to come true smooth speed regulation , this system set a suitable frequent on PWM by setting two Timers initial value . The principle of this closed-loop is call different sub-function according to comparison of the results. When the motor was rotating, 3144 could simple speed and current signal processed by AD transformation then display through LCD1602 display modular. While the displayed current more or less than special range, motor would issue an alarm signal, at the same time , motor would be stopped.The system include four modular: button for motor state selection, display of speed of motor and current through motor′s armature winding, motor drive -- --- modular(L298N) and single microcomputer key to AT89C52. KEY WORDS: DC motor, PWM, L298N, Button Selection Modular, LCD 1602 Display-- --- 目 录 第1章 直流电机及其控制的发展和现状 ........................................ 1 1.1直流电机的发展及研究现状 ............................................ 1 1.1.1直流电机的国外发展 ............................................ 1 1.1.2 直流电机的国内发展 ............................................ 2 1.2 直流电机控制的国内外发展及现状 ..................................... 3 1.2.1直流调速系统发展简介 .......................................... 3 1.2.2直流电机控制现状 .............................................. 5 1.3直流电机调速系统的主要研究内容和意义 ................................ 6 1.3.1直流调速系统的研究意义 ........................................ 6 1.3.2论文主要研究内容 .............................................. 7 第2章 基于单片机的直流电机调速系统硬件部分 ................................ 9 2.1 直流电机概述 ....................................................... 9 2.1.1 直流电机的分类 ................................................ 9 2.1.2 有刷直流电机的组成及发展概况 ................................. 11 2.1.3 有刷直流电机的工作原理 ....................................... 12 2.2基于单片机的直流电机调速系统总体设计 ............................... 12 2.3单片机应用系统 ..................................................... 14 2.3.1 AT89C52与AT89C51 比较 ...................................... 14 2.3.2 AT89C52管脚介绍 ............................................ 15 2.4按键控制模块 ....................................................... 18 2.5 直流电机驱动和基于驱动的电流闭环模块 .............................. 19 2.5.1电机驱动的选择 ........................................... 19 2.5.2 L298N芯片介绍 ............................................... 20 2.5.3 电机驱动电路中的保护 ......................................... 23 2.5.4 电机的电流保护 ............................................... 25 2. 6电机速度和电流显示模块 ............................................ 28 2.6.1 显示模块的方案选择 ........................................... 28 2.6.2 LCD1602芯片介绍及其接法 ..................................... 29 2.7 电机速度控制的硬件设计 ............................................ 30 2.7.1 电机转速测量装置选择 ......................................... 31 2.7.2 电机的速度测量和闭环控制 ..................................... 32 第3章 直流调速系统软件设计 .............................................. 34 3.1 电机驱动及调速 .................................................... 34 3.1.1电机调速及控制的几种方式 ..................................... 34 3.1.2 基于PWM的直流电机调速 ....................................... 35 3.1.3电机驱动逻辑 ................................................. 36 3.2 显示和按键选择功能的软件设计 ...................................... 36 第4章 电机调速系统的硬件和软件调试 ....................................... 37 4.1 Proteus简介 ....................................................... 37 -- --- 4.2 keil软件介绍和联调 ................................................ 38 4.2.1 Keil C51简介 ................................................ 38 4.2.2 Keil C51的开发过程 .......................................... 38 4.2.3 Keil与Proteus联调 .......................................... 39 第5章 总结 ............................................................... 40 致谢 .................................................... 错误～未定义书签。42 附录 硬件电路原理图与实物 ................................................. 41 参考文献 .................................................................. 44 -- --- 第1章 直流电机及其控制的发展和现状 本章主要介绍了直流电机的发展，分类及各种电机的优缺点，并进一步介绍了有刷直流电机现阶段国内外的研究现状。同时简单介绍了本次直流电机调速设计的主要内容。 1.1直流电机的发展及研究现状 1.1.1直流电机的国外发展 直流马达(direct current, DC motor)可以说是最早能够将电力转换为机械功率的电动机，它可追溯到 由Michael Faraday 所发明的碟型马达。1821年，法拉第发现了载流导体在磁场内受力的现象;1831年，他又发现了电磁感应定律。两年后皮克西利用永久磁铁和线圈之间的相对运动和一个换向装置支撑了一台旋转磁极式直流发电机，即现代直流发电机的雏形。虽然在1833年时楞次已经证明了电机的可逆原理，但在1870年以前直流发电机和直流电动机一直被大家看作是两种不同的电机各自独立发展。当时直流电动机制造的指导思想是电磁铁之间的相互作用并需要用蓄电池供电。因此，直流电动机的广泛应用就必须提供较大的，廉价的直流电源。 后来由于生产上的需要即电报，电解，电镀和电动机电源，使得直流电机得到了较快的发展。在1834年到1870这近四十年的时间里，发电机的发展领域内发生了三个重大发明和改进。在励磁方面，首先从永久磁铁励磁转换成直流励磁，后来又从蓄电池他励转换成自励;在电枢方面，1870年格拉姆提出了环形电枢绕组以代替凸极式的T型电枢绕组。由于环形绕组为分布绕组，电压脉动小，换向和散热情况也较T型绕组大大改善，因此T型绕组很快就被淘汰了。在格拉姆对电机上提出环形电枢结构之后，人们对直流发电机和电动机的结构进行了对比终于使电机的可逆原理被大家所接受，从此之后发电机和电动机的发展就合二为一。 1870年至1890年是直流电机发展的另一阶段。1873年，海夫纳—阿尔泰涅克发现了鼓型电枢绕组提高了电枢导线的利用率。同时为了加强绕组的机械固定和减少铜线内部的涡流所耗，绕组的有效部分被放置于铁心的槽中。1880年，爱迪生提出了采用叠片铁芯以减少电机铁心损耗，降低电枢绕组的温升。鼓型电枢绕组和开槽，叠片铁芯的结构一直应用到今天。 -- --- 上述的种种进步使得直流电机的电磁负荷，单向容量及效率大为提高，这样换向器上的火花问题就成为当时最突出的问题。1885年出现的换相极和补偿绕组，1885年又开始用碳粉做电刷。这些措施的使用使得火化问题暂时告一段落，同时使电磁负荷和单机容量大为提高。 电机理论方面，1886年霍普金生兄弟确定了磁路的欧姆定律。1891年阿诺特在此基础上建立了直流电枢绕组理论。这些理论使直流电机的设计和计算建立在更为科学的基础之上。至19世纪90年代，直流电机已经具备了现代直流电机的主要结构特点。 1882年也是电机发展史上的有一个转折点。在这一年，台勃莱兹把米斯巴哈水电站发出的2KW直流电用一条57km的输电线送到慕尼黑，从此为电机和电能的应用打 拉第的原始设计其后经由迅速的改良，到1880 年代已成为主要的开了广阔的前景。法 电力机械能转换装置，但之后由于交流电的发展，逐渐发明出了感应马达与同步马达，直流马达的重要性亦随之降低。直到1960年，由单向可控硅的发明、磁铁材料、碳刷、绝缘材料的改良，以及变速控制的需求日益增加，再加上工业自动化的发展，直流马达驱动系统再次得到了发展的契机，到了1980年直流伺服驱动系统成为自动化工业与精密加工的关键技术。 1.1.2 直流电机的国内发展 我国电机的发展和生产较其它国家较晚但发展迅速。解放之前，我国的电机工业极端落后全国只有少数几个城市有电机制造厂。这些厂规模小设备差，生产能力低下，产品规格混乱，材料多数依赖于进口。解放前的最高年产量发电机仅20000KW，电动机为5.1万KW。改革开放之后，我国的电机制造工业得到快速得发展从防止阶段到自行车设计阶段一直到现在的研究创新阶段。经过多年的努力，我国已建立起自己的电机工业体系，有了统一的国家和统一的产品系列，建立全国性的研究试验基地和研究，工程技术人员队伍。已经研制成功2×5000KW的直流电动机，4700KW的直流发电机。在中型，小型和微型电机方面已经开发和研制成125个系列，上千个品种，几千个规格的各种电机。在特殊电机方面，由于新的永磁材料的出现，制成了许多节能高效的，维护简单的永磁电机。电机和电力电子装置，单片微型计算机相结合，出现了许多各种性能形态迥异的“一体化电机”。同时，各种类型的电机除满足我国生产和生活领域中的各种不同需求外还有部分可供出口。 -- --- 直流电机具有以下优点: (1)调速特性好，调速范围宽、调速平滑、方便; (2)较大的过载能力，可承受频繁冲击负载，而且能设计成与负载机械相适应的各 种机械特性; (3)可以实现快速起动、制动和逆向运转; (4)能适应生产过程自动化所需要的各种特殊运行要求。 以上这些特点，对交流电机而言特别是大功率交流电机是比较难的。所以到目前为止，功率较大要求较高的现代化自动控制系统中，一般采用直流电动机驱动。例如在冶金工业中作为各种轧钢机的驱动电机，主要特点是可以在不同转速下运行，并能承受频繁的冲击过载，频繁起、制动和逆转;在采矿工作中，作为矿山卷扬机和电铲驱动电机，主要是有良好的调速特性和高的过载力;在交通运输方面作为大型船舶推进和机车动力，主要利用它能快速起动和高起动转矩的特点;机床工作上用作为宽调速大型车床和巨型刨床的驱动，主要利用它的优越调速特性。此外，在城市交通、大型起动设备、船舶、航空和国防工作中，直流电动机都得到广泛的应用。 1.2 直流电机控制的国内外发展及现状 电动机作为最主要的机电能量转换装置，其应用范围已经遍及国民经济的各个领域和人们的日常生活。尤其是在冶金、机床、采矿和交通领域都大量使用着直流电机。据资料显示，在所有的动力资源中百分之九十都来自电动机。同样，我国生产的电能中百分之六十是用于电动机的。电动机与人的生活息息相关密不可分。 1.2.1直流调速系统发展简介 最初的直流调速系统是采用恒定的直流电压向直流电动机电枢绕组供电，通过改变电枢回路中的电阻来实现调速目的。这种调速方法的优点在于简单易行设备制造方便且价格低廉，但缺点是效率低，机械特性过软不能在较宽范围内实现调速所以目前很少使用。 在二三十年代末出现了发电机——电动机即旋转变流机组，它与磁放大器，电机扩大机，晶闸管等控制器件配合使用获得良好的调速效果，也就是可以在较宽范围(十比一至数十比一)内实现调速、较小的转速变化率和调速平滑等，尤其是电动机减速时可以通过发电机非常容易地将电动机轴的飞轮惯量反馈给电网。这样既可以得到平滑的制-- --- 动特性又能减少能量的损耗，提高效率。但旋转变流机组调速系统的主要缺点在于要增加两台与调速电动机相当的旋转电机和一些辅助励磁设备，因此体积大维修困难。 其后由于汞弧变流器的出现，利用汞弧变流器代替上面发电机-电动机系统，使电机的调速性能指标进一步提高。尤其是它的系统快速响应性是旋转变流机组难以比较的。但汞弧变流器的致命缺点是水银蒸汽会对维护人员造成一定的危害而且维护工作量大。 具有转折意义的发展是在1957年。1957年世界上出现了第一支晶闸管，与其它变流元件相比，晶闸管具有独特的优越性因此晶闸管直流调速系统一开始就显示出了强大的生命力。由于其体积小、响应快、工作可靠、寿命长、维修简便等一系列优点，采用晶闸管供电的调速系统不仅在经济指标和可靠性上有所提高而且在技术性能上也显示出了很大的优越性。晶闸管变流装置的放大倍数在1000以上，比普通机组(放大倍数为10)提高1000倍，汞弧变流器(放大倍数为1000)提高10倍;在调速的响应快速性上，机组只为秒级而晶闸管为毫秒级。从20世纪80年代中后期开始，晶闸管整流装置取代了以往的直流发电机-电动机组及汞弧变流器使直流电气传动完成一次显著的进步。同时控制电路也实现了高度集成化，小型化，高可靠性及低成本。以上技术的应用使得直流调速系统的性能指标大幅提高应用范围不断扩大，直流调速技术不断发展。 随着微型计算机、超大规模集成电路、新型电力电子开关器件和新型传感器的出现及自动控制理论，电力电子技术，计算机控制技术的深入发展，直流电动机控制技术装置也不断向前发展。微型计算机的使用使得直流电气传动控制系统的发展趋向于数字化，智能化，极大地推动了电气传动的发展。近些年来，一些先进的国家逐渐大量使用以微机为控制核心的直流电气传动装置，列入西门子的SIMOREG K6RA24，ABB的PAD/PSD等。 随着现代化步伐的加快，人们的生活水平不断的提高，同时对自动化的需求也越来越高，直流电动机的应用领域不断地扩大。像军事和宇航方面的雷达天线，火炮瞄准，惯性导航，卫星姿态，飞船光电池对太阳的跟踪控制;工业方面的各种加工中心、专用加工设备、数控机床、工业机器人、塑料机械、印刷机械，绕线机、纺织机械、工业缝纫机、泵及压缩机等设备的控制;计算机外围设备和办公设备中的各种磁盘驱动器，光盘驱动器、绘图仪、扫描仪、打印机、传真机等设备控制;音响设备和家用电器中的录影机、录像机、数码相机、洗衣机及风扇等的控制。随计算机微电子技术的发展和新型-- --- 电力电子功率器件的不断涌现，电动机的控制策略也发生了深刻的变化。电动机控制技术的发展得益于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料技术和微机应用技术的最新发展成就。变频技术和脉宽调制技术已经成为电动机控制的主流技术。正是这些技术的发展使得电动机控制技术在近二十年内发生了很大的变化。首先是模拟实现电动机控制策略逐渐退出历史舞台，而微处理器、通用计算机、DSP控制器等现代化手段构成的数字控制系统得到了快速的发展。电动机的驱动部分所用的的功率器件经历几次更新换代之后速度更快，控制更容易的全空性功率器件MOSFET和IGBT逐渐成为主流。同时功率器件控制条件的变化和微电子技术的使用也是新兴的电动机控制方法能够实现。其中脉宽调制即PWM的方法，变频技术在直流调速系统中得到了广泛的应用。永磁材料技术的突破与微电子技术的结合又产生了一批新型的电动机如永磁直流电动机，交流伺服电动机和超声波电动机等。由于含有微处理器和传感器作为新一代控制系统的组成部分，这种运动控制系统又称为智能运动控制系统。由此看来，应用先进的控制算法和开发全数字化智能运动控制系统将成为新一代运动控制系统的发展方向。 在那些需要对电动机控制系统进行精确控制的场合(包括数控机床，工业缝纫机、打印机)要求对电动机实现精确定位以适应负荷的剧烈变化，因此传统的控制算法已经难以满足系统的精度要求。为了适应时代的发展，现有的电动机控制系统也在朝着高精度，高性能和网络化，信息化，模糊化的方向不断前进。电气时代电动机的调速控制一般采用模拟法，对电机的简单控制应用比较多。简单控制是指对电机进行启动，制动，正反转控制和顺序控制。这类控制可通过继电器的可编程控制和开关元件来实现。还有一类控制称为复杂控制，即对电动机的转速，转角，转矩，电压，电流及功率进行物理量控制。 1.2.2直流电机控制现状 自20世纪60年代初试验成功第一支硅晶闸管以来，晶闸管直流调速系统也得到了快速的发展和广泛的应用。目前，有晶闸管供电的直流调速系统在我国国民经济各部门得到了广泛的应用。随着新型电力半导体器件的发展，绝缘栅双极型晶体管即IGBT具有开关速度快，驱动简单，可以自关断等优点克服了其自身的固有缺点。所以我国的直流电机调速也正向着脉宽调制(PWM)方向发展。 数字直流调速装置从技术上看，它能够做到由给定信号，调节器参数设定触发脉冲-- --- 的数字化，同时使用通用硬件平台附加软件程序控制一定范围功率内和电流大小的直流电机。同一台控制器可以仅仅通过参数设定和使用不同的软件版本对不同类型的被控对象进行控制，强大的通讯功能可以使它易于和PLC等各种通信器件组成对整个工业控制过程系统，并且具有操作简便、抗干扰能力强等特点。特别是方便灵活的调试方法、完善的保护功能、长期工作的高可靠性和整个控制器体积小型化的优点弥补了模拟直流调速控制系统的保护功能不完善，调试不方便，体积大等对应的不足之处。数字控制系统表现出的像查找故障迅速，速度调节精度高，维护简单也使其有更加广阔的前景。 国外的主要电气公司如瑞典的ABB公司，德国的西门子、AEG公司，日本的三菱公司、东芝公司，美国的,,公司，西屋公司等都已经开发出了多种直流调速装置，有一些成熟的系列化，标准化，化的应用产品。 我国关于数字直流调速系统的研究内容为:综合性最优控制，补偿PID控制，PID算法优化和模糊控制技术。我国现在大部分数字化控制直流调速控制装置主要依靠进口，但由于进口设备价格昂贵，同时也给予了国产全数字控制直流调速装置的发展空间。目前国内有许多大专院校、科研院校和生产厂家也在开发全数字直流调速装置。 1.3直流电机调速系统的主要研究内容和意义 1.3.1直流调速系统的研究意义 单片机有着广泛的应用。直流电机以其优良的性能在驱动、控制、牵引等许多场合起到了十分重要的作用。铁路机车直流牵引电机、地铁机车直流牵引电机、机车直流辅助电机、矿用机车直流牵引电机、船用直流电机、轧钢电机和其它直流电机，由于它们作为国民生活的基础，直流电动机是最早出现的电动机，也是最早实现调速的电动机。长期以来，直流电动机一直占据着调速控制的统治地位。由于它具有良好的线性调速特性，简单的控制性能，高效率，优异的动态特性，现在仍是大多数调速控制电动机的最优选择。因此研究直流电机的速度控制，有着非常重要的意义。目前，直流电动机调速系统数字化已经走向实用化，伴随着电子技术的高度发展，促使直流电机调速逐步从模拟化向数字化转变，特别是单片机的应用，使直流电机调速技术又进入到一个新的阶段，智能化，高可靠性已成为它发展的趋势。 由于直流调速系统的重要地位，因此对直流调速系统的转速控制要求(包括稳速，调速，加速减速三方面)更加精确。其中稳速要求即要求电机以一定的精度在所需要的-- --- 转速稳定运行，同时在各种干扰的作用下不能有过大的转速波动。然而工业控制中对于加减速和调速已经能够很好地实现，但是工程应用中的稳速指标却往往不能达到预期的效果。稳速很难达到要求的原因在于直流调速装置中的PID调节器对被控对象及其负载参数变化适应能力差。直流电机的数学模型很容易得到使得经典控制理论在已知被控对象的传递函数才能进行设计的前提得到满足，大部分数字直流调速器就是建立在此基础之上的。然而实际的传动系统之中，电机的一些固有参数和拖动负载的参数并不是模型那样一成不变。尤其对中小型电机而言，在某些应用场合参数随工况而变。同时，因为直流电机本身就是一个非线性的被控对象，许多拖动负载含有弹性或间隙等非线性因素，所以被控对象的参数变化与非线性特性使得线性常参数PID调节器顾此失彼而不能使系统在各种工况下都能保持设计时的性能指标，使得控制系统的鲁棒特性变差。尤其是模型参数大范围变化且具有较强非线性环节的系统，常规的PID调节器难以满足高精度，快响应的控制要求而不能有效控制负载、模型参数大范围变化及非线性因素的影响。在工程应用中这种控制器可能就不能满足生产要求譬如轧钢工业的同轴控制系统，回转窑传动装置等都需要在生产过程中保持稳定的转速要求而生产负载参数却是随工况变化的。 模糊控制不要求被控对象的精确模型但适应能力强，为了弥补常规数字直流调速装置的缺点。可以讲模糊控制与PID调节器相结合以形成FUZZY-PID负荷控制方案。从而设计能在负载和模型参数的大范围变化以及非线性因素的影响下都可以满足控制稳定转速精度要求的直流电机控制器。 1.3.2论文主要研究内容 本论文的主要研究内容就是在对直流电机的调速原理和调速方法了解的基础之上实现对直流有刷电机的调速系统设计。论文中直流电机的调速系统控制硬件主要包括单片机(AT89C52)控制模块，L298N电机驱动模块，LCD1602电机速度显示模块，独立式键盘控制模块及测速及反馈模块。 在这次基于单片机的直流电机调速的课题主要实现三个功能: (1) 实现电机的加速减速和正反转; (2) 实现电机速度的数字显示; (3)通过AD转换实现对电机电枢绕组电流的模数转换并显示电流值; -- --- 由于该电机调速系统中共有正转，反转，加速，减速和急停五个运行状态，考虑到成本和接线的简单性从而采用了独立式键盘输入。通过按键扫描结合中断功能，实现对按键的输入和识别。通过按键，可以实现电机的五个运行状态及各个状态之间的转换。结合实际直流电机驱动需求，选用L298N电机驱动芯片作为直流电机的驱动芯片，通过对L298N的控制端子输入PWM波实现电机的转速和转动方向控制。在电机速度控制系统中，可以利用霍尔元件配合磁片来对与电机同转速的脉冲计数实现直流电机的速度测量，将电机的实时速度反馈给单片机，再由单片机通过P0口输出实现对电机速度的实时显示。另外，通过L298N的管脚输出测得直流电机电枢绕组的电流，经AD转换之后，将它的输出与单片机复用P0口输出电枢绕组的电流。直流调速系统的主程序和按键子程序图分别如图1-2、图1-3所示。 开始 获取按键 开始判断是否有键按下 初始化YS1是否按下电机正传 按键子程序YS2是否按下电机反转 N 速度子程序 YS3是否按下电机加速 显示 YS4是否按下电机减速 图1-2主程序流程图 图1-3 按键子程序流程图 结束结束 -- --- 第2章 基于单片机的直流电机调速系统硬件部分 本章首先简要地对直流电机的工作原理介绍之后，将基于单片机的直流电机调速系统进行系统的整体的描述。之后对系统中的的各个硬件模块包括按键控制模块，速度显示模块，电机驱动模块，测速反馈模块及以单片机为最小系统，并进一步描述各个模块之间的相互联系及其与单片机的连接。 2.1 直流电机概述 2.1.1 直流电机的分类 直流电机的分类方式有多种: (1)按结果分直流电机分为直流电动机和直流发电机。 直流电机是指输入或者输出为直流电能的旋转电机，可以实现直流电能和机械能之间的转化。当直流电机作为发电机时它可以将机械能转化为直流电能，而作为电动机时则将输入的直流电能转化为机械能。 一台直流电机原理上既可以作为电动机运行,也可以作为发电机运行,即电机理论中的可逆原理。当原动机驱动电枢绕组在主磁极N、S之间旋转时，电枢绕组上感应出感生电动势，经碳刷、换向器装置整流为直流后，引向外部负载或者电网对外供电，此时电机作直流发电机运行。如用外部直流电源，经碳刷和换向器装置将直流电流引向电枢绕组，则此电流与主磁极N.S.产生的磁场互相作用，产生转矩，驱动转子与连接于其上的机械负载工作，此时电机作直流电动机。 (2)按励磁方式:直流电动机的励磁电流与电枢绕组电流一样，均由外电源供给，根据励磁绕组与电枢绕组的连接方式不同，可分为他励式直流电机，自励式直流电机，串励式直流电机和复励式直流电机。 ?他励直流电机 他励直流电机的励磁绕组与电枢绕组没有联接关系，而是由其他直流电源对励磁绕组供电。永磁直流电机也可看作一种特殊的他励直流电机。如图2-1a示。 ?并励直流电机:并励直流电机的励磁绕组与电枢绕组相并联连接。当直流电机作为并励发电机运行时，电机本身发出来的端电压为自身的励磁绕组供电;而作为并励电动机运行时，励磁绕组与电枢共用同一电源，从性能上讲与他励直流电动机相同。接线图如图2-1b所示。 -- --- ?串励直流电机:串励直流电机的励磁绕组与电枢绕组串联之后相接于直流电源。这种直流电机的励磁电流也就是电枢电流。接线图如图2-1c所示。 ?复励直流电机:复励直流电机共有并励磁和串励磁两个励磁绕组。若串励绕组产生的磁通势与并励绕组产生的磁通势方向相同称为积复励。若两个磁通势方向相反， Ifl则称为差复励。积复励的接线图如图2-1d所示。 If U UI IaIfU UIMIMIa MIa MIa If a b c d Ifl 图2-1 直流电机的励磁方式 总的说来，不同励磁方式的直流电机有着不同的特性。一般情况直流电动机的主要励磁方式是并励式、串励式和复励式，而直流发电机的主要励磁方式是他励式、并励式和和复励式。 (3)按类型分为直流有刷电机和直流无刷电机 有刷直流电机是指内含电刷装置的直流电机。当电机工作时，线圈和换相器旋转，磁钢和碳刷不转，因此线圈电流方向的交替变化是随电机转动的换相器和碳刷来完成的。 无刷直流电机是在有刷直流电动机的基础上发展来的，但它的驱动电流依然是交流电流。无刷直流电机又可以再分为无刷速率电机和无刷力矩电机两大类。一般地，无刷直流电机为了减少转动惯量，通常采用“细长”结构。无刷直流电机在重量和体积上要比有刷直流电机小的多，相应的转动惯量可以减少40%—50%左右。由于永磁材料的加工问题，致使无刷直流电机一般的容量都在100kW以下。这种电动机的机械特性和调节特性的线性度好，调速范围广，寿命长，维护方便，更加节能，噪声小，不存在因电刷而引起的一系列问题，因此这种电动机在控制系统中具有很大的应用潜力。 有刷电机和无刷电机的区别主要在于:有刷电机设有无刷电机没有的碳刷装置;有刷电机可以连续工作2000h,寿命可达7至10年，而有刷电机连续工作5000h，寿命只有2到3年;无刷电机的耗电量只有有刷电机耗电量的三分之一;在其它方面，有刷电-- --- 机由于具有碳刷因此比无刷电机发出的噪音大，维修工作量大，在维修时有刷电机不仅需要更换碳刷还必须更换齿轮等周边附件故成本高且电机的整体功能受损。 2.1.2 有刷直流电机的组成及发展概况 直流有刷电机的组件包括定子、转子、电刷和换向器。定子和转子磁场相互作用以驱动电机的旋转。作为现有历史最久的电机拓扑之一的刷式直流电机，其结构是将固定的刷子(即电刷装置)安装在定子机座上，摩擦转子上的换向片，而换向片又与旋转的线圈段连接。当电机开始电机旋转时，不同转子线圈不断连接和断开，转子状态的不断变化使其产生的净磁场相对于定子机座固定，同时通过定子磁场正确定向，从而产生扭矩。当换向片旋转过电刷时，电机的特定转子线圈段的电触头将会断开。由于转子线圈呈感性电抗，而电感器可以生成高回扫电压以抵抗电流变化，所以刷子和断开的换向片之间往往会产生电火花。多数情况下，这些火花会导致很多负面结果，如电噪声、效率降低，甚至在某些情况下可以造成更严重的危害。另外，在电刷上还必须安装弹簧来抵抗换向片，以确保电接触良好。这种措施进一步降低了效率，需要定期维护更换刷子。 尽管有刷直流电机有许多劣势，但它有一个显著的优势:成本。由于刷式直流电机的调速和控制较无刷直流电机而言更为简单，所以至今为止它仍然广泛用于系统成本是主要驱动因素的系统中。刷式直流电机历来常用于工业伺服应用，速度和扭矩分别与所应用的电压和电流成正比，这是由于在使用永久磁性生成定子磁通的拓扑中，产生的速度/扭矩曲线非常有线性特征。随着半导体领域的快速发展，半导体器件的跌价使得电源转换和控制的成本大为降低。所以许多直流电机被交流电机所代替，交流电机使得电机控制方面的效率和可靠性大为提高。 有刷直流电机的类型根据电机定子和外壳中磁场的产生方式的关系来划分。根据有刷直流电机的类型，定子磁场可以由永久磁铁或定子中的绕组产生。当由定子绕组中的电流产生磁场时，定子绕组与转子绕组可以是并行、串行、或混合方式连接的连接方式。这几种连接对应的三种有刷直流电机分别称为并激电动机、串激电动机和复激电动机 刷式直流电机的分类可以有很多种。其中按主题分有直流并联电机和通用电机，他们都可以使用定子线圈代替永久磁性。顾名思义，在直流并联电机中，定子线圈与转子电路并联;而通用电机中定子线圈与转子串联。通用电机具有高启动扭矩，可以高速运行所以通用电机在家用电器中尤其常用。在控制方面，通用电机只需要添加串联晶闸管-- --- 并进行交流相位控制，就可以轻松地对通用电机进行速度控制。 2.1.3 有刷直流电机的工作原理 所有的直流电机都由定子和转子两大部分组成。其中，定子上有磁极(磁极绕组式和永磁式两种)，转子有绕组。给电机供电之后，转子上就会形成磁场(磁极)，它对应的磁极与定子的磁极之间有一个夹角，在定子磁场和转子磁场(N极和S极之间)的相互吸引下，是电机旋转。通过改变电刷的位置，就可以改变定转子磁极夹角(若以定子的磁极为夹角起始边，转子的磁极为另一边，那么电机的旋转方向就是转子的磁极指向定子的磁极的方向)的方向，从而改变电机的旋转方向。也就是说有刷直流电机的定子绕组可以产生一个静止的磁场，而电枢磁场由外加电源产生。定子产生的静止磁场可以围绕在电枢(或称转子)的周围。直流有刷电机的电机轴上还有两个圆弧形的铜片，称为换向片。电机转动时，碳质的电刷可以在在换向器上滑动。这样一来电机就可以产生与定子的静止磁场相吸引的旋转磁场。电枢和定子绕组中的电流可以由电池或是其它直流电源提供(永磁直流有刷电机没有定子绕组)。电池(或直流电源)可以为电机绕组提供一个稳定的直流电压。由直流电机的转速方程可知，电机的电枢电压大小与电机的转速成正比，所以电池或直流电源对电机而言就是一个线性激励源。目前来看，调节直流有刷电机速度的最有效方式是采用脉宽调制(PWM)技术。脉宽调制技术可以以固定的频率开关恒压源，改变PWM信号的脉冲宽度可以调节电机的速度。脉冲高低电平间的比例称为PWM信号的占空比。直流电池电平的幅度等于PWM信号的平均幅度。 2.2基于单片机的直流电机调速系统总体设计 基于单片机的直流调速系统，顾名思义就是主要实现电机转速的调节。一般说来电机转速控制的几个性能指标为:稳速、调速和电机转向的控制。之前的许多系统都已经很容易地实现了这些性能指标，尤其是调速和控制转向。但是电机的稳速指标一直是一个难以克服的问题。因为电机本身的结构惯性，在电机启动和突然转换状态的时候会因为感性线圈而产生很大的反电动势从而造成电机的抖动。在该设计中共设置五个按钮以控制电机的状态即正转，反转，加速，减速和急停。 论文的主要目标就是实现对直流电机的控制。一般说来电机的控制量为转向和速度。所以在设计伊始就要确定如何使电机转起来。 -- --- 首先要确定使用电机的类型。在直流电机的有刷电机和无刷电机中，由于有刷电机是由电刷两端直接引出两条控制线，其成本低且控制简单、调速性能好因此在该系统中使用有刷直流电机。 其次要考虑硬件电路的设计。要使电机转起来就要电机的驱动芯片、装载程序的单片机最小系统、选择电机状态的按键及增大单片机管脚驱动能力的光电耦合，同时要有显示电机转速和电枢电流的显示模块。经过第二章中各个模块的方案选择，确定方案之后就要根据他们的控制逻辑确定其输入输出关系。 再次就是要根据每个硬件模块的逻辑关系对电路利用Proteus软件进行仿真。到仿真效果与预期目标一致时，就可以在对电路板进行布线和焊接硬件。在焊接硬件时需要做到每个管脚不虚焊，和其它管脚不短接;布线美观，导线连接不短路。 然后就是将软件下载到单片机的最小系统中进行软硬件的联合调试。在这个过程中可能会有许多软件和硬件的问题，这就需要我们不断地利用示波器，万用表找出各个问题产生的根源，然后针对不同的问题找出解决方案。 最后，当电机转起来之后，就要根据电机调速系统需要实现的功能经软件编程实现，在这次设计中即电机的正反转，加减速及速度、电流显示。在这个阶段需要不断地修改程序，不断地调试才会最终完成系统设计。整个系统的硬件框图如图2-2所示。 电源 按键控制模块 ML298N显示模块 AT89C52 晶振 电流报警 复位测速模块 图2-2 基于单片机的直流调速系统硬件框图 在系统的总体设计中，需要每个环节都做到尽量完善，这样才会整个系统最终具有良好的使用性能即对电机实现平滑调速。 -- --- 2.3单片机应用系统 单片机应用系统及其设计包括单片机应用系统的硬件和软件设计，单片机应用系统的开发平台，系统的可靠性设计等。其中，单片机应用系统就是以单片机为核心，同时配以输入，输出，显示，控制等外围电路和软件。最小系统即最小应用系统，它是指一个真正可用的单片机最小配置系统。实际上，内部带有程序存储器的AT89C51单片机本身就是一个最简单的最小应用系统。它成本低体积小的单片机结构可以对许多应用系统实现高性能的控制。单片机最小系统由单片机、复位电路、时钟电路以及扩展的程序，数据存储器等组成。在基于单片机的直流调速系统硬件设计中，硬件系统包括单片机最小系统，键盘控制部分，电机速度显示部分，直流电机驱动部分和电机速度检测、电流保护的电流检测部分。 2.3.1 AT89C52与AT89C51 比较 单片机的直流电机调速系统采用AT89C52单片机，型号中的8表示8位Flash单片机产品;9表示内部含有Flash存储器;C代表他的制作工艺为CMOS。它与AT89C51的区别如表2-1所示。 表2-1 AT89C51和AT89C52的区别 E2PROM容片内RAM定时/计数器 中断个数 生产工艺 量 容量 AT89C51 4k 128bite 2×16 5 CMOS AT89C52 8k 256bite 3×16 6 CHMOS AT89C52是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS 8位单片机，它提供以下标准功能:8k子节的Flash闪速存储器、256字节内部RAM,32个I/O口、3个16位定时/计数器，一个6向量两级中断结构，一个全双工串行通信口:片内振荡器及时钟电路。 除了以上不同之处外，AT89C52和AT89C51在其它方面都是一致的。它们具有相同的端口，控制方法也相同。一般情况下，它们都可以使用，只有在需要较多的定时/计数器以实现更多功能或程序稍多又不便于扩展程序存储器时使用AT89C52较为方便。 -- --- 2.3.2 AT89C52管脚介绍 图2-3 AT89C52管脚图 上图所示为AT89C52的管脚。上图中没有画出正电源与地的管脚分别为40和20号。在硬件连接中，40引脚接+5V电源的正极，20引脚接地。 管脚32-39是AT89C52 P0口的八位端口。P0 口是一组8 位漏极开路型双向I/O 口， 也就是地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能以吸收电流的方式驱动8 个TTL逻辑门电路，对端口P0 写“1”时，可作为高阻抗输入端用;当访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址(地址的低8 位)和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻;在Flash 编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，需要外接上拉电阻。Flash 编程和程序校验期间，P1 接收低8 位地址。 管脚1-8为P1口。区别于P0口，P1 是一个内部带上拉电阻的8 位双向I/O 口， P1口的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4 个TTL 逻辑门电路。对端口写“1”时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平作输入口。当作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。 另外，P1.0 和P1.1 除了做双向I/O口之外还可分别作为定时/计数器2 的外部计数输入(P1.0/T2)和输入(P1.1/T2EX)。第二功能如表2-2示。 -- --- 表2-2 P1.0和P1.1的第二功能 引脚号 功能特性 P1.0 T2时钟输出 P1.1 T2EX(定时/计数器2) 管脚21-28是它的P2口。P2 是一个带有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口。P2 的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL 逻辑门电路。当对端口P2 写“1”时，同P1口。对应P0口，当访问外部程序存储器或16 位地址的外部数据存储器时，P2 口送出高8 位地址数据。在访问8 位地址的外部数据存储器时，P2 口输出P2 锁存器的内容。Flash 编程或校验时，P2亦接收高位地址和一些控制信号。 管脚10-17是P3口。P3口是一组带有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口。P3口输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4 个TTL逻辑门电路。当对P3 口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高可作为输入端口。与其它端口不同的是，被外部拉低的P3 口将用上拉电阻输出电流。P3 口除了作为一般的I/O 口线外，更重要的用途是它的第二功能 。此外，P3 口还接收一些用于Flash 闪速存储器编程和程序校验的控制信号。 RST即复位输入。振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。在复位电路包括上电复位和手动复位两种。图2-4a，b分别为上电复位和手动开关复位的复位电路图。 VCCRST +5V+5VRST VSS (a) 上电复位电路 (b)手动开关复位 图2-4 复位电路 ALE/PROG:当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE(地址锁存允许)输出脉冲用于锁存地址的低8 位字节。一般情况ALE 仍以时钟振荡频率的1/6 输出固定的脉冲信号，所以它可对外输出时钟或用于定时。 EA/VPP:外部访问允许。当要使CPU只访问外部程序存储器(地址为0000H—FFFFH)，EA 端必须保持低电平。当EA端为高电平(接Vcc端)时，CPU 则执行内部程序存储器中的指令。 -- --- XTAL1和XTAL2分别为振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入和输出端。 定时器:AT89C52的定时/计数器0和定时/计数器1的工作方式和控制器均和AT89C51的一样。不同之处就在于AT89C52另外还增加了一个定时/计数器2。定时/ ，寄存器对(RCAO2H、RCAP2L)是计数器2 的控制和状态位是T2CON和T2MOD 定时器2 在16 位捕获方式或16 位自动重装载方式下的捕获/自动重装载寄存器。定时器2 是一个16 位定时/计数器。它既可以作为定时器使用，也可作为外部事件计数器使用，其工作方式由特殊功能寄存器T2CON的C/T2 位选择。它有三种工作方式:捕获方式，自动重装载(向上或向下计数)方式和波特率发生器方式，工作方式的选择由T2CON 的控制位来选择。定时器2 由两个8 位寄存器TH2 和TL2 组成。在定时器工作在定时方式时，每个机器周期时TL2 寄存器的值加1。由于一个机器周期由12 倍振荡时钟构成，所以计数速率为振荡频率的1/12;在计数工作方式时，当T2 引脚上外部输入信号产生由1 至0 的下降沿时，寄存器的值加1。另外，定时器2 可通过编程从P1.0 输出一个占空比为50%的时钟信号。 中断:AT89C52 共有6 个中断向量:两个外中断(INT0 和INT1)，3 个定时器中断(定时器0、1、2)和串行口中断。所有中断源及其入口地址如表2-3 所示。 表2-3 AT89C52中断源及其对应的矢量地址 中断源 中断矢量地址 中断源 中断矢量地址 外部中断0 0003H 定时/计数器T1中断 001BH 定时/计数器T0中断 000BH 串行口中断 0023H 外部中断1 0013H 定时/计数器T2中断 002BH 中断源可通过设置专用寄存器IE 的置位或清0 来控制每一个中断的允许或禁止。IE中有一个总禁止位EA，它能控制所有中断的允许或禁止。定时器2 的中断是由T2CON 中的TF2 和EXF2 逻辑或产生的，当需要执行中断服务程序时，这些标志位不能被硬件清除而由软件清除中断标志位。 定时器0 和定时器1 的标志位TF0 和TF1 在定时器溢出那个机器周期的S5P2 状态置位，只能在下一个机器周期才查询到该中断标志。与它们不同，定时器2 的标志位TF2 在定时器溢出的那个机器周期的S2P2 状态置位，并在同一个机器周期内就可以查询到该标志从而执行中断服务子程序。 通过以上的比较及简单的介绍可知本次设计我们选用的是在AT89C52的单片机的-- --- 基础上来对电机进行控制和研究的。 2.4按键控制模块 在基于单片机的直流电机调速系统中，需要实现对电机转向和速度的控制，同时为了特殊情况下对电机急停。因此该设计中按键控制模块包括五个按键，实物图中由上到下依次为正转，反转，加速，减速和急停按键。 一般情况下按键控制有独立式按键和矩阵键盘两种。独立式键盘是指每个按键占用一个独立的I/O口。而矩阵键盘是指由行信号和列信号实现对按键的扫描。与独立式键盘相比较，矩阵键盘可以用最少的I/O口实现更多的按键。因此，当按键数量大于6个时一般采用矩阵式键盘。 由于在该设计中共有五个按键来控制电机状态故采用独立式按键，利用软件对I/O口的状态进行查询判断是否有键按下，当确定有按键按下时依据软件进行不同的操作。 需要注意的是，在使用按键电路时需要考虑到按键的消抖问题。消抖共有两种方法即硬件消抖和软件消抖。硬件消抖就是在按键的两端并联一个电容，通过电容的充放电时间滤去抖动的前沿和后沿。但硬件消抖的缺点在于:一般情况下，抖动时间的长短和抖动的波形都因硬件所在的外部环境而有所差异，这种不确定性使得硬件消抖中电容大小的选择难以确定，从而使滤波效果不理想。与此不同的是，在软件消抖中，通过适当地调整时间长短一般就可以避开抖动区。所以大多数情况下都采用软件滤波。软件消抖是指在检测出按键按下后执行一个延时程序(一般是5ms到10ms)，让抖动消失后再进行一次按键的状态，如果按键仍然保持闭合状态才确认有键按下从而执行相应的操作。 -- --- 图2-5 按键接法 该设计中各个按键与单片机的接法如上图2-5示。 在按键与单片机的连接时，必须接上拉电阻。一方面是开关短路时为单片机端口提供电压，另一方面在开关闭合时可以限制导通电流的大小。因此上拉电阻既不能省略也不能合用。 2.5 直流电机驱动和基于驱动的电流闭环模块 2.5.1电机驱动方案的选择 一般情况下直流电机的驱动方案有五种: 方案一:通过达林顿管搭建开关电路。达林顿管就是将两个三极管接在一起，而极性只认前面的三极管的极性。由于达林顿管可以输出较大功率因此可以用于驱动较大功率的电机。 方案二:利用晶体管搭建控制电机的开关电路。这种方法的电路搭建复杂且容易受外界干扰，因而可靠性不高。 方案三:使用继电器开关作为电机开关。这种方法虽然接线简单但是响应速度慢而且继电器容易损坏。 方案四:使用专门的电机驱动芯片L298n。它与单片机的连接简单，稳定性好，可靠性高。 方案五:直接用一个光耦来驱动电机，电路简单可以控制输出隔离但是只能应用于-- --- 非应用性场合。 综合比较以上各种驱动电路的优缺点，在该系统中使用方案四即利用集成的电机驱动芯片L298N来驱动电机。L298比较常见的是15脚Multiwatt封装的L298N，内部包含4通道逻辑驱动电路。它可以方便的驱动两个直流电机，或一个两相步进电机。它的优点在于输出电压最高可达50V;直接通过电源来调节输出电压;直接用单片机的IO口提供信号;而且电路简单，使用比较方便。 2.5.2 L298N芯片介绍 在L298N是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。L298N可接受标准TTL逻辑电平信号V，V可接4(5,7 V电压。4脚V接电源电压，V电压范围SSSSSSV为，2(5,46 V。输出电流可达2(5 A，可驱动电感性负载。1脚和15脚下管的发IH 射极分别单独引出以便接入电流采样电阻，形成电流传感信号。L298可驱动2个电动机，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之间可分别接电动机，本此设计中我们只需驱动一台直流电动机。5，7，10，12脚接输入控制电平，控制电机的正反转。E，E接控nAnB制使能端，控制电机的停转。L298N的功能模块如表2-4示。 表2-4 L298N功能模块 ENA IN1 IN2 运行状态 0 × × 停止 1 1 0 正转 1 0 1 反转 1 1 1 刹停 1 0 0 停止 IN3，IN4的逻辑图与表4相同。由表4可知ENA为低电平时，输入电平对电机控制起作用;当ENA为高电平，当IN1和IN2的输入电平不同时，电机正或反转。IN1和IN2同为低电平电机停止，同为高电平电机刹停。 在L298N内部含有了两个H桥的高电压大电流全桥驱动电路。该电路得名于“H桥驱动电路”是因为它的电路图形状像字母H。由4个三极管组成的H桥的4条垂直腿，而电机就是H中的横杠。如图2-6所示，H桥式电机驱动电路包括 4个三极管和一个电机，其中三极管控制电路和续流二极管没有画出来。必须导通对角线上的一对才能使-- --- 电流流过电机从而使电机运转。根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。在电机转换方向之间还有二极管的续流以防止同侧的三极管导通烧坏二极管。因此，H桥驱动电路共有三个运行状态:正转，反转 -6的a、b、c所示来描述。 和续流状态。各个阶段的工作原理可以用图2 Us VT2 VT1 Ug1Ug3 M VT3VT4 Ug2Ug4 图2-6(a) 电机正转 电机正向运行时: Ug1和Ug4为正 ,VT1和VT4;与此同时Ug2，Ug3为负，VT2，VT3截止。电流沿图中虚线所示回路流通，电机两端的电压Uab=+Us; Us VT2 VT1 Ug1Ug3 M VT3VT4 Ug2Ug4 图2-6 (b) 电机反转电路 当电机反向运行时: Ug2、Ug3为负，VT2、VT3截止。电流沿图中虚线回路流通，电机两端的电压Um=—Us。 -- --- Us VD1VD3 Ug1Ug32 M 1VD2VD4 Ug2Ug4 图2-6 (c) 续流电路 在续流电路中，如果电机由正转向反转换向时，VD2和VD3导通续流，电流沿图2-6(c)中回路1流动，使电机两端的电压为反电压，同时将VT2、VT3钳位使其截止;当电机由反向运行向正向转换时，VD1和VD4导通形成图中2示的续流回路，使电机两端施加的电压相对为反转时端电压而言为反电压。在这种双极式电机控制中，因为电机停止时电枢电压并不是完全为零而是政府脉宽相等的交变脉冲电压，所以电流也是交变电流，这个交变电流的平均值为零因此不产生平均转矩，只是增加了电机的损耗。这正是双极式控制的固有缺点，但同时这种控制方法使得电机停止时有高频微振电流从而消除了正反转换向时的静摩擦死区起到了“动力润滑”的作用。 以上是L298N驱动电机的经典接法。除此之外还有另外的控制方法，即IN1和IN3的高低电平分别控制电机的正反转;IN2或IN4与单片机的T0相接通过占空比的改变控制电机的加减速;ENA和ENB作为L298N的使能端子，当它为高电平时，芯片才可以工作以驱动电机。在这次电机的调速系统设计中，我们采用的是后一种接法。L298N与单片机的接法如图2-7示。 -- --- 图2-7 驱动电路与单片机的连接图 2.5.3 电机驱动电路中的保护 (1)续流二极管 虽然在L298N内部的H桥驱动电路中含有续流二极管，但它只是用来防止同侧三极管导通时烧坏三极管。因此，为保护电机电枢绕组在电机转向时不被反相电动势损坏，在电机驱动电路中必须要设置保护电路。由于电动机的感性很强所以在电机改变运行状态或是在开机关机的瞬间会产生很大的反向感应电压，当此感应电压过大时会烧坏电机甚至驱动芯片。所以为了保护驱动芯片需要在电动机的两端接两组二极管。当电机运行状态突然改变时，可以通过续流二极管形成回路释放反电动势的电能从而起到保护电机的作用。其中共阴极的一组阴极接L298N的12V供电电源，两个二极管的阳极分别接电机的两端;共阳极的一组二极管其阳极共同接地，阴极分别接电机的进线和出线。 (2)光电耦合:为了提高电路的抗干扰能力和单片机的驱动能力，在单片机和L298N之间即驱动芯片的入口必须使用光耦。光耦隔离就是采用光耦合器进行隔离，光耦合器的结构相当于把发光二极管和光敏晶体管封装在一起。发光二极管把输入的电信号经发光二级管转换为光信号传给光敏管转换为电信号输出，由于没有直接的电气连接，这样既耦合传输了信号，又有隔离干扰的作用。在该设计中光电耦合的接法如图2-8示。 -- --- 图2-8 光电耦合典型电路 光电耦合器之所以在传输信号的同时能有效抑制尖脉冲和各种杂讯的干扰，使通道上的信号杂讯比大为提高，主要有以下几个方面的原因: (1)光电耦合器的输入阻抗通常很小，而干扰源的阻抗较大，通常为一百欧姆左右。由分压原理可知，即使干扰电压的幅度很大，但馈送到光电耦合器输入端的干扰电压会很小，只能形成很微弱的电流，由于这些干扰的分压没有足够的能量而不能使二极体发光，因此被抑制掉了。 (2)光电耦合器的输入回路与输出回路之间既没有电气联系，也没有共地;同时发光二级管与受光三极管之间的分布电容极小，绝缘电阻很大，所以输入回路一边的各种干扰杂讯都很难通过光电耦合器馈送到驱动电路中去，避免了共阻抗耦合的干扰信号的产生。 (3)光电耦合器有很好的安全保障功能，即使是外部设备出现故障(甚至输入信号线短接时)也不会损坏仪表。这是因为光耦合器件的输入回路和输出回路之间可以承受几千伏的高压。 (4)光电耦合器的回应速度很快，其回应的延迟时间只有10μs左右，可以应用于对回应速度要求很高的场合。 另外，光电耦合器除了具有以上特性外，其工作特性为: -- --- (1)共模抑制比高 在光电耦合器的内部，由于发光管和受光器之间的耦合电容很小(小于2pf)因此共模输入电压通过极间耦合电容对输出电流的影响很小故共模抑制比高。 (2)输出特性良好 光电耦合器的输出特性是指在一定的发光电流下光敏管所加电压和输出电流之间的关系。当发光二级管不发光时，光敏晶体管的输出电流称为暗电流。一般情况下暗电流的值很小。只有当发光电流大于零时，在一定发光电流下光敏管的输出电流与它所加的偏置电压无关。即光敏晶体管的输出电流与发光电流呈线性关系，其输出特性与普通晶体三极管输出特性相似。 (3)光电耦合器可作为线性耦合器使用 当给发光二极管上提供一个偏置电流，通过电阻把信号电压耦合到发光二极光上，这样，光电晶体管接收到的是在偏置电流上不断变化的光信号，输出电流的大小随输入电压的大小而线性变化。另外，光电耦合器也可工作在开关状态以传输脉冲信号。当传输脉冲信号时，输入信号和输出信号之间有一定的延时。不同结构的光电耦合器输入输出的延迟时间相差很大。 同时，以光敏三极管组成的光电耦合电路接线简单，工作温度范围宽，抗干扰能力强，无触点且输入和输出在电气上完全隔离及可靠性高，因此光电耦合广泛应用于控制系统中。在这次设计中利用光电耦合将驱动电路的控制部分和主回路隔离开来，用以避免主回路中的信号干扰控制回路的信号。需要注意的是，在使用光电耦合时必须将输入回路和输出回路的电源和地分开，这样光电耦合才能真正起到隔离的作用。 2.5.4 电机的电流保护 在进行电机的电流保护时，就需要用到采样电阻由L298N的1或15脚输出流过直流电机电枢绕组的电流。一般来说，这个模拟量需要经过运算放大器使其信号在AD转换芯片的参考电压范围之内再传输给AD转换芯片，经模数转换之后输出到单片机对电机电流进行显示。 L298N内部含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器线圈等感性负载。由于1脚和15脚与电机串联，因此在这两个管脚与地之间可以外接检测电阻即取样电阻，将流过电机电枢绕组电流的变化量反馈给控制电路。在接检测电阻时，应该使用功率为1W，阻值在0.5-1欧姆的大功率电阻，它在电路的作用主要是用来吸收功率防止大电流烧毁电阻。 -- --- 由L298N的SENSA管脚输出的信号为模拟信号，然而单片机只能对数字信号进行处理，因此在对采样所得的信号进行处理之前必须先经过模数转换将采样的模拟量转换成为单片机可以处理的数字信号。因此就需要采用数模转换器。模数转换器是指将模拟信号转换成数字信号的系统，它是一个滤波、采样保持和编码的过程。模拟信号经过滤波，采样保持电路，变为阶梯形状信号，然后通过编码器，使得阶梯状信号中的各个电平变为二进制码。在该设计中使用ADC0809作为模数转换芯片。 由于L298N的电流检测引脚输出的电压在-1到2V之间，当检测电阻取值为0.5欧姆时，电流的大概只有几百毫安。所以，在对流过电机的电流进行AD转换之前要经过运放对该电流信号进行放大或者将ADC0809的参考电压的幅值减小。在该基于单片机的直流电机调速系统中，使用过两种方法使ADC0809可以对电流信号进行精确的转换。 一种是使用集成运放芯片LM324对该电流信号进行放大。由于LM324的集成电路是深度负反馈的一种，因此运放的放大倍数由外接电阻决定。在该设计中Rf取值10k欧姆，反相输入端的电阻取值为1k欧姆，因此该运放的放大倍数为10倍。电流检测的电路连接图如图2-9所示。 图 2-9电机电流检测电路 另外一种就是根据给电机两端直接加直流电压时，电枢绕组的电流一般只有几百毫安左右。这个电流在0.5欧姆电阻上的压降只为1V左右，因此可以利用二极管导通时的压降为0.7V形成一个小的参考电压加在ADC0809的参考电压输入的正负端子之间。论文中使用两个二极管和一个电阻串联接在5V电源上，将二极管的阴极接地阳极接-- --- ADC0809的参考电压正端。这样，只要电路板上电，电阻二极管回路就会通路，两个二极管的串联压降即ADC0809的参考电压。这中接法可以节省芯片的使用，也使接线变得更为简单。因此，改进的系统使用后一种方法是ADC0809可以转换采样出的电流值。 ADC0809是美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D模数转换器。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。是目前国内应用最广泛的8位通用A/D芯片.它的主要特性包括: (1)8路输入通道，8位A/D转换器，即分辨率为8位; (2)具有转换的起停控制端子; (3) 转换时间与时钟频率有关，转换时间为100μs(时钟为640kHz时)，130μs(时钟为500kHz时); (4)+5V单电源供电 ; (5)模拟输入电压范围0,+5V，不需要零点和满刻度校准; (6)工作温度范围为-40,+85摄氏度 ; (7)低功耗，约15mW。 ADC0809要正常工作就必须由外电路给它提供时钟信号。因此就必须使用74LS74对单片机的时钟进行分频。74LS74是双D触发器,功能多,可作双稳态,寄存器,移位寄存器,振荡器,单稳态,,分频,等。当四分频时其接法为:各组的数据输入端子与同组的数据输出的反相端相接(2脚与6脚，8脚和12脚);1组的数据输出端子(5脚)与2组的时钟输入端子相接(11脚);1组的时钟输入(3脚)作为74LS74的输入端与单片机的地址锁存信号相接;2组的数据输出作为74LS74芯片的输出，做ADC0809的时钟输入。系统中单片机的晶振频率为12MHZ。在AT89C52的管脚介绍中介绍过ALE端口可以输出单片机的时钟振荡频率的1/6的频率信号即2MHZ，因此该信号经74LS74四分频之后就可以给ADC0809输出500KHZ的信号使其正常工作。 ADC0809的内部结构是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型A/D转换器、逐次逼近寄存器、逻辑控制和定时电路组成。ADC0809的工作过程是:首先给选择输入的3个选择端子输入3位地址，并将ALE置1，就可以将地址存入地址锁存器中。这个地址经译码选通8路模拟-- --- 输入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近寄存器复位。START的下降沿可以启动 A/D转换，开始转换之后EOC输出信号变低，之后一直保持低电平以指示转换正在进行。直到A/D转换完成，EOC变为高电平，指示A/D转换结束，结果数据已存入锁存器，因此EOC这个信号可用作中断申请。当OE输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。转换数据的传送 A/D转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理。因此数据传送的关键问题是如何确认A/D转换的完成，因为只有确认完成后，才能进行传送。通常有以下三种方式: (1)定时传送方式 对于一种确定的A/D转换器来说，转换时间作为一项技术指标是已知的和固定的。例如当时钟频率为500kHZ时，ADC0809转换时间为130μs，相当于12MHz的MCS-51单片机共32个机器周期。因此可以根据这个转换时间设计一个延时子程序，当A/D转换启动时即调用此子程序，延迟时间一到时转换肯定就已经完成了，接着就可进行数据传送。 (2)查询方式 A/D转换芯片有表明转换进行和完成的状态信号端子，如ADC0809的EOC端。因此可以用查询方式不断检查EOC的状态，就可以确认转换是否完成，如果EOC为高电平则表示转换结束可以进行数据传送。 (3)中断方式 把表征转换完成的状态信号(例如ADC0809中的EOC)作为中断请求信号，以中断方式进行数据传送。 不管使用以上哪种方式，只要一旦确定转换完成，即可通过指令进行数据传送。当OE信号变为高电平时，就可以把转换数据送上数据总线，供单片机接受。 2. 6电机速度和电流显示模块 在基于单片机的直流电机调速系统中，需要对直流电机的速度及电枢电流的实时显示，因此该系统中需要用到显示芯片。 2.6.1 显示模块的方案选择 通常情况下，有三种显示方案。每种方案由于其组成电路的方式不同，对显示的侧重点及显示功能都不一样，所以有各自的适用场合。以下是几种方案: 方案一:用LED数码管动态扫描。LED数码管由七个发光管组成8字形构成的，加上小数点就是8个。它对于数字显示合适、亮度高、价格适中，但是LED数码管的连接复杂，耗电流大且驱动电路复杂。 -- --- 方案二:用点阵式数码管显示。点阵式数码管是由八行八列的发光二极管组成，它适用于显示简单文字的场合。若应用于显示数字的场合，这种方案比较浪费资源且价格也相对较高。 方案三:采用LCD液晶显示屏 液晶显示屏的显示功能强大可以显示大量的文字、图形，显示清晰可见并且连接方便。 在基于单片机的直流电机调速系统中，需要对电机的速度和电枢电流进行显示。以上三种显示方案相比较可得，在该系统中应用LCD1602显示。 2.6.2 LCD1602芯片介绍及其接法 LCD1602是字符型液晶，显示字母和数字比较方便，控制简单，成本较低。LCD1602 每行可以显示 16 个字，可显示的行数为 2 行，有 16只引脚，其中数据线 DB0-DB7 和控制信号线 寄存器选择(RS)、读写控制端子(R/W)、使能端子(E) 用来与单片机连接， 另外三只引脚为电源信号线 VSS、 VDD、VO，其各引脚功能如下: 1 脚:VSS 为地电源，通常接地;2 脚:VDD 接 5V 正电源 ;3 脚: 为液晶显示器对比度调整端，它接正电源时对比度最弱， 接地电源时对比度最高， 由于对比度过高时会产生“鬼影”，所以使用时可以通过一个 10K 的电位器调整对比度; 4 脚:RS 为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器;5 脚:RW 为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当 RS 和 RW 共同 为低电平时可以写入指令或者显示地址，当 RS 为低电平 RW 为高电平时可以读忙信号， 当 RS 为高电平 RW 为低电平时可以写入数据; 6 脚:E 端为使能端，当 E 端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。7,14 脚: D0,D7 为 8 位双向数据线。 15,16 脚:15 脚接接高电平，16 脚接地。 -- --- 图2-10 LCD1602显示接线图 在该系统中，用P0口作为LCD1602的数据输入，P2.0-P2.2分别接1602的RS，RW和E端做控制信号。具体的接线图如上图2-10所示。 需要注意的是，P0口是一个八位漏极开路型双向I/O端口，它内部没有上拉电阻。由于P0口内部没有上拉电阻，是开漏的，不管它的驱动能力多大，相当于它是没有电源的，需要外部的电路提供，绝大多数情况下P0口是必需加上拉电阻的。 (1)P0口在作地址/数据复用时不需要外接上拉电阻; (2)作为一般的I/O口使用时，由于内部没有上拉电阻，故要接上拉电阻; (3)因为PNP型三极管低电平有效，所以当P0口用来驱动PNP管子的时候，就不需要上拉电阻; (4)当P0口用来驱动NPN管子的时候，就需要上拉电阻的，因为此时只有当P0为1时候，才能够使管子导通。 也就是说要使用P0口驱动LCD显示屏显示就必须要有电源驱动，而P0口恰好就没有电源，所以就要外接电源，接上电阻是起到限流的作用;当给芯片供电时，按照系统的程序设定可以显示出需要显示的内容。 2.7 电机速度控制的硬件设计 任何一种的电机的自动控制都有两种最基本的形式:开环控制和闭环控制。其中，开环控制的精度取决于硬件中元器件的精度和特性调整的精度。只有将系统的内外干扰-- --- 影响不是很大的时候并且控制精度要求不高时，适合应用开环控制方式。闭环控制又称反馈控制，它的实质就是利用负反馈来减小系统的误差。其优点在于可以自动修正被控制量偏离给定值，从而可以抑制内部干扰和外部干扰引起的误差以达到自动控制的目的。 闭环调速系统的实现应该以电机的测速为基础的。只有将电机的转速测出来之后输入给单片机，与给定值比较之后才能进行闭环调节。该系统中实现了对电机速度的开环控制并显示，因此需要使用测速电路将电机的转速测量出来并传输给单片机。 2.7.1 电机转速测量装置选择 转速是各类旋转机械和电机运行中的一个重要物理量，在各种技术测试和监控中需要对其进行精确的测量。随着技术的发展，各种不同的转速测量方法不断的涌现。不同的测速方法，一般测量原理或者测量工具存在差异。不同的测速方法的测量的精度可能不同，当然其适应的工作情况也不同。在本次设计中主要考虑到要测出电机的转速并且显示，因而必须采用合理的测速方法对其进行研究。 转速测量的方法可以大致分为两类，一类是直接法，即直接观测机械或者电机的机械运动，测量特定时间内机械旋转的圈数，从而测出机械运动的转速;另一类是间接法，即测量由于机械转动导致其他物理量的变化，从这些物理量的变化与转与转速的关系来得到转速。同时从测速仪是否与转轴接触又可分为接触式，非接触式。 目前通常采用的测速方法有光电 编码盘测速法、红外对管测速法、霍尔元件测速法等测速方法。 方案一:用光电旋转编码器进行检测。这是通过测出转速信号的频率或周期来测量电机转速的一种无接触测速法。光电码盘安装在转子端轴上，随着电机的转动，光电码盘也跟着一起转动，如果有一个固定光源照射在码盘上，则可利用光敏元件来接受光，接收到光的次数就是码盘的编码数。若编码数为l，测量时间为t，测量到的脉冲数为N，则转速。这种测速方法精确度高因此一般用于需要测量电机转角的场合。 方案二:使用测速发电机测量电机速度。这种方式产生的模拟信号不能被单片机直接处理，必须要经过AD转换才能处理。这种方法硬件复杂，需要由程序实现AD转换。 方案三:利用变磁通式速度传感器，这种电路比较复杂。 -- --- 方案四:用霍尔速度传感器直接测量电机电流，经过电机电流和转速的换算关系即可得出电机的速度。 方案五:采用红外放射式光电传感器安放在装有黑白相间的转盘上方,通过光线的反射程 度不同来检测脉冲, 发光二极管和接收二极管成对出现，其中一个为红外发光二极管，另一个为红外接收二极管。红外接收管通常工作在反向电压状态，利用对红外线进行隔断和接通的方法，使单片机中断引脚产生上沿或下降的动作一次。在程序的外部中断子程序中读取引脚脉冲的计数个数。即电机每转动一圈，隔断一次红外线，单片机在外部中断引脚上捕获一个脉冲，记为电机转动一圈。单片机在处理速度时，因为电机一般运行速度在3600r/min,即每分钟3600圈。采用的方法是3600除以60 得出每秒为60圈，再将1s细化为10个100ms,这样每100ms得到6圈的刷新速率，即每100ms读一次脉冲数可得到6圈。此方案比较简单可靠,不容易干扰。 方案六:用一个单极性的霍尔开关元件作为检测元件。这种方法是在电机转轴上装一个圆盘，圆盘上装若干对小磁钢，小磁钢越多，分辨率越高，霍尔开关固定在小磁钢附近，当电机转动时，每当一个小磁钢转过霍尔开关，霍尔开关便输出一个脉冲，计算出单位时间的脉冲数，即可确定旋转体的转速。这种方法不仅容易实现而且通过计数脉冲所得的电机速度为数字量可以被单片机直接处理。只是光电开关响应速度不快所以这种测速方法只是适合于转速不高的场合。 由以上几种方案比较可知，虽然方案五和方案六都比较简单可行，但由于这次设计中使用的电机只是小电机因此使用红外对管测速相对而言更难实现。而且霍尔元件在测电机转速的应用中非常广泛，且比较简单容易计算转速，所以该系统选用霍尔器件来测量电机的转速。在这次基于单片机的直流电机调速系统中，使用的电机供电电压为6-24V，转速为1500-6000r/min，因此该设计使用霍尔开关元件作为测速元件。 2.7.2 电机的速度测量 该设计用3144(单极性霍尔元件)实现对电机的速度测量。由于霍尔元件计数的只是一个定时/计数器周期内的电机旋转的速度。必须在软件中将这一段时间内的速度转换为一分钟内的电机转过的转数，然后将此速度用显示模块显示出来。 3144简介:3144是一种宽温，开关型霍尔效应感应器。其工作温度范围可以达到150摄氏度。在3144内部具有电压调整电路、反相电源保护电路、霍尔元件、温度补-- --- 偿电路、微信号放大器、施密特触发器和OC门输出级，通过使用上拉电阻将其输出介入到CMOS逻辑电路。这种芯片有尺寸小，稳定性好和灵敏度高的特点因此被广泛应用于电机测速。它有两种封装方式:3脚贴片微小型封装，其后缀为“LH”;另一种是3 三个管脚分别为正电源，地和输出。该系统中使用直插脚直插式封装其后缀为“UA”。 式的3144测速。具体做法是在电机的轴上安装一个圆盘，在这个圆盘中嵌入一个小磁片。电机转动时将霍尔元件防止在距离圆盘足够近又不会擦到芯片的位置。这样当圆盘旋转至磁片产生的的磁场强度能够使霍尔元件感应到该磁场时，霍尔元件就会对磁感应产生的脉冲次数加1。在一个定时周期内外部中断的脉冲计数个数即该时间段内电机转过的圈数。将PWM波的周期内的转速转换为电机一分钟内的圈数即需要显示的电机速 。 度。速度测出之后就可以实现对电机速度的显示 -- --- 第3章 直流调速系统软件设计 单片机应用系统由硬件和软件组成。其中，硬件是应用系统的基础;软件是在硬件基础之上对硬件进行合理调配和使用，从而完成应用系统所要求的任务。作为应用系统的两大组成部分，他们相互依赖，缺一不可。 在该设计中，软件主要实现的功能就是驱动电机按照不同的状态运行、每个按键按下去之后进行不同的操作、对电机速度的实时显示及对电机电枢绕组的电流显示用于及时起到保护作用。 3.1 电机驱动及调速 由L298N的中文资料可知，它对于电机的正反转，加减速具有两种控制方法。在该设计中应用第二种方法——IN1的高低电平控制电机的正反转;IN2输出电压的占空比调节电机的转速;ENA作为芯片的使能端子。 3.1.1电机调速及控制的几种方式 根据直流电机的转速方程: U,IR n, Ke, 其中:n为电机的转速;U表示电枢电压;I为电枢电流;R为电枢回路的总电阻;,是励磁磁通;Ke是由电机结构决定的电动势常数。 由上式可见，电机的调速方法有三种:调节电枢供电电压U，改变励磁磁通,;改变电枢回路电阻R。在这三种调速方法中，改变电阻只能进行有极调速，而且在改变电阻的瞬间会对电机有一定的冲击;改变励磁磁通虽然能够实现平滑调速，但是调速范围不大，这种调速方法一般只是配合调压方案，即在电机的额定转速以上作小范围的弱磁升速;而改变电枢电压得得方法可以在一定范围内进行无极平滑调速，自动控制的直流调速系统中一般都以调压调速为主。因此，在该系统的设计中使用调节电机的电枢电压来调节电机的转速。 在电机调速控制模块中一般情况下可以采用两种方式:采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的开或关之间的切换实现对电机速度的调整。这个方案的优点在于是电路较为简单，然而继电器的响应时间慢、机械结构容易损环、寿命较短和可靠性-- --- 不高;另一种方法是采用H桥组成的PWM电路，由单片机控制的H桥使只工作与占空比可以调节的开关状态。这种方法可以精确调整电机的转速，效率高而且可以简单地实现电机转速和方向的控制。 H桥组成的PWM电路，其调速特性优良、调速品火花、调速范围广及过载能力大。因此在这次设计中使用PWM实现对电机速度的调节。 3.1.2 基于PWM的直流电机调速 脉冲宽度调制(PWM:Pulse Width Modulation)简称脉宽调制，它是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。 PWM的调速工作方式共有两种:单极性工作方式和双极性工作方式。双极性工作方式是指在一个脉冲周期内，单片机两个控制端口各自输出一个控制信号，这两个控制信号的高低电平相反。有他们的高低电平时差来确定电机的转向和转速;单极性工作方式是单片机的两个控制端口中一个置低电平，另外一个输出PWM信号，两端口的输出切换和对PWM的占空比进行调节实现对电机的转向和转速的调节。由于单极性工作方式下，电压的交流成分小于双极性工作方式下的电压交流成分、电流的最大波动也小因此在基于单片机的直流电机调速系统中采用单极性工作方式。 PWM脉宽调制的方法有三种:定宽调频，定频调宽和调频调宽。在该系统中使用定频调宽的方式实现占空比的调节。因为定频调宽这种调速方式调节时电机的运转比较稳定而且在单片机产生PWM脉冲在软件上也比较容易实现。它的软件实现方式有:(1)利用软件延时的方式，即设置一个延时子程序在单片机输出高电平时调用延时子程序，延时时间到了之后电平进行翻转。这种方式控制精度不高而且很占用处理器的资源;(2)由软件产生一组二进制数控制PWM波形发生器产生PWM波，这种方式虽然实现简单效果较好，但是需要外加元件成本较高;(3) 用定时/计数器作为脉宽调制的定时方式。这种控制方法产生的脉冲宽度极其精确误差只有几个微秒。所以在该设计中，采用最后一种方式产生PWM波。 在该设计中使用两个定时/计数器来产生PWM波。两个定时/计数器相互配合，其中一个输出高电平另外一个输出低电平。当电机加速时，在减小定时/计数器T0初值的同时要给定时/计数器T1的初值减去同样大小的数值;减速时，即增加定时/计数器T0-- --- 的初值减小定时/计数器T1的初值。这样可以保证PWM波的周期不变真正实现定频调宽。 3.1.3电机驱动逻辑 在电机驱动及调速子程序中，包括电机正转、反转、加速、减速和急停子程序。按照L298N的控制逻辑，当要求电机正转时，应该将整个芯片的使能端子ENA置为有效电平(高电平)，然后将IN1置为高电平，IN2置为低电平;电机反转时，同样将芯片 为高电平、IN1为低电平而IN2为高电平;当需要电机加速或是减的使能端子ENA置 速时，需要先确定电机的转向然后调用加速和减速子程序通过定时/计数器的初值变化从而改变ENA输出电压的占空比，最后达到电机加减速的目的。 3.2 显示和按键选择功能的软件设计 电机速度、电流的显示和通过按键选择电机运行状态的程序作为该系统软件的一部分，它们各自都需要实现一定的功能。 在主程序中，利用switch语句判断P0口的电平状态从而执行与要求对应的电机运行状态。由于在硬件设计中，P1.0、P1.1、P1.3、P1.5和P1.7各接一个按钮，因此经消抖延时延时程序之后，若P1口的值为0XFE时则要求电机正转调用正转子程序;值为0XFD时，要使电机反转则调用相应的反转子程序;P1口的值0XF7和0XDF时分别调用加速和减速子程序。 在显示模块，首先要明白LCD1602的显示首地址及其控制端子的工作电平。在显示子程序中必须先对1602进行初始化。然后将其控制端子(RS,RW,E)置为有效电平:RW和RS共同为低电平时可以写入指令或是显示地址;RS为高电平RW为低电平时可以写入数据;E端只有在由高电平跳变成低电平时液晶模块才可以执行相应的命令。在显示子程序中，对1602初始化之后应首先对1602写入地址表示将会从这个地址开始显示(第一行的首地址为0X80，第二行首地址为0XC0);然后将RS置为低电平、RW置为高电平才可以显示数字或字符(1602的ASC?转换表中的任意字符)。需要注意的是，在显示子程序中，字符显示和数据显示不能应用同一个显示子程序。在显示数据的程序中要给所要显示的数据加0X30(ASC?表中0的对应值)才可以显示对应的数字。 -- --- 第4章 电机调速系统的硬件和软件调试 在软件和硬件设计完成之后还要进行综合调试。对于单片机应用系统而言，大多数程序模块的运行都依赖于硬件。如果没有硬件的支持，再完善的软件功能也会荡然无存。 在该系统的设计过程中，首先在Proteus中画出电路原理图，然后在Keil中编写功能程序，用断点和单步等方法调试。当在Keil中运行没有错误时，将工程中Debug属性改成应用Proteus仿真。 4.1 Proteus简介 Proteus软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件。它不仅具有其它EDA工具软件的大部分仿真功能，还可以仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但它已经受到大多数单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。Proteus是世界上著名的EDA工具，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正意义上实现了从概念到产品的完整设计。是目前为止世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列处理器，并一直在不断地增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR和Keil等多种编译器。Proteus具有丰富的资源可以供用户进行仿真: (1)Proteus可提供丰富的仿真元器件资源:仿真数字和模拟、交流和直流等数千种元器件，有30多个元件库。它提供多种激励源包括直流、正弦、脉冲、分段线性脉冲、指数信号、和数字时钟等。而且还支持文件形式的信号输入;其虚拟仪器包括示波器、逻辑分析仪、信号发生器、直流电压/电流表、数字图案发生器、频率/计数器等。 (2)Proteus支持通用的外设模型，例如:字符LCD模块，图形LCD模块，LED点阵，LED七段显示模块，按键/键盘，直流/步进/伺服电机，RS232虚拟终端和电子温度计等。其COMPIM还可以使仿真电路通过PC串口和外部电路实现双向异步串行通信。理论上以上各种仪器可以在一个电路中随意的调用多次。 (3)除了现实存在的仪器外，Proteus还提供了一个图形显示功能，可以将线路上不断变化着的信号，用图形的方式实时显示出来，它的作用和示波器相似，但功能比示波-- --- 器更加完善。这些虚拟仪器仪表有理想的参数指标，如高输入阻抗、低输出阻抗。这些都尽最大可能地减少了仪器对测量结果的影响。 (4) Proteus提供了较丰富的测试信号用于电路的测试。这些测试信号包括模拟信号和数字信号;同时他有生动的仿真显示，即用色点显示引脚的数字电平，导线用不同的颜色表示其对地电压的大小，结合动态元件(电机，按钮)的使用使仿真更加直观和生动。 在Proteus环境中绘制好电路原理图之后，添加已经编译好的目标代码文件:*.HEX，运行之后就可以在PROTEUS的原理图中看到模拟的实物运行状态和过程。 系统软件硬件独立调试成功之后可以将程序固化到程序存储器中，用单片机代替仿真器进行系统脱机综合运行，以检查系统软硬件结合的错误。 4.2 keil软件介绍和联调 4.2.1 Keil C51简介 Keil C51是单片机应用系统的开发中使用较多的一种开发工具，它功能强大、简单易用，适合于各种层次的使用者。Keil uVision4 是美国Keil Software公司的51系列单片机C语言集成开发系统。与汇编语言相比较，C语言功能上较为强大，而且其结构性、可读性、维护性上有明显的优势，因而易学易用。这个开发系统提供了丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，而且生成目标代码的效率高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。因此在开发大型软件时C语言更能体现出高级语言的优势。 Uvision与Ishell分别是C51 for Windows和for Dos的集成开发环境(IDE)，他们都可以完成编辑，编译，连接，调试和仿真等整个开发流程。开发人员可以使用IDE本身或是其它编辑器编辑C语言或汇编源文件。然后由C51及C51编译器编译生成目标文件(.OBJ)。目标文件可以通过LIB51创建生成库文件，也可以和库文件一起经L51连接定位生成绝对目标文件(.ABS)。绝对目标文件由OH51转换成标准的HEX文件，以供调试器dScope51或tScope51使用，进行源代码调试，也可利用仿真器用它直接对目标板进行调试，也可以直接写入程序存贮器如EPROM中。 4.2.2 Keil C51的开发过程 Keil C51的开发过程为: (1) 新建和开发项目。 新建立的项目必须设定Target的Device,即选用芯片的公-- --- 司和型号。在该系统中在Device中选择芯片为ATMEL89C52,Target中设定晶振为12MHz。 (2)在项目中加入程序文件。项目内的程序文件来源有两种方式，一种是将已经存在的程序文件直接加入项目中即打开设计添加源文件;另一种是选择File菜单中的New指令，建立一个新的新档案。档案的附属名称使用“*.c”;若使用A51编译器，档案的附属名称使用“*.a” (3)编译、修改程序。对于已加入项目的文件，可以直接在项目窗口中双击该程序的文件名，即可开启该档案的程序编译窗口。若未加入项目的程序文件，执行File/Open菜单指令，加载程序编辑窗口，进行编辑与修改。 (4)编译与链接、调试和在线仿真。经过编译之后，通常会出现一些信息的提示(警告和错误)，可以根据提示信息在程序中的对应位置进行修改，直到没有任何出错信息，然后可以和proteus联调进行仿真。 4.2.3 Keil与Proteus联调 在Keil环境中项目文件的属性窗口中将Debug改为应用Proteus仿真。程序编译完成之后打开Proteus图，双击单片机将编译生成的HEX文件装载到单片机中。然后在Proteus的ISIS界面中选择Debug?Start/Restart Debugging选项或是在Keil软件里选择 Debug?Start/Stop Debug Session选项，系统就可以开始仿真即完成Keil和Proteus的联调。在Proteus的ISIS界面中的图形编辑窗口就可以看到仿真现象。同时可以观察到每一个引脚的电平变化。其中蓝色代表低电平红色代表高电平。 在这次基于单片机的直流电机调速系统中已经实现的功能有:电机的正反转，加减速和对电机速度的开环调节和电流的显示。当电流值超出预设范围之外时，蜂鸣器会发出报警信号。 -- --- 第5章 总结 在这次《基于单片机的直流电机调速》系统设计中，从硬件设计到软硬件联调中，我学习到了许多知识。包括方案选择，硬件焊接和软件硬件之间的仙界调试。 在方案的选择(电机驱动，按键控制和显示模块)过程中，需要将现有的不同的方案放在一起对比它们的优缺点，然后根据现有的条件，设计的具体应用情况选择其中最合适的方案。以前的每次课程设计中，硬件都是由老师给出给定，使用哪种方法也都是一定的。因此，这次毕业设计同时要求我们具有一定的资料搜集，并且在众多的方案中选出最使用方案的能力。 大体来看，硬件布局焊接是个简单的问题。每个人都可以焊出一个电路板，然而焊出来的硬件布局是否合理，布线是否简单，工作性能是否可靠就是可以区分出来水平的高低。在焊接元器件之前首先要对电器元器件按照其接线进行布局，电气连接紧密的元件安排的位置也接近一方面美观，另一方面也可以减少导线的使用尽量减少短路发生的可能。然后将所有的底座焊在指定的位置，每个管脚不能虚焊。同时要保证每个底座与其他底座，每个底座的管脚之间都要保证不短路。底座焊接好之后就可以按照电路原理图进行接线。通过这次毕业设计，我学到了许多知识: -- --- 附录 硬件电路原理图与实物 图1 Proteus电路图窗口 图2 Proteus 电路原理图 -- --- 图4 实物图 图5 系统运行实物图 -- --- 图6 速度及电流显示 -- --- 参考文献 [1] 柴钰.单片机原理及应用[M].西安:西安电子科技大学出版社, 2008 [2] 罗金成.智能全数字直流调速系统理论研究与设计[D].武汉:武汉理工大学，2006 [3] 何溟.精准农药喷洒系统的研究与设计[D].北京:北京科技大学，2009 [4] 徐英凤。直流调速控制系统的研究与设计[D].沈阳:沈阳理工大学，2007 [5]冯磊.医院多功能情报系统的研究[D].上海:上海交通大学，2008 [6]杨咏梅.无刷直流电机的DSP调速控制的设计与模糊控制的仿真[D].成都:电子科技大学，2006 [7]廖艳娥.具有模糊控制的直流传动系统的研究设计[D].西安:西北工业大学，2004 [8]刘小华.便携式潜油电泵机组转速测量仪的研究和实现[D].中国石油大学，2008 [9]周娟.基于单片机的问世大鹏智能清洁机[D].河北:河北农业大学，2007 [10]刘方年.印制板光学自动正钻孔机的研究与开发[D].重庆:重庆大学，2008 [11]孙柏祥.多媒体集中控制的研制[D].黑龙江:黑龙江大学，2005 [12]孟建华.基于DSP的永磁同步电机运动控制系统的研究[D].西安工程科技学院，2006 -- --- [13]刘敏强.红外分光测油仪测控系统的硬件设计和软件实现[D].天津:天津大学，2007 [14] 马斌.韩忠华.王长涛.夏兴华.单片机原理及应用[M].北京:人民邮电出版社，2009 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