劉朋

渤海大學(xué)

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基于AT89S52單片機(jī)的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)研究

劉朋

渤海大學(xué)

轉(zhuǎn)速在直流電機(jī)運(yùn)行中起到重要的作用，如何更好地測(cè)量出電機(jī)的轉(zhuǎn)速，做好對(duì)電機(jī)的調(diào)速工作具有重要的意義和作用，電機(jī)在運(yùn)行的過程中具有很好的性能，當(dāng)前的電機(jī)調(diào)速性能比較嚴(yán)格，而且使用了直流調(diào)速系統(tǒng)。本文詳細(xì)分析了電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速系統(tǒng)，電動(dòng)機(jī)的硬件系統(tǒng)主要是：控制驅(qū)動(dòng)，測(cè)試以及硬件電路；軟件設(shè)計(jì)采用C語(yǔ)言編程。該系統(tǒng)使用脈沖的方式有利于電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)，而且可以調(diào)節(jié)脈沖寬度，通過光電開關(guān)可以更好的測(cè)量電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，在液晶顯示屏上可以對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行顯示，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制的目的，可以對(duì)出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析。

直流調(diào)速 LCD顯示 PWM控制 C程序

1　直流調(diào)速及PWM控制原理

1.1直流電機(jī)調(diào)速原理

直流電機(jī)的工作方式不同，有自我控制和他人控制兩種，不同的方式會(huì)產(chǎn)生不同的機(jī)械特性，有以下幾種轉(zhuǎn)速方式：

其中：U—電壓；—?jiǎng)?lì)磁繞組本身的電阻；—每極磁通（Wb）；Cc—電勢(shì)常數(shù)；Cr—轉(zhuǎn)矩常量。通過式子表示，通過電樞控制法可以對(duì)電機(jī)的速度進(jìn)行控制，還可以通過磁場(chǎng)控制法進(jìn)行控制，磁場(chǎng)控制法的控制功率不高，低速的時(shí)候因?yàn)榇艠O飽和的問題，磁圈內(nèi)部可能會(huì)有較大的電感，所以會(huì)獲得較差的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，在工業(yè)生產(chǎn)的時(shí)候使用最主要的是電樞控制法。

其中：U—電壓；R內(nèi)—?jiǎng)?lì)磁繞組本身的電阻；φ—每極磁通（Wb）；Cc—電勢(shì)常數(shù)；Cr—轉(zhuǎn)矩常量。由上式可知，通過電樞控制法可以對(duì)直流電機(jī)的速度進(jìn)行控制，雖然控制的功率不大，但是可能會(huì)受到磁極飽和的影響，在高速運(yùn)行的時(shí)候可能會(huì)受到換向器結(jié)構(gòu)的限制，由于線圈的電感強(qiáng)度比較大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差。電樞控制法是工業(yè)生產(chǎn)中常用的方法。

在電壓不變的情況下可以進(jìn)行變速控制，如果電樞上增加了控制電壓信號(hào)的話，這是有利于電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的，傳統(tǒng)的方式是串聯(lián)一個(gè)電阻，通過改變電阻有利于調(diào)速，但是這種方法沒有很高的效率，而且平滑度不高，在串聯(lián)電阻上可能會(huì)花費(fèi)很多的功率，所以會(huì)獲得很低的經(jīng)濟(jì)效益，如果轉(zhuǎn)速越慢，可能會(huì)獲得較大的能耗。因?yàn)殡娏Φ陌l(fā)展，控制電樞和電壓的方法很多。

1.2PWM脈寬調(diào)制原理

PWM脈沖寬度調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制的目的，有利于獲得波形技術(shù)。下式是占空比計(jì)算公式：

式中t1表示一個(gè)周期內(nèi)開關(guān)管導(dǎo)通的時(shí)間，T表示一個(gè)周期的時(shí)間。

2　硬件設(shè)計(jì)

2.1單片機(jī)選型

2.1.1單片機(jī)AT89S52的基本組成

本設(shè)計(jì)通過利用單片機(jī)AT89S52，包括以下幾個(gè)部分。（1）一個(gè)8位微處理器CPU。（2）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM和特殊功能寄存器SFR。（3）內(nèi)部程序存儲(chǔ)器ROM。（4）兩個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器，不僅可以對(duì)外部事件計(jì)數(shù)，而且可以進(jìn)行定時(shí)。

2.1.2單片機(jī)AT89S52的引腳說明

VCC：芯片正極輸入，接+5V。GND：電源地端。XTAL1、XTAL2：接外部晶振的引腳。如果單片機(jī)使用的外部時(shí)鐘信號(hào)，就可以接地。RES：如果復(fù)位信號(hào)持續(xù)兩周以上為高電平，就可以復(fù)位。ALE：地址鎖存控制端。！PSEN：在外部程序內(nèi)部選擇了各種信號(hào)端。！EA/VPP：訪問程序存儲(chǔ)器控制信號(hào)。P0~P3：四個(gè)I/O口，每口8線，共計(jì)32根I/O口線。

2.2驅(qū)動(dòng)電路

2.2.1L298內(nèi)部的原理

本設(shè)計(jì)可以更好的控制電壓和電機(jī)驅(qū)動(dòng)，有兩種控制方法，因?yàn)榫€形放大有利工作，而且線性比較好并且輸出波動(dòng)小，最終會(huì)對(duì)鄰近的電路產(chǎn)生干擾，因?yàn)橹荒茉诜秶M窄的地區(qū)工作，因?yàn)殡娐返墓β什桓?，在進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的時(shí)候，PWM波使L298工作在開關(guān)狀態(tài)。如果在開關(guān)的狀態(tài)下工作時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)很低的損耗級(jí)別，最終也是容易控制的。

2.3鍵盤設(shè)計(jì)

2.3.1鍵盤的功能及分類

可以對(duì)單片機(jī)中添加許多外圍設(shè)備，這樣才有利于更好地使用單片機(jī)，鍵盤是使用得最多的輸入設(shè)備，作為按鍵組合，通過命令輸入可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行查詢。

鍵盤根據(jù)結(jié)構(gòu)可以分為矩陣式和獨(dú)立式，矩陣式鍵盤也叫做行列式鍵盤，因?yàn)橛斜容^多的按鍵，而且可以更好地對(duì)功能進(jìn)行控制。

因?yàn)橛胁煌逆I碼和識(shí)別原理，可以通過編碼和編非編碼的形式設(shè)計(jì)鍵盤。使用軟件編程就可以很好的進(jìn)行鍵盤的定義，也叫做非編碼鍵盤；這句印件電路也可以更好的識(shí)別按鍵，設(shè)計(jì)硬件電路也可以更好的識(shí)別按鍵，這就叫做編碼鍵盤。

設(shè)計(jì)使用了5個(gè)按鍵，所以可以更好的完成設(shè)計(jì)。

2.3.2獨(dú)立式鍵盤

獨(dú)立鍵盤可以接I/O線，鍵盤也是獨(dú)立的，這種工作狀態(tài)并不會(huì)影響其他接口，如果改變了電平接口，可以對(duì)按鍵更好地進(jìn)行識(shí)別。本設(shè)計(jì)中用到五個(gè)獨(dú)立按鍵，具備各種功能。

2.4數(shù)碼管設(shè)計(jì)

2.4.1LED簡(jiǎn)介

LED，也叫做發(fā)光二極管，這種二極管可以自由發(fā)光。不僅可以更好地發(fā)射可見光，而且可以發(fā)射有限的紫外線，也可以發(fā)射紅外線二極管，這種二極管就叫做LED。

LED也叫做環(huán)氧樹脂固化，里面包括半導(dǎo)體，可以外接導(dǎo)體進(jìn)行供電，因?yàn)樗荓ED的發(fā)光器件，所以它的材料會(huì)對(duì)光的顏色產(chǎn)生影響。LED通過導(dǎo)線可以對(duì)PN結(jié)產(chǎn)生作用，電子和空穴可以相互結(jié)合，最終可以發(fā)出各種可見光。

2.4.2LED七段數(shù)碼管的結(jié)構(gòu)

圖LED七段數(shù)碼管的結(jié)構(gòu)

圖（a）是陰極結(jié)構(gòu)圖，通過發(fā)光二極管可以進(jìn)行串聯(lián)，最終可以收到各種信號(hào)，而且可以進(jìn)行連接，也能夠公共端接地，如果連接高電平的話，可以接入二極管。圖（b）是陽(yáng)極結(jié)構(gòu)，和其他的連接方式有著明顯的區(qū)別，而且可以并連在陽(yáng)極，這和陰極有著很明顯的區(qū)別，而且可以并聯(lián)在二極管的陽(yáng)極端，但是需要獲得5伏的供電源，可以獲得低電平信號(hào)，陰極端接收信號(hào)時(shí)，二極管就會(huì)發(fā)光。分析LED圖，可以通過共陽(yáng)極的形式，這樣可以更好的進(jìn)行電源供電，但是設(shè)計(jì)可能會(huì)面臨各種問題，所以需要進(jìn)行電能消耗。因此，本設(shè)計(jì)采用共陰極LED數(shù)碼管。

2.5光電編碼器

設(shè)計(jì)元件利用光電編碼器，可以更好的進(jìn)行仿真，而且在電機(jī)的內(nèi)部會(huì)有光電編碼器，最終可以測(cè)速。

在光電編碼器的內(nèi)部會(huì)有光柵，可以進(jìn)行LED發(fā)光，這樣才能更好地計(jì)算反光，機(jī)械角最終也可以轉(zhuǎn)化為脈沖信號(hào)，如果用單片機(jī)計(jì)數(shù)，最終可以得出電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使用角位移，就可以更好的計(jì)算角速度和物理量，那么精度更高，應(yīng)用范圍也會(huì)更廣泛。

3　軟件設(shè)計(jì)

3.1主程序

單片機(jī)會(huì)自動(dòng)的運(yùn)行函數(shù)main，系統(tǒng)可以初始化運(yùn)行，能夠運(yùn)行函數(shù)init，因?yàn)閱纹瑱C(jī)啟動(dòng)就會(huì)中斷，所以要設(shè)置好定時(shí)器，定時(shí)時(shí)間為250us。這時(shí)計(jì)數(shù)器可以啟動(dòng)T1，可以更好的計(jì)數(shù)電動(dòng)機(jī)的脈沖，電動(dòng)機(jī)也可以通過按鍵查詢的方式，查找是否按下了按鍵，按下按鍵可以通過中斷定時(shí)器對(duì)脈沖進(jìn)行調(diào)制，最終得到脈沖W，我們需要判斷k5是否按下，這樣才能更好的顯示轉(zhuǎn)速，如果初始化函數(shù)，就會(huì)中斷啟動(dòng)，最終需要設(shè)置定時(shí)器時(shí)間T0。

3.2定時(shí)器中斷程序

如果要中斷執(zhí)行程序，首先要打開定時(shí)器，位數(shù)為1時(shí)，開啟T0就會(huì)中斷，定時(shí)器的設(shè)置時(shí)間為250US，在一個(gè)時(shí)間段，如果T等于M，電機(jī)不會(huì)工作.如果T=100，則T清零，重新返回定時(shí)中斷；如果T不是100，則直接返回定時(shí)中斷?？梢愿鶕?jù)不同的需要，改變周期內(nèi)的電平時(shí)間，最終會(huì)出現(xiàn)Pwm波，通過頻率可以更好地接通電源，占空比的改變也能夠改變平均電壓，與直流電機(jī)聯(lián)系緊密，最終可以對(duì)電機(jī)更好地進(jìn)行調(diào)速。

3.3LED數(shù)碼管顯示

設(shè)計(jì)的過程中可能會(huì)存在LED數(shù)碼管，所以可以根據(jù)順序進(jìn)行顯示，可以顯示脈寬的個(gè)位，十位以及百位，最終更好的運(yùn)行程序，也能夠?qū)?shù)碼管進(jìn)行確定，可以顯示字符的字碼段，然后進(jìn)入循環(huán)。出現(xiàn)字碼段“W%10”后，可以延遲1m完成，通過第三個(gè)LED數(shù)碼管可以發(fā)現(xiàn)字碼段，延遲了1m的話，選擇第三個(gè)和第四個(gè)，最終可以重新開始進(jìn)行無(wú)限循環(huán)。

3.4獨(dú)立式鍵盤控制

本設(shè)計(jì)出現(xiàn)了5個(gè)獨(dú)立式按鍵，可以更好的控制電機(jī)，包括電機(jī)的加速和減速等各種功能，通過LED數(shù)碼管可以顯示按鍵功能，在程序運(yùn)行后可以檢測(cè)按鍵的閉合情況，如果按下了按鍵，可以檢測(cè)相關(guān)按鍵，令其K=0。當(dāng)K1按下時(shí)，判斷W的值，W為100時(shí)，令W=0，則占空比為0，電機(jī)停止運(yùn)行；W不為100時(shí)，W加1，占空比增加，電機(jī)加速。當(dāng)K2按下時(shí)，與K1相反。K3按下時(shí)，令A(yù)！=A，電機(jī)轉(zhuǎn)向，LED D5的亮或滅顯示電機(jī)轉(zhuǎn)向。K4按下時(shí)，令W=0，占空比清零，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。按下K5，并保持按下的狀態(tài)，能查閱當(dāng)前的占空比。返回檢測(cè)K1，依次無(wú)限循環(huán)。

4　結(jié)語(yǔ)

本文使用的直流電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)，可以通過單片機(jī)更好地對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)整，和其他的硬件或者是軟件進(jìn)行比較的話，可以更好的調(diào)整電機(jī)，而且通過軟件方法可以降低調(diào)速過程的成本，也可以更好地發(fā)揮單片機(jī)的效能，你通過PID算法進(jìn)行閉環(huán)控制，但是因?yàn)闀r(shí)間不充分的問題，所以在設(shè)計(jì)過程中會(huì)存在許多缺點(diǎn)，我們需要在學(xué)習(xí)的過程中更好地克服這些問題。

［1］盧春華，姚海燕，張莉.基于單片機(jī)的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.硅谷 ，2009（20）.

［2］李朝青.單片機(jī)原理及接口技術(shù)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

［3］張方.電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ)［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2008.