王 培

三門(mén)峽路橋建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司

基于Proteus的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

王 培

三門(mén)峽路橋建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司

本設(shè)計(jì)以單片機(jī)AT89C51為控制系統(tǒng)核心，將控制信號(hào)施加在L298芯片上來(lái)控制電機(jī)運(yùn)行。設(shè)計(jì)是以鍵盤(pán)作為輸入，實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)的啟停、加速、減速、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)控制，采用PWM技術(shù)控制電動(dòng)機(jī)，以改變占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)速度的精準(zhǔn)控制。文章在程序方面給出了主程序、鍵盤(pán)掃描子程序、PWM信號(hào)發(fā)生程序、測(cè)速度子程序以及顯示子程序的流程圖。最后通過(guò)Proteus軟件對(duì)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了仿真與分析，仿真結(jié)果表明：本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)啟停、加速、減速、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)的有效控制。

AT89C51；PWM控制；調(diào)速；Proteus

一、直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速的硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)AT89C51來(lái)控制輸出的數(shù)據(jù)，將控制信號(hào)施加于電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的L298芯片上，從而實(shí)現(xiàn)控制直流電機(jī)。以鍵盤(pán)作為輸入，實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)的啟停、加速、減速、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)控制，設(shè)計(jì)方案應(yīng)用PWM技術(shù)控制電機(jī)，通過(guò)改變占空比實(shí)現(xiàn)速度的精準(zhǔn)控制。用四位LED顯示屏實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度的實(shí)時(shí)顯示。

系統(tǒng)由以下結(jié)構(gòu)組成：?jiǎn)纹瑱C(jī)、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、按鍵模塊、顯示模塊。主要內(nèi)容如下：

1、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)：利用H橋驅(qū)動(dòng)電路可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，制動(dòng)的功能，L298是集成有橋式電路的電機(jī)專用芯片，在應(yīng)用領(lǐng)域被廣泛使用，而且其性能穩(wěn)定可靠，故用L298作為電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片。

2、單片機(jī)的選型：MCS-51系列單片機(jī)有多種型號(hào)，其中AT89C51不僅能兼容8051，還有ISP編程和看門(mén)狗的功能，本設(shè)計(jì)選用單片機(jī)AT89C51作為控制核心；

3、鍵盤(pán)類型的選擇：與矩陣式鍵盤(pán)相比獨(dú)立式鍵盤(pán)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，所以本設(shè)計(jì)采用獨(dú)立式鍵盤(pán)向單片機(jī)輸入信號(hào)；

4、顯示模塊的設(shè)計(jì)：LED是單片機(jī)系統(tǒng)中最常用的一款輸出器件，所以用LED實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)顯示。

二、直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速的程序設(shè)計(jì)

在進(jìn)行單片機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，除了硬件的設(shè)計(jì)外，大量的工作是根據(jù)每個(gè)對(duì)象的實(shí)際需要而進(jìn)行的程序設(shè)計(jì)。所以，軟件設(shè)計(jì)在控制系統(tǒng)中占有重要地位。

本設(shè)計(jì)采用的是C語(yǔ)言。C語(yǔ)言是一種面向機(jī)器的語(yǔ)言，它的特點(diǎn)是：執(zhí)行的速度快，實(shí)用性強(qiáng)，能夠直接管理與控制存儲(chǔ)器和硬件的接口，更好的發(fā)揮硬件的作用。設(shè)計(jì)編程時(shí)要盡量的模塊化、結(jié)構(gòu)化方向編寫(xiě)。本章做出了對(duì)由單片機(jī)控制的PWM直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)程序的具體分析。

1、 鍵盤(pán)程序

由于本設(shè)計(jì)只需用7個(gè)鍵，所以選擇了獨(dú)立式的鍵盤(pán)。7個(gè)按鍵分別控制直流電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、慢加速、快加速、慢減速、快減速和停止。

鍵盤(pán)的按鍵方式有接觸式與非接觸式兩種，在單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)中一般使用的是機(jī)械式觸點(diǎn)。在本設(shè)計(jì)中按鍵S沒(méi)有按下時(shí)，P1.X口輸入是高電平，當(dāng)按鍵S按下后，相對(duì)應(yīng)的P1.X口輸入低電平。由于單片機(jī)中的按鍵是機(jī)械觸點(diǎn)，所以按鍵斷開(kāi)和接通時(shí)都會(huì)有抖動(dòng)的現(xiàn)象，這時(shí)P1.X輸入端的波形。盡管這種抖動(dòng)只是毫秒級(jí)，人感覺(jué)不到，但是計(jì)算機(jī)處理速度可是微秒級(jí)的，所以這種抖動(dòng)對(duì)于計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)影響還是非常大的。因此在鍵盤(pán)的使用中必須要解決抖動(dòng)問(wèn)題。

經(jīng)常使用的去抖動(dòng)方法有軟件和硬件兩種方法。在單片機(jī)中一般都是使用軟件方法，所以本設(shè)計(jì)中用軟件方法解決去抖動(dòng)問(wèn)題。軟件解決抖動(dòng)方法：若檢測(cè)到P1.X口為低電平時(shí)，則等待一段時(shí)間，即延時(shí)10ms或著更長(zhǎng)時(shí)間，若P1.X口仍是低電平，就可以認(rèn)為相應(yīng)的按鍵S被按下。而關(guān)于按鍵釋放的后沿一般不需要對(duì)其進(jìn)行處理，所以這里就不做說(shuō)明了。

2、PWM控制程序

本設(shè)計(jì)使用AT895C1單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)軟件方法模擬輸出PWM波形。與硬件實(shí)現(xiàn)PWM信號(hào)，軟件實(shí)現(xiàn)具有限制少、成本低、實(shí)現(xiàn)便捷等優(yōu)點(diǎn)。

3、速度處理程序

測(cè)速是本設(shè)計(jì)的附加功能，人們可以通過(guò)顯示器直觀地看出調(diào)速的結(jié)果和性能。

三、直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的仿真與分析

1、Proteus軟件是由英國(guó)的Lab Center Electronics公司出版的EDA工具軟件。它不只有其它EDA工具軟件的仿真功能，還可以仿真單片機(jī)與外圍的器件。是一個(gè)很好的仿真單片機(jī)與外圍器件的工具。雖然在國(guó)內(nèi)的推廣才起步，但是已經(jīng)受到了單片機(jī)愛(ài)好者、單片機(jī)開(kāi)發(fā)應(yīng)用的科技工作者和從事單片機(jī)教學(xué)教師的青睞。Proteus是世界上有名的EDA工具(仿真軟件)，它從原理圖的布圖、代碼的調(diào)試到單片機(jī)和外圍電路的協(xié)同仿真，能一鍵切換到PCB的設(shè)計(jì)，真正的實(shí)現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)。它是目前世界上將PCB設(shè)計(jì)、電路仿真、虛擬模型仿真軟件三者合一的唯一設(shè)計(jì)平臺(tái)，它的處理器模型支持8051、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、HC11、ARM、AVR、8086與MSP430等。

2、Keil編程器是Keil Software Inc/Keil Electronic GmbH 開(kāi)發(fā)的基于80C51內(nèi)核微處理器軟件程序的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，能夠完成工程(Project)的建立與管理、程序的編譯與連接、目標(biāo)代碼的形成、軟件仿真等一套完整的軟件開(kāi)發(fā)流程。它和Proteus連接，能對(duì)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件進(jìn)行仿真。在Keil編程界面輸入程序，編譯成可執(zhí)行的HEX文件。當(dāng)在Proteus ISIS 界面打開(kāi)所設(shè)計(jì)的硬件電路圖，雙擊CPU，填入相對(duì)應(yīng)的HEX運(yùn)行文件的名稱，再點(diǎn)擊運(yùn)行的按鈕，則能可實(shí)現(xiàn)軟件與硬件的聯(lián)合調(diào)試。

3、仿真開(kāi)始時(shí)，每個(gè)模塊處于初始狀態(tài)。點(diǎn)擊獨(dú)立鍵盤(pán)的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)按鍵，顯示模塊開(kāi)始顯示數(shù)字。通過(guò)改變PWM的占空比改變電機(jī)的工作電壓，以電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)加速、減速、正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。按下S1鍵時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)，而按下S2鍵時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)；S3、S5是加速鍵，S4、S6減速鍵；S7是停止鍵。從仿真結(jié)果能夠看出，本設(shè)計(jì)得到了預(yù)期的結(jié)果。

四、結(jié)論

本文對(duì)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了初步的研究，從直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的原理出發(fā)，給出了直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)的軟、硬件實(shí)現(xiàn)方案。本設(shè)計(jì)由顯示模塊、按鍵模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和以AT89C51單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的核心構(gòu)成。由軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)PWM信號(hào)的產(chǎn)生，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊控制電機(jī)，以按鍵實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速和停止。電動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速通過(guò)顯示模塊顯示出來(lái)。

[1]焦玉朋.基于51單片機(jī)的PWM直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)[D].2013：12-13.

[2]申忠如，張倩.單片微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)[M].2013：25-26.