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1、工程实训报告题 目： 基于单片机的直流 电机调速系统 班 级： 电信13-2班 姓 名： 王 坤 学 号： 1306110218 指导教师： 张沛泓 成 绩： 电子与信息工程学院信息与通信工程系目 录一 直流电机调速器简介11.1 直流电机调速器11.2 调速原理11.3 直流调速系统实现方式31.3 控制程序的设计3二 系统硬件电路的设计32.1 系统总体设计框图及单片机系统的设计32.3 STC89C51单片机引脚图及其功能5三 PWM信号发生电路设计83.1 PWM的基本原理83.2 系统的硬件电路设计83.3 H桥驱动电路设计9四 主电路设计104.1 单片机系统104.2 液晶电路L
2、CD1062114.2.1 LCD1602与单片机连接114.2.2 LCD1602的显示与控制124.3 按键电路134.4 霍尔元件电路144.4.1 霍尔传感器测量原理14五 直流电机系统程序构成155.1主函数155.2输入字节函数165.3转速显示函数165.4占空比显示函数175.5初始化函数18六 实验结果19七 心得体会以及总结20参考文献21一 直流电机调速器简介1.1 直流电机调速器脉宽调制的全称为：PulseWidthModulator 简称PWM，直流电机调速器就是调节直流电动机速度的设备， 由于直流电动机具有低转速大力矩的特点，是交流电动机无法取代的， 因此调节直流电
3、动机速度的设备直流调速器，由于它的特殊性能、常被用于直流负载回路中、灯具调光或直流电动机调速、HW-1020型调速器、就是利用脉宽调制(PWM)原理制作的马达调速器、PWM调速器已经在：工业直流电机调速、工业传送带调速、灯光照明调解、计算机电源散热、直流电扇等、得到广泛应用。1.2 调速原理直流电动机根据励磁方式不同，分为自励和他励两种类型。不同励磁方式的机械特性曲线有所不同，对于直流电动机的转速有以下公式： 其中：U电压； 励磁绕组电阻；磁通(Wb)； Cc电势常数；Cr转矩常量。由上式可知，直流电机的速度控制分两种方法，有电枢控制法和磁场控制法。比较两种方法优劣，对于磁场控制法，其控制功率
4、较小，低速传动时易受到磁极饱和限制，而高速传动时又受到换向火花和换向器结构限制。所以磁场控制法并不合适，电枢控制法在电机调速中是比较常用的方法。直流电动机的基本结构直流电机的结构是多种多样的,但任何直流电机都包括定子部分和转子 部分,这两部分间存在着一定大小的气隙,使电机中电路和磁场发生相对运 动.直流电机定子部分主要由主磁极,电刷装置和换向极等组成,转子部分 主要由电枢绕组,换向器和转轴等构成，如下图所示： 图1-1 直流电机工作原理图电枢控制即在励磁电压不变的情况下，把控制电压信号加到电机的电枢上，以控制电机的转速。在电机调速中广泛使用，其中脉宽调制应用广泛。脉宽调速的概念是利用一个固定的
5、频率来控制电源的接通或断开，并通过改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短，即改变直流电机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速。 图1-2 直流电机脉宽调制图根据上图，当电动机始终接通电源时，电机转速最大为，占空比为，则电机的平均速度为：可见只要改变占空比D，就可以得到不同的电机速度，从而实现调速。1.3 直流调速系统实现方式 PWM为主控电路的调速系统：基于单片机类由软件来实现PWM，在PWM调速系统中占空比是一个重要参数，电源电压不变时，电枢端电压的平均值取决于占空比的大小，改变的值可以改变电枢端电压的平均值： 1、定宽调频法：保持t1不变，只改变t，使周期也
6、随之改变。 2、调宽调频法：保持t不变，只改变t1，使周期或频率也随之改变。 3、定频调宽法：保持周期T(或频率)不变，同时改变t1和t。 1和2方法在调速时改变了控制脉冲的周期或频率，当控制脉冲的频率与系统的固有频率接近时，将会引起振荡，因而不合适，用定频调宽法来改变占空比从而改变直流电动机电枢两端电压。1.3 控制程序的设计软件采用定时中断进行设计。当单片机上电后，系统进入准备状态。当按动按钮后执行相应的程序，根据P1.1的高低电平决定直流电机正反转。根据加、减速按钮，调整P1.1输出高低电平的占空比，从而可以控制高低电平的延时时间，进而控制电压的大小来决定直流电机的转速。二 系统硬件电路
7、的设计2.1 系统总体设计框图及单片机系统的设计本系统采用STC89C51控制输出数据，由单片机IO口产生PWM信号，送到直流电机，直流电机通过测速电路将实时转速送回单片机，进行转速显示，从而实现对电机速度和转向的控制，达到直流电机调速的目的。具体使用器件如下：1) 9*15万用板 2) 51单片机 3)40脚IC座 4) 1602液晶 5) 16p母座6) 16p排针 7) 10k电阻*3 8) 1k电阻*5 9) 3v直流电机 10) 磁铁*211) 塑料管 12) 3144霍尔传感器 13) 4148二极管*4 14) 8050三极管*415) 8550三极管*2 16) 103排阻 1
8、7) 104独石电容 18) 10uf电解电容19）30pf瓷片电容*2 20) 12M晶振 21) 按键*6 22) 自锁开关23) DC电源插口 24) 导线若干 25) 焊锡若干 26) USB电源线所以，直流电机调速系统总体设计框图如下所示： 图2-1 系统总体设计图2.2 STC89C51单片机 STC89C51单片机由CPU和8个部件组成，它们都通过片内单一总线连接，其基本结构依然是通用CPU加上外围芯片的结构模式，但在功能单元的控制上采用了特殊功能寄存器的集中控制方法。中央处理器CPU：它是单片机的核心，完成运算和控制功能。内部数据存储器：STC89C51芯片中共有256个RAM
9、单元，能作为存储器使用的只是前128个单元，其地址为00H7FH。通常说的内部数据存储器就是指这前128个单元，简称内部RAM。内部程序存储器：STC89C51芯片内部共有4K个单元，用于存储程序、原始数据或表格，简称内部ROM。定时器：STC89C51片内有2个16位的定时器，用来实现定时或者计数功能，并且以其定时或计数结果对计算机进行控制。中断控制系统：该芯片共有5个中断源，即外部中断2个，定时/计数中断2个和串行中断1个。其基本组成如下图所示: 图2-2 单片机的组成2.3 STC89C51单片机引脚图及其功能 图2-3 单片机引脚图 VCC：供电电压。 GND：接地。 P0口：P0口为
10、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
11、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
12、，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。 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。 I/O口作为输入口时有两种工作方式，即所谓的读端口与读引脚。读端口时实际上并不从外部读入数据，而是把端口锁存器的内容读入到内部总线，经过某种运算或变换后再写回到端口锁存器。只有读端口时才真正地把外部的数据读入
13、到内部总线。上面图中的两个三角形表示的就是输入缓冲器CPU将根据不同的指令分别发出读端口或读引脚信号以完成不同的操作。这是由硬件自动完成的，不需要我们操心，1然后再实行读引脚操作，否则就可能读入出错，为什么看上面的图，如果不对端口置1端口锁存器原来的状态有可能为0，Q端为0。Q为1加到场效应管栅极的信号为1，该场效应管就导通对地呈现低阻抗，此时即使引脚上输入的信号为1，也会因端口的低阻抗而使信号变低使得外加的1信号读入后不一定是1。若先执行置1操作，则可以使场效应管截止引脚信号直接加到三态缓冲器中实现正确的读入，由于在输入操作时还必须附加一个准备动作，所以这类I/O口被称为准双向口。89C51
14、的P0/P1/P2/P3口作为输入时都是准双向口。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
