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1、 第9页单片机直流电机摘 要本设计以AT89C51单片机为核心,以4*4矩阵键盘做为输入达到控制直流电机的启停、速度和方向,完成了基本要求和发挥部分的要求。采用AT89C5单片机来控制直流电机,实现了软件与硬件相结合的控制方法。用软件代替环形分配器,达到了对步进电机的最佳控制。采用的H-桥驱动器使直流电机在开环状态下达到较高的变速转速,同时断电相不产生负的转矩分量,其能量被输入到电源,即将接通的下一相中去,增大了电流容量,提高了其工作的可靠性。在设计中,采用了PWM技术对电机进行控制,通过对占空比的计算达到精确调速的目的。关键词:直流电机,PWM技术,占空比,H-桥驱动器目 录1设计方案比较与
2、分析11.1电机调速控制模块11.2 PWM调速工作方式11.3 PWM调脉宽方式21.4 PWM软件实现方式22系统分析与设计22.1系统的硬件电路设计与分析32.2系统的软件设计42.2.1实验程序流程52.2.2 PWM脉宽控制82.2.3键盘中断处理子程序92.2.4显示子程序92.2.5定时中断处理程序103测试结果与分析11致 谢12参考文献131设计方案比较与分析 1.1电机调速控制模块方案1:采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压,从而达到调速的目的。但是电阻网络只能实现有级调速,而数字电阻的元器件价格比较昂贵。更主要的问题在于一般电动机的电阻很小,但电流很大;分压不仅会降低
3、效率,而且实现很困难。方案2:采用继电器对电动机的开或关进行控制,通过开关的切换对小车的速度进行调整。这个方案的优点是电路较为简单,缺点是继电器的响应时间慢、机械结构易损坏、寿命较短、可靠性不高。方案3:采用由达林顿管组成的H型PWM电路。用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态,精确调整电动机转速。这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下,效率非常高;H型电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制;电子开关的速度很快,稳定性也极佳,是一种广泛采用的PWM调速技术。兼于方案3调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大,因此本设计采用方案3。1.2 PWM调速工作方式方案1:双极性工作
4、制。双极性工作制是在一个脉冲周期内,单片机两控制口各输出一个控制信号,两信号高低电平相反,两信号的高电平时差决定电动机的转向和转速。方案2:单极性工作制。单极性工作制是单片机控制口一端置低电平,另一端输出PWM信号,两口的输出切换和对PWM的占空比调节决定电动机的转向和转速。由于单极性工作制电压波开中的交流成分比双极性工作制的小,其电流的最大波动也比双极性工作制的小,所以我们采用了单极性工作制。1.3 PWM调脉宽方式调脉宽的方式有三种:定频调宽、定宽调频和调宽调频。我们采用了定频调宽方式,因为采用这种方式,电动机在运转时比较稳定;并且在采用单片机产生PWM脉冲的软件实现上比较方便。1.4 P
5、WM软件实现方式方案1:采用定时器做为脉宽控制的定时方式,这一方式产生的脉冲宽度极其精确,误差只在几个us。方案2:采用软件延时方式,这一方式在精度上不及方案1,特别是在引入中断后,将有一定的误差。但是基于不占用定时器资源,且对于直流电机,采用软件延时所产生的定时误差在允许范围,故采用方案2。2系统分析与设计总体设计方案的硬件部分详细框图如图一所示。图2.1 设计方案硬件框图键盘向单片机输入相应控制指令,由单片机通过P2.0与P2.1其中一口输出与转速相应的PWM脉冲,另一口输出低电平,经过信号放大、光耦传递,驱动H型桥式电动机控制电路,实现电动机转向与转速的控制。电动机的运转状态通过LED显
6、示出来。电动机所处速度级以速度档级数显示。正转时数字向右移动,反转时数字向左移动。移动速度分7档,快慢与电动机所处速度级快慢一一对应。每次电动机启动后开始计时,停止时LED显示出本次运转所用时间,时间精确到0.1s。2.1系统的硬件电路设计与分析电动机PWM驱动模块的电路设计与实现具体电路见下图2.2。本电路采用的是基于PWM原理的H型桥式驱动电路。图2.2 H型桥式驱动电路PWM电路由四个大功率晶体管组成H型桥式电路构成,四部分晶体管以对角组合分为两组:根据两个输入端的高低电平决定晶体管的导通和截止。4个二极管在电路中起防止晶体管产生反向电压的保护作用。4个电感在电路中是起防止电动机两端的电
7、流和晶体管上的电流过大的保护作用。 在实验中的控制系统电压统一为5v电源,因此若达林顿管基极由控制系统直接控制,则控制电压最高为5V,再加上三极管本身压降,加到电动机两端的电压就只有4V左右,严重减弱了电动机的驱动力。基于上述考虑,我们运用了4N25光耦集成块,将控制部分与电动机的驱动部分隔离开来。输入端各通过一个三极管增大光耦的驱动电流;电动机驱动部分通过外接12V电源驱动。这样不仅增加了各系统模块之间的隔离度,也使驱动电流得到了大大的增强。 在电动机驱动信号方面,我们采用了占空比可调的周期矩形信号控制。脉冲频率对电动机转速有影响,脉冲频率高连续性好,但带带负载能力差脉冲频率低则反之。经实验
8、发现,脉冲频率在40Hz以上,电动机转动平稳,但加负载后,速度下降明显,低速时甚至会停转;脉冲频率在10Hz以下,电动机转动有明显跳动现象。实验证明,脉冲频率在15Hz-30Hz时效果最佳。而具体采用的频率可根据个别电动机性能在此范围内调节。通过N1输入信号,N2输入低电平与N1输入低电平,N2输入信号分别实现电动机的正转与反转功能。通过对信号占空比的调整来对车速进行调节。速度分7档控制,从高电平(第6档)到低电平(第0档)中间占空比以20%逐极递减。速度微调方面,可以通过对占空比以1%的跨度逐增或逐减分别实现对速度的逐加或逐减。2.2系统的软件设计本系统编程部分工作采用KELI-C51语言完
9、成,采用模块化的设计方法,与各子程序做为实现各部分功能和过程的入口,完成键盘输入、按键识别和功能、PWM脉宽控制和LED显示等部分的设计。单片机资源分配如下表1: P0显示模块接口外部中断0(P3.2)键盘中断P1键盘模块接口P2.0/P2.1PWM电机驱动接口内部定时器0系统时钟表1系统主函数流程如图 2.3:图 2.3 系统主函数流程图2.4系统函数流程2.2.1实验程序流程 ORG 05E0HSE13: MOV SP,#53H MOV 7EH,#00H MOV 7DH,#08H MOV 7CH,#03H MOV 7BH,#02H ;显示缓冲区初值LO20: MOV A,#80H ;停止
10、CALL LO21 MOV A,#00H ;反转 CALL LO21 MOV A,#80H ;停止 CALL LO21 MOV A,#0FFH ;正转 CALL LO21 SJMP LO20 ;=D/A直流电机正转、反转、停止=LO21: MOV DPTR,#0FFE0H MOVX DPTR,A ;送0832转换 MOV R0,#79H LCALL PTDS MOV R2,#00HL023: LCALL DIS ;显示 DJNZ R2,L023 RETPTDS: MOV R1,A ;拆送显示缓冲区 ACALL PTDS1 MOV A,R1 SWAP APTDS1: ANL A,#0FH MOV
11、 R0,A INC R0 RETDIS: PUSH DPH PUSH DPL SETB RS1 MOV R0,#7EH MOV R2,#20H MOV R3,#00H MOV DPTR,#LS0LS2: MOV A,R0 MOVC A,A+DPTR MOV R1,#0DCH MOVX R1,A MOV A,R2 inc R1 MOVX R1,ALS1: DJNZ R3,LS1 CLR C RRC A MOV R2,A DEC R0 JNZ LS2 MOVX r0,a DEC R0 CP1 a MOVX r0,a CLR RS1 POP DPL POP DPH RETLS0: DB 0C0H,0
12、F9H,0A4H,0B0H,99H,92H DB 82H,0F8H,80H,90H,88H,83H,0C6H DB 0A1H,86H,8EH,0FFH,0CH,89H,7FH,0BFH END2.2.2 PWM脉宽控制本设计中采用软件延时方式对脉冲宽度进行控制,延时程序函数如下:void delay(unsigned char dlylevel)int i=50*dlylevel;while(-i);此函数为带参数DLYLEVEL,约产生DLYLEVEL*400us的延时,因此一个脉冲周期可以由高电平持续时间系数hlt和低电平持续时间系数llt组成,本设计中采用的脉冲频率为25Hz,可得hlt
13、+llt=100,占空比为hlt/(hlt+llt),因此要实现定频调宽的调速方式,只需通过程序改变全局变量hlt,llt的值,该子程序流程图如图四。2.2.3键盘中断处理子程序采用中断方式,按下键,单片机P3.2脚产生一负跳沿,响应该中断处理程序,完成延时去抖动、键码识别、按键功能执行。图2.5系统子程序流程调速档、持续加/减速:调速档通过(0-6)共七档固定占空比,即相应档位相应改变hlt,llt的值,以实现调速档位的实现。而要实现按住加/减速键不放时恒加或恒减速直到放开停止,就需在判断是否松开该按键时,每进行一次增加/减少1%占空比(即hlt+/-;llt-/+),其程序流程如图2.5。2.2.4显示子程序利用数组方式定义显示缓存区,缓存区有8位,分别存放各个LED管要显示的值。显示子程序为一带参子程序,参数为显示缓存的数组名,通过for(i=0;i8;i+)方式对每位加上位选码,送到P0口并进行一两毫秒延时。该显示子程序只对各个LED管分别点亮一次,因此在运行过程中,每秒执行的次数不应低于每秒24次。2.2.5定时中断处理程序采用定时方式1,因为单片机使用12M晶振,可产生最高约为65.5