直流风扇电机转速测量与PWM控制单片机课程设计

1、直流风扇电机转速测量与 PWM控制摘要：本课题是对直流电机PWM调速器设计的研究，主要实现对电 动机的控制。因此在设计中，对直流调速的原理，直流调速控制方式以 及调速特性，PWM 基本原理及实现方式进行了全面的阐述。为实现系 统的微机控制，在设计中，采用了 AT89C51 单片机作为整个控制系统 的控制电路的核心部分，在设计中，采用PWM 调速方式，通过改变 PWM 的占空比从而改变电动机的电枢电压，进而实现对电动机的调速。 设计的整个控制系统，在硬件结构上采用了大量的集成电路模块，大大 的简化了硬件电路，提高了系统的稳定性和可靠性，使整个系统的性能 得到提高。关键词：直流电机，转速测量，PW

2、M控制。一.直流风扇电机转速测量与PWM控制的基本原理：直流电机的工作原理为：直流电机的磁极N,S间装着一个可以转动的铁磁圆柱体，圆柱体的表面固定着线圈 abed。当线圈流过电流的时候，线圈受到电磁力 的作用，产生旋转。根据左手定则可知，当流过线圈中电流改变方向时，线圈的 受力方向也将改变，因此通过改变线圈电流的方向实现改变电机的方向。控制电路主要由单片机来控制，单片机发出的 PWM脉冲来实现对驱动的控制。一设计方案：程序应用模块化进行设计，主要有初始化模块、显示模块、读键模块、数制转换 模块、双字节除法模块、中断模块和控制调节模块。编程次序可按此先后进行。初始化模块：8155工作方式、T0和

3、T1工作方式、标志位状态、所用单元初值、 中断设置以及初始显示等。显示模块：设定值和实测值的数值与字符动态显示。读键模块：从 I/O 口依据某位数码管亮时读入小按键是否有效， 然后根据四个小 键盘的不同功能进行相应的处理，只要设定值一改变立刻显示。加 1 键和减 1 键要有连加连减功能。数制转换模块：将二进制转换为十进制。外部中断模块：将转 1 圈的时间通过双字节除法程序求出即时转速。 定时中断模块： PWM 输出波形形成。控制调节模块： 通过设定值和实测值的比较来改变脉冲波的占空比， 该数据的调 节分为简单比例调节PP和比例积分调节PI。调节公式分别为：YK=YK1+KP*EKYK=YK1+

4、KP*EK+KI*EK2YK:要输出的数据YK1 :上次输出的数据EK:设定值和实测值的差值EK1 ：上次的 EK 值EK2: EK-EK1 的差值KP:比例系数（设KP=12）KI:积分系数（设KI=12）三 . 硬件设计 对题目进行深入的分析和思考，可以将整个模块分为以下几个部分:控制部分， 隔离电路，驱动电路和负载的续流电路。系统的框图如图 3.1 所示控制电路主要由单片机来控制，编写一段程序使单片机发出的PWM脉冲来实现对驱动的控制。新一代的单片机增加了很多的功能，其中包括 PWM功能 单片机通过初始化设置，使其能自动的发出 PWM脉冲波，只有在改变占空比1系统疔推图的时候CPU才干预

5、。隔离电路主要作用是防止驱动电路中的电流过大，与单片机直接相连是可能 会烧毁单片机而加的保护性电路。其电路图如下图3.2所示。其中1,2,3,4脚分别接单片机的P1.1 ,P1.2,P1.3， P1.4 口。电阻起限流左右。电阻 R1，R3，R5, R7阻值为470 Q,电阻R2， R4，R6，R8的电阻都为1KQ。其工作原理如下：当电机中的电压正常时，发光二极管导通，发光使光敏三 极管导通，电路接通正常工作；当电路中电压很高时，发光二极管被击穿，电路 不导通，从而起到保护单片机的作用。3.3驱动电路的设计开关驱动是利用大功率晶体管的开关作用。将恒定的直流电源电压转换为一定的方波电压加在电机电

6、枢上，与线性方式不同，在这种驱动方式下，驱动器的 功率管工作在开关状态，当器件导通时，器件的电流很大但是压降很小； 器件关 断时，压降很大但是电流很小。因此驱动器的功率消耗少，发热量少，效率较高。通过控制开关的频率和脉宽，可以对电机的转向进行控制。我们在本次设计中采用的PWM脉冲调制方式正是一种开关驱动方式，是直 流电机最重要也是最常见的驱动方式。 采样控制理论中有一个重要的结论： 冲量 相等而形状不同的窄脉冲及在具有惯性环节上时，其效果基本相同，这正是PWM控制技术的理论基础。PWM驱动方式易与处理器接口，使用简单，最常 见的就是H桥电路。集成H桥芯片很很多型号，我们使用的是 L298的芯片

7、富3. 1 1298引脚符号及功能功能SEMSA. SENSB分别为两十H折的电流竝愦脚，干用則可以At按按地FNA 、 ENB技能站输入PWM 号INK TN2. FN3. TN4输入端.1TL谡帶电平信号OUTI, OUT2 OUT3. OUT4输曲嫌.写对应输人喘阿逻曲VCC熠辑控制电源，VSS电机驰功电源，最小值需比输人的低电平电H'和GND他驱动电路是H桥电路，图3.4为H桥驱动电路的工作原理图。同一侧的晶 体管不能同时导通。当 SW1和SW4导通，当SW2和S3截止时，电路由正电 流经SW1,从电机的正极流入电机，电机反向运转。当 SW1和SW3或者SW2 和SW4同时导通

8、的时候，电机处于制动状态，电路中二极管注意是起续流保护 作用。由于电机具有较大的感性，电流不能突变，若忽然将电流切断将在功率管 两端产生巨大的电压，损坏器件。L298需要2个电压，一个为逻辑电路工作时所需要的 5V电压VCC，另一 个为功率电路所需的驱动电压 VSS。驱动电路的输入可直接与单片机的引脚相 连，为了进一步提高抗干扰能力我们还使用了光电耦合器件组成的隔离电路和控 制电路和动力电路进行电气隔离。参见表 3.1。我们来分析原理，使能端输入使 能。控制输入端 A 端输入 PWM 信号，控制输入端 B 端输入 PWM 的反相信号， 在一个 PWM 周期里，电机的电枢承受双极性的电压，电机的

9、速度和方向均由 PWM 决定。PWM 占空比为 50% 时，对应的电机的转速为 0 即电机停止转动，占空比为 0%-50% 的时候电机的转速时 -MAX-0 ，即电机反转；占空比为 50%-100% 对 应的电机的转速为 0- +MAX 即 电机正转。电机的转动速度由 PWM 脉冲的频 率决定。频率高则速度快，即电机加速，频率降低则是电机转动速度减慢。即电 机减速。使能端输入 PWM 信号控制输入端 A 端和控制输入 B 端输入控制电机状态 的信号，电机状态参见表 3.2图 3.6 直流电机的 PWM 调速方案由于电机具有较大的感性， 电流不能突变， 若忽然将电流切断将在功率管两 端产生巨大的

10、电压， 损坏器件。 我们应用二极管来续流， 利用二极管的单向导通 性。二极管的选用必须要根据 PWM 的频率和电机的电流来决定。二极管要有 足够迅速的恢复时间和足够的电流承受能力图3.7续流电路工作原理图3.5整个电路原理图四.软件设计该程序主要完成初始化，设置定时常数和中断入口程序，主程序不断的循环, 处于等待中断状态。ORGOOOOHAJMP STARTORG 0003HLJMP INTOORG OO3OH；系统初始化START: MOV SP ,#6OH;赋初值MOV RO,#OOH;赋值R0=0MOV R1,#OOH;赋值R仁0CLR P1.5;置0CLR P1.6;置0CLR P1.

11、7;置0MOV TMOD ,#O1H;写控制字MOV THO,#OFFHSETB EASETB EXOSETB ETOCLR ITOSETB TRO;允许中断;允许外部中断O;允许TLO中断;启动TLOJ卄始图4.1主流程图4.2显示设计通过P1.1，P1.2 口来控制数码，显示通过调用查表和调用延时来实现数的显示，其程序代码如下：MOV DPTR,#TABMOV 41H ,#0MOV A ,40HMOVC A ,A+DPTRMOV P0,ALCALL TTSSETB P1.2MOV A ,41HMOVC A,A+DPTRMOV P0,ALCALL TTSLJMP LEDORG 2000HTA

12、B:DB 40H ,79H,24H,30H,19HDB 12H ,02H,78H,00H,10H 结束中断以后转入相应的功能键程序， 代码如下：ITTO :CLR P 1.5JNB P1.5 ,Z1MOV A ,#0FFH；置 0；将 40H 的内容送 A；查表；查表得 A 值送 P0 口；调用延时；P1.1 置 1；将 41 内容送 A；查表；查表得 A 值送 P0 口；调用延时；跳转到 LED为加速，减速，正转，反转，暂停。程序SUBB A ,RO图 4.2 数码显示流程图图 4.3 中断子程序流程图SETB TR0RETIZ1 :MOV TH0 ,R0SETB TR0RETIINT0:C

13、LR EX0MOV A ,#0FFHMOV P2 ,AMOV A ,P2JNB ACC.0 ,JIAJNB ACC.1 ,JIANJNB ACC.2 ,ZZJNB ACC.3 ,FFJNB ACC.4 ,TZAJMP CCJIA:CJNE R0 ,#0FFH,AAAJMP CCJIAN:CJNE R0 ,#00,BBAJMP CCBB:MOV A ,R0；启动 TR0；高电平定时；实现键盘控制；实现电机加速；实现电机减速SUBB A ,#5AJMP CCCC:MOV A,R0MOV B ,#5 DIV ABMOV 40H,AMOV 41H ,BSETB EX0LCALL TTSLCALL TT

14、SLCALL TTSLCALL TTSRETIZZ:SETB P 1.6 CLR P 1.7 LCALL TTS LCALL TTSLCALL TTSSETB EX0RETIFF:CLR P 1.6SETB P 1.7；数码显数；调用延时；调用延时；调用延时；调用延时；电机正转；电机反转LCALL TTSLCALL TTSLCALL TTSSETB EX0RETITZ:CLR P1.6; 实现电机停止LCALL TTSLCALL TTSLCALL TTSSETB EX0RETITTS :MOV R3 ,#0E0H;延时子程序TT1S:MOV R4 ,#30HTT0S:DJNZ R4 ,TT0S

15、DJNZ R3 ,TT1SRETEND五 . 结论通过本次课程设计， 使我学到了许多书本上无法学到的知识， 也使我深刻领 会到单片机技术应用领域的广泛。 不仅让我对学过的单片机知识得到巩固， 同时 也对单片机这门课产生了很大的兴趣， 在课程设计的过程中， 体会良多， 收获很 大。主要有以下方面：1. 巩固了书本上学习的知识，通过本次的课程设计，对书本上面的知识更 加的了解，也对编写程序有了一定的认识。2. 在本次的课程设计中， 我进一步加强了自己的动手的能力和运用专业知 识的能力，从中学到如何去思考和解决问题3. 通过本次的课程设计， 让我了解到单片机技术对当今人们生活的重要性。 同时这次课程设计也