空调进气量控制系统的设计

1、目录 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark3 o Current Document 第1章引言1 HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 1.1研充背景11.2基本理论1直流电机调速原理1 HYPERLINK l bookmark13 o Current Document 1.2.2 PWM基本原理及其实现方法2 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 第2章总体方案设计5 HYPERLINK l bookmark19 o Current Document 2.1设计思想5 H

2、YPERLINK l bookmark22 o Current Document 2.2硬件介绍5AT89C516L298N 芯片7 HYPERLINK l bookmark27 o Current Document 第3章硬件电路的设计8 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 3.1单片机的外部时钟电路8 HYPERLINK l bookmark33 o Current Document 3.2单片机的复位电路8 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 3.3键盘控制电路9 HYPERLINK l bo

3、okmark39 o Current Document 3.4电机驱动电路9 HYPERLINK l bookmark42 o Current Document 第4章软件设计11 HYPERLINK l bookmark45 o Current Document 4.1编程思想11 HYPERLINK l bookmark48 o Current Document 键盘扫描程序11 HYPERLINK l bookmark51 o Current Document 定时器中断计数程序114.2流程图11总体流程图11定时器进行PWM流程图12 HYPERLINK l bookmark58 o

4、 Current Document 第5章系统调试和结果分析14 HYPERLINK l bookmark61 o Current Document 5.1系统调试14 HYPERLINK l bookmark64 o Current Document 5.2结果分析15 HYPERLINK l bookmark67 o Current Document 第6章总结16 HYPERLINK l bookmark70 o Current Document 6.1结论16 HYPERLINK l bookmark73 o Current Document 6.2心得体会16 HYPERLINK l

5、 bookmark76 o Current Document 参考文献17 HYPERLINK l bookmark81 o Current Document 附录I总电路图18附录II 源程序19第1章引言1.1研究背景随着科学技术的发展，人们的生活水平不断提高，空调就像旧时王谢的堂前 燕，己经飞入了千千万万的普通家庭，空调己成为我们在严寒酷暑中生活的必不 可少的电器。空调的进风量控制技术是空调的基本技术，己经经过了很多年的研 充。当前空调的进风量控制主要是基于嵌入式系统的PWM控制，控制的元器件 是电机，多是交流电机。PWM控制是近些年兴起的一种电机控制方法，它适应 于各种电机，伴随着晶闸

6、管的快速发展，高性能晶闸管的大规模生产，PWM控 制技术快速发展，在生活中也得到了广泛应用。本文采用的是单片机的PWM对 直流电机的控制，通过对直流电机转速的控制，来实现对空调的进风量控制。1.2基本理论直流电机调速原理根据励磁方式不同，直流电机分为自励和他励两种类型。不同励磁方式的直流电机机械特性曲线有所不同。对于直流电机来说，机械特性方程式为:T = n0 An(1.1)式中Un , jv额定电枢电压、额定磁通量；Ke，Kt与电机有关的常数；RadRa电枢外加电阻、电枢内电阻；n0, An一一理想空载转速、转速度；分析式(1.1)可得.当分别改变四、和Rad时，可以得到不同的转速n，从而实

7、现对速度的调节。由于巾=当改变励磁电流时，可以改变磁通量4)的大 小，从而达到变磁通调速的目的。但由于励磁线圈发热和电动机磁饱和的限制, 电动机的励磁电流和磁通量。只能在低于其额定值的范围内调节，故只能弱磁 调速。而对于调节电枢外加电阻Rad时，会使机械特性变软，导致电机带负载能力减弱。对于他励直流电机来说，当改变电枢电压时，分析机械特性方程式， 得到特性曲线。如图1.1所示。理想空载转速n随电枢电压升降而发生相应的升降变化。不 同电枢电压的机械特性曲线相互平行，说明硬度不随电枢电压的变化而改变，电 机带负载能力恒定。当我们平滑调节他励直流电机电枢两端电压时，可实现电机 的无级调速。基于以上特

8、性，改变电枢电压，实现对直流电机速度调节的方法被 广泛采用。如图1.2所示，改变电枢电压可通过多种途径实现，如晶闸管供电速 度控制系统、大功率晶体管速度控制系统、直流发电机供电速度控制系统及晶体 管直流脉宽调速系统等。图1 1直流电动机机械特性曲线图1.2电枢电压“占空比”与平均电压关系1.2.2 PWM基本原理及其实现方法1.2.2.1 PWM基本原理PWM是通过控制固定电压的直流电源开关频率，从而改变负载两端的电压, 进而达到控制要求的一种电压调整方法。PWM可以应用在许多方面，如电机调 速、温度控制、压力控制等。在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频 率来接通和断开电源，并根据需要

9、改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长 短。通过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。因此，PWM 乂被称为“开关驱动装置”。在脉冲作用下，当 电机通电时，速度增加；电机断电时，速度逐渐减少。只要按一定规律，改变通、 断电的时间，即可让电机转速得到控制。如图1.2所示，设电机始终接通电源时， 电机转速最大为“心，设占空比为D = ti/T,则电机的平均速度为：(1.2)式中，电机的平均速度；Vmax 一 一电机全通电时的速度最大；由式(1.2)可见，当我们改变占空比D时，就可以得到不同的电机平均速度， 从而达到调速的目的。严格地讲，平均速度此与占空比

10、D并不是严格的线性关系， 在一般的应用中，可以将其近似地看成线性关系。1.2.2.2 PWM的实现方法PWM调速工作方式有两种：第一种为单极性工作制，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。第二种为双极性工作制，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。PWM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

11、较方便。1-2.2.3 PWM信号的产生方法PWM信号的产生通常有两种方法：一种是软件的方法；另一种是硬件的方 法。硬件方法的实现己有很多文章介绍，这里不做赘述。本文主要介绍利用单片 机对PWM信号的软件实现方法。软件实现有两种方法：延时法和计数器法。软件延时法的原理是：首先求出占空比D = h/r,再根据周期T分别给电机 通电M个单位时间站，所以M = t2Ao然后，再断电M个单位时间，所以M = t2/tQo 改变M和M的值，而M + M的值不变，从而也就改变了占空比D。计数器法的原理与延时法一样，只是实现方法不同，计数法的基本思想是： 设计凡条亳无意义的循环语句，使它们占据单片机的机器周

12、期，从而达到延时的 目的。当单位延时个数求出之后，将其作为给定值存放在某存储单元中。在通电 过程中，对通电单位时间门的次数进行计数，并与存储器的内容进行比较。若不 相等，则继续输出高电平的控制脉冲，直到计数值与给定值相等，输出低电平的 控制脉冲，使电机断电。这就是电机的一个通电脉冲，重复这个脉冲，控制电机 转速。这样，我们可以通过设定不同的定时初值，从而改变占空比D,进而达到 控制电机转速的目的。采用软件延时方式，在引入中断之后，将有一定的误差。采用定时器作为脉 宽控制的定时方式，这一方式产生的脉冲宽度极其精确，误差只在儿个”，综合 考虑我们采用计数器法。第2章总体方案设计2.1设计思想空调进

13、风量控制的模拟电路由四个部分组成：键盘，AT89C51单片机，L298 驱动器和直流电机。键盘上有四个按钮，一个停止按钮和三个档位按钮，控制电 机的停止与三个转速。由于实验室硬件的缺乏，我们用四个开关构成一个键盘来 替代空调的遥控器，这样替换既简化了电路设计，乂不会对设计产生影响。键盘 向单片机输入相应控制指令，由单片机通过PLO到PL3读取，并在P3.4 口输出 与控制指令相应的PWM脉冲，单片机输出的高电平只有5V,不能直接驱动电 机，因此接一个L298驱动芯片，由L298驱动电机转动或停止。PWM控制电 机的旋转，采用的是控制电机的通电时间，电机通电不是连续的，会影响直流电 机转速的平稳

14、，因此单片机输出脉冲的频率必须比较高，以保证电机的稳定。单片机控制直流电机电路的基本组成如图2.1所示。电源模块外部时钟与复位电路AT89C51键盘控制电路II驱动模块I 图2.1系统硬件框图2.2硬件介绍本次设计的主要硬件有单片机，L298驱动芯片和直流电机。直流电机比较 常见，下面介绍-AT89C51和L298驱动芯片。2.2.1 AT89C51AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器的低电压、高性能CMOS8位微 处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储 器的单片机。AT89C51与MCS-51兼容具有如下特性：4K字节可编程FLASH 存储器

15、、1000写/擦循环、数据保留10年、全静态工作：0HZ-24MHZ.三级程 序存储器锁定、128x8位内部RAM、32可编程I/O线、两个16位定时器/计数 器、5个中断源、可编程串行通道、低功耗的闲置和掉电模式、片内振荡器和时 钟电路。P0 口: P0 口为一个8位漏级开路双向I/O 口，每脚可吸收8个TTL门电流。 当P0 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/地址的低八位。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外部必须接上拉电阻。P1 口： P1 口是一个内部提供上拉电阻的8位

16、双向I/O 口，P1 口缓冲器能接 收输出4个TTL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 口作为低八位地址接收。P2 I: P2 口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O 口，P2 口缓冲器可接收, 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，

17、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，P3 口将输出电流ILL,这是由于上拉的缘故。2.2.2 L298N 芯片L298N为双全桥步进电机专用驱动芯片，内部包含4信道逻辑驱动电路，是 一种二相和四相步进电机的专用驱动器，可同时驱动2个二相或1个四相步进电 机，内含二个H-Bridge的高电压

18、、大电流双全桥式驱动器，接收TTL逻辑准位 信号，可驱动46V. 2A以下的步进电机，且可以直接透过电源来调节输出电压； 此芯片可直接由单片机的IO端口来提供模拟时序信号。L298 有 Mutiwattl5 和 PowerSO20 两种封装。MW.15的1、15和PowerSO的2、19用法一样，SEN1、SEN2分别为两个 H桥的电流反馈脚，不用时可以直接接地；(MW.15) 2、3=(PowerSO)4 5QUT1、OUT2 输出端，与对应输入端(如 IN1 与 OUT1 )；同逻辑4=6, VS驱动电压，最小值须比输入的低电平电压高2.5V：5、7=7、9, INIs IN2输入端，TT

19、L电平兼容；6、11=8、14, ENA、ENB使能端，低电平禁止输出；8=1、10、11、20, GND 地 9=12, Vss 逻辑电源，4.5-7V；10、12=13、15, IN3、IN4 输入端，TTL 电平兼容；13、14=16、17, OUT3、OUT4 输出端；PowersO的3、18管脚，NC,无连接；第3章硬件电路的设计3.1单片机的外部时钟电路如图3.1所示。单片机的外部时钟电路主体是XI,即晶振，晶振的类型有 很多，我选择12MHz的，单片机的定时时间与所选的晶振有关，本次设计采用 的是定时器TO的方式2,每次计数为256,单片机的机器周期为12MHz分之一 的12倍，

20、即Ills。对定时器TO赋初值9C,因此一个定时周期为lOOiis,本次设 计采用了 100个定时周期为一个脉冲周期，即脉冲周期为10ms,脉冲频率为 100Hz能够满足电机的平稳工作。3.2单片机的复位电路单片机是一种高速处理芯片，难免会出现死机情况，这时需要把单片机复位, 复位电路如图3.2所示，单片机正常工作时，开关是断开的，一旦它出现错误, 只需按一下开关，它就能复位，恢复正常工作。一般单片机复位时RST引脚需 要2个机器周期的高电平，即5ms高电平，而平时人为按复位按钮，时间绝对大于5ms,3.3键盘控制电路键盘控制电路是整个电路的控制部分，它主要是给单片机一个脉冲，单片机 读取之后

21、，按照一个预先设定的程序，输出一个相应占空比的脉冲，此电路是低 电平有效。按下低风档键后，在P1.1给了单片机一个低电平脉冲，此时单片机 会在P3.5输出一个占空比为0.33,周期为10ms的脉冲。按下中风档键后，在 P1.2给了单片机一个低电平脉冲，此时单片机会在P3.5输出一个占空比为0.66 的脉冲。按下高风档键后，在PL3给了单片机一个低电平脉冲，此时单片机会 在P3.5输出一个占空比为1.0的脉冲。按下停止键后，在P1.0给了单片机一个 低电平脉冲，此时单片机会在P3.5输出一个持续的低电平。键盘控制电路图如 图3.3所示。图3.3键盘电路3.4电机驱动电路单片机输出的高电平，只有5

22、V,不能直接驱动电机旋转，因此需要一个驱 动电路，本设计采用了 L298驱动芯片，如图3.4所示。单片机的P3.0 口接L298 的 IN1 口，P3.1 口接 L298 的 IN2 口，PWM 信号从 P3.5 输出，接 L298 的 ENA 口，控制直流电机电压占空比。另由于L298芯片通过H桥运行，故接四个二极 管。由于电机在正常工作时对电源的干扰很大，只用一组电源时会影响单片机的 正常工作。所以选用双电源供电。一组5V电源给单片机和控制电路供电，另外 一组5V、9V电源给L298N的VSS、VS供电。在控制部分和电机驱动部分之 间用光耦隔开，以免影响控制部分电源的品质。图3.4电机驱动

23、电路L298芯片功能强大，不仅可以通过使能端ENA、ENB控制直流电机的电压，还可以通过双 输入双输出控制直流电机正反转。由于本设计不需要直流电机进行反转，故将输入锁定为正 转状态，即 INI=1, IN2=0o第4章软件设计4.1编程思想根据方案设计，程序只要需要实现两个功能，第一个功能是通过扫描按键选 择相应的占空比，从而控制电机转速；第二个功能是通过定时器定时输出PWM 脉冲。故该程序主体为键盘扫描程序，通过定时器子程序完成对PWM脉冲的输 出，达到设计要求。键盘扫描程序四个按键接在P1.0P1.3 口，通过单片机对P1 口赋值“1”，使得低电平触发 有效。再将P1 口值取反，通过扫描到

24、特定值选取相应的子程序。每一个子程序 都有不同的占空比赋值，从而实现通过按键控制电机转速。定时器中断计数程序通过定时器中断计数，定时器每中断一次计数hlis加一，与经按键选择赋值 的占空比数值 敝 比较。当计数hus小于占空比赋值 敞时，引脚P3.5输出高电 平；当计数大于或等于占空比赋值时，引脚P3.5输出低电平，从而控制高低电 平的输出，以达到对电机电压的改变。4.2流程图总体流程图总体流程图如图4.1所示。图4.1总体流程图定时器进行PWM流程图定时器中断计数进行PWM控制流程如图4.2所示。第5章系统调试和结果分析5.1系统调试按下低速档，直流电机运行如图5.1所示。按下中速档，直流电

25、机运行如图5.2所示。按下中速档，直流电机运行如图5.3所示。图5 3直流电机高速运行5.2结果分析经过调试可以发现，四个档位对电机速度的控制明显，由于没有加入反馈控 制，使得直流电机的转速不能精确控制，但能对进风量进行三档控制，较好地完 成了设计要求。第6章总结6.1结论本次设计采用AT89C51单片机控制、L298芯片驱动直流电机，从而模拟空 调进气量的控制。通过定时器中断计数进行实现PWM的输出，从而控制L298芯 片的使用，达到对直流电机的电压控制，完成对空调进风量的控制。根据系统调试和结果分析，本设计基本实现了 “按键A、B、C为空调进风 量的三个风速，分别表示最大、中速和低速，通过

26、按键控制直流电机的速度”的 设计要求。本设计采用的硬件少，纯软件控制，使得成本低，操作性和灵活性也更大; 实用性强，且能广泛适用于小型直流电机调速应用。但由于本设计采用开环控制，不能根据直流电机的期望转速对其进行实时修 正，导致对电机转速控制精度不高，且长时间运行容易产生较大误差。6.2心得体会这次课设让我受益匪浅，无论从知识上还是其他的各个方面。上课的时候的 学习从来没有见过真正的单片机，只是从理论的角度去理解枯燥乏味。但在课设 中见过甚至使用了单片机及其系统，能够理论联系实际的学习，开阔了眼界，提 高了单片机知识的理解和水平。在这次课程设计中乂让我体会到了合作与团结的 力量，当遇到不会或是

27、设计不出来的地方，我们就会在QQ群里讨论或者是同学 之间相互帮助。团结就是力量，无论在现在的学习中还是在以后的工作中，团结 都是至关重要的，有了团结会有更多的理念、更多的思维、更多的情感。单片机是很重要的一门课程，老师和一些工作的朋友都曾说过，如果学好一 门单片机，就凭这个技术这门手艺找一个好工作也不成问题。尽管我们在课堂学 到的内容很有限，但在以后的学习中，对单片机还需要好好的深入研充，学好了 单片机也就多了一项生存的本钱。最后感谢老师对我的精心指导和帮助，感谢同 学们对我的帮助。参考文献1邹久朋.80C51单片机实用技术,M北京：北京航空航天大学出版社,2008： 04郭天祥.新概念51单片机C语言教程，M北京：电子工业出版社，2009赵文博.刘文涛.单片机语言C51程序设计，M北京：人民邮电出版社，2005： 104陈涛.单片机应用及C51程序设计，M北京:机械工业出版社，2011： 25张毅刚.单片机原理及接门技术（C5