直流风扇电机转速测量及PWM控制doc.docx

1、直流风扇电机转速测量及PWM控制doc精品文档1 直流 机 .6.1.1 直流 机的 构 71.2直流 机的原理 71.3直流 机的主要技 参数 81.4直流 机 速技 指 92 . 片机的相关知 92.1 片机的 介 .92.2 片机的 展史 .92.3 片机的特点 102.4 AT89C51 片机的介 113.硬件 路的 .133.1 控制 路的 .13.3.2 隔离 路的 .143.3 路的 143.4 流 路的 .173.5 整个 路原理 .184. 件 4.1主程序 .184.2数 数 .20.4.3功能程序 .205. 束 .24参考文献 .24.精品文档摘 要本课 题是 对直 流

2、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 AT89S52 单 片机 作 为整个控 制系 统的 控制 电路 的核 心部 分 ，配 以 各种 显 示，驱 动 模块 ，实 现对电动 机的 转速 的显 示和 测量 ；由 命令 输入 模块 ，光 电隔 离模 块及 H 型驱动模 块组 成。采 用 带中 断 的独立 式键 盘作 为命 令的 输 入，单 片机 在 程序的

3、控 制下 ，不 断给 光电 隔离 电路 发 送 PWM波 形， H 型驱 动电 路完 成 电机的正 反转 控制 。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 。.精品文档1直流电机1.1 直流电机的结构直流电机的结构应由定子和转子两大部分组成。直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是

4、产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢，由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成。直流电机的结构如图1.2 直流电 机的工作原理直流电机模型如图 1.2 所示，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 abcd。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。.精品文档1.3 直流电机的主要的技术参数额定功

5、率 Pn：在额定电流和电压下，电机的负载能力。额定电压 Ue：长期运行的最高电压。额定电流 Ie ：长期运行的最大电流。额定转速 n：单位时间里面电机转速的快慢。励磁电流 If ：施加到电极线圈上的电流。1.4 直流电机的调速的技术指标1.4.1 调速范围调速范围是指最低可控转速到最高可控转速的范围，最低可控转速对最高可控转速的比值，叫电机的调速比。1.4.2 调速的相对稳定性和静差度所谓相对稳定性，是指负载转矩在给定的范围里面变化所引起的速度的变化，它决定于机械特性的斜率。静差度（又称静差率）是指当电动机在一条机械特性上运行时，由理想空载到满载时的转速降落与理想空载转速 n0 的比值。用百分

6、数表示，即，在一般的情况下，取额定转矩下的速度落差 ，有1.4.3 调速的平滑性调速的平滑性是在一定的调速范围内，相邻两极速度变化的程度，用平滑系数 表示，即式中 和 相邻两极，即 i 级与 i- 1 级的速度.精品文档1.4.4 调速时的容许输出调速时的容许输出是指电动机在得到充分利用的情况下， 在调速的过程中轴能够输出的功率和转矩。2单片机的相关知识2.1 单片机的简介单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器 CPU随机存储器 RAM、只读存储器 ROM、多种 I/O 口和中断系统、定时器 / 计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、

7、模拟多路转换器、 A/D 转换器等电路） 集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。2.2 单片机的发展史2.2.1 4 位单片机1975 年，美国德克萨斯公司首次推出 4 位单片机 TMS-1000，此后各个计算机公司竞相推出 4 位单片机。日本松下公司的 MN1400系列。美国洛克威尔公司的 PPS/1 系列等。 4 位单片机的主要的应用的领域有： PC 机的输入装置。电池的充电器，运动器材，带液晶显示器的音 / 视频产品控制器，一般家用电器的控制及遥控器，电子玩具，钟表，计算器，多功能电话等。2.2.2 8 位单片机1972 年，美国 Intel 公司首先推出 8 位微处理器 80

8、08，并与 1976 年 9 月率先推出 MCS-48系列单片机。在这以后， 8 位单片机纷纷面世。例如莫斯特克和仙童公司合作生产的 3870 系列，摩托罗拉公司生产的 6801 系列等。随着集成电路工艺水平的提高，一些高性能的 8 位单片机相继问世，例如 1978 年摩托罗拉公司的 MC6801。这类单片机的寻址能力达到 64KB，片内 ROM的容量达 4-8KB，片内除带有并行 I/O 口，甚至还有 A/D 转换器的功能。 8 位单片机由于性能强大，被广泛用于自动化装置，智能接口，过程控制等各领域。2.2.3 16 位单片机.精品文档1983 年以后，集成电路的集成度可达几十万只管 / 片

9、，各系列 16 位单片机纷纷面世，这一阶段的代表产品有 1983 年 Intel 公司推出的 MCS-96系列， 1987年Intel 公司推出了 80C96 ，美国半导体公司推出了 HPC16040。16 位单片机主要用于工业控制，智能仪器仪表等场合。2.2.4 32 位单片机随着高新技术智能机器人，激光打印机，图像与数据实时处理，复杂实时控制，网络服务器等领域的应用和发展， 20 世纪 80 年代末，推出了 32 位单片机，如摩托罗拉公司的 MC683XX系列。 32 位单片机是单片机的发展趋势，随着技术的发展和开发成本的降低，将会和 8 位单片机并驾齐驱。2.2.5 64 位单片机近年来

10、， 64 位单片机在引擎控制，智能机器人，磁盘控制，算法密集的实时控制场所已有应用。如英国的 Inmos 公司的 Transputer T800 是高性能的 64 位单片机2.3 单片机的特点1、单片机的特点（1）高集成度，体积小，高可靠性单片机将各功能部件集成在一块晶体芯片上，集成度很高，体积自然也是最小的。芯片本身是按工业测控环境要求设计的，内部布线很短，其抗工业噪音性能优于一般通用的 CPU。单片机程序指令， 常数及表格等固化在 ROM中不易破坏，许多信号通道均在一个芯片内，故可靠性高。（2）控制功能强为了满足对对象的控制要求， 单片机的指令系统均有极丰富的条件 : 分支转移能力， I/

11、O 口的逻辑操作及位处理能力，非常适用于专门的控制功能。（3）低电压，低功耗，便于生产便携式产品为了满足广泛使用于便携式系统， 许多单片机内的工作电压仅为 1.8V 3.6V ，而工作电流仅为数百微安。（4）易扩展片内具有计算机正常运行所必需的部件。芯片外部有许多供扩展用的三总线.精品文档及并行、串行输入 / 输出管脚，很容易构成各种规模的计算机应用系统。（5）优异的性能价格比单片机的性能极高。 为了提高速度和运行效率， 单片机已开始使用 RISC流水线和 DSP等技术。单片机的寻址能力也已突破 64KB的限制，有的已可达到 1MB和16MB，片内的 ROM容量可达 62MB， RAM容量则可

12、达 2MB。由于单片机的广泛使用，因而销量极大，各大公司的商业竞争更使其价格十分低廉，其性能价格比极高。2.4 AT89S52 单片机介绍AT89S52单片机是一款低功耗、 低电压、高性能 CMOS8位单片机，片内含 8KB（可经受 1000 次擦写周期）的 FLASH可编程可反复擦写的只读程序存储器（EPROM），器件采用 CMOS工艺和 ATMEL公司的高密度，非易失性存储器（ NURAM）技术制造，其输出引脚和指令系统都与 MCS-51兼容，片内的 FLASH存储器允许在系统内可改编程序或用常规的非易失性存储编程器来编程。因此，AT89C52是一种功能强，灵活性高且价格合理的单片机，可方

13、便的应用在各个控制领域1 。AT89S52具有以下主要性能：1.8KB 可改编程序 FLASH存储器；2.全表态工作 ： 0 24HZ；3.256X8 字节内部 RAM；4.32 个外部双向输入，输出（ I 、O）口；如图 2.1 。.精品文档图2-1 AT89S52 引脚说明引脚功能说明如下 2 ：VCC：电源电压。GND：地。P0 口： P0 口是一组 8 位漏极开路型双向 I/O 口，也即地址 / 数据线复用口。作为输出口时， 每位能吸收电流的方式驱动 8 个 TTL逻辑门电路， 对端口写 “1” 可作为高阻抗输入端。在访问外部数据储存器或程序储存器时，这组口线分时转换地址（低8 位）和

14、数据总线复用， 在访问期间激活内部上拉电阻。 FLASH编程时， P0 口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。P1 口：P1 是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， P1 的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流） 4 个 TTL 逻辑门电路。对端口写“ 1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平， 此时可作为输入口。 作为输入口使用时， 因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。 FLASH编程和程序校验期.精品文档间， P1 接收低 8 位地址。P2 口：P2 是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， P2 的输出缓冲级可驱动

15、（吸收或输出电流） 4 个 TTL 逻辑门电路。对端口写“ 1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平， 此时可作为输入口。 作为输入口使用时， 因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。 在访问外部程序储存器或 16 位地址的外部数据储存器（例如执行 MOVXDPTR指令）时， P2 口送出高 8 位地址数据。在访问 8 位地址的外部数据储存器（例如执行 MOVXRI指令）时， P2 口线上的内容（也即特殊功能寄存器（ SFR）区中 R2 寄存器的内容），在整个访问期间不改变。 FLASH编程或校验时， P2 亦接收高位地址和其他控制信号。P3 口：P3 是一个带内部上拉电

16、阻的 8 位双向 I/O 口， P3 的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流） 4 个 TTL 逻辑门电路。对端口写“ 1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平， 此时可作为输入口。 作为输入口使用时， 因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。P3 除了作为一般的 I/O 口线外，更重要的用途是它的第二功能，具体功能说明如表 2-1 。P3 口还接收一些用于 FLASH闪速存储器编程和程序校的控制信号。RST:复位输入。当振荡器工作时， RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。ALE/PROG：当访问外部程序存储器或数据存储器时， ALE（地址锁存允许）输出脉冲用

17、于锁存地址的低 8 位字节。端口引脚第二功能P3.0RXD(穿行输出口 )P3.1TXD(穿行输入口 )P3.2INT0（外部中断 0）P3.3INT1（外部中断 1）P3.4T0( 定时 / 计数器 0)P3.5T1( 定时 / 计数器 0)P3.6WR(外部数据写选通 )P3.7RD(外部数据读选通 ).精品文档表3-1 P3 口的第二功能表即使不访问外部存储器， ALE仍以是时钟振荡频率的 1/6 输出固定的正脉冲信号，因此他可对外输出时钟或用于定时目的。 要注意的是： 每当访问外部数据存储器时将跳过一个 ALE脉冲。对 FLASH存储器编程期间， 该引脚还用于输入编程脉冲（ PROG）

18、。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（ SFR）区中的 8EH单元的 D0 位置位，可禁止 ALE操作。该位置位后， 只有一条 MOVX和 MOVC指令 ALE才会被激活。 此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置 ALE无效。PSEN：程序储存允许（ PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT80C51由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次 PSEN有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，这两次有效的 PSEN信号不出现。EA/VPP：外 部访 问允 许。欲 使 CPU 仅访 问外部 程序 储存 器（ 地址为0000H-FFFFH）， EA端必

19、须保持低电平（接地） 。需要注意的是：如果加密位 LB1 被编程，复位时内部会锁存 EA端状态。如 EA端为高电平（ Vcc 端），CPU则执行内部程序储存器中的指令。FLASH储存器编程时，该引脚加上 +12V的编程允许电源 Vpp，当然这必须是该器件是使用 12v 编程电压。XTAL1：振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。XTAL2：振荡器反相放大器的输出端3硬件电路的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。3.1 控制电路的设计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

20、 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，只有在改变占空比的时候CPU才干预。.精品文档3.2 隔离电路的设计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 2 脚分别接单片机的 P1.4 口。电阻起限流左右。电阻 R28阻值为 510。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。3.4

21、 续流电路的设计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。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。为保护芯片而加上续流电路，其电路原理图如图 3.7 所示.精品文档3.5 红外测速部分电路的设计红外测速部分， R17 用来限制发射二极管的电流。发射管的电流大则发射功率大 ，但 不能 超过 它的极限 电流 ，它 的极 限输 入正向电流为 50mA。3.6 电机控制正反转电路设计H桥部分控制电路设计知道通过调节直流电机的电压可

22、以改变电机的转速， 但是一般我们设计的电源大都是固定的电压，而且模拟可调电源不易于单片机控制， 数字可调电源设计麻烦。.精品文档所以这里用脉宽调制（ PWM ）来实现调速。方波的有效电压跟电压幅值和占空比有关，我们可以通过站空比实现改变有效电压。 一般用软件模拟 PWM 可以有延时和定时两种方法，延时方法占用大量的 CPU ，所以这里采用定时方法。直流电机旋转方向一般利用 H 桥电路来实现调速。 H 桥驱动电路：图4.12 中所示为一个典型的直流电机控制电路。 电路得名于 “H桥驱动电路 ”是因为它的形状酷似字母 H。 4 个三极管组成 H 的 4 条垂直腿，而电机就是 H 中的横杠（注意：图

23、 4.12 及随后的两个图都只是示意图，而不是完整的电路图，其中三极管的驱动电路没有画出来）。如图所示， H 桥式电机驱动电路包括 4 个三极管和一个电机。 要使电机运转， 必须导通对角线上的一对三极管。 根据不同三极管对的导通情况， 电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。图4.12 H 桥驱动电路要使电机运转，必须使对角线上的一对三极管导通。例如，如图4.13 所示，当Q1管和 Q4 管导通时，电流就从电源正极经 Q1 从左至右穿过电机，然后再经Q4回到电源负极。 按图中电流箭头所示， 该流向的电流将驱动电机顺时针转动。当三极管 Q1 和 Q4 导通时，电流将从左至右流过

24、电机，从而驱动电机按特定方向转动（电机周围的箭头指示为顺时针方向）。.精品文档图4.13 H 桥电路驱动电机顺时针转动图4.14 所示为另一对三极管 Q2 和 Q3 导通的情况，电流将从右至左流过电机。当三极管 Q2 和 Q3 导通时，电流将从右至左流过电机，从而驱动电机沿另一方向转动（电机周围的箭头表示为逆时针方向）。图 4.14 H 桥驱动电机逆时针转动实际电路图如下图所示：.精品文档3.7 显示设计LED数码管是一种半导体发光器件，其基本单元是发光二极管，通过对其不同的管脚输入相对的电流，会使其发亮，从而显示出数字。可以显示：时间、日期、距离等可以用数字代替的参数。数码管按段数分为七段数

25、码管和八段数码管， 八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元 （多一个小数点显示）；按能显示多少个 “8”可分为 1 位、2 位、4位等等数码管；按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。共阳极数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极 (COM)的数码管。共阳极数码管在应用时应将公共极 COM接到 +5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时， 相应字段就点亮。 当某一字段的阴极为高电平时， 相应字段就不亮。动态驱动是将所有数码管的 8 个显示笔划 a,b,c,d,e,f,g,dp 的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极 COM增加位选通控制电路， 通过由各自独

26、立的I/O 线控制，当单片机的 P0 口输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对P2.4-P2.7 位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的 COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。.精品文档在本设计中采用了四位七段数码管，用动态驱动来显示距离的值，如图 5所示。3.8 整个电路原理图.精品文档5结束语通过本次课程设计， 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。 不仅让我对我学过的单片机

27、知识的巩固， 同时也对单片机这门课产生了很大的兴趣， 在课程设计的之中， 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让我明白不管做什么事都要脚踏实地，刻苦努力的去做。参考文献1.何立明，单片机中级教程 M 北京：北京航天航空大学出版社 2006.102邹久朋， 80C51单片机实用技术 M北京航天航空大学出版社 2008.043刘湘涛，江世明 单片机原理与应用 M北京：电子工业出本社 2007.044李全利 单片机原理及接口技术（第二版）高等教育出版社2009.01.精品文档源程序代码：/*= 直流电机控制 +速度显示 =*/#include / 头文件#define uchar unsigned char / 宏定义#define uint unsigned int#define CYCLE 10 / 定义 PWM的周期 T 为 10msuchar codetable=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0Xff,0xc6, 0