直流电机测速调速电路设计.docx
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直流电机测速调速电路设计
直流电机测速调速电路设计
学生学号：
学生姓名：
专业班级：
指导教师：
职称：
起止日期：
硬件课程设计任务书
一、设计题目：
直流电机测速调速电路设计
二、设计目的
1.掌握电子设计的一般方法，掌握用单片机最小系统硬件的设计的方法；
2.掌握直流电机的工作原理，掌握转速测量的一般方法；
3.熟练掌握伟福编辑软件的使用方法，掌握C51程序的设计方法；
三、设计任务及要求
1.设计并制作一直流电机的测速调速电路，速度范围在每秒1-20周；
2.通过键盘输入速度给定值，实现按给定值跟踪；
3.能够用LED七段数码管实时显示速度；
4.实现在给定的速度范围内进行速度调整；
主要元器件：
开关管、红外对管、51系列单片机、LED7段显示、键盘、其它。
四、设计时间及进度安排
设计时间共三周2010.4.26～2010.5.14）,具体安排如下表：
周安排
设计内容
设计时间
第一周
查阅相关资料，进行电路的原理设计并画出电路原理图。
学习伟福编辑软件的使用方法。
2010.4.26～2010.4.30
第二周
进行电路的焊接制作、测试。
进行软件编程并调试。
2010.5.3～2010.5.7
第三周
完成并提交硬件设计作品及硬件课程设计说明书，硬件课程设计答辩。
2010.5.10～2010.5.14
五、指导教师评语及学生成绩
指导教师评语:
年月日
成绩
指导教师（签字）:
前言
直流直流电机是实现直流电能与机械能之间相互转换的电力机械，直流电动机具有宽广的调速范围，平滑的无级调速特性。
常应用于对启动和调速有较高要求的场合，如宾馆高速电梯、龙门刨床、机车、大型精密机床和大型起重机等生产机械中。
本文系统介绍了利用输入电压的改变来控制电机的转速。
直流电机调速的方法有很多，再这用改变输入电压的大小，来调节电机的转速。
利用PWM脉冲信号的占空比决定输出到直流电机的平均电压的大小。
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，而控制电动机的转速。
本文阐述了利用硬件和软件相结合的方法来进行对电机的测速和调速,硬件方面以SST89E516型号的单片机为核心，与驱动电路，测速电路，键盘和LED显示模块构成最小系统。
其中LED采用动态显示方式，键盘采用查询方式实现。
软件上通过用C语言编程产生PWM信号的输出，通过调节占空比,可以实现调节输出电压的目的,而且输出电压可以无级连续调节，键盘、LED显示器的数据传输。
通过以上的设计，就实现了通过键盘输入速度给定值，实现按给定值跟踪，由LED显示器显示，最后再由单片机输出PWM脉冲信号。
通过测速电路把转速反馈给MCU，并把转速显示在LED显示器上。
从而达到想要设定的转速。
当然，除了主要模块以外，本文还介绍了电源的设计及可靠性及抗干扰的相关知识，意在使本方案得到最大程度的完善。
诚然，设计与实现在测试时有一定的误差，本论文分析了误差的来源并给出了今后改进的方向，以期臻于至善。
关键词：
PWMLED占空比
第1章直流电机测速调速电路概述
1.1直流电机的调速原理
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，人为机械特性方程式为：
（1）
分析
（1）式可得．当分别改变U和R时，可以得到不同的转速n，从而实现对速度的调节。
当改变励磁电流I，可以改变磁通量的大小，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I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R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，分析人为机械特性方程式，得到人为特性曲线:
图1人为特性曲线:
如图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。
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、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。
1.2PWM（脉冲宽度调制PulseWidthModulation）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，而控制电动机的转速。
因此，PWM又被称为“开关驱动装置”。
PWM的占空比决定输出到直流电机的平均电压.。
就是调节方波高电平和低电平的时间比,一个20%占空比波形,会有20%的高电平时间和80%的低电平时间，而一个60%占空比的波形则具有60%的高电平时间和40%的低电平时间,占空比越大,高电平时间越长,则输出的脉冲幅度越高,即电压越高.如果占空比为0%,那么高电平时间为0,则没有电压输出.如果占空比为100%,那么输出全部电压.
所以通过调节占空比,可以实现调节输出电压的目的,而且输出电压可以无级连续调节。
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。
文主要介绍利用单片机对PWM信号的软件实现方法。
MCS一51系列典型产品8051具有两个定时器和计数器。
通过控制定时器初值，从而可以实现从8051的任意输出口输出不同占空比的脉冲波形。
由于PWM信号软件实现的核心是单片机内部的定时器，而不同单片机的定时器具有不同的特点，即使是同一台单片机由于选用的晶振不同，选择的定时器工作方式不同，其定时器的定时初值与定时时间的关系也不同。
因此，首先必须明确定时器的定时初值与定时时间的关系。
如果单片机的时钟频率为f,定时器／计数器为N则定时器初值与定时时间的关系为
T=（2n–Tw）*N/（f*106）
（2）
式中，Tw——定时器定时初值；
N—一个机器周期的时钟数。
N随着机型的不同而不同。
在应用中，应根据具体的机型给出相应的值。
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。
1.3直流电机调速的设计方案
图2系统方案框图
由上述系统框图本次设计的总体方案是利用硬件和软件相结合的方法来进行对电机的测速和调速,硬件方面以SST89E516型号的单片机为核心，与驱动电路，测速电路，键盘和LED显示模块构成最小系统。
其中LED采用动态显示方式，键盘采用查询方式实现。
软件上通过用C语言编程产生PWM脉冲信号的输出，键盘、LED显示器的数据传输。
通过以上的设计，就实现了通过键盘输入速度给定值，实现按给定值跟踪，在LED显示器显示，最后再由单片机输出PWM脉冲信号。
通过测速电路把转速反馈给CPU并且通过CPU把转速显示在LED显示器上。
与想要得到的转速比较。
从而达到想要设定的转速。
第2章硬件模块设计
2.1单片机硬件结构及系统
2.1.1单片机硬件结构
所谓单片机，通俗的来讲，就是把中央处理器CPU（CentralProcessingUnit），存储器（memory），定时器，I/O（Input/Output）接口电路等一些计算机的主要功能部件集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。
单片机又称为“微控制器MCU”。
中文“单片机”的称呼是由英文名称“SingleChipMicrocomputer”直接翻译而来的。
本次实习所用的SST89E516型号的单片机。
MCS51是指由美国INTEL公司生产的一系列单片机的总称，这一系列单片机包括了好些品种，如8031，8051，8751，8032，8052，8752等，其中8051是最早最典型的产品，该系列其它单片机都是在8051的基础上进行功能的增、减、改变而来的，所以人们习惯于用8051来称呼MCS51系列单片机。
单片机引脚图如下：
图2-189C51单片机管脚图
引脚功能如下：
l、P0.0～P0.7P0口8位双向口线（在引脚的39～32号端子）。
2、P1.0～P1.7P1口8位双向口线（在引脚的1～8号端子）。
3、P2.0～P2.7P2口8位双向口线（在引脚的21～28号端子）。
4、P3.0～P3.7P2口8位双向口线（在引脚的10～17号端子）。
P0口有三个功能：
1、外部扩展存储器时，当作数据总线。
2、外部扩展存储器时，当作地址总线。
3、不扩展时，可做一般的I/O使用，但内部无上拉电阻，作为输入或输出时应在外部接上拉电阻。
P1口只做I/O口使用：
其内部有上拉电阻。
P2口有两个功能：
1、扩展外部存储器时，当作地址总线使用
2、做一般I/O口使用，其内部有上拉电阻；
P3口有两个功能：
除了作为I/O使用外（其内部有上拉电阻），还有一些特殊功能，由特殊寄存器来设置。
ALE/PROG地址锁存控制信号：
在系统扩展时，ALE用于控制把P0口的输出低8位地址送锁存器锁存起来，以实现低位地址和数据的隔离。
PSEN外部程序存储器读选通信号：
在读外部ROM时PSEN低电平有效，以实现外部ROM单元的读操作。
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复位。
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。
2.1.289C51的最小系统
89C51内部有4KB闪烁存储器，芯片本身就是一个最小系统。
只要将单片机加上时钟电路和复位电路即可。
但该最小系统只能处理数字量的输入输出，而一个单片机的应用系统往往要对工业的各种非电量经传感器转换得到的模拟电信号进行采集。
因此，一个单片机应用系统，首先要进行数据采集，然后对数据进行处理，再加上数字量输出、D/A转换器以及各种功率驱动部件，就构成了一个典型的单片机的测控系统。
单片机最小系统的扩展：
图2-2最小系统的扩展
2.2LED显示器接口原理
2.2.1LED发光原理及显示器结构
LED（LightEmittingDiode）发光二极管，利用固体半导体芯片作为发光材料，当两端加上正向电压时，半导体中的载流子发生复合引起光子发射而产生光。
LED可以直接发出红、黄、蓝、绿、青、橙、紫、白色的光。
LED显示屏则是将文字、图像、动画等各种静态或动态信息，在由LED器件阵列组成的显示屏上进行显示。
常用的LED显示器为8段，每一个段对应1个发光二极管。
这种显示器有共阴和共阳极两种，如图所示
图2-3LED显示器结构
2.2.2LED显示的设计
该设计采用三个共阳极LED7段数码管、三个PNP三极管和7个2K电阻组成显示电路。
其中的7条段选线分别与单片机的P0.0—P0.7引脚相连。
PNP管相当于LED管开关通过写在单片机中的程序来控制三个PNP管的e极，从而控制三极管的导通与闭合。
对于三极管的位选控制是通过单片机的P2.5—P2.7引脚来控制。
在本次实习中所用的显示方式为动态显示方式，既在某一时刻，只让某一位的位选线处于选通状态，而其他各位的位选线处于关闭状态，同时，段码线上输出相应位要显示的段码。
这样在同一时刻，3位LED中只有选通的那一位显示出字符，而其他2位则熄灭。
下一时刻同样只让另一个位的信息显示。
如此循环，就可以使各位显示出要的结果，所以在不同时刻显示不同的字符，但是由于LED显示器的余辉和人眼的视觉暂留作用，只要间隔时间足够短就可以造成多位同时亮的假象，达到同时显示的效果。
下图为LED数码管显示电路：
图2-4LED显示电路
2.3键盘接口原理
2.3.1键盘概述
键盘在单片机应用系统中，实现输入数据、传送命令的功能，是人工干预的主要手段。
键盘分两大类：
编码键盘和非编码键盘。
编码键盘：
由硬件逻辑电路完成必要的键识别工作与可靠性措施。
每按一次键，键盘自动提供被按键的读数，同时产生一选通脉冲通知微处理器，一般还具有反弹跳和同时按键保护功能。
这种键盘易于使用，但硬件比较复杂，对于主机任务繁重之情况，采用8279可编程键盘管理接口芯片构成编码式键盘系统是很实用的方案。
非编码键盘：
只简单地提供键盘的行列与矩阵，其他操作如键的识别，决定按键的读数等仅靠软件完成，故硬件较为简单，但占用CPU较多时间。
有独立式按键结构、矩阵式按键结构。
2.3.2键盘输入的特点
1、键盘实质上是一组按键开关的集合。
通常，键盘开关利用了机械触点的合、断作用。
一个电压信号通过键盘开关机械触点的断开、闭合而选通。
图2-5键盘开关
2、如何消除按键的抖动
图2-6键盘抖动示意图
抖动时间的长短由按键的机械特性决定，一般为5-10ms，这是一个很重要的参数。
抖动过程引起电平信号的波动，有可能令CPU误解为多次按键操作，从而引起误处理。
为了确保CPU对一次按键动作只确认一次按键，必须消除抖动的影响。
按键的消抖，通常有软件，硬件两种消除方法。
软件消抖：
如果按键较多，硬件消抖将无法胜任，常采用软件消抖。
通常采用软件延时的方法：
在第一次检测到有键按下时，执行一段延时10ms的子程序后，再确认电平是否仍保持闭合状态电平，如果保持闭合状态电平，则确认真正有键按下，进行相应处理工作，消除了抖动的影响。
2.3.3键盘接口的工作原理
常用键盘接口分为独立式键盘接口和行列式键盘接口。
1、独立式键盘接口
独立式键盘就是各键相互独立，每个按键各接一根输入线，通过检测输入线的电平状态可以很容易的判断哪个按键被按下。
如图2-7
图2-7独立式键盘接口技术
因此，通过检测输入线的电平状态可以很容易判断哪个按键被按下了。
优点：
电路配置灵活，软件结构简单。
缺点：
每个按键需占用一根I/O口线，在按键数量较多时，I/O口浪费大，电路结构显得复杂。
因此，此键盘是用于按键较少或操作速度较高的场合。
分为中断方式和查询方式。
也可以用扩展I/O口搭接独立式按键接口电路，可采用8255扩展I/O口，用三态缓冲器扩展。
这两种配接方式，都是把按键当作外部RAM某一工作单元的位来对待，通过读片外RAM的方法，识别按键的工作状态。
上图所示独立式按键电路，各按键开关均采用了上拉电阻，是为了保证在按键断开时，各I/O有确定的高电平。
如输入口线内部已有上拉电阻，则外电路的上拉电阻可省去。
2、行列式键盘接口
行列式（也称矩阵式）键盘用于按键数目较多的场合，它由行线和列线组成，按键位于行、列的交叉点上。
如图2-8所示。
一个4×4的行列结构可以构成一个16个按键的键盘。
很明显，在按键数目较多的场合，行列式键盘与独立式键盘相比，要省很多的I/O口线。
图2-8行列式键盘结构
矩阵按键部分由16个轻触按键按照4行4列排列，将行线所接的单片机的I/O口作为输出端，而列线所接的I/O口则作为输入。
这样，当按键没有按下时，所有的输出端都是高电平，代表无键按下。
行线输出是低电平，一旦有键按下，则输入线就会被拉低，这样，通过读入输入线的状态就可得知是否有键按下了。
确定矩阵式键盘上何键被按下，介绍一种“行扫描法”。
行扫描法又称为逐行（或列）扫描查询法，是一种最常用的按键识别方法.
判断键盘中有无键按下：
将全部行线置低电平，然后检测列线的状态。
只要有一列的电平为低，则表示键盘中有键被按下，而且闭合的键位于低电平线与4根行线相交叉的4个按键之中。
若所有列线均为高电平，则键盘中无键按下。
判断闭合键所在的位置：
在确认有键按下后，即可进入确定具体闭合键的过程。
其方法是：
依次将行线置为低电平，即在置某根行线为低电平时，其它线为高电平。
在确定某根行线位置为低电平后，再逐行检测各列线的电平状态。
若某列为低，则该列线与置为低电平的行线交叉处的按键就是闭合的按键。
2.3.4键盘的设计
在图2-9中，利用五个开关组成一个简易的键盘。
其中的五条线分别与单片机的P2口的p2.0～p2.4相连，另一端直接接地。
通过对开关的控制来设置电机的转速，并在LED数码管中显示。
五个键盘的作用分别是启动、停止、移位、加、减当有按键按下时与单片机相连的引角出现低电平，这样单片机就能判断是否有按键按下。
当按下启动键时电路开始工作，按下停止键时电路停止工作。
通过对键盘移位、加、减操作来设定需要调的转速，并在LED数码管中显示。
图2-9键盘简易电路
2.4直流电机驱动测速电路设计
2.4.1电机驱动电路设计
下图为驱动电路的电路图：
图2-10驱动电路
驱动模块是控制器与执行器之间的桥梁，在本系统中单片机的I/O口不能直接驱动电机，只有引入电机驱动模块才能保证电机按照控制要求运行。
在这里驱动的电路由一个光电耦合器，一个三极管构成。
光电耦合器是指用光来控制另一端电路的动作.由于没有电流行成回路,所以两端互不干扰。
集成在里面的发光二极管一个电流使其发光,另一端的接收二极管收到光后会有一定的导通变化,这个导通程度就会形成电流信号.从芯片P1.0接光电耦合器的一端，当输出低电平时光电耦合器导通，当输出为高电平时光电耦合器截止。
光电耦合器主要起光隔离和抗干扰作用。
三极管起的是放大作用。
D1为续流二极管起保护电机的作用。
2.4.2电机测速电路设计
由于条件限制，在这里用红外对管测速，具体电路如下。
图2-11测速电路
在本系统中由于要将电机本次采样的速度与上次采样的速度进行比较，通过偏差进行运算，因此速度采集电路是整个系统不可缺少的部分。
本次设计中应用了比较常见的光电测速方法来实现，其具体做法是将电机轴上固定一圆盘，且其边缘上有N个等分凹槽如图2-12（a）所示，在圆盘的一侧固定一个发光二极管，其位置对准凹槽处，在另一侧和发光二极光平行的位置上固定一光敏三极管，如果电动机转到凹槽处时，发光二极管通过缝隙将光照射到光敏三极管上，三极管导通，反之三极管截止，电路如图2-12（b）所示，从图中可以得出电机每转一圈在P3.3的输出端就会产生N个低电平。
这样就可根据低电平的数量来计算电机此时转速了。
例如当电机以一定的转速运行时，P3.3将输出如图2.-13所示的脉冲，若知道一段时间t内传感器输出的低脉冲数为n，则电机转速v=r/s。
（a）（b）
图2-12测速电路
图2.-13传感器输出脉冲波形
2.5直流电机测速调速整体电路设计
图2-14直流电机测速调速整体电路
第3章系统电源的设计
3.1电源的选择
对于现在一个电子系统来说，电源部分的设计也越来越重要，在某种意义上可以说电源电路的性能指标直接关系到设计成败。
系统供电形式也就是系统能源的来源形式。
不论系统如何千差万别、功能多样。
概括起来说其供电方式只有两种，即交流220伏市电供电和直流电池供电。
电源电路从原理的角度看分为线性稳压电源和开关稳压电源两类，各有不同的特点，考虑到纹波，效率，负载，线路结构等要求，本次设计采用+5伏的线性稳压电源。
3.2线性稳压+5伏的电源设计
LM7805集成稳压器是最普通也是使用最多的固定输出集成稳压器件，特点是外围电路简单，输出电流最大可达1.5伏，下面以7805构成的+5伏线性稳压电源电路为例给出电路原理图，如图3-1所示。
图3-1+5伏线性稳压电源电路
第4章软件设计
4.1软件开发环境
在对程控放大器的程序进行编译与调试时我们使用的keiluvision3软件来进行编译并且通过sstflashflex51软件来进行对程序的写入。
KeilSoftware公司推出的uVision3是一款可用于多种8051MCU的集成开发环境（IDE），该IDE同时也是PK51及其它开发套件的一个重要组件，是一个窗口化的软件开发平台，它集成了功能强大的编辑器、工程管理器以及各种编译工具（包括C编译器、宏汇编器、链接/装载器和十六进制文件转换器）。
除增加了源代码、功能导航器、模板编辑以及改进的搜索功能外，uVision3还提供了一个配置向导功能，加速了启动代码和配置文件的生成。
此外其内置的仿真器可模拟目标MCU，包括指令集、片上外围设备及外部信号等。
uVision3提供逻辑分析器，可监控基于MCUI/O引脚和外设状态变化下的程序变量。
uVision3提供对多种最新的8051类微处理器的支持，包括AnalogDevices的ADuC83x和ADuC84x，以及Infineon的XC866等。
uVision3包含以下功能组件，能加速嵌入式应用程序开发过程:
1）功能强大的源代码编辑器
2）可根据开发工具配置的设备数据库
3）用于创建和维护工程的工程管理器
4）集汇编、编译和链接过程于一体的编译工具
5）用于设置开发工具配置的对话框
6）真正集成高速CPU及片上外设模拟器的源码级调试器
7）高级GDI接口，可用于目标硬件的软件调试和KeilULINK仿真器的连接
8）用于下载应用程序到FlashROM中的Flash编程器
9）完善的开发工具手册、设备数据手册和用户向导
4.2C51语言简介主程序框图
本次实习运用C语言编程来对单片机进行显示的动态扫描控制、信号的传输转换控制。
1．C语言简洁、紧凑，使用方便、灵活。
2．运算符丰富。
共有34种。
C把括号、赋值、逗号等都作为运算符处理。
从而使C的运算类型极为丰富，可以实现其他高级语言难以实现的运算。
3．数据结构类型丰富。
4．具有结构化的控制语句。
5．语法限制不太严格，程序设计自由度大。
6．C语言允许直接访问物理地址，能进行位（bit）操作，能实现汇编语言的大部分功能，可以直接对硬件进行操作。
因此有人把它称为中级语言。
7．生成目标代码质量高，程序执行效率高。
8．与汇编语言相比，用C语言写的程序可移植性好。
主流程图
在一个完整的系统中，只有硬件部分是不能完成相应设计任务的，所以在该系统中软件部分是非常重要的，按照要求和系统运行过程设计出主程序流程如图1所示。
图1系统程序框图
4.3系统程序设计思想
用C语言进行了简单编程，运用单片机对显示模块进行动态扫描编程，将从键盘得来的高低电平信息进行处理，得到相应的信号。
51单片机产生PWM信号则是使用定时器1、0控制PWM信号的频率，定时器T1控制PWM信号的占空比。
本程序启用了两个定时器T0，T1，分别应用了两个中断服务程序，T1的定时方式要根据电机转速的大小而定。
程序中，T0工作于方式1，因为方式1能够通过修改定时器初值得到较宽频率范围的信号，使用定时器T1控制PWM信号的占空比，采用查询方式嵌套在定时中断服务子程序中，在T1定时器时段使输出端为高电平，其它时段输出低电平。
编写程序时要采用一段延时程序，本实验应用了5个键盘，在使用键盘时应先去抖动，还应考虑到按键释放的问题，而且要注意显示数字的编码不要错误。
假设将TH0=0x00,TL0=0x00,TH1=0x80，TL1=0x00。
那么当程序编译无误后，按下启动键，会在示波器上显示出方波。
将产生的脉冲送到P1-0，由其提供给电机使其转动。
通过改变T0可以改变频率的大小，改变T1可以实现改变占空比的大小，即
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