直流风扇电机转速测量及PWM控制doc.docx

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直流风扇电机转速测量及PWM控制doc

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1直流机⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

..6.

1.1直流机的构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

7

1.2

直流机的原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

7

1.3

直流机的主要技参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

8

1.4

直流机速技指⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

9

2.片机的相关知⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

9

2.1

片机的介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

.9

2.2

片机的展史⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

.9

2.3

片机的特点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

10

2.4AT89C51片机的介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

11

3.硬件路的⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.13

3.1控制路的⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.13.

3.2隔离路的⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯..14

3.3路的⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯14

3.4流路的⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.17

3.5整个路原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.18

4.件

4.1

主程序⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

..18

4.2

数数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

.20.

4.3

功能程序⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

..20

5.束⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.24

参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯..24

.

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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。

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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。

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1.3直流电机的主要的技术参数

额定功率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

.

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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、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

2.2.14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。

2.2.28位单片机

1972年，美国Intel公司首先推出8位微处理器8008，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。

2.2.316位单片机

.

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1983年以后，集成电路的集成度可达几十万只管/片，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。

2.2.432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。

2.2.564位单片机

近年来，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TransputerT800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/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

.

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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。

2.4AT89S52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。

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图2-1AT89S52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

.

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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（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MOVX@DPTR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MOVX@RI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）

输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。

端口引脚

第二功能

P3.0

RXD（穿行输出口）

P3.1

TXD（穿行输入口）

P3.2

INT0（外部中断0）

P3.3

INT1（外部中断1）

P3.4

T0（定时/计数器0）

P3.5

T1（定时/计数器0）

P3.6

WR（外部数据写选通）

P3.7

RD（外部数据读选通）

.

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表3-1P3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）。

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。

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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510Ω。

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

.

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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。

.

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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4.12H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）。

.

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图4.13H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4.14H桥驱动电机逆时针转动

实际电路图如下图所示：

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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。

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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

.

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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2006.10

[2]邹久朋，80C51单片机实用技术［M］北京航天航空大学出版社2008.04

[3]刘湘涛，江世明单片机原理与应用［M］北京：

电子工业出本社2007.04

[4]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

.

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源程序代码：

/****************************************************

=========直流电机控制+速度显示==========

****************************************************/

#include//头文件

#defineucharunsignedchar//宏定义

#defineuintunsignedint

#defineCYCLE10//定义PWM的周期T为10ms

ucharcode

table[]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0Xff,0xc6,0