單片機(jī)課程設(shè)計（論文）-電位器控制小型直流電機(jī)的pwm調(diào)速

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　隨著時代的發(fā)展，數(shù)字電子技術(shù)已經(jīng)普及到我們生活、工作、科研各個領(lǐng)域。并且在各類機(jī)電系統(tǒng)中，由于直流電機(jī)具有良好的啟動、制動和調(diào)速性能，直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)、航天領(lǐng)域的各個方面，最常用的直流技術(shù)是脈寬調(diào)制（PWM）直流調(diào)速技術(shù)，具有調(diào)速精度高，響應(yīng)速度快，調(diào)速范圍寬和損耗低的特點(diǎn)。本設(shè)計主要介紹了使用微控制器AT8

2、9S51的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。論文主要介紹了直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的意義、基于單片機(jī)控制的PWM直流電機(jī)調(diào)速方法和PWM基本工作原理以及實(shí)現(xiàn)方法，通過對占空比的計算達(dá)到精確調(diào)速的目的。主電路主要采用電位器的調(diào)節(jié)，經(jīng)過ADC0809轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號進(jìn)而控制AT89S51單片機(jī)，將數(shù)據(jù)傳輸給單片機(jī)并產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號，然后通過電機(jī)驅(qū)動芯片L298對小型直流電機(jī)進(jìn)行控制。本設(shè)計還附加了由霍爾開關(guān)CS3020、AT89S51單片機(jī)、74LS47七段數(shù)碼管譯

3、碼芯片和四位LED構(gòu)成轉(zhuǎn)速檢測顯示電路。</p><p>　　關(guān)鍵詞：單片機(jī)AT89S51；直流電機(jī)；脈寬調(diào)制；轉(zhuǎn)速檢測</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　第一章 緒論1</b></p><p>　　1.1 課題研究的背景1</p><

4、;p>　　1.2 課題研究的目的與意義1</p><p>　　1.3 PWM變頻調(diào)速發(fā)展前景與簡介1</p><p>　　1.4 課題研究內(nèi)容及目標(biāo)1</p><p>　　第二章 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計1</p><p>　　2.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計1</p><p>　　2.1.1 設(shè)計思路1<

5、/p><p>　　2.1.2總體方案比較與選擇1</p><p>　　2.1.3 電機(jī)調(diào)速控制模塊方案比較與選擇1</p><p>　　2.2 基本原理分析1</p><p>　　2.2.1 直流電機(jī)的調(diào)速原理1</p><p>　　2.2.2 直流電機(jī)PWM調(diào)速原理1</p><p>　

6、　2.2.3 霍爾效應(yīng)和原理簡介1</p><p>　　2.3 系統(tǒng)各模塊方案的比較與選擇1</p><p>　　2.3.1 電機(jī)驅(qū)動芯片的選擇1</p><p>　　2.3.2 測速傳感器的選擇1</p><p>　　2.4 系統(tǒng)硬件組成1</p><p>　　第三章 硬件系統(tǒng)設(shè)計1</p>

7、<p>　　3.1 AT89S51單片機(jī)特性及管腳說明1</p><p>　　3.2 ADC0809特性及管腳說明1</p><p>　　3.3 PWM波形發(fā)生原理1</p><p>　　3.4 電機(jī)驅(qū)動電路1</p><p>　　3.5 測速部分1</p><p>　　3.6 復(fù)位電路和時鐘電路

8、1</p><p><b>　　總結(jié)1</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)1</b></p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><h3>　　1.1 課題研究的背景</h2><p>　　直流電機(jī)是最常見的一種電機(jī)，它已

9、經(jīng)廣泛應(yīng)用于交通、機(jī)械、化工、航空等領(lǐng)域中。早期的直流電機(jī)控制均以模擬電路為基礎(chǔ)，采用運(yùn)算放大器，非線性集成電路以及少量的數(shù)字電路組成，控制系統(tǒng)的硬件復(fù)雜，功能單一，而且系統(tǒng)非常不靈活，調(diào)試?yán)щy，阻礙了直流電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用范圍的推廣。</p><p>　　A/D轉(zhuǎn)換是為了提高系統(tǒng)的性能指標(biāo)，對信號的處理廣泛采用了數(shù)字計算機(jī)技術(shù)。由于系統(tǒng)的實(shí)際對象往往都是一些模擬量,要使計算機(jī)或數(shù)字儀表能識別。處理這些信號

10、，必須首先將這些模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。而經(jīng)計算機(jī)分析。處理后輸出的數(shù)字量也往往需要將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)模擬信號才能為執(zhí)行機(jī)構(gòu)所接受。這樣，就需要一種能在模擬信號與數(shù)字信號之間起橋梁作用的電路-模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器。</p><p>　　PWM控制技術(shù)是利用半導(dǎo)體器件的導(dǎo)通和關(guān)斷，把直流電壓變成電壓脈沖列，控制電壓脈沖的周期和寬度以達(dá)到變壓目的，或控制電壓脈沖的周期和寬度以達(dá)到變壓變頻目的的一種控制技術(shù)。近年來，電氣傳動的

11、PWM 控制技術(shù)已成為電氣傳動自動控制技術(shù)的熱點(diǎn)之一。</p><p>　　隨著近代電力電子技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展以及現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用，單片機(jī)成為了直流電機(jī)調(diào)速不可或缺的部分之一。單片機(jī)具有體積小、重量輕、功能強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)、控制靈活、應(yīng)用方便、價格低廉等特點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用于直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。在實(shí)際應(yīng)用中，電機(jī)是把電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的主要設(shè)備，因此要求其具有較好的能量轉(zhuǎn)換效率和能夠根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求調(diào)整轉(zhuǎn)速。電

12、機(jī)調(diào)速性能對提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高勞動生產(chǎn)率和節(jié)省電能有著決定性的影響。所以，電機(jī)調(diào)速一直是研究的熱點(diǎn)。</p><h3>　　1.2 課題研究的目的與意義</h2><p>　　直流電機(jī)具有良好的啟動性能和調(diào)速特性，雖然各種類型的電機(jī)層出不窮，然而在自動控制系統(tǒng)、電子儀器設(shè)備等方面，直流電機(jī)的應(yīng)用還是占有突出地位。直流電機(jī)調(diào)速平滑，調(diào)速范圍廣，過載能力強(qiáng)，抗沖擊負(fù)載能力強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)頻繁的無極快

13、速起動、制動、加/減速和正/反轉(zhuǎn)。為了滿足生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)各種不同的特殊要求，從而對直流電機(jī)提出了較高的要求，改變電樞回路電阻調(diào)速、改變電壓調(diào)速等技術(shù)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代科技的要求，通過PWM方式控制直流電機(jī)調(diào)速的方法就應(yīng)運(yùn)而生。</p><p>　　PWM 直流電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)擁有需用的功率元件少、線路簡單、控制方便、開關(guān)頻率高、低速性能好、穩(wěn)速精度高及調(diào)速范圍寬、控制方式多樣化、能與數(shù)字速度給定信號直接接口

14、等優(yōu)點(diǎn)，在工廠企業(yè)得到廣泛的應(yīng)用，有利于國家工業(yè)化的發(fā)展。通過學(xué)習(xí)并熟練掌握這個調(diào)速系統(tǒng)，對我們今后的工作有十分重要的意義。</p><h3>　　1.3 PWM變頻調(diào)速發(fā)展前景與簡介</h2><p>　　PWM變頻調(diào)速作為一項新的調(diào)速技術(shù)，在西方發(fā)達(dá)國家已得到廣泛應(yīng)用。目前，不論在同步電機(jī)調(diào)速方面，還是異步電機(jī)調(diào)速方面，PWM變頻調(diào)速是眾多交流調(diào)速方式的佼佼者。本節(jié)主要通過PWM變頻調(diào)

15、速技術(shù)與其他傳統(tǒng)調(diào)速技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)對比，進(jìn)而介紹變頻調(diào)速技術(shù)的特性。</p><p>　　對于PWM變頻調(diào)速，以上缺點(diǎn)均被一一克服。與交-交變頻電路的變頻過程比較，似乎只多了一個直流的轉(zhuǎn)換過程。而正是這個直流轉(zhuǎn)換過程使PWM變頻電路更具靈活性。</p><p>　　現(xiàn)代的變頻器采用了通信技術(shù)領(lǐng)域中的脈寬調(diào)制技術(shù)，具體一點(diǎn)就是應(yīng)用了采樣控制理論中的一個重要理論，沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具

16、有慣性環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同，沖量即窄脈沖的面積。</p><p>　　變頻器就是應(yīng)用這一理論，用一系列不等寬的脈沖代替一個正弦波，只要縮短這一系列脈沖的總寬度，就可達(dá)到調(diào)頻的效果，而改變這一系列中各脈沖的寬度則可達(dá)到調(diào)壓的目的（有效值等效，但峰值不等效），因此這一技術(shù)使恒磁通調(diào)速成為可能。</p><p>　　在設(shè)計電機(jī)時，一般將額定工作點(diǎn)選在磁化曲線開始彎曲處，因此，調(diào)速時希望保持每

17、極磁通為額定值，即。因為磁通增加，將引起鐵芯過分飽和，勵磁電流急劇增加，導(dǎo)致繞組過分發(fā)熱，功率因素降低；而磁通減少，將使電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩下降，如果負(fù)載轉(zhuǎn)矩仍維持不變，勢必導(dǎo)致定子、轉(zhuǎn)子過電流，也要產(chǎn)生過熱，故希望保持磁通恒定。</p><p>　　由上所知恒磁通調(diào)速，其實(shí)是要達(dá)到恒力矩輸出的效果。而異步電動機(jī)定子每相感應(yīng)電動勢為</p><p>　　式中：——定子繞組每相串聯(lián)匝數(shù)；</

18、p><p><b>　　——基波繞組系數(shù)；</b></p><p><b>　　——每極氣隙磁通。</b></p><p>　　由式（1-2）可以知道，的值是由和共同決定的。對和進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂?，就可以使氣隙磁通保持額定值不變。</p><p>　　總的來說PWM變頻調(diào)速技術(shù)頻調(diào)速靈活。調(diào)速的范圍寬，在一

19、定范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)恒力矩輸出，是一種相當(dāng)適合電梯使用的調(diào)速方式，而且其本身的技術(shù)也在不斷的革新中。隨著PWM技術(shù)的不斷改進(jìn)，它的應(yīng)用的范圍也將不斷的擴(kuò)展。</p><h3>　　1.4 課題研究內(nèi)容及目標(biāo)</h2><p>　　根據(jù)直流電機(jī)調(diào)速的控制要求確定整體的設(shè)計方案，完成電位器控制小型直流電機(jī)的PWM直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計。該系統(tǒng)需能實(shí)現(xiàn)將電位器改變的電壓信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，產(chǎn)生PW

20、M信號，并且通過單片機(jī)對L298的信號傳輸達(dá)到對電機(jī)的啟動和停止，加速和減速，正傳和反轉(zhuǎn)的控制；直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速在LED顯示器上正確實(shí)時顯示。該系統(tǒng)主要由輸入設(shè)備、單片機(jī)、顯示器、電機(jī)驅(qū)動模塊和測速元件等部分組成。主要內(nèi)容具體描述如下：</p><p>　　1. 輸入設(shè)備的選擇：將電位器的電壓改變信號傳遞給A/D轉(zhuǎn)換，再將數(shù)字信號給單片機(jī)輸入信號；</p><p>　　2. 單片機(jī)的選型：M

21、CS-51系列單片機(jī)有多種型號，其中AT89S51不僅兼容8051，還具有ISP編程和看門狗功能，這里選用單片機(jī)AT89S51作為控制核心；</p><p>　　3. 顯示部分的設(shè)計：LED是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中最常用的輸出器件，用LED實(shí)現(xiàn)對PWM脈寬調(diào)制占空比的實(shí)時顯示；</p><p>　　4. 電機(jī)驅(qū)動模塊的設(shè)計：利用H橋式驅(qū)動電路可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)，制動的功能，作為集成有橋式電路

22、的電機(jī)專用芯片L298在應(yīng)用領(lǐng)域被廣泛使用，而且其性能比較穩(wěn)定可靠，所以用L298作為電機(jī)的驅(qū)動芯片。</p><p>　　5. 測速元件的選用：測速元件有很多，本設(shè)計選用霍爾元件測速，在電機(jī)中安裝霍爾開關(guān)傳感器，把速度傳送給單片機(jī)。</p><h2>　　第二章 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計</h2><h3>　　2.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計</h2><

23、;h4>　　2.1.1 設(shè)計思路</h2><p>　　單片機(jī)控制的PWM直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的主要功能包括：實(shí)現(xiàn)對直流電機(jī)的加速、減速和正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)以及啟動、停止的控制，能夠很方便地實(shí)現(xiàn)電機(jī)智能控制。</p><p>　　系統(tǒng)的主體電路是直流電機(jī)PWM控制模塊。這部分電路主要由AT89S51單片機(jī)的I/O端口、定時計數(shù)器、外部中斷擴(kuò)展等來控制直流電機(jī)的加速、減速以及電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，并且

24、可以調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速，可以方便地實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的智能控制。該系統(tǒng)是通過AT89S51單片機(jī)產(chǎn)生脈寬可調(diào)的脈沖信號并輸入到L298驅(qū)動芯片來控制直流電機(jī)的工作。該單片機(jī)控制的PWM直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)主要是由以下幾個電路模塊組成：</p><p>　　輸入模塊：這一部分主要是利用電位器的阻值改變，通過A/D轉(zhuǎn)換，生成數(shù)字信號來實(shí)現(xiàn)對直流電機(jī)的測速。</p><p>　　控制模塊：主要由AT89S51

25、單片機(jī)的外部擴(kuò)展電路組成。直流電機(jī)PWM控制實(shí)現(xiàn)部分主要由一些二極管、電機(jī)和L298驅(qū)動芯片組成。</p><p>　　測速顯示模塊：通過霍爾傳感器CS3020和LED數(shù)碼顯示，實(shí)現(xiàn)對直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的實(shí)時顯示。</p><h4>　　2.1.2總體方案比較與選擇</h2><p>　　方案一：直接加直流電源來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動速度：根據(jù)電機(jī)在其額定電壓時，電機(jī)有一定的額定

26、轉(zhuǎn)速。那么如果其輸入電壓減小，其轉(zhuǎn)動速度也相應(yīng)地減小。在傳統(tǒng)的改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速中，就是利用所給電機(jī)的電壓的不同，從而達(dá)到人們所需的轉(zhuǎn)速。</p><p>　　方案二：以單片機(jī)AT89S51為中心，通過D/A轉(zhuǎn)換器，將單片機(jī)數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量，從而起到控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速問題。其中在單片機(jī)控制部分通過按鍵直接從程序中調(diào)出所需的速度值，同時輸?shù)綌?shù)碼顯示部分和D/A轉(zhuǎn)換部分以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速。電路組成框圖如圖2-1所示：<

27、/p><p>　　圖2-1 電路組成框圖</p><p>　　方案三：采用AT89S51單片機(jī)進(jìn)行控制。本設(shè)計需要使用的軟件資源比較簡單，只需完成霍爾元件采樣部分、鍵盤控制部分以及顯示輸出功能。采用AT89S51進(jìn)行控制比較簡單、易控制、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、精度高且體積大大減小。輸出速度由單片機(jī)傳送給LED進(jìn)行實(shí)時顯示。AT89S51是ATMEL在2003年推出的新型單片機(jī)品種。AT89S

28、51是一個低功耗，高性能CMOS 8位微控制器，片內(nèi)含4K Bytes ISP(In-system programmable)的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元，所以ATMEL的AT89S51是一種高效微控制器。</p><p>　　方案

29、分析：方案一只能以減小所給電壓值而能使電機(jī)的轉(zhuǎn)速有相應(yīng)地減小，此方案操作性差且不安全。方案二不能及時地從電機(jī)那里得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)動速度，而是直接從程序那兒調(diào)用相應(yīng)的數(shù)值給數(shù)碼管顯示。所以，此處的電路在速度的顯示上失去了其真實(shí)性。方案三在可操作性與實(shí)時性方面都結(jié)合了本設(shè)計的特點(diǎn)，從控制理論與控制技術(shù)出發(fā)，充分發(fā)揮與應(yīng)用所學(xué)知識的特點(diǎn)。所以，本設(shè)計采用方案三。</p><h4>　　2.1.3 電機(jī)調(diào)速控制模塊方案比較與

30、選擇</h2><p>　　方案一：采用電阻網(wǎng)路或數(shù)字電位器調(diào)整電機(jī)分壓，從而達(dá)到調(diào)速的目的。但是電阻網(wǎng)路只能實(shí)現(xiàn)有級調(diào)速，而數(shù)字電阻的元器件價格昂貴，更主要的問題是一般電機(jī)的電阻很少，但電流很大，分壓不僅會降低效率，而且實(shí)現(xiàn)困難。</p><p>　　方案二：采用繼電器對電機(jī)的開或關(guān)進(jìn)行控制，通過開關(guān)的切換對電機(jī)的速度進(jìn)行調(diào)整。這個方案的優(yōu)點(diǎn)是電路較為簡單，缺點(diǎn)是繼電器的響應(yīng)時間慢、機(jī)械

31、結(jié)構(gòu)易壞、壽命短、可靠性不高。</p><p>　　方案三：采用由復(fù)合三極管組成的H型PWM電路。用單片機(jī)控制復(fù)合三極管使之工作在占空比可調(diào)的開關(guān)狀態(tài)，精確調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速。H型電路保證了可以簡單地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制；電子開關(guān)的速度很快，穩(wěn)定性也極佳，是一種廣泛采用的PWM調(diào)速技術(shù)。</p><p>　　兼于方案三調(diào)速特性優(yōu)良、調(diào)整平滑、調(diào)速范圍廣、過載能力大，因此本設(shè)計采用方案三。<

32、;/p><h3>　　2.2 基本原理分析</h2><h4>　　2.2.1 直流電機(jī)的調(diào)速原理</h2><p>　　直流電機(jī)結(jié)構(gòu)多樣，但不論什么樣的直流電機(jī)都由定子和轉(zhuǎn)子。其中定子由主磁極、換向磁極、機(jī)座等幾部分組成；轉(zhuǎn)子主要由：電樞鐵心、電樞繞組、換向器等組成。常見直流電機(jī)外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2-2所示。</p><p>　　直流電機(jī)按勵磁

33、方式的不同可分為：他勵、并勵、串勵和復(fù)勵電機(jī)四種。不同勵磁方式，直流電機(jī)的機(jī)械特性曲線也不同。對于直流電機(jī)來說人為機(jī)械特性方程式為：</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　式中：是電動機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速，其值為；是轉(zhuǎn)速差；壓是電樞供電電（V）；是電樞回路總電阻（Ω）；是勵磁磁通（Wb）；是電勢系數(shù)；轉(zhuǎn)矩系數(shù)。</p><

34、p>　　由式（2-1）可以看出，改變電樞電阻、電樞電壓和勵磁磁通中的任何一個都可以使轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，所以直流電機(jī)調(diào)速方法有以上三種：改變電樞電阻、改變電樞電壓和改變勵磁磁通。但是利用改變電樞電壓調(diào)速可以實(shí)現(xiàn)平滑的無級調(diào)速，且調(diào)速穩(wěn)定，調(diào)速范圍大等優(yōu)點(diǎn)。故本設(shè)計采用改變電樞電壓來進(jìn)行調(diào)速。</p><p>　　圖2-2 直流電機(jī)外形和結(jié)構(gòu)示意圖</p><h4>　　2.2.2 直流電機(jī)

35、PWM調(diào)速原理</h2><p>　　PWM控制技術(shù)是利用半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷，把直流電壓變成電壓脈沖列，控制電壓脈沖的寬度或周期以達(dá)到變壓目的，或控制電壓脈沖的寬度和周期以達(dá)到變壓變頻目的的一種控制技術(shù)。下面簡述一下PWM調(diào)速系統(tǒng)的工作原理。圖2-3給出PWM調(diào)速系統(tǒng)的工作原理電路及其輸出波形。</p><p>　?。╝）

36、 （b）</p><p>　　圖2-3 PWM調(diào)速系統(tǒng)的工作原理電路及其波形</p><p>　　假設(shè)V1先導(dǎo)通T1秒，然后又關(guān)斷T2秒，如此反復(fù)進(jìn)行，可得到圖2-3（b）的波形圖，可以得到電機(jī)電樞端的平均電壓。如果，可定義為占空比。假定輸入電壓不變，越大，則電機(jī)電壓就越大，反之也成立。所以改變就可以達(dá)到調(diào)壓的目的。</p><p>　　改變有三種方法：第一種

37、就是T1保持不變，使T2在0到∞之間變化，這叫定寬調(diào)頻法；第二種就是T2不變，使T1在0到∞之間變化，這叫調(diào)寬調(diào)頻法；第三種就是T保持一定，使T1在0到T間變化，這叫定頻調(diào)寬法。本設(shè)計采用的是定頻調(diào)寬法，電動機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時比較穩(wěn)定，并且在產(chǎn)生PWM脈沖實(shí)現(xiàn)上更方便。</p><h4>　　2.2.3 霍爾效應(yīng)和原理簡介</h2><p>　　本設(shè)計采用的霍爾傳感器CS3020進(jìn)行測速的，所以本

38、節(jié)主要介紹一下霍爾效應(yīng)及其原理?；魻栃?yīng)是磁電效應(yīng)的一種，這一現(xiàn)象是美國物理學(xué)家霍爾（A.H.Hall，1855—1938）于1879年在研究金屬的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)時發(fā)現(xiàn)的。當(dāng)電流垂直于外磁場通過導(dǎo)體時，在導(dǎo)體的垂直于磁場和電流方向的兩個端面之間會出現(xiàn)電勢差，這一現(xiàn)象便是霍爾效應(yīng)。這個電勢差也被叫做霍爾電勢差。霍爾效應(yīng)原理圖見圖2-4。</p><p>　　圖2-4 霍爾效應(yīng)原理圖</p><p>

39、;　　因為運(yùn)動中的電荷收到磁場中洛倫磁力的作用而產(chǎn)生霍爾效應(yīng)。霍爾電勢見公式（2-2）：</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　式（2-2）中：——材料的霍爾常數(shù)（）；</p><p>　　——控制電流（A）；</p><p>　　——磁感應(yīng)強(qiáng)度（T）；</p><p&g

40、t;　　——元件的厚度（m）；</p><p>　　令：，則得到：，有此式可以看出霍爾電勢的大小取決于控制電流I和磁感應(yīng)強(qiáng)度B，叫做霍爾靈敏度，與元件材料性質(zhì)和幾何尺寸有關(guān)。</p><h3>　　2.3 系統(tǒng)各模塊方案的比較與選擇</h2><h4>　　2.3.1 電機(jī)驅(qū)動芯片的選擇</h2><p>　　本設(shè)計核心部分就是對小型直流電動

41、機(jī)進(jìn)行可逆的PWM調(diào)速控制。要實(shí)現(xiàn)以上的功能，應(yīng)用比較廣泛的是由四個開關(guān)管構(gòu)成的H型橋式驅(qū)動電路。而在設(shè)計中可以使用集成有橋式電路的電機(jī)專用芯片，可以簡化電路。</p><p>　　目前常用的電機(jī)驅(qū)動芯片有LMD18200、L298、ML33886、MC4428等。不過在應(yīng)用領(lǐng)域，L298使用比較廣泛，所以本設(shè)計采用L298作為電機(jī)的驅(qū)動芯片。</p><p>　　L298是ST公司生產(chǎn)的

42、內(nèi)部集成有兩個橋式電路的電機(jī)驅(qū)動專用芯片，它的工作電壓可高達(dá)46V。輸出電流也很大，瞬間峰值電流可達(dá)3A，持續(xù)工作電流可達(dá)2A。內(nèi)含兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動器，可以用來驅(qū)動直流電動機(jī)和步進(jìn)電動機(jī)、繼電器、線圈等感性負(fù)載；采用標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號控制；具有兩個使能控制端口，分別控制兩個電機(jī)的啟動和制動；有一個邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作；它可以外接電阻，把變化量反饋給控制電路。此外，L298的兩個橋式電路還可

43、以并聯(lián)起來驅(qū)動一個直流電動機(jī)，直流電流可達(dá)到4A。L298的運(yùn)行參數(shù)如表2-1所示： </p><p>　　表2-1 L298運(yùn)行參數(shù)</p><h4>　　2.3.2 測速傳感器的選擇</h2><p>　　本設(shè)計主要是采用霍爾元件作為測速傳感器。CS3020是CS系列的霍爾傳感器常用的一種，它是由電壓調(diào)整器，霍爾電壓發(fā)生器，差分放大電路，史密特觸發(fā)器及集電極開路

44、的輸出級組成磁敏傳感電路，其輸入為磁感應(yīng)強(qiáng)度，輸出為電壓。其外形圖見圖2-8。</p><p>　　CS3020工作頻率寬（100KHz），開關(guān)速度快，沒瞬間抖動，電源電壓范圍寬，能直接和晶體管及TTL、MOS等邏輯電路接口，并且還有壽命長，體積小，方便安裝等優(yōu)點(diǎn)。常用于無觸點(diǎn)開關(guān)、位置控制、轉(zhuǎn)速測量、隔離檢測、無刷電機(jī)等方面。CS3020的電特性和磁特性分別見表2-2和表2-3：</p><

45、p>　　圖2-8 CS3020</p><p>　　表2-2 CS3020的電特性</p><p>　　表2-3 CS3020的磁特性</p><h3>　　2.4 系統(tǒng)硬件組成</h2><p>　　本設(shè)計的調(diào)速系統(tǒng)主要是由：單片機(jī)、驅(qū)動電路、直流電機(jī)、測速元件、接口電路、顯示器、電位器、A/D轉(zhuǎn)換器等部分組成。硬件電路組成框圖如圖2

46、-9所示：</p><p>　　圖2-9 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)硬件</p><p>　　本設(shè)計由電位器的阻值變化通過A/D轉(zhuǎn)化將信號傳遞給單片機(jī)AT89S51并通過計算占空比產(chǎn)生出對應(yīng)的PWM信號輸出和控制信號輸出，其中一路信號控制L298的使能和方向，一路PWM波形送L298控制直流電機(jī)的速度。在直流電機(jī)中安裝霍爾開關(guān)傳感器，把速度信號傳送到AT89S51，AT89S51進(jìn)行定時計數(shù)，計算出

47、直流電機(jī)每分鐘的轉(zhuǎn)速，并送LED顯示。</p><h2>　　第三章 硬件系統(tǒng)設(shè)計</h2><p>　　本設(shè)計是基于單片機(jī)控制的PWM直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計。本章將基于上一章為基礎(chǔ)對硬件系統(tǒng)各部分作進(jìn)一步分析，并且對硬件各部分電路加以呈現(xiàn)和分析。本系統(tǒng)控制對象是55LCX-1永磁式直流力矩電動機(jī)，主要技術(shù)指標(biāo)如表3-1。針對要求分別對電源、PWM波形產(chǎn)生部分、電機(jī)驅(qū)動部分、鍵盤輸入部分及測

48、速顯示部分進(jìn)行設(shè)計。</p><p>　　表3-1 55LCX-1主要技術(shù)指標(biāo)</p><h3>　　3.1 AT89S51單片機(jī)特性及管腳說明</h2><p>　　上一章在系統(tǒng)總體方案設(shè)計中已經(jīng)對微控制器AT89S51簡單介紹了，本節(jié)將在上一章的基礎(chǔ)上對微控制器作詳細(xì)地闡述。</p><p>　　1）ATMEL公司的AT89S51芯片具有

49、以下特性：</p><p>　　●指令集和芯片引腳與Intel公司的8051兼容； </p><p>　　●4KB片內(nèi)在系統(tǒng)可編程Flash程序存儲器； </p><p>　　●時鐘頻率為0～33MHz； </p><p>　　●128字節(jié)片內(nèi)隨機(jī)讀寫存儲器（RAM）； </p><p>　　●32個可編程I/O引腳；

50、 </p><p>　　●2個16位定時/計數(shù)器； </p><p>　　●6個中斷源，2級優(yōu)先級； </p><p>　　●全雙工串行通信接口； </p><p><b>　　●監(jiān)視定時器；</b></p><p>　　●低功耗的閑置和掉電模式。</p><p>　　圖3

51、-1 AT89S51引腳圖</p><p>　　2）AT89SS51引腳功能介紹，AT89S51引腳如圖3-1所示：</p><p>　　●Vcc：AT89S51電源正端輸入，接+5V；</p><p>　　●Vss：電源接地端；</p><p>　　●XTAL1：單芯片系統(tǒng)時鐘的反相放大器輸入端；</p><p>　

52、　●XTAL2：系統(tǒng)時鐘的反相放大器輸出端；</p><p>　　●RST/VPD：RST是復(fù)位信號，高電平有效，在此引腳上出現(xiàn)兩個機(jī)器周期以上的高電平將使單片機(jī)復(fù)位。RST的第二功能是備用電源VPD的輸入端。</p><p>　　●：外部程序存儲器地址允許輸入端/固化編程電壓輸入端。當(dāng)端保持高電平時，單片機(jī)復(fù)位后訪問片內(nèi)存儲器ROM。當(dāng)程序計數(shù)器PC的值超過4KB時，將自動轉(zhuǎn)去執(zhí)行片外存

53、儲器ROM內(nèi)的程序。當(dāng)端接地保持低電平時，則只訪問片外程序存儲器，而不管內(nèi)部是否有程序存儲器。</p><p>　　●：地址鎖存允許信號端。當(dāng)訪問外部存儲器時，地址鎖存允許(address latch enable)信號的輸出用于鎖存低8位地址的控制信號，此信號頻率為振蕩器的1/6。當(dāng)不訪問片外存儲器時，信號可用作對外輸出時鐘或定時信號。端可驅(qū)動8個LS型TTL負(fù)載。</p><p>　　

54、●：程序存儲器允許輸出信號端（program store enable）。此端定時輸出負(fù)脈沖作為讀片外存儲器的選通信號。AT89S51可以利用及引腳分別啟用存在外部的RAM與EPROM，使得數(shù)據(jù)存儲器與程序存儲器可以合并在一起而共用64K的定址范圍。端同樣可驅(qū)動8個LS型TTL負(fù)載。</p><p>　　●P0口：P0.0~P0.7。P0口第一功能是作為通用的I/O口，CPU在傳送輸入/輸出數(shù)據(jù)時，輸出數(shù)據(jù)可以鎖

55、存，輸入數(shù)據(jù)可以緩存；P0口第二功能是當(dāng)CPU訪問片外存儲器時，分時提供低8位地址和8位數(shù)據(jù)的復(fù)位總線。</p><p>　　●P1口：P1.0~P1.7。P1口第一功能是作為通用I/O口；P1口第二功能是在對片內(nèi)EPROM編程或校驗時輸入片內(nèi)EPROM的低8位地址。</p><p>　　●P2口：P2.0~P2.7。P2口第一功能是當(dāng)不帶片外存儲器時，作為通用I/O口；P2口第二功能是當(dāng)

56、帶片外存儲器時，與P0口配合 ，傳送片外存儲器的高8位地址，共同選中片外存儲器單元。</p><p>　　●P3口：P3.0~P3.7。P3口除了做通用的I/O口外，作為控制用的第二功能如表3-2所示：</p><p>　　表3-2：P3口各位的第二功能</p><h3>　　3.2 ADC0809特性及管腳說明</h2><p>　　1）美

57、國國家半導(dǎo)體公司的ADC0809芯片具有以下特性：</p><p>　　●8路輸入通道，8位A/D轉(zhuǎn)換器，即分辨率為8位。 </p><p>　　●具有轉(zhuǎn)換起?？刂贫恕?</p><p>　　●轉(zhuǎn)換時間為100μs(時鐘為640kHz時)，130μs（時鐘為500kHz時）　　</p><p>　　●單個+5V電源供電 </p>

58、<p>　　●模擬輸入電壓范圍0～+5V，不需零點(diǎn)和滿刻度校準(zhǔn)。 </p><p>　　●工作溫度范圍為-40～+85攝氏度 </p><p>　　●低功耗，約15mW。</p><p>　　2）ADC0809引腳功能介紹</p><p>　　圖3-2 ADC0809引腳圖</p><p>　　●IN0～

59、IN7：8路模擬量輸入端。</p><p>　　●2-1～2-8：8位數(shù)字量輸出端。</p><p>　　●ADDA、ADDB、ADDC：3位地址輸入線，用于選通8路模擬輸入中的一路</p><p>　　●ALE：地址鎖存允許信號，輸入，高電平有效。 </p><p>　　●START： A/D轉(zhuǎn)換啟動脈沖輸入端，輸入一個正脈沖（至少100n

60、s寬）使其啟動（脈沖上升沿使0809復(fù)位，下降沿啟動A/D轉(zhuǎn)換）。 </p><p>　　●EOC： A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，輸出，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時，此端輸出一個高電平（轉(zhuǎn)換期間一直為低電平）。 </p><p>　　●OE：數(shù)據(jù)輸出允許信號，輸入，高電平有效。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時，此端輸入一個高電平，才能打開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量。</p><p>　　●CLK：時鐘

61、脈沖輸入端。要求時鐘頻率不高于640KHZ。 </p><p>　　●REF（+）、REF（-）：基準(zhǔn)電壓。 </p><p>　　●Vcc：電源，單一+5V。 </p><p><b>　　●GND：地。</b></p><h3>　　3.3 PWM波形發(fā)生原理</h2><p>　　本設(shè)計中P

62、WM波形是用AT89S51單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)的，這部分硬件比較少，主要保證AT89S51正常工作的最少模式就行了，AT89S51的P3.7引腳作為PWM波的輸出口。</p><h3>　　3.4 電機(jī)驅(qū)動電路</h2><p>　　在上一章已經(jīng)選定了使用L298作為電機(jī)的驅(qū)動芯片，表3-3是L298的引腳功能介紹，圖3-3是電機(jī)驅(qū)動的硬件電路圖。</p><p>　　表

63、3-3 L298的引腳功能</p><p>　　圖3-3 L298驅(qū)動芯片硬件電路</p><p>　　單片機(jī)AT89S51輸出的脈寬調(diào)制(PWM)信號需經(jīng)過功率放大才能驅(qū)動電機(jī)，本調(diào)速控制系統(tǒng)采用的是L298驅(qū)動芯片，驅(qū)動接口電路如圖3-3所示。L298有單極性、雙極性2種工作方式。單極性工作方式指的是在一個PWM周期內(nèi)，電機(jī)的電樞只承受單極性的電壓；雙極性工作方式是指在一個PWM周期內(nèi)

64、電機(jī)電樞兩端的電壓呈正負(fù)變化。調(diào)速控制系統(tǒng)采用的是單極性工作方式。單片機(jī)的PWM輸出引腳P3.7接L298的EnA和EnB引腳,它控制著電機(jī)轉(zhuǎn)速大??；單片機(jī)的P3.2經(jīng)過一定的邏輯電路接到L298的IN1，IN2，IN3，IN4輸入引腳上，它控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向。比較器LM393主要起到了限制過流和保護(hù)L298的作用。LM393的同相端直接連到了一個可變電位計上，電位計的參考電壓是可調(diào)的。調(diào)節(jié)電位計的參考電壓能調(diào)節(jié)L298的限流電壓。LM

65、393的反相端接到L298的SENSEA和SENSEB兩檢測端。當(dāng)檢測電阻兩端的電壓大于限流電壓時，比較器的反相端的電壓大于同相端的電壓，輸出端輸出低電平，從而把L298的EnA和EnB使能端拉低，L298停止工作。這就起到了限制過流和保護(hù)L298的作用。為了增強(qiáng)L298</p><p>　　圖3-4 L298內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　L298的邏輯控制見表3-4。其中C為IN1、

66、IN3，D為IN2、IN4；L為低電平，H為高電平，※為無論是低電平還是高電平。Ven為電壓比較器輸出端信號。</p><p>　　對于L298的應(yīng)用，還需要對采樣電阻R10進(jìn)行選擇。對R10進(jìn)行選擇，以下幾個因素是必須考慮的。第一，L298的允許采樣電壓值是2V，超過這一幅度，芯片會自動保護(hù)從而停止工作。第二，L298允許的電流和功率的限制。第三，電阻自身可能達(dá)到的功耗。在本設(shè)計中，選用了阻值1.5Ω額定功率5

67、W的電阻保證電機(jī)可正常工作。</p><p>　　表3-4 L298對直流電機(jī)的邏輯真值表</p><p><b>　　3.5 測速部分</b></p><p>　　第二章已經(jīng)對測速傳感器進(jìn)行了選擇，由圖2-8可知CS3020有三個引腳，其中1腳接電源，2腳接地，3腳接輸出，安裝簡單方便易用。在電機(jī)的轉(zhuǎn)葉上貼上兩片小磁鋼，那么電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈，霍爾

68、傳感器輸出兩個脈沖，這樣可測出被測對象的實(shí)際轉(zhuǎn)速。其硬件原理圖如圖3-7所示：</p><p>　　圖3-5測速硬件原理圖</p><p>　　CS3020工作原理是將磁信號轉(zhuǎn)換為電信號。因其內(nèi)部含穩(wěn)壓電路、霍爾電勢發(fā)生器、差分放大器、施密特觸發(fā)器以及輸出級，故能實(shí)現(xiàn)以上功能。圖3-8（a）和圖3-8（b）分別是CS3020的功能圖和輸出特性圖。對于開關(guān)型傳感器的正值規(guī)定是：用磁鐵的S極接

69、近傳感器的端面所形成的B值為正值。由輸出特性圖可以看出：當(dāng)B=0時，VO為高電平；當(dāng)外磁場增至BOP時，輸出VO由高電平轉(zhuǎn)為低電平。外磁場由BOP降BRP時輸出VO由低電平反向，BRP被為釋放點(diǎn)。對于CS3020，BOP=0.022T，BRP=0.0165T，VOL=80~150mV，VOH=4V，工作電壓為4.5V～24V。 </p><p><b>　?。╝）</b></p>

70、<p><b>　?。╞）</b></p><p>　　圖3-6（a）CS3020功能圖和（b）CS3020輸出特性</p><h3>　　3.6 復(fù)位電路和時鐘電路</h2><p><b>　　圖3-7復(fù)位電路</b></p><p><b>　　圖3-8 時鐘電路<

71、;/b></p><p>　　復(fù)位是單片機(jī)初始化操作，不僅可以正常工作時初始化，也可在發(fā)生故障時初始化，以擺脫困境，復(fù)位電路如圖3-9所示。單片機(jī)的復(fù)位電路剛通電時，開始電容內(nèi)沒有電，通電后5V電壓給電解電容充電，電容兩端電壓逐漸升至4V左右，復(fù)位由低電平變?yōu)楦唠娖?。?dāng)S5按下時，C11開始發(fā)電，則電容兩端電壓又恢復(fù)至0V，這就是進(jìn)行了一次手動復(fù)位。</p><p>　　單片機(jī)的每個

72、功能部件都是以時鐘控制信號為基準(zhǔn)的，不僅時鐘頻率影響單片機(jī)的速度，時鐘電路的質(zhì)量也直接影響單片機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，時鐘電路如圖3-10所示。本設(shè)計采用12MHZ晶振，外接電容C12和C13選用30pF。外接電容會影響振蕩器的頻率高低、穩(wěn)定性和起振的快速性，晶振頻率越高即系統(tǒng)的時鐘頻率越高，單片機(jī)的運(yùn)行速度也越快。當(dāng)單片機(jī)芯片和時鐘系統(tǒng)正常工作時，用外用表可測出晶振腳XTAL1和XTAL2的電壓分別為2.24V和2.09V。</p>

73、;<p>　　本設(shè)計中時鐘頻率適用于12MHZ，C11取100uF，R13取10K，為保證可靠復(fù)位初始化程序中應(yīng)有一段延遲時間。</p><p>　　圖3-9 硬件電路總體電路圖</p><p><b>　　總結(jié)</b></p><p>　　本設(shè)計電位器控制小型直流電機(jī)的PWM調(diào)速系統(tǒng)主要是由幾塊集成芯片組成，有：AT89C51

74、單片機(jī)、霍爾傳感器CS3020、電機(jī)驅(qū)動芯片L298、施密特反向器74LS14、與門74LS08以及LM393比較器等芯片。</p><p>　　在該設(shè)計中我選用了AT89S51單片機(jī)，基本實(shí)現(xiàn)了用軟件產(chǎn)生PWM信號，并且通過電位器的阻值改變，通過A/D轉(zhuǎn)換，生成數(shù)字信號傳遞給單片機(jī)，單片機(jī)將信號傳輸給電機(jī)驅(qū)動芯片，以實(shí)現(xiàn)對小型直流電機(jī)的啟停、方向、加速和減速的控制。A/D轉(zhuǎn)換采用的是ADC0809芯片。本設(shè)計采

75、用的霍爾傳感器CS3020來實(shí)現(xiàn)測速目的。與以往的模擬測速相比較，這種方法不僅精度高，而且安全穩(wěn)定，維護(hù)方便。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　譚浩強(qiáng)．C語言程序設(shè)計（第二版）[M]，北京：清華大學(xué)出版社，1991.</p><p>　　梅麗鳳．單片機(jī)原理及接口技術(shù)[M]．清華大學(xué)出版社，2007.8.<

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