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摘要:本設(shè)計介紹基于AT89C51單片機的直流電機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的設(shè)計。主要完成軟件設(shè)計與仿真設(shè)計。對于仿真設(shè)計采用Protues7.8仿真軟件,軟件設(shè)計采用keil編程軟件。本設(shè)計主要由單片機控制單元、LCD1602顯示單元、PWM方波實現(xiàn)單元、模擬示波器以及獨立按鍵等模塊組成,并在理論研究的基礎(chǔ)上,進行仿真測試。仿真顯示能夠較好地實現(xiàn)直流電機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向、啟??刂啤?/p>
關(guān)鍵詞:AT89C51;直流電機;PWM;LCD160
引言
最早出現(xiàn)同時具有調(diào)速功能的電機是直流電機。直流電機是種類繁多的電機中極為重要的一種。在多年的研究和使用過程中,直流電機在調(diào)速控制領(lǐng)域中占有著不可取代的作用和地位,同時給各行各業(yè)的發(fā)展代來了方便和經(jīng)濟效益。直流電機基于其良好的線性調(diào)速功能,和簡單易行的控制理論等,在實際的生產(chǎn)和生活中,直流電機仍然是調(diào)速電動機的最佳選擇[1]。因此,一代又一代人不斷地研究和探索直流電機的速度控制策略和方案。最近幾年隨著計算機科學技術(shù)的飛速發(fā)展和直流電機控制技術(shù)的發(fā)展,直流電機得到突飛猛進的發(fā)展,進而直流電機進入成熟期,但是科學家們對直流電機轉(zhuǎn)速的研究從來沒有停止。同時,單片機的迅速發(fā)展,在人們生活和生產(chǎn)中得到迅速普及,大到工業(yè)應(yīng)用的機械臂,小到孩子們的玩具,在生活中更是隨處可見。單片機以其構(gòu)造簡單、應(yīng)用方便、易于操作等優(yōu)點,在電子領(lǐng)域迅速發(fā)展,占據(jù)一席之地。單片機具有體積小、成本低、功耗少、重量輕同時具有較好的穩(wěn)定性和通用性等特點[2]。尤其是AT89系列的單片機,由于其集成度高,處理性強,可靠性好,結(jié)構(gòu)簡單,具有極優(yōu)的性能價格比,使用方便等優(yōu)點,已在中國廣泛應(yīng)用同時在市場上廣泛流行。隨著直流電機、單片機以及計算機行業(yè)的飛速發(fā)展,人們對電子技術(shù)、智能化等概念的了解也更加深入,單片機控制直流電機領(lǐng)域也越來越得到大家的重視[3]。通過本設(shè)計的研究,我們不僅僅了解直流電機轉(zhuǎn)速控制的應(yīng)用、發(fā)展和相關(guān)知識,我們還掌握了單片機的工作原理、電路設(shè)計、外圍芯片的整合、編程方法、編程技巧、應(yīng)用行業(yè)以及它的實用價值。
1主要研究內(nèi)容
直流電機與交流電機構(gòu)相比,生產(chǎn)成本高,維護成本高。但是啟動性能良好、速度平穩(wěn)性較好。直流電機經(jīng)常適用于需要自由移動,無交流電的場合。如內(nèi)燃機、高速運行的電梯,礦山起重機等生產(chǎn)設(shè)備。本設(shè)計采用單片機對直流電機轉(zhuǎn)速進行控制。本設(shè)計采用價格實惠、操作方便的AT89C51單片機,我們選擇該單片機是由于其不僅能滿足現(xiàn)有功能的需求,同時具有較高的性價比[4],而且該單片機的發(fā)展歷史悠久,受到廣大電子開發(fā)者的喜愛。雖然DSP、FPGA等高端芯片,它們的功能遠遠高于單片機。但是它們價格較高同時發(fā)展不是非常成熟,仍然需要有更多研究和探索階段。綜合考慮以上因素,最終選擇價格實惠、功能完善、編程簡單[5]的單片機作為我們的開發(fā)芯片。本設(shè)計分為2個部分,Protues仿真以及Keil編程設(shè)計。Protues仿真目的是驗證電路的可行性和編程的功能完整性,Keil編程目的是驗證外圍設(shè)備的編程可行性和按鍵等模塊的穩(wěn)定性,仿真中電機控制部分是核心內(nèi)容,目的在于驗證仿真和keil編程是否能應(yīng)用到實際當中。仿真電路設(shè)計以AT89C51為控制核心,外圍設(shè)備通過5個獨立的按鍵給CPU發(fā)送控制指令,同時CPU響應(yīng)指令對直流電機做出啟動、關(guān)閉、轉(zhuǎn)向、減速和加速的控制,其中在仿真里面給出直流電機驅(qū)動電路的詳細設(shè)計,直流電機的轉(zhuǎn)速實現(xiàn)是通過兩路的PWM技術(shù)實現(xiàn),在此基礎(chǔ)上通過Protues軟件中的模擬示波器顯示當前脈沖的寬度,當前的轉(zhuǎn)速以及其它相關(guān)信息則通過LCD1602顯示。其中PWM技術(shù)、直流電機的驅(qū)動電路、LCD1602顯示是本設(shè)計的難點和重點。
2直流電機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)
直流電機轉(zhuǎn)速:n=(U-IR)/Kø(1)式中:U表示電樞端電壓;I表示電樞電流;R表示電樞電路總電阻;K表示電動機結(jié)構(gòu);參數(shù)ø表示磁通量。在式(1)中,直流電機的轉(zhuǎn)速控制方法可以分為兩部分。一部分為對勵磁磁通控制的勵磁控制法,另一部分為對電樞電壓的電樞控制法。本文采用勵磁不變時,通過改變電樞電壓的大小,以實現(xiàn)直流電機的調(diào)速。大部分的直流電機使用開關(guān)驅(qū)動方式,開關(guān)驅(qū)動是使半導體功率器件工作在開關(guān)狀態(tài),通過脈寬調(diào)制PWM來控制電樞兩端的電壓,實現(xiàn)對電機速度的控制。電動機電樞兩端電壓平均值:在式(2)中,Us表示電源電壓;T表示脈沖周期;t1表示導通時間,α表示占空比,代表導通時間和周期的比值。當Us不變時,改變占空比α來調(diào)節(jié)電壓從而實現(xiàn)對電機速度控制。本文設(shè)計的直流電機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng),主要分為兩部分:軟件設(shè)計以及電路仿真。通過多次調(diào)試、測試實現(xiàn)系統(tǒng)的各模塊的功能。同時實現(xiàn)LCD1602顯示、PWM技術(shù)、直流電機的正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn),按鍵的開啟、急停、減速、加速等功能?;贏T89C51單片機的直流電機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。直流電機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)主要組成為:CPU、LCD1602液晶顯示屏、獨立鍵盤、直流電機、復(fù)位電路以及晶體管震蕩電路等組成。直流電機轉(zhuǎn)速控制的工作原理:首先、通過五個獨立按鍵給單片機發(fā)送指令、CPU接收到指令后,通過定時器產(chǎn)生PWM脈沖,對直流電機進行控制。根據(jù)獨立按鍵設(shè)定的功能不同,通過定時器對PWM脈沖進行調(diào)整。最終實現(xiàn)電機的開啟、關(guān)閉、方向改變、減速、加速,并且把當前的單位時間內(nèi)脈沖的個數(shù)顯示在LCD1602液晶屏上,根據(jù)PWM輸出的控制方向不同,將PWM信號通過Protues中的模擬示波器顯示出當前的脈沖波形。
3直流電機的調(diào)速功能仿真
直流電機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的控制器是單片機,本文采用ATMEL公司的AT89C51,采用keil進行軟件編程,Protues7.8進行仿真電路設(shè)計。軟件編程方面主要包括,獨立鍵盤的編程實現(xiàn)、LCD1602顯示驅(qū)動程序的設(shè)計、PWM占空比技術(shù)的設(shè)計、直流電機的控制,同時采用定時器進行PWM占空比的產(chǎn)生。程序的邏輯順序,在main文件里面是從上到下無限循環(huán)運行,當遇到中斷或者按鍵變化時,保存斷點,響應(yīng)順序有一個優(yōu)先級,先調(diào)用中斷,然后調(diào)用按鍵,當中斷和按鍵執(zhí)行過后繼續(xù)返回斷點繼續(xù)執(zhí)行。當所有的編程調(diào)試通過編譯之后生成hex文件,手動通過Protues7.8軟件將hex文件添加到AT89C51里面。在仿真軟件里面進行調(diào)試仿真。主程序作為入口程序端,起始階段,對LCD1602初始化、中斷初始化。完成前期的工作后,通過掃描獨立按鍵,如果按下啟動按鈕,此處單片機內(nèi)容T0定時器開始計時,同時產(chǎn)生PWM占空比,此時PWM1為低電平PWM2為高電平,控制直流電機的正轉(zhuǎn)。只要按下停止按鍵,直流電機的運動立刻停止。在這個過程當中,如果按下轉(zhuǎn)向按鍵,則開啟直流電機正向功能,如果按下加速按鈕,通過開啟的T0定時器增加PWM占空比進而直流電機的轉(zhuǎn)速增加,如果減速按鈕,通過開啟的T0定時器減小PWM占空比進而直流電機的轉(zhuǎn)速減小.。如果再次按下轉(zhuǎn)速按鈕,則開啟直流電機的反向功能,如果按下加速按鈕,通過開啟的T0定時器增加PWM占空比進而直流電機的轉(zhuǎn)速增加,如果按下減速按鈕,通過開啟的T0定時器減小PWM占空比進而直流電機的轉(zhuǎn)速減小。實驗過程中,首先按下開啟按鈕,直流電機開始工作。如果需要實現(xiàn)電機的速度增加操作,可以按下加速按鈕,每按一次直流電機的速度增加一次,但是它的速度增加有一個極限值,不能無限增加。當按下減速按鈕時,直流電機的速度減小,直到減小到0為止。在任何一個過程當中都可以按停止按鈕實現(xiàn)直流電機的急停。同時可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向按鍵進行電機方向的控制,當電機不工作時可以按下啟動按鍵進行電機的開啟控制。
4直流電機調(diào)速后并顯示功能仿真
通過上面的速度調(diào)整,同時為了用戶更好地觀察當前的運動情況,采用LCD1602,實現(xiàn)對當前的電機速度的顯示,非常直觀清晰地展示出來。實驗通過觀察速度的穩(wěn)定性來判定控制效果。如果數(shù)字一直很穩(wěn)定,在沒有調(diào)整的情況下數(shù)字一直不變,或者發(fā)聲輕微的改動,則實驗的電路設(shè)計部分很好,進而讓整個電機的控制部分表現(xiàn)出非常穩(wěn)定的趨勢,說明電機的工作很穩(wěn)定。如果試驗中LCD1602上面現(xiàn)實的數(shù)字一直不停地發(fā)生大的數(shù)字變動,進而得出電機工作不穩(wěn)定,需要進一步進行調(diào)整。
5結(jié)論
本文采用AT89C51單片機作為整個控制系統(tǒng)的控制核心,通過5個獨立的鍵盤作為控制指令輸入給CPU同時單片機響應(yīng)控制指令,在仿真系統(tǒng)中實現(xiàn)對電機各項控制,包括加/減速,以及方向控制,開啟與關(guān)閉控制,直流電機的轉(zhuǎn)速是通過改變兩路的PWM來改變占空比實現(xiàn),直流電機的轉(zhuǎn)向通過H橋上三極管的導通特性來實現(xiàn)。在此基礎(chǔ)上通過Protues7.8軟件中的模擬示波器顯示當前脈沖的寬度,最后用采用LCD1602顯示當前的轉(zhuǎn)速和其它信息。設(shè)計仿真結(jié)果顯示控制效果較好。
參考文獻
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作者:趙娟萍 王會珍 周喜 姚新海 單位:鄭州職業(yè)技術(shù)學院