劉朋
渤海大學(xué)
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基于AT89S52單片機(jī)的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)研究
劉朋
渤海大學(xué)
轉(zhuǎn)速在直流電機(jī)運(yùn)行中起到重要的作用,如何更好地測(cè)量出電機(jī)的轉(zhuǎn)速,做好對(duì)電機(jī)的調(diào)速工作具有重要的意義和作用,電機(jī)在運(yùn)行的過程中具有很好的性能,當(dāng)前的電機(jī)調(diào)速性能比較嚴(yán)格,而且使用了直流調(diào)速系統(tǒng)。本文詳細(xì)分析了電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速系統(tǒng),電動(dòng)機(jī)的硬件系統(tǒng)主要是:控制驅(qū)動(dòng),測(cè)試以及硬件電路;軟件設(shè)計(jì)采用C語言編程。該系統(tǒng)使用脈沖的方式有利于電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng),而且可以調(diào)節(jié)脈沖寬度,通過光電開關(guān)可以更好的測(cè)量電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,在液晶顯示屏上可以對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行顯示,最終實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制的目的,可以對(duì)出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析。
直流調(diào)速 LCD顯示 PWM控制 C程序
1.1直流電機(jī)調(diào)速原理
直流電機(jī)的工作方式不同,有自我控制和他人控制兩種,不同的方式會(huì)產(chǎn)生不同的機(jī)械特性,有以下幾種轉(zhuǎn)速方式:
其中:U—電壓;—?jiǎng)?lì)磁繞組本身的電阻;—每極磁通(Wb);Cc—電勢(shì)常數(shù);Cr—轉(zhuǎn)矩常量。通過式子表示,通過電樞控制法可以對(duì)電機(jī)的速度進(jìn)行控制,還可以通過磁場(chǎng)控制法進(jìn)行控制,磁場(chǎng)控制法的控制功率不高,低速的時(shí)候因?yàn)榇艠O飽和的問題,磁圈內(nèi)部可能會(huì)有較大的電感,所以會(huì)獲得較差的動(dòng)態(tài)響應(yīng),在工業(yè)生產(chǎn)的時(shí)候使用最主要的是電樞控制法。
其中:U—電壓;R內(nèi)—?jiǎng)?lì)磁繞組本身的電阻;φ—每極磁通(Wb);Cc—電勢(shì)常數(shù);Cr—轉(zhuǎn)矩常量。由上式可知,通過電樞控制法可以對(duì)直流電機(jī)的速度進(jìn)行控制,雖然控制的功率不大,但是可能會(huì)受到磁極飽和的影響,在高速運(yùn)行的時(shí)候可能會(huì)受到換向器結(jié)構(gòu)的限制,由于線圈的電感強(qiáng)度比較大,動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差。電樞控制法是工業(yè)生產(chǎn)中常用的方法。
在電壓不變的情況下可以進(jìn)行變速控制,如果電樞上增加了控制電壓信號(hào)的話,這是有利于電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的,傳統(tǒng)的方式是串聯(lián)一個(gè)電阻,通過改變電阻有利于調(diào)速,但是這種方法沒有很高的效率,而且平滑度不高,在串聯(lián)電阻上可能會(huì)花費(fèi)很多的功率,所以會(huì)獲得很低的經(jīng)濟(jì)效益,如果轉(zhuǎn)速越慢,可能會(huì)獲得較大的能耗。因?yàn)殡娏Φ陌l(fā)展,控制電樞和電壓的方法很多。
1.2PWM脈寬調(diào)制原理
PWM脈沖寬度調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制的目的,有利于獲得波形技術(shù)。下式是占空比計(jì)算公式:
式中t1表示一個(gè)周期內(nèi)開關(guān)管導(dǎo)通的時(shí)間,T表示一個(gè)周期的時(shí)間。
2.1單片機(jī)選型
2.1.1單片機(jī)AT89S52的基本組成
本設(shè)計(jì)通過利用單片機(jī)AT89S52,包括以下幾個(gè)部分。(1)一個(gè)8位微處理器CPU。(2)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM和特殊功能寄存器SFR。(3)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器ROM。(4)兩個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器,不僅可以對(duì)外部事件計(jì)數(shù),而且可以進(jìn)行定時(shí)。
2.1.2單片機(jī)AT89S52的引腳說明
VCC:芯片正極輸入,接+5V。GND:電源地端。XTAL1、XTAL2:接外部晶振的引腳。如果單片機(jī)使用的外部時(shí)鐘信號(hào),就可以接地。RES:如果復(fù)位信號(hào)持續(xù)兩周以上為高電平,就可以復(fù)位。ALE:地址鎖存控制端。!PSEN:在外部程序內(nèi)部選擇了各種信號(hào)端。!EA/VPP:訪問程序存儲(chǔ)器控制信號(hào)。P0~P3:四個(gè)I/O口,每口8線,共計(jì)32根I/O口線。
2.2驅(qū)動(dòng)電路
2.2.1L298內(nèi)部的原理
本設(shè)計(jì)可以更好的控制電壓和電機(jī)驅(qū)動(dòng),有兩種控制方法,因?yàn)榫€形放大有利工作,而且線性比較好并且輸出波動(dòng)小,最終會(huì)對(duì)鄰近的電路產(chǎn)生干擾,因?yàn)橹荒茉诜秶M窄的地區(qū)工作,因?yàn)殡娐返墓β什桓撸谶M(jìn)行驅(qū)動(dòng)的時(shí)候,PWM波使L298工作在開關(guān)狀態(tài)。如果在開關(guān)的狀態(tài)下工作時(shí),可能會(huì)出現(xiàn)很低的損耗級(jí)別,最終也是容易控制的。
2.3鍵盤設(shè)計(jì)
2.3.1鍵盤的功能及分類
可以對(duì)單片機(jī)中添加許多外圍設(shè)備,這樣才有利于更好地使用單片機(jī),鍵盤是使用得最多的輸入設(shè)備,作為按鍵組合,通過命令輸入可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行查詢。
鍵盤根據(jù)結(jié)構(gòu)可以分為矩陣式和獨(dú)立式,矩陣式鍵盤也叫做行列式鍵盤,因?yàn)橛斜容^多的按鍵,而且可以更好地對(duì)功能進(jìn)行控制。
因?yàn)橛胁煌逆I碼和識(shí)別原理,可以通過編碼和編非編碼的形式設(shè)計(jì)鍵盤。使用軟件編程就可以很好的進(jìn)行鍵盤的定義,也叫做非編碼鍵盤;這句印件電路也可以更好的識(shí)別按鍵,設(shè)計(jì)硬件電路也可以更好的識(shí)別按鍵,這就叫做編碼鍵盤。
設(shè)計(jì)使用了5個(gè)按鍵,所以可以更好的完成設(shè)計(jì)。
2.3.2獨(dú)立式鍵盤
獨(dú)立鍵盤可以接I/O線,鍵盤也是獨(dú)立的,這種工作狀態(tài)并不會(huì)影響其他接口,如果改變了電平接口,可以對(duì)按鍵更好地進(jìn)行識(shí)別。本設(shè)計(jì)中用到五個(gè)獨(dú)立按鍵,具備各種功能。
2.4數(shù)碼管設(shè)計(jì)
2.4.1LED簡(jiǎn)介
LED,也叫做發(fā)光二極管,這種二極管可以自由發(fā)光。不僅可以更好地發(fā)射可見光,而且可以發(fā)射有限的紫外線,也可以發(fā)射紅外線二極管,這種二極管就叫做LED。
LED也叫做環(huán)氧樹脂固化,里面包括半導(dǎo)體,可以外接導(dǎo)體進(jìn)行供電,因?yàn)樗荓ED的發(fā)光器件,所以它的材料會(huì)對(duì)光的顏色產(chǎn)生影響。LED通過導(dǎo)線可以對(duì)PN結(jié)產(chǎn)生作用,電子和空穴可以相互結(jié)合,最終可以發(fā)出各種可見光。
2.4.2LED七段數(shù)碼管的結(jié)構(gòu)
圖LED七段數(shù)碼管的結(jié)構(gòu)
圖(a)是陰極結(jié)構(gòu)圖,通過發(fā)光二極管可以進(jìn)行串聯(lián),最終可以收到各種信號(hào),而且可以進(jìn)行連接,也能夠公共端接地,如果連接高電平的話,可以接入二極管。圖(b)是陽極結(jié)構(gòu),和其他的連接方式有著明顯的區(qū)別,而且可以并連在陽極,這和陰極有著很明顯的區(qū)別,而且可以并聯(lián)在二極管的陽極端,但是需要獲得5伏的供電源,可以獲得低電平信號(hào),陰極端接收信號(hào)時(shí),二極管就會(huì)發(fā)光。分析LED圖,可以通過共陽極的形式,這樣可以更好的進(jìn)行電源供電,但是設(shè)計(jì)可能會(huì)面臨各種問題,所以需要進(jìn)行電能消耗。因此,本設(shè)計(jì)采用共陰極LED數(shù)碼管。
2.5光電編碼器
設(shè)計(jì)元件利用光電編碼器,可以更好的進(jìn)行仿真,而且在電機(jī)的內(nèi)部會(huì)有光電編碼器,最終可以測(cè)速。
在光電編碼器的內(nèi)部會(huì)有光柵,可以進(jìn)行LED發(fā)光,這樣才能更好地計(jì)算反光,機(jī)械角最終也可以轉(zhuǎn)化為脈沖信號(hào),如果用單片機(jī)計(jì)數(shù),最終可以得出電機(jī)的轉(zhuǎn)速,使用角位移,就可以更好的計(jì)算角速度和物理量,那么精度更高,應(yīng)用范圍也會(huì)更廣泛。
3.1主程序
單片機(jī)會(huì)自動(dòng)的運(yùn)行函數(shù)main,系統(tǒng)可以初始化運(yùn)行,能夠運(yùn)行函數(shù)init,因?yàn)閱纹瑱C(jī)啟動(dòng)就會(huì)中斷,所以要設(shè)置好定時(shí)器,定時(shí)時(shí)間為250us。這時(shí)計(jì)數(shù)器可以啟動(dòng)T1,可以更好的計(jì)數(shù)電動(dòng)機(jī)的脈沖,電動(dòng)機(jī)也可以通過按鍵查詢的方式,查找是否按下了按鍵,按下按鍵可以通過中斷定時(shí)器對(duì)脈沖進(jìn)行調(diào)制,最終得到脈沖W,我們需要判斷k5是否按下,這樣才能更好的顯示轉(zhuǎn)速,如果初始化函數(shù),就會(huì)中斷啟動(dòng),最終需要設(shè)置定時(shí)器時(shí)間T0。
3.2定時(shí)器中斷程序
如果要中斷執(zhí)行程序,首先要打開定時(shí)器,位數(shù)為1時(shí),開啟T0就會(huì)中斷,定時(shí)器的設(shè)置時(shí)間為250US,在一個(gè)時(shí)間段,如果T等于M,電機(jī)不會(huì)工作.如果T=100,則T清零,重新返回定時(shí)中斷;如果T不是100,則直接返回定時(shí)中斷??梢愿鶕?jù)不同的需要,改變周期內(nèi)的電平時(shí)間,最終會(huì)出現(xiàn)Pwm波,通過頻率可以更好地接通電源,占空比的改變也能夠改變平均電壓,與直流電機(jī)聯(lián)系緊密,最終可以對(duì)電機(jī)更好地進(jìn)行調(diào)速。
3.3LED數(shù)碼管顯示
設(shè)計(jì)的過程中可能會(huì)存在LED數(shù)碼管,所以可以根據(jù)順序進(jìn)行顯示,可以顯示脈寬的個(gè)位,十位以及百位,最終更好的運(yùn)行程序,也能夠?qū)?shù)碼管進(jìn)行確定,可以顯示字符的字碼段,然后進(jìn)入循環(huán)。出現(xiàn)字碼段“W%10”后,可以延遲1m完成,通過第三個(gè)LED數(shù)碼管可以發(fā)現(xiàn)字碼段,延遲了1m的話,選擇第三個(gè)和第四個(gè),最終可以重新開始進(jìn)行無限循環(huán)。
3.4獨(dú)立式鍵盤控制
本設(shè)計(jì)出現(xiàn)了5個(gè)獨(dú)立式按鍵,可以更好的控制電機(jī),包括電機(jī)的加速和減速等各種功能,通過LED數(shù)碼管可以顯示按鍵功能,在程序運(yùn)行后可以檢測(cè)按鍵的閉合情況,如果按下了按鍵,可以檢測(cè)相關(guān)按鍵,令其K=0。當(dāng)K1按下時(shí),判斷W的值,W為100時(shí),令W=0,則占空比為0,電機(jī)停止運(yùn)行;W不為100時(shí),W加1,占空比增加,電機(jī)加速。當(dāng)K2按下時(shí),與K1相反。K3按下時(shí),令A(yù)!=A,電機(jī)轉(zhuǎn)向,LED D5的亮或滅顯示電機(jī)轉(zhuǎn)向。K4按下時(shí),令W=0,占空比清零,電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。按下K5,并保持按下的狀態(tài),能查閱當(dāng)前的占空比。返回檢測(cè)K1,依次無限循環(huán)。
本文使用的直流電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng),可以通過單片機(jī)更好地對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)整,和其他的硬件或者是軟件進(jìn)行比較的話,可以更好的調(diào)整電機(jī),而且通過軟件方法可以降低調(diào)速過程的成本,也可以更好地發(fā)揮單片機(jī)的效能,你通過PID算法進(jìn)行閉環(huán)控制,但是因?yàn)闀r(shí)間不充分的問題,所以在設(shè)計(jì)過程中會(huì)存在許多缺點(diǎn),我們需要在學(xué)習(xí)的過程中更好地克服這些問題。
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