基于AT89S52單片機的直流電機調(diào)速系統(tǒng)研究

劉朋

渤海大學

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基于AT89S52單片機的直流電機調(diào)速系統(tǒng)研究

劉朋

渤海大學

轉(zhuǎn)速在直流電機運行中起到重要的作用，如何更好地測量出電機的轉(zhuǎn)速，做好對電機的調(diào)速工作具有重要的意義和作用，電機在運行的過程中具有很好的性能，當前的電機調(diào)速性能比較嚴格，而且使用了直流調(diào)速系統(tǒng)。本文詳細分析了電動機的轉(zhuǎn)速系統(tǒng)，電動機的硬件系統(tǒng)主要是：控制驅(qū)動，測試以及硬件電路；軟件設計采用C語言編程。該系統(tǒng)使用脈沖的方式有利于電動機的啟動，而且可以調(diào)節(jié)脈沖寬度，通過光電開關可以更好的測量電動機的轉(zhuǎn)速，在液晶顯示屏上可以對電機的轉(zhuǎn)速進行顯示，最終實現(xiàn)對電動機轉(zhuǎn)速進行控制的目的，可以對出現(xiàn)的問題進行分析。

直流調(diào)速 LCD顯示 PWM控制 C程序

1　直流調(diào)速及PWM控制原理

1.1直流電機調(diào)速原理

直流電機的工作方式不同，有自我控制和他人控制兩種，不同的方式會產(chǎn)生不同的機械特性，有以下幾種轉(zhuǎn)速方式：

其中：U—電壓；—勵磁繞組本身的電阻；—每極磁通（Wb）；Cc—電勢常數(shù)；Cr—轉(zhuǎn)矩常量。通過式子表示，通過電樞控制法可以對電機的速度進行控制，還可以通過磁場控制法進行控制，磁場控制法的控制功率不高，低速的時候因為磁極飽和的問題，磁圈內(nèi)部可能會有較大的電感，所以會獲得較差的動態(tài)響應，在工業(yè)生產(chǎn)的時候使用最主要的是電樞控制法。

其中：U—電壓；R內(nèi)—勵磁繞組本身的電阻；φ—每極磁通（Wb）；Cc—電勢常數(shù)；Cr—轉(zhuǎn)矩常量。由上式可知，通過電樞控制法可以對直流電機的速度進行控制，雖然控制的功率不大，但是可能會受到磁極飽和的影響，在高速運行的時候可能會受到換向器結構的限制，由于線圈的電感強度比較大，動態(tài)響應較差。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行變速控制，如果電樞上增加了控制電壓信號的話，這是有利于電機運轉(zhuǎn)的，傳統(tǒng)的方式是串聯(lián)一個電阻，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)電阻上可能會花費很多的功率，所以會獲得很低的經(jīng)濟效益，如果轉(zhuǎn)速越慢，可能會獲得較大的能耗。因為電力的發(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)制技術實現(xiàn)了對脈沖寬度進行調(diào)制的目的，有利于獲得波形技術。下式是占空比計算公式：

式中t1表示一個周期內(nèi)開關管導通的時間，T表示一個周期的時間。

2　硬件設計

2.1單片機選型

2.1.1單片機AT89S52的基本組成

本設計通過利用單片機AT89S52，包括以下幾個部分。（1）一個8位微處理器CPU。（2）數(shù)據(jù)存儲器RAM和特殊功能寄存器SFR。（3）內(nèi)部程序存儲器ROM。（4）兩個定時/計數(shù)器，不僅可以對外部事件計數(shù)，而且可以進行定時。

2.1.2單片機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。如果單片機使用的外部時鐘信號，就可以接地。RES：如果復位信號持續(xù)兩周以上為高電平，就可以復位。ALE：地址鎖存控制端。！PSEN：在外部程序內(nèi)部選擇了各種信號端。！EA/VPP：訪問程序存儲器控制信號。P0~P3：四個I/O口，每口8線，共計32根I/O口線。

2.2驅(qū)動電路

2.2.1L298內(nèi)部的原理

本設計可以更好的控制電壓和電機驅(qū)動，有兩種控制方法，因為線形放大有利工作，而且線性比較好并且輸出波動小，最終會對鄰近的電路產(chǎn)生干擾，因為只能在范圍狹窄的地區(qū)工作，因為電路的功率不高，在進行驅(qū)動的時候，PWM波使L298工作在開關狀態(tài)。如果在開關的狀態(tài)下工作時，可能會出現(xiàn)很低的損耗級別，最終也是容易控制的。

2.3鍵盤設計

2.3.1鍵盤的功能及分類

可以對單片機中添加許多外圍設備，這樣才有利于更好地使用單片機，鍵盤是使用得最多的輸入設備，作為按鍵組合，通過命令輸入可以對系統(tǒng)進行查詢。

鍵盤根據(jù)結構可以分為矩陣式和獨立式，矩陣式鍵盤也叫做行列式鍵盤，因為有比較多的按鍵，而且可以更好地對功能進行控制。

因為有不同的鍵碼和識別原理，可以通過編碼和編非編碼的形式設計鍵盤。使用軟件編程就可以很好的進行鍵盤的定義，也叫做非編碼鍵盤；這句印件電路也可以更好的識別按鍵，設計硬件電路也可以更好的識別按鍵，這就叫做編碼鍵盤。

設計使用了5個按鍵，所以可以更好的完成設計。

2.3.2獨立式鍵盤

獨立鍵盤可以接I/O線，鍵盤也是獨立的，這種工作狀態(tài)并不會影響其他接口，如果改變了電平接口，可以對按鍵更好地進行識別。本設計中用到五個獨立按鍵，具備各種功能。

2.4數(shù)碼管設計

2.4.1LED簡介

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，里面包括半導體，可以外接導體進行供電，因為它是LED的發(fā)光器件，所以它的材料會對光的顏色產(chǎn)生影響。LED通過導線可以對PN結產(chǎn)生作用，電子和空穴可以相互結合，最終可以發(fā)出各種可見光。

2.4.2LED七段數(shù)碼管的結構

圖LED七段數(shù)碼管的結構

圖（a）是陰極結構圖，通過發(fā)光二極管可以進行串聯(lián)，最終可以收到各種信號，而且可以進行連接，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）是陽極結構，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，陰極端接收信號時，二極管就會發(fā)光。分析LED圖，可以通過共陽極的形式，這樣可以更好的進行電源供電，但是設計可能會面臨各種問題，所以需要進行電能消耗。因此，本設計采用共陰極LED數(shù)碼管。

2.5光電編碼器

設計元件利用光電編碼器，可以更好的進行仿真，而且在電機的內(nèi)部會有光電編碼器，最終可以測速。

在光電編碼器的內(nèi)部會有光柵，可以進行LED發(fā)光，這樣才能更好地計算反光，機械角最終也可以轉(zhuǎn)化為脈沖信號，如果用單片機計數(shù)，最終可以得出電機的轉(zhuǎn)速，使用角位移，就可以更好的計算角速度和物理量，那么精度更高，應用范圍也會更廣泛。

3　軟件設計

3.1主程序

單片機會自動的運行函數(shù)main，系統(tǒng)可以初始化運行，能夠運行函數(shù)init，因為單片機啟動就會中斷，所以要設置好定時器，定時時間為250us。這時計數(shù)器可以啟動T1，可以更好的計數(shù)電動機的脈沖，電動機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器對脈沖進行調(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)，就會中斷啟動，最終需要設置定時器時間T0。

3.2定時器中斷程序

如果要中斷執(zhí)行程序，首先要打開定時器，位數(shù)為1時，開啟T0就會中斷，定時器的設置時間為250US，在一個時間段，如果T等于M，電機不會工作.如果T=100，則T清零，重新返回定時中斷；如果T不是100，則直接返回定時中斷。可以根據(jù)不同的需要，改變周期內(nèi)的電平時間，最終會出現(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，與直流電機聯(lián)系緊密，最終可以對電機更好地進行調(diào)速。

3.3LED數(shù)碼管顯示

設計的過程中可能會存在LED數(shù)碼管，所以可以根據(jù)順序進行顯示，可以顯示脈寬的個位，十位以及百位，最終更好的運行程序，也能夠?qū)?shù)碼管進行確定，可以顯示字符的字碼段，然后進入循環(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，選擇第三個和第四個，最終可以重新開始進行無限循環(huán)。

3.4獨立式鍵盤控制

本設計出現(xiàn)了5個獨立式按鍵，可以更好的控制電機，包括電機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，在程序運行后可以檢測按鍵的閉合情況，如果按下了按鍵，可以檢測相關按鍵，令其K=0。當K1按下時，判斷W的值，W為100時，令W=0，則占空比為0，電機停止運行；W不為100時，W加1，占空比增加，電機加速。當K2按下時，與K1相反。K3按下時，令A！=A，電機轉(zhuǎn)向，LED D5的亮或滅顯示電機轉(zhuǎn)向。K4按下時，令W=0，占空比清零，電機停止轉(zhuǎn)動。按下K5，并保持按下的狀態(tài)，能查閱當前的占空比。返回檢測K1，依次無限循環(huán)。

4　結語

本文使用的直流電機的調(diào)速系統(tǒng)，可以通過單片機更好地對電機進行調(diào)整，和其他的硬件或者是軟件進行比較的話，可以更好的調(diào)整電機，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)揮單片機的效能，你通過PID算法進行閉環(huán)控制，但是因為時間不充分的問題，所以在設計過程中會存在許多缺點，我們需要在學習的過程中更好地克服這些問題。

［1］盧春華，姚海燕，張莉.基于單片機的直流電機調(diào)速系統(tǒng)設計［J］.硅谷 ，2009（20）.

［2］李朝青.單片機原理及接口技術［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2006.

［3］張方.電機及拖動基礎［M］.北京：中國電力出版社，2008.