根據(jù)本次課程設(shè)計(jì)的具體要求為，使用LCD顯示出直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，由題目可以分析出，這個(gè)題目實(shí)際是由多個(gè)部分組成的。
第一個(gè)部分用單片機(jī)控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并且應(yīng)提供直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)、測(cè)速電路，使用單片機(jī)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，測(cè)量直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，控制直流電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行在一個(gè)范圍內(nèi)。
第二個(gè)部分使用LCD顯示系統(tǒng)顯示出直流電機(jī)的具體轉(zhuǎn)速，并且單片機(jī)控制的電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速與液晶顯示器顯示出的轉(zhuǎn)速應(yīng)該時(shí)時(shí)對(duì)應(yīng)。
其三，本系統(tǒng)應(yīng)該具有數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換的部分，因?yàn)檫@個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換部分在這個(gè)系統(tǒng)中是不可缺少的，單片機(jī)控制的直流電機(jī)轉(zhuǎn)速，在實(shí)際中無論是對(duì)電機(jī)控制的信號(hào)，還是電機(jī)輸出的信號(hào)都應(yīng)該是數(shù)字信號(hào)，因?yàn)橹挥袛?shù)字信號(hào)才能被單片機(jī)所識(shí)別，而最重要的是，單片機(jī)控制的直流電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)速的信號(hào)只有是數(shù)字信號(hào)時(shí)才能被液晶顯LCD模塊所識(shí)別，并最終準(zhǔn)確的顯示出直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。
調(diào)速系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)原理方框圖如下圖3-1所示, 以AT89C51單片機(jī)為控制核心,包括測(cè)速電路、PWM波形發(fā)生器和PWM功放電路以及LCD顯示部分。
圖3.1 硬件設(shè)計(jì)方框圖
3.2單片機(jī)控制直流電機(jī)部分的硬件設(shè)計(jì)直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。轉(zhuǎn)子主要作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，是直流電機(jī)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的樞紐，所以通常又稱為電樞，由轉(zhuǎn)軸、電樞鐵心、電樞繞組、換向器和風(fēng)扇等組成。直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)是由直流電源、直流電機(jī)、控制開關(guān)和調(diào)速器組成。直流發(fā)電機(jī)的工作原理就是把電樞線圈中感應(yīng)的交變電動(dòng)勢(shì)，靠換向器配合電刷的換向作用，使之從電刷端引出時(shí)變?yōu)橹绷麟妱?dòng)勢(shì)的原理。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向按右手定則確定其工作原理不外乎就是用直流電源作為能量來驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。通過對(duì)三極管的截止與導(dǎo)通進(jìn)行控制，使其起到開、關(guān)和調(diào)速的作用。具體的操作為當(dāng)直流電動(dòng)機(jī)接上直流電源時(shí)，使用電位器旋轉(zhuǎn)按鈕控制三極管集極的電壓。如下圖直流電機(jī)控制原理。當(dāng)三極管的集極電壓小于死區(qū)電壓時(shí)三極管截止，則電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)集極電壓大于死區(qū)電壓而小于飽和電壓時(shí)三極管處于放大狀態(tài)，隨著集極電壓改變，從而改變了直流電動(dòng)機(jī)兩端的壓降也就改變了電機(jī)的轉(zhuǎn)速。具體原理為集極的電壓大小不一樣，三極管的電壓放大倍數(shù)也不一樣從而起到調(diào)速作用改變直流電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。
對(duì)于直流電機(jī)來說，如果加在電樞兩端的電壓脈動(dòng)電流壓（要求脈動(dòng)電壓的周期遠(yuǎn)小于電機(jī)的慣性常數(shù)），可以看出，在T不變的情況下，改變T1和T2寬度，得到的電壓將發(fā)生變化。
圖3.2為施加不同占空比時(shí)實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)繪制所得占空比與轉(zhuǎn)速的關(guān)系圖。
圖3.2 占空比與電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系
由圖看出轉(zhuǎn)速與占空比D并不是完全速的線性關(guān)系（圖中實(shí)線），原因是電樞本身有電阻，不過一般直流電機(jī)的內(nèi)阻較小，可以近視為線性關(guān)系。
由此可見，改變施加在電樞兩端電壓就能改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速成，這就是直流電機(jī)PWM調(diào)速原理。
4電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的電路設(shè)計(jì)由于本系統(tǒng)主要由主控開關(guān),電機(jī)勵(lì)磁電路、調(diào)速電路、測(cè)速電路、整流濾波電路、平波電抗器、制動(dòng)電路組成,系統(tǒng)采用閉環(huán)PI 調(diào)節(jié)器控制。當(dāng)開關(guān)閉合后,交流電經(jīng)晶閘管調(diào)速電路控制后,又經(jīng)過橋式整流、濾波、平波電抗器后,獲得脈沖小、連續(xù)的直流電提供給電機(jī),同時(shí),交流電通過勵(lì)磁電路使電機(jī)獲得勵(lì)磁,開始工作。調(diào)節(jié)速度經(jīng)過調(diào)節(jié)變阻器進(jìn)行,當(dāng)變阻器阻值變化時(shí),單片機(jī)輸出的控制角也相應(yīng)變化,晶閘管導(dǎo)通角隨之變化,進(jìn)而由主電路輸出電壓調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速,同時(shí)測(cè)速電路輸出電壓也相應(yīng)變化,經(jīng)PI 調(diào)節(jié)器作用后,電機(jī)在設(shè)定的速度范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。
本次課設(shè)可以先在電腦上進(jìn)行模擬仿真這樣就能提高設(shè)計(jì)的效率以及電路的可行性。而且在仿真的過程中非常方便進(jìn)行電路修改又可以達(dá)到很好的效果。因此通過使用Protues對(duì)硬件電路精心設(shè)計(jì)并對(duì)該電路進(jìn)行仿真調(diào)試，用脈沖形式代替光電耦合管測(cè)取轉(zhuǎn)速，再與單片機(jī)進(jìn)行通信連接，可如下圖所示。
4.2各部分硬件結(jié)合原理及構(gòu)造其電路原理圖如下
電路原理圖
5 軟件程序設(shè)計(jì)軟件部分可由1個(gè)主程序、3個(gè)中斷子程序和1個(gè)P ID算法子程序組成。主程序是一個(gè)循環(huán)程序,其主要思路是,先設(shè)定好速度初始值,這個(gè)初始值與測(cè)速電路送來的值相比較得到一個(gè)誤差值,然后用P ID 算法輸出控制系數(shù)給PWM發(fā)生電路改變波形的占空比,進(jìn)而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。其程序流程圖如圖4-1所示。
圖4.1 軟件總體設(shè)計(jì)流程圖
5.2系統(tǒng)各部分軟件設(shè)計(jì)的思路PWM軟件實(shí)現(xiàn)方式：
方案一：采用定時(shí)器做為脈寬控制的定時(shí)方式，這一方式產(chǎn)生的脈沖寬度極其精確，誤差只在幾個(gè)us。
方案二：采用軟件延時(shí)方式，這一方式在精度上不及方案一，特別是在引入中斷后，將有一定的誤差。但是基于不占用定時(shí)器資源，且對(duì)于直流電機(jī)，采用軟件延時(shí)所產(chǎn)生的定時(shí)誤差在允許范圍，故采用方案二。
鍵盤向單片機(jī)輸入相應(yīng)控制指令，由單片機(jī)通過P2.0與P2.1其中一口輸出與轉(zhuǎn)速相應(yīng)的PWM脈沖，另一口輸出低電平，經(jīng)過信號(hào)放大、光耦傳遞，驅(qū)動(dòng)H型橋式電動(dòng)機(jī)控制電路，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速的控制。電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)通過LED顯示出來。電動(dòng)機(jī)所處速度級(jí)以速度檔級(jí)數(shù)顯示。正轉(zhuǎn)時(shí)數(shù)字向右移動(dòng)，反轉(zhuǎn)時(shí)數(shù)字向左移動(dòng)。移動(dòng)速度分7檔，快慢與電動(dòng)機(jī)所處速度級(jí)快慢一一對(duì)應(yīng)。每次電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后開始計(jì)時(shí)，停止時(shí)LED顯示出本次運(yùn)轉(zhuǎn)所用時(shí)間，時(shí)間精確到0.1s。在本次課設(shè)所用程序中需要使用到速度測(cè)取和計(jì)算問題。因此為了能更加準(zhǔn)確測(cè)得直流電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，特意運(yùn)用了我們所了解數(shù)字測(cè)速法來換算速度。在此對(duì)在這幾種測(cè)速方法進(jìn)行比較。這樣就可以得到此次課程設(shè)計(jì)所要選擇的最佳方案。本系統(tǒng)編程部分工作采用匯編語言完成，采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，與各子程序做為實(shí)現(xiàn)各部分功能和過程的入口，完成鍵盤輸入、按鍵識(shí)別和功能、PWM脈寬控制和LCD顯示等部分的設(shè)計(jì)。
①PWM脈寬控制：本設(shè)計(jì)中采用軟件延時(shí)方式對(duì)脈沖寬度進(jìn)行控制，延時(shí)程序函數(shù)如下：
void delay(unsigned char dlylevel){
int i=50*dlylevel;
while(--i);}
此函數(shù)為帶參數(shù)DLYLEVEL，約產(chǎn)生DLYLEVEL*400us的延時(shí)，因此一個(gè)脈沖周期可以由高電平持續(xù)時(shí)間系數(shù)hlt和低電平持續(xù)時(shí)間系數(shù)llt組成，本設(shè)計(jì)中采用的脈沖頻率為25Hz，可得hlt+llt=100，占空比為hlt/(hlt+llt)，因此要實(shí)現(xiàn)定頻調(diào)寬的調(diào)速方式，只需通過程序改變?nèi)肿兞縣lt，llt的值，該子程序流程圖如圖四。
②中斷處理子程序：采用中斷方式，按下鍵，單片機(jī)P3.2腳產(chǎn)生一負(fù)跳沿，響應(yīng)該中斷處理程序，完成延時(shí)去抖動(dòng)、鍵碼識(shí)別、按鍵功能執(zhí)行。
調(diào)速檔、持續(xù)加/減速：調(diào)速檔通過（0-6）共七檔固定占空比，即相應(yīng)檔位相應(yīng)改變hlt，llt的值，以實(shí)現(xiàn)調(diào)速檔位的實(shí)現(xiàn)。而要實(shí)現(xiàn)按住加/減速鍵不放時(shí)恒加或恒減速直到放開停止，就需在判斷是否松開該按鍵時(shí)，每進(jìn)行一次增加/減少1%占空比（即hlt++/--;llt--/++）,其程序流程圖如圖五。
③顯示子程序：利用數(shù)組方式定義顯示緩存區(qū)，緩存區(qū)有8位，分別存放各個(gè)LED管要顯示的值。顯示子程序?yàn)橐粠⒆映绦颍瑓?shù)為顯示緩存的數(shù)組名，通過for(i=0;i<8;i++)方式對(duì)每位加上位選碼，送到P0口并進(jìn)行一兩毫秒延時(shí)。
該顯示子程序只對(duì)各個(gè)LED管分別點(diǎn)亮一次，因此在運(yùn)行過程中，每秒執(zhí)行的次數(shù)不應(yīng)低于每秒24次。
④定時(shí)中斷處理程序：采用定時(shí)方式1，因?yàn)閱纹瑱C(jī)使用12M晶振，可產(chǎn)生最高約為65.5ms的延時(shí)。對(duì)定時(shí)器置初值3CB0H可定時(shí)50ms，即系統(tǒng)時(shí)鐘精度可達(dá)0.05s。當(dāng)50ms定時(shí)時(shí)間到，定時(shí)器溢出則響應(yīng)該定時(shí)中斷處理程序，完成對(duì)定時(shí)器的再次賦值，并對(duì)全局變量time加1，這樣，通過變量time可計(jì)算出系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間。
對(duì)于一個(gè)數(shù)的顯示，先應(yīng)轉(zhuǎn)成BCD碼，即取出每一個(gè)位，分別送入顯示緩存區(qū)，對(duì)于轉(zhuǎn)BCD的算法，應(yīng)對(duì)一個(gè)數(shù)循環(huán)除10取模，直至為0，程序如下：
do{dispbuff[bcd_p]=bechange%10; //dispbuff為顯示緩沖區(qū)數(shù)組
bcd_p++;}while(bechange/=10) //disp_p為數(shù)組指針
軟件設(shè)計(jì)中的特點(diǎn):
對(duì)于電機(jī)的啟停，在PWM控制上使用漸變的脈寬調(diào)整，即開啟后由停止勻加速到默認(rèn)速度，停止則由于當(dāng)前速度逐漸降至零。這樣有利于保護(hù)電機(jī)，如電機(jī)運(yùn)用于小車上，在啟動(dòng)上采用此方式也可加大啟動(dòng)速度，防止打滑。對(duì)于運(yùn)行時(shí)間的計(jì)算、顯示。配合傳感器技術(shù)可用于計(jì)算距離，速度等重要的運(yùn)行數(shù)據(jù)。采用中斷方式，不必使程序?qū)︽I盤反復(fù)掃描，提高了程序的效率。
6 系統(tǒng)的調(diào)試與現(xiàn)象分析
圖5-1給出了該系統(tǒng)速度時(shí)間相應(yīng)曲線,可以看出該系統(tǒng)啟動(dòng)較快,轉(zhuǎn)速穩(wěn)定,機(jī)械強(qiáng)度較高。在t0 時(shí)刻系統(tǒng)突加擾動(dòng)的情況下,可以在短時(shí)間內(nèi)調(diào)整到初始速度,顯示了良好的抗干擾能力,體現(xiàn)出了PI 閉環(huán)調(diào)節(jié)的優(yōu)越性。經(jīng)實(shí)踐證明,本系統(tǒng)可以滿足。本系統(tǒng)采用單片機(jī)和驅(qū)動(dòng)芯片組合設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)控制電路,實(shí)踐表明,控制效果較好。
該控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,結(jié)構(gòu)緊湊、功耗低、運(yùn)行可靠、設(shè)計(jì)方便;因使用專用驅(qū)動(dòng)芯片,編制軟件比較簡(jiǎn)單。TA8435H為脈寬調(diào)制式斬波驅(qū)動(dòng)方式的芯片,所以其具有同頻PWM驅(qū)動(dòng)器的優(yōu)點(diǎn):運(yùn)行頻率高,輸出轉(zhuǎn)矩大,并能消除電磁噪聲等。較好地解決了高低頻運(yùn)行時(shí)的一些問題。本控制器可以與反饋檢測(cè)環(huán)節(jié)連接,組成閉環(huán)控制系統(tǒng)用于精度和穩(wěn)定性要求較高的控制系統(tǒng)中。設(shè)計(jì)出的以51 單片機(jī)作為控制電路的調(diào)速系統(tǒng)中,在中小型直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,運(yùn)行可靠,調(diào)節(jié)范圍寬,電流連續(xù)性好,響應(yīng)快等特點(diǎn),。
圖5-1電機(jī)轉(zhuǎn)速特性
一般的控制要求,在普通控制中得以廣泛應(yīng)用。本設(shè)計(jì)在硬件上采用了基于PWM技術(shù)的H型橋式驅(qū)動(dòng)電路，解決了電機(jī)驅(qū)動(dòng)的效率問題，在軟件上也采用較為合理的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及算法，提高了單片機(jī)的使用效率，且具有一定的防飛能力。LCD液晶屏能表達(dá)當(dāng)前的轉(zhuǎn)速進(jìn)行顯示。而且本設(shè)計(jì)采用AT89C51單片機(jī)和雙H橋驅(qū)動(dòng)對(duì)直流電機(jī)調(diào)速進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過占空比的調(diào)節(jié)，驅(qū)動(dòng)口電壓的改變及顯示控制，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速或方向發(fā)生變化，并在LCD上即時(shí)顯示所調(diào)占空比(高低電平之比)的數(shù)值。經(jīng)驗(yàn)證，電機(jī)可以從中速開始變慢，直至停止，再從高速逐漸變慢，亦可轉(zhuǎn)向，運(yùn)行穩(wěn)定。對(duì)于PWM調(diào)速方式如何在單片機(jī)控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了著重分析,研究直流電機(jī)的控制和測(cè)量方法，提高控制精度和響應(yīng)速度、節(jié)約能源等都具有重要意義，為進(jìn)一步研究和優(yōu)化直流電機(jī)控制方法提供了基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)所涉及的基于單片機(jī)的電機(jī)控制系統(tǒng)的基本原理，系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，采用了多模塊化協(xié)同控制電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)控制和LCD顯示等功能，具有穩(wěn)定的工作特性。PID控制的采用使電動(dòng)機(jī)更穩(wěn)定地運(yùn)行在正轉(zhuǎn)加速和減速的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，提高了以電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力源的機(jī)械裝置的工作效率。
AT89C51單片機(jī)功能強(qiáng)大，方便今后的功能擴(kuò)展。通過各種方案的討論及嘗試，再經(jīng)過多次的整體軟硬件結(jié)合調(diào)試，不斷地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。同時(shí)對(duì)電動(dòng)機(jī)控制不是一個(gè)簡(jiǎn)單的電子控制問題，它涉及很多方面的知識(shí)。相信單片機(jī)在今后的自動(dòng)控制領(lǐng)域中將有更廣闊的應(yīng)用前景。相信該系統(tǒng)能成功運(yùn)用于直流電機(jī)轉(zhuǎn)速系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，簡(jiǎn)化控制邏輯系統(tǒng)，而且成本低廉、功能完整、抗干擾性能好。能成功應(yīng)用于直流電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、監(jiān)控、保護(hù)場(chǎng)合，并且監(jiān)控界面友好，使用方便。能夠?qū)χ绷麟姍C(jī)實(shí)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，不僅大大改善了高速運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性，而且還實(shí)現(xiàn)了保護(hù)功能。
通過實(shí)驗(yàn)總結(jié)出要自己去摸索實(shí)踐掌握相關(guān)知識(shí)。這樣知識(shí)才能掌握的牢固，才是真正的學(xué)到了。開始感覺這個(gè)課設(shè)很難，原因在于自己當(dāng)初并沒有仔細(xì)分析各個(gè)元器件的工作原理。比如電位器控制三極管的作用。剛開始只想到它的開關(guān)作用，后來再回去查了查資料才發(fā)現(xiàn)自己少想了它還有放大的作用，通過改變集極的電壓就可以改變集電極與發(fā)射極電壓的放大倍數(shù)進(jìn)而改變直流電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。能自己解決問題是最關(guān)鍵的。經(jīng)歷本次課程設(shè)計(jì)之后我有很多的收獲。
我明白有好的理論不代表能高效的用在實(shí)踐上，只有通過自己的理解并付諸實(shí)踐才能掌握， 遇到困能時(shí)要虛心學(xué)習(xí)，更要靠自己去努力解決。因?yàn)橐院罂赡軟]人像在學(xué)校老師幫助，只有獨(dú)自完成。而且答案可能不只有一種，有了解決的方案時(shí)要考慮還有沒有其他方案更簡(jiǎn)便，想得到好的結(jié)果，就要反復(fù)推敲和實(shí)踐，想解決問題就必須要能專研，吃苦，有耐心、勤奮、與人團(tuán)結(jié)合作等綜合素質(zhì)。
電機(jī)正轉(zhuǎn)
電機(jī)反轉(zhuǎn)
電機(jī)加速
基于單片機(jī)的直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).doc
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測(cè)速模塊資料.rar
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