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1、检测与掌握实训(论文)说明书题目：直流风扇电机转速测量与 PWM 掌握系别：机电工程系专业：机械电子工程学生姓名：覃诚学号：0953202310指导教师：莫荣 廖晓梅职称：高级讲师题目类型：理论争论试验争论工程设计 工程技术争论 软件开发2023 年 7 月 6 日摘 要本课题是对直流电机 PWM 调速器设计的争论，主要实现对电动机的掌握。因此在设计中，对直流调速的原理，直流调速掌握方式以及调速特性，PWM 根本原理及实现方式进展了全面的阐述。为实现系统的微机掌握，在设计中，承受了AT89C51 单片机作为整个掌握系统的掌握电路的核心局部，在设计中，承受PWM 调速方式，通过转变PWM 的占空
2、比从而转变电动机的电枢电压，进而实现对电动机的调速。设计的整个掌握系统，在硬件构造上承受了大量的集成电路模块，大大的简化了硬件电路，提高了系统的稳定性和牢靠性，使整个系统的性能得到提高。关键词： 直流电机；转速测量；PWM 掌握目录1 直流电机11.1 直流电机的构造11.2 直流电机的工作原理 .11.3 直流电机的主要的技术参数 .11.4 直流电机的调速的技术指标21.4.1 调速范围 .21.4.2 调速的相对稳定性和静差度21.4.3 调速的平滑性21.4.4 调速时的容许输出.22 单片机的相关学问32.1 单片机的简介32.2 单片机的进展史 .32.2.1 4 位单片机32.2
3、.2 8 位单片机 .32.2.3 16 位单片机 .32.2.4 32 位单片机32.2.5 64 位单片机42.3 单片机的特点 .42.4 AT89C51 单片机的简介53 直流风扇电机转速测量与PWM 掌握的根本原理. 74 硬件设计 .84.1 掌握电路的设计84.2 隔离电路的设计84.3 驱动电路的设计94.4 续流电路的设计115 软件设计116 技术小结 .157 结论.16谢辞17参考文献18第 1 页 共 26 页桂林电子科技大学信息科技学院实训论文说明书1直流电机1.1 直流电机的构造直流电机的构造应由定子和转子两大局部组成。直流电机运行时静止不动的局部称为定子，定子的
4、主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。运行时转动的局部称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进展能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢，由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成。直流电机的构造如图 1.1 所示。1.2 直流电机的工作原理直流电机模型如图 1.2 所示，磁极 N,S 间装着一个可以转动的铁磁圆柱体，圆柱体的外表固定着线圈 abcd。当线圈流过电流的时候，线圈受到电磁力的作用，产生旋转。依据左手定则可知，当流过线圈中电流转变方向时，线圈的受力方向也将转变，因此通过转变线圈电流的方向实现转变电机的方向。1.3 直流电机的主要的
5、技术参数图 1.2 直流电机模型额定功率 Pn：在额定电流和电压下，电机的负载力量。额定电压 Ue：长期运行的最高电压。额定电流 Ie：长期运行的最大电流。额定转速 n：单位时间里面电机转速的快慢。励磁电流 If：施加到电极线圈上的电流。1.4 直流电机的调速的技术指标1.4.1 调速范围调速范围是指最低可控转速到最高可控转速的范围，最低可控转速对最高可控转速的比值，叫电机的调速比。1.4.2 调速的相对稳定性和静差度所谓相对稳定性，是指负载转矩在给定的范围里面变化所引起的速度的变化，它打算于机械特性的斜率。载时的转速降落与抱负空载转速 n0 的比值。用百分数表示，即，在静差度又称静差率是指当
6、电动机在一条机械特性上运行时，由抱负空载到满一般的状况下，取额定转矩下的速度落差，有1.4.3 调速的平滑性调速的平滑性是在肯定的调速范围内，相邻两极速度变化的程度，用平滑系数表示，即式中和相邻两极，即 i 级与 i-1 级的速度。1.4.4 调速时的容许输出调速时的容许输出是指电动机在得到充分利用的状况下，在调速的过程中轴能够输出第 3 页 共 26 页桂林电子科技大学信息科技学院实训论文说明书的功率和转矩。2 单片机的相关学问2.1 单片机的简介单片机是一种集成在电路芯片，是承受超大规模集成电路技术把具有数据处理力量的中心处理器 CPU 随机存储器 RAM、只读存储器 ROM、多种 I/O
7、 口和中断系统、定时器/ 计时器等功能可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D 转换器等电路集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。2.2 单片机的进展史2.2.1 4 位单片机1975 年，美国德克萨斯公司首次推出 4 位单片机 TMS-1000，此后各个计算机公司竞相推出 4 位单片机。日本松下公司的 MN1400 系列。美国洛克威尔公司的 PPS/1 系列等。4 位单片机的主要的应用的领域有：PC 机的输入装置。电池的充电器，运动器材， 带液晶显示器的音/视频产品掌握器，一般家用电器的掌握及遥控器，电子玩具，钟表， 计算器，多功能 等。2.2.2 8 位单片机
8、1972 年，美国 Intel 公司首先推出 8 位微处理器 8008，并与 1976 年 9 月领先推出MCS-48 系列单片机。在这以后，8 位单片机纷纷面世。例如莫斯特克和仙童公司合作生产的 3870 系列，摩托罗拉公司生产的 6801 系列等。随着集成电路工艺水平的提高，一些高性能的 8 位单片机相继问世，例如 1978 年摩托罗拉公司的 MC6801。这类单片机的寻址力量到达 64KB，片内ROM 的容量达 4-8KB，片内除带有并行I/O 口，甚至还有A/D 转换器的功能。8 位单片机由于性能强大，被广泛用于自动扮装置，智能接口，过程掌握等各领域。2.2.3 16 位单片机1983
9、 年以后，集成电路的集成度可达几十万只管/片，各系列 16 位单片机纷纷面世，这一阶段的代表产品有 1983 年 Intel 公司推出的 MCS-96 系列，1987 年 Intel 公司推出了 80C96 ，美国半导体公司推出了 HPC16040。16 位单片机主要用于工业掌握， 智能仪器仪表等场合。2.2.4 32 位单片机随着高技术智能机器人，激光打印机，图像与数据实时处理，简单实时掌握，网络效劳器等领域的应用和进展，20 世纪 80 年月末，推出了 32 位单片机，如摩托罗拉公司的 MC683XX 系列。32 位单片机是单片机的进展趋势，随着技术的进展和开发本钱的降低，将会和 8 位单
10、片机并驾齐驱。2.2.5 64 位单片机近年来，64 位单片机在引擎掌握，智能机器人，磁盘掌握，算法密集的实时掌握场所已有应用。如英国的 Inmos 公司的 Transputer T800 是高性能的 64 位单片机2.3 单片机的特点（1） 高集成度，体积小，高牢靠性单片机将各功能部件集成在一块晶体芯片上，集成度很高，体积自然也是最小的。芯片本身是按工业测控环境要求设计的，内部布线很短，其抗工业噪音性能优于一般通用的 CPU。单片机程序指令，常数及表格等固化在ROM 中不易破坏，很多信号通道均在一个芯片内，故牢靠性高。（2） 掌握功能强为了满足对对象的掌握要求，单片机的指令系统均有极丰富的条
11、件:分支转移力量， I/O 口的规律操作及位处理力量，格外适用于特地的掌握功能。（3） 低电压，低功耗，便于生产便携式产品为了满足广泛使用于便携式系统，很多单片机内的工作电压仅为 1.8V3.6V，而工作电流仅为数百微安。（4） 易扩展片内具有计算机正常运行所必需的部件。芯片外部有很多供扩展用的三总线及并行、串行输入/输出管脚，很简洁构成各种规模的计算机应用系统。（5） 优异的性能价格比单片机的性能极高。为了提高速度和运行效率，单片机已开头使用 RISC 流水线和DSP 等技术。单片机的寻址力量也已突破 64KB 的限制，有的已可到达 1MB 和 16MB，片内的 ROM 容量可达 62MB，
12、RAM 容量则可达 2MB。由于单片机的广泛使用，因而销量极大，第 5 页 共 26 页桂林电子科技大学信息科技学院实训论文说明书各大公司的商业竞争更使其价格格外低廉，其性能价格比极高。2.4 AT89C51 单片机的简介89C51 单片机如图 2.1 所示:其主要特性有：与 MCS-51 兼容4K 字节可编程闪耀存储器寿命：1000 写/擦循环数据保存时间：10 年全静态工作：0Hz-24Hz三级程序存储器锁定128*8 位内部 RAM32 可编程 I/O 线两个 16 位定时器/计数器5 个中断源可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路管脚说明： VCC：供电电压。 GND
13、：接地。P0 口：P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I/O 口，每脚可吸取 8TTL 门电流。当 P1 口的管脚第一次写 1 时，被定义为高阻输入。P0 能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在 FIASH 编程时，P0 口作为原码输入口，当 FIASH 进展校验时，P0 输出原码，此时 P0 外部必需被拉高。第 6 页 共 26 页桂林电子科技大学信息科技学院实训论文说明书P1 口：P1 口是一个内部供给上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P1 口缓冲器能接收输出4TTL 门电流。P1 口管脚写入 1 后，被内部上拉为高，可用作输入，P1 口被外部下拉为低电寻常，将
14、输出电流，这是由于内部上拉的原因。在 FLASH 编程和校验时，P1 口作为第八位地址接收。P2 口：P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 口缓冲器可接收，输出 4 个 TTL 门电流，当P2 口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的原因。P2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进展存取时，P2 口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进展读写时，P2 口输出其特别功能存放器的内容。P2 口在 FLASH 编程和校验时接收
15、高八位地址信号和掌握信号。P3 口：P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I/O 口，可接收输出 4 个 TTL 门电流。当P3 口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3 口将输出电流ILL这是由于上拉的原因。P3 口也可作为 AT89C51 的一些特别功能口P3.0 RXD串行输入口P3.1 TXD串行输出口 P3.2 /INT0外部中断 0 P3.3 /INT1外部中断 1P3.4 T0记时器 0 外部输入 P3.5 T1记时器 1 外部输入 P3.6 /WR外部数据存储器写选通 P3.7 /RD外部数据存储器读选通P3 口同时为闪耀编
16、程和编程校验接收一些掌握信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST 脚两个机器周期的高电寻常间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在寻常，ALE 端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要留意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE 脉冲。如想制止 ALE 的输出可在 SFR8EH 地址上置 0。此时， ALE 只有在执行 MOVX，MOVC 指令是ALE 才起作用。另外，该引脚被略微拉高。假设微处理器在
17、外部执行状态ALE 制止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN 有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN 信号将不消灭。/EA/VPP：当/EA 保持低电寻常，则在此期间外部程序存储器0000H-FFFFH，不管是否有内部程序存储器。留意加密方式 1 时，/EA 将内部锁定为 RESET；当/EA 端保持高电寻常，此间内部程序存储器。在 FLASH 编程期间，此引脚也用于施加 12V 编程电源VPP。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。振荡器特性：XTAL1
18、和 XTAL2 分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可承受。如承受外部时钟源驱动器件，XTAL2 应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必需保证脉冲的凹凸电平要求的宽度。3直流风扇电机转速测量与PWM 掌握的根本原理:直流电机的工作原理为：直流电机的磁极 N,S 间装着一个可以转动的铁磁圆柱体， 圆柱体的外表固定着线圈 abcd。当线圈流过电流的时候，线圈受到电磁力的作用，产生旋转。依据左手定则可知，当流过线圈中电流转变方向时，线圈的受力方向也将转变， 因此通过转变线圈电流的方向实现转变电机的
19、方向。掌握电路主要由单片机来掌握，单片机发出的 PWM 脉冲来实现对驱动的掌握。设计方案：程序应用模块化进展设计，主要有初始化模块、显示模块、读键模块、数制转换模块、双字节除法模块、中断模块和掌握调整模块。编程次序可按此先后进展。初始化模块：8155 工作方式、T0 和 T1 工作方式、标志位状态、所用单元初值、中断设置以及初始显示等。显示模块：设定值和实测值的数值与字符动态显示。读键模块：从I/O 口依据某位数码管亮时读入小按键是否有效，然后依据四个小键盘的不同功能进展相应的处理，只要设定值一转变马上显示。加1 键和减 1 键要有连加连减功能。数制转换模块：将二进制转换为十进制。外部中断模块
20、：将转 1 圈的时间通过双字节除法程序求出即时转速。定时中断模块：PWM 输出波形形成。掌握调整模块：通过设定值和实测值的比较来转变脉冲波的占空比，该数据的调整分为简洁比例调整 PP 和比例积分调整 PI。调整公式分别为：YK=YK1+KP*EK YK=YK1+KP*EK+KI*EK2YK：要输出的数据 YK1：上次输出的数据 EK：设定值和实测值的差值EK1：上次的 EK 值EK2：EK-EK1 的差值KP：比例系数设 KP=12 KI：积分系数设 KI=124 硬件设计对题目进展深入的分析和思考，可以将整个模块分为以下几个局部：掌握局部，隔离电路，驱动电路和负载的续流电路。系统的框图如图
21、3.1 所示。4.1 掌握电路的设计掌握电路主要由单片机来掌握，编写一段程序使单片机发出的 PWM 脉冲来实现对驱动的掌握。一代的单片机增加了很多的功能，其中包括PWM 功能。单片机通过初始化设置，使其能自动的发出PWM 脉冲波，只有在转变占空比的时候CPU 才能预。系统方框图如图 4.1 所示。4.2 隔离电路的设计图 4.1 系统方框图隔离电路主要作用是防止驱动电路中的电流过大，与单片机直接相连是可能会烧毁单片机而加的保护性电路。其电路图如以下图 4.2 所示。其中 1,2,3,4 脚分别接单片机的 P1.1 ,P1.2,P1.3，P1.4 口。电阻起限流左右。电阻 R1，R3，R5，R7
22、 阻值为 470，电阻 R2，R4，R6，R8 的电阻都为 1K。图 4.2 隔离电路原理图其工作原理如下：当电机中的电压正常时，发光二极管导通，发光使光敏三极管导通，电路接通正常工作；当电路中电压很高时，发光二极管被击穿，电路不导通，从而起到保护单片机的作用。4.3 驱动电路的设计第 10 页 共 26 页桂林电子科技大学信息科技学院实训论文说明书开关驱动是利用大功率晶体管的开关作用。将恒定的直流电源电压转换为肯定的方波电压加在电机电枢上，与线性方式不同，在这种驱动方式下，驱动器的功率管工作在开关状态，当器件导通时，器件的电流很大但是压降很小；器件关断时，压降很大但是电流很小。因此驱动器的功
23、率消耗少，发热量少，效率较高。通过掌握开关的频率和脉宽，可以对电机的转向进展掌握。我们在本次设计中承受的 PWM 脉冲调制方式正是一种开关驱动方式，是直流电机最重要也是最常见的驱动方式。驱动电路是 H 桥电路，图 4.4 为 H 桥驱动电路的工作原理图。同一侧的晶体管不能同时导通。当 SW1 和 SW4 导通，当 SW2 和 S3 截止时，电路由正电流经 SW1,从电机的正极流入电机，电机反向运转。当SW1 和 SW3 或者 SW2 和 SW4 同时导通的时候，电机处于制动状态，电路中二极管留意是起续流保护作用。由于电机具有较大的感性，电流不能突变，假设突然将电流切断将在功率管两端产生巨大的电
24、压，损坏器件。图 4.4 H 桥驱动电路的工作原理图L298 需要 2 个电压，一个为规律电路工作时所需要的 5V 电压 VCC，另一个为功率电路所需的驱动电压 VSS。驱动电路的输入可直接与单片机的引脚相连，为了进一步提高抗干扰力量我们还使用了光电耦合器件组成的隔离电路和掌握电路和动力电路进展电气隔离。参见表 3.1。我们来分析原理，使能端输入使能。掌握输入端 A 端输入 PWM 信号，掌握输入端B 端输入 PWM 的反信任号，在一个PWM 周期里，电机的电枢承受双极性的电压，电机的速度和方向均由 PWM 打算。PWM 占空比为 50%时，对应的电机的转速为 0 即电机停顿转动，占空比为 0
25、%-50%的时候电机的转速时-MAX-0，即电机反转；占空比为 50%-100%对应的电机的转速为 0- +MAX即 电机正转。电机的转动速度由PWM 脉冲的频率打算。频率高则速度快，即电机加速， 频率降低则是电机转动速度减慢。即电机减速。使能端输入 PWM 信号掌握输入端 A 端和掌握输入 B 端输入掌握电机状态的信号，电机状态参见表 3.2 。第 12 页 共 26 页桂林电子科技大学信息科技学院实训论文说明书4.4 续流电路的设计由于电机具有较大的感性，电流不能突变，假设突然将电流切断将在功率管两端产生巨大的电压，损坏器件。我们应用二极管来续流，利用二极管的单向导通性。二极管的选用必需要
26、依据 PWM 的频率和电机的电流来打算。二极管要有足够快速的恢复时间和足够的电流承受力量。电流假设突变易损坏功率管即 L298 芯片。为保护芯片而加上续流电路。5 软件设计本次实训单片机软件设计程序如下：/*头文件 */ #include/*定义变量 */ #define uchar unsigned char#define uintunsigned int unsigned long xs,sd=190,ds=0; uchar js=0,lj=0,zkb1,zkb2; static uchar click=0;uintbitdisplay=0,gw=0,sw=0,bw=0,qw=0,gw2=
27、0,sw2=0,bw2=0,qw2=0;/*数码管代码表 */unsigned char Tab=0xFC,0x60,0xDA,0xF2,0x66,0xB6,0xBE,0xE0,0xFE,0xF6,0x00;/*按键延时程序 */ void ys(int x)int aaa,bbb; for(aaa=0;aaax;aaa+)for(bbb=0;bbb=100) click=0;if (click=8)bitdisplay=0;/*初始化 */ void cshTMOD=0x15;TH0=0x00; TL0=0x00;/ 占空比初始值设定TH1=(65536-5000)/256; TL1=(65
28、536-5000)%256; EA=1;ET0=1;TR0=1; ET1=1;TR1=1;/ 定时器 1 初值/*主程序 */ void main(void) zkb1=99;zkb2=1; csh; while(1)if(P3_6=0)ys(183);if(P3_6=0)sd=sd-10;zkb1-=6.072; if(P3_2=0)ys(200);if(P3_2=0)sd=sd+10;zkb1+=6;zkb2=6.1;if (zkb299)zkb1=1;/ 对占空比值限定范围if (zkb21)zkb1=99;6 技术小结（1） 系统设计过程： 本设计是基于 SCT89C51 单片机的转速
29、掌握系统，经过对系统通过功能设计、方案设计、硬件设计，软件设计以及调试，最终实现了其根本功能。（2） 系统实现的功能： 按键设定并显示转速和 PID 掌握参量，按键掌握电机起停；实时显示实际转速； PWM 转速闭环掌握。（3） 实现系统稳定简洁的方法： 在设计程序的时候，由于考虑到硬件在显示上的稳定、按键扫描的正确推断，所以在其中用到了两个定时器的中断：定时器0 对电机转速计数中断和按键扫描周期掌握，定时器 1 对占空比调整掌握，外部中断的引入，直接对霍尔传感器采集脉冲输入计数。（4） 系统进展趋势： 由于时间和个人力量问题，该设计还不够完善，比方在掌握转速精度上还需要进一步地完善，还可以参加
30、PC 机，实现与PC 机的通讯，将转速的设定值和实时测定值发送到 PC 机上显示等。7 结论该实训为设计一个基于单片机的转速掌握系统的设计，在设计过程中深刻体会到， 只有依据规划步骤一步一步地完成设计才会事半功倍，否则就像一团乱麻一样不知所 措，要认真审题，看清题目的要求，然后依据要求找相关资料，找到相关学问，再依据试验器材，找到适宜的方案，依据方案找到需要的元器件及相应的工具，再依据设计的要求及相应的芯片功能画图系统的电路原理图和流程图，再写出相应的程序，最终结合硬件电路对所写程序进展调试，到达最终所预期的结果。在依据实际状况写程序时，还要考虑到程序如何更稳定，比方在程序中消抖的子程序应用，
31、就是为了到达这个目的。在写程序时也要值得留意的是，定义变量时，要用于之相关的字符代替，以到达易懂，鲜亮的作用，有必要时要对一些程序或语句加以标注等，都是对读程序或修改程序有帮助的。总之在这次单片机实训中受益匪浅，从头到尾亲身体会了一个根本单片机系统的设计，把握了整个系统的设计过程以及一些根本常见的元器件在现实生活中的应用。谢 辞在本次实训的过程中，很多教师，同学都给我供给了无私的帮助，尤其是莫荣教师赐予我悉心的指导和帮助，在遇到难以解决的问题时，还不断地教给我分析问题和解决问题的方法，并指出了正确的设计方向，给了我很多设计上的启发，使我在实训过程中少走很多弯路。在此向教师和同学表示深深的感谢。在此次论文完毕之际，再次向曾帮助我的指导教师莫荣教师和对我的作品提出建设性意见的同学表示由衷感谢，没有你们的帮助我是很难顺当完成这次单片机实训的，感谢你们。参考文献1 梅丽凤.王艳秋，汪毓铎，任国臣.单片机原理及接口技术.清华大学出版社；20232 何立明.单片机中级教程M.北京：北京航天航空大学出版社；20233 邹久朋.80C51 单片机有用技术.M北京航天航空大学出版社；20233 刘湘涛.江世明 单片机原理与应用.M北京：电子工业出本社 ；20234 李全利.单片机原理及接口技术其次版.高等教育出版社；2023