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1、前言我国从20世纪60年代初试制成功第一只硅晶闸管以来，晶闸管直流调速系统也得到迅速的发展和广泛的应用。目前，晶闸管供电的直流调速系统在我国国民经济各部门得到广泛的应用。随着现代化步伐的加快，人们生活水平的不断提高，对自动化的需求也越来越高，直流电动机应用领域也不断扩大。例如，军事和宇航方面的雷达天线，火炮瞄准，惯性导航，卫星姿态，飞船光电池对太阳得跟踪等控制；工业方面的各种加工中心，专用加工设备，数控机床，工业机器人，塑料机械，印刷机械，绕线机，纺织机械，工业缝纫机，泵和压缩机等设备的控制；计算机外围设备和办公设备中的各种磁盘驱动器，各种光盘驱动器，绘图仪，扫描仪，打印机，传真机，复印机等设
2、备的控制；音像设备和家用电器中的录音机，录像机，数码相机，洗衣机，冰箱，电扇等的控制。为了推广直流电机在化工领域的使用，由于直流电机的功能已得到很大提高，因此更为人性化的设计势必在操作和显示方面。直流电机直流电动机调速控制一般采用模拟法，对电动机的简单控制应用比较多。简单控制是指对电动机进行启动，制动，正反转控制和顺序控制。这类控制容易实现，并可通单片机，直流电机驱动芯片和开关元件来实现，所以本课题采用此法。同时考虑到以前的直流电机只能通过数码管来进行简单地显示转速，且不能清楚的了解其转向，而LCD液晶显示器可以弥补这一点，并且还添加一些更为人性化的提示，这是以前的数码管所不能代替的，这必将是
3、一个新的趋势。1 系统论述1.1 设计思路：直流电机PWM控制系统的主要功能包括：直流电机的加速、减速以及电机的正转和反转，并且可以调整电机的转速，还可以方便的读出电机转速的大小，能够很方便的实现电机的智能控制。其间，还包括直流电机的直接清零、启动（置数）、暂停、连续功能。该直流电机系统由以下电路模块组成：振荡器和时钟电路：这部分电路主要由80C51单片机和一些电容、晶振组成。设计输入部分：这一模块主要是利用带中断的独立式键盘来实现。设计控制部分：主要由80C51单片机的外部中断扩展电路组成。设计显示部分：包括液晶显示部分和LED数码显示部分。液晶显示部分由1602LCD液晶显示模块组成; L
4、ED数码显示部分由七段数码显示管组成。直流电机PWM控制实现部分：主要由一些二极管、电机和L298直流电机驱动模块组成。1.2 基本原理主体电路：即直流电机PWM控制模块。这部分电路主要由80C51单片机的I/O端口、定时计数器、外部中断扩展等控制直流电机的加速、减速以及电机的正转和反转，并且可以调整电机的转速，还可以方便的读出电机转速的大小和了解电机的转向，能够很方便的实现电机的智能控制。其间，还包括直流电机的直接清零、启动（置数）、暂停、连续功能。其间是通过80C51单片机产生脉宽可调的脉冲信号并输入到L298驱动芯片来控制直流电机工作的。该直流电机PWM控制系统由以下电路模块组成：设计输
5、入部分：这一模块主要是利用带中断的独立式键盘来实现。设计控制部分：主要由80C51单片机的外部中断扩展电路组成。设计显示部分：包括液晶显示部分和LED数码显示部分。液晶显示部分由1602LCD液晶显示模块组成。直流电机PWM控制实现部分：主要由一些二极管、电机和L298直流电机驱动模块组成。1.3 总体设计框图系统组成：直流电机PWM调速方案如图1.1所示：方案说明：直流电机PWM调速系统以AT89C2051单片机为控制核心，由命令输入模块、LCD显示模块及电机驱动模块组成。采用带中断的独立式键盘作为命令的输入，单片机在程序控制下，定时不断给直流电机驱动芯片发送PWM波形，H型驱动电路完成电机
6、正，反转控制；同时单片机不停的将从键盘读取的数据送到LCD显示模块去显示，从中不仅能读取其速度，而且能知晓其转向及一些温心提示。 图 1.1 直流电机PWM调速方案2 直流电机单元电路设计与分析2.1 直流电机驱动模块主要由一些二极管、电机和L298直流电机驱动模块（内含CMOSS管、三太门等）组成。现在介绍下直流电机的运行原理2.1.1 直流电机类型直流电机可按其结构、工作原理和用途等进行分类，其中根据直流电机的用途可分为以下几种：直流发电机（将机械能转化为直流电能）、直流电动机（将直流电能转化为机械能）、直流测速发电机（将机械信号转换为电信号）、直流伺服电动机（将控制信号转换为机械信号）。
7、下面以直流电动机作为研究对象。2.1.2 直流电机结构直流电机由定子和转子两部分组成。在定子上装有磁极（电磁式直流电机磁极由绕在定子上的磁绕提供），其转子由硅钢片叠压而成，转子外圆有槽，槽内嵌有电枢绕组，绕组通过换向器和电刷引出,直流电机结构如图2.1所示。图2.1 直流电动机结构2.1.3 直流电机工作原理直流电机电路模型如图2.2所示，磁极N、S间装着一个可以转动的铁磁圆柱体，圆柱体的表面上固定着一个线圈abcd。当线圈中流过电流时，线圈受到电磁力作用，从而产生旋转。根据左手定则可知，当流过线圈中电流改变方向时，线圈的受方向也将改变，因此通过改变线圈电路的方向实现改变电机的方向。图2.2
8、直流电动机电路模型2.1.4 直流电机主要技术参数直流电机的主要额定值有：额定功率Pn：在额定电流和电压下，电机的负载能力。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：单位时间内的电机转动快慢。以r/min为单位。 励磁电流If：施加到电极线圈上的电流。2.1.5 直流电机PWM调速原理（1）直流电机转速直流电机的数学模型可用图2.3表示，由图可见电机的电枢电动势Ea的正方向与电枢电流Ia的方向相反，Ea为反电动势；电磁转矩T的正方向与转速n的方向相同，是拖动转矩；轴上的机械负载转矩T2及空载转矩T0均与n相反，是制动转矩。图2.3 直流电机的数学模型根据
9、基尔霍夫第二定律，得到电枢电压电动势平衡方程式1.1： U=Ea-Ia（Ra+Rc）式1.1式1.1中，Ra为电枢回路电阻，电枢回路串联保绕阻与电刷接触电阻的总和；Rc是外接在电枢回路中的调节电阻。由此可得到直流电机的转速公式为： n =Ua-IR/Ce 式1.2式1.2中，Ce为电动势常数，是磁通量。由1.1式和1.2式得 n =Ea/Ce 式1.3 由式1.3中可以看出，对于一个已经制造好的电机，当励磁电压和负载转矩恒定时，它的转速由回在电枢两端的电压Ea决定，电枢电压越高，电机转速就越快，电枢电压降低到0V时，电机就停止转动；改变电枢电压的极性，电机就反转。（2）PWM电机调速原理对于直
10、流电机来说，如果加在电枢两端的电压为2.3所示的脉动电流压（要求脉动电压的周期远小于电机的惯性常数），可以看出，在T不变的情况下，改变T1和T2宽度，得到的电压将发生变化，下面对这一变化进一步推导。 图2.3 施加在电枢两端的脉动电压设电机接全电压U时，其转速最大为Vmax。若施加到电枢两端的脉动电压占空比为D=t1/T，则电枢的平均电压为： U平=UD 式1.4由式1.3得到：n =Ea/CeUD/ Ce=KD ；在假设电枢内阻转小的情况下式中K= U/ Ce，是常数。图2.4为施加不同占空比时实测的数据绘制所得占空比与转速的关系图。图2.4 占空比与电机转速的关系由图看出转速与占空比D并不
11、是完全速的线性关系（图中实线），原因是电枢本身有电阻，不过一般直流电机的内阻较小，可以近视为线性关系。由此可见，改变施加在电枢两端电压就能改变电机的转速成，这就是直流电机PWM调速原理。2.1.6 电机驱动模块的电路设计根据直流电机的工作原理，从PROTEUS选取元器件如下，放置元器件、放置电源和地连线，我们参此设计的直流电机驱动模块电路如图2.5所示 2SK1058 : CMOSS管 74L26 : 三太门 1N4006 : 二极管 VSCOURCE : 电源 MOTOR-ENCODER : 直流电机 RES : 电阻 AT89C51 : 单片机 (在此并未显示) 图2.5 直流电机驱动电路
12、然而考虑市场的行情，既然已有专门地为电机驱动而设计的芯片，就没必要再从新来设计；选用L298芯片来构成的电路结构基本上跟上图一样，由L298芯片组装的驱动模块如图2.6 所示。所用元器件如下所示： 1N4006 : 二极管 AT89C51 : 单片机 (在此并未显示) RES : 电阻 MOTOR-ENCODER : 直流电机 L298 : 电机驱动芯片 RESPACK-8: 排阻图2.6 直流电机及其驱动电路2.1.7 程序设计流程图 图2.7 定时中断服务流程图2.2 直流电机的中断键盘控制模块2.2.1 外部中断设置（1） 外部中断允许设置中断控制寄存器IE的EX0对应INT0，EX1对
13、应INT1，EA为中断的总开关，若要开放外部中断，只要将IE对应的位和总开关EA置1即可。如：开放外部中断0的设置：SETB EX0SETB EA开放外部中断0和1的设置：SETB EX0SETB EX1SETB EA（2） 外部中断触发方式设置单片机外部中断有两种触发方式，一种是电平触发方式，另一种是脉冲触发方式，单片机外部中断触发方式与TCON的IT位有关。 TF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT0电平触发设置方法：CLR ITX，为低电平触发方式。脉冲触发设置方法：SETB ITX1，为脉冲下降沿触发方式。在使用外部中断时，如果不进行设置，则为电平触发方式。（3） 外部优先级设置
14、 外部中断IN0、INT1的中断优先级的设置是通过设置IP寄存器实现的，IP的PX0对应INT0，PX1对应INT1。PX置1为高级中断，PX为0为低级中断。PSPT1PX1PT0PX02.2.2 外部中断扩展方法在图2.8为外部中断扩展方法，设X1、X2、X3、X4、X5为外部警情信号，X1代表是加速信号，X1=0表示加速；X2代表减速信号，X2=0表示减速；X3代表正转信号，X3=0表示正转；X4代表反转信号，X4=0表示反转；X5代表停止信号，X5=0表示停止处理。 图 2.8 外部中断扩展电路当系统检测到有中断请求时，响应如下中断服务流程图2.9。 图2.9中断服务流程23 1602L
15、CD液晶显示模块2.3.1 引脚分布和接口信号说明(1)引脚分布1602液晶显示共有16个引脚，其引脚分布如图2.5所示。 图2.10 1602液晶显示模块引脚分布(2)引脚功能1602引脚功能如表2.1所示。表2.1 1602引脚功能编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSSVSS为地电源9D2Data I/O2VDDVDD接5V正电源10D3Data I/O3VEE液晶显示偏压信号11D4Data I/O4RS0输入指令，1输入数据12D5Data I/O5R/W0写入指令或数据，1读信息13D6Data I/O6E1读取信息，10执行指令14D7Data I/O7D0Data I/O15B
16、LA背光源正极8D1Data I/O16BLK背光源负极2.3.2 LCD液晶电路图2.11 1602液晶显示模块组成2.3.3 显示程序流程图如3.12所示 图2.123 直流电机PWM控制系统的实现3.1 总电路图如图3.1所示 图3.1 直流电机3.2 总电路功能介绍直流电机PWM调制控制系统具有加速、减速、正转、反转、停止控制功能。操作开关通过中断控制直流电机的加速、减速、正转、反转、停止控制功能，并通过LCD液晶显示。振荡、时钟电路和复位电路由80C51单片机内部给出。直流电机转动速度由LCD液晶显示。操作开关状态由液晶显示器显示。3.3 直流电机控制程序ORG 0000H SJMP
17、 DISPLAY ORG 0003H LJMP BUTTON ; 外部0中断入口地址 ORG 000BH LJMP DINGSHI ; 定时中断T0入口地址 RS EQU P3.0 RW EQU P3.1 E EQU P3.4 ORG 0030H ; 此次直流电机的设计以LCD字符夜晶的 ; 显示程序为主程序DISPLAY: SETB EA ; 打开中断总开关 SETB EX0 ; 打开外部中断0开关 SETB IT0 ; 打开外部中断0下降沿触发 MOV TMOD,#01H ; 设置定时工作方式 MOV TL0,#0FFH ; 设置定时初值 MOV TH0,#0FFH SETB ET0 ;
18、打开定时中断T0开关 CLR P0.5 CLR P0.6 CLR P0.7 SETB TR0 ; 定时器T0开始定时 MOV DPTR,#TAB ; 夜晶显示的字符首地址 MOV R0,#00H ; 脉宽的初值 MOV R1,#16 ; SET SPEED PLEASE的字符个数 MOV R3,#00H MOV R4,#00H LP9: LCALL CHUSHI LP2: ACALL BUSY MOV A,#00H MOVC A,A+DPTR MOV P1,A ACALL DATAS INC DPTR DJNZ R1,LP2 LP3: CJNE R3,#00H,LP4 CJNE R4,#00H
19、,LP4 SJMP LP3 LP4: MOV R7,#00H ; 中断的标志 MOV R5,#09H ; CURRENT : 的字符个数 ACALL BUSY MOV P1,#0C0H ACALL ENABLE MOV DPTR,#MMTAB ACALL BUSY LP5: MOV A,#00H MOVC A,A+DPTR MOV P1,A INC DPTR ACALL DATAS ACALL BUSY DJNZ R5,LP5 MOV DPTR,#STAB MOV A,R2 MOV P1,A ACALL DATAS ACALL BUSY MOV A,R3 ; 显示速度的十位 MOVC A,A+
20、DPTR MOV P1,A ACALL DATAS ACALL BUSY MOV A,R4 ; 显示速度的个位 MOVC A,A+DPTR MOV P1,A ACALL DATAS ; 使夜晶始终显示当前电机的速度 LP8: CJNE R7,#00H,LP7 ; 速度不变时等待 LJMP LP8 ; 速度变时重新读入速度 LP7: SJMP LP4 CHUSHI: ; 使夜晶显示的一些初始设置 ACALL BUSY MOV P1,#00000001B ; 清屏并光标复位 ACALL ENABLE ACALL BUSY MOV P1,#00111000B ; 设置显示模式:8位2行5x7点阵 A
21、CALL ENABLE ACALL BUSY MOV P1,#00001111B ; 显示器开、光标开、光标允许闪烁 ACALL ENABLE ACALL BUSY MOV P1,#00000110B ; 文字不动，光标自动右移 ACALL ENABLE ACALL BUSY待添加的隐藏文字内容2 MOV P1,#80H ; 写入显示起始地址 ACALL ENABLE RET ENABLE: ; 写入控制命令的子程序 SETB E CLR RS CLR RW CLR E RET DATAS: ; 写入数据子程序 SETB E SETB RS CLR RW CLR E RET BUSY: ; 准
22、备写入数据 CLR E MOV P1,#0FFH CLR RS SETB RW SETB E JB P1.7,BUSY RET ORG 2000HDINGSHI: ; 定时中断服务程序 CPL P0.7 JNB P0.7,Z1 ; 周期一定 MOV A,#0FFH SUBB A,R0 MOV TH0,A SETB TR0 RETI Z1: MOV TH0,R0 ; 脉宽 SETB TR0 RETI BUTTON: ; 从控制键盘中读取操作命令 PUSH ACC CLR EX0 CLR EA INC R7 ; MOV A,#0FFH MOV P2,A MOV A,P2 JNB ACC.0,AA0
23、 JNB ACC.1,KK0 JNB ACC.2,ZZ JNB ACC.3,FF JNB ACC.4,WW0 AJMP QQ AA0: CJNE R0,#0FFH, AA1 ; 加速操作 AJMP QQ AA1: MOV A,R0 ADD A,#5 MOV R0,A AJMP QQ KK0: CJNE R0,#00,MM ; 减速操作 AJMP QQ MM: MOV A,R0 SUBB A,#5 MOV R0,A AJMP QQ QQ: MOV A,R0 MOV B,#5 DIV AB MOV B,#10 DIV AB MOV R3,A MOV R4,B SETB EX0 LCALL DELA
24、Y LCALL DELAY LCALL DELAY LCALL DELAY SETB EA POP ACC RETI ZZ: SETB P0.5 ; 正转操作 CLR P0.6 MOV R2,#2BH ; 正转标志 + LCALL DELAY LCALL DELAY LCALL DELAY SETB EX0 SETB EA POP ACC RETI FF: CLR P0.5 ; 反转操作 SETB P0.6 MOV R2,#2DH ; 反转标志 - LCALL DELAY LCALL DELAY LCALL DELAY SETB EX0 SETB EA POP ACC RETI WW0: CL
25、R P0.5 ; 停止操作 CLR P0.6 LCALL DELAY LCALL DELAY LCALL DELAY SETB EX0 SETB EA POP ACC RETI DELAY: ; 延时子程序 MOV R5,#0E0H MM0: MOV R6,#30H MM1: DJNZ R6,MM1 DJNZ R5,MM0 RET TAB: DB 53H,45H,54H,20H DB 53H,50H,45H,45H ; SET SPEED PLEASE 代码 DB 44H,20H,50H,4CH DB 45H,41H,53H,45H STAB: DB 30H,31H,32H,33H DB 34
26、H,35H,36H,37H ; 0,1,2,3,4,5,6,7 代码 DB 38H,39H,41H,42H ; 8,9,A,B,C,D,E,F DB 43H,44H,45H,46H MMTAB: DB 43H,4FH,52H,52H DB 45H,4EH,54H,20H ; CURRENT : 代码 DB 3AH END 4 系统仿真LCD液晶显示电路的系统仿真与调试：在PROTEUS运行环境中首先检验LCD显示电路，添加程序，运行LCD液晶显示电路能，系统若运行成功将 得到如图8.1。此后在之前的电路基础之上再拓展带中断的独立式键盘，调试成功后的电路如图8.2所示。 图4.1 LCD液晶显示
27、字符初步调试 图4.2 带中断控制的LCD液晶显示调试用带中断的键盘来控制直流电机驱动模块的部分电路，若按要求调试成功，将得到图4.3。 图 4.3 用带中断的键盘来控制的电机启动目标系统，按正转，然后接加速开关，我们观察到电机开始运转，每按一次加速，电机的速度都要增加，此时如果按减速，则电机的转速慢慢地减小。同样按反转转键也看到同样的结果，当按停止键时，电机慢慢停下来，图8.4是在目的电路刚启动时未设置命令之前的状态，图8.5是在正转情况下的仿真结果，图8.6是在反转情况下的仿真结果，。 图4.4 未按键时的初始状态 图4.5 电机正转时的状态 图4.6 电机反转时的状态 总结与体会 这次课
28、程设计是一次非常好的锻炼机会,历时二个星期左右，通过这两个星期的学习，发现了自己的很多不足，自己知识的不怎么牢固，看到了自己的实践经验更是比较缺乏，理论联系实际的能力还急需提高。这次的课程设计也让我看到了团队的力量，我认为我们的工作是一个团队的工作，团队需要个人，个人也离不开团队，必须发扬团结协作的精神。团结协作是我们成功的一项非常重要的保证。而这次设计也正好锻炼我们这一点，这也是非常宝贵的。 这次设计就我个人而言，和团队人员这十几天的一起工作的日子，让我们有说有笑，相互帮助，配合默契，多少人间欢乐在这里洒下，我感觉我和同学们之间的距离更加近了。学到的东西，将对我后面两年的学习有重要的指导作用，不敢说以后，但在毕业前的这段时间内，这次学习对我的确很重要。感激学院让我们有这次学习设计的机会，还有老师那不厌其烦的指导，让我受益匪浅，这次学习对于我们没有真正实践经验的同学来说，绝对是一次成长的机会。 参考文献测控电路及装置 孙传友等编。单片机原理及接口技术 李朝青主编北京航空航天大学出版社，2002。MCS-51系列单片机实用接口技术李华 主编 北京航空航天大学出版社。单片机中级教程 张迎新等主编 北京航空航天大学出版社出版社。51单片机 于永 戴佳 刘波 编著 电子工业出版社
