摘要

本文主要研究了利用MCS-51系列單片機(jī)控制PWM信號(hào)從而實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制的方法。本文中采用了三極管組成了PWM信號(hào)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，并且對(duì)PWM信號(hào)的原理、產(chǎn)生方法以及如何通過(guò)軟件編程對(duì)PWM信號(hào)占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而控制其輸入信號(hào)波形等均作了詳細(xì)的闡述。另外，本系統(tǒng)中使用了霍爾元件對(duì)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量，經(jīng)過(guò)處理后，將測(cè)量值送到液晶顯示出來(lái)。

1 引言

在現(xiàn)代電子產(chǎn)品中，自動(dòng)控制系統(tǒng)，電子儀器設(shè)備、家用電器、電子玩具等等方面，直流電機(jī)都得到了廣泛的應(yīng)用。大家熟悉的錄音機(jī)、電唱機(jī)、錄相機(jī)、電子計(jì)算機(jī)等，都不能缺少直流電機(jī)。所以直流電機(jī)的控制是一門(mén)很實(shí)用的技術(shù)。直流電機(jī)，大體上可分為四類(lèi)：幾相繞組的步進(jìn)電機(jī)、永磁式換流器直流電機(jī)、伺服電機(jī)、 兩相低電壓交流電機(jī)

直流電機(jī)的特點(diǎn)是啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，最大轉(zhuǎn)矩大，轉(zhuǎn)速控制容易，調(diào)速后效率很高。與交流調(diào)速相比，直流電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，生產(chǎn)成本高，維護(hù)工作量大。隨著大功率晶體管的問(wèn)世以及矢量控制技術(shù)的成熟，使得矢量控制變頻技術(shù)獲得迅猛發(fā)展，從而研制出各種類(lèi)型、各種功率的變頻調(diào)速裝置，并在工業(yè)上得到廣泛應(yīng)用。適用范圍：直流調(diào)速器可以應(yīng)用在造紙印刷、紡織印染、光纜設(shè)備、電工技術(shù)設(shè)備、食品加工機(jī)械、橡膠加工機(jī)械、生物制藥設(shè)備、電路板設(shè)備、實(shí)驗(yàn)器材 、特種加工、輕工業(yè)、 輸送設(shè)備 車(chē)輛工程、醫(yī)療設(shè)備、通訊設(shè)備、雷達(dá)設(shè)備 等行業(yè)中。高性能的交流傳動(dòng)應(yīng)用比重逐年上升，在工業(yè)部門(mén)中，用可調(diào)速交流傳動(dòng)取代直流傳動(dòng)將成為歷史的必然。

盡管如此，我認(rèn)為設(shè)計(jì)一個(gè)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，不論是從學(xué)習(xí)還是實(shí)踐的角度，對(duì)一名機(jī)電工程專(zhuān)業(yè)的大學(xué)生都會(huì)產(chǎn)生積極地作用，有利于提高學(xué)習(xí)熱情。

直流電機(jī)擁有有良好的起制動(dòng)性能，可應(yīng)用于在大范圍內(nèi)的平滑調(diào)速，也可廣泛的應(yīng)用于許多需要調(diào)速或正反向的電力拖動(dòng)領(lǐng)域中。在控制角度來(lái)看，直流調(diào)速更是交流拖動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。早期的控制系統(tǒng)較大部分以模擬電路作為基礎(chǔ)，有運(yùn)算放大器、非線(xiàn)性集成電路和少量數(shù)字電路等，控制系統(tǒng)的硬件部分功能比較復(fù)雜，功能比較單一，而且軟件系統(tǒng)不靈活、不好調(diào)試，不利于直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用范圍。伴隨著單片機(jī)控制技術(shù)的快速發(fā)展，使得許多控制功能算法以及軟件得以完成，為直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制提供了更大的發(fā)展空間，并使系統(tǒng)達(dá)到更高的性能。采用單片機(jī)構(gòu)成控制系統(tǒng)，可以節(jié)約人力資源和降低系統(tǒng)成本，從而有效的提高工作效率。

傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)采用模擬元件，雖然滿(mǎn)足了生產(chǎn)要求，但由于元件易老化和使用時(shí)容易受到干擾影響，并且線(xiàn)路很復(fù)雜，控制效果受到器件性能、溫度等因素的影響，故系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性及準(zhǔn)確性得不到保證，甚至出現(xiàn)事故。

目前，直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)數(shù)字化已經(jīng)走向?qū)嵱没�，伴隨著電子技術(shù)的高度發(fā)展，促使直流電機(jī)調(diào)速逐步從模擬化向數(shù)字化轉(zhuǎn)變，特別是單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，使直流電機(jī)調(diào)速技術(shù)又進(jìn)入到一個(gè)新的階段，智能化、高可靠性已成為它發(fā)展的趨勢(shì)。因此實(shí)現(xiàn)直流無(wú)級(jí)調(diào)速對(duì)我們社會(huì)生產(chǎn)和生活有著重大的意義。

直流電動(dòng)機(jī)根據(jù)勵(lì)磁方式不同，分為自勵(lì)和他勵(lì)兩種類(lèi)型。不同勵(lì)磁方式的機(jī)械特性曲線(xiàn)有所不同。對(duì)于直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速有以下公式：

n=U/Cc-TR內(nèi)/CrCc                   （公式 1-1）

其中：

U—電壓； —?jiǎng)?lì)磁繞組電阻；

—磁通(Wb)；Cc—電勢(shì)常數(shù)；Cr—轉(zhuǎn)矩常量。

由上式可知，直流電機(jī)的速度控制分兩種方法，有電樞控制法和磁場(chǎng)控制法。比較兩種方法優(yōu)劣，對(duì)于磁場(chǎng)控制法，其控制功率較小，低速傳動(dòng)時(shí)易受到磁極飽和限制，而高速傳動(dòng)時(shí)又受到換向火花和換向器結(jié)構(gòu)限制。所以磁場(chǎng)控制法并不合適，電樞控制法在電機(jī)調(diào)速中是比較常用的方法。直流電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)是多種多樣的,但任何直流電機(jī)都包括定子部分和轉(zhuǎn)子 部分,這兩部分間存在著一定大小的氣隙,使電機(jī)中電路和磁場(chǎng)發(fā)生相對(duì)運(yùn) 動(dòng).直流電機(jī)定子部分主要由主磁極,電刷裝置和換向極等組成,轉(zhuǎn)子部分 主要由電樞繞組,換向器和轉(zhuǎn)軸等構(gòu)成，如圖1-1所示：

圖1-1 直流電機(jī)的工作原理圖

電樞控制即在勵(lì)磁電壓不變的情況下，把控制電壓信號(hào)加到電機(jī)的電樞上，以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。在電機(jī)調(diào)速中廣泛使用，其中脈寬調(diào)制應(yīng)用廣泛。脈寬調(diào)速的概念是利用一個(gè)固定的頻率來(lái)控制電源的接通或斷開(kāi)，并通過(guò)改變一個(gè)周期內(nèi)“接通”和“斷開(kāi)”時(shí)間的長(zhǎng)短，即改變直流電機(jī)電樞上電壓的“占空比”來(lái)改變平均電壓的大小，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

根據(jù)上圖，當(dāng)電動(dòng)機(jī)始終接通電源時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速最大為，占空比為D=/T，則電機(jī)的平均速度為：，可見(jiàn)只要改變占空比D，就可以得

到不同的電機(jī)速度，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)速。

PWM為主控電路的調(diào)速系統(tǒng)：基于單片機(jī)類(lèi)由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)PWM，在PWM調(diào)速系統(tǒng)中占空比是一個(gè)重要參數(shù)，電源電壓不變時(shí)，電樞端電壓的平均值取決于占空比的大小，改變的值可以改變電樞端電壓的平均值：

1、定寬調(diào)頻法：保持不變，只改變t，使周期也隨之改變。

2、調(diào)寬調(diào)頻法：保持t不變，只改變，使周期或頻率也隨之改變。

3、定頻調(diào)寬法：保持周期T(或頻率)不變，同時(shí)改變和t。

1，2方法在調(diào)速時(shí)改變了控制脈沖的周期或頻率，當(dāng)控制脈沖的頻率與

系統(tǒng)的固有頻率接近時(shí)，將會(huì)引起振蕩，因而不合適，用定頻調(diào)寬法來(lái)改變占空

比從而改變直流電動(dòng)機(jī)電樞兩端電壓。

軟件采用定時(shí)中斷進(jìn)行設(shè)計(jì)。當(dāng)單片機(jī)上電后，系統(tǒng)進(jìn)入準(zhǔn)備狀態(tài)。當(dāng)按動(dòng)按鈕后執(zhí)行相應(yīng)的程序，根據(jù)P1.1的高低電平?jīng)Q定直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)。根據(jù)加、減速按鈕，調(diào)整P1.1輸出高低電平的占空比，從而可以控制高低電平的延時(shí)時(shí)間，進(jìn)而控制電壓的大小來(lái)決定直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

2 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用STC89C51控制輸出數(shù)據(jù)，由單片機(jī)IO口產(chǎn)生PWM信號(hào)，送到直流電機(jī)，直流電機(jī)通過(guò)測(cè)速電路將實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速送回單片機(jī)，進(jìn)行轉(zhuǎn)速顯示，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)速度和轉(zhuǎn)向的控制，達(dá)到直流電機(jī)調(diào)速的目的。

圖2-1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖

STC89C51單片機(jī)由CPU和8個(gè)部件組成，它們都通過(guò)片內(nèi)單一總線(xiàn)連接，其基本結(jié)構(gòu)依然是通用CPU加上外圍芯片的結(jié)構(gòu)模式，但在功能單元的控制上采用了特殊功能寄存器的集中控制方法。其基本組成如下圖所示：

中央處理器CPU：它是單片機(jī)的核心，完成運(yùn)算和控制功能。

內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器：STC89C51芯片中共有256個(gè)RAM單元，能作為存儲(chǔ)器使用的只是前128個(gè)單元，其地址為00H—7FH。通常說(shuō)的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器就是指這前128個(gè)單元，簡(jiǎn)稱(chēng)內(nèi)部RAM。

內(nèi)部程序存儲(chǔ)器：STC89C51芯片內(nèi)部共有4K個(gè)單元，用于存儲(chǔ)程序、原始數(shù)據(jù)或表格，簡(jiǎn)稱(chēng)內(nèi)部ROM。

定時(shí)器：STC89C51片內(nèi)有2個(gè)16位的定時(shí)器，用來(lái)實(shí)現(xiàn)定時(shí)或者計(jì)數(shù)功能，并且以其定時(shí)或計(jì)數(shù)結(jié)果對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。

中斷控制系統(tǒng)：該芯片共有5個(gè)中斷源，即外部中斷2個(gè)，定時(shí)/計(jì)數(shù)中斷2個(gè)和串行中斷1個(gè)。

XTAL2：來(lái)自反向振蕩器的輸出。

3 PWM信號(hào)發(fā)生電路設(shè)計(jì)

調(diào)速采用PWM（Pulse Width Modulation）脈寬調(diào)制，工作原理：通過(guò)產(chǎn)生矩形波，改變占空比，以達(dá)到調(diào)整脈寬的目的。PWM的定義:脈寬調(diào)制(PWM)是利用微處理器的數(shù)字輸出來(lái)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測(cè)量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。模擬信號(hào)的值可以連續(xù)變化，其時(shí)間和幅度的分辨率都沒(méi)有限制。

電動(dòng)機(jī)PWM驅(qū)動(dòng)模塊的電路采用H橋驅(qū)動(dòng)，設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)具體電路見(jiàn)下圖。本電路采用的是基于PWM原理的驅(qū)動(dòng)電路。

PWM電路由復(fù)合體管組成，兩個(gè)輸入端高低電平控制晶體管是否導(dǎo)通或截止。NPN的三極管高電平輸入時(shí)導(dǎo)通，PNP的三極管低電平輸入時(shí)導(dǎo)通，當(dāng)Q1和Q2都導(dǎo)通時(shí)，Q3和Q6截止，Q4和Q5導(dǎo)通，電機(jī)兩端都是GND，電機(jī)是不轉(zhuǎn)的，當(dāng)Q1和Q2都截止時(shí)，Q3和Q6導(dǎo)通，Q4和Q5截止，電機(jī)兩端都是VCC，電機(jī)也是不轉(zhuǎn)的，那么，當(dāng)Q1導(dǎo)通，Q2截止時(shí)，Q4和Q6導(dǎo)通，電機(jī)右邊是電源，左邊是地，電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)保持Q2截止，PWM控制Q1的導(dǎo)通截止，就可以控制電機(jī)的速度，同理，當(dāng)Q1截止，Q2導(dǎo)通時(shí)，Q3和Q5導(dǎo)通，電機(jī)的左邊是電源，右邊是地，電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)保持Q1截止，PWM控制Q2的導(dǎo)通截止就可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。4個(gè)二極管在電路中的作用是防止晶體管產(chǎn)生不當(dāng)反向電壓，以及電機(jī)兩端電流和晶體管上的電流過(guò)大保護(hù)。

H橋式電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路包括4個(gè)三極管和一個(gè)電機(jī)，因?yàn)樗�的形狀與字母H相似，故因此而得名。如下圖 所示，要使電動(dòng)機(jī)成功運(yùn)轉(zhuǎn)，須對(duì)對(duì)角線(xiàn)上的一對(duì)三極管通電。據(jù)不同的三極管對(duì)的導(dǎo)通通電的情況，電流會(huì)從右至左或相反方向流過(guò)電機(jī)，從而改變電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。

因此要想使電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須使對(duì)角線(xiàn)上兩個(gè)三極管通電。例如，當(dāng)Q2管與Q3管導(dǎo)通時(shí)，電流 從電源正極經(jīng)Q2從左到右通過(guò)電機(jī)，再經(jīng) Q3到電源的負(fù)極。同樣Q1與Q4亦是如此，由電流箭頭可看，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)將順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。

5 主電路設(shè)計(jì)

5.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)

液晶部分的電路圖如下圖所示：

LCD 1602也被稱(chēng)作1602字符型液晶。它是一種專(zhuān)門(mén)用來(lái)顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等的點(diǎn)陣型液晶模塊，它有若干個(gè)或者等點(diǎn)陣字符位組成，每個(gè)點(diǎn)陣字符位都可以顯示一個(gè)字符。每位之間有一個(gè)點(diǎn)距的間隔，每行之間也有也有間隔，這樣則起到了字符間距和行間距的作用，也正因?yàn)槿绱耍�它不能顯示圖形。

LCD 1602是指顯示的內(nèi)容為，即可以顯示兩行，每行16個(gè)字符液晶模塊（顯示字符和數(shù)字）。LCD 1602實(shí)物圖如圖3-4所示，LCD 1602引腳圖如圖3-5所示。

LCD 1602可以采用兩種方式與單片機(jī)連接，一種是采用8位數(shù)據(jù)總線(xiàn)D0～D7，和RS、R/W、EN三個(gè)控制端口；另一種是只用D4～D7作為四位數(shù)據(jù)分兩次傳送。

進(jìn)行LCD設(shè)計(jì)主要是LCD的控制/驅(qū)動(dòng)和外界的接口設(shè)計(jì)。控制主要是通過(guò)接口與外界通信、管理內(nèi)/外顯示RAM，控制驅(qū)動(dòng)器，分配顯示數(shù)據(jù)；驅(qū)動(dòng)主要是根據(jù)控制器要求，驅(qū)動(dòng)LCD進(jìn)行顯示。控制器還常含有內(nèi)部ASCII字符庫(kù)，或可外擴(kuò)的大容量漢字庫(kù)。

單片機(jī)AT89S52的P1.1與LCD 1602的使能端E相連，GND與讀寫(xiě)選擇端R/W相連，P1.0與RS相連，當(dāng)使能端使能時(shí)，再通過(guò)命令選擇端來(lái)控制讀數(shù)據(jù)，寫(xiě)數(shù)據(jù)，寫(xiě)命令。控制P0端口與LCD 1602的數(shù)據(jù)端口相連，傳輸數(shù)據(jù)。

LCD 1602液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生內(nèi)存（CGROM）已經(jīng)存儲(chǔ)了160個(gè)不同的點(diǎn)陣字符圖形，這些字符有：阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫(xiě)、常用的符號(hào)、和日文假名等，每一個(gè)字符都有一個(gè)固定的代碼，比如大寫(xiě)的英文字母“A”的代碼是01000001B（41H），顯示時(shí)模塊把地址41H中的點(diǎn)陣字符圖形顯示出來(lái)，我們就能看到字母“A”。

LCD 1602液晶模塊內(nèi)部的控制器共有11條控制指令，它的讀寫(xiě)操作、屏幕和光標(biāo)的操作都是通過(guò)指令編程來(lái)實(shí)現(xiàn)的。（說(shuō)明：1為高電平、0為低電平）

指令1：清顯示，指令碼01H，光標(biāo)復(fù)位到地址00H位置；

指令2：光標(biāo)復(fù)位，光標(biāo)返回到地址00H；

指令3：光標(biāo)和顯示模式設(shè)置I/D：光標(biāo)移動(dòng)方向，高電平右移，低電平左移S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高電平表示有效，低電平則無(wú)效；

指令4：顯示開(kāi)關(guān)控制。D：控制整體顯示的開(kāi)與關(guān)，高電平表示開(kāi)顯示，低電平表示關(guān)顯示C：控制光標(biāo)的開(kāi)與關(guān)，高電平表示有游標(biāo)，低電平表示無(wú)游標(biāo)B：控制光標(biāo)是否閃爍，高電平閃爍，低電平不閃爍；

指令5：光標(biāo)或顯示移位元S/C：高電平時(shí)移動(dòng)顯示的文字，低電平時(shí)移動(dòng)光標(biāo)；

指令6：功能設(shè)置命令DL：高電平時(shí)為4位總線(xiàn)，低電平時(shí)為8位總線(xiàn)N：低電平時(shí)為單行顯示，高電平時(shí)雙行顯示F：低電平時(shí)顯示5×7的點(diǎn)陣字符，高電平時(shí)顯示5×10的點(diǎn)陣字符；

指令7：字符發(fā)生器RAM地址設(shè)置；

指令8：DDRAM地址設(shè)置；

指令9：讀忙信號(hào)和光標(biāo)地址BF：為忙標(biāo)志位，高電平表示忙，此時(shí)模塊不能接收命令或者數(shù)據(jù)，如果為低電平表示不忙；

指令10：寫(xiě)數(shù)據(jù)；

指令11：讀數(shù)據(jù)。

液晶顯示模塊是一個(gè)慢顯示器件，所以在執(zhí)行每條指令之前一定要確認(rèn)模塊的忙標(biāo)志為低電平，表示不忙，否則此指令失效。要顯示字符時(shí)要先輸入顯示字符地址，也就是告訴模塊在哪里顯示字符。

本設(shè)計(jì)采用按鍵接低的方式來(lái)讀取按鍵，單片機(jī)初始時(shí)，因?yàn)闉楦唠娖剑��?dāng)按鍵按下的時(shí)候，會(huì)給單片機(jī)一個(gè)低電平，單片機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理

單片機(jī)鍵盤(pán)有獨(dú)立鍵盤(pán)和矩陣式鍵盤(pán)兩種：獨(dú)立鍵盤(pán)每一個(gè)I/O 口上只接一個(gè)按鍵，按鍵的另一端接電源或接地（一般接地），這種接法程序比較簡(jiǎn)單且系統(tǒng)更加穩(wěn)定；而矩陣式鍵盤(pán)式接法程序比較復(fù)雜，但是占用的I/O少。根據(jù)本設(shè)計(jì)的需要這里選用了獨(dú)立式鍵盤(pán)接法。

獨(dú)立式鍵盤(pán)的實(shí)現(xiàn)方法是利用單片機(jī)I/O口讀取口的電平高低來(lái)判斷是否有鍵按下。將常開(kāi)按鍵的一端接地，另一端接一個(gè)I/O 口，程序開(kāi)始時(shí)將此I/O口置于高電平，平時(shí)無(wú)鍵按下時(shí)I/O口保護(hù)高電平。當(dāng)有鍵按下時(shí)，此I/O 口與地短路迫使I/O 口為低電平。按鍵釋放后，單片機(jī)內(nèi)部的上拉電阻使I/O口仍然保持高電平。我們所要做的就是在程序中查尋此I/O口的電平狀態(tài)就可以了解我們是否有按鍵動(dòng)作了。

在用單片機(jī)對(duì)鍵盤(pán)處理的時(shí)候涉及到了一個(gè)重要的過(guò)程，那就是鍵盤(pán)的去抖動(dòng)。這里說(shuō)的抖動(dòng)是機(jī)械的抖動(dòng)，是當(dāng)鍵盤(pán)在未按到按下的臨界區(qū)產(chǎn)生的電平不穩(wěn)定正常現(xiàn)象，并不是我們?cè)诎存I時(shí)通過(guò)注意可以避免的。這種抖動(dòng)一般10~200毫秒之間，這種不穩(wěn)定電平的抖動(dòng)時(shí)間對(duì)于人來(lái)說(shuō)太快了，而對(duì)于時(shí)鐘是微秒的單片機(jī)而言則是慢長(zhǎng)的。硬件去抖動(dòng)就是用部分電路對(duì)抖動(dòng)部分加之處理，軟件去抖動(dòng)不是去掉抖動(dòng)，而是避抖動(dòng)部分的時(shí)間，等鍵盤(pán)穩(wěn)定了再對(duì)其處理。所以這里選擇了軟件去抖動(dòng)，實(shí)現(xiàn)法是先查尋按鍵當(dāng)有低電平出現(xiàn)時(shí)立即延時(shí)10~200毫秒以避開(kāi)抖動(dòng)（經(jīng)典值為20毫秒），延時(shí)結(jié)束后再讀一次I/O 口的值，這一次的值如果為1 表示低電平的時(shí)間不到10~200 毫秒，視為干擾信號(hào)。當(dāng)讀出的值是0時(shí)則表示有按鍵按下，調(diào)用相應(yīng)的處理程序。硬件電路如圖3-15所示：

圖 按鍵部分電路

用于測(cè)量的A44E集成霍爾開(kāi)關(guān)，磁鋼用直徑D=6.004mm，長(zhǎng)度為L(zhǎng)=3.032mm的釹鐵硼磁鋼。電源用直流，霍爾開(kāi)關(guān)輸出由四位半直流數(shù)字電壓表測(cè)量，磁感應(yīng)強(qiáng)度B用95A型集成霍爾元件測(cè)量。

圖3-7霍爾片管腳        管腳接線(xiàn)

根據(jù)霍爾效應(yīng)，人們用半導(dǎo)體材料制成的元件叫霍爾元件。它具有對(duì)磁場(chǎng)敏感、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、頻率響應(yīng)寬、輸出電壓變化大和使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，因此，在測(cè)量、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

霍爾傳感器A3144是Allegro MicroSystems公司生產(chǎn)的寬溫、開(kāi)關(guān)型霍爾效應(yīng)傳感器，其工作溫度范圍可達(dá)-40℃～150℃。它由電壓調(diào)整電路、反相電源保護(hù)電路、霍爾元件、溫度補(bǔ)償電路、微信號(hào)放大器、施密特觸發(fā)器和OC門(mén)輸出極構(gòu)成，通過(guò)使用上拉電阻可以將其輸出接入CMOS邏輯電路。該芯片具有尺寸小、穩(wěn)定性好、靈敏度高等特點(diǎn)，有兩種封裝形式，一種是3腳貼片微小型封裝，后綴為“LH”；另一種是3腳直插式封裝，后綴為“UA”。

A3144E系列單極高溫霍爾效應(yīng)集成傳感器是由穩(wěn)壓電源，霍爾電壓發(fā)生器，差分放大器，施密特觸發(fā)器和輸出放大器組成的磁敏傳感電路，其輸入為磁感應(yīng)強(qiáng)度，輸出是一個(gè)數(shù)字電壓訊號(hào)。它是一種單磁極工作的磁敏電路，適用于矩形或者柱形磁體下工作。可應(yīng)用于汽車(chē)工業(yè)和軍事工程中。

霍爾傳感器的外形圖和與磁場(chǎng)的作用關(guān)系如圖2-4所示。磁場(chǎng)由磁鋼提供，所以霍爾傳感器和磁鋼需要配對(duì)使用。

霍爾元件和磁鋼                            管腳圖

圖3-8 霍爾傳感器的外形圖

該霍爾傳感器的接線(xiàn)圖如圖3-9所示。

  圖3-9 霍爾傳感器的接線(xiàn)圖

測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速的第一步就是要將電機(jī)的轉(zhuǎn)速表示為單片機(jī)可以識(shí)別的脈沖信號(hào)，從而進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)。霍爾器件作為一種轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)的傳感器，它有結(jié)構(gòu)牢固、體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，因此選用霍爾傳感器檢測(cè)脈沖信號(hào)，其基本的測(cè)量原理如圖2-6所示，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)傳感器運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)頻率的脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理后輸出到計(jì)數(shù)器或其他的脈沖計(jì)數(shù)裝置，進(jìn)行轉(zhuǎn)速的測(cè)量[6]。

圖3-10霍爾器件測(cè)速原理

6 系統(tǒng)功能調(diào)試

仿真整體圖如下：

總結(jié)

本文所述的直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)是以低價(jià)位的單片微機(jī)STC89C51為核心的，而通過(guò)單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)整又有多種途徑，相對(duì)于其他方法，如用硬件或者硬件與軟件相結(jié)合的方法對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整，采用PWM軟件方法來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速過(guò)程的優(yōu)點(diǎn)是擁有更大靈活性和更低成本，它能夠有效發(fā)揮單片機(jī)控制優(yōu)點(diǎn)和效能，對(duì)于簡(jiǎn)易的速度控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)提供了較為有效的途徑。

致謝

經(jīng)過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)我感受頗多，在正式進(jìn)行設(shè)計(jì)之前，我參考了一些網(wǎng)上的資料，通過(guò)對(duì)這些設(shè)計(jì)方案來(lái)開(kāi)拓自己的思路，最后終于有了自己的思路。

此次畢業(yè)設(shè)計(jì)不僅是對(duì)前面所學(xué)單片機(jī)技術(shù)和運(yùn)動(dòng)控制理論的一種檢驗(yàn)，更是對(duì)所學(xué)知識(shí)大融合，站在新的高度看待新的問(wèn)題，而且也是對(duì)自己運(yùn)用所學(xué)知識(shí)的能力的一種提高。通過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)使我明白了自己原來(lái)知識(shí)還比較欠缺，自己要學(xué)習(xí)的東西還太多。以前老是覺(jué)得自己什么東西都會(huì)，什么東西都懂，有點(diǎn)眼高手低。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我才明白學(xué)習(xí)是一個(gè)長(zhǎng)期積累的過(guò)程，在以后的工作、生活中都應(yīng)該不斷的學(xué)習(xí)，努力提高自己知識(shí)和綜合素質(zhì)。

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)馬驅(qū)動(dòng)的效率問(wèn)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，且更有效的控制電機(jī)。

這次畢設(shè)使我深感要注重理論知識(shí)，注重理論聯(lián)系實(shí)際。以前一直覺(jué)得理論知識(shí)離我們很遠(yuǎn)，理論只是大談空談，這才發(fā)現(xiàn)理論的重要性，這才發(fā)現(xiàn)理論知識(shí)與生活的聯(lián)系的重要性。

最后，我要感謝魏老師對(duì)我這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的大力支持，使我不僅在知識(shí)方面有了更深一步的了解，并且在我設(shè)計(jì)東西的思路與邏輯方面有更深刻的影響，使我知道了設(shè)計(jì)思路與邏輯的重要性，讓我獲益匪淺。

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直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)參考論文.doc (956 KB, 下載次數(shù): 48)