基于STC单片机的直流电机调速系统设计.doc

1、 毕业设计（论文）题目： 姓 名： 专 业： 学 院： 继续教育学院 学习形式： 助学单位： 指导教师： 2014 年 7 月 毕 业 设 计（论 文）说 明 书题目 院 别： 专 业： 班 级： 设 计 人： 指导教师： 毕业设计（论文）任务书一、题目：二、基础数据三、内容要求：1. 说明部分：2. 计算部分：3. 绘图部分：四、发 给 日 期： 年 月 日五、要 求 完 成 日 期： 年 月 日指导教师： 系 主 任： 年 月 日辽宁石油化工大学继续教育学院论文I基于 STC 单片机的直流调速系统设计摘 要本文介绍一种基于 STC89C52 单片机控制的 PWM 直流电机脉宽调速系统。系统

2、以廉价的STC89C52 单片机为控制核心，以直流电机为控制对象。从系统的角度出发，对电路进行总体方案论证设计，确定电路各个的功能模块之间的功能衔接和接口设置，详细分析了各个模块的方案论证和参数设置。整个系统利用 52 单片机的定时器产生 1K 左右的 PWM 脉冲，通过快速光耦 6N137 实现控制单元与驱动单元的强弱电隔离，采用 4 个 9013 和 2 个 9012 构成的 H 桥电路实现对直流电机的调速，用光电编码盘完成测速功能。关键词：STC89C52；PWM；光耦隔离；光电编码盘辽宁石油化工大学继续教育学院论文IIDesign of DC speed control system

3、based on STC single chip microcomputerAbstractWith the development of science and technology, automatic control system has been widely used and development in all walks of life, which the application of the automatic speed control system plays a particularly important role. DC motor as AC motor as t

4、he structure is simple, cheap, easy to manufacture, easy to maintain, but it has a good start, braking performance, it is appropriate in a wide range of smooth speed, DC speed control system is still automatically speed control system in the main form. Motor control from simple to complex, and matur

5、e into the mainstream. With the development of power electronics technology, the switching speed is faster, easier to control the full-controlled power devices MOSFET and IGBT become mainstream, pulse width modulation technology showed a greater superiority: the main circuit line is simple, need to

6、use the power components ; switching frequency, current continuous, harmonic, motor loss and fever are small; good low-speed performance, high-speed stability, and thus a wide speed range; rapid system response performance, dynamic immunityThe design of the 89C52 MCU as the core, using the C program

7、ming language to control, using MCU internal timer adjustable rectangular wave. Start and stop the keyboard as an input to control the DC motor speed and direction, the measurement of the speed of the motor, working principle and mathematical model of the DC motor and pulse width modulation (PWM) co

8、ntrol principles and H-bridge circuit design, based on the basic principles of design a driver circuit, a PWM technique to control the motor, the purpose of calculation of the duty cycle to achieve precise speed control the photoelectric tube as well as the code disk to measure the speed of the moto

9、r to prevent the motor stall instead burn. Speed measured by four digital tube display.Keywords: STC89C52；PWM；Optocoupler isolation；photoelectric coded disk辽宁石油化工大学继续教育学院论文III目录摘 要 IAbstract.II1 前言 .11.1 数字直流调速的意义 .11.2 研究现状综述 .11.2.1 电气传动的发展现状同时 .21.2.2 微处理器控制直流电机发展现状 .22 系统总体方案论证 .62.1 系统方案比较与选择 .

10、62.2 系统方案描述 .63 硬件电路的模块设计 .73.1 驱动电路方案论证设计 .73.1.1 驱动电路方案、参数描述 .73.1.2 IGBT H 桥驱动电路原理 .73.2 隔离电路方案论证设计 .93.2.1 6N137 光耦隔离 .93.3 单片机最小系统 .113.4 电动机驱动电路 .143.4.1 直流电机驱动原理 .143.4.2 直流电机 PWM 调速控制原理 153.4.3 H 桥电动机驱动电路 .163.4.4 PWM 调速原理 .173.5 电动机测速电路 .183.6 数码管显示电路 193.6.1. 实时显示状态 193.6.2. 数码管显示分析 193.7

11、按键电路 .214 软件设计 .224.1 PWM 实现方式方案论证 .224.2 程序流程图 .224.3 主要程序设计分析 .234.3.1 定时器 0 中断服务函数 .234.3.2 占空比调节部分 .245 硬件电路设计 .255.1 硬件设计 .255.2 电源电路设计 .255.3 单片机最小系统 .266 调试结果描述 .28结 论 30参考文献 31谢 辞 32辽宁石油化工大学继续教育学院论文IV1 前言1.1 数字直流调速的意义现在电气传动的主要方向之一是电机调速系统采用微处理器实现数字化控制。从上世纪 80 年代中后期起，世界各大电气公司如 ABB、通用、西屋、西门子等都在

12、竞相开发数字式调速传动装置，经过二十几年的发展，当前直流调速已发展到一个很高的技术水平：功率元件采用可控硅；控制板采用表面安装技术；控制方式采用电源换相、相位控制 1。特别是采用了微处理器及其他先进电力电子技术，使数字式直流调速装置在精度的准确性、控制性能的优良性和抗干扰的性能有很大的提高和发展，在国内外得到广泛的应用。数字化直流调速装置作为目前最新控制水平的传动方式显示了强大优势。全数字化直流调速系统不断升级换代，为工程应用和工业生产提供了优越的条件。采用微处理器控制，使整个调速系统的数字化程度，智能化程度有很大改观；采用微处理器控制，使调速系统在结构上简单化，可靠性提高，操作维护变得简捷，

13、电机稳态运行时转速精度等方面达到较高水平。由于微处理器具有较佳的性价比，所以微处理器在工业过程及设备控制中得到日益广泛的应用。近年来，尽管交流调速系统发展很快，但是直流电机凭借其良好的启动、制动性能，在金属切削机床、轧钢机、海洋钻机、挖掘机、造纸机、矿井卷扬机、电镀、高层电梯等需要广泛范围内平滑调速的高性能可控电力拖动领域中仍得到了广泛的应用。现阶段，我国还没有自主的全数字化直流调速控制装置生产商，而国外先进的控制器价格昂贵，且技术转让受限，为此研究及更好的使用国外先进的控制器，吸收国外先进的数字化直流电机调速装置的优点，具有重要的实际意义和重大的经济价值。1.2 研究现状综述20 世纪 70

14、 年代以来，直流电机传动经历了重大的技术、装备变革。整流器的更新换代，以晶闸管整流装置取代了习用已久的直流发电机电动机组及水银整流装置使直流电气传动完成了一次大的跃进 1。辽宁石油化工大学继续教育学院论文V1.2.1 电气传动的发展现状同时高集成化、小型化、高可靠性及低成本成为控制的电路的发展方向。使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用范围不断扩大。直流调速技术不断发展，走向成熟化、完善化、系列化、标准化，在可逆脉宽调速、高精度的电气传动领域中仍然难以替代 1。早期直流传动的控制系统采用模拟分离器件构成，由于模拟器件有其固有的缺点，如存在温漂、零漂电压，构成系统的器件较多，使得模拟直流传动系统

15、的控制精度及可靠性较低 2。随着计算机控制技术的发展，微处理器已经广泛使用于直流传动系统，实现了全数字化控制。由于微处理器以数字信号工作，控制手段灵活方便，抗干扰能力强。所以，全数字直流调速控制精度、可靠性和稳定性比模拟直流调速系统大大提高。所以，直流传动控制采用微处理器实现全数字化，使直流调速系统进入一个崭新的阶段。1.2.2 微处理器控制直流电机发展现状微处理器诞生于上个世纪七十年代，随着集成电路大规模及超大规模集成电路制造工艺的迅速发展，微处理器的性价比越来越高。此外，由于电力电子技术的发展，制作工艺的提升，使得大功率电子器件的性能迅速提高。为微处理器普遍用于控制电机提供了可能，利用微处

16、理器控制电机完成各种新颖的、高性能的控制策略，使电机的各种潜在能力得到充分的发挥，使电机的性能更符合工业生产使用要求 2，还促进了电机生产商研发出各种如步进电机、无刷直流电机、开关磁阻电动机等便于控制且实用的新型电机，使电机的发展出现了新的变化。对于简单的微处理器控制电机，只需利用用微处理器控制继电器、电子开关元器件，使电路开通或关断就可实现对电机的控制。现在带微处理器的可编程控制器，已经在各种的机床设备和各种的生产流水线中普遍得到应用，通过对可编程控制器进行编程就可以实现对电机的规律化控制。对于复杂的微处理器控制电机,则要利用微处理器控制电机的电压、电流、转矩、转速、转角等，使电机按给定的指

17、令准确工作。通过微处理器控制，可使电机的性能有很大的提高。目前相比直流电机和交流电机他们各有所长，如直流电辽宁石油化工大学继续教育学院论文VI机调速性能好，但带有机械换向器，有机械磨损及换向火花等问题；交流电机，不论是异步电机还是同步电机，结构都比直流电机简单，工作也比直流电机可靠，但在频率恒定的电网上运行时，它们的速度不能方便而经济地调节 2。高性能的微处理器如 DSP (DIGITAL SIGNAL PROCESSOR 即数字信号处理器)的出现，为采用新的控制理论和控制策略提供了良好的物质基础，使电机传动的自动化程度大为提高。在先进的数控机床等数控位置伺服系统，已经采用了如 DSP等的高速

18、微处理器，其执行速度可达数百万兆以上每秒，且具有适合的矩阵运算 2。1.3 直流电动机调速概述1.3.1 直流电机调速原理直流电动机根据励磁方式不同，直流电动机分为自励和他励两种类型。不同励磁方式的直流电动机机械特性曲线有所不同。但是对于直流电动机的转速有以下公式：其中：U电压； 励磁绕组本身的电阻； 每极磁通(Wb)；Cc电势常R内 数；Cr转矩常量 3。由上式可知，直流电机的速度控制既可采用电枢控制法，也可采用磁场控制法。磁场控制法控制磁通，其控制功率虽然较小，但低速时受到磁极饱和的限制，高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制 4，而且由于励磁线圈电感较大，动态响应较差 5。所以在工业生

19、产过程中常用的方法是电枢控制法。crcnRUTC内辽宁石油化工大学继续教育学院论文VII图 1-1 直流电机的工作原理图电枢控制是在励磁电压不变的情况下，把控制电压信号加到电机的电枢上，以控制电机的转速。传统的改变电压方法是在电枢回路中串联一个电阻，通过调节电阻改变电枢电压，达到调速的目的，这种方法效率低、平滑度差，由于串联电阻上要消耗电功率，因而经济效益低，而且转速越慢，能耗越大 6。随着电力电子的发展，出现了许多新的电枢电压控制方法。如：由交流电源供电，使用晶闸管整流器进行相控调压；脉宽调制(PWM)调压等等。调压调速法具有平滑度高，能耗少，精度高等优点。在工业生产中广泛使用其中脉宽调制(

20、PWM)应用更为广泛。脉宽调速利用一个固定的频率来控制电源的接通或断开，并通过改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短，即改变直流电机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速，因此，PWM 又被称为“开关驱动装置”。 辽宁石油化工大学继续教育学院论文VIII图 1-2 电枢电压占空比和平均电压的关系图根据图 1-2，如果电机始终接通电源时，电机转速最大为 ，占空比为 D=maxV/T，则电机的平均速度为： ，可见只要改变占空比 D，就可以得到不1t DmaxV=*同的电机速度，从而达到调速的目的 7。辽宁石油化工大学继续教育学院论文IX2 系统总体方案论证2.1 系统

21、方案比较与选择方案一：采用专用 PWM 集成芯片、IR2110 功率驱动芯片构成整个系统的核心，现在市场上已经有很多种型号，如 Tl 公司的 TL494 芯片，东芝公司的 ZSK313I 芯片等。这些芯片除了有 PWM 信号发生功能外，还有“死区”调节功能、过流过压保护功能等。这种专用 PWM 集成芯片可以减轻单片机的负担，工作更可靠，但其价格相对较高，难于控制工业成本不宜采用。方案二：采用 STC52 单片机、功率集成电路芯片 L298 构成直流调速装置。L298 是双 H 高电压大电流功率集成电路，直接采用 TTL 逻辑电平控制，可用来驱动继电器、线圈、直流电动机、步进电动机等电感性负载。

22、其驱动电压为 46V，直流电流总和为 4A。该方案总体上是具有可行性，但是 L298 的驱动电压和电流较小，不利于工业生产应用，无法满足工业生产实践中大电压、大电流的直流电机调速。方案三：整个系统利用 52 单片机的定时器产生 1K 左右的 PWM 脉冲，通过快速光耦 6N137 实现控制单元与驱动单元的强弱电隔离，采用 4 个 9013 和 2 个 9012构成的 H 桥电路实现对直流电机的调速，用光电编码盘完成测速功能。综合上述三种方案，本设计采用方案三作为整个系统的设计思路。2.2 系统方案描述本系统采用 STC52 为控制核心，配以 2 键盘和 LCD 显示，通过晶体管驱动直流电机和

23、LCD 速度显示。同时利用 STC52 产生的 PWM 经过逻辑延迟电路后加载到以9013 和 9012 构成的 H 桥主干电路上实现对直流电机的控制和调速。本系统的控制部分均为 5V 的电压，采用 6N137 光耦隔离直流电机对单片机的信号干扰。辽宁石油化工大学继续教育学院论文X3 硬件电路的模块设计3.1 驱动电路方案论证设计3.1.1 IGBT H 桥驱动电路原理H 桥驱动电路是一个典型的直流电机控制电路，电路得名于“H 桥驱动电路”是因为它的形状酷似字母 H 。H 型变换器在控制方式上分为双极式、单极式和受限式三种 5。本设计同样采用选用双极式 H 型 PWM 变换器。如图 3.2 所

24、示，四个电力晶体管 IGBT 和四个续流二级管 FR307 构成了 H 桥驱动电路。基极驱动电压分为两组即 、 同时工作其驱动电压分别为 和 ， 和 同时工作其驱1VT4 b1U42VT3动电压为 。在一个开关周期内， 时 和 为正，晶体b23b1U0ontb14U管 和 饱和导通；而 和 为负值， 和 截止。这时，+ 加在电枢142b323sAB 两端， ，电枢电流 沿回路 1 流通；当 时， 和 变为负ABSdi ontb14值， 和 截止； 和 变成正值，但是 和 并不能立即导通，因为在1VT4b23U2VT3电枢电感释放储能的作用下， 沿回路 2 经二极管 、 续流，在 和di D2V

25、D上的压降使 、 集电极和发射极承受反压，这时 ， 在一个3D23VTABSUAB周期内正负相间，这是双极式 PWM 变换器的特征 2。辽宁石油化工大学继续教育学院论文XI图 3-1 IGBT H 桥驱动电路在一个周期内具有正负相间的脉冲波形。而电机的正反转则体现在驱动电ABU压正、负脉冲的宽窄上。当正脉冲较宽时， ，则电枢两端的平均电压为正，2onTt在电动运行时电机正转。当 ，平均电压为负值，电机反转。如果正负脉冲2onTt相等时电枢电压为零，电机停转。双极型可逆 PWM 变换器电枢平均电压为 3：(1)ononondssstttUUTT若定义占空比为 和电压系数 的定义与不可逆变换器中相

26、同，则在双极/ds式控制的可逆变换器中 =2 - 1 与不可逆变换器中的不同。调速时 的可调范围 为 01，相应的 = -11。当 时， 为正，电动机正转；当 时， 为负，212电动机负转；当 时， =0，电动机停止。2双极式控制的电压平衡方程式 3： （ ）dSiURLEt0ont（ ） dSdiitontT电枢两端在一个周期内的平均电压都是： 。其平均值方程都可写成 3： dsUSdURIEICen则机械特性方程 3： 0SddRnIIe用转矩表示 3：0eeUsTnTCmC式中，电机在额定磁通下的转矩系数， 。 mCmNK理想空载转速，与电压系数成 正比， 。0n0seUn辽宁石油化工大

27、学继续教育学院论文XII3.2 隔离电路方案论证设计3.2.1 6N137 光耦隔离隔离是整个设计的关键环节，如果隔离没有做好，将导致强弱电互相串扰，强电串到弱电的控制单元时会导致整个控制单元烧毁。因为系统的主电路电压均为高电压、大电流，而控制单元为弱电压，弱电流，所以它们之间必须采取光电隔离措施，以提高系统抗干扰措施，综合考虑决定采用快速关断型驱动芯片6N137。选用 6N137 光耦既保证了功率驱动电路与 PWM 脉宽调制电路的可靠隔离，又具备了直接驱动 MOSFET 的能力，驱动电路简单。根据 6N137 的数据手册要求5、8 脚之间必修接 104 旁路电容使输出均匀化，降低负载需求。具

28、体电路设计如图 3-4：3.3 单片机最小系统本系统的单片机采用的是 89C52 单片机，此单片机的最小系统如下图 3-2 所示。其中 P0 口接数码管段选，P2 口高四位接数码管位选，P2.0 接电动机的 PWM调速端，P3.4 读取光电测速电路送给单片机的脉冲，进行电动机转速的测量，P1口接按键。本系统主要采用 STC 89C52RC 单片机，STC 89C52RC 是一种低功耗、高性能CMOS 8 位微控制器，具有 8KB 在系统可编程 Flash 存储器。使用 Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业 80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上 Flash 允许程序存储器在系

29、统可编程，亦适于 常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统 可编程 Flash，使得 STC 89C52RC 为众多嵌入式控制应用系统提 供高灵活、有效的解决方案。STC 89C52RC 具有以下标准功能：8k 字节 Flash，256 字节 RAM32 位 I/O 口线看门狗定时器，2 个数据指针，三个 16 位 定时器/计数器辽宁石油化工大学继续教育学院论文XIII一个 6 向量 2 级中断结构，全双工串行口片内晶振及时钟电路另外，STC 89C52RC 可降至 0Hz 静态逻辑操作，支持 2 种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许 RAM、定时器/计

30、数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM 内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。P1 口只做 I/O 口使用：其内部有上拉电阻。P2 口有两个功能(1)扩展外部存储器时，当作地址总线使用 (2)做一般 I/O 口使用，其内部有上拉电阻；P3 口有两个功能除了作为 I/O 使用外（其内部有上拉电阻），还有一些特殊功能，由特殊寄存器来设置，具体功能请参考我们后面的引脚说明。辽宁石油化工大学继续教育学院论文XIV图 3-2 单片机最小系统有内部 EPROM 的单片机芯片（例如 8751），为写入程序需提供专门的编程脉冲和编程电源，这些信号也是由信号引脚的

31、形式提供的， 即：编程脉冲：30 脚（ALE/PROG）单片机最小系统构成如下：1.电源STC 89C52RC 单片机的电压为 4.0V-5.5V，我们采用 7805 稳压到 5V 进行供电。辽宁石油化工大学继续教育学院论文XV2.晶振 晶振结合单片机内部的电路，产生单片机所必须的时钟频率，单片机的一切指令的执行都是建立在这个基础上的，晶振的提供的时钟频率越高，那单片机的运行速度也就越快。本系统主要采用的是 12M 晶振，配合 2 个 30pF 的电容构成晶体振荡电路。3.复位为确保微机系统中电路稳定可靠工作，复位电路是必不可少的一部分，复位电路的第一功能是上电复位，复位电路通过电容加给 RS

32、T 端一个短暂的高电平信号，此高电平信号随着 Vcc 对电容的充电过程而逐渐回落，即 RST 端的高电平持续时间取决于电容的充电时间。另外，在复位期间，端口引脚处于随机状态，复位后，系统将端口置为全“l”态。如果系统在上电时得不到有效的复位，则程序计数器 PC 将得不到一个合适的初值，因此，CPU 可能会从一个未被定义的位置开始执行程序。3.4 电动机驱动电路图 3-3 电动机驱动电路辽宁石油化工大学继续教育学院论文XVI3.4.1 直流电机驱动原理直流电机的物理模型如图 3-4 所示：图 3-4 电机物理模型电机定子有两个磁极，磁极上形成的励磁磁场极性如图所示，转子上有电枢、换向器和电刷，固

33、定于定子的电刷位于两个磁极间的中心线上，并与外部电源相通。当电枢在外施电压 Ua 作用下产生电流时，电流产生磁场，转子收到逆时针方向的电磁转矩作用而旋转，从而产生如图 3-7 所示的反电动势 Ea，并与外部电源电压相平衡，直到转速 n 稳定为止。直流电机可以看成是电气部分与机械运动两部分。电气部分有电枢绕组和励磁绕组，机械部分只有转子运动机构 10。3.4.2 直流电机 PWM 调速控制原理直流电机改变电压调速就是改变电枢绕组端电压的调速。电枢绕组端电压不能随意变化，因为电源及电机绕组绝缘耐压的限制，电枢绕组端电压一般不能超过额定电枢电压，所以直流电机调压调速是，电枢绕组的电压大小只能在额定电

34、枢电压及其以下范围内调节。当然，电枢电压的极性是可以改变的。当励磁磁通辽宁石油化工大学继续教育学院论文XVII额定不变时，调节电枢绕组电压、转子转速与电磁转速的机械特性如图所示为一组平行线，所以电枢端电压和转速呈线性关系 11。图 3-5 改变电枢电压调速的基本特性在直流调速系统中，电枢电流的时间常数较小，电流内环必须有足够高的采样频率，而电流调节算法一般比较简单，采用较高的采样频率是可能的。因此电流调节器一般都可以采用间接方法设计，先按连续控制系统设计，然后再将得到的调节器数字化 12。对于转速，由于系统的动态性能往往对转速截止频率的大小有一定要求，不能太低。但转速控制有时比较复杂，占用的机

35、时较长，因而转速的采样频率又不能很高。如果所选择的采样频率不够高，按连续系统设计误差较大时，就应按照离散控制系统来设计转速调节器。电动机驱动电路采用 H 桥式驱动，图中用三极管组成 H 型平衡桥，驱动功率大，驱动能力强。同时 H 型 PWM 电路工作在晶体管的饱和状态与截止状态，具有非常高的效率。图中两个光电耦合器起隔离作用，因为电动机驱动电压为 12V，单片机的工作电压为 5V，若三极管的基极直接与单片机相连，会烧坏单片机，所以必加一个光电耦合器，隔离两边的电压，由于光电耦合器的传输速度最高可以达到 70KHz，所以光电耦合器可以满足隔离的要求，同时也可满足脉冲信号传递速度较快的要求。当单片

36、机给 P2.0 口低电平时，光耦不导通，所以 Q5 的基极是低电平不导通，当单片机给 P2.0 口高电平时，光电耦合器导通，此时光电耦合器的右边的电压被拉高，三极管 Q5 导通，Q7 和 Q8 也导通，此时电动机反转。辽宁石油化工大学继续教育学院论文XVIII当单片机给 P2.1 口低电平时，光耦不导通，所以 Q10 的基极是低电平不导通，当单片机给 P2.1 口高电平时，光电耦合器导通，此时光电耦合器的右边的电压被拉高，三极管 Q10 导通，Q6 和 Q9 也导通，此时电动机正转。3.4.3 H 桥电动机驱动电路图 3-6 中所示这是一个非常常用的电动机驱动控制电路。因为它的形状和字母 H

37、非常相似，因此叫作“H 桥驱动电路”。4 个三极管组成这个电动机驱动电路。如图所示，电动机驱动电路 H 桥式通常包括 4 个三极管和一个电动机。导通对角线上的一对三极管，则电动机运转。判断不同三极管对的导通与否，然后判断电流的流向，根据电流的流向控制电动机的转向。图 3-6 H 桥结构图对角线上的一对三极管导通则电动机运转。例如，如图 3-7 所示，如果 Q1 管和 Q4 管导同时通时，电流就从三极管 Q1 从左至右如黑线所示流过电动机，这样电动机就正转了。在图中箭头所示的为电流流过的方向，这时电流将驱动电动机正向转动。辽宁石油化工大学继续教育学院论文XIX图 3-7 H 桥控制电动机正转3.

38、4.4 PWM 调速原理脉冲宽度调制（PWM）是英文“Pulse Width Modulation”的缩写，简称脉宽调制。主要用单片机等处理器的数字量来对模拟量进行控制的一种技术，广泛应用于通信，测量，电动机速度变换等工业控制领域 13。脉冲宽度调制是一种对模拟信号进行数字脉冲编码的方法。通过单片机等微处理器定的时器以及计数器的使用，方波的占空比 D 被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码，PWM 信号仍然是数字的，在给定的任何时刻，它都只表现出开和关两种状态，驱动电路要么完全导通，要么完全关闭。PWM 的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。让信号保持为数字形

39、式可将噪声影响降到最小。噪声只有在强到足以将逻辑1 改变为逻辑 0 或将逻辑 0 改变为逻辑 1 时，也才能对数字信号产生影响 14。 电压或电流源是以一种通或断的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。当导通时，直流供电被加到负载上，当关断时，供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用 PWM 进行编码。多数负载无论是电感性负载还是电容性负载都需要的调制频率高于 10Hz，通常调制频率为 1kHz 到 200kHz 之间。3.5 电动机测速电路辽宁石油化工大学继续教育学院论文XX图 3-8 电动机测速电路当电动机转动时，带动光电码盘转动，发光元件发出的光经过光电码盘时，由于码盘是由多个格

40、子组成的，所以码盘转动时，在光敏元件会产生多个矩形脉冲，如上图所示，我们通过在一定的时间 T 内测量脉冲的个数 N，以及码盘的精度P（多少格的码盘）就可以计算出电动机的转速 Vr15。其转速:Vr=(N/P)/T电动机测速电路采用光电编码盘和红外光电对管组成，红外光电对管其原理如下图所示：图 3-9 光电码盘编码原理通过电动机测速电路，单片机可以实时的判断电动机电路是否正常工作，若测得电动机转速过低或者为零，则证明电动机堵转或者异常，此时单片机可以控制电动机停转来保护电动机并发出报警，在数码管上显示。辽宁石油化工大学继续教育学院论文XXI3.6 数码管显示电路图 3-10 数码管显示电路3.6

41、.1. 实时显示状态显示电路为四位数码管，用来显示实时电动机转速。通过数码管上的显示，我们可以清楚的判断电动机的转速情况。3.6.2. 数码管显示分析在实际的单片机系统中，往往需要多位显示。动态显示应用非常广泛是一种最常见的多位显示方法，。用数码管显示测得的数据，数码管有 8 段而每段必需占用一个单片机的 IO 口，所以一位数码管必须占 8 个单片机 IO 口，本次设计采用 4 位数码管，则需要 12个 I/O 口，而 89C52 单片机的 I/O 口只有 32 个。动态显示能够很好的解决数码管占用单片机 IO 口过多的问题。所有数码管的段选全部连接在一起，如何能显示不同的内容呢？动态显示的原

42、理是多位数码管，交替来进行显示，利用人的视觉暂留效果使人看到好像有多个辽宁石油化工大学继续教育学院论文XXII数码管同时显示。在编程时，要用单片机控制段选和位选，所谓的位选是选中其中一个数码管，然后利用单片机输出段码，需要显示的数字就能显示在这位数码管上了，延时一段时间后，再选中另一个数码管，再输出对应的段码，高速交替。在动态显示程序中，各个位的延时时间长短是非常重要的，如果延时时间长，则会出现闪烁现象；如果延时时间太短，则会出现显示发暗且有重影。静态驱动就是给单独每一个 LED 供电。这样每个 LED 都有足够的电流，亮度也相应的比较高。动态扫描驱动就是把本来供给一个 LED 灯的电流，同时

43、分给了 N 个灯，所以它的亮度会有所降低。当然在同时供给两个 led 灯电流时不是平均的分配电流，而是 led 间扫描期间电流不断地交替，扫描的频率依据单片机的速度决定，也就是说各位的数码管上的电流在扫描频率内是供个其中一个 led，在下一个扫描频率内是供给了另一个 led。由上面的分析可以得到限流电阻 R 的值 1LEDUIN若我们想让这个 4 位数码管的每段工作时的电流为 8mA.Uled 为正常工作时的电压取 1.7V。则我们可以得出限流电阻的取值为 51.7=03.125084R所以我们选取 100 欧的限流电阻。这样每个 LED 工作时的电流约为 8mA.在保证 LED 能亮的同时不

44、会被烧坏。根据上面的计算可得每位数码的电流为 64mA,8550 的集电极电流最大可达 1.5A，完全满足设计要求。由于单片机最大的拉电流一般约为 2-5mA,所以必须串一个 1K 的限流电阻，此处的三极管相当于开关作用，控制各位数码管的开关。3.7 按键电路按键共 5 个，当按键未按时，单片机接收到的是高电平，当按键按下时连接辽宁石油化工大学继续教育学院论文XXIII单片机的引脚电平被拉低，单片机通过判断引脚电平的变化来确定有无按键按下。由于是机械按键，所以会有机械抖动问题，导致在按一下时，会引起单片机多次的误触发，所以我们在程序中必须要加一定的延时来去掉抖动。图 3-11 按键电路按键 1

45、 是速度加，按键 2 是速度减，按键 3 是正反转切换，按键 4 是电机停止。辽宁石油化工大学继续教育学院论文XXIV4 软件设计4.1 PWM 实现方式方案论证方案一：软件延时 基本思想：首先预设占空比值 D，再根据周期 T 分别给输出端口置高电平 M 个单位时间 ，即 。然后，在给输出端口置低电平 个单位时间，即0t10M=t/ M。通过改变 M 和 的值，就可实现改变占空比，从而实现对单片机调速2/ 23。软件延时虽然理论上实现起来较容易，但占用系统资源过多，使用不方便。方案二：定时计数基本思想：利用单片机定时器 0 中断方式产生 PWM 脉冲，当定时器计数到设定时间后输出端口实现高低电

46、平转换，实现 PWM 输出。此方案占用单片机资源比较少，使用较为简单。综合两个方案，本设计采用方案二。4.2 程序流程图系统程序为一个主程序（包括若干功能模块），中断子程序，以及若干个子程序，共计三大部分构成。按照任务的定义，每个功能模块都能完成某一明确的任务，实现具体的某个功能，如测量、计算、显示、键盘扫描、输出控制等。本设计的总程序设计流程图及其部分主要子程序流程图。辽宁石油化工大学继续教育学院论文XXV图 4-1 PWM 输出流程图4.3 主要程序设计分析4.3.1 定时器 0 中断服务函数void time0() interrupt 1TH0=(65536-18432)/256;TL0=(65536-18432)%256;a+;if(a=100)a=0;