基于單片機(jī)控制的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

吳楠

摘 要：在以51單片機(jī)為核心的基礎(chǔ)上，對(duì)直流電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了研究，并利用單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)中斷功能而產(chǎn)生PWM不同占空比信號(hào)來調(diào)節(jié)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)其正反轉(zhuǎn)、加減速的功能。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；L298；PWM信號(hào)；調(diào)速

中圖分類號(hào)：TM33 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-6835（2014）10-0040-01

隨著電機(jī)技術(shù)的發(fā)展，直流電機(jī)的成本大大降低，而其具有的響應(yīng)快速、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大、從零轉(zhuǎn)速至額定轉(zhuǎn)速具備可提供額定轉(zhuǎn)矩的性能越來越受到人們的重視，從而在各個(gè)領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用。直流電機(jī)的調(diào)速也成為一項(xiàng)應(yīng)用性很強(qiáng)的技術(shù)。

1 總體電路的設(shè)計(jì)

整個(gè)電路主體采用AT89C51單片機(jī)作為核心，P0口接LED數(shù)碼管，顯示當(dāng)前PWM信號(hào)的占空比。L298為直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片，它是一款單片集成的高電壓、高電流、雙路全橋式的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，用于連接標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平，驅(qū)動(dòng)電感負(fù)載（比如繼電器、線圈、DC和步進(jìn)電機(jī)）。L298提供兩個(gè)使能輸入端，可以在不依賴輸入信號(hào)的情況下，使能或禁用L298器件。L298低位晶體管的發(fā)射器是連接在一起的，而其對(duì)應(yīng)的外部端口則可用來連接一個(gè)外部感應(yīng)電阻。L298還提供一個(gè)額外的電壓輸入，因此其邏輯電路可以在更低的電壓下工作。單片機(jī)產(chǎn)生的PWM信號(hào)通過P2.4端送入L298 ENA端。當(dāng)ENA端電平為0時(shí)，L298 OU1、OUT2輸出電勢(shì)差為0，通過軟件改變ENA端低電平持續(xù)時(shí)間，即可調(diào)節(jié)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。為了避免控制信號(hào)受電源信號(hào)的影響，可以考慮加上光電耦合部分。P2.0與P2.1端輸出的高低電平相互轉(zhuǎn)換，即可改變電機(jī)的轉(zhuǎn)向。設(shè)置的分別控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)和加減速的4個(gè)按鍵如圖1所示。

2 軟件部分的設(shè)計(jì)

軟件部分主要分三部分，即數(shù)碼顯示子程序、按鍵掃描子程序和PWM信號(hào)產(chǎn)生子程序。數(shù)碼顯示管由于選用了雙位管，因此，顯示子程序采用動(dòng)態(tài)顯示。同時(shí)，由于只使用了4個(gè)按鍵，因此，將這4個(gè)按鍵分別接在單片機(jī)的4個(gè)I/O端口，單獨(dú)檢測(cè)各自狀態(tài)，只需要判斷各自對(duì)應(yīng)的I/O端口電平高低，即可判斷按鍵有無(wú)按下。加（減）速按鍵每按一次，占空比則減?。ㄔ黾樱?，最小值設(shè)置為0，最大值設(shè)置為99，初始設(shè)定為50.當(dāng)正反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換時(shí)，為了避免將電機(jī)燒壞，改變轉(zhuǎn)向時(shí)，將單片機(jī)對(duì)應(yīng)的I/O端口都設(shè)置為1或者0，使電機(jī)的電勢(shì)差為0，并持續(xù)一段時(shí)間后再進(jìn)行轉(zhuǎn)換。PWM信號(hào)的產(chǎn)生由單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器中斷功能來實(shí)現(xiàn)，本設(shè)計(jì)設(shè)置好中斷時(shí)間后，每中斷一次，標(biāo)志位值加1，標(biāo)志位最大值設(shè)置為99.當(dāng)標(biāo)志位值小于給定占空比數(shù)值時(shí)，電平置0，否則置1，由此產(chǎn)生占空比不同的PWM信號(hào)。

3 程序調(diào)試和仿真

經(jīng)過Proteus仿真（見圖2），對(duì)程序進(jìn)行了進(jìn)一步的完善。例如，加入按鍵防抖和按鍵松手檢測(cè)部分程序，解決了初期按加（減）速按鍵時(shí)占空比跳動(dòng)數(shù)值不為1的問題。經(jīng)觀測(cè)，占空比變化時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速經(jīng)過兩三秒后即可達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，并且速度誤差在±5%以內(nèi)，程序運(yùn)行正常，達(dá)到預(yù)期效果。

4 結(jié)論

整個(gè)電路主要由51單片機(jī)、L298驅(qū)動(dòng)芯片、雙位數(shù)碼顯示管、按鍵四部分組成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高。經(jīng)過仿真對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行完善，結(jié)果良好，且控制質(zhì)量滿足一般應(yīng)用。要想獲得更高的控制效果，可以考慮加上轉(zhuǎn)速裝置或電流檢測(cè)裝置構(gòu)成閉環(huán)PID控制系統(tǒng)以提高控制精度，還可以利用單片機(jī)的串口與上位機(jī)進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)調(diào)節(jié)PID參數(shù)等，相信效果會(huì)更好。

參考文獻(xiàn)

[1]李朝青.單片機(jī)原理及接口技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

[2]田云.基于51單片機(jī)的直流電機(jī)調(diào)速的方法[J].雞西大學(xué)學(xué)報(bào)，2010（4）.

[3]張婧武，周靈彬.單片機(jī)系統(tǒng)的Proteus設(shè)計(jì)與仿真[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

〔編輯：劉曉芳〕

摘 要：在以51單片機(jī)為核心的基礎(chǔ)上，對(duì)直流電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了研究，并利用單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)中斷功能而產(chǎn)生PWM不同占空比信號(hào)來調(diào)節(jié)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)其正反轉(zhuǎn)、加減速的功能。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；L298；PWM信號(hào)；調(diào)速

中圖分類號(hào)：TM33 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-6835（2014）10-0040-01

隨著電機(jī)技術(shù)的發(fā)展，直流電機(jī)的成本大大降低，而其具有的響應(yīng)快速、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大、從零轉(zhuǎn)速至額定轉(zhuǎn)速具備可提供額定轉(zhuǎn)矩的性能越來越受到人們的重視，從而在各個(gè)領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用。直流電機(jī)的調(diào)速也成為一項(xiàng)應(yīng)用性很強(qiáng)的技術(shù)。

1 總體電路的設(shè)計(jì)

整個(gè)電路主體采用AT89C51單片機(jī)作為核心，P0口接LED數(shù)碼管，顯示當(dāng)前PWM信號(hào)的占空比。L298為直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片，它是一款單片集成的高電壓、高電流、雙路全橋式的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，用于連接標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平，驅(qū)動(dòng)電感負(fù)載（比如繼電器、線圈、DC和步進(jìn)電機(jī)）。L298提供兩個(gè)使能輸入端，可以在不依賴輸入信號(hào)的情況下，使能或禁用L298器件。L298低位晶體管的發(fā)射器是連接在一起的，而其對(duì)應(yīng)的外部端口則可用來連接一個(gè)外部感應(yīng)電阻。L298還提供一個(gè)額外的電壓輸入，因此其邏輯電路可以在更低的電壓下工作。單片機(jī)產(chǎn)生的PWM信號(hào)通過P2.4端送入L298 ENA端。當(dāng)ENA端電平為0時(shí)，L298 OU1、OUT2輸出電勢(shì)差為0，通過軟件改變ENA端低電平持續(xù)時(shí)間，即可調(diào)節(jié)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。為了避免控制信號(hào)受電源信號(hào)的影響，可以考慮加上光電耦合部分。P2.0與P2.1端輸出的高低電平相互轉(zhuǎn)換，即可改變電機(jī)的轉(zhuǎn)向。設(shè)置的分別控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)和加減速的4個(gè)按鍵如圖1所示。

2 軟件部分的設(shè)計(jì)

軟件部分主要分三部分，即數(shù)碼顯示子程序、按鍵掃描子程序和PWM信號(hào)產(chǎn)生子程序。數(shù)碼顯示管由于選用了雙位管，因此，顯示子程序采用動(dòng)態(tài)顯示。同時(shí)，由于只使用了4個(gè)按鍵，因此，將這4個(gè)按鍵分別接在單片機(jī)的4個(gè)I/O端口，單獨(dú)檢測(cè)各自狀態(tài)，只需要判斷各自對(duì)應(yīng)的I/O端口電平高低，即可判斷按鍵有無(wú)按下。加（減）速按鍵每按一次，占空比則減?。ㄔ黾樱?，最小值設(shè)置為0，最大值設(shè)置為99，初始設(shè)定為50.當(dāng)正反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換時(shí)，為了避免將電機(jī)燒壞，改變轉(zhuǎn)向時(shí)，將單片機(jī)對(duì)應(yīng)的I/O端口都設(shè)置為1或者0，使電機(jī)的電勢(shì)差為0，并持續(xù)一段時(shí)間后再進(jìn)行轉(zhuǎn)換。PWM信號(hào)的產(chǎn)生由單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器中斷功能來實(shí)現(xiàn)，本設(shè)計(jì)設(shè)置好中斷時(shí)間后，每中斷一次，標(biāo)志位值加1，標(biāo)志位最大值設(shè)置為99.當(dāng)標(biāo)志位值小于給定占空比數(shù)值時(shí)，電平置0，否則置1，由此產(chǎn)生占空比不同的PWM信號(hào)。

3 程序調(diào)試和仿真

經(jīng)過Proteus仿真（見圖2），對(duì)程序進(jìn)行了進(jìn)一步的完善。例如，加入按鍵防抖和按鍵松手檢測(cè)部分程序，解決了初期按加（減）速按鍵時(shí)占空比跳動(dòng)數(shù)值不為1的問題。經(jīng)觀測(cè)，占空比變化時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速經(jīng)過兩三秒后即可達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，并且速度誤差在±5%以內(nèi)，程序運(yùn)行正常，達(dá)到預(yù)期效果。

4 結(jié)論

整個(gè)電路主要由51單片機(jī)、L298驅(qū)動(dòng)芯片、雙位數(shù)碼顯示管、按鍵四部分組成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高。經(jīng)過仿真對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行完善，結(jié)果良好，且控制質(zhì)量滿足一般應(yīng)用。要想獲得更高的控制效果，可以考慮加上轉(zhuǎn)速裝置或電流檢測(cè)裝置構(gòu)成閉環(huán)PID控制系統(tǒng)以提高控制精度，還可以利用單片機(jī)的串口與上位機(jī)進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)調(diào)節(jié)PID參數(shù)等，相信效果會(huì)更好。

參考文獻(xiàn)

[1]李朝青.單片機(jī)原理及接口技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

[2]田云.基于51單片機(jī)的直流電機(jī)調(diào)速的方法[J].雞西大學(xué)學(xué)報(bào)，2010（4）.

[3]張婧武，周靈彬.單片機(jī)系統(tǒng)的Proteus設(shè)計(jì)與仿真[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

〔編輯：劉曉芳〕

摘 要：在以51單片機(jī)為核心的基礎(chǔ)上，對(duì)直流電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了研究，并利用單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)中斷功能而產(chǎn)生PWM不同占空比信號(hào)來調(diào)節(jié)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)其正反轉(zhuǎn)、加減速的功能。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；L298；PWM信號(hào)；調(diào)速

中圖分類號(hào)：TM33 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-6835（2014）10-0040-01

隨著電機(jī)技術(shù)的發(fā)展，直流電機(jī)的成本大大降低，而其具有的響應(yīng)快速、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大、從零轉(zhuǎn)速至額定轉(zhuǎn)速具備可提供額定轉(zhuǎn)矩的性能越來越受到人們的重視，從而在各個(gè)領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用。直流電機(jī)的調(diào)速也成為一項(xiàng)應(yīng)用性很強(qiáng)的技術(shù)。

1 總體電路的設(shè)計(jì)

整個(gè)電路主體采用AT89C51單片機(jī)作為核心，P0口接LED數(shù)碼管，顯示當(dāng)前PWM信號(hào)的占空比。L298為直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片，它是一款單片集成的高電壓、高電流、雙路全橋式的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，用于連接標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平，驅(qū)動(dòng)電感負(fù)載（比如繼電器、線圈、DC和步進(jìn)電機(jī)）。L298提供兩個(gè)使能輸入端，可以在不依賴輸入信號(hào)的情況下，使能或禁用L298器件。L298低位晶體管的發(fā)射器是連接在一起的，而其對(duì)應(yīng)的外部端口則可用來連接一個(gè)外部感應(yīng)電阻。L298還提供一個(gè)額外的電壓輸入，因此其邏輯電路可以在更低的電壓下工作。單片機(jī)產(chǎn)生的PWM信號(hào)通過P2.4端送入L298 ENA端。當(dāng)ENA端電平為0時(shí)，L298 OU1、OUT2輸出電勢(shì)差為0，通過軟件改變ENA端低電平持續(xù)時(shí)間，即可調(diào)節(jié)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。為了避免控制信號(hào)受電源信號(hào)的影響，可以考慮加上光電耦合部分。P2.0與P2.1端輸出的高低電平相互轉(zhuǎn)換，即可改變電機(jī)的轉(zhuǎn)向。設(shè)置的分別控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)和加減速的4個(gè)按鍵如圖1所示。

2 軟件部分的設(shè)計(jì)

軟件部分主要分三部分，即數(shù)碼顯示子程序、按鍵掃描子程序和PWM信號(hào)產(chǎn)生子程序。數(shù)碼顯示管由于選用了雙位管，因此，顯示子程序采用動(dòng)態(tài)顯示。同時(shí)，由于只使用了4個(gè)按鍵，因此，將這4個(gè)按鍵分別接在單片機(jī)的4個(gè)I/O端口，單獨(dú)檢測(cè)各自狀態(tài)，只需要判斷各自對(duì)應(yīng)的I/O端口電平高低，即可判斷按鍵有無(wú)按下。加（減）速按鍵每按一次，占空比則減小（增加）1，最小值設(shè)置為0，最大值設(shè)置為99，初始設(shè)定為50.當(dāng)正反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換時(shí)，為了避免將電機(jī)燒壞，改變轉(zhuǎn)向時(shí)，將單片機(jī)對(duì)應(yīng)的I/O端口都設(shè)置為1或者0，使電機(jī)的電勢(shì)差為0，并持續(xù)一段時(shí)間后再進(jìn)行轉(zhuǎn)換。PWM信號(hào)的產(chǎn)生由單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器中斷功能來實(shí)現(xiàn)，本設(shè)計(jì)設(shè)置好中斷時(shí)間后，每中斷一次，標(biāo)志位值加1，標(biāo)志位最大值設(shè)置為99.當(dāng)標(biāo)志位值小于給定占空比數(shù)值時(shí)，電平置0，否則置1，由此產(chǎn)生占空比不同的PWM信號(hào)。

3 程序調(diào)試和仿真

經(jīng)過Proteus仿真（見圖2），對(duì)程序進(jìn)行了進(jìn)一步的完善。例如，加入按鍵防抖和按鍵松手檢測(cè)部分程序，解決了初期按加（減）速按鍵時(shí)占空比跳動(dòng)數(shù)值不為1的問題。經(jīng)觀測(cè)，占空比變化時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速經(jīng)過兩三秒后即可達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，并且速度誤差在±5%以內(nèi)，程序運(yùn)行正常，達(dá)到預(yù)期效果。

4 結(jié)論

整個(gè)電路主要由51單片機(jī)、L298驅(qū)動(dòng)芯片、雙位數(shù)碼顯示管、按鍵四部分組成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高。經(jīng)過仿真對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行完善，結(jié)果良好，且控制質(zhì)量滿足一般應(yīng)用。要想獲得更高的控制效果，可以考慮加上轉(zhuǎn)速裝置或電流檢測(cè)裝置構(gòu)成閉環(huán)PID控制系統(tǒng)以提高控制精度，還可以利用單片機(jī)的串口與上位機(jī)進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)調(diào)節(jié)PID參數(shù)等，相信效果會(huì)更好。

參考文獻(xiàn)

[1]李朝青.單片機(jī)原理及接口技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

[2]田云.基于51單片機(jī)的直流電機(jī)調(diào)速的方法[J].雞西大學(xué)學(xué)報(bào)，2010（4）.

[3]張婧武，周靈彬.單片機(jī)系統(tǒng)的Proteus設(shè)計(jì)與仿真[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

〔編輯：劉曉芳〕