直流電機(jī)的小車(chē)運(yùn)動(dòng)控制設(shè)計(jì)方案

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專(zhuān)心-專(zhuān)注-專(zhuān)業(yè)專(zhuān)心-專(zhuān)注-專(zhuān)業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專(zhuān)心-專(zhuān)注-專(zhuān)業(yè)基于直流電機(jī)的小車(chē)運(yùn)動(dòng)控制設(shè)計(jì)目錄 TOC o 1-2 h z u 摘要3前言4第1章 系統(tǒng)概述5第2章 直流電機(jī)工作原理6第2.1節(jié) 直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)6第2.2節(jié) 直流電機(jī)的分類(lèi)6第2.3節(jié) 直流電動(dòng)機(jī)的工作原理7第2.4節(jié) 直流電機(jī)的可逆運(yùn)行原理7第3章 脈沖寬度調(diào)制(PWM控制技術(shù)9第3.1節(jié) 脈沖寬度調(diào)制基本原理9第3.2節(jié) 脈沖寬度調(diào)制具體過(guò)程10第3.3節(jié) 脈沖寬度調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)10第3.4節(jié) 脈沖寬度調(diào)制控制方法11第3.5節(jié) 脈沖寬度調(diào)制相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域11第4章

2、 硬件設(shè)計(jì)12第4.1節(jié) 供電電源模塊12第4.2節(jié) 控制器模塊12第4.3節(jié) 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊15第4.4節(jié) 測(cè)速模塊17第4.5節(jié) 顯示模塊17第5章 軟件設(shè)計(jì)19第5.1節(jié) 主程序設(shè)計(jì)19第5.2節(jié) 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)算法19第5.3節(jié) 測(cè)速算法21第5.4節(jié) 數(shù)碼管顯示算法21總結(jié)23參考文獻(xiàn)24致謝25附錄26摘要本文主要介紹了基于直流電機(jī)的小車(chē)運(yùn)動(dòng)控制設(shè)計(jì)。該車(chē)以玩具小車(chē)為車(chē)體，直流電機(jī)及其控制電路為整個(gè)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)部分，AT89S51單片機(jī)為整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，采用ST188反射式光電傳感器來(lái)檢測(cè)小車(chē)的運(yùn)行速度，并通過(guò)一個(gè)4位一體的數(shù)碼管顯示出來(lái)，使用驅(qū)動(dòng)芯片74HC245來(lái)驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管的顯示

3、；整個(gè)系統(tǒng)使用5V的直流電源供電，直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用PWM控制技術(shù)，可以靈活方便地對(duì)車(chē)速進(jìn)行控制。關(guān)鍵詞：直流電機(jī)，單片機(jī)，小車(chē)Abstract : In this paper, the car based DC motor motion control design , the toy car as the car body , DC motor and control circuit for the driving part of the whole system , AT89S51 microcontroller core for the control of the entire sys

4、tem , using ST188 reflective photoelectric sensor to detect the cars speed , and through a 4-in-one digital display up , use the driver IC 74HC245 to control the digital tube display . the system uses the 5V DC voltage power supply,DC motor-driven use PWM control technology, the flexibility to easil

5、y control the speed .Key words: DC motor , MCU , car前言隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和制造技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)碼相機(jī)、DVD、洗衣機(jī)、汽車(chē)等消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品越來(lái)越呈現(xiàn)光機(jī)電一體化、智能化、小型化等趨勢(shì)。各種智能化小車(chē)在市場(chǎng)玩具中也占一個(gè)很大的比例。根據(jù)美國(guó)玩具協(xié)會(huì)的調(diào)查統(tǒng)計(jì)，近年來(lái)全球玩具銷(xiāo)量增幅與全球平均GDP增幅大致相當(dāng)。而全球玩具市場(chǎng)的內(nèi)在結(jié)構(gòu)比重卻發(fā)生了重大改變：傳統(tǒng)玩具的市場(chǎng)比重正在逐步縮水，高科技含量的電子玩具則蒸蒸日上，已經(jīng)成為玩家行業(yè)發(fā)展的主流。因此，遙控加智能的技術(shù)研究、應(yīng)用都是非常有意義而且有很高市場(chǎng)價(jià)值的。智能作為現(xiàn)代的新發(fā)明，是以

6、后的發(fā)展方向，他可以按照預(yù)先設(shè)定的模式在一個(gè)環(huán)境里自動(dòng)的運(yùn)作，不需要人為的管理，可應(yīng)用于科學(xué)勘探等等的用途。智能電動(dòng)車(chē)就是其中的一個(gè)體現(xiàn)。智能電動(dòng)車(chē)是由一個(gè)電動(dòng)玩具車(chē)改造而成，更換了電動(dòng)玩具車(chē)的電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電路，增加了電控系統(tǒng)。電控系統(tǒng)的主要任務(wù)是使智能電動(dòng)車(chē)按既定控制方法行駛。智能車(chē)輛是一個(gè)運(yùn)用計(jì)算機(jī)、傳感、信息、通信、導(dǎo)航、人工智能及自動(dòng)控制等技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)環(huán)境感知、規(guī)劃決策和自動(dòng)行駛為一體的高新技術(shù)綜合體。它在軍事、民用和科學(xué)研究等方面已獲得了應(yīng)用，隨著人工智能技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，智能控制必將迎來(lái)它的發(fā)展新時(shí)代。計(jì)算機(jī)控制與電子技術(shù)融合為電子設(shè)備智能化開(kāi)辟了廣闊前景。系統(tǒng)

7、概述控制器模塊電源模塊電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊測(cè)速模塊顯示模塊運(yùn)行電機(jī)整個(gè)系統(tǒng)基于玩具小車(chē)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，小車(chē)控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖11所示。以AT89S51 單片機(jī)為控制核心，主要由電源模塊、控制器模塊、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、測(cè)速模塊和顯示模塊組成。首先，由電源模塊產(chǎn)生5V的直流電壓，供單片機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片、數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)芯片和測(cè)速模塊使用，單片機(jī)輸出相應(yīng)的控制信號(hào)給驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而控制整個(gè)小車(chē)的運(yùn)動(dòng)，直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路采用PWM電路,精確調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。測(cè)速模塊通過(guò)光電編碼盤(pán)來(lái)檢測(cè)小車(chē)的速度，將檢測(cè)得到的脈沖信號(hào)送入單片機(jī)的 T0 口進(jìn)行計(jì)數(shù), 同時(shí)完成脈沖數(shù)計(jì)算，通過(guò)定時(shí)計(jì)數(shù)器來(lái)計(jì)時(shí)間，算出實(shí)時(shí)速度，并

8、通過(guò)一個(gè)四位一體數(shù)碼管顯示出來(lái)，從而驗(yàn)證PWM控制技術(shù)對(duì)小車(chē)速度的控制；使用驅(qū)動(dòng)芯片74HC245來(lái)控制數(shù)碼管的顯示。單片機(jī)外部資源分配：P0.0P0.2 控制電機(jī)的使能和方向，P1.0P1.7和P3.0、P3.1、P3.3、P3.5用于數(shù)碼管的控制位，P3.2、P3.4 用于測(cè)速模塊的輸入。電路原理圖見(jiàn)附錄1。圖1.1 小車(chē)控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖直流電機(jī)工作原理輸出或輸入為直流電能的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，稱(chēng)為直流電機(jī)，它是能實(shí)現(xiàn)直流電能和機(jī)械能互相轉(zhuǎn)換的電機(jī)。當(dāng)它作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)是直流電動(dòng)機(jī)，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能；作發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)是直流發(fā)電機(jī)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。 直流電機(jī)在當(dāng)今生活的各方面應(yīng)用越來(lái)越廣泛，直流電

9、機(jī)的調(diào)速控制是電機(jī)應(yīng)用的一個(gè)重要技術(shù)保障。直流電機(jī)具有良好的調(diào)速性能、較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和過(guò)載能力強(qiáng)等許多優(yōu)點(diǎn)，因此在許多行業(yè)中仍有應(yīng)用。直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。直流電機(jī)運(yùn)行時(shí)靜止不動(dòng)的部分稱(chēng)為定子，定子的主要作用是產(chǎn)生磁場(chǎng)，由機(jī)座、主磁極、換向極、端蓋、軸承和電刷裝置等組成。運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)的部分稱(chēng)為轉(zhuǎn)子，其主要作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，是直流電機(jī)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的樞紐，所以通常又稱(chēng)為電樞，由轉(zhuǎn)軸、電樞鐵心、電樞繞組、換向器和風(fēng)扇等組成。直流電機(jī)的分類(lèi)按結(jié)果主要分為直流電動(dòng)機(jī)和直流發(fā)電機(jī)；按類(lèi)型主要分為直流有刷電機(jī)和直流無(wú)刷電機(jī)。直流電機(jī)的勵(lì)磁方式是指對(duì)勵(lì)磁繞組如何供電

10、、產(chǎn)生勵(lì)磁磁通勢(shì)而建立主磁場(chǎng)的問(wèn)題。根據(jù)勵(lì)磁方式的不同，直流電機(jī)可分為下列幾種類(lèi)型。他勵(lì)直流電機(jī)勵(lì)磁繞組與電樞繞組無(wú)聯(lián)接關(guān)系，而由其他直流電源對(duì)勵(lì)磁繞組供電的直流電機(jī)稱(chēng)為他勵(lì)直流電機(jī)，永磁直流電機(jī)也可看作他勵(lì)直流電機(jī)。并勵(lì)直流電機(jī)并勵(lì)直流電機(jī)的勵(lì)磁繞組與電樞繞組相并聯(lián)，作為并勵(lì)發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)，是電機(jī)本身發(fā)出來(lái)的端電壓為勵(lì)磁繞組供電；作為并勵(lì)電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，勵(lì)磁繞組與電樞共用同一電源，從性能上講與他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)相同。串勵(lì)直流電機(jī)串勵(lì)直流電機(jī)的勵(lì)磁繞組與電樞繞組串聯(lián)后，再接于直流電源，這種直流電機(jī)的勵(lì)磁電流就是電樞電流。復(fù)勵(lì)直流電機(jī)復(fù)勵(lì)直流電機(jī)有并勵(lì)和串勵(lì)兩個(gè)勵(lì)磁繞組，若串勵(lì)繞組產(chǎn)生的磁通勢(shì)與并勵(lì)繞組產(chǎn)生

11、的磁通勢(shì)方向相同稱(chēng)為積復(fù)勵(lì)。若兩個(gè)磁通勢(shì)方向相反，則稱(chēng)為差復(fù)勵(lì)。不同勵(lì)磁方式的直流電機(jī)有著不同的特性。一般情況直流電動(dòng)機(jī)的主要?jiǎng)?lì)磁方式是并勵(lì)式、串勵(lì)式和復(fù)勵(lì)式，直流發(fā)電機(jī)的主要?jiǎng)?lì)磁方式是他勵(lì)式、并勵(lì)式和和復(fù)勵(lì)式。直流電動(dòng)機(jī)的工作原理導(dǎo)體受力的方向用左手定則確定。這一對(duì)電磁力形成了作用于電樞一個(gè)力矩，這個(gè)力矩在旋轉(zhuǎn)電機(jī)里稱(chēng)為電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩的方向是逆時(shí)針?lè)较?，企圖使電樞逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。如果此電磁轉(zhuǎn)矩能夠克服電樞上的阻轉(zhuǎn)矩例如由摩擦引起的阻轉(zhuǎn)矩以及其它負(fù)載轉(zhuǎn)矩），電樞就能按逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)起來(lái)。圖2.1 直流電動(dòng)機(jī)的原理模型圖2.2 直流電動(dòng)機(jī)原理模型如圖2.1和2.2所示，當(dāng)電樞轉(zhuǎn)了180后，導(dǎo)體

12、cd轉(zhuǎn)到 N極下，導(dǎo)體ab轉(zhuǎn)到S極下時(shí)，由于直流電源供給的電流方向不變，仍從電刷 A流入，經(jīng)導(dǎo)體cd 、ab 后，從電刷B流出。這時(shí)導(dǎo)體cd 受力方向變?yōu)閺挠蚁蜃?，?dǎo)體ab 受力方向是從左向右，產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩的方向仍為逆時(shí)針?lè)较?。因此，電樞一?jīng)轉(zhuǎn)動(dòng)，由于換向器配合電刷對(duì)電流的換向作用，直流電流交替地由導(dǎo)體 ab和cd 流入，使線圈邊只要處于N 極下，其中通過(guò)電流的方向總是由電刷A 流入的方向，而在S 極下時(shí)，總是從電刷 B流出的方向。這就保證了每個(gè)極下線圈邊中的電流始終是一個(gè)方向，從而形成一種方向不變的轉(zhuǎn)矩，使電動(dòng)機(jī)能連續(xù)地旋轉(zhuǎn)。這就是直流電動(dòng)機(jī)的工作原理。直流電機(jī)的可逆運(yùn)行原理一臺(tái)直流電機(jī)原

13、則上既可以作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，也可以作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，這種原理在電機(jī)理論中稱(chēng)為可逆原理。當(dāng)原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電樞繞組在主磁極N、S之間旋轉(zhuǎn)時(shí)，電樞繞組上感生出電動(dòng)勢(shì)，經(jīng)電刷、換向器裝置整流為直流后，引向外部負(fù)載控制技術(shù)脈沖寬度調(diào)制(PWM，是英文“Pulse Width Modulation”的縮寫(xiě)，簡(jiǎn)稱(chēng)脈寬調(diào)制，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。脈沖寬度調(diào)制是一種模擬控制方式，其根據(jù)相應(yīng)載荷的變化來(lái)調(diào)制晶體管柵極或基極的偏置，來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源輸出晶體管或晶體管導(dǎo)通時(shí)間的改變，這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時(shí)保持

14、恒定，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)。PWM控制技術(shù)以其控制簡(jiǎn)單，靈活和動(dòng)態(tài)響應(yīng)好的優(yōu)點(diǎn)而成為電力電子技術(shù)最廣泛應(yīng)用的控制方式，也是人們研究的熱點(diǎn).由于當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)沒(méi)有了學(xué)科之間的界限,結(jié)合現(xiàn)代控制理論思想或?qū)崿F(xiàn)無(wú)諧振軟開(kāi)關(guān)技術(shù)將會(huì)成為PWM控制技術(shù)發(fā)展的主要方向之一。脈沖寬度調(diào)制基本原理隨著電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了多種PWM技術(shù)，其中包括：相電壓控制PWM、脈寬PWM法、隨機(jī)PWM、SPWM法、線電壓控制PWM等，而在鎳氫電池智能充電器中采用的脈寬PWM法，它是把每一脈沖寬度均相等的脈沖列作為PWM波形，通過(guò)改變脈沖列的周期可以調(diào)頻，改變脈沖的寬度或

15、占空比可以調(diào)壓，采用適當(dāng)控制方法即可使電壓與頻率協(xié)調(diào)變化?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)整PWM的周期、PWM的占空比而達(dá)到控制充電電流的目的。 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。9V電池就是一種模擬器件，因?yàn)樗妮敵鲭妷翰⒉痪_地等于9V，而是隨時(shí)間發(fā)生變化，并可取任何實(shí)數(shù)值。與此類(lèi)似，從電池吸收的電流也不限定在一組可能的取值范圍之內(nèi)。模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)的區(qū)別在于后者的取值通常只能屬于預(yù)先確定的可能取值集合之內(nèi)，例如在0V, 5V這一集合中取值。 模擬電壓和電流可直接用來(lái)進(jìn)行控制，如對(duì)汽車(chē)收音機(jī)的音量進(jìn)行控制。在簡(jiǎn)單的模擬收音機(jī)中，音量旋鈕被連接到一個(gè)可變電阻。擰動(dòng)旋鈕時(shí)，電阻值變大或變

16、??；流經(jīng)這個(gè)電阻的電流也隨之增加或減少，從而改變了驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器的電流值，使音量相應(yīng)變大或變小。與收音機(jī)一樣，模擬電路的輸出與輸入成線性比例。 盡管模擬控制看起來(lái)可能直觀而簡(jiǎn)單，但它并不總是非常經(jīng)濟(jì)或可行的。其中一點(diǎn)就是，模擬電路容易隨時(shí)間漂移，因而難以調(diào)節(jié)。能夠解決這個(gè)問(wèn)題的精密模擬電路可能非常龐大、笨重(如老式的家庭立體聲設(shè)備和昂貴。模擬電路還有可能?chē)?yán)重發(fā)熱，其功耗相對(duì)于工作元件兩端電壓與電流的乘積成正比。模擬電路還可能對(duì)噪聲很敏感，任何擾動(dòng)或噪聲都肯定會(huì)改變電流值的大小。 通過(guò)以數(shù)字方式控制模擬電路，可以大幅度降低系統(tǒng)的成本和功耗。此外，許多微控制器和DSP已經(jīng)在芯片上包含了PWM控制器，這

17、使數(shù)字控制的實(shí)現(xiàn)變得更加容易了。 脈沖寬度調(diào)制具體過(guò)程脈沖寬度調(diào)制，要么完全無(wú)(OFF。電壓或電流源是以一種通(ON或斷(OFF的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負(fù)載上去的。通的時(shí)候即是直流供電被加到負(fù)載上的時(shí)候，斷的時(shí)候即是供電被斷開(kāi)的時(shí)候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進(jìn)行編碼。多數(shù)負(fù)載(無(wú)論是電感性負(fù)載還是電容性負(fù)載需要的調(diào)制頻率高于10Hz，通常調(diào)制頻率為1kHz到200kHz之間。許多微控制器內(nèi)部都包含有PWM控制器。例如，Microchip公司的PIC16C67內(nèi)含兩個(gè)PWM控制器，每一個(gè)都可以選擇接通時(shí)間和周期。占空比是接通時(shí)間與周期之比；調(diào)制頻率為周期的倒數(shù)。執(zhí)行PWM操作之前

18、，這種微處理器要求在軟件中完成以下工作： 設(shè)置提供調(diào)制方波的片上定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的周期 在PWM控制寄存器中設(shè)置接通時(shí)間 設(shè)置PWM輸出的方向，這個(gè)輸出是一個(gè)通用I/O管腳 啟動(dòng)定時(shí)器使能PWM控制器 脈沖寬度調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)PWM的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是從處理器到被控系統(tǒng)信號(hào)都是數(shù)字形式的，無(wú)需進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。讓信號(hào)保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小。噪聲只有在強(qiáng)到足以將邏輯1改變?yōu)檫壿?或?qū)⑦壿?改變?yōu)檫壿?時(shí)，也才能對(duì)數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生影響。 對(duì)噪聲抵抗能力的增強(qiáng)是PWM相對(duì)于模擬控制的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，而且這也是在某些時(shí)候?qū)WM用于通信的主要原因。從模擬信號(hào)轉(zhuǎn)向PWM可以極大地延長(zhǎng)通信距離。在接收端，通過(guò)適當(dāng)?shù)腞C

19、或LC網(wǎng)絡(luò)可以濾除調(diào)制高頻方波并將信號(hào)還原為模擬形式。 總之，PWM經(jīng)濟(jì)、節(jié)約空間、抗噪性能強(qiáng)，是一種值得廣大工程師在許多設(shè)計(jì)應(yīng)用中使用的有效技術(shù)。脈沖寬度調(diào)制控制方法采樣控制理論中有一個(gè)重要結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。PWM控制技術(shù)就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ),對(duì)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷進(jìn)行控制，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖，用這些脈沖來(lái)代替正弦波或其他所需要的波形，按一定的規(guī)則對(duì)各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制,既可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。PWM控制的基本原理很早就已經(jīng)提出，但是受電力電子器件發(fā)展水平的制約，在上世紀(jì)80年代

20、以前一直未能實(shí)現(xiàn)。直到進(jìn)入上世紀(jì)80年代,隨著全控型電力電子器件的出現(xiàn)和迅速發(fā)展，PWM控制技術(shù)才真正得到應(yīng)用.隨著電力電子技術(shù)，微電子技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展以及各種新的理論方法，如現(xiàn)代控制理論，非線性系統(tǒng)控制思想的應(yīng)用，PWM控制技術(shù)獲得了空前的發(fā)展。到目前為止，已出現(xiàn)了多種PWM控制技術(shù)，根據(jù)PWM控制技術(shù)的特點(diǎn)，到目前為止主要有以下8類(lèi)方法：相電壓控制PWM線電壓控制PWM電流控制PWM空間電壓矢量控制PWM 矢量控制PWM直接轉(zhuǎn)矩控制PWM非線性控制PWM諧振軟開(kāi)關(guān)PWM脈沖寬度調(diào)制相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域PWM控制技術(shù)主要應(yīng)用在電力電子技術(shù)行業(yè),包括風(fēng)力發(fā)電、電機(jī)調(diào)速、直流供電等領(lǐng)域，由于其四

21、象限變流的特點(diǎn)，可以反饋再生制動(dòng)的能量，對(duì)于目前國(guó)家提出的節(jié)能減排具有積極意義。硬件設(shè)計(jì)供電電源模塊由于系統(tǒng)CPU、小車(chē)電機(jī)、傳感器及其他部分均采用+5V供電，考慮小車(chē)功率和摩擦阻力等問(wèn)題，電源采用直流8V電池供電，經(jīng)穩(wěn)壓芯片LM7805輸出5V電壓供單片機(jī)及其他電路使用，具體接法如圖4.1。圖4.1 電源電路連接圖電路為輸出電壓+5V穩(wěn)壓電源。它由8V干電池、濾波電容C1、 C2，一只固定式三端穩(wěn)壓器(7805管構(gòu)成的，由開(kāi)關(guān)S控制電壓的輸出，為了防止電源掉電而影響電路工作，設(shè)計(jì)了電源指示電路，由一個(gè)1K的電阻和一個(gè)發(fā)光二極組成。穩(wěn)壓芯片LM7805 簡(jiǎn)介穩(wěn)壓電路由固定式三端穩(wěn)壓器LM780

22、5完成，LM7805的Vin和GND兩端形成一個(gè)并不十分穩(wěn)定的直流電壓(該電壓常常會(huì)因?yàn)槭须婋妷旱牟▌?dòng)或負(fù)載的變化等原因而發(fā)生變化。此直流電壓經(jīng)過(guò)LM7805的穩(wěn)壓和C2的濾波便在穩(wěn)壓電源的輸出端產(chǎn)生了精度高、穩(wěn)定度好的直流輸出電壓。LM7805輸入端接6VDC，輸出的是5VDC。控制器模塊控制器模塊即單片機(jī)最小系統(tǒng)單元，如圖4.2所示，其主要由51單片機(jī)、時(shí)鐘、復(fù)位電路組成，本系統(tǒng)采用外部12M晶振，便于單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器產(chǎn)生精確的定時(shí)。圖4.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖單片機(jī)簡(jiǎn)介所謂單片微型計(jì)算機(jī)，是指將組成微型計(jì)算機(jī)的基本功能部件，如中央處理器CPU、存儲(chǔ)器ROM和RAM、輸入/輸出I/O）接

23、口電路等集成在一塊集成電路芯片上的微型計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)稱(chēng)單片機(jī)。在過(guò)去的幾十年中，電子工業(yè)飛速發(fā)展。隨著微處理器芯片的集成度越來(lái)越高，單片機(jī)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，并逐漸發(fā)展成為一門(mén)關(guān)鍵的技術(shù)學(xué)科。單片機(jī)具有體積小、重量輕、耗電少、電源單一、功能強(qiáng)、價(jià)格低、運(yùn)行速度快、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高等一些突出的優(yōu)點(diǎn)，所以單片機(jī)已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于智能儀表、工業(yè)控制、家用電器、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信領(lǐng)域中的應(yīng)用、醫(yī)用設(shè)備領(lǐng)域中。MCS-51單片機(jī)的結(jié)構(gòu)單片機(jī)SCMFlash閃速存儲(chǔ)器；4K字節(jié)在系統(tǒng)編程；1000次擦寫(xiě)周期；4.05.5 V工作電壓范圍；全靜態(tài)工作模式：0Hz33MHz；三級(jí)程序加密鎖；128字節(jié)內(nèi)部RAM；

24、32個(gè)可編程I/O口線；2個(gè)16位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器；6個(gè)中斷源；全雙工串行UART通道；低工耗空閑和掉電模式；中斷可從空閑模式喚醒系統(tǒng)；看門(mén)狗(WDT及雙數(shù)據(jù)指針；掉電標(biāo)識(shí)和快速編程特性。AT89S51的引腳功能電源及時(shí)鐘引腳：包括電源引腳Vcc、Vss及時(shí)鐘引腳XTAL1、XTAL2；電源引腳接人單片機(jī)的工作電源，Vcc(40腳接+5V電源，Vss(20腳接地。P0口(P0.0P0.7：為雙向8位三態(tài)IO口，當(dāng)作為I/O口使用時(shí)，可直接連接外部I/O設(shè)備。它是地址總線低8位及數(shù)據(jù)總線分時(shí)復(fù)用口，可驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL負(fù)載。一般作為擴(kuò)展時(shí)地址/數(shù)據(jù)總線口使用。P1口(P1.0P1.7：為8位準(zhǔn)雙向IO

25、口，它的每一位都可以分別定義為輸入線或輸出線(作為輸入時(shí)，口鎖存器必須置1，可驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL負(fù)載。P2口(P2.0P2.7：為8位準(zhǔn)雙向IO口，當(dāng)作為I/O口使用時(shí)，可直接連接外部I/O設(shè)備。它是與地址總線高8位復(fù)用，可驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL負(fù)載。一般作為擴(kuò)展時(shí)地址總線的高8位使用。P3口(P3.0P3.7：為8位準(zhǔn)雙向IO口，是雙功能復(fù)用口，可驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL負(fù)載。P3口除了一般I/O線的功能外，還具有更為重要的第二功能，如表4-1所示。P3口同時(shí)為FLASH編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。表4-1 P3口的第二功能端口引腳第二功能P3.0RXD串行輸入口）P3.1TXD串行輸出口）P3.2/INTO

26、外部中斷0）P3.3/INT1外部中斷1）P3.4T0定時(shí)器0外部輸入）P3.5T1定時(shí)器1外部輸入）P3.6/WR外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通）P3.7/RD外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。ALE/PROG：地址鎖存使能信號(hào)輸出端。當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的低位字節(jié)。在平時(shí)，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)。/PSEN：程序存儲(chǔ)器輸出使能端。低電平有效，在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次/PSEN有效。但在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存

27、儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的/PSEN信號(hào)將不出現(xiàn)。/EA/VPP：片內(nèi)程序存儲(chǔ)器屏蔽控制端，低電平有效。當(dāng)/EA保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。當(dāng)/EA端保持高電平時(shí)，執(zhí)行片內(nèi)程序存儲(chǔ)器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源和驅(qū)動(dòng)芯片74HC245構(gòu)成，用于顯示測(cè)量到的電壓值。數(shù)碼管具有低耗能、低損耗、低壓、長(zhǎng)壽命等特點(diǎn)，對(duì)外界環(huán)境要求低，易于維護(hù)，同時(shí)其精度比較高，精確可靠，操作簡(jiǎn)單。該設(shè)計(jì)使用的是一個(gè)共陽(yáng)極的數(shù)碼管，每一位數(shù)碼管的原理圖如圖4.7所示。每一位數(shù)碼管的a,b,c,d,e,f,g和dp端都各自連接在一起，用于接

28、收AT89S51的P1口產(chǎn)生的顯示段碼。1，2，3，4引腳端為其位選端，用于接收AT89S51的P3口產(chǎn)生的位選碼。圖4.7 一位數(shù)碼管的原理圖74HC245芯片介紹74HC245為三態(tài)輸出的八組總線收發(fā)器，在本實(shí)驗(yàn)中作為驅(qū)動(dòng)芯片使用，用于驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管的點(diǎn)亮。其引腳圖見(jiàn)附錄3。A：A總線端；B：B總線端；/G：三態(tài)允許端低電平有效）；DIR：方向控制端；Vcc：電源；GND：接地。軟件設(shè)計(jì)主程序設(shè)計(jì)初始化開(kāi)始初始化INT0用于測(cè)速開(kāi)始運(yùn)行電機(jī)初始化定時(shí)器0，產(chǎn)生PWM信號(hào)計(jì)算速度并顯示結(jié)束本系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的各個(gè)模塊算法為：直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)算法，測(cè)速算法，數(shù)碼管顯示算法。系統(tǒng)總體程序框圖如圖 5.1所示

29、。其中，在小車(chē)運(yùn)行的過(guò)程中，會(huì)不斷調(diào)用測(cè)速算法，并通過(guò)數(shù)碼管將實(shí)時(shí)速度顯示出來(lái)。圖 5.1 主程序流程圖直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)算法硬件參數(shù)分析設(shè)計(jì)中所使用的直流電機(jī)的工作電壓為4.86V，轉(zhuǎn)速R為每秒480轉(zhuǎn)600轉(zhuǎn)，設(shè)定PWM波形的周期為18ms，可以得到4.8V對(duì)應(yīng)的脈寬=3.2ms，6V對(duì)應(yīng)的脈寬為=4.0ms。由此可得到脈寬t與轉(zhuǎn)速R的關(guān)系為：，則有,dR為補(bǔ)償值。碼盤(pán)每轉(zhuǎn)一周就產(chǎn)生2兩個(gè)脈沖，采樣周期為T(mén)s，則Ts時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)為輸出高電平；當(dāng)time0_count=t輸出低電平；當(dāng)time0_count=PWM_T脈沖周期）時(shí)，time0_count被清零，完成一個(gè)PWM 波的輸出。此時(shí)調(diào)用

30、PWM_setting子函數(shù)，通過(guò)該子程序重新設(shè)定轉(zhuǎn)速。程序代碼見(jiàn)附錄4。測(cè)速算法為了可以實(shí)時(shí)觀察小車(chē)的運(yùn)行狀態(tài)，在小車(chē)的右側(cè)前輪旁安裝有一個(gè)光電傳感器 ST188，車(chē)輪內(nèi)側(cè)粘貼有一個(gè)黑白相間的電碼盤(pán)，其形狀如圖 4.6 所示。車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)電碼盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，使光電傳感器狀態(tài)產(chǎn)生變化，可檢測(cè)到一個(gè)個(gè)的脈沖，記錄兩個(gè)脈沖所間隔的時(shí)間，便能得到實(shí)際車(chē)速，然后調(diào)用顯示函數(shù)顯示。由此就可以得到小車(chē)運(yùn)行時(shí)的實(shí)時(shí)速度，來(lái)驗(yàn)證PWM控制技術(shù)對(duì)小車(chē)速度的控制。測(cè)速程序的流程圖如圖5.3 所示。開(kāi)始計(jì)算與上一次脈沖相隔的時(shí)間保存當(dāng)前時(shí)間脈沖總數(shù)加1返回圖5.3 測(cè)速程序的流程圖數(shù)碼管顯示算法顯示子程序采用動(dòng)態(tài)掃描法實(shí)

31、現(xiàn)四位數(shù)碼管的數(shù)值顯示。檢測(cè)所得的數(shù)據(jù)放在70H內(nèi)存單元中，測(cè)量數(shù)據(jù)在顯示時(shí)需轉(zhuǎn)換成10進(jìn)制BCD碼放在78H7AH單元中。寄存器C0用作顯示數(shù)據(jù)地址指針。程序流程圖如圖5.4所示。程序代碼見(jiàn)附錄5。C0=C0+1C0P0查表取相應(yīng)段碼C0=C0+1C0P0查表取相應(yīng)段碼結(jié)束點(diǎn)亮小數(shù)點(diǎn)開(kāi)始C0P0查表取相應(yīng)段碼初始化圖5.4 顯示子程序流程圖總結(jié)短短四個(gè)月畢業(yè)設(shè)計(jì)，每天忙忙碌碌，一步一步走來(lái)，今天終于迎來(lái)了自己的成果。在這期間，經(jīng)常遇到各種各樣的問(wèn)題，時(shí)常為不能解決的問(wèn)題而一籌莫展，但這并未因此打消我的信心，而是使我更加專(zhuān)著的去解決問(wèn)題，也因此這相對(duì)短暫的時(shí)間卻是幾年來(lái)過(guò)得最為充實(shí)的日子，充滿

32、了挑戰(zhàn)的艱辛與樂(lè)趣。在老師的指導(dǎo)和督促下，經(jīng)過(guò)這幾個(gè)月的緊張?jiān)O(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，我的畢業(yè)設(shè)計(jì)基于直流電機(jī)的小車(chē)運(yùn)動(dòng)控制設(shè)計(jì)終于完成了。通過(guò)本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)使我所學(xué)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)得到了綜合的運(yùn)用，對(duì)以前很多抽象、枯燥的理論知識(shí)加深了理解。 能夠順利的完成這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，也得益于指導(dǎo)教師的幫助，在他們的幫助下，通過(guò)到網(wǎng)上查資料，借閱圖書(shū)等一些途徑，使困難很快的得到解決。最終按照設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)的要求完成了自己的畢業(yè)設(shè)計(jì)，由于時(shí)間有限、自身知識(shí)水平不足，這個(gè)系統(tǒng)還不是非常地完善，我的設(shè)計(jì)還難免存在著很多不足的地方，請(qǐng)各位老師給予指正和提出寶貴的建議，我堅(jiān)信在今后的工作中我會(huì)做得更好。參考文獻(xiàn)趙德安，編著、單片機(jī)原理與應(yīng)用、

33、機(jī)械工業(yè)出版社、2009.4沈任遠(yuǎn)，吳勇編著、模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)、機(jī)械工業(yè)出版社、2006.1王俊鹍，編著、電路基礎(chǔ)、人民郵電出版社、2007.2郭勇，余小平編著、電子系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)、北京大學(xué)出版社、2007.9王彥朋，編著、大學(xué)生電子設(shè)計(jì)與應(yīng)用、中國(guó)電力出版社、2007.7藍(lán)和慧，寧武編著.單片機(jī)應(yīng)用技能精解、電子工業(yè)出版社、2009.4魏立峰，王寶興編著.單片機(jī)原理與技術(shù)應(yīng)用、北京大學(xué)出版社、2008.5楊志剛，編著、 Protel 99se電子原理圖設(shè)計(jì)技術(shù)、西安工業(yè)出版社、2001顏利彪，范蟠果編著、基于單片機(jī)的簡(jiǎn)易智能電動(dòng)車(chē)J、電子技術(shù)、2004.4Krishna C M 、Shin G

34、K.Real-Time SystemM、McCraw-Hill Companies、1997JeanJ.Labrosse、 uc/OS-II The Real-Time KernelM、北京航空航天大學(xué)出版社、2003致謝在本文即將完成之際，我首先要衷心地感謝我的指導(dǎo)老師邵雷老師。老師在學(xué)習(xí)方法、研究思路等方面給予了我悉心的指導(dǎo)。從論文的選題、研究理論、框架結(jié)構(gòu)、直至撰寫(xiě)、修改和定稿等各個(gè)環(huán)節(jié)均嚴(yán)格把關(guān)；使我在學(xué)習(xí)和工作中，都受益匪淺，這些對(duì)我的生活和工作都起著不可估量的影響，在此，我對(duì)敬愛(ài)的老師表示衷心的感謝！他始終如一地關(guān)心我各方面上的進(jìn)展，悉心指導(dǎo)研究的各個(gè)環(huán)節(jié)，反復(fù)審閱了論文稿，提出許

35、多修改意見(jiàn)，為本文的完成付出了很多心血。他淵博的學(xué)術(shù)造詣及嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度給我以深刻教誨，深信將受益終身。最后，對(duì)所有在我的成長(zhǎng)道路上關(guān)心和幫助過(guò)我的老師、同學(xué)、親友表示衷心的感謝。附錄附錄1：電路原理圖附錄2：MCS-51單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖附錄3：芯片引腳圖AT89S51芯片引腳圖74HC245引腳圖附錄4：直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序代碼#include sbit INT_0=P32。 /將P3.2設(shè)為外部中斷0sbit pulse_A=P00。 /P0.0為脈沖A輸入sbit PWM=P02。 /PWM波形輸出#define PWM_T 1800 /定義PWM的周期為18ms#define Ts 100

36、0 /定義采樣時(shí)間為10 ms#define time_data (256-10 /定時(shí)器預(yù)定值，12M時(shí)鐘，定時(shí)0.01msBit direction。 /方向標(biāo)志位unsigned char R。 /需要得到的轉(zhuǎn)速 bit real_direction。 /電機(jī)實(shí)際運(yùn)行方向unsigned char Rr。 /實(shí)際轉(zhuǎn)速bit compensate_polarity。 /補(bǔ)償極性u(píng)nsigned char dR。 /轉(zhuǎn)速補(bǔ)償unsigned char PWM_t。 /PWM_t為脈沖寬度unsigned char PWM_count。 /輸出PWM周期計(jì)數(shù)unsigned char puls

37、eB_count。 /脈沖計(jì)數(shù)unsigned char time0_count。 /定時(shí)計(jì)數(shù)unsigned char time1_count。 /定時(shí)計(jì)數(shù)void timer_init( /初始化設(shè)置定時(shí)器 TMOD=0 x22。 /定時(shí)器1為工作模式2，0為模式2PCON=0X00。 TF0=0。TH0=timer_data。 /保證定時(shí)時(shí)長(zhǎng)為0.01msTL0=TH0。TH1=timer_data。 /保證定時(shí)時(shí)長(zhǎng)為0.01msTL1=TH0。ET0=1。 /定時(shí)器0中斷允許TR0=1。 /定時(shí)器0開(kāi)始計(jì)數(shù)ET1=1。 /定時(shí)器1中斷允許TR1=1。 /定時(shí)器1開(kāi)始計(jì)數(shù)EA=1。 /中

38、斷允許void INT0_INIT(void /設(shè)定INT0的工作方式 pulseB_count=0。 /脈沖計(jì)數(shù)器清零 IT0=1。 /選擇INT0為邊沿觸發(fā)方式 EX0=1。 /外部中斷允許 EA=1。 /系統(tǒng)中斷允許viod setting_PWM( /設(shè)置PWM 的脈沖寬度和方向 direction=1。 /設(shè)定轉(zhuǎn)動(dòng)方向R=540。 /設(shè)定轉(zhuǎn)速Dr=0。 /轉(zhuǎn)速補(bǔ)償為0calculate_PWM_t(。 /重新計(jì)算脈寬void calculate_PWM_t( /計(jì)算脈沖寬度 if(compensate_polarity= =1 /正補(bǔ)償 PWM_t=(R+dR/150。 else PWM_t=(R-dR/150。 /負(fù)修正v