单片机控制直流脉宽调速系统设计.doc

1、摘 要AbstractThe DC motor is a kind of motors which was the first invented and applied by human. In all kinds of motors, the DC motor has a good starting, braking and speed performance, so it has been widely used in industrial, aerospace fields. The technology most commonly used in the system of speed

2、 controlling of DC motor is PWM(Pulse Width Modulation),the technology used in speed controlling based on PWM has many advantages, such as: high speed controlling, fast response, wide range, and low loss and so on. Therefore, it is used widely in many aspects.This paper studies the use of MCS-51 ser

3、ies single-chip PWM control signal in order to achieve DC motor speed control methods. Article uses a special system of chips occurs PWM signal, and the principle of the PWM signal generated by the software and how to program the PWM signal duty cycle is adjusted to control the input signal waveform

4、 of detail etc. elaboration. In addition, we also used as the IR2110 chip forward speed DC motor driven power amplifier module, and to combine it with the delay circuit for controlling the DC motor is completed in the main circuit.Keywords MCS-51 SCM; PWM； speed regulating system of DC27目 录摘 要IAbstr

5、actII第1章 绪论11.1 直流调速的意义11.2 直流电动机的发展11.3 脉宽调速系统的国内外发展概况21.4 本文主要研究内容3第2章 直流电动机的调速系统设计42.1 直流电动机调速原理42.2 直流调速的实现方法52.3 PWM脉宽调制原理52.3.1 PWM调速原理52.3.2 PWM调速方法62.4 本章小结6第3章 硬件电路设计73.1 系统设计的整体框图73.2 MCS-51单片机简介73.2.1 51单片机的基本组成73.2.2 MCS-51单片机引脚图83.3 驱动电路设计93.3.1 IR2110芯片结构及引脚说明93.3.2 桥式可逆PWM变换器的设计113.4

6、霍尔传感器的测速模块设计133.4.1 霍尔元件的工作原理133.4.2 霍尔传感器电路图143.5 显示模块设计143.5.1 芯片介绍143.5.2 显示模块电路图163.6 驱动电路主电路图163.7 本章小结17第4章 系统软件设计184.1 软件设计分析184.2 主程序设计184.3 PWM控制程序设计224.4 本章小结23结论24致谢25参考文献26附录27第1章 绪论1.1 直流调速的意义现在电气传动的主要方向之一是电动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、西门子等都在竞相开发数字式调速传动装置，经过二十几年的发

7、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。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，电动机稳态运行时转速精度等方面达到较高水平。由

8、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，但是直流电动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动机调速装置的优点，具有重要的实际意义和重大的经济价值。1.2 直流电动机的发展直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平

9、滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。从控制的角度来看，直流调速还是交流拖动系统的基础。早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础，采用运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成，控制系统的硬件部分非常复杂，功能单一，而且系统非常不灵活、调试困难，阻碍了直流电动机控制技术的发展和应用范围的推广。随着单片机技术的日新月异，使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成，为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，并使系统能达到更高的性能。采用单片机构成控制系统，可以节约人力资源和降低系统成本，从而有效的提高工作效率。在实际应用中，电动机作为把电能转换为机械能的主要设备，一

10、是要具有较高的能量转换效率；二是应能根据生产工艺的要求调整转速。电动机的调速性能如何对提高产品质量、提高劳动生产率和节省电能有着直接的决定性影响。因此，调速技术一直是研究的热点。直流电动机在冶金、矿山、化工、交通、机械、纺织、航空等领域中已经得到广泛的应用。而以往直流电动机的控制只是简单的控制，很难进行调速，不能实现智能化。传统的控制系统采用模拟元件，虽在一定程度上满足了生产要求，但是因为元件容易老化和在使用中易受外界干扰影响，并且线路复杂、通用性差，控制效果受到器件性能、温度等因素的影响，故系统的运行可靠性及准确性得不到保证，甚至出现事故。如今，直流电动机的调速控制已经离不开单片机的支持，单

11、片机应用技术的飞速发展促进了自动控制技术的发展，使人类社会步入了自动化时代，单片机应用技术与其他学科领域交叉融合，促进了学科发展和专业更新，引发了新兴交叉学科与技术的不断涌现。现代科学技术的飞速发展，改变了世界，也改变了人类的生活。由于单片机的体积小、重量轻、功能强、抗干扰能力强、控制灵活、应用方便、价格低廉等特点，计算机性能的不断提高，单片机的应也更加广泛特别是在各种领域的控制、自动化等方面。目前，直流电动机调速系统数字化已经走向实用化，伴随着电子技术的高度发展，促使直流电动机调速逐步从模拟化向数字化转变，特别是单片机技术的应用，使直流电动机调速技术又进入到一个新的阶段，智能化、高可靠性已成

12、为它发展的趋势。近年来，随着科技的进步，电力电子技术得到了迅速的发展，直流电动机得到了越来越广泛的应用。直流它具有优良的调速特性,调速平滑、方便,调速范围广;过载能力大,能承受频繁的冲击负载,可实现频繁的无级快速起动、制动和反转;需要能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求，从而对直流电动机的调速提出了较高的要求，改变电枢回路电阻调速，改变电枢电压调速等技术已远远不能满足要求，这时通过PWM方式控制直流电动机调速的方法应运而生。1.3 脉宽调速系统的国内外发展概况电力电子技术、功率半导体器件的发展对电动机控制技术的发展影响极大，它们是密切相关、相互促进的。近30年来，电力电子技术的迅猛发

13、展，带动和改变着电动机控制的面貌和应用。驱动电动机的控制方案有三种：工作在通断两个状态的开关控制、相位控制和脉宽调制控制，在单向通用电动机的电子驱动电路中，主要的器件是晶闸管，后来是用相位控制的双向可控硅。在这以后，这种半控型功率器件一直主宰着电动机控制市场。到70和80年代才先后出现了全控型功率器件GTO晶闸管、GTR、POWER-MOSFET、IGBT和MCT等。利用这种有自关断能力的器件，取消了原来普通晶闸管系统所必需的换相电路，简化了电路结构，提高了效率，提高了工作频率，降低了噪声，也缩小了电力电子装置的体积和重量。后来，谐波成分大、功率因数差的相控变流器逐步由斩波器或PWM变流器所代

14、替，明显地扩大了电动机控制的调运范围，提高了调速精度，改善了快速性、效率和功率因数。直流电动机脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation-简称PWM)调速系统产生于70年代中期。最早用于不可逆、小功率驱动，例如自动跟踪天文望远镜、自动记录仪表等 。近十多年来，由于晶体管器件水平的提高及电路 技术的发展，同时又因出现了宽调速永磁直流电动机，它们之间的结合促使PWM技术的高速发展，并使电气驱动技术推进到一个新的高度。 在国外，PWM最早是在军事工业以及空间技术中应用。它以优越的性能，满足那些高速度、高精度随动跟踪系统的需求。近八、九年来，进一步扩散到民用工业，特别是在机床行业、自动

15、生产线及机器人等领域中广泛应用。如今，电子技术、计算机技术和电动机控制技术相结合的趋势更为明显，促进电动机控制技术以更快的速度发展着。随着市场的发展，客户对电动机驱动控制要求越来越高，希望它的功能更强、噪声更低、控制算法更复杂，而可靠性和系统安全操作也摆上了议事日程，同时还要求马达恒速向变速发展，还要符合全球环保法规所要求的严格环境标准。进入21世纪后，可以预期新的更高性能电力电子器件还会出现，已有的各代电力电子元件还会不断地改进提高。1.4 本文主要研究内容本文主要研究了利用MC51系列单片机控制PWM信号从而实现对直流电动机转速进行控制的方法。文章中采用了专门的芯片组成了PWM信号的发生系

16、统，并且对PWM信号的原理、产生方法以及如何通过软件编程对PWM信号占空比进行调节，从而控制其输入信号波形等均作了详细的阐述。第2章 直流电动机的调速系统设计2.1 直流电动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： （2-1）其中：电压；R励磁绕组本身的电阻；每极磁通(Wb)；电势常数；转矩常量。由上式可知，直流电动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，而且由

17、于励磁线圈电感较大，动态响应较差。所以在工业生产过程中常用的方法是电枢控制法。 图2-1 直流电动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动机的电枢上，以控制电动机的转速。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。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(PWM)

18、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，即改变直流电动机电枢上电压的“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”。 2.2 直流调速的实现方法、基于晶闸管作为主电路的调速系统基于晶闸管的调速系统是采用分离元件设计的调速系统占用的空间大，控制角难于调整，且模拟器件的固有缺陷如：温漂、零漂电压等，导致电动机的调速无法达到满意的结果。晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难，性能较差，自动化控制程度差，调速过程较为复杂，不利于工业生产和小功率电路中采用。另一问

19、题是当晶闸管导通角很小时，系统的功率因素很低，并产生较大的谐波电流，从而引起电网电压波动殃及同电网中的用电设备，造成“电力公害”。 、基于PWM为主控电路的调速系统与传统的直流调速技术相比较，PWM(脉宽调制技术)直流调速系统具有较大的优越性：主电路线路简单，需要的功率元件少；开关频率高，电流容易连续，谐波少，电动机损耗和发热都较小；低速性能好，稳速精度高，因而调速范围宽；系统频带宽，快速响应性能好，动态抗干扰能力强；主电路元件工作在开关状态，导通损耗小，装置效率高。本文是采用方法进行直流电动机调速系统的设计。采用MC51单片机、IR2110功率驱动芯片构成整个系统的核心实现对直流电动机的调速

20、。MC51单片机具有两个定时器T0和T1。通过控制定时器初值T0和T1，从而可以实现从任意端口输出不同占空比的脉冲波形。MC51控制简单，价格廉价，且利用MC51构成单片机最小应用系统，可缩小系统体积，提高系统可靠性，降低系统成本。IR2110是专门的MOSFET管和IGBT的驱动芯片，带有自举电路和隔离作用，有利于和单片机联机工作，且IGBT的工作电流可达50A，电压可达1200V，适合工业生产应用。2.3 PWM脉宽调制原理2.3.1 PWM调速原理PWM（脉冲宽度调制）是通过控制固定电压的直流电源开关频率，改变负载两端的电压，从而达到控制要求的一种电压调整方法。在PWM驱动控制的调整系统

21、中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并且根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。通过改变直流电动机电枢上电压的“占空比”来达到改变平均电压大小的目的，从而来控制电动机的转速。如下图所示： 图2-2 时序图 占空比计算公式： （2-2）如果电动机始终接通电源时，电动机转速最大为，占空比为，则电动机的平均速度为：，可见只要改变占空比，就可以得到不同的电动机速度，从而达到调速的目的。2.3.2 PWM调速方法基于单片机类由软件来实现PWM：在PWM调速系统中占空比D是一个重要参数在电源电压不变的情况下，电枢端电压的平均值取决于占空比D的大小，改变D的值可以改变电枢端电压的平均值从而达到

22、调速的目的。改变占空比D的值有三种方法：A、定宽调频法：保持不变，只改变，这样使周期(或频率)也随之改变。B、调宽调频法：保持不变，只改变，这样使周期(或频率)也随之改变。C、定频调宽法：保持周期T(或频率)不变，同时改变和。前两种方法在调速时改变了控制脉冲的周期(或频率)，当控制脉冲的频率与系统的固有频率接近时，将会引起振荡，因此常采用定频调宽法来改变占空比从而改变直流电动机电枢两端电压。利用单片机的定时计数器外加软件延时等方式来实现脉宽的自由调整，此种方式可简化硬件电路，操作性强等优点。2.4 本章小结本章主要介绍了直流电动机的调速原理，并从PWM调速原理和PWM调速的方法上对直流电动机的

23、脉宽调速做了简单的介绍。第3章 硬件电路设计3.1 系统设计的整体框图 系统总体设计框图驱动电路 MCS-51 单片机PWMLED显示信号直流电机键盘控制转速检测反馈 图3-1 系统整体设计框图3.2 MCS-51单片机简介3.2.1 51单片机的基本组成单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器的CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统。MCS-51单片机的CPU及部分部件功能：中

24、央处理器CPU：它是单片机的核心，完成运算和控制功能。 内部数据存储器：51单片机芯片中共128字节RAM单元，其地址为00H7FH。通常说的内部数据存储器就是指这128字节RAM单元，简称内部RAM。特殊功能寄存器：是用来对片内各部件进行管理、控制、监视的控制寄存器和状态寄存器，是一个特殊功能的RAM区，位于内部RAM的高128个单元，其地址为80HFFH。内部程序存储器：51单片机芯片内部共有4k字节，用于存储程序、原始数据或表格，简称内部ROM。并行I/O口：51单片机芯片内部有4个8位的I/O口（P0，P1，P2，P3），以实现数据的并行输入输出。串行口：它是用来实现单片机和其他设备之

25、间的串行数据传送。定时器：51单片机内部有2个16位的定时器，用来实现定时或者计数功能，并且以其定时或计数结果对计算机进行控制。3.2.2 MCS-51单片机引脚图 图3-2 MCS-51单片机引脚图 管脚说明： VCC：供电电压。 -i.bm hxy0:m GND：接地。 )U GR&QR %BI;(w9 P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

26、 xqdee :RD n&4xR3|z P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 p?o0&Z L#-V6. P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外

27、部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 &eF qLT: 2LzI2 Dn P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3.0 RXD（串行输入口） W8.oLh m38*s x P3.1 TXD（串行输出口） EOBh0$!e -?MpHS

28、ho$ P3.2 /INT0（外部中断0） #!Id %=P2 WE+Vs P3.3 /INT1（外部中断1） ,9o4%I tI(39 P3.4 T0（记时器0外部输入） s_o)MyCVC )Z2p Pmx P3.5 T1（记时器1外部输入） zN;u.8)h0 (;g!) P3.6 /WR（外部数据存储器写选通） z= IkMktD l?uo/u P3.7 /RD（外部数据存储器读选通） gh;6t*a (ddtRfXUN 3.3 驱动电路设计由于芯片IR2110具有双通道驱动特性，且电路简单，使用方便，价格相对便宜，具有较高的性价比，且对于直流电动机调速使用起来更加简便，因此该驱动电路

29、采用了IR2110集成芯片。3.3.1 IR2110芯片结构及引脚说明IR2110是IR公司生产的高压,高速的功率MOSFET，IGBT专用驱动芯片，具有独立的高、低端输出双通道。门电压需求在1020 V范围，悬浮通道用于驱动MOSFET的高压端电压可以达到500V。IR2100结构如下图： 图3-3 芯片IR2100引脚图引脚说明：引脚1（LO）与引脚7（HO）：对应引脚12以及引脚10的两路驱动信号输出端，使用时分别通过电阻接主电路中下上通道MOSFET的栅极。引脚2（COM）：下通道MOSFET驱动输出参考地端，使用中，与引脚13（Vss）直接相连，同时接主电路桥臂下通道MOSFET的源

30、极。引脚3（Vcc）：直接接用户提供的输出极电源正极，并且通过一个较高品质的电容接引脚2。引脚5（Vs）：上通道MOSFET驱动信号输出参考地端，使用中，与主电路中上下通道被驱动MOSFET的源极相通。引脚6（VB）：通过一阴极连接到该端阳极连接到引脚3的高反压快恢复二极管，与用户提供的输出极电源相连，对Vcc的参数要求为大于或等于0.5V，而小于或等于+20V。引脚9（VDD）：芯片输入级工作电源端，使用中，连接为该芯片工作提供的高性能电源，为抗干扰，该端应通过一高性能去耦网络接地，该端可与引脚3（Vcc）使用同一电源，也可以分开使用两个独立的电源。引脚10（HIN）与引脚12（LIN）：驱

31、动逆变桥中同桥臂上下两个功率MOS器件的驱动脉冲信号输入端。应用中，接用户脉冲形成部分的对应两路输出，对此两个信号的限制为Vss-0.5V至Vcc+0.5V，这里Vss 与Vcc分别为连接到IR2110的引脚13（Vss）与引脚9（VDD）端的电压值。引脚11（SD）：保护信号输入端，当该引脚为高电平时，IR2110的输出信号全部被封锁，其对应的输出端恒为低电平，而当该端接低电平时，则IR2110的输出跟随引脚10与12而变化。引脚13（Vss）：芯片工作参考地端，使用中，直接与供电电源地端相连，所有去耦电容的一端应接该端，同时与引脚2直接相连。引脚8、引脚14、引脚4：为空引脚。芯片参数：最

32、大高端工作电源电压VB： -0.3V至525V门极驱动输出最大（脉冲）电流IOMAX：2A最高工作频率fmax：1MHz工作电源电压Vcc：-0.3V至25V逻辑输入电压VIN：Vss-0.3V至VDD+0.3V逻辑输入参考电压Vss：Vcc-25V至Vcc+0.3V低端输出电压VLO：-0.3V至Vcc+0.3V高端悬浮电源绝对值电压VB：Vs+10V至Vs+20V低端输出电压VLO：0至Vcc低端工作电源电压Vcc：10V至20V逻辑电源电压VDD： Vss+5V至Vss+20V逻辑电源参考电压Vss： -5V至+5V3.3.2 桥式可逆PWM变换器的设计本设计同样采用选用双极式H型PWM

33、变换器。四个电力晶体管IGBT和四个续流二极管构成了H桥驱动电路。 图3-4 桥式可逆PWM变换器电路 图3-5 双极式控制可逆PWM变换器的驱动电压、输出电压和电流波形它们的关系是：。在一个开关周期内，当时，晶体管、饱和导通而、截止，这时。当时，、截止，但、不能立即导通，电枢电流经、续流，这时。在一个周期内正负相间，这是双极式PWM变换器的特征。电动机的正反转体现在驱动电压正、负脉冲的宽窄上。当正脉冲较宽时，则的平均值为正，电动机正转，当正脉冲较窄时，则反转；如果正负脉冲相等，平均输出电压为零，则电动机停止。在双极式可逆变换器中 （3-1）式中：；调速时，的可调范围为01相应的。当时，为正，

34、电动机正转；当时，为负，电动机反转；当时，电动机停止。但电动机停止时电枢电压并不等于零，而是正负脉宽相等的交变脉冲电压，因而电流也是交变的。这个交变电流的平均值等于零，不产生平均转矩，徒然增大电动机的损耗，这是双极式控制的缺点。但它也有好处，在电动机停止时仍然有高频微震电流，从而消除了正、反向时静摩擦死区，起着所谓“动力润滑”的作用。双极式控制的桥式可逆PWM变换器有以下优点：1）电流一定连续。2）可使电动机在四象限运行。3）电动机停止时有微震电流，能消除静摩擦死区。4）低速平稳性好,系统的调速范围可达1:20000左右。 5）低速平稳性好，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽，有利于保证器件的可靠导

35、通。双极式控制的电压平衡方程式： （） (3-2） （） （3-3） 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： （3-4） 则机械特性方程： （3-5）用转矩表示： （3-6）式中， 电动机在额定磁通下的转矩系数，。 理想空载转速，与电压系数成正比，。3.4 霍尔传感器的测速模块设计3.4.1 霍尔元件的工作原理金属或半导体薄片的两个端面通以控制电流I，并在薄片的垂直方向上施加磁感应强度为B的磁场，则在垂直于电流和磁场的方向上将产生电势，称为霍尔电势或霍尔电压。霍尔电势 (其中为霍尔元件灵敏度，它与所用的材料及几何尺寸有关)。这种现象称为霍尔效应，而用这种效应制成的元件称为

36、霍尔元件。图3-6 霍尔传感器磁场效应工作原理：霍尔开关集成电路中的信号放大器将霍尔元件产生的幅值随磁场强度变化的霍尔电压放大后再经信号变换器、驱动器进行整形、放大后输出幅值相等、频率变化的方波信号。信号输出端每输出一个周期的方波，代表转过了一个齿。单位时间内输出的脉冲数N，因此可求出单位时间内的速度VNT。3.4.2 霍尔传感器电路图本系统采用开关型霍尔传感器AH04E。开关型霍尔传感器是一种集成传感器，它内部含有霍尔元件、放大器、稳压电源、带一定滞后特性的比较器及集电极开路输出部分等，如下图： 图3-7 开关型霍尔传感器内部结构图霍尔传感器的电路图如下图所示： 图3-8 霍尔传感器电路图3

37、.5 显示模块设计3.5.1 芯片介绍1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字和符号的点阵型液晶模块。它由若干个57或者511等点阵字符，组成每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形。1602LCD是指显示的内容为162,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字）。管脚说明：第1脚：GND为电源地第2脚：VDD接5V电源正极第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10

38、K的电位器调整对比度）。图3-9 芯片LCD1602引脚图第4脚：RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。第5脚：RW为读写信号线，高电平(1)时进行读操作，低电平(0)时进行写操作。第6脚：E(或EN)端为使能(enable)端。第714脚：D0D7为8位双向数据端。第1516脚：空脚或背灯电源。15脚背光正极，16脚背光负极。3.5.2 显示模块电路图 图3-10 显示模块电路图 3.6 驱动电路主电路图 图3-11 驱动电路主电路图IR2110芯片驱动桥式可逆PWM变换电路的特点显著，具有调速性能好，调速频带宽，可以工作在1100 kHz范围内工作。所要求的

39、控制信号简单，只需要加入PWM信号即可。IR2110设计保护电路性能良好，安全性高，无控制信号时，电动机处于刹车状态，可用于很多工业领域。为改善PWM控制脉冲的前后沿陡度并防止振荡，减小IGBT集电极的电压尖脉冲，一般应在栅极串联十几欧到几百欧的限流电阻。在正常状态下，IGBT开通的时间越短，开通损耗也越小。但在开通过程中，因存在续流二极管D7、D8、D15、D16的反向恢复电流和吸收电容的放电电流，当IGBT的开通的时间越短，IGBT所承受的峰值电流也就越大，导致IGBT或续流二极管损耗。为了防止IGBT或二极管的损坏，就必须有目的地降低栅极驱动脉冲的上升速率，即增加栅极串联电阻的阻值，控制

40、该电流的峰值。虽然栅极串联电阻小，有利于加快关断速度和减小关断损耗，也有利于避免关断时集射极间电压的过小造成IGBT误开通。3.7 本章小结本章主要内容是对调速系统的硬件设计进行整体的介绍，对单片机的选择和各个引脚的功能进行了详细的阐述。主要介绍了驱动电路、显示电路以及霍尔传感器等模块的设计，硬件主要有MCS-51单片机、LCD1602和芯片IR2110,在本章节都有详细的功能和结构说明。第4章 系统软件设计4.1 软件设计分析在进行单片机控制系统设计时，除了系统硬件设计外，大量的工作就是如何根据每个生产对象的实际需要设计应用程序。因此，软件设计在控制系统设计中占重要地位。键盘向单片机输入相应

41、控制指令，由单片机通过输出端口输出与转速相应的PWM脉冲，驱动H型桥式电动机控制电路，实现电动机转向与转速的控制。在程序中通过软件产生PWM，送出预设占空比的PWM波形。PWM（脉冲宽度调制）是一系列周期固定、占空比可调的脉冲系列，由于每个脉冲的高电平时间和低电平时间之和必须等于周期数，所以输出电平的维持时间必须由定时器来控制。定时中断处理程序采用定时方式1，因为单片机使用12M晶振，可产生最高约为65.5ms的延时。对定时器置初值8AD0H可定时60ms。当60ms定时时间到，定时器溢出则响应该定时中断处理程序，完成对定时器的再次赋值。对于电动机的启停，在PWM控制上使用渐变的脉宽调整，即开

42、启后由停止匀加速到默认速度，停止则由于当前速度逐渐降至零。这样有利于保护电动机，如电动机运用于小车上，在启动上采用此方式也可加大启动速度，防止打滑。对于运行时间的计算、显示。配合传感器技术可用于计算距离，速度等重要的运行数据。键盘处理上采用中断方式，不必使程序对键盘反复扫描，提高了程序的效率。4.2 主程序设计定义：HDIAN0 EQU 30H ;高电平延迟时间存储单元LDIAN0 EQU 31HHDIAN1 EQU 32H ;低电平延迟时间存储单元LDIAN1 EQU 33HCOT0 EQU 34H ;速度档位A(减速用)COT1 EQU 35H ;速度档位B(加速用)WAY EQU 36H

43、 ;电动机转动方式DJ0 EQU P2.6 ;电动机控制端ADJ EQU P2.7 ;电动机控制端BK1 EQU P1.0;启动，停止K2 EQU P1.1;加速K3 EQU P1.2;减速K4 EQU P1.3 ;方向控制主程序和中断程序入口ORG 0000HLJMP MAIN ORG 0003HLJMP XINT0ORG 000BHLJMP IN0ORG 0100H初始化程序MAIN:MOV SP, #6FH SETB F0 MOV WAY,#00H ;正转MOV COT0,#5 ;变化量MOV COT1,#5MOV TMOD,#01H ;定时器0工作方式1MOV TH0,#8AH MOV TL0,#0D0HMOV HDIAN0,#8AHMOV LDIAN0,#0D0HMOV HDIAN1,#8AHMOV LDIAN1,#0D0HMOV IE,#83H ;开外中断及定时中断CLR IT0 ;电平触发方式CLR EX0 ;禁止外中断;主程序STAR:JNB K1,NEXT1