1、目 錄前言11.總體設計方案2（一）方案一：PWM波調速2（二）方案二：晶閘管調速22.單元模塊設計3（一） H橋驅動電路設計方案3（二） 調速設計方案5（三）系統硬件電路設計61.電源電路62H橋驅動電路63基于霍爾傳感器的測速模塊74LCD顯示模塊8（四） 調速設計模塊91PWM波軟件軟件設計92測速軟件設計123.系統功能調試13（一）調試軟件介紹13（二）直流電機的調速功能仿真141調速前的波形圖142調速后的波形圖14（三）電機速度的測量并顯示功能仿真15（四）系統的電路原理圖15（五）系統的PCB圖164.設計總結175.參考文獻17附錄17前言在現代電子產品中，自動控制系統，電子

2、儀器設備、家用電器、電子玩具等等方面，直流電機都得到了廣泛的應用。大家熟悉的錄音機、電唱機、錄相機、電子計算機等，都不能缺少直流電機。所以直流電機的控制是一門很實用的技術。直流電機，大體上可分為四類：幾相繞組的步進電機、永磁式換流器直流電機、伺服電機、 兩相低電壓交流電機直流電機具有良好的啟動性能和調速特性，它的特點是啟動轉矩大，最大轉矩大，能在寬廣的范圍內平滑、經濟地調速，轉速控制容易，調速后效率很高。與交流調速相比，直流電機結構復雜，生產成本高，維護工作量大。隨著大功率晶體管的問世以及矢量控制技術的成熟，使得矢量控制變頻技術獲得迅猛發展，從而研制出各種類型、各種功率的變頻調速裝置，并在工業

3、上得到廣泛應用。適用范圍：直流調速器在數控機床、造紙印刷、紡織印染、光纜線纜設備、包裝機械、電工機械、食品加工機械、橡膠機械、生物設備、印制電路板設備、實驗設備、焊接切割、輕工機械、物流輸送設備、機車車輛、醫療設備、通訊設備、雷達設備、衛星地面接受系統等行業廣泛應用。高性能的交流傳動應用比重逐年上升，在工業部門中，用可調速交流傳動取代直流傳動將成為歷史的必然。 盡管如此，我認為設計一個直流電機調速系統，不論是從學習還是實踐的角度，對一名電子信息工程專業的大學生都會產生積極地作用，有利于提高學習熱情。1.總體設計方案（一）方案一：PWM波調速采用由達林頓管組成的H型PWM電路（圖11）

4、。用單片機控制達林頓管使之工作在占空比可調的開關狀態，精確調整電動機轉速。這種電路由于工作在管子的飽和截止模式下，效率非常高；H型電路保證了可以簡單地實現轉速和方向的控制；電子開關的速度很快，穩定性也極佳，是一種廣泛采用的PWM調速技術。我們采用了定頻調寬方式，因為采用這種方式，電動機在運轉時比較穩定；并且在采用單片機產生PWM脈沖的軟件實現上比較方便。且對于直流電機，采用軟件延時所產生的定時誤差在允許范圍。圖1 PWM波調速電路其結構圖如圖12所示：單片機（速度的測量計算、輸入設定及系統控制）單片機（PID運算控制器、PWM模擬發生器）電機速度采集電路電機驅動電路鍵 盤顯示器圖2 電機調速系

5、統框圖（二）方案二：晶閘管調速采用閘流管或汞弧整流器的離子拖動系統是最早應用靜止式變流裝置供電的直流電動機調速系統。1957年，晶閘管（俗稱“可控硅”）問世，到了60年代，已生產出成套的晶閘管整流裝置，并應用于直流電動機調速系統，即晶閘管可控整流器供電的直流調速系統（V-M系統）。如圖1-3，VT是晶閘管可控整流器，通過調節觸發裝置GT的控制電壓來移動觸發脈沖的相位，即可改變整流電壓，從而實現平滑調速。晶閘管整流裝置不僅在經濟性和可靠性上都有很大提高，而且在技術性能上也顯示出較大的優越性；晶閘管可控整流器的功率放大倍數在以上，其門極電流可以直接用晶體管來控制，不再像直流發電機那樣需要較大功率的

6、放大器。在控制作用的快速性上，變流機組是秒級，而晶閘管整流器是毫秒級，這將大大提高系統的動態性能。因此，在60年代到70年代，晶閘管可控整流器供電的直流調速系統（V-M系統）代替旋轉變流機組直流電動機調速系統（G-M系統），得到了廣泛的應用。但是由于晶閘管的單向導電性，它不允許電流反向，給系統的可逆運行造成困難；晶閘管對過電壓、過電流和過高的與都十分敏感，若超過允許值會在很短的時間內損壞器件。另外，由諧波與無功功率引起電網電壓波形畸變，殃及附近的用電設備，造成“電力公害”，因此必須添置無功補償和諧波濾波裝置。圖3 晶閘管可控整流器供電的直流調速系統（V-M系統）兼于方案二調速特性優良、調整平滑

7、、調速范圍廣、過載能力大，因此本設計采用方案一。2.單元模塊設計（一） H橋驅動電路設計方案圖2-1所示的H橋式電機驅動電路包括4個三極管和一個電機，電路得名于“H橋驅動電路”是因為它的形狀酷似字母H。如圖1.1-1所示，要使電機運轉，必須導通對角線上的一對三極管。根據不同三極管對的導通情況，電流可能會從左至右或從右至左流過電機，從而控制電機的轉向。圖4 H橋驅動電路要使電機運轉，必須使對角線上的一對三極管導通。例如，如圖2-2所示，當Q1管和Q4管導通時，電流就從電源正極經Q1從左至右穿過電機，然后再經 Q4回到電源負極。按圖中電流箭頭所示，該流向的電流將驅動電機順時針轉動。當三極管Q1和Q

8、4導通時，電流將從左至右流過電機，從而驅動電機按特定方向 轉動（電機周圍的箭頭指示為順時針方向）。圖5 H橋驅動電機順時針轉動圖2-3所示為另一對三極管Q2和Q3導通的情況，電流將從右至左流過電機。當三極管Q2和Q3導通時，電流將從右至左流過電機，從而驅動電機沿另一方向轉動（電機周圍的箭頭表示為逆時針方向）。圖6 H橋驅動電機逆時針轉動（二） 調速設計方案調速采用PWM（Pulse Width Modulation）脈寬調制，工作原理：通過產生矩形波，改變占空比，以達到調整脈寬的目的。PWM的定義:脈寬調制(PWM)是利用微處理器的數字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術，廣泛應用在從

9、測量、通信到功率控制與變換的許多領域中。模擬信號的值可以連續變化，其時間和幅度的分辨率都沒有限制。9V電池就是一種模擬器件，因為它的輸出電壓并不精確地等于9V，而是隨時間發生變化，并可取任何實數值。與此類似，從電池吸收的電流也不限定在一組可能的取值范圍之內。模擬信號與數字信號的區別在于后者的取值通常只能屬于預先確定的可能取值集合之內，例如在0V,5V這一集合中取值。模擬電壓和電流可直接用來進行控制，如對汽車收音機的音量進行控制。在簡單的模擬收音機中，音量旋鈕被連接到一個可變電阻。擰動旋鈕時，電阻值變大或變小；流經這個電阻的電流也隨之增加或減少，從而改變了驅動揚聲器的電流值，使音量相應變大或變小

10、。與收音機一樣，模擬電路的輸出與輸入成線性比例。 盡管模擬控制看起來可能直觀而簡單，但它并不總是非常經濟或可行的。其中一點就是，模擬電路容易隨時間漂移，因而難以調節。能夠解決這個問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備)和昂貴。模擬電路還有可能嚴重發熱，其功耗相對于工作元件兩端電壓與電流的乘積成正比。模擬電路還可能對噪聲很敏感，任何擾動或噪聲都肯定會改變電流值的大小。通過以數字方式控制模擬電路，可以大幅度降低系統的成本和功耗。此外，許多微控制器和DSP已經在芯片上包含了PWM控制器，這使數字控制的實現變得更加容易了。（三）系統硬件電路設計1.電源電路（1）芯片介紹78XX,

11、XX就代表它所輸出的電壓值，能降低電壓4-5V電子產品中常見到的三端穩壓集成電路有正電壓輸出的78××系列和負電壓輸出的79××系列。故名思義，三端IC是指這種穩壓用的集成電路只有三條引腳輸出，分別是輸入端、接地端和輸出端。用78/79系列三端穩壓IC來組成穩壓電源所需的外圍元件極少,電路內部還有過流、過熱及調整管的保護電路。該系列集成穩壓IC型號中的78或79后面的數字代表該三端集成穩壓電路的輸出電壓，如7806表示輸出電壓為正6V，7909表示輸出電壓為負9V。有時在數字78或79后面還有一個M或L，如78M12或79L24,用來區別輸出電流和封裝形

12、式等，其中78L調系列的最大輸出電流為100mA，78M系列最大輸出電流為1A，78系列最大輸出電流為1.5A。在實際應用中，應在三端集成穩壓電路上安裝足夠大的散熱器（當然小功率的條件下不用）。當穩壓管溫度過高時，穩壓性能將變差，甚至損壞。（2）電路原理圖電源電路采用78系列芯片產生+5V、+15V。電路圖如圖2-4：圖7 78系列的電源電路2H橋驅動電路基于三極管的使用機理和特性，在驅動電機中采用H橋功率驅動電路，H橋功率驅動電路可應用于步進電機、交流電機及直流電機等的驅動永磁步進電機或混合式步進電機的勵磁繞組都必須用雙極性電源供電，也就是說繞組有時需正向電流，有時需反向電流，這樣繞組電源需

13、用H橋驅動。直流電機控制使用H橋驅動電路（圖2-5），當PWM1為低電平,通過對PWM2輸出占空比不同的矩形波使三極管Q1、Q6同時導通Q5截止，從而實現電機正向轉動以及轉速的控制；同理，當PWM2為高電平,通過對PWM1輸出占空比不同的矩形波使三極管Q1、Q6同時導通，Q6截止，從而實現電機反向轉動以及轉速的控制。圖8 H橋的電機驅動電路3基于霍爾傳感器的測速模塊（1）霍爾傳感器的工作原理 霍爾效應：在一塊半導體薄片上，其長度為l，寬度為b，厚度為d,當它被置于磁感應強度為B的磁場中，如果在它相對的兩邊通以控制電流I，且磁場方向與電流方向正交，則在半導體另外兩邊將產生一個大小與控制電流I和磁

14、感應強度B乘積成正比的電勢UH，即UH=KHIB，其中kH為霍爾元件的靈敏度。該電勢稱為霍爾電勢，半導體薄片就是霍爾元件。 工作原理：霍爾開關集成電路中的信號放大器將霍爾元件產生的幅值隨磁場強度變化的霍爾電壓UH放大后再經信號變換器、驅動器進行整形、放大后輸出幅值相等、頻率變化的方波信號。信號輸出端每輸出一個周期的方波，代表轉過了一個齒。單位時間內輸出的脈沖數N，因此可求出單位時間內的速度VNT。（2）霍爾傳感器的電路原理圖圖9 霍爾傳感器的測速電路4LCD顯示模塊（1）1602芯片介紹1602液晶模塊內部的字符發生存儲器（CGROM)已經存儲了160個不同的點陣字符圖形，這些字符有：阿拉伯數

15、字、英文字母的大小寫、常用的符號、和日文假名等，每一個字符都有一個固定的代碼，比如大寫的英文字母“A”的代碼是01000001B（41H），顯示時模塊把地址41H中的點陣字符圖形顯示出來，我們就能看到字母“A”。因為1602識別的是ASCII碼，試驗可以用ASCII碼直接賦值，在單片機編程中還可以用字符型常量或變量賦值，如'A。1602采用標準的16腳接口，其中：第1腳：VSS為電源地第2腳：VDD接5V電源正極第3腳：V0為液晶顯示器對比度調整端，接正電源時對比度最弱，接地電源時對比度最高（對比度過高時會產生“鬼影”，使用時可以通過一個10K的電位器調整對比度）。第4腳：RS為寄存器

16、選擇，高電平1時選擇數據寄存器、低電平0時選擇指令寄存器。第5腳：RW為讀寫信號線，高電平(1)時進行讀操作，低電平(0)時進行寫操作。第6腳：E(或EN)端為使能(enable)端。第714腳：D0D7為8位雙向數據端。第1516腳：空腳或背燈電源。15腳背光正極，16腳背光負極。（2）電路原理圖圖10 LCD顯示電路（四） 調速設計模塊1PWM波軟件軟件設計程序流程圖：產生矩形波開始按鍵查詢OPEN是否按下時定時器T0開始計時Add_speed是否按下初始化是是增大矩形波占空比Sub_speed是否按下是減小矩形波占空比Swap或close是否按下改變轉向或關閉電機圖11 軟件電機控制的方

17、框圖通過控制總中斷使能EA控制電機的開關，同時使能對霍爾傳感器輸出的方波在單位時間內脈沖個數的計數。其中定時器T0,T1分別對脈沖的寬度、霍爾元件輸出的脈沖數對應的1秒時間定時。對脈沖寬度的調整是通過改變高電平的定時長度，由變量high控制。變量change、 sub_speed 、add_speed分別實現電機的轉向、加速、減速。/*通過按鍵實現對電機開關、調速、轉向的控制的程序*/ void motor_control() if(open = 1) EA = 1;if(close = 1) EA = 0; if(swap = 1) change = change; while(swap !

18、= 0) if(sub_speed = 1) high+; if(high = 30) EA=0; while(sub_speed != 0) if(add_speed = 1) high-; if(high = 5) high = 5; while(add_speed != 0) 2測速軟件設計開始初始化OPEN是否按下定時器T1開始計時對單位時間內的脈沖計數 N根據公式計算出電機的速度液晶顯示電機速度圖12 軟件測速的方框圖/*T1中斷服務程序*單位時間（S）方波的個數*/void time1_int(void) interrupt 3 count_speed+;if(count_spee

19、d = 20) count_speed = 0;num_display = num_medium;num_medium = 0;3.系統功能調試（一）調試軟件介紹Protel99SE是應用于Windows9X/2000/NT操作系統下的EDA設計軟件，采用設計庫管理模式，可以進行聯網設計，具有很強的數據交換能力和開放性及3D模擬功能，可以完成電路原理圖設計，印制電路板設計和可編程邏輯器件設計等工作，可以設計32個信號層，16個電源-地層和16個機加工層。按照系統功能來劃分，Protel99se主要包含6個功能模塊：電路工程設計部分、印刷電路板設計系統、自動布線系統、電路模擬仿真系統、可編程邏輯

20、設計系統、高級信號完整性分析系統。存儲器和特殊功能寄存器的存取、中斷功能、靈活的指針KeilC51軟件提供豐富的庫函數和功能強大的集成開發調試工具，全Windows界面。另外重要的一點，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會到KeilC51生成的目標代碼效率非常之高，多數語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發大型軟件時更能體現高級語言的優勢。KEIL C51編譯器由uVision2集成開發環境與編輯器和調試器以及C51編譯器組成。其中uVision2集成開發環境中的工程(project)是由源文件、開發工具選項以及編程說明三部分組成的;編輯器和調試器包括源代碼編輯器、斷點設置、調試函數語

21、言、變量和存儲器。Proteus軟件是一種低投資的電子設計自動化軟件，提供可仿真數字和模擬、交流和直流等數千種元器件和多達30多個元件庫。Proteus軟件提供多種現實存在的虛擬儀器儀表。此外，Proteus還提供圖形顯示功能，可以將線路上變化的信號，以圖形的方式實時地顯示出來。這些虛擬儀器儀表具有理想的參數指標，例如極高的輸入阻抗、極低的輸出阻抗，盡可能減少儀器對測量結果的影響，Proteus軟件提供豐富的測試信號用于電路的測試。這些測試信號包括模擬信號和數字信號。提供Schematic Drawing、SPICE仿真與PCB設計功能，同時可以仿真單片機和周邊設備，可以仿真51系列、AVR、

22、PIC等常用的MCU，并提供周邊設備的仿真，例如373、led、示波器等。Proteus提供了大量的元件庫，有RAM、ROM、鍵盤、馬達、LED、LCD、AD/DA、部分SPI器件、部分IIC器件，編譯方面支持Keil和MPLAB等編譯器。一臺計算機、一套電子仿真軟件，在加上一本虛擬實驗教程，就可相當于一個設備先進的實驗室。以虛代實、以軟代硬，就建立一個完善的虛擬實驗室。在計算機上學習電工基礎，模擬電路、數字電路、單片機應用系統等課程，并進行電路設計、仿真、調試等。當電路設計完成之后，為了減少在電路板上調試時的難度，保證電路設計的正確性，將Keil c51編譯生成的*.HEX 文件載入Prot

23、eus軟件，實現電路仿真。（二）直流電機的調速功能仿真當按下open鍵時，電機開始工作。若需要加快電機的轉速，則按下add_speed鍵，直到電機轉速適中；相反，需要減慢電機的轉速時，則按下sub_speed鍵，待轉速滿意后，放開按鍵。當然，在某種特定的環境下，還需改變電機的轉速，此時，你可以按一下swap鍵，以達到改變電機轉向的目的。當電機不工作時，則按下close鍵。圖13 直流電機調速系統的Proteus仿真圖1調速前的波形圖圖14 電機啟動時的脈沖波形占空比2調速后的波形圖圖15 電機減速后的脈沖波形占空比（三）電機速度的測量并顯示功能仿真對電機轉速的顯示，為使用者提供了更為直觀的界面

24、。用戶可以根據液晶顯示屏上的數字，調整電機的轉速，為調速提供了方便。從顯示數字的穩定程度，也可以判斷電機轉速的穩定性。若顯示數字幾乎不變，則說明電機工作十分穩定；與之相反，顯示數字不停地變化，則說明電機工作非常不穩定。圖16 直流電機系統的Proteus仿真（四）系統的電路原理圖圖17 直流電機調速系統的Protel原理圖由電源模塊、單片機控制單元、電機驅動電路、LCD顯示電路、霍爾傳感器電路構成。（五）系統的PCB圖圖18 直流電機調速系統的ProtelPCB圖4.設計總結經過2個星期的課程設計，留給我印象最深的是要設計一個成功的電路，必須要有要有扎實的理論基礎，還要有堅持不懈的精神。本產品

25、實現了對直流電機的調速和測速，個人感覺其中還有許多不夠完善的地方，例如：對電機的控制采用的是獨立按鍵，而非矩陣鍵盤；電機的驅動電路的設計也不是很成熟。此次的設計并不奢望一定能成功，但一定要對已學的各種電子知識能有一定的運用能力，我做設計的目的是希望能檢查下對所學知識的運用能力的好壞，并且開始慢慢走上創造的道路，這是非常可貴的一點。5.參考文獻1 傅豐林模擬電子線路基礎 M. 西安：西安電子科技大學出版社，2001.12 江志紅51單片機技術與應用系統開發案列精選 M. 北京：清華大學出版社，2008.123 王選民 智能儀器原理及設計 M. 北京:清華大學出版社，2008.74 文東 孫鵬飛

26、C語言程序設計 M. 北京：中國人民大學出版社，2009.25 楊加國 單片機原理與應用及C51程序設計 M. 北京：清華大學出版社，2008.3附錄#include <reg51.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit open = P20;sbit close = P21;sbit swap = P22;sbit sub_speed = P23;sbit add_speed = P24;sbit PWM1 = P30;sbit PWM2 = P31;/*液晶顯示*/sbit E=P37;sbit RW

27、 = P36;sbit RS = P35;sbit test = P34; int time = 0;int high = 20;int period = 30;int change = 0;int flag = 0;int num_medium = 0;int num_display = 0;int count_speed = 0;uchar wword=0x30,0x31,0x32,0x33,0x34,0x35,0x36,0x37,0x38,0x39; /*延時t毫秒*/void delay(uchar t) uint i;while(t) /*對于11.0592MHz時鐘，延時1ms*/

28、 for(i=0;i<125;i+); t-;/寫命令函數LCDvoid wc51r(uchar j) RS=0; RW=0; P1=j; E=1; E=0; delay(3);/寫數據函數LCDvoid wc51ddr(uchar j) RS=1; RW=0; P1=j; E=1; E=0; delay(2);/初始化函數LCDvoid init() wc51r(0x01); /清屏 wc51r(0x38); /使用8位數據，顯示兩行，使用5*7的字型 wc51r(0x0c); /顯示器件，光標開，字符不閃爍 wc51r(0x06); /字符不動，光標自動右移一格/*8T0中斷服務程序

29、*PWM波的生成*/void time0_int(void) interrupt 1 time+;TH0 = 0xec;TL0 = 0x78;if(change = 0) PWM2 = 1;if(time = high) PWM1=0;else if(time = period) PWM1 = 1; time = 0; else PWM1 = 1; if(time = high) PWM2=0; else if(time = period) PWM2 = 1; time = 0; /*/*T1中斷服務程序*單位時間（S）方波的個數*/void time1_int(void) interrupt 3 count_speed+; if(count_speed = 20) count_speed = 0;