论文部分内容阅读
摘要：本文以单片机STC12C5A60S2为核心，结合L298N专用驱动集成电路，通过产生的PWM波控制电机的转速，采用霍尔传感器检测电机转速并通过液晶显示电机实时转速。最后采用 Keil和 Proteus对整个系统进行设计、编程以及仿真。
关键词：单片机;PWM调速;液晶显示;霍尔传感器;直流电机。
1.引言
目前常用的电动机主要有交流电动机和直流电动机，直流电动机因为具有良好的调速性能，以及良好的起、制动性能而被广泛应用在电力拖动系统中。而调速性能是指电动机在一定的负载条件下，可以根据实际需要，对电动机的转速进行人为的调节。直流电动机可以在重负载的情况下，实现无级调速，并且调速范围较宽[1]。
直流电动机转速公式：
注：为转速、为电枢电压、为电枢电流、为电枢回路总电阻、为励磁磁通、为由电机结构决定的电动势常数。
通过上式可以看出，电动机转速的调节方法主要有以下三种：改变电枢供电电压;改变励磁磁通;调节电枢回路电阻。以上三种调速方式，以调节电枢供电电压的方式是最好的，它可以实现宽范围的无极平滑调速。
2.PWM调节
上面提到对于直流电动机的调速最好的方式是改变供电电压的方式，改变供电电压可以采用V-M调速系统和直流脉宽调速系统，而直流脉宽调速系统相对V-M调速系统具有开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小[2]。
PWM调速的原理就是通过把恒定的直流电压调制成高度一定，宽度可变的脉冲电压序列，进而改变平均输出电压从而达到调节转速的目的，实质就是通过控制功率管如电力MOSFET，IGBT等的开关时间进而改变加在电机上的电压占空比就可以改变电机的平均电压[3]。功率管输入电压以及电机电枢电压的关系如下。
假设加在电动机两端的电压为，通过控制功率管的通断使得输出电压变成了一系列脉冲电压，其平均值计算公式为：，其中为占空比，通过改变占空比就可以改变的值，进而改变电动机转速。
3.调速系统硬件设计
本设计采用单片机STC12C5A60S2产生的PWM脉冲波调节输出电压的大小，系统原理框图如图1所示。
其中，降压整流电路先通过变压器将220V市电降压，在通过单相桥式不控整流电路将交流电转变成直流电供后级电路使用。由于单片机单个引脚承受的电流≦20 mA，电压≦5V[4]，电压采集电路和电流采集电路的作用是将整流后的电压，电流符合单片机的需要。
图2（a）为电压采集电路，C1，C2滤波，R1，R2串联分压，取R1上的电压输入P1.1引脚。图2（b）为电流采集电路，其中C4作用为滤波，主回路电流流过电阻R6产生压降，根据理想放大器虚短，虚断的特点分析可知，U3=IR6与U2电压相等，计算流过R0的电流可以算出流入P1.0的电流大小。
主控芯片STC12C5A60S2是一款增强型的51单片机，它可以产生2路PWM信号，内部包含A/D转换电路不需要外接数模转换器，它的封装有PDIP-40，LQFP-44和LQFP-48共三种形式[5]，本次系统所用的单片机采用了LQFP-44的封装形式。
在本次系统中它的电路主要包括最小系统电路，按键电路和液晶显示电路。其中最小系统如图3所示，包含供电电路和复位电路，供电电路由38引脚接5V电源，16引脚接地即可实现;复位电路则由电阻R4和电容C3串联后与P4.7/RST相连完成，复位电路的主要功能是完成对单片机的初始化。它的工作原理为：当单片机未通电时，电容C3两端没有电荷，一旦通电，电容C3开始充电，电阻R4中流过充电电流，RET引脚（引脚4）接高电平，单片机复位;随着C3端电压的逐渐升高，充电电流指数减小，当C3充满电后，充电电流为零，RET引脚由高电平变为低电平，单片机开始工作;由于STC12C5A60S2本身内部集成了RC震荡器，所以一般情况下可以不用外界晶振电路[6]，如果设计要求精度很高可以外接晶振电路。
按键电路主要实现电机的启动/停止，正转减速/反转加速，正转加速/反转减速的功能，分别与单片机的P2.1、P2.2和P2.3三个引脚相连如图5所示。液晶显示电路主要显示电机的实时转速，正转或反转信息，本设计采用的液晶显示器型号为LCD1602，它体积小、功耗低、显示内容丰富，在低功耗应用系统中应用较为普遍。与单片机的连接电路图如图4所示。
霍尔检测电路主要用来检测电机的转速，本设计采用的霍尔传感器为A3114E型开关式数字霍尔传感器。它是由差分放大器、霍尔元件、斯密特触发器、稳压器和输出级组成，数字量输出。它的体积小、灵敏度高、响应快，目前在转速检测，汽车点火器，位置检测等方面广泛应用[7]。它有三个引脚分别为VCC、GND、DO，DO与单片机的P3.2引脚相连。
由于单片机是不能直接驱动电机工作的，因此还需要增加一个电机驱动芯片，本设计采用L298N，这是一款直流电机专用的驱动芯片，L298N内部集成了两组H桥逆变电路， 驱动能力强，稳定性能好[8]。一片L298N可以同时驱动两个电机做不同的工作，本设计使用了一个电机所以一片L298N就可以满足设计需要。
4.系统软件设计
根据硬件设计电路，本设计采用Keil对整个系统进行编程以及仿真，程序主流程图如图5所示。程序开始后需要进行初始化，包括液晶显示初始化以及各个端口的初始化等。
5. PWM调速仿真
本设计的一个重点部分是PWM调速，因此对于这部分的仿真通过按键改变占空比，设计占空比分了10个挡位分别为0% 、10% 、20% 、30% 、40% 、50% 、60% 、70% 、80% 、90%。PWM仿真程序包含两部分，一是通过单片机的中断端口，利用单片机内部计时器，当计时器溢出时，相应标志位置位，打开中断[7]，通过P1.3引脚输出PWM波。完整过程为，标志位首先清零，之后初始化定时器，T0打开，通过改变程序中的占空比，从1.3引脚输出不同占空比的PWM方波。二是通过按键调整占空比进而控制电动机的转速以及正反转。
6.小结
本文设计的基于单片机STC12C5A60S2的直流电机PWM调速控制系统，结合电源变换电路主要是将市电转换为供各个芯片使用的电压，液晶显示电路，按键电路，测速电路实现对直流电机正转，反转以及加减速的调节，并通过仿真验证此系统的可行性。本设计操作简洁，运行可靠性，维护方便。
参考文献
[1]应力恒，陈子珍.基于STC12C5A60S2的转速测量实验平台开发[J].宁波职业技术学院学报， 2012，（5）： 8-12.
[2]杨靖.用单片机控制的直流电机调速系统[J].机床电器， 2008（01）： 45-47.
[3]焦玉朋.基于 51 单片机的 PWM 直流电机调速系统[D].呼和浩特：内蒙古大学，2013.
[4]张立勋，沈锦华，路敦民等.AVR单片机实现的直流电机 PWM 调速控制器[J].机械与电子，2004，（4）：29 ～ 32.
[5]王苏.直流电机 PWM 调速研究及單片机控制实现[J].机电工程技术，2008，37（11）：82 ～ 84.
[6]孙宣，王东.经济型直流电机 PWM 闭环调速系统设计[J].现代电子技术，2001，（11）：75 ～ 76.
[7]蓝厚荣.单片机的PWM控制技术[J].工业控制计算机， 2010（3）：97-98.
[8]李瑾. 基于51单片机的 PWM 直流调速风扇控制系统 [J].机械工程与自动化，2018（1）：187-189.
作者简介：
张瑞杰，（1997年6月01日），男，汉族，山西省朔州市，本科，潍坊科技学院在读，专业为电气工程及其自动化。
关键词：单片机;PWM调速;液晶显示;霍尔传感器;直流电机。
1.引言
目前常用的电动机主要有交流电动机和直流电动机，直流电动机因为具有良好的调速性能，以及良好的起、制动性能而被广泛应用在电力拖动系统中。而调速性能是指电动机在一定的负载条件下，可以根据实际需要，对电动机的转速进行人为的调节。直流电动机可以在重负载的情况下，实现无级调速，并且调速范围较宽[1]。
直流电动机转速公式：
注：为转速、为电枢电压、为电枢电流、为电枢回路总电阻、为励磁磁通、为由电机结构决定的电动势常数。
通过上式可以看出，电动机转速的调节方法主要有以下三种：改变电枢供电电压;改变励磁磁通;调节电枢回路电阻。以上三种调速方式，以调节电枢供电电压的方式是最好的，它可以实现宽范围的无极平滑调速。
2.PWM调节
上面提到对于直流电动机的调速最好的方式是改变供电电压的方式，改变供电电压可以采用V-M调速系统和直流脉宽调速系统，而直流脉宽调速系统相对V-M调速系统具有开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小[2]。
PWM调速的原理就是通过把恒定的直流电压调制成高度一定，宽度可变的脉冲电压序列，进而改变平均输出电压从而达到调节转速的目的，实质就是通过控制功率管如电力MOSFET，IGBT等的开关时间进而改变加在电机上的电压占空比就可以改变电机的平均电压[3]。功率管输入电压以及电机电枢电压的关系如下。
假设加在电动机两端的电压为，通过控制功率管的通断使得输出电压变成了一系列脉冲电压，其平均值计算公式为：，其中为占空比，通过改变占空比就可以改变的值，进而改变电动机转速。
3.调速系统硬件设计
本设计采用单片机STC12C5A60S2产生的PWM脉冲波调节输出电压的大小，系统原理框图如图1所示。
其中，降压整流电路先通过变压器将220V市电降压，在通过单相桥式不控整流电路将交流电转变成直流电供后级电路使用。由于单片机单个引脚承受的电流≦20 mA，电压≦5V[4]，电压采集电路和电流采集电路的作用是将整流后的电压，电流符合单片机的需要。
图2（a）为电压采集电路，C1，C2滤波，R1，R2串联分压，取R1上的电压输入P1.1引脚。图2（b）为电流采集电路，其中C4作用为滤波，主回路电流流过电阻R6产生压降，根据理想放大器虚短，虚断的特点分析可知，U3=IR6与U2电压相等，计算流过R0的电流可以算出流入P1.0的电流大小。
主控芯片STC12C5A60S2是一款增强型的51单片机，它可以产生2路PWM信号，内部包含A/D转换电路不需要外接数模转换器，它的封装有PDIP-40，LQFP-44和LQFP-48共三种形式[5]，本次系统所用的单片机采用了LQFP-44的封装形式。
在本次系统中它的电路主要包括最小系统电路，按键电路和液晶显示电路。其中最小系统如图3所示，包含供电电路和复位电路，供电电路由38引脚接5V电源，16引脚接地即可实现;复位电路则由电阻R4和电容C3串联后与P4.7/RST相连完成，复位电路的主要功能是完成对单片机的初始化。它的工作原理为：当单片机未通电时，电容C3两端没有电荷，一旦通电，电容C3开始充电，电阻R4中流过充电电流，RET引脚（引脚4）接高电平，单片机复位;随着C3端电压的逐渐升高，充电电流指数减小，当C3充满电后，充电电流为零，RET引脚由高电平变为低电平，单片机开始工作;由于STC12C5A60S2本身内部集成了RC震荡器，所以一般情况下可以不用外界晶振电路[6]，如果设计要求精度很高可以外接晶振电路。
按键电路主要实现电机的启动/停止，正转减速/反转加速，正转加速/反转减速的功能，分别与单片机的P2.1、P2.2和P2.3三个引脚相连如图5所示。液晶显示电路主要显示电机的实时转速，正转或反转信息，本设计采用的液晶显示器型号为LCD1602，它体积小、功耗低、显示内容丰富，在低功耗应用系统中应用较为普遍。与单片机的连接电路图如图4所示。
霍尔检测电路主要用来检测电机的转速，本设计采用的霍尔传感器为A3114E型开关式数字霍尔传感器。它是由差分放大器、霍尔元件、斯密特触发器、稳压器和输出级组成，数字量输出。它的体积小、灵敏度高、响应快，目前在转速检测，汽车点火器，位置检测等方面广泛应用[7]。它有三个引脚分别为VCC、GND、DO，DO与单片机的P3.2引脚相连。
由于单片机是不能直接驱动电机工作的，因此还需要增加一个电机驱动芯片，本设计采用L298N，这是一款直流电机专用的驱动芯片，L298N内部集成了两组H桥逆变电路， 驱动能力强，稳定性能好[8]。一片L298N可以同时驱动两个电机做不同的工作，本设计使用了一个电机所以一片L298N就可以满足设计需要。
4.系统软件设计
根据硬件设计电路，本设计采用Keil对整个系统进行编程以及仿真，程序主流程图如图5所示。程序开始后需要进行初始化，包括液晶显示初始化以及各个端口的初始化等。
5. PWM调速仿真
本设计的一个重点部分是PWM调速，因此对于这部分的仿真通过按键改变占空比，设计占空比分了10个挡位分别为0% 、10% 、20% 、30% 、40% 、50% 、60% 、70% 、80% 、90%。PWM仿真程序包含两部分，一是通过单片机的中断端口，利用单片机内部计时器，当计时器溢出时，相应标志位置位，打开中断[7]，通过P1.3引脚输出PWM波。完整过程为，标志位首先清零，之后初始化定时器，T0打开，通过改变程序中的占空比，从1.3引脚输出不同占空比的PWM方波。二是通过按键调整占空比进而控制电动机的转速以及正反转。
6.小结
本文设计的基于单片机STC12C5A60S2的直流电机PWM调速控制系统，结合电源变换电路主要是将市电转换为供各个芯片使用的电压，液晶显示电路，按键电路，测速电路实现对直流电机正转，反转以及加减速的调节，并通过仿真验证此系统的可行性。本设计操作简洁，运行可靠性，维护方便。
参考文献
[1]应力恒，陈子珍.基于STC12C5A60S2的转速测量实验平台开发[J].宁波职业技术学院学报， 2012，（5）： 8-12.
[2]杨靖.用单片机控制的直流电机调速系统[J].机床电器， 2008（01）： 45-47.
[3]焦玉朋.基于 51 单片机的 PWM 直流电机调速系统[D].呼和浩特：内蒙古大学，2013.
[4]张立勋，沈锦华，路敦民等.AVR单片机实现的直流电机 PWM 调速控制器[J].机械与电子，2004，（4）：29 ～ 32.
[5]王苏.直流电机 PWM 调速研究及單片机控制实现[J].机电工程技术，2008，37（11）：82 ～ 84.
[6]孙宣，王东.经济型直流电机 PWM 闭环调速系统设计[J].现代电子技术，2001，（11）：75 ～ 76.
[7]蓝厚荣.单片机的PWM控制技术[J].工业控制计算机， 2010（3）：97-98.
[8]李瑾. 基于51单片机的 PWM 直流调速风扇控制系统 [J].机械工程与自动化，2018（1）：187-189.
作者简介：
张瑞杰，（1997年6月01日），男，汉族，山西省朔州市，本科，潍坊科技学院在读，专业为电气工程及其自动化。