基于单片机的PWM调速空调送风量控制.doc

・刖百 11. 基本理论 11.1直流电机调速原理 11.2 PWM基本原理 22. 方案设计 33. 硬件电路的工作原理 53.1单片机外部时钟电路 53.2单片机的复位电路 53.3键盘控制电路 63.4电机驭动电路 63.5完整电路图 74. 软件编程 75. 系统调试和结果分析 106. 结论及进一步设想 11参考文献 11附录1元件清单 13课设体会 14空调送风量控制摘要：本文设计了一个空调送风量控制电路，它的主要功能是用遥控器可以对空调进风量 实现三个档位的控制本设计采用了单片机控制直流电机作为核心电路，介绍了基于单片 机的直流电机PWM调速的基本方法，直流电机调速的相关知识以及PWM调速的基本原理和实 现方法重点介绍了基于MCS-51单片机的用软件产生PWM信号以及信号占空比调节的方 法，对于直流电机速度控制系统的实现提供了一种有效的途径直流电动机具有优良的调 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；能满足日常生活中的空调的送风量控制PWM是通过控 制固定电压的直流电源开关频率，从而改变负载两端的电压，进而达到控制要求的一种电 压调整方法。

电动机调速系统采用单片机的PWM控制，是电气传动发展的主要方向之一 采用单片机控制后，整个调速系统体枳小、结构简单、可靠性高、操作维护方便，电动机 稳态运转时转速精度可认到较高水平，静动态各项指标均能较好地满足口常生活中的空调 要求关键词：直流电机；键盘输入；AT89C51单片机，L298N, PWM控制0.前言随着科学技术的发展，人们的生活水平不断提高，空调就像旧时王谢的堂前燕，己 经飞入了千千万万的普通家庭，空调己成为我们在严寒酷暑中生活的必不可少的电器空 调的进风量控制技术是空调的基本技术，己经经过了很多年的研究半前空调的进风量控 制主要是基于嵌入式系统的PWM控制，控制的元器件是电机，多是交流电机PWM控 制是近些年兴起的一种电机控制方法，它适应于各种电机，伴随着晶闸管的快速发展，高 性能晶闸管的大规模生产，PWM控制技术快速发展，在生活中也得到了广泛应用本文 采用的是单片机的PWM对直流电机的控制，通过对直流电机转速的控制，来实现对空调 的进风量控制在空调的实际生产中，只需把直流电机改成交流，而控制原理没变，依旧 是PWM控制，所以设计有很强的实际意义1.基本理论1. 1直流电机调速原理根据励磁方式不同，直流电机分为日励和他励两种类型。

不同励磁方式的直流电机机 械特性曲线有所不同对于直流电机来说，机械特性方程式为：〃=--=r_mK0N Kok 航 （公式 1-1）式中Un —— 额定电枢电压、额定磁通量；匕，灼一一与电机有关的常数；穴血，R“——电枢外加电阻、电枢内电阻；〃（），△〃——理想空载转速、转速降分析（1-1）式可得.当分别改变也 和用〃时，可以得到不同的转速〃，从而实现 对速度的调节由于危,当改变励磁电流时，可以改变磁通量的大小，从而达到变 磁通调速的n的但由于励磁线圈发热和电动机磁饱和的限制，电动机的励磁电流和 磁通量饥只能在低于其额定值的范围内调节，故只能弱磁调速而对于调节电枢外加电阻 4“，时，会使机械特性变软，导致电机带负载能力减弱对于他励直流电机来说，当改变 电枢电压时"n,分析机械特性方程式，得到特性曲线如图1T所示理想空载转速〃随电枢电压升降而发生相应的升降变化不同电枢电压的机械特性曲线相互平行，说明硬度不随电枢电压的变化而改变，电机带负载能力恒定半我们平滑调节他励直流电机电枢两端电压时，可实现电机的无级调速基于以上特性, 改变电枢电压，实现对直流电机速度调节的方法被广泛采用改变电枢电压可通过多种途径实现，如晶闸管供电速度控制系统、大功率晶体管速度控制系统、直流发电机供电速度控制系统及晶体管直流脉宽调速系统等。

肪冲值弓图1-2电枢电压“占空比”与平均电压关系1.2 PWM基本原理及其实现方法 1.2. 1 PWM基本原理PWM是通过控制固定电压的直流电源开关频率，从而改变负载两端的电压，进而讪到 控制要求的一种电压调整方法PWnf以应用在许多方面，如电机调速、温度控制、压力 控制等在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并根据需 要改变--个周期内“接通”和“断开”时间的长短通过改变直流电机电枢上电压的“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”在脉冲作用下，当电机通电时，速度增加；电机断电时，速度逐渐减少只要按 一定规律，改变通、断电的时间，即可让电机转速得到控制如图1-2所示，设电机始终接通电源时，电机转速最大为《心，设占空比为D=tjT ,则电机的平均速度为：*/ax*D （公式 1-2）式中，*——电机的平均速度；Vn 电机全通电时的速度（最大）；D-t}/T 占空比由公式1-2可见，当我们改变占空比时f/T,就可以得到不同的电机平均速度，从 而达到调速的目的严格地讲，平均速度、与占空比D-tjT并不是严格的线性关系，在 一般的应用中，可以将其近似地看成线性关系。

1.2.2 PWM的实现方法PWM调速工作方式有两种：第一种为双极性工作制，双极性工作制是在一个脉冲周期 内，单片机两控制口各输出一•个控制信号，两信号高低电平相反，两信号的高电平时差决 定电动机的转向和转速第二种为单极性工作制，单极性工作制是单片机控制口一端置低 电平，另-一端输出PWM信号，两口的输出切换和对PWM的占空比调节决定电动机的转向和 转速由于单极性工作制电压波开中的交流成分比双极性工作制的小，其电流的最大波动 也比双极性工作制的小，所以我们采用了单极性工作制PWM调脉宽的方式有三种：定频调宽、定宽调频和调宽调频我们采用了定频调宽方 式，因为采用这种方式，电动机在运转时比较稳定；并且在采用单片机产生PWM脉冲的软 件实现上比较方便1.2.3 PWM信号的产生方法PWM信号的产生通常有两种方法：一种是软件的方法；另一•种是硬件的方法硬件方 法的实现已有很多文章介绍，这里不做赘述本文主要介绍利用单片机对PWM信号的软件 实现方法软件实现有两种方法：延时法和计数器法软件延时法的原理是：首先求出占空比4/7,再根据周期T分别给电机通电M个 单位时间上，所以M=ti/tOo然后,再断电杨个单位时间，所以o改变M和材 的值，而M+M的值不变，从而也就改变了占空比。

计数法的基本思想是：设计几条毫 无意义的循环语句，使它们占据单片机的机器周期，从而达到延时的目的计数器法的原理与延时法一样，只是实现方法不同，计数法的基本思想是：当单位延 时个数求出之后，将其作为给定值存放在某存储单元中在通电过程中，对通电单位时间 to的次数进行计数，并与存储器的内容进行比较若不相等，则继续输出高电平的控制 脉冲，直到计数值与给定值相等，输出低电平的控制脉冲，使电机断电这就是电机的一 个通电脉冲，重复这个脉冲，控制电机转速这样，我们可以通过设定不同的定时初值， 从而改变占空比D,进而达到控制电机转速的目的采用软件延时方式，在引入中断之后，将有一定的误差采用定时器作为脉宽控制的 定时方式，这一方式产生的脉冲宽度极其精确，误差只在几个us,综合考虑我们采用计数器法2.方案设计空调进风量控制的模拟电路由四个部分组成：键盘，AT89C51单片机，L298驱动器 和直流电机键盘上有四个按钮，一个停止按钮和三个档位按钮，控制电机的停止与三个 转速由于实验室硬件的缺乏，我们用四个开关构成--个键盘来替代空调的遥控器，这样 替换既简化了电路设计，又不会对设计产生影响键盘向单片机输入相应控制指令，由单 片机通过P1.0到P1. 3读取,并在P3. 0 口输出与控制指令相应的PWM脉冲，单片机输出 的高电平只有5V,不能直接驱动电机，因此接一个L298驱动芯片，由L298驱动电机转 动或停止。

直流电机的在高速旋转时如果给它一个停止指令，此时电机的能量不能释放, 所以必须接一个续流二极管PWM控制电机的旋转，采用的是控制电机的通电时间，电机 通电不是连续的，会影响直流电机转速的平稳，因此单片机输出脉冲的频率必须比较高, 以保证电机的稳定单片机控制直流电机电路的基本组成如图2-1所示图2-1系统硬件框图本次设计的主要硬件有AT89C51单片机，L298驭动芯片和直流电机直流电机比较 常见，下面介绍AT89C51和L298驱动芯片AT89C51是一•种带4K字节FLASH存储器的低电压、高性能CMOS 8位微处理器， 俗称单片机AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机 AT89C51与MCS-51兼容具有如下特性：4K字节可编程FLASH存储器、1000写/擦循 环、数据保留10年、全静态工作：OHz-24MHz、三级程序存储器锁定、128X8位内 部RAM、32可编程I/线、两个16位定时器/计数器、5个中断源、可编程申行通 道、低功耗的闲置和掉电模式、片内振荡器和时钟电路L298N为双全桥步进电机专用驭动芯片，内部包含4信道逻辑驭动电路，是一种二相 和四相步进电机的专用驭动器，可同时驭动2个二相或1个四相步进电机，内含二个 H-Bridge的高电压、大电流双全桥式驭•动器，接收TTL逻辑准位信号，可驭动46V、2A 以下的步进电机，且可以直接透过电源来调节输出电压；此芯片可直接由单片机的I。

端口来提供模拟时序信号3 .硬件电路的工作原理3.1单片机的外部时钟电路单片机的外部时钟电路主体是XI,即晶振，晶振的类型有很多，我选择12MHz的, 单片机的定时时间与所选的晶振有关，本次设计采用的是定时器TO的第二种工作方式， 每次计数为256,单片机的机器周期为12MHz分之一的12倍，即lus,因此一个定时周期 为256us,本次设计采用了 1个定时周期为一•个脉冲周期，即脉冲周期为2.56ms,脉冲 频率为400Hz,能够满足电机的平稳工作― U1I I X1 L^->XTAL1i5pr~|CRYSTAL18XTAL2图3.1时钟电路3.2单片机的复位电路单片机是一种高速处理芯片，难免会出现死机情况，这时需要把单片机复位，复位电 路如图3-2所示，单片机正常工作时，开关是断开的，一旦它出现错误，只需按一下开关, 它就能复位，恢复正常工作一般单片机复位时RST引脚需要2个机器周期的高电平,即5ms高电平，而平时人为按复位按钮，时间绝对大于5ms,因此复位电路能正常工作图3-2夏位电路3.3键盘控制电路键盘控制电路是整个电路的控制部分，它主要是给单片机一个脉冲，单片机读取之 后，按照一个预先设定的程序，输出一•个相应占空比的脉冲，此电路是低电平有效。

按 下一档键后，在P1.1给了单片机一•个低电平脉冲，此时单片机会在P3.0输出一个占空比为0.3,周期为2.56ms的脉冲按下二档键后，在P1. 2给了单片机一个低电平脉冲，此时单片机会在P3. 0输出一个占空比为0.6的脉冲按下二档键后，在P1. 3给了单片机个低电平脉冲，此时单片机会在P3.0输出一个占空比为0.9的脉冲按下停止键后，在P1.0给了单片机一个低电平脉冲，此时单片机会在P3.0输出一•个持续的低电平键盘控三档I 1 \O O12345678制电路图如图3-3所示P1.0P1.1P1.2P1.。