CN107529684A - 一种直流电机智能调速系统 - Google Patents

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张绪红
伍银波
刘军
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Abstract

本发明涉及一种直流电机智能调速系统,包括单片机、实时显示直流电机转速的显示模块、控制直流电机执行动作的按键模块、驱动直流电机的驱动模块、直流电机、电源模块、检测直流电机转速的霍尔传感器和提供系统时钟信号的时钟电路,所述的单片机分别与显示模块、按键模块、霍尔传感器和时钟电路进行电连接,所述的霍尔传感器安装在直流电机的转轴上,所述的单片机还通过光耦隔离模块与驱动模块电连接;所述的电源模块包括为单片机单独供电的第一供电单元和为直流电机、驱动模块供电的第二供电单元。该系统采用单片机控制,电路结构简单,单片机采用单独的供电模块,电路干扰小,控制精度高。

Description

一种直流电机智能调速系统
技术领域
本发明涉及直流电机调速设备技术领域,具体地说是一种直流电机智能调速系统。
背景技术
电动机作为最主要的机电能量转换装置,其应用范围已遍及国民经济的各个领域和人 们的日常生活,无论是在工农业生产、交通运输、国防、航空航天、医疗卫生、商务和办公设备中,还是在日常生活的家用电器和消费电子产品(如电冰箱、空调、DVD等)中, 都大量使用着各种各样的电动机。直流电机具有启动性能好、调速方便、控制灵活等特点, 已广泛地应用于工业、民用等多种场合。直流电机转速的测量与控制,一直是人们研究的 重点。
直流电机的调速控制一般都采用调速器进行调速,调速器的价格比较昂贵,而且控制 输出的PWM波精度较低;调速器和直流电机驱动模块共用电源模块,相互之间会差生干扰 滤波,不利于准确控制。
发明内容
本发明针对上述存在的问题,提供一种采用单片机控制、灵活性高、单片机和驱动模 块之间互不干扰、控制精度高的直流电机智能控制系统。
本发明为实现上述目的,采取以下技术方案予以实现:
一种直流电机智能调速系统,包括单片机、实时显示直流电机转速的显 示模块、控制直流电机执行动作的按键模块、驱动直流电机的驱动模块、直流 电机、电源模块、检测直流电机转速的霍尔传感器和提供系统时钟信号的时钟 电路,所述的单片机分别与显示模块、按键模块、霍尔传感器和时钟电路进行 电连接,所述的霍尔传感器安装在直流电机的转轴上,所述的单片机还通过光 耦隔离模块与驱动模块电连接;所述的电源模块包括为单片机单独供电的第一 供电单元和为直流电机、驱动模块供电的第二供电单元。
优选地,所述的单片机的型号为STC90C58AD,内置有若干个定时器。
优选地,所述的按键模块包括LED指示灯和与单片机电连接的按键开关, 所述的按键开关包括启停按键、正反转按键、加速按键和减速按键。
优选地,所述的第一供电单元为5V直流电源,设有LED电源指示灯和若 干个滤波电容。
优选地,所述的第二供电单元输出12V直流电压为直流电机供电,第二供 电单元还通过7805三端稳压集成电路将12V直流电压转换成为驱动模块供电 的5V直流电压。
优选地,所述的第二供电单元还设有LED电源指示灯,7805三段稳压集 成电路并联有若干个滤波电容。
本发明还公布了该系统的控制方法,包括以下控制步骤:
S1、系统进行初始化,设定单片机定时器参数:定时器T0的定时中断时 长t0,中断次数为a,最大计数次数为amax;定时器T1定时中断时长为t1,计 数标数为b,最大计数标数为bmax,计数标数初始值为b0,周期T=t1×bmax
S2、按下按键模块的启停按键,单片机的定时器T1启动,通过定时中断 的方式产生PWM波,PWM波的占空比η=b×t1÷T×100%,直流电机的输入电压为 第二供电单元的输入电压U0与PWM波占空比η的乘积,即U=U0×η;
S3、同时,单片机的定时器T0启动,在总时长t0×a内获取霍尔传感器外 中断脉冲信号次数,通过定时中断对脉冲信号次数进行分解计算,得出直流电 机的转速,并实时更新到显示模块显示输出;
S4-1、正反转按键初次按下,单片机输出电平控制驱动模块驱动直流电 机正转;再次按下正反转按键,单片机输出电平控制驱动模块驱动直流电机反 转;
S4-2、加速按键每按下一次,定时器T1参数更新,计数标数b产生相应 的增量,PWM的占空比η增大,相应地直流电机的输入电压U增大,直流电机 加速;
S4-3、减速按键每按下一次,定时器T1参数更新,计数标数b产生相应 的减量,PWM的占空比η减小,相应地直流电机的输入电压U减小,直流电机 减速。
优选地,所述的步骤S2为周期循环步骤,当计数标数b达到最大值bmax时, b将重置为零。
优选地,所述的步骤S3为周期循环步骤,当计数次数a达到最大值amax时, a将重置为零。
优选地,该系统设有按键防抖程序:当单片机检测到有按键按下时,程序会延 迟5-10ms再次检测按键是否按下,若确认按键按下,程序会判定该按键为成功按下一次。
本发明不仅实现了直流电机的智能调速,还具有以下有益效果:
1)、采用单片机的控制,控制系统集成度高,电路结构简单,灵活性高。
2)、为单片机提供独立的供电单元,系统干扰少,稳定性更高。
3)、单片机与驱动模块之间设置光耦隔离模块,减少相互之间的干扰, 通过单片机定时器定时中断方式产生PWM波,提高系统的控制精度。
附图说明
图1为本发明的结构框图;
图2为本发明实施例的单片机的引脚排布图;
图3为本发明实施例的第一供电单元的电气原理图;
图4为本发明实施例的第二供电单元的电气原理图;
图5为本发明实施例的驱动模块电气连接原理图;
图6为本发明实施例的按键模块电气连接原理图;
图7为本发明实施例控制方法流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作详细描述。
如图1,一种直流电机智能调速系统,包括单片机、实时显示直流电机转速的显示模 块、控制直流电机执行动作的按键模块、驱动直流电机的驱动模块、直流电机、电源模块、 检测直流电机转速的霍尔传感器和提供系统时钟信号的时钟电路,所述的单片机分别与显 示模块、按键模块、霍尔传感器和时钟电路进行电连接,所述的霍尔传感器安装在直流电 机的转轴上,所述的单片机还通过光耦隔离模块与驱动模块电连接;所述的电源模块包括 为单片机单独供电的第一供电单元和为直流电机、驱动模块供电的第二供电单元。
在一个优选的实施例中,单片机选用STC90C58AD,STC90C58AD单片机是一种低功耗、 高性能CMOS8位微控制器,具有8K在系统可编程Flash存储器。TC90C58AD具有以下标准功能:8k字节Flash,256字节RAM,32位I/O口线,看门狗定时器,2个数据指针,三 个16位定时器/计数器,一个6向量2级中断结构,全双工串行口,片内晶振及时钟电路。
在本控制系统中,单片机内部资源利用表如表1所示,具体的引脚排布和连接图参照 图2。本系统采用外中断检测电机的转动脉冲,采用定时器0通过定时1S,实时更新转速值, 通过定时器1产生PWM波。
表1
所述的显示模块为LCD12864液晶显示模块,具有中文字库和4位或8位 并行、2线或3线串行的接口。LCD12864液晶显示模块与单片机的引脚连接参 照图2或表1.
对于同一个系统来说,通用一个电源模块显得方便直接。但是对于精确控 制系统来说,共用电源模块,各个元件之间会产生波形干扰。本直流电机智能 调速系统采用两个电源模块分管控制模块和执行单元,相互供电互不干扰,控 制精确度更高。
如图3所示,单片机采用第一供电单元进行单独供电,J2作为第一供电单元的输入电 源,输入的直流电压为5V,J2的1引脚串联有电源开关SW2,电源开关SW2和2引脚之间 并联有电容C8、电容C9和LED电源指示灯,LED电源指示灯还串联有包括保护电阻R8, 第一供电单元通过连接在电容C8和C9之间的VCC端口输出连接单片机,电容C8和C9起 到滤波的作用。其中,电容C8为10μF,电容C9为104μF,电阻R8为1KΩ
如图4所示,第二供电单元为直流电机和驱动模块供电,J1作为第一供电单元的输入 电压,输入的直流电压为12V,J1的1引脚连接电源开关SW1;7805三端稳压集成电路包括in脚、out脚和接地的GND脚,in脚与J1的1脚连接,GND脚连接2引脚,in脚和GND 脚连接并联有电容C1和电容C3,out脚和GND脚连接并联有电容C4、电容C2和LED电源 指示灯,LED电源指示灯还串联有保护电阻R7;第二供电单元通过连接in脚的S12V输出 端输出到直流电机,通过连接out脚的S5V输出端输出到驱动模块。
本实施例选用的直流电机为小型电机,相应地,选用小功率的L298N模块作为本实施 例的驱动模块。如图5,L298N采用双电源供电,其中5V电源为本身工作电路,12V电源 用以驱动电机。L298N的IN1、IN2和ENA引脚分别通过光耦隔离模块与单片机STC90C58AD 的I/O接口P1.0、P1.1和P1.2电连接,通过引脚OUT1和OUT输出到直流电机。单片机 STC90C58AD的引脚P1.0和P1.1通过输出电平的高低分别控制直流电机的正反转,引脚 P1.2用于控制直流电机的PWM波。本发明中通过控制PWM波的占空比,来实现直流电机的 智能调速。
霍尔传感器作为直流电机的测速设备,电机转轴上装有一磁铁,电机转一圈,霍尔传 感器遇到磁铁,即发出一个低下降沿信号,这个信号送给单片机外中断0引脚INTO,于是引发一次外中断。在外中断子程序中,对下降沿引发的次数进行计数,在单片机外部中断 1中,每1S读一次此计数值,再经过软件的处理,即可得到电机转速,然后,在LCD12864 液晶屏上显示出来。
如图7,本发明的智能调速控制方法步骤如下:
S1、系统进行初始化,设定单片机定时器参数:定时器T0的定时中断 时长t0=50ms,中断次数为a,最大计数次数为amax=20;定时器T1定时中断 时长为t1=2ms,计数标数为b,最大计数标数为bmax=20,计数标数初始值为b0, 周期T=t1×bmax=40ms;
S2、按下按键模块的启停按键,单片机的定时器T1启动,通过定时中断 的方式产生PWM波,PWM波的占空比η=b×t1÷T×100%,直流电机的输入电压为 第二供电单元的输入电压U0与PWM波占空比η的乘积,即U=U0×η;
S3、同时,单片机的定时器T0启动,在总时长t0×amax=1s内获取霍尔传感 器外中断脉冲信号次数,通过定时中断对脉冲信号次数进行分解计算,得出直 流电机的转速,并实时更新到显示模块显示输出,当计数次数a达到最大值amax时,a将重置为零;
S4-1、正反转按键初次按下,单片机输出电平控制驱动模块驱动直流电 机正转;再次按下正反转按键,单片机输出电平控制驱动模块驱动直流电机反 转;
S4-2、加速按键每按下一次,定时器T1参数更新,计数标数b加1,PWM 的占空比η增大,相应地直流电机的输入电压U增大,直流电机加速,当计数 标数b达到最大值bmax时,b将重置为零;
S4-3、减速按键每按下一次,定时器T1参数更新,计数标数b减1,PWM 的占空比η减小,相应地直流电机的输入电压U减小,直流电机减速。
本发明采用PWM脉宽调制调速方式,通过改变PWM的占空比从而改变电动 机的电枢电压,实现对电动机的调速。
电机的调速控制通过按键模块的输入触发相应的动作,来改变PWM高低电平的时间,进而改变PWM波形的占空比,实现启停、正转、反转、加速和减速等功能。如图 6,按键模块主要由按键开关与单片机的I/O接口连接,按键开关包括启停按键、正反转按 键、加速按键和减速按键,每个按键开关还设有相应的LED指示灯。本发明加入了按键防 抖程序,当单片机检测到有按键按下时,程序会延迟5-10ms再次检测按键是否按下,若确 认按键按下,程序会判定该按键为成功按下一次。该程序有效地消除了按键抖动带来的误 触和按键次数判断的问题。
惟以上所述者,仅为本发明之较佳实施例而已,当不能以此限定本发明实 施之范围,即大凡依本发明权利要求及发明说明书所记载的内容所作出简单的 等效变化与修饰,皆仍属本发明权利要求所涵盖范围之内。此外,摘要部分和 标题仅是用来辅助专利文件搜寻之用,并非用来限制本发明之权利范围。

Claims (10)

1.一种直流电机智能调速系统,其特征在于,包括单片机、实时显示直流电机转速的显示模块、控制直流电机执行动作的按键模块、驱动直流电机的驱动模块、直流电机、电源模块、检测直流电机转速的霍尔传感器和提供系统时钟信号的时钟电路,所述的单片机分别与显示模块、按键模块、霍尔传感器和时钟电路进行电连接,所述的霍尔传感器安装在直流电机的转轴上,所述的单片机还通过光耦隔离模块与驱动模块电连接;所述的电源模块包括为单片机单独供电的第一供电单元和为直流电机、驱动模块供电的第二供电单元。
2.根据权利要求1所述的直流电机智能调速系统,其特征在于,所述的单片机的型号为STC90C58AD,内置有若干个定时器。
3.根据权利要求1所述的直流电机调速系统,其特征在于,所述的按键模块包括LED指示灯和与单片机电连接的按键开关,所述的按键开关包括启停按键、正反转按键、加速按键和减速按键。
4.根据权利要求1所述的直流电机智能调速系统,其特征在于,所述的第一供电单元为5V直流电源,设有LED电源指示灯和若干个滤波电容。
5.根据权利要求1所述的直流电机智能调速系统,其特征在于,所述的第二供电单元输出12V直流电压为直流电机供电,第二供电单元还通过7805三端稳压集成电路将12V直流电压转换成为驱动模块供电的5V直流电压。
6.根据权利要求5所述的直流电机智能调速系统,其特征在于,所述的第二供电单元还设有LED电源指示灯,7805三段稳压集成电路并联有若干个滤波电容。
7.根据权利要求1-6任一项所述的直流电机智能调速系统,其特征在于还包括以下控制步骤:
S1、系统进行初始化,设定单片机定时器参数:定时器T0的定时中断时长t0,中断次数为a,最大计数次数为amax;定时器T1定时中断时长为t1,计数标数为b,最大计数标数为bmax,计数标数初始值为b0,周期T=t1×bmax
S2、按下按键模块的启停按键,单片机的定时器T1启动,通过定时中断的方式产生PWM波,PWM波的占空比η=b×t1÷T×100%,直流电机的输入电压为第二供电单元的输入电压U0与PWM波占空比η的乘积,即U=U0×η;
S3、同时,单片机的定时器T0启动,在总时长t0×a内获取霍尔传感器外中断脉冲信号次数,通过定时中断对脉冲信号次数进行分解计算,得出直流电机的转速,并实时更新到显示模块显示输出;
S4-1、正反转按键初次按下,单片机输出电平控制驱动模块驱动直流电机正转;再次按下正反转按键,单片机输出电平控制驱动模块驱动直流电机反转;
S4-2、加速按键每按下一次,定时器T1参数更新,计数标数b产生相应的增量,PWM的占空比η增大,相应地直流电机的输入电压U增大,直流电机加速;
S4-3、减速按键每按下一次,定时器T1参数更新,计数标数b产生相应的减量,PWM的占空比η减小,相应地直流电机的输入电压U减小,直流电机减速。
8.根据权利要求3所述的直流电机智能调速系统,其特征在于,所述的步骤S2为周期循环步骤,当计数标数b达到最大值bmax时,b将重置为零。
9.根据权利要求3所述的直流电机智能调速系统,其特征在于,所述的步骤S3为周期循环步骤,当计数次数a达到最大值amax时,a将重置为零。
10.根据权利要求1所述的直流电机智能调速系统,其特征在于,该系统设有按键防抖程序:当单片机检测到有按键按下时,程序会延迟5-10ms再次检测按键是否按下,若确认按键按下,程序会判定该按键为成功按下一次。
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