基于51单片机的汽车小型直流电机调速系统设计.pdf
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1、设计研究/Designresearch52AutoelectricpartsNo.09,2023基于51单片机的汽车小型直流电机调速系统设计花建新(江苏联合职业技术学院苏州建设交通分院,江苏苏州2 150 0 0)【摘要】小型直流电机作为一种响应快、控制方便的执行器,目前已广泛应用于汽车仪表、空调、动力转向、玻璃升降、电动座椅等汽车控制系统中。本文采用宏晶科技的51单片机STC89C52RC作为主控芯片,选择ULN2003作为电机的驱动芯片,设计具有独立按键的按键电路来控制电机的加速、减速,设计8 位数码管电路来显示电机速度的挡位,并利用Keil5集成开发环境进行C语言软件编程设计,通过脉宽调
2、制(PWM)信号来实现电机速度1 18挡的控制。验证结果表明,本设计能够有效实现汽车小型直流电机的多挡调速,达到设计预期。【关键词】51单片机;小型直流电机;PWM;调速系统;Keil软件HUA Jianxin中图分类号:U463.6Design of Speed Control System for Small DC Motor for Automobile Based on 51 SCM(Branch of Suzhou Construction&Communications,Jiangsu Union Technical Institute,Suzhou 215000,China)Abs
3、tract As an actuator with fast response and convenient control,small DC motor has been widely used inautomobile control systems such as automobile instrument,air conditioner,power steering,glass lifter,electric seat,etc.In this paper,STC89C52RC,a 51 SCM of STC Company,is used as the main control chi
4、p,ULN2003 isselected as the motor drive chip,and a key circuit with independent keys is designed to control the acceleration anddeceleration of the motor,and an 8-bit LED circuit is designed to display the speed gear of the motor.The Clanguage software is programmed using Keil 5 integrated developme
5、nt environment,and the motor speed is controlledfrom 1 to 18 gears through PWM signal.The verification results show that the design can effectively achieve multispeed regulation of small DC motor,and achieve the design expectations.Key words 51 SCM;small DC motor;PWM;speed regulation system;Keil sof
6、tware作者简介花建新(197 9一),男,讲师,硕士,主要从事汽车智能技术专业教育研究工作。随着计算机、电子、通信、人工智能、自动控制等高新技术的飞速发展,各种自动化智能设备在生产生活中不断涌现。直流电机因具有调速范围广、响应快、控制方便和启动转矩大等诸多优点,在众多智能化、自动化产品中被广泛应用为执行器-2 ,尤其是在汽车领域,小型直流电机已广泛应用于仪表指示、空调、动力转向、玻璃升降、后视镜、雨刮器、电动座椅等控制系统中阝3-4。近些年来,随着单片机、数字信号处理器等微处理器技术的不断成熟,制造成本不断下降,以微处理器为主控的电机调速数字控制系统,是汽车控制系统的研究方向之一。本文基于
7、国产公司宏晶科技的51单片机STC89C52RC设计一款针对汽车小型直流电机的调速系统。首先进行汽车小型直流电机调速系统的硬件电路设计,包括单片机最小系统、独立按键电路、数码管显示电路、电机驱动电路以及下载电路,接着应用C语言在Keil5软件上进行编程设计和调试,最后通过STC-ISP软件将编译生成的hex文件下载到设计电路板中进行实际验证。收稿日期:2 0 2 3-0 4-0 3文献标志码:A文章编号:10 0 3-8 6 39(2 0 2 3)0 9-0 0 52-0 4图1系统整体硬件框架1硬件电路设计本设计采用的主控芯片STC89C52RC是宏晶科技的一种高性能、高可靠、低功耗的8 位
8、51单片机,目前已经广泛应用于众多嵌人式控制应用系统中5-。单片机是可以正常工作的由最少部件组成的基本应用系统,称之为单片机最小系统。51单片机的最小系统通常包括复位电路、时钟电路与电源电路。本设计通过51单片机提供PWM信号,采用ULN2003专用驱动芯片将PWM信号放大,驱动小型直流电机运转;通过2 个独立按键来控制电机118挡的加速、减速,通过数码管显示电路来显示电机的速度挡位。另外,程序编写调试完成后,还需要将目标程序下载到单片机中进行验证。因此本单片机最小系统设计的硬件电路主要包括单片机最小系统、独立按键电路、数码管显示电路、电机驱动电路和下载电路5个部分。系统整体硬件框架如图1所示
9、。独立按键电路复位电路时钟电路电源路数码管显示电路1下载电路iPWM,电机驱动电路小型直流电机53Designresearch/设计研究汽车电器2 0 2 3年第9期1.1单片机最小系统本设计基于STC89C52RC的单片机最小系统,包括复位电路、时钟电路和电源电路回,如图2 所示。1.1.1复位电路复位电路的主要作用是当单片机系统上电或者出现程P1.0L2PI.1PI.0PI.VCCP1.21.3P1.4C4P1.5O复位P1.6按键10pF/16VP1.78PI.7RSTRST9P3.0107R2P3.1JioKP32复位电路P33P3.44GNDP3.515P3.616P3.717WRR
10、D18XTAL219XTALI20GND11.0592MGNDFC5C620pF20pF时钟电路GNDGND(a)复位电路与时钟电路本设计采用的是一种非常简单、常用的基本复位电路,电路包括1个电阻、1个电容和1个复位按键,电阻和电容串联在一起,手动复位按键与电容并联,具体如图2 a所示。该复位电路具有上电复位和手动按键复位的功能。当上电的瞬间,电容与电阻构成充电电路,单片机RST引脚出线高电平,单片机复位;当手动按下复位按键时,电源VCC直接接于单片机RST引脚,单片机复位。1.1.2时钟电路时钟电路主要是产生指定频率和振幅的时间信号,为单片机提供工作时的“时间参考”,以协调单片机各模块之间逻
11、辑操作的顺序执行。单片机的时钟电路通常由晶振和电容组成。晶振是利用石英晶体的压电效应制成的一种谐振器件,可产生频率和峰值皆稳定的正弦信号,分为无源晶振和有源晶振。本设计的时钟电路采用了1个11.0 592MHz的无源晶振,接于单片机的2 个时钟输人端口(18 号端口和19号端口)间,同时采用2 个2 0 pF的电容分别接于2 个时钟输人端口,具体如图2 a所示。1.1.3电源电路任何电路都需要接通电源才能工作,单片机电路一般需要低压直流电进行供电,但不同的单片机需要的供电电压范围是不一样的,具体可以查阅相关单片机的使用手册。本设计使用的是STC89C52RC单片机,通过查阅该单片机的使用手册可
12、知,STC89C52RC需要5V的直流电压进行供电,而且设计电路中的一些其它元器件需要3.3V直流电压进行供电,因此本设计通过USB接口电路来获得5V直流电压,通过增加一个稳压芯片AMS1117来获得3.3V直流电压,具体如图序跑飞等异常情况时,让单片机系统恢复初始状态,确保单片机稳定可靠地工作。复位电路触发的方式主要有:一是手动复位,设置专门的按键,通过手动按下进行复位;二是软件复位,通过程序编程实现复位;三是上电复位,电路一通电就立即复位。VCC39PO.0PO.038P12PO.1PI3PO.2P1.4PO.3PI.5PO.4P1.6PO.5PO.632PO.7PO.7RSTRXD11I
13、NTOTXDINTITOTIPO.137PO3635PO.3PO.434PO.533PO6EAVCC30ALALE29PSENPSENP2.7P2.6P2:5P2.4P2.3P2.2P21P2.021图2 基于STC89C52RC的单片机最小系统1.2独立按键电路本设计需要对小型直流电机的加速和减速运行进行控制,因此需要2 个独立按键K1和K2,其中K1一端搭铁,另一端接单片机的P3.4接口,用来控制电机的加速,K2一端搭铁,另一端接单片机的P3.5接口,用来控制电机的减速,另外还允余设计了2 个独立按键K3和K4,用于功能拓展。独立按键电路如图3所示。1.3数码管显示电路本设计要求将按键设置
14、的电机速度1 18 挡位显示出来,因此设计了LED数码管显示电路,电路包含8 位LED数码管和2 个数据锁存器MC74HC573。数码管显示电路如图4所示。每位LED数码管由7 个条形LED和1个小圆点LED组成,共8 段。其中,7 个条形LED用于显示数字或英文字符,通常用字母段a、b、c、d、e、f、g 来表示;第8 个小圆点LED用来显示小数点,用字母段h或dp来表示。本设计的8 位LED数码管采用共阴极连接,当字段LED的阳极为高电平“1”时,该字段LED导通发光,为低电平“0”时,该字段LED截止熄灭。由于本设计中的电机速度挡位最高为18挡,实际仅需2 位LED数码管,其余6 位数码
15、管作为备用允余设计。UIAMS1117CINSP27VCCVCC-5VC224VCCP-23D+22NC4GNDUSB接口一GND2b所示。104+CI3470UF/1OVGNDGND+3.3VLIC3VGREEN104GNDGND(b)电源电路GND图3独立按键电路2K12OO2K3O2K4P3.4P3.5P3.6P3.7设计研究/Designresearch54-AutoelectricpartsNo.09,2023VCCOE+5V201P2.6LEGND10PO.02PO.13682PO.24P0.35D3PO46PO5D458857D5P0.68PO.79D6D7MC741IC573O
16、E+5VP2.7LEGND10PO.02DOPO.13PO.24DID2P038838855D3PO.46PO57D4PO.68D5P0.7D69D7MC741IC573MC74HC573为8 路3态输出的非反转透明锁存器,当锁存使能端为高电平“1”时,输出与输入同步,当锁存使能端变为低电平“0”时,输出端的数据会被锁存。图4中的2个MC74HC573,其中1个是作为段选锁存器,用于储存数码管显示的具体数据,其使能端接单片机的P2.6口;另外1个MC74HC573作为位选锁存器,用于选择8 位LED数码管的某一位进行显示,其使能端接单片机的P2.7口。2 个锁存器的8位输人数据接口均使用单片机
17、的PO口。1.4电机驱动电路单片机通常是不能直接驱动直流电机的,因为直流电机的驱动电流比较大,本设计采用了一片ULN2003达林顿阵列集成芯片来驱动电机。小型直流电机驱动电路如图5所示,其中,ULN2003是一种高耐压、大电流的双列直插式16脚封装达林顿阵列芯片,最大驱动电压为50 V,最大驱动电流为50 0 mA,输人电压为5V。U LN2 0 0 3的端口4,即IN4口接单片机的P1.3口,用于将单片机产生的PWM信号引人驱动电路,端口13,即OUT4口接于直流电机接口J2的输人端IN口,用于输出放大的PWM信号,来驱动小型直流电机运转。U62INI3IN2P1.3PWM信号4IN3IN4
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