第8讲 直流电机电路的仿真实验

图8-10 ADC元器件
注意我们在进行ADC仿真的时候，选择的芯
片不是ADC0809，而是ADC0808（带有仿真 模型的那个）. 这两个的区别是：ADC0808是0809的简化版， 主要的不同点是0808的转换输出OUT1~8与 0809的输出端D0~D7的高低位是相反的，即 0809的最低位是D0，而0808的最低位是 OUT8. ADC0808在实际中不常用，实际中常用的是 0809，而0808最常用的是在protues仿真里 面，因为0809是没有模型库，无法仿真的。
图8-3 矩阵键盘控制电路
图8-4 单片机主控制电路
8.3 软件编程实现电机电路的控制
以图8-4为例，我们要求电路运行时，按下K1
键，直流电机正转，发光二极管D1点亮；按 下K2按键，直流电机反转，发光二极管D2点 亮；按下K3按键，直流电机停止转动，发光 二极管D3点亮。 由图8-3可知，通过控制电机驱动电路的端电 压UA和UB的大小，就可以控制电机的转向， A点电压由P1.0控制，B点电压由P1.1控制。

参考源代码为：
#include <reg51.h> #define uchar unsigned char #define uint unsigned int sbit CLK=P2^4; sbit ST=P2^5; sbit EOC=P2^6; sbit OE=P2^7; sbit PWM=P3^0; void delay(uchar x) { uchar i; while(x--) for(i=0;i<40;i++); }
8.1.1 直流电机的工作原理
1．直流电机的组成

直流电机由定子(磁极)、转子(电枢)和机座等部分构成。
电刷 b N a I F I F d T
n
c S – U +
换向片
图8-1 直流电机组成示意图
3
2. 直流电机的工作原理

直流电从两电刷之间通入电枢绕组，电枢电流方向如
图所示。由于换向片和电源固定联接，无论线圈怎样转
表8-2 元 件 清 单 元件名称 AT89C51 CAP CAP-ELEC CRYSTAL RES ADC0808 POT-HG 所属类 Microprocessor ICs Capacitors Capacitors Miscellaneous Resistors Data Converters Resistors 所属子类 8051 Family Generic Generic － Generic A/D Converters Variables
参考源代码为： #include <reg51.h> #include <intrins.h> #define uchar unsigned char #define uint unsigned int sbit K1=P3^0; //正转 sbit K2=P3^1; //反转 sbit K3=P3^2; //停止 sbit LED1=P0^0; sbit LED2=P0^1; sbit LED3=P0^2; sbit MA=P1^0; //A端电压 sbit MB=P1^1; //B端电压
中，是最常用的A/D转换器。
1．ADC0809引脚及功能
ADC0809为一款逐次比较型8路模拟输入、8位数字量输出的
A/D转换器，引脚如图8-7。
图8-7 ADC0809的引脚图
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IN0～IN7：8路模拟信号输入端。 D0～D7：转换完毕的8位数字量输出端。 A、B、C与ALE：控制8路模拟输入通道的切换。A、B、C分别与
图8-6 电路运行过程
8.5 电机转速控制电路的原理介绍
直流电机的转速控制也是电机控制电路非常
重要的部分，现在最常用的方法是利用PWM （脉宽调制）调速。 参考前一例子，如果向A点或B点输入不同占 空比的电压脉冲信号，可以在控制正反转的 基础上增加转速控制功能。 PWM是单片机常用的模拟量控制方式，可以 通过外接ADC转换电路，对应外部不同的模 拟电压值，利用单片机产生占空比不同的控 制脉冲。
目前在直流电动机拖动系统中已大量采用晶 闸管(即可控硅)装置向电动机供电的KZ—D拖 动系统，取代了笨重的发电动一电动机的F— D系统，又伴随着电子技术的高度发展，促使 直流电机调速逐步从模拟化向数字化转变， 特别是单片机技术的应用，使直流电机调速 技术又进入到一个新的阶段，智能化、高可 靠性已成为它发展的趋势。
2. 电路原理图

元件全部添加后，在Proteus ISIS的编辑区域中按图 8-11所示的原理图连接硬件电路。
图8-11 电路原理图
2. 电路原理图
其中重点是ADC0809与单片机的连接控制端，如下图。
图8-12 局部原理图
3. 软件编程实现PWM输出
以图8-11为例，我们要求电路运行时，通过模拟通道 0的滑动变阻器RV1的调节，可以改变输出脉冲的占 空比。 ADC0808有8个模拟输入通道，本例的模拟量是从通 道0输入的，IN0的通道地址为000，故将ADD C,ADD B,ADD A三只引脚接地。根据8-11的工作时 序，START引脚在一个高脉冲后启动A/D转换，当 EOC引脚出现一个高电平时转换结束，由OE引脚控 制从并行输出端读取一字节的转换结果（范围为 0x00~0xff），转换过程中芯片所需要的时钟信号由 单片机定时器T0的中断程序提供。
第八讲 直流电机电路的仿真实验
8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 8.6 直流电机控制电路的原理介绍 直流电机硬件电路的设计 软件编程实现电机电路的控制 电机电路在Proteus中的验证 电机转速控制电路的原理介绍 实例扩展
8.1 直流电机控制电路的原理介绍
现代工业生产中，电动机是主要的驱动设备，
BC184
TIP31 TIP32
Transistors
Transistors Transistors
Bipolar
Bipolar Bipolar
2. 电路原理图
元件全部添加后， 在Proteus ISIS的 编辑区域中按图85所示的原理图连 接硬件电路。
图8-5 电路原理图
3、源程序的添加
参照第五讲在Keil 中建立工程，添加 源程序文件、构 建.hex文件，加载 目标代码，执行程 序，观察不同按键 被按下后直流电机 的转向和转速，如 图8-6所示。

VR（+）、VR（−）：基准电压输入端。
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2．ADC0809结构及转换原理
图8-8
ADC0809结构框图
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该芯片的工作时序如下图所示。
图8-9
ADC0809芯片工作时序
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8.5.2 利用ADC控制PWM输出
1、Proteus电路设计
1. 元件清单列表
打开Proteus ISIS编辑环境，按表8-2所列的清单添加元件
8.4 电机电路在Proteus中的验证
8.4.1 Proteus电路设计
1. 元件清单列表
打开Proteus ISIS编辑环境，按表8-1所列的清单添加元件
表8-1 元 件 清 单 元件名称 AT89C51 所属类 Microprocessor ICs 所属子类 8051 Family
CAP
CAP-ELEC CRYSTAL
单片机的三条地址线相连，三位编码对应8个通道地址端口。C、
B、A = 000～111分别对应IN0～IN7通道的地址。

OE、START、CLK：OE为输出允许端，START为启动信号输入端，
CLK为时钟信号输入端。

EOC：转换结束输出信号。当A/D转换开始转换时，该引脚为低
电平，当A/D转换结束时，该引脚为高电平。
参考源代码为： void main() { LED1=1; LED2=1; LED3=0; while(1) { if(K1==0) //正转 { while(K1==0); LED1=0; LED2=1; LED3=1; MA=0; MB=1; } if(K2==0) //反转 { while(K2==0); LED1=1; LED2=0; LED3=1; MA=1; MB=0; } if(K3==0) //停止 { while(K3==0); LED1=1; LED2=1; LED3=0; MA=0; MB=0; } } }
图8-2 电机元器件
正反转可控的直流电动机电路
如图8-3所示为电机转向控制电路。图中，直
流电机驱动采用的是桥式驱动电路。 电路的工作原理是：当A点为低电平时，Q3， Q2截止，Q7，Q1导通，电机左端呈现高电 平；当B点为高电平时，Q8，Q4截止，Q6， Q5导通，电机右端呈现低电平，因此，在A 为0，B为1时，电动机正转；反之，在A为1， B为0时，电动机反转；而当A点和B点同为 高电平或低电平时，电动机停止转动。 图8-4为单片机主控制电路。
Capacitors
Capacitors Miscellaneous
Generic
Generic －
RES
LED-RED
Resistors
Optoelectronics
Generic
LEDs
表8-1 元 件 清 单(续上 表) 元件名称 MOTOR-DC BUTTON 所属类 Electromechanical Switches & Relays － Switches 所属子类
4、源程序的添加
参照第五讲在Keil 中建立工程，添加 源程序文件、构 建.hex文件，加载 目标代码，执行程 序。调节RV1变阻 器，观察虚拟示波 器的波形的占空比 的变化，如图8-13 所示。
图8-13 电路运行过程
8.6 实例扩展
综合前两个例子，实现通过外接的A/D转换电路， 对应外部不同的电压值，利用AT89C51单片机产生 占空比不同的控制脉冲，驱动直流电动机以不同的 转速转动，并通过外接的单刀双掷开关，控制电动 机的正转与反转。 注意单片机与直流电机直接相连会有严重的干扰问 题，为了解决这个问题，可以采用电气隔离，只用 光线做耦合。采用光电耦合器传递信号，电气隔离， 输入和输出独立电源，防止干扰信号可以是TTL数 字信号，也可以是模拟信号。
8.5.1 ADC模数转换器的结构及原理

A/D转换器把模拟量转换成数字量，以便于单片机进
行数据处理。

尽管A/D转换器的种类很多，但目前广泛应用在单片
机应用系统中的主要有逐次比较型转换器和双积分型
转换器，此外-Δ式转换器逐渐得到重视和较为广泛
的应用。

逐次比较型A/D转换器，在精度、速度和价格上都适
参考源代码为： if(Val==0xff) //PWM输出（占空比为100%） { PWM=1; delay(0xff); continue; } PWM=1; //PWM输出（占空比大于0%小于100%） delay(Val); PWM=0; delay(0xff-Val); } } void Timer0_INT() interrupt 1 { CLK=!CLK; //ADC0808时钟信号 }
制转速。
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8.2 直流电动机硬件电路的设计
以直流电机的正反ຫໍສະໝຸດ Baidu控制为例，介绍直流电
机转向控制电路的设计。 在Proteus中，电机在Proteus元件库 Electromechanical类中，如图8-5所示，也 可以直接在Keyword栏输入motor拾取。注 意直流电机(MOTOR-DC)与步进电机 (MOTOR-STEPPER)的区别。
动，总是S极有效边的电流方向向里，N极有效边的电流
方向向外。电动机电枢绕组通电后，受力（左手定则）
按顺时针方向旋转。

如果想改变电机的转动方向，可以通过改变外电源的
极性；如果想改变电机的转速，只要改变电机的电压就
可以了。
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2. 直流电机的工作原理

改变电压的方法很多，最常见的一种PWM脉宽调制，
调节电机的输入占空比就可以控制电机的平均电压，控
参考源代码为： void main() { uchar Val; TMOD=0x02; //T0为8位自动装载的定时器 TH0=0x14; //定时初值 TL0=0x00; IE=0x82; //允许Timer0中断 TR0=1; //启动定时器T0 while(1) { ST=0;ST=1;ST=0; //启动A/D转换 while(!EOC); //等待转换完成 OE=1; Val=P1; //读取转换结果 OE=0; if(Val==0) //PWM输出（占空比为0%） { PWM=0; delay(0xff); continue; //注意continue的用法 }