资源简介

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项目四 直流电机调速
一、教学目标
1.了解直流电机控制的接口电路设计，单片机与外设接口的驱动、电气隔离、抗干扰的典型应用电路。
2.掌握直流电机正反转控制的程序设计方法。
3.掌握直流电机调速的基本原理。
4.熟悉搭建单片机控制直流电机驱动电路。
二、课时分配
本项目共3个任务，安排6课时。
三、教学重点
通过本项目的学习，让学生学习直流电机驱动及正反转控制、采用PWM技术实现直流电机调速、直流电机调速控制实训等概念。通过本项目的学习与实践，我们要掌握单片机直流电机的基本概念、工作原理和工作方式，并掌握直流电机技术的调控和实际应用；了解直流电机驱动的工作方式及应用。让学生由理论联系实践，在教学过程中培养学生自主性、研究性学习方法和思想。
四、教学难点
1.掌握单片机PWM波形产生的程序设计方法。
2.能正确修改程序改变PWM的占空比以满足直流电机不同的速度控制要求。
五、教学内容
任务一 直流电机驱动及正反转控制
知识准备
本次任务的目标就是设计一个基于单片机的直流电机正反转控制电路，通过3个按钮实现小型直流电机(额定电压为12V)的正反转及停止控制。
一、 直流电机简介
电动机简称电机，是把电能转换成机械能的机械，直流电机把直流电能转变为机械能。
直流电机有以下4方面的优点：
① 调速范围广，且易于平滑调节。
② 过载、启动、制动转矩大。
③ 易于控制，可靠性高。
④ 调速时的能量损耗较小。
二、 直流电机工作原理
直流电动机的工作原理是基于载流导体在磁场中受力产生电磁力形成电磁转矩的基本原理。但要获得恒定方向的转矩，需将其外电路的直流电流变为绕组中的交流电流，即同样需要机械整流装置。
任务实施
一、 绘制原理图
在PROTUES软件中绘制原理图，如图所示。
二、 编写源程序
三、 编译与仿真
将上述源程序在KEIL C中编译并生成HEX文件，在PROTUES中作原理图仿真。正确的编译结果如图所示。
知识拓展
① 不改变电路，编程实现如下要求： 系统上电后，电机正转2s，然后反转3s，不断重复，当停止按钮按下时，电机停止运行。
② 搜集直流电机驱动电路，在PROTUES软件中搭建电路，进行仿真，并分析各驱动电路的特点。
目标检测
任务二 采用PWM技术实现直流电机调速
知识准备
本次任务以AT89C51单片机为核心，通过3个按键（快速、慢速、停止）控制直流电机的速度。当快速按钮按下时，电动机快速运转；当慢速按钮按下时，电动机慢速运转；当停止按钮按下时，电动机停止运行。此任务运用PWM技术（在下面进行具体的阐述）对直流电机进行控制。
一、 PWM调速基本原理
PWM是英文Pulse Width Modulation(脉冲宽度调制)的缩写，简称脉宽调制。它通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要的波形（含形状和幅值）。脉宽调制是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在测量、通信、功率控制与变换等领域中。
二、冲量等效理论
在采样控制理论中，有一个重要的结论： 冲量（指窄脉冲的面积）相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的负载上时，其效果基本相同。
三、 PWM控制技术控制直流电机
PWM信号只有两种状态，高电平和低电平。对于一个给定的周期来说，高电平所占的时间和周期之比叫做占空比，电机的速度与施加的平均电压成正比，输出转矩则与电流成正比。直流电机高效运行的最常见方法是施加一个 PWM（脉宽调制）方波，其通断比率对应于所需速度。即直流电机的转速正比于在一个周期内PWM的电压有效值。电机起到一个低通滤波器作用，将 PWM 信号转换为有效直流电平，PWM 控制信号很容易由单片机产生。
任务实施
一、 绘制原理图
在PROTUES软件中绘制原理图，如图所示。
二、 编写源程序
三、 编译与仿真
将上述源程序在KEIL C中编译并生成HEX文件，在PROTUES中作原理图仿真。正确的编译结果如图所示。
目标检测
任务三 直流电机调速控制实训
知识准备
本次任务是制作一个直流电机调速控制电路，并能够根据控制要求编写单片机程序。
任务实施
一、 绘制原理图
在PROTUES软件中绘制原理图，如图所示。
二、 编写源程序
三、 编译与仿真
将上述源程序在KEIL C中编译并生成HEX文件，在PROTUES中作原理图仿真。正确的编译结果如图所示。
四、 电路制作与调试
① 对照下面的元件清单准备元器件。
② 根据实训条件，可以采用万能板焊接或在制作好的PCB上焊接。图为制作好的电路，是用万能板制作的，单片机的4组I/O口全部用插针引出，便于做其他的实验。
③ 利用SPI下载线或编程器将编译好的HEX文件固化到单片机AT89S51或AT89S52中，加电调试。实验效果如图所示。
知识拓展
在原有硬件电路上，编程实现对直流电动机0～9挡的速度控制，并在数码管上显示相应的挡位。
目标检测
六、课后作业
完成每个任务的目标检测。
21世纪教育网 www.21cnjy.com 精品试卷·第 2 页 （共 2 页）
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