溫度控制直流電機轉速系統設計

張 娜，余節旭，王明方，宋語欣，關龍基

（哈爾濱華德學院，黑龍江 哈爾濱 150025）

近年來，數字溫度傳感器的功能全面優化，同時人們對數字溫度傳感器的需求和要求也在逐年提升。現在所應用的溫度傳感器是基于單片機來進行發展和設計的，無論是在農業生產或者科學研究方面都發揮著重要作用[1]。最早出現的具有調速功能的電機就是直流電機，可以說在交流電機出現以前，直流電機的電力拖動是唯一的電力拖動方式。在多年的研究和使用過程中，直流電機在調速控制領域中有著不可取代的作用和地位，同時給各行各業的發展帶來了便利和更高的經濟效益。直流電機基于其良好的線性調速功能和簡單易行的控制理論等，在實際的生產和生活中占據重要地位[2]。

1 設計目標

文章所設計的由溫度控制的電機轉速控制系統是基于單片機的溫度控制直流電機轉速控制電路，采用單片機構成的控制系統，在相應的軟件控制下，可以完成設計所要實現的功能。當傳感器采集溫度在10℃～45℃時，電動機靜止不動；當傳感器采集溫度高于45℃且不大于75℃時，直流電動機在驅動芯片的控制下順時針加速；當采集溫度高于75℃時，電動機以460r/min 的速度順時針轉動；當采集溫度在0 ～10℃時，電動機反向加速轉動，或先減速再反向轉動；當采集溫度小于0℃時，電動機以460r/min 的速度逆時針反轉；當采集溫度回到10℃～45℃時，電動機減速至停止轉動。

該設計可以節約人力資源和降低系統成本，從而有效地提高工作效率，實現復雜的控制，且控制靈活性和適應性好，無零點漂移，控制精密高，可提供人機界面，多機聯網工作。同時，采用智能功率電路驅動比傳統的分立功率器件組成的驅動體積小，功能強；減少了電路元器件數量，提高了系統的可靠性；控制電路和功率電路集成在一起，使監控更容易實現；集成化使電路的連線減少，減少了布線電容和電感以及信號傳輸的延時，增強了系統抗干擾的能力；集成化使系統成本大大降低。這將有利于溫度自動控制系統的智能化發展。

2 系統總體設計

溫度控制直流電機轉速系統設計通過設計初步分析電路圖各部分的工作原理和相關理論知識，為系統硬件部分的設計提供強有力的理論支持。

2.1 設計思路

根據設計需要，該設計從硬件電路和軟件程序兩方面來進行。首先，在硬件上，需要通過測量元件把檢測到的外部溫度讀入AT89C51 單片機中，選擇靈敏度高、抗干擾、線性度好的溫度傳感器，為了能夠便于與單片機傳輸信號，還要保證輸出數字量。其次，相關信息傳遞給單片機后，單片機要輸出兩種控制信號，一種是用于溫度顯示，另一種是用于驅動電機。根據需要，可以選擇液晶顯示方式，通過編程使讀入的數值在顯示器上顯示出來。這樣采用以單片機為核心構成的溫度控制系統，不僅結構簡單，而且降低了系統成本，節約了資源，提高了工作效率[3]。在軟件上，利用Proteus 軟件設計出基于單片機的溫度控制直流電機轉速系統設計的電路圖，并且用Keil 軟件編寫該系統設計的程序，經過編譯，生成十六進制的目標代碼文件“.hex”。在Proteus 軟件上連接電路圖后，調入已編譯好的目標代碼文件“.hex”，使所編程的程序結合電路圖在仿真軟件Proteus 上運行，清晰地展現模擬實物運行的狀態和過程。

2.2 系統方案設計

系統方案設計要考慮可行性和硬件上的經濟實用性。該系統采用以單片機為主的微控制器，通過溫度傳感器進行外界溫度的輸入。溫度信號送入單片機后，由軟件程序來判斷和進行溫度的比較和范圍劃定，比較后由程序控制單片機生成不同的脈寬調制信號，送給電機驅動芯片的控制端，以控制直流電動機的起動、調速、調向。整個電路設計包括復位電路、晶振電路、溫度采集電路、溫度顯示電路以及直流電機驅動電路，其系統結構框圖如圖1 所示。

圖1 系統結構框圖

2.3 元器件選型

1）單片機選型。該設計主控單元選用單片機，型號為美國ATMEL 公司的AT89C51。它是一種高效的微控制器，具有8 位多功能CPU 和FLASH 閃存器，可進行1 000 次的反復擦寫，同時具有2 個16 位的定時器/計數器，空閑停止CPU 的工作，低功耗，掉電可保存RAM 中的內容，作為學習和設計，都是一種既靈活又價廉的選擇。

2）溫度采集器件選型。該設計選用數字式溫度傳感器進行溫度采集，型號為DS18B20。其輸出信號是數字信號，具有體積小、硬件開銷低、抗干擾能力強、精度高的特點。DS18B20 數字溫度傳感器接線方便，封裝后可應用于多種場合。

3）顯示器件選型。該設計選用顯示器件型號為液晶顯示LCD1602（LM016L）。顯示方式主要有數碼顯示和液晶顯示兩種，其中，液晶顯示應用較廣，視覺效果更好，可延伸到工業、光學等各種領域。LCD1602 是字符型液晶顯示器，通常具有14 或16 條引腳，分為背光可調和不可調兩種。該設計選用的是不帶背光、雙排顯示的液晶顯示器。

4）電機驅動芯片選型。該設計在電機控制上，選用電機專用的驅動芯片，型號為L298。它是一種能夠接受高電壓大電流的全橋驅動芯片，既可以驅動直流電機，也可以驅動步進電機。其內部內置5V 供電，不需外接，內含2 個H-Bridge 的高電壓、大電流全橋式驅動器，操作方便，穩定性好。

3 系統硬件設計

系統硬件設計是通過設備選型的確定，將所需要的器件放到各電路中，按要求完成各電路的接線，并了解各電路對該設計的作用。

3.1 單片機最小系統設計

單片機的最小系統是指一個能完成最基本操作的單片機系統。該設計的最小系統由時鐘電路、復位電路組成。時鐘電路內部的振蕩電路是1 個高增益反相放大器，采用12MHz 的晶振和22pF 的電容。復位電路用可將單片機內部各電路的狀態恢復到一個確定的初始值，由10kΩ 電阻和10uF 電解電容構成。當系統上電工作時，單片機恢復到初始狀態，準備開始工作。

3.2 溫度采集電路設計

溫度采集電路由4.7kΩ 電阻和溫度傳感器DS18B20構成，該電路的功能是進行溫度采集，然后利用單片機處理所獲取的溫度數據。溫度傳感器DS18B20 有3 個管腳：VCC 為外接供電電源接入端，DQ 為數字信號輸入/輸出端，GND 為接地，能夠實現全數字溫度轉換及輸出，完成單一總線數據通信功能[4]。該系統中DS18B20 的DQ 口與單片機的P3.3 口連接，GND 接地。

3.3 溫度顯示電路設計

溫度顯示電路采用液晶顯示器1602 顯示測量溫度。1602 顯示曲線、字符、漢字的方式不同，該設計中單片機P0.0 到P0.7 口用于顯示器的數據傳輸，即溫度信息數值顯示；P2.0 到P2.2 分別用于存儲器選擇、讀寫數據控制以及使能端控制。當溫度數值有變化時，經過單片機數據分析，高低電平的變化，點亮相應行列字符，顯示實時溫度。

3.4 直流電機驅動電路設計

該電路為直流電機驅動電路，由專用芯片L298、2 個100nF 電容、4 個二極管和1 個直流電機構成，IN1 和IN2用于輸入控制電位控制電機的正反轉。當ENA=1，IN1=1 且IN2=0 時，電機正轉；反之，則電機反轉[5]。該系統的整體電路圖如圖2 所示。

圖2 電路原理圖

4 系統軟件設計

單片機的系統軟件設計主要由C 語言設計指令，根據主程序流程圖和子程序流程圖的設計清晰地闡明設計要求的內容。在子程序設計中程序是比較重要的一部分。另外，電機轉速主要用于PWM 波的控制，當溫度不同時，根據設計要求調整單片機輸出的PWM 波形，即利用調節占空比來調節電機的平均轉速；當占空比減小時，電機的平均轉速自然變小，反之則變大。最后，經過反復調試，成功實現電路的仿真。

5 結束語

該設計介紹了溫度控制直流電機轉速系統設計的基本原理，然后通過方案設計確定了系統組成，主要包括單片機、溫度傳感器、驅動芯片、顯示器等器件，在硬件上，通過各單元模塊的設計，實現了溫度的采集、溫度信號傳輸、單片機對溫度信號的采集與比較、溫度的顯示、驅動電路的控制、電機轉速的控制。由于不同轉速下電機的反應不同，該設計可用于任何溫度采集后，需要啟動加熱器或風扇的自動控制場合，電路結構簡單、響應速度快，溫度測量準確，具有一定的實用價值。