温度控制直流电机转速系统设计

张 娜，余节旭，王明方，宋语欣，关龙基

（哈尔滨华德学院，黑龙江 哈尔滨 150025）

近年来，数字温度传感器的功能全面优化，同时人们对数字温度传感器的需求和要求也在逐年提升。现在所应用的温度传感器是基于单片机来进行发展和设计的，无论是在农业生产或者科学研究方面都发挥着重要作用[1]。最早出现的具有调速功能的电机就是直流电机，可以说在交流电机出现以前，直流电机的电力拖动是唯一的电力拖动方式。在多年的研究和使用过程中，直流电机在调速控制领域中有着不可取代的作用和地位，同时给各行各业的发展带来了便利和更高的经济效益。直流电机基于其良好的线性调速功能和简单易行的控制理论等，在实际的生产和生活中占据重要地位[2]。

1 设计目标

文章所设计的由温度控制的电机转速控制系统是基于单片机的温度控制直流电机转速控制电路，采用单片机构成的控制系统，在相应的软件控制下，可以完成设计所要实现的功能。当传感器采集温度在10℃～45℃时，电动机静止不动；当传感器采集温度高于45℃且不大于75℃时，直流电动机在驱动芯片的控制下顺时针加速；当采集温度高于75℃时，电动机以460r/min 的速度顺时针转动；当采集温度在0 ～10℃时，电动机反向加速转动，或先减速再反向转动；当采集温度小于0℃时，电动机以460r/min 的速度逆时针反转；当采集温度回到10℃～45℃时，电动机减速至停止转动。

该设计可以节约人力资源和降低系统成本，从而有效地提高工作效率，实现复杂的控制，且控制灵活性和适应性好，无零点漂移，控制精密高，可提供人机界面，多机联网工作。同时，采用智能功率电路驱动比传统的分立功率器件组成的驱动体积小，功能强；减少了电路元器件数量，提高了系统的可靠性；控制电路和功率电路集成在一起，使监控更容易实现；集成化使电路的连线减少，减少了布线电容和电感以及信号传输的延时，增强了系统抗干扰的能力；集成化使系统成本大大降低。这将有利于温度自动控制系统的智能化发展。

2 系统总体设计

温度控制直流电机转速系统设计通过设计初步分析电路图各部分的工作原理和相关理论知识，为系统硬件部分的设计提供强有力的理论支持。

2.1 设计思路

根据设计需要，该设计从硬件电路和软件程序两方面来进行。首先，在硬件上，需要通过测量元件把检测到的外部温度读入AT89C51 单片机中，选择灵敏度高、抗干扰、线性度好的温度传感器，为了能够便于与单片机传输信号，还要保证输出数字量。其次，相关信息传递给单片机后，单片机要输出两种控制信号，一种是用于温度显示，另一种是用于驱动电机。根据需要，可以选择液晶显示方式，通过编程使读入的数值在显示器上显示出来。这样采用以单片机为核心构成的温度控制系统，不仅结构简单，而且降低了系统成本，节约了资源，提高了工作效率[3]。在软件上，利用Proteus 软件设计出基于单片机的温度控制直流电机转速系统设计的电路图，并且用Keil 软件编写该系统设计的程序，经过编译，生成十六进制的目标代码文件“.hex”。在Proteus 软件上连接电路图后，调入已编译好的目标代码文件“.hex”，使所编程的程序结合电路图在仿真软件Proteus 上运行，清晰地展现模拟实物运行的状态和过程。

2.2 系统方案设计

系统方案设计要考虑可行性和硬件上的经济实用性。该系统采用以单片机为主的微控制器，通过温度传感器进行外界温度的输入。温度信号送入单片机后，由软件程序来判断和进行温度的比较和范围划定，比较后由程序控制单片机生成不同的脉宽调制信号，送给电机驱动芯片的控制端，以控制直流电动机的起动、调速、调向。整个电路设计包括复位电路、晶振电路、温度采集电路、温度显示电路以及直流电机驱动电路，其系统结构框图如图1 所示。

图1 系统结构框图

2.3 元器件选型

1）单片机选型。该设计主控单元选用单片机，型号为美国ATMEL 公司的AT89C51。它是一种高效的微控制器，具有8 位多功能CPU 和FLASH 闪存器，可进行1 000 次的反复擦写，同时具有2 个16 位的定时器/计数器，空闲停止CPU 的工作，低功耗，掉电可保存RAM 中的内容，作为学习和设计，都是一种既灵活又价廉的选择。

2）温度采集器件选型。该设计选用数字式温度传感器进行温度采集，型号为DS18B20。其输出信号是数字信号，具有体积小、硬件开销低、抗干扰能力强、精度高的特点。DS18B20 数字温度传感器接线方便，封装后可应用于多种场合。

3）显示器件选型。该设计选用显示器件型号为液晶显示LCD1602（LM016L）。显示方式主要有数码显示和液晶显示两种，其中，液晶显示应用较广，视觉效果更好，可延伸到工业、光学等各种领域。LCD1602 是字符型液晶显示器，通常具有14 或16 条引脚，分为背光可调和不可调两种。该设计选用的是不带背光、双排显示的液晶显示器。

4）电机驱动芯片选型。该设计在电机控制上，选用电机专用的驱动芯片，型号为L298。它是一种能够接受高电压大电流的全桥驱动芯片，既可以驱动直流电机，也可以驱动步进电机。其内部内置5V 供电，不需外接，内含2 个H-Bridge 的高电压、大电流全桥式驱动器，操作方便，稳定性好。

3 系统硬件设计

系统硬件设计是通过设备选型的确定，将所需要的器件放到各电路中，按要求完成各电路的接线，并了解各电路对该设计的作用。

3.1 单片机最小系统设计

单片机的最小系统是指一个能完成最基本操作的单片机系统。该设计的最小系统由时钟电路、复位电路组成。时钟电路内部的振荡电路是1 个高增益反相放大器，采用12MHz 的晶振和22pF 的电容。复位电路用可将单片机内部各电路的状态恢复到一个确定的初始值，由10kΩ 电阻和10uF 电解电容构成。当系统上电工作时，单片机恢复到初始状态，准备开始工作。

3.2 温度采集电路设计

温度采集电路由4.7kΩ 电阻和温度传感器DS18B20构成，该电路的功能是进行温度采集，然后利用单片机处理所获取的温度数据。温度传感器DS18B20 有3 个管脚：VCC 为外接供电电源接入端，DQ 为数字信号输入/输出端，GND 为接地，能够实现全数字温度转换及输出，完成单一总线数据通信功能[4]。该系统中DS18B20 的DQ 口与单片机的P3.3 口连接，GND 接地。

3.3 温度显示电路设计

温度显示电路采用液晶显示器1602 显示测量温度。1602 显示曲线、字符、汉字的方式不同，该设计中单片机P0.0 到P0.7 口用于显示器的数据传输，即温度信息数值显示；P2.0 到P2.2 分别用于存储器选择、读写数据控制以及使能端控制。当温度数值有变化时，经过单片机数据分析，高低电平的变化，点亮相应行列字符，显示实时温度。

3.4 直流电机驱动电路设计

该电路为直流电机驱动电路，由专用芯片L298、2 个100nF 电容、4 个二极管和1 个直流电机构成，IN1 和IN2用于输入控制电位控制电机的正反转。当ENA=1，IN1=1 且IN2=0 时，电机正转；反之，则电机反转[5]。该系统的整体电路图如图2 所示。

图2 电路原理图

4 系统软件设计

单片机的系统软件设计主要由C 语言设计指令，根据主程序流程图和子程序流程图的设计清晰地阐明设计要求的内容。在子程序设计中程序是比较重要的一部分。另外，电机转速主要用于PWM 波的控制，当温度不同时，根据设计要求调整单片机输出的PWM 波形，即利用调节占空比来调节电机的平均转速；当占空比减小时，电机的平均转速自然变小，反之则变大。最后，经过反复调试，成功实现电路的仿真。

5 结束语

该设计介绍了温度控制直流电机转速系统设计的基本原理，然后通过方案设计确定了系统组成，主要包括单片机、温度传感器、驱动芯片、显示器等器件，在硬件上，通过各单元模块的设计，实现了温度的采集、温度信号传输、单片机对温度信号的采集与比较、温度的显示、驱动电路的控制、电机转速的控制。由于不同转速下电机的反应不同，该设计可用于任何温度采集后，需要启动加热器或风扇的自动控制场合，电路结构简单、响应速度快，温度测量准确，具有一定的实用价值。