简易风扇调速系统设计与试验修改过汇总.docx

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简易风扇调速系统设计与试验修改过汇总

摘要

风扇是人们日常生活中常见的夏季祛暑工具，但是目前绝大多数的风扇均采用原始的机械模式。

在此，为了使风扇的转速更加精确。

风扇是电机拖动的产物，对于小功率直流风扇来说其实质就是直流电机。

直流调速系统的发展得力于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料技术、自动控制技术和微机应用技术的最新发展成就。

正是这些技术的进步使直流调速系统发生翻天覆地的变化。

其中电机的控制部分已经由模拟控制逐渐让位于以单片机为主的微处理器控制，形成数字与模拟的混合控制系统和纯数字控制系统，并正向全数字控制方向快速发展。

电动机的驱动部分所用的功率器件亦经历了几次更新换代。

目前开关速度更快、控制更容易的全控型功率器件MOSFET和IGBT成为主流。

功率器件控制条件的变化和微电子技术的使用也使新型的电动机控制方法能够得到实现。

脉宽调制控制方法在直流调速中获得了广泛的应用。

关键词：

自动控制技术微机应用技术电动机控制

Abstract

Fan the common summer Qushu of tools in people's daily life, but the vast majority of fans are using the original mechanical model. Here, in order to make the rotational speed of the fan is more accurate.

Fan motor drag, and its essence is the DC motor for small power DC fan.

DC speed control system of development thanks to the achievements of microelectronic technology, power electronics, sensor technology, permanent magnetic materials technology, automatic control technology and computer application technology of the latest developments. It is these technological advances enable DC speed control system have seen dramatic changes. Control part of the motor is controlled by an analog gradually let in microcontroller-based microprocessor control, the formation of mixed digital and analog control system and a pure digital control system, rapid development and positive direction of all-digital control. Power devices used by the motor drive section has also undergone several replacement. Switch faster, easier to control full-controlled power devices MOSFET and IGBT become mainstream. Power devices control conditions change and the use of microelectronics technology also enables a new type of motor control method can be realized. DC speed control, pulse width modulation control method to obtain a wide range of applications.

Keyword：

Automatic control technologyMicrocomputer Application Technology

Motor control

第一章系统整体方案设计与比较

1.1实验目的

1、了解几种风扇电子调速系统设计可行性方案。

2、比较这几种方案的优劣，指出可能存在的问题或难以实现的理由。

3、选择一种方案完成实验，并说明选择理由。

1.2实验内容

提出几种具体的总体设计方案，说明每种方案的总体设计思想，指出各方案的电路原理与方法，并对每种方案的可行性进行分析，如果难以实现的，说明各方案存在的问题及难以实现的原因。

对各种方案进行比较，指出各种方案的优劣，选出一种方案完成以下部分的实验。

1.3实验原理与方法

本次所设计的风扇电子调速系统，目的就是实时精确控制风扇的转速。

风扇是电机拖动的产物，对于小功率直流风扇来说其实质就是直流电机。

直流调速系统的发展得力于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料技术、自动控制技术和微机应用技术的最新发展成就。

正是这些技术的进步使直流调速系统发生翻天覆地的变化。

其中电机的控制部分已经由模拟控制逐渐让位于以单片机为主的微处理器控制，形成数字与模拟的混合控制系统和纯数字控制系统，并正向全数字控制方向快速发展。

电动机的驱动部分所用的功率器件亦经历了几次更新换代。

目前开关速度更快、控制更容易的全控型功率器件MOSFET和IGBT成为主流。

功率器件控制条件的变化和微电子技术的使用也使新型的电动机控制方法能够得到实现。

脉宽调制控制方法在直流调速中获得了广泛的应用。

1.4实验步骤

1.方案设计

（一）方案一：

PWM波调速

采用由达林顿管组成的H型PWM电路（图1—1）。

用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机转速。

这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高；H型电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制；电子开关的速度很快，稳定性也极佳，是一种广泛采用的PWM调速技术。

我们采用了定频调宽方式，因为采用这种方式，电动机在运转时比较稳定；并且在采用单片机产生PWM脉冲的软件实现上比较方便。

且对于直流电机，采用软件延时所产生的定时误差在允许范围。

其结构图如图1—1所示：

图1-1电机调速系统框图

（二）方案二：

晶闸管调速

采用闸流管或汞弧整流器的离子拖动系统是最早应用静止式变流装置供电的直流电动机调速系统。

1957年，晶闸管（俗称“可控硅”）问世，到了60年代，已生产出成套的晶闸管整流装置，并应用于直流电动机调速系统，即晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（V-M系统）。

假设VT是晶闸管可控整流器，通过调节触发装置GT的控制电压

来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压

，从而实现平滑调速。

晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提高，而且在技术性能上也显示出较大的优越性；晶闸管可控整流器的功率放大倍数在

以上，其门极电流可以直接用晶体管来控制，不再像直流发电机那样需要较大功率的放大器。

在控制作用的快速性上，变流机组是秒级，而晶闸管整流器是毫秒级，这将大大提高系统的动态性能。

因此，在60年代到70年代，晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（V-M系统）代替旋转变流机组直流电动机调速系统（G-M系统），得到了广泛的应用。

但是由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难；晶闸管对过电压、过电流和过高的

与

都十分敏感，若超过允许值会在很短的时间内损坏器件。

另外，由谐波与无功功率引起电网电压波形畸变，殃及附近的用电设备，造成“电力公害”，因此必须添置无功补偿和谐波滤波装置。

1.5实验记录与结论

通过对本次课题的调查和分析，总结出了两种方案。

然后再对这两种方案的优缺点进行比较，最后确定采用第二种作为本次设计的方案。

在第一套方案中，电子开关的速度很快，稳定性也极佳，是一种广泛采用的PWM调速技术。

我们采用了定频调宽方式，因为采用这种方式，电动机在运转时比较稳定；并且在采用单片机产生PWM脉冲的软件实现上比较方便。

且对于直流电机，采用软件延时所产生的定时误差在允许范围。

在第一套方案中，采用晶闸管调速，晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提高，而且在技术性能上也显示出较大的优越性；晶闸管可控整流器的功率放大倍数在

以上，其门极电流可以直接用晶体管来控制，不再像直流发电机那样需要较大功率的放大器。

在控制作用的快速性上，变流机组是秒级，而晶闸管整流器是毫秒级，这将大大提高系统的动态性能。

但是由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难；晶闸管对过电压、过电流和过高的

与

都十分敏感，若超过允许值会在很短的时间内损坏器件。

另外，由谐波与无功功率引起电网电压波形畸变，殃及附近的用电设备，造成“电力公害”，因此必须添置无功补偿和谐波滤波装置。

兼于方案二调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大和课题的设计要求，因此本设计采用方案二。

第二章原理图的绘制及仿真软件训练

2.1实验目的

1、熟练掌握proteus软件的使用并能用来解决实际问题。

2、熟练掌握protel软件的使用，并能根据电路原理图绘制PCB图。

3、熟练掌握systemview软件的使用方法。

2.2实验内容

查找相关资料，了解并介绍Proteus、protel、systemview三种软件的作用，熟练掌握各软件使用方法，并用一种软件做仿真训练，绘制仿真训练的电路图，记录仿真结果并得出相应的结论。

2.3实验原理与方法

本次实验主要用到了Protel软件、Proteus软件和SystemsView软件。

（一）PROTEL软件介绍：

PROTEL是PORTEL公司在80年代末推出的EDA软件，在电子行业的CAD软件中，它当之无愧地排在众多EDA软件的前面，是电子设计者的首选软件，它较早就在国内开始使用，在国内的普及率也最高，有些高校的电子专业还专门开设了课程来学习它，几乎所有的电子公司都要用到它，许多大公司在招聘电子设计人才时在其条件栏上常会写着要求会使用PROTEL。

早期的PROTEL主要作为印制板自动布线工具使用，运行在DOS环境，对硬件的要求很低，在无硬盘286机的1M内存下就能运行，但它的功能也较少，只有电原理图绘制与印制板设计功能，其印制板自动布线的布通率也低，而现今的PROTEL已发展到PROTEL99（网络上可下载到它的测试板），是个庞大的EDA软件，完全安装有200多M，它工作在WINDOWS95环境下，是个完整的板级全方位电子设计系统，它包含了电原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印制电路板设计（包含印制电路板自动布线）、可编程逻辑器件设计、图表生成、电子表格生成、支持宏操作等功能，并具有Client/Server（客户/服务器）体系结构，同时还兼容一些其它设计软件的文件格式，如ORCAD，PSPICE，EXCEL等，其多层印制线路板的自动布线可实现高密度PCB的100％布通率。

在国内PROTEL软件较易买到，有关PROTEL软件和使用说明的书也有很多，这为它的普及提供了基础。

想更多地了解PROTEL的软件功能或者下载PROTEL99的试用版，可以在INTERNET上访问它的站点：

HTTP:

//WWW.PROTEL.COM2005年年底，Protel软件的原厂商Altium公司推出了Protel系列的最新高端版本AltiumDesigner6.0。

  AltiumDesigner6.0，它是完全一体化电子产品开发系统的一个新版本，也是业界第一款也是唯一一种完整的板级设计解决方案。

AltiumDesigner是业界首例将设计流程、集成化PCB设计、可编程器件（如FPGA）设计和基于处理器设计的嵌入式软件开发功能整合在一起的产品，一种同时进行PCB和FPGA设计以及嵌入式设计的解决方案，具有将设计方案从概念转变为最终成品所需的全部功能。

（二）Proteus软件介绍：

Proteus软件是英国Labcenterelectronics公司出版的EDA工具软件。

它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。

它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。

虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。

Proteus是世界上著名的EDA工具（仿真软件），从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。

是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持80C51、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年即将增加Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。

在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。

（三）SystemView软件介绍：

SystemView是美国ELANIX公司推出的，基于Windows环境的用于系统仿真分析的可视化软件工具。

SystemView是一个用于现代工程与科学系统设计及仿真的动态系统分析平台。

从滤波器设计、信号处理、完整通信系统的设计与仿真，直到一般的系统数学模型建立等各个领域，SystemView在友好而且功能齐全的窗口环境下，为用户提供了一个精密的嵌入式分析工具。

SystemView是美国ELANIX公司推出的，基于Windows环境下运行的用于系统仿真分析的可视化软件工具，它使用功能模块（Token）描述程序。

利用SystemView，可以构造各种复杂的模拟、数字、数模混合系统和各种多速率系统，因此，它可用于各种线性或非线性控制系统的设计和仿真。

用户在进行系统设计时，只需从SystemView配置的图标库中调出有关图标并进行参数设置，完成图标间的连线，然后运行仿真操作，最终以时域波形、眼图、功率谱等形式给出系统的仿真分析结果。

2.4实验步骤

（一）使用Protel绘制原理图的步骤：

1、设计图纸大小。

首先要构思好零件图，设计好图纸大小。

图纸大小是根据电路图的规模和复杂程度而定的，设置合适的图纸大小是设计好原理图的第一步。

2、设置Protel99se/Schematic设计环境。

包括设置格点大小和类型，光标类型等等，大多数参数也可以使用系统默认值。

3、旋转零件。

用户根据电路图的需要，将零件从零件库里取出放置到图纸上，并对放置零件的序号、零件封装进行定义和设定等工作。

4、原理图布线。

利用Protel99se/Schematic提供的各种工具，将图纸上的元件用具有电气意义的导线、符号连接起来，构成一个完整的原理图。

5、调整线路。

将初步绘制好的电路图作进一步的调整和修改，使得原理图更加美观。

6、报表输出。

通过Protel99se/Schematic提供的各种报表工具生成各种报表，其中最重要的报表是网络表，通过网络表为后续的电路板设计作准备。

7、文件保存及打印输出。

最后的步骤是文件保存及打印输出。

（二）使用Proteus仿真的步骤

1、添加元件；添加本次仿真所需要的元件到元件列表。

2、放置元件；将添加进来的元件，放置到原理图编辑区中。

3、电路图布线；将各个元件连接起来。

4、系统仿真；导入程序文件，进行仿真，观察结果。

（三）SystemView软件的使用：

1、安装SystemView，对该软件有一个感性认识

运行svu_32.exe启动安装程序，根据SystemView安装软件说明，在安装开始界面上选择“InstallSystemView”选项，按照提示选择“NEXT”就可以完成安装。

安装完后选择Professional项，输入注册码将其激活。

至此SystemView软件在电脑上安装完毕。

2、了解SystemView设计窗口

启动SystemView后就会出现系统设计窗口。

它包括标题栏、菜单栏、工具条、滚动条、提示栏、图符库和设计窗工作区。

其中设计窗口工作区是用于设置、连接各种图符以创建系统，进行系统仿真等操作；提示栏用于显示系统仿真的状态信息、功能快捷键的功能信息提示和图符的参数显示；滚动条用于移动观察当前的工作区域。

当鼠标器位于功能图符上时，则该图符的具体参数就会自动弹出显示。

3、了解SystemView图符库

SystemView图符库在系统设计窗口左侧，它提供了9个基本的图符库和6个扩展的图符库。

使用这些图符时只需用鼠标器拖动放入设计工作区即可，也可直接在该图符图标上双击鼠标器。

在设计工作区内双击图符，则可以定义该图符的具体功能和参数。

4、了解SystemView分析窗口

分析窗口是用户观察SystemView数据输出的基本工具。

有多种选项可以增强显示的灵活性和用途。

这些功能可以通过单击分析窗工具条上的快捷按钮或通过下拉菜单来激活。

提示信息区显示分析窗口的状态信息、坐标信息和分析的进度指示；活动图形窗显示输出的各种图形，如波形图、功率谱、眼图等。

2.5实验记录与结论

使用Proteus设计的数码管显示实例截图：

图2-1protel软件中单片机数码管显示仿真图

SystemView系统设计截图：

图2-2SystemView系统设计窗口

在使用proteus软件之前，我上网搜索了一些详细的有关Proteus的原理与使用的方法，进一步完善了在学校学到的有关Proteus的知识。

但是在用proteus软件进行仿真训练时，遇到了许多问题，主要还是对proteus软件不够熟练，在选择元件并整体布局时，常发生细节错误，致使元件布局不美观，连线常发生错误，这是以后在学习和工作当中要注意的地方。

还有，对系统进行编程也是我的弱项，对相关语句不了解，不知道其功能或者在许多细节方面不仔细，使得编译错误，因此，细心、耐心是学好使用该软件的前提，也是以后学习工作当中所要具备的。

第三章系统软件设计及硬件设计

3.1实验目的

1、掌握系统软件及硬件电路设计思路和单元模块设计的方法。

2、熟练掌握proteus软件的使用，并在该软件中画出系统的电路图。

3、掌握在proteus软件环境下对系统进行编程，了解一些基本的编程思想。

3.2实验内容

设计该风扇电子调速系统硬件电路，分模块设计，电路模块包括驱动电路模块，单片机控制模块和电源模块，使用protel软件制作原理图中需要的元件，并画出原理图。

用Keil软件，设计出系统软件的C语言程序代码。

使用模块化编程的方法，程序模块分为定时模块，PWM信号产生模块，各个模块之间连接紧密。

最后编译通过生成.HEX文件。

3.3实验原理与方法

系统硬件电路模块设计

1、驱动电路模块，如下图：

图3-1电机驱动电路

ULN2003A功能介绍

ULN2003是高耐压、大电流、内部由七个硅NPN达林顿管组成的驱动芯片。

经常在以下电路中使用，作为显示驱动、继电器驱动、照明灯驱动、电磁阀驱动、直流电机、步进电机驱动等电路中。

ULN2003的每一对达林顿都串联一个2.7K的基极电阻,在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。

ULN2003工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，并且能够在关态时承受50V的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。

ULN2003A在各种控制电路中常用它作为驱动继电器的芯片，其芯片内部做了一个消线圈反电动势的二极管。

ULN2003的输出端允许通过IC电流200mA，饱和压降VCE约1V左右，耐压BVCEO约为36V。

输出电流大，故可以直接驱动继电器或固体继电器（SSR）等外接控制器件，也可直接驱动低压灯泡。

ULN2003可以驱动7个继电器,具有高电压输出特性，并带有共阴极的续流二极管使器件可用于开关型感性负载。

每对达林顿管的额定集电极电流是500mA，达林顿对管还可并联使用以达到更高的输出电流能力。

ULN2003A中每对达林顿管的基极都串联有一个2.7kΩ的电阻，可直接与TTL或5VCMOS器件连接。

ULN2003A的输出结构是集电极开路的，所以要在输出端接一个上拉电阻，在输入低电平的时候输出才是高电平。

在驱动负载的时候，电流是由电源通过负载灌入ULN2003A的。

2、控制模块，如下图：

图3-2单片机控制部分

PWM控制信号由80C52单片机产生，8051单片机由CPU和8个部件组成，它们都通过片内单一总线连接，其基本结构依然是通用CPU加上外围芯片的结构模式，但在功能单元的控制上采用了特殊功能寄存器的集中控制方法。

其基本组成如下图所示：

图3-3单片机内部框图

3、时钟、复位模块，如下图：

图3-4电源、复位部分电路

单片机的时钟是由12MHZ的晶振提供，复位电路用来实现上电自动复位的功能，电路如图所示。

系统软件部分的设计

该电风扇电子调速器电路由电源电路、可控振荡器和控制执行电路组成，如图所示。

图3-5风扇电子调速器示意图

电源电路由降压电容器Cl、整流二极管VDl、VD2、滤波电容器C2、电源指示发光二极管VL和稳压二极管VS组成。

可控振荡器由时基集成电路IC、电阻器RI、R2、电容器C3、电位器RP和二极管VD3、VD4组成。

控制执行电路由风扇电动机M、晶闸管VT、电阻器R3和IC第3脚内电路组成。

交流220V电压经Cl降压、VDl和VD2整流、VL和VS稳压及C2滤波后，为IC提供约8V的直流电压。

可控振荡器振荡工作后，从IC的3脚输出周期为105、占空比连续可调的振荡脉冲信号，利用此脉冲信号去控制晶闸管VT的导通状态。

调节RP的阻值，即可改变脉冲信号的占空比（调节范围为1%-99%），控制风扇电动机M转速的高低，产生模拟自然风（周期为10s的阵风）。

改变C3的电容量，可以改变振荡器的振荡周朔，从而改变模拟自然风的周期。

元器件选择：

R1-R3选用1/4W碳膜电阻器或金属膜电阻器。

RP选用合成膜电位器或有机实心电位器。

C1选用耐压值为450V的涤纶电容器或CBB电容器;C2和C3均选用耐压值为16V的铝电解电容器。

VDl和VD2均选用lN4007型硅整流二极管;VD3和VD4均选用1N4148型硅开关二极管。

VS选用1/2W、6.2V的硅稳压二极管。

VL选用φ5mm的绿色发光二极管。

VT选用MACg4A4（lA、400V）型双向晶闸管。

IC选用NE555或CD7555型时基集成电路。

总的概括，一般风扇调速器的工作原理有三种种方法：

1.用微电路板控制电压高低，改变速度，例如：

部分空调室内机；

2.改变电阻来控制电压，改变速度，例如：

部分空调柜机；

3.切换线路，通过电机上的几组线圈来改变速度，例如：

普通电风扇。

3.4实验记录与结论

硬件原理图如下：

图3-7电路原理图

程序源代码如下：

#include

unsignedchartimer1;

inttime;

sbitPWM=P1^2;

voidsystem_Ini（）

{

TMOD=0x10;

TH1=0xfe;

TL1=0x33;

TR1=1;

I