直流電機調(diào)速

1、 攀枝花學(xué)院專業(yè)基礎(chǔ)綜合實驗報告 基于單片機的直流電機控制設(shè)計基于單片機的直流電機控制設(shè)計 學(xué)生姓名： 學(xué)生學(xué)號： 院（系）： 年級專業(yè)： 指導(dǎo)教師： 二一三年六月 摘摘 要要 本文是對直流電機 PWM 調(diào)速器設(shè)計的研究，主要實現(xiàn)對電機的控制。本課程 設(shè)計主要是實現(xiàn) PWM 調(diào)速器的加速、減速、停止等操作。并實現(xiàn)電路的仿真。為 實現(xiàn)系統(tǒng)的微機控制，在設(shè)計中，采用了 AT89C51 單片機作為整個控制系統(tǒng)的控 制電路的核心部分，配以各種顯示、驅(qū)動模塊，實現(xiàn)對電動機轉(zhuǎn)速參數(shù)的顯示和 測量；由命令輸入模塊、光電隔離模塊及 H 型驅(qū)動模塊組成。采用帶中斷的獨立 式鍵盤作為命令的輸入，單片機在程序控制下

2、，不斷給光電隔離電路發(fā)送 PWM 波 形，H 型驅(qū)動電路完成電機正反轉(zhuǎn)控制.在設(shè)計中，采用 PWM 調(diào)速方式，通過改變 PWM 的占空比從而改變電動機的電樞電壓，進而實現(xiàn)對電動機的調(diào)速。設(shè)計的整 個控制系統(tǒng)，在硬件結(jié)構(gòu)上采用了大量的集成電路模塊，大大簡化了硬件電路， 提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，使整個系統(tǒng)的性能得到提高。 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞 PWM 調(diào)制，AT89C51 單片機，雙全橋驅(qū)動器 L298，直流電機 ABSTRACTABSTRACT This article is the study of dc motor PWM speed controller design, the main co

3、ntrol system for the motor. This course design mainly is to realize PWM speed governor of acceleration, deceleration and stop operation. And realize the simulation of circuit. For the realization of the system of microcomputer control, in the design, USES AT89C51 as the core part of the whole contro

4、l circuit of the control system, with all kinds of display, driver module, display and measurement of motor speed parameter; By the command input module, photoelectric isolation module and H driver module. Adopt independent type keyboard with interruption as command input, single chip microcomputer

5、under program control, constantly send photoelectric isolating circuit PWM waveform, H drive circuit to complete motor and reversing control. In the design and adopts PWM control method, by changing the PWM duty cycle to change the armature voltage of the motor, and then realize to the speed of the

6、motor. On the design of the whole control system, the hardware structure by a large number of integrated circuit module, greatly simplify the hardware circuit and improve the stability and reliability of the system, improve the performance of the whole system. Key words：PWM technology, AT89C51, both

7、 bridge driver L298, DC motor 目 錄 摘摘 要要 . ABSTRACTABSTRACT . 1 1 緒論緒論.1 1 1.1 直流電機概述.1 1.2 單片機概述.1 1.3 脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù).2 1.4 課題任務(wù)及工作內(nèi)容.3 2 2 單片機直流電機控制系統(tǒng)總體設(shè)計方案單片機直流電機控制系統(tǒng)總體設(shè)計方案.4 4 2.1 設(shè)計思路.4 2.2 方案論證與比較.4 2.3 可執(zhí)行性分析理論依據(jù).5 2.5 研究內(nèi)容 .5 3 3 單片機直流電機控制系統(tǒng)硬件設(shè)計單片機直流電機控制系統(tǒng)硬件設(shè)計.7 7 3.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu).7 3.2 系統(tǒng)單元電路設(shè)計.7 3.2

8、.1 單片機最小系統(tǒng)電路 .7 3.2.2 獨立式鍵盤電路 .8 3.2.3 電機驅(qū)動電路 .8 3.2.4 電源電路 .9 3.2.5 串口通信電路 .9 3.2.6 電機驅(qū)動電路 .9 4 4 單片機直流電機控制系統(tǒng)軟件設(shè)計單片機直流電機控制系統(tǒng)軟件設(shè)計.9 9 4.1 軟件總體結(jié)構(gòu).9 4.2 系統(tǒng)模塊程序設(shè)計.11 4.3 鍵盤掃描模塊程序 .12 4.4 串口通信模塊程序 .14 4.5 電機調(diào)速模塊程序 .15 5 5 系統(tǒng)測試系統(tǒng)測試 .1616 5.1 測試準備.16 5.1.1 硬件環(huán)境 .16 5.1.2 軟件環(huán)境 .16 5.1.3 測試項目 .16 5.2 測試過程.1

9、6 5.3 測試結(jié)果.17 結(jié)束語結(jié)束語.1919 致謝致謝.2020 參考文獻參考文獻.2121 附錄附錄 1 1 直流電機在線控制系統(tǒng)直流電機在線控制系統(tǒng) . 2222 附錄附錄 2 2 直流電機系統(tǒng)硬件原理圖直流電機系統(tǒng)硬件原理圖.23.23 附錄附錄 3 3 L298L298 芯片資料芯片資料. . .25.25 1 1緒 論 1.1直流電機概述 在現(xiàn)代工業(yè)中，電動機作為電能轉(zhuǎn)換的傳動裝置被廣泛應(yīng)用于機械、冶金、 石油化學(xué)、國防等工業(yè)部門中，隨著對生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品質(zhì)量的要求不斷提高和產(chǎn) 量的增長，越來越多的生產(chǎn)機械要求能實現(xiàn)自動調(diào)速。長期以來，自動調(diào)速電動 機一直占據(jù)著調(diào)速控制的統(tǒng)治地位

10、。由于它具有良好的線性調(diào)速特性，簡單的控 制性能，高效率，優(yōu)異的動態(tài)特性，現(xiàn)在仍是大多數(shù)調(diào)速控制電動機的最優(yōu)選擇 以前電動機大多使用由模擬電路組成的控制柜進行控制，現(xiàn)在單片機已經(jīng)開 始取代模擬電路作為電機控制器。當前電機控制器的發(fā)展方向越來越趨于多樣化 和復(fù)雜化，現(xiàn)有的專用集成電路未必能滿足苛刻的新產(chǎn)品開發(fā)要求，為此可考慮 開發(fā)電機的新型單片機控制器，因此研究直流電機的速度控制，有著非常重要的 意義。 由于變頻技術(shù)的出現(xiàn)，交流調(diào)速一直沖擊直流調(diào)速，但綜觀全局，尤其是我 國在此領(lǐng)域的現(xiàn)狀，再加上全數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)的出現(xiàn)，更提高了直流調(diào)速系統(tǒng) 的精度及可靠性，直流調(diào)速系統(tǒng)仍將處于十分重要地位。 對

11、于直流調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制的要求有穩(wěn)速、調(diào)速、加速或減速三個方面，而 在工業(yè)生產(chǎn)中對于后兩個要求已能很好地實現(xiàn)，但工程應(yīng)用中穩(wěn)速指標卻往往不 能達到預(yù)期的效果，穩(wěn)速要求即以一定的精度在所需要的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運行，在各種 干擾不允許有過大的轉(zhuǎn)速波動。 1.2單片機概述 隨著單片機功能的飛速發(fā)展，單片機的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)滲透到了國民經(jīng)濟的各 個領(lǐng)域，并影響著現(xiàn)代人的生活。單片機技術(shù)的出現(xiàn)給現(xiàn)代工業(yè)測控領(lǐng)域帶來了 一次技術(shù)革命。目前，單片機仍以其高可靠性、高性價比，在工業(yè)控制系統(tǒng)、智 能化儀器儀表、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和智能家電等諸多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。 當今時代是一個新技術(shù)層出不窮的時代，在電子領(lǐng)域尤其是自動化智能控制

12、 領(lǐng)域，傳統(tǒng)的分立元件或數(shù)字邏輯電路構(gòu)成的控制系統(tǒng)，正以飛快的速度被單片 機智能控制系統(tǒng)所取代。單片機的優(yōu)點包括體積小、功能強、成本低，并且應(yīng)用 2 面廣，可以說智能控制與自動控制的核心就是單片機。 單片機又稱單片微控制器，它不是完成某一個邏輯功能的芯片，而是把一個 計算機系統(tǒng)集成到一個芯片上。概括來講：一塊芯片就是一臺計算機。它具有體 積小、質(zhì)量輕、價格便宜等優(yōu)點，為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開發(fā)提供了諸多便利。同時， 學(xué)習(xí)使用單片機是了解計算機原理與結(jié)構(gòu)的最佳選擇。 現(xiàn)在，單片機的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，比如實時工控、導(dǎo)航系統(tǒng)、智能儀表、 家用電器、通訊設(shè)備等。單片機一旦運用在各種產(chǎn)品上面，就可以說是使產(chǎn)品進

13、 行了升級換代，也可以把產(chǎn)品美其名曰：“智能型”，如智能型洗衣機等等。 1.3脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù) 脈沖寬度調(diào)制（PWM）是英文“Pulse Width Modulation”的縮寫，簡稱脈 寬調(diào)制。它是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的 技術(shù)，廣泛應(yīng)用于測量，通信，功率控制與變換等許多領(lǐng)域。一種模擬控制方式， 根據(jù)相應(yīng)載荷的變化來調(diào)制晶體管柵極或基極的偏置，來實現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出 晶體管或晶體管導(dǎo)通時間的改變，這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化 時保持恒定。 脈沖寬度調(diào)制（PWM）是一種對模擬信號電平進行數(shù)字編碼的方法。通過高 分辨率計數(shù)器的使用，方波的占空比

14、被調(diào)制用來對一個具體模擬信號的電平進行 編碼。PWM 信號仍然是數(shù)字的，因為在給定的任何時刻，滿幅值的直流供電要么 完全有(ON)，要么完全無(OFF)。電壓或電流源是以一種通(ON)或斷(OFF)的重復(fù) 脈沖序列被加到模擬負載上去的。通的時候即是直流供電被加到負載上的時候， 斷的時候即是供電被斷開的時候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用 PWM 進 行編碼。 多數(shù)負載(無論是電感性負載還是電容性負載)需要的調(diào)制頻率高于 10Hz，通 常調(diào)制頻率為 1kHz 到 200kHz 之間。 許多微控制器內(nèi)部都包含有 PWM 控制器。例如， Microchip 公司的 PIC16C67 內(nèi)含兩個 P

15、WM 控制器，每一個都可以選擇接通時間和周期。占空比 是接通時間與周期之比；調(diào)制頻率為周期的倒數(shù)。執(zhí)行PWM 操作之前，這種 微處理器要求在軟件中完成以下工作： 設(shè)置提供調(diào)制方波的片上定時器 /計數(shù)器的周期 在 PWM 控制寄存器中設(shè)置接通時間 設(shè)置 PWM 輸出的方向，這個輸出是一個通用I/O 管腳 啟動定時器 使能 PWM 控制器 3 目前幾乎所有市售的單片機都有 PWM 模塊功能，若沒有（如早期的 8051） ，也可以利用定時器及 GPIO 口來實現(xiàn)。更為一般的 PWM 模塊控制流程 為（筆者使用過 TI 的 2000 系列，AVR 的 Mega 系列,TI 的 LM 系列）： 使能相關(guān)

16、的模塊（ PWM 模塊以及對應(yīng)管教的 GPIO 模塊） 。 配置 PWM 模塊的功能，具體有： 1）設(shè)置 PWM 定時器周期，該參數(shù)決定 PWM 波形的頻率。 2）設(shè)置 PWM 定時器比較值，該參數(shù)決定 PWM 波形的占空比。 3）設(shè)置死區(qū)（deadband） ，為避免橋臂的直通需要設(shè)置死區(qū)，一般較高檔 的單片機都有該功能。 4）設(shè)置故障處理情況，一般為故障是封鎖輸出，防止過流損壞功率管， 故障一般有比較器或 ADC 或 GPIO 檢測。 5）設(shè)定同步功能，該功能在多橋臂，即多PWM 模塊協(xié)調(diào)工作時尤為重要。 設(shè)置相應(yīng)的中斷，編寫 ISR，一般用于電壓電流采樣，計算下一個周期 的占空比，更改占

17、空比，這部分也會有PI 控制的功能。 使能 PWM 波形發(fā)生。 1.4課題任務(wù)及工作內(nèi)容 本題目要求設(shè)計一個單片機應(yīng)用系統(tǒng)可以通過串行線在上位機中進行控制操 作?？梢酝ㄟ^上位機對單片機進行控制直流電機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止、加速、減速 等功能。另外，為增加其實用性還增加了顯示、鍵盤控制、按鍵蜂鳴等功能。 本課題要完成以下研究工作： 研究直流電機控制系統(tǒng)并仔細推敲各方面的細節(jié)，比如速度的控制等等。 進行系統(tǒng)軟硬件的設(shè)計。 制作硬件，并對硬件進行調(diào)試以及優(yōu)化。 4 2 單片機直流電機控制系統(tǒng)總體設(shè)計方案 2.1 設(shè)計思路 直流電機調(diào)速性能好 ,可靠性高 ,機械特性強 ,在自動控制中的應(yīng)用極 為廣泛。直流

18、電機 的調(diào)速系統(tǒng)多種多樣,但系統(tǒng)復(fù)雜,控制精度和成品價 格難以兼顧。本文使用價格低廉、應(yīng)用廣泛的 M C S - 5 1 系列單片機 為控制芯片,以 PI調(diào)節(jié)控制算法為基礎(chǔ),完成對直流電機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié),達到了控 制性能好 ,成本低的目的。本文重點闡述了該系統(tǒng)的基本工作原理、所 采用的相關(guān)技術(shù)等，進而交代了電機轉(zhuǎn)速測量控制的實現(xiàn)方法。 方案 1:基于 PLC 運行編成 方案 2:基于單片機編程控制 2.2 方案論證與比較 單片機控制：優(yōu)點，經(jīng)濟實惠，成本相對較低；缺點，用單片機制作的主控 板受制版工藝、布局結(jié)構(gòu)、器件質(zhì)量等因素的影響導(dǎo)致抗干擾能力差，故障率高， 不易擴展，對環(huán)境依賴性強,開發(fā)周期長

19、。一個采用單片機制作的主控板不經(jīng)過 很長時間的實際驗證很難形成一個真正的產(chǎn)品。 PLC 控制：優(yōu)點：PLC 是經(jīng)過幾十年實際應(yīng)用中檢驗過的控制器，其抗干擾 能力強，故障率低，易于設(shè)備的擴展，便于維護，開發(fā)周期短。缺點：成本相對 單片機要高！ 綜上所述選擇單片機編程控制 2.3 可執(zhí)行性分析理論依據(jù) 研究以單片機 AT89S52 和 L298 控制的直流電機脈寬調(diào)制調(diào)速系統(tǒng)。利用 AT89S52 芯片進行低成本直流電動機控制系統(tǒng)的設(shè)計，能夠簡化系統(tǒng)構(gòu)成、降低 5 系統(tǒng)成本、增強系統(tǒng)性能、滿足更多應(yīng)用場合的需要。系統(tǒng)實現(xiàn)對電機的正轉(zhuǎn)、 反轉(zhuǎn)、急停、加速、減速的控制，以及 PWM 的占空比在 LED

20、 上的實時顯示。 2.4 研究方法 學(xué)習(xí)直流電機調(diào)速系統(tǒng)的工作原理。 掌握基于 51 內(nèi)核的單片機開發(fā)流程。 熟練掌握 PWM 調(diào)速原理及方法。 掌握 LED 數(shù)碼管顯示和獨立鍵盤控制技術(shù)。 查閱資料，完成直流電機的初步流程圖及代碼設(shè)計。 請教導(dǎo)師，幫助解決出現(xiàn)的問題和困難。 進行完整的仿真測試，完善設(shè)計。 完成直流電機的實物設(shè)計。 2.5 研究內(nèi)容 設(shè)計一個單片機系統(tǒng)，實現(xiàn)對微型直流電動機的精確控制。設(shè)計其閉環(huán)控制 電路及算法。 根據(jù)需求，搜集與設(shè)計相關(guān)的資料。 掌握工業(yè)中常用的直流電機的工作原理、控制方法及PWM調(diào)壓調(diào)速的原理， 以便更好的完成用單片機對直流電機的精確控制。 51單片機的選

21、型。 可采用ATMEL公司推出的S51些列單片機，查閱相關(guān)資料，掌握51系列單片機 的相關(guān)知識。 51單片機系統(tǒng)電路設(shè)計。 根據(jù)系統(tǒng)的規(guī)模，選取系統(tǒng)所需的硬件設(shè)備。掌握所需硬件 （LMD18200,LM629,其它IC）的功能、性能及其硬件電路。 1）電壓給定電路 設(shè)置一個電源指示燈，當外接電源接通時指示燈發(fā)光。接通電源開關(guān)，按下啟動 按鈕，電源接觸器接通，電機有電源輸入。運行/停止開關(guān)由控制電路控制，電 梯的運行類型由單片機來控制。 2）直流電機控制電路 電機控制芯片采用LM629，根據(jù)外部采集到的信號發(fā)出相應(yīng)的PWM信號，該 PWM信號輸出后送至半橋驅(qū)動集成芯片后控制半橋的開閉，半橋驅(qū)動電

22、路的輸出 信號再經(jīng)繼電器控制電路配合單片機發(fā)出的正、反轉(zhuǎn)控制信號來控制直流電機。 6 3）直流電機的驅(qū)動電路 采用LMD18200作為電動機的驅(qū)動芯片，根據(jù)PWM控制信號的占空比來決定直 流電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。采用一個增量型光電編碼器來反饋電動機的實際位置，檢 測電機轉(zhuǎn)速和位置，形成閉環(huán)位置反饋，從而達到精確控制電機。 4）直流電機的調(diào)速電路 調(diào)速器主電路采用晶閘管單相橋式半控整流電路，勵磁電源采用單相橋式不 可控整流電路。在控制方面，設(shè)計中放棄了轉(zhuǎn)速負反饋環(huán)節(jié)，采用電壓負反饋加 上電路正反饋的控制方式。 5）保護電路 主要是限流、短路、過流、過壓保護電路。確保直流電機的正常運行。 6）鍵盤電路

23、、顯示電路等單片機系統(tǒng)電路 系統(tǒng)軟件的設(shè)計。 根據(jù)控制需求，繪出流程圖，首先繪出簡單的流程圖，再對系統(tǒng)各部分流程 圖進行擴充和具體化，即對電機的驅(qū)動、控制、反饋等進行具體的介紹和說明， 從而繪出詳細的程序流程圖。再根據(jù)程序流程圖用匯編語言，使用keilc51軟件 設(shè)計、編制各子程序模塊，并最終完成軟件系統(tǒng)的編寫。 程序的嵌入與調(diào)試。 進行仿真、調(diào)試，固化樣機聯(lián)調(diào)，軟硬件結(jié)合起來調(diào)試，找錯、修改軟硬 件，進行軟硬件測試。 3 3 單片機直流電機控制系統(tǒng)硬件設(shè)計單片機直流電機控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 3.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 本設(shè)計硬件結(jié)構(gòu)由單片機最小系統(tǒng)、鍵盤模塊、電機驅(qū)動模塊 3.2 系統(tǒng)單元電路設(shè)計 3

24、.2.1 單片機最小系統(tǒng)電路 單片機最小系統(tǒng)電路由 STC89C52 主控芯片、時鐘振蕩電路和復(fù)位電路等構(gòu) 成。其中，時鐘振蕩電路主要由外接 11.0592MHz 晶振、兩個 30pF 的起振電容和 內(nèi)部反相器構(gòu)成。復(fù)位電路采用簡單的容阻式復(fù)位電路。單片機最小系統(tǒng)電路原 理圖如圖 3.2.1 所示。 7 圖 3.2.1 單片機最小系統(tǒng)電路 3.2.2 獨立式鍵盤電路 鍵盤電路采用比較簡單的獨立式鍵盤便能滿足設(shè)計要求，成本低廉，編程相 對簡單。4 個獨立按鍵，分別與單片機 P0.0-P0.3 相連，由于 P1 口上各位內(nèi)部均 接有上拉電阻，故，外接按鍵的時候，我們不再接上拉電阻。 鍵盤電路如圖

25、3.2.2 所示 8 圖 3.2.2 獨立式鍵盤電路 3.2.3 電機驅(qū)動電路 電機驅(qū)動電路主要有電機驅(qū)動芯片 L298N、少量電阻電容和二極管構(gòu)成。電 機驅(qū)動電路增加光耦合器件以實現(xiàn)電機驅(qū)動信號與控制信號的隔離，提高控制系 統(tǒng)的抗干擾能力，但由于光耦合芯片 TLP521-4 昂貴，并且設(shè)計的控制要求簡單, 因此驅(qū)動電路中去掉了光耦合部分。 電機驅(qū)動電路原理圖如圖 3.2.3 所示。 圖 3.2.3 電機驅(qū)動電路原理圖 3.2.5 電源電路 3.2.6 串口通信電路 9 3.2.7 電機驅(qū)動電路 4 4 單片機直流電機控制系統(tǒng)軟件設(shè)計單片機直流電機控制系統(tǒng)軟件設(shè)計 4.1 軟件總體結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)軟

26、件主要由系統(tǒng)初始化程序模塊、鍵盤掃描及處理模塊、串口通信程序 模塊、電機調(diào)速程序模塊等組成。 系統(tǒng)初始化模塊：主要是配置系統(tǒng)工作環(huán)境。主要負責(zé)的工作有初始化定時 器、初始化液晶、初始化串口、初始化 I/O 等 鍵盤掃描及處理模塊：實現(xiàn)按鍵識別、消抖及處理，用于設(shè)置電機轉(zhuǎn)動狀態(tài)。 串口通信模塊：主要是實現(xiàn)與上位機進行通信，接收上位機發(fā)送過來的電機 控制命令。 系統(tǒng)軟件總體框圖如圖 4.1 所示 系統(tǒng)初始化系統(tǒng)初始化 10 圖 4.1 系統(tǒng)軟件總體框圖 在沒有操作系統(tǒng)的時候，我們采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計思想，自頂向下，逐步求 精；其系統(tǒng)主程序流程圖如圖 4.2 所示 電機調(diào)速程序模塊電機調(diào)速程序模塊 鍵

27、盤鍵盤 掃描掃描 及及 處理處理 程序程序 模塊模塊 串口通信程序模塊串口通信程序模塊 11 鍵盤掃描鍵盤掃描 及處理程及處理程 序序 數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理 顯示刷新顯示刷新 圖 4.2 系統(tǒng)主程序流程圖 4.2 系統(tǒng)模塊程序設(shè)計 系統(tǒng)初始化軟件包括兩大部分：串口初始化、I/O口初始化。主要完成的工 作是設(shè)置定時器，并初始化串口。 串口初始化程序：設(shè)置定時器1為工作方式2，配置串口波特率為9600bps,選 擇波特率不倍增，串行工作方式1，啟動定時器1，開串行口中斷，開CPU總中斷。 串口初始化程序流程圖如圖4.3所示。 開始開始 系統(tǒng)初始系統(tǒng)初始 化化 12 開始開始 設(shè)置波特率設(shè)置波特率 96

28、009600 bpsbps 的定時器的定時器 1 1 初初 值值 串口初始化為方式串口初始化為方式 1、波特率不倍增、波特率不倍增 結(jié)束結(jié)束 開串口中斷、開串口中斷、CPUCPU 中斷中斷 圖 4.3 串口初始程序流程圖 4.3 鍵盤掃描模塊程序 鍵盤掃描及處理程序，主要由按鍵key1、按鍵key2、按鍵key3、按鍵key4組 成。 1、Key1為循環(huán)選擇鍵，用于選擇要設(shè)置的電機狀態(tài)項目。 2、Key2為加1按鍵，用于設(shè)定電機的正反轉(zhuǎn)、加減速和電機速度值。 3、Key3為減1按鍵，用于設(shè)定電機的正反轉(zhuǎn)、加減速和電機速度值。 4、Key4為確定鍵，用于確定當前的電機狀態(tài)為設(shè)定值。 鍵盤掃描程序

29、模塊流程圖如圖3.5所示。 13 開始開始 循環(huán)選擇循環(huán)選擇 鍵鍵 記錄按下次數(shù)記錄按下次數(shù) 設(shè)置模式標志設(shè)置模式標志 光標在電光標在電 機狀態(tài)處機狀態(tài)處 閃爍閃爍 加加 1 1 鍵按鍵按 下下 光標在檢光標在檢 測轉(zhuǎn)速個測轉(zhuǎn)速個 位處閃爍位處閃爍 減減 1 1 鍵按鍵按 下下 光標在設(shè)光標在設(shè) 定轉(zhuǎn)速個定轉(zhuǎn)速個 位處閃爍位處閃爍 光標在設(shè)光標在設(shè) 定轉(zhuǎn)速十定轉(zhuǎn)速十 百位閃爍百位閃爍 確定鍵按確定鍵按 下下 對應(yīng)項加對應(yīng)項加 1 1 光標在檢光標在檢 測轉(zhuǎn)速十測轉(zhuǎn)速十 百位閃爍百位閃爍 對應(yīng)項減對應(yīng)項減 1 1 刷新顯示刷新顯示 退出設(shè)置退出設(shè)置 結(jié)束結(jié)束 YESYES YESYES NONO

30、 YESYES NONO YESYES NONO 圖4.4 鍵盤掃描程序模塊流程圖 14 4.4 串口通信模塊程序 串口通信程序模塊主要包括串口初始化程序模塊、串口接收程序模塊。其中 串口初始化程序模塊主要是配置特定的串口通信環(huán)境及通信方式等。選擇串口為 通信方式 1，定時器 1 方式 2 等。其程序流程圖如前面圖 4.3 所示。串口接收程 序模塊主要由串口中斷程序與串口接收子程序構(gòu)成。當產(chǎn)生接收中斷時，首先判 斷是發(fā)送中斷還是接收中斷，若是發(fā)送中斷則清除發(fā)送中斷標志位，若是接收中 斷則先清除接收中斷標志位，然后調(diào)用串口接收函數(shù)，將接收到的數(shù)據(jù)存于接收 緩沖區(qū)中，并共單片機使用。其串口接收程序

31、流程圖如圖 4.4 所示，其中標志位 已在程序中標出。 開始開始 串口中斷串口中斷 接收一個字接收一個字 節(jié)節(jié) 接收完接收完 2Byte2Byte 通知通知 CPUCPU 進進 行數(shù)據(jù)處理行數(shù)據(jù)處理 理 清除發(fā)送中清除發(fā)送中 斷標志位斷標志位 清除接收中清除接收中 斷標志位斷標志位 結(jié)束結(jié)束 YESYES NONO YESYES NONO 圖 4.4 串口接收程序流程圖 15 4.5 電機調(diào)速模塊程序 電機調(diào)速程序模塊采用脈寬調(diào)制法實現(xiàn)速度控制。利用定時器 0 固定調(diào)速信 號周期，根據(jù)正反轉(zhuǎn)標志，設(shè)定電機控制端口電平。當計數(shù)值達到設(shè)定的脈寬值 時則關(guān)閉電機運行，在第二個周期的調(diào)速信號到來時，又

32、重新開啟電機運轉(zhuǎn)，依 次的電機通斷切換，從而實現(xiàn)電機的速度控制。其調(diào)速程序流程圖如圖 4.5 所示。 開始開始 電機停轉(zhuǎn)電機停轉(zhuǎn) 計數(shù)到計數(shù)到 100100 開電機轉(zhuǎn)動開電機轉(zhuǎn)動 重載定時值重載定時值 計數(shù)變量加計數(shù)變量加 1 1 結(jié)束結(jié)束 大于脈寬值大于脈寬值 YESYES NONO YESYES 圖 4.5 調(diào)速程序流程圖 16 5 系統(tǒng)測試 5.1 測試準備 5.1.1 硬件環(huán)境 PC機、USB轉(zhuǎn)串口通信線。用于單片機C51語言的編程、編譯、加載及發(fā) 送電機控制命令。 +5V和+12V電源、電機控制系統(tǒng)板、若干根杜邦線。 DT9208A數(shù)字萬用表1個、螺絲刀、鑷子、斜口鉗、吸焊器。 5.

33、1.2 軟件環(huán)境 Keil uVision4，用于C51源程序的編寫、編譯、鏈接和調(diào)試。 上位機串口調(diào)試軟件(串口大師)、本系統(tǒng)程序、相關(guān)的庫和頭文件 5.2 測試過程 利用萬用表檢查各線路是否存在斷路、短路并修正。 檢查單片機等各口線是否正確連接，上電之前檢測一下正負電源線是否 短路，確保不短路才上電。 利用Keil uVision2軟件進行程序的編輯、編譯、鏈接和調(diào)試。 利用STC-ISP軟件將在keil中編譯鏈接生成的各個xx.Hex文件下載到系統(tǒng) 單片機的Flash存儲器中。 按原理圖連接線路、上電后開始測試。 上電后首先觀察系統(tǒng)顯示是否正常，指示燈工作是否正常，復(fù)位電路是否正 常等等

34、，如不正常則修改程序重新下載測試，直至顯示正常。接著按照測試項目， 分別測試。首先打開串口調(diào)試軟件，選擇波特率為 9600bps,打開串口，選擇發(fā)送 的數(shù)據(jù)位 16 進制數(shù)據(jù)。 1) 正轉(zhuǎn)測試：在發(fā)送窗中輸入正轉(zhuǎn)控制字和速度值。如：1 10 其中，1 表 示正轉(zhuǎn)，10(16 進制)即 16 表示脈寬為 16%的調(diào)速信號所對應(yīng)的速度。點擊發(fā)送 觀察電機是否正轉(zhuǎn)，將速度改大一些看一下速度是否改變。 2) 停止測試：輸入停止命令字 0，速度可以任意，發(fā)送后觀察電機是否停機 下來。 17 3) 反轉(zhuǎn)測試：輸入反轉(zhuǎn)命令字及速度脈寬值(最大為 100)，如 2 20，發(fā)送 后觀察電機的轉(zhuǎn)動方向及速度，改變

35、速度后再測一次觀察電機轉(zhuǎn)速是否改變。 4) 加速測試：輸入加速命令字 3，速度可以任意，如 3 20，發(fā)送后觀察電 機的轉(zhuǎn)動情況。 5) 減速測試：輸入減速命令字 4，速度可以任意，如 4 20，發(fā)送后觀察電 機的轉(zhuǎn)動情況。 再測試正反轉(zhuǎn)直接切換的情況下，電機是否還能正確運行，接著再測試一下 在正反轉(zhuǎn)狀況下進行的加減速，觀察電機是否在原來速度的基礎(chǔ)上無跳變的平穩(wěn) 加減速。最后測試鍵盤的各項控制功能能否正常。 5.3 測試結(jié)果 經(jīng)測試表明，本電機控制系統(tǒng)可以通過上位機實現(xiàn)對直流電機的自由設(shè)速正 反轉(zhuǎn)和平穩(wěn)加減速的控制，同時也可以通過鍵盤實現(xiàn)自由設(shè)速正反轉(zhuǎn)和平穩(wěn)加減 速的控制；還具有顯示、按鍵發(fā)生

36、等多種功能。該系統(tǒng)完全滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。 下面的實物測試圖是正轉(zhuǎn)和加速的測試。測試效果圖如圖 5.1 到圖 5.4 所示。 經(jīng)測試表明，以上測試要求全部通過。測試結(jié)果如表 4-1。 18 表 4-1 電機主要測試結(jié)果 測試項 目 指令控制字預(yù)期結(jié)果實際結(jié)果 1 1正轉(zhuǎn)(慢速)正轉(zhuǎn)(慢速) 正轉(zhuǎn)1 50正轉(zhuǎn)(快速)正轉(zhuǎn)(快速) 2 1反轉(zhuǎn)(慢速)反轉(zhuǎn)(慢速) 反轉(zhuǎn)2 50反轉(zhuǎn)(快速)反轉(zhuǎn)(快速) 0 1快速停止快速停止 停止0 50快速停止快速停止 3 1以原速度開始 加速 以原速度開始 加速加速 3 50以原速度開始 加速 以原速度開始 加速 4 1以原速度開始 減速 以原速度開始 減速減速

37、4 50以原速度開始 減速 以原速度開始 減速 結(jié)束語 本課題的核心任務(wù)是對串口通信的研究和對電機控制系統(tǒng)的應(yīng)用 設(shè)計，本文的研究方案是根據(jù)現(xiàn)有的軟硬件條件，設(shè)計單片機的電機 控制系統(tǒng)，通過 RS232 串口連接至 PC 機，并進行相關(guān)性電機控制實 驗。 具體內(nèi)容包括如下： 一、通過對現(xiàn)在應(yīng)用比較廣泛、技術(shù)比較成熟的串口通信進行研究， 并經(jīng)分析論證后設(shè)計出以 STC89C52 單片機為核心控制單元的上位機 電機控制系統(tǒng)。 二、根據(jù)本設(shè)計上位機電機控制系統(tǒng)的設(shè)計要求，編寫了系統(tǒng)程 序。通過RS232接口連接至PC機，并進行相關(guān)性電機控制實驗。 三、在設(shè)計好的電機控制系統(tǒng)平臺上，進行電機控制系統(tǒng)的

38、軟件開發(fā)， 并通過不斷的軟硬件調(diào)試、實物測試，最終開發(fā)出性能優(yōu)越、靈活方 便、具有一定實用價值的直流電機在線控制系統(tǒng)。 19 通過本次綜合實驗設(shè)計，我更深入的學(xué)到了有關(guān)單片機的原理及應(yīng)用， 并且自主的動腦、動手能力得到了很大的提高。重要的是能夠?qū)纹?機與實際生活中的一些應(yīng)用聯(lián)系起來，同時通過畢業(yè)設(shè)計對PC機通過 串口控制單片機有一定的了解。上位機控制單片機系統(tǒng)，可以用于對 多個單片機應(yīng)用系統(tǒng)進行實時控制，也可通過調(diào)制/解調(diào)器對遠程控 制系統(tǒng)進行實時控制。另外，上位機不需要進行復(fù)雜的編程，直接用 微機的通信串行口進行命令控制，并且命令符可自定義?？傊覀兪?益匪淺，這將為我們以后的學(xué)習(xí)以及工作

39、打下良好的基礎(chǔ)。 致 謝 在整個綜合實驗設(shè)計過程中無不滲透著指導(dǎo)老師曾老師的關(guān)心和幫助。在他 的指導(dǎo)下，我開始對課題進行了了解，進行開題報告的撰寫，從而有了對整個綜 合試驗設(shè)計的進程安排。在進行硬件和軟件的設(shè)計中，老師給了很多幫助，如調(diào) 試電路，程序的編寫與調(diào)試等。有了曾老師的指導(dǎo)才能使設(shè)計順利完成，在這對 曾老師表示衷心的感謝！ 通過這次綜合試驗設(shè)計詳細地了解了單片機編程，同時進一步加深對直流電 機調(diào)速方法，PWM波控制的運用，還培養(yǎng)了科學(xué)的思考方法和動手能力以及借鑒 參考文獻的能力，充分運用各種資源查找資料。 在設(shè)計中同時也得到了同學(xué)的幫助，給予提供了思路的啟發(fā)和設(shè)計的相關(guān)條 件，通過合作

40、體會到集體團結(jié)的重要性，相互鼓勵，相互提供資料，對他們也表 示感謝。 參考文獻參考文獻 20 1 張毅剛 彭喜元 .單片機原理與應(yīng)用設(shè)計M. 北京：北京市海淀區(qū)四季青印刷廠， 2010. 2 張毅剛.新編 MCS-51 單片機運用設(shè)計. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2003. 3 張義和 王敏男 許宏昌 余長春.例說 51 單片機（c 語言版）. 北京：人民郵電出版社， 2009. 4 馬忠梅 籍順心 張 凱 馬 巖.單片機的 C 語言應(yīng)用程序設(shè)計. 北京：北京航空航天大學(xué)， 2010. 5 Samsung Electronics. S3C44BOX Risc microcontroller

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