直流電機(jī)調(diào)速

1、 攀枝花學(xué)院專業(yè)基礎(chǔ)綜合實(shí)驗(yàn)報(bào)告 基于單片機(jī)的直流電機(jī)控制設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的直流電機(jī)控制設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名： 學(xué)生學(xué)號(hào)： 院（系）： 年級(jí)專業(yè)： 指導(dǎo)教師： 二一三年六月 摘摘 要要 本文是對(duì)直流電機(jī) PWM 調(diào)速器設(shè)計(jì)的研究，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制。本課程 設(shè)計(jì)主要是實(shí)現(xiàn) PWM 調(diào)速器的加速、減速、停止等操作。并實(shí)現(xiàn)電路的仿真。為 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的微機(jī)控制，在設(shè)計(jì)中，采用了 AT89C51 單片機(jī)作為整個(gè)控制系統(tǒng)的控 制電路的核心部分，配以各種顯示、驅(qū)動(dòng)模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速參數(shù)的顯示和 測(cè)量；由命令輸入模塊、光電隔離模塊及 H 型驅(qū)動(dòng)模塊組成。采用帶中斷的獨(dú)立 式鍵盤(pán)作為命令的輸入，單片機(jī)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(dòng)電路完成電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制.在設(shè)計(jì)中，采用 PWM 調(diào)速方式，通過(guò)改變 PWM 的占空比從而改變電動(dòng)機(jī)的電樞電壓，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速。設(shè)計(jì)的整 個(gè)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(jiǎn)化了硬件電路， 提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，使整個(gè)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(jī)，雙全橋驅(qū)動(dòng)器 L298，直流電機(jī) 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(jī)概述.1 1.2 單片機(jī)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(jī)直流電機(jī)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案單片機(jī)直流電機(jī)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案.4 4 2.1 設(shè)計(jì)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?jī)?nèi)容 .5 3 3 單片機(jī)直流電機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)單片機(jī)直流電機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì).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(jì).7 3.2

8、.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路 .7 3.2.2 獨(dú)立式鍵盤(pán)電路 .8 3.2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jī)驅(qū)動(dòng)電路 .9 4 4 單片機(jī)直流電機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)單片機(jī)直流電機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì).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(jì).11 4.3 鍵盤(pán)掃描模塊程序 .12 4.4 串口通信模塊程序 .14 4.5 電機(jī)調(diào)速模塊程序 .15 5 5 系統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試 .1616 5.1 測(cè)試準(zhǔn)備.16 5.1.1 硬件環(huán)境 .16 5.1.2 軟件環(huán)境 .16 5.1.3 測(cè)試項(xiàng)目 .16 5.2 測(cè)試過(guò)程.1

9、6 5.3 測(cè)試結(jié)果.17 結(jié)束語(yǔ)結(jié)束語(yǔ).1919 致謝致謝.2020 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn).2121 附錄附錄 1 1 直流電機(jī)在線控制系統(tǒng)直流電機(jī)在線控制系統(tǒng) . 2222 附錄附錄 2 2 直流電機(jī)系統(tǒng)硬件原理圖直流電機(jī)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(jī)概述 在現(xiàn)代工業(yè)中，電動(dòng)機(jī)作為電能轉(zhuǎn)換的傳動(dòng)裝置被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、冶金、 石油化學(xué)、國(guó)防等工業(yè)部門(mén)中，隨著對(duì)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(zhǎng)，越來(lái)越多的生產(chǎn)機(jī)械要求能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)速。長(zhǎng)期以來(lái)，自動(dòng)調(diào)速電動(dòng) 機(jī)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(jiǎn)單的控 制性能，高效率，優(yōu)異的動(dòng)態(tài)特性，現(xiàn)在仍是大多數(shù)調(diào)速控制電動(dòng)機(jī)的最優(yōu)選擇 以前電動(dòng)機(jī)大多使用由模擬電路組成的控制柜進(jìn)行控制，現(xiàn)在單片機(jī)已經(jīng)開(kāi) 始取代模擬電路作為電機(jī)控制器。當(dāng)前電機(jī)控制器的發(fā)展方向越來(lái)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(kāi)發(fā)要求，為此可考慮 開(kāi)發(fā)電機(jī)的新型單片機(jī)控制器，因此研究直流電機(jī)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(guó)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(duì)

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(gè)方面，而 在工業(yè)生產(chǎn)中對(duì)于后兩個(gè)要求已能很好地實(shí)現(xiàn)，但工程應(yīng)用中穩(wěn)速指標(biāo)卻往往不 能達(dá)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(yùn)行，在各種 干擾不允許有過(guò)大的轉(zhuǎn)速波動(dòng)。 1.2單片機(jī)概述 隨著單片機(jī)功能的飛速發(fā)展，單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)滲透到了國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各 個(gè)領(lǐng)域，并影響著現(xiàn)代人的生活。單片機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)給現(xiàn)代工業(yè)測(cè)控領(lǐng)域帶來(lái)了 一次技術(shù)革命。目前，單片機(jī)仍以其高可靠性、高性價(jià)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(dāng)今時(shí)代是一個(gè)新技術(shù)層出不窮的時(shí)代，在電子領(lǐng)域尤其是自動(dòng)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(jī)智能控制系統(tǒng)所取代。單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)包括體積小、功能強(qiáng)、成本低，并且應(yīng)用 2 面廣，可以說(shuō)智能控制與自動(dòng)控制的核心就是單片機(jī)。 單片機(jī)又稱單片微控制器，它不是完成某一個(gè)邏輯功能的芯片，而是把一個(gè) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一個(gè)芯片上。概括來(lái)講：一塊芯片就是一臺(tái)計(jì)算機(jī)。它具有體 積小、質(zhì)量輕、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開(kāi)發(fā)提供了諸多便利。同時(shí)， 學(xué)習(xí)使用單片機(jī)是了解計(jì)算機(jī)原理與結(jié)構(gòu)的最佳選擇。 現(xiàn)在，單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，比如實(shí)時(shí)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(jī)一旦運(yùn)用在各種產(chǎn)品上面，就可以說(shuō)是使產(chǎn)品進(jìn)

13、 行了升級(jí)換代，也可以把產(chǎn)品美其名曰：“智能型”，如智能型洗衣機(jī)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(xiě)，簡(jiǎn)稱脈 寬調(diào)制。它是利用微處理器的數(shù)字輸出來(lái)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的 技術(shù)，廣泛應(yīng)用于測(cè)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(lái)調(diào)制晶體管柵極或基極的偏置，來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源輸出 晶體管或晶體管導(dǎo)通時(shí)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(shí)保持恒定。 脈沖寬度調(diào)制（PWM）是一種對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。通過(guò)高 分辨率計(jì)數(shù)器的使用，方波的占空比

14、被調(diào)制用來(lái)對(duì)一個(gè)具體模擬信號(hào)的電平進(jìn)行 編碼。PWM 信號(hào)仍然是數(shù)字的，因?yàn)樵诮o定的任何時(shí)刻，滿幅值的直流供電要么 完全有(ON)，要么完全無(wú)(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(fù)載上去的。通的時(shí)候即是直流供電被加到負(fù)載上的時(shí)候， 斷的時(shí)候即是供電被斷開(kāi)的時(shí)候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用 PWM 進(jìn) 行編碼。 多數(shù)負(fù)載(無(wú)論是電感性負(fù)載還是電容性負(fù)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(gè) P

15、WM 控制器，每一個(gè)都可以選擇接通時(shí)間和周期。占空比 是接通時(shí)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(shí)器 /計(jì)數(shù)器的周期 在 PWM 控制寄存器中設(shè)置接通時(shí)間 設(shè)置 PWM 輸出的方向，這個(gè)輸出是一個(gè)通用I/O 管腳 啟動(dòng)定時(shí)器 使能 PWM 控制器 3 目前幾乎所有市售的單片機(jī)都有 PWM 模塊功能，若沒(méi)有（如早期的 8051） ，也可以利用定時(shí)器及 GPIO 口來(lái)實(shí)現(xiàn)。更為一般的 PWM 模塊控制流程 為（筆者使用過(guò) 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(duì)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(shí)器周期，該參數(shù)決定 PWM 波形的頻率。 2）設(shè)置 PWM 定時(shí)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(jī)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(guò)流損壞功率管， 故障一般有比較器或 ADC 或 GPIO 檢測(cè)。 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(shí)尤為重要。 設(shè)置相應(yīng)的中斷，編寫(xiě) ISR，一般用于電壓電流采樣，計(jì)算下一個(gè)周期 的占空比，更改占

17、空比，這部分也會(huì)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(jì)一個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)可以通過(guò)串行線在上位機(jī)中進(jìn)行控制操 作。可以通過(guò)上位機(jī)對(duì)單片機(jī)進(jìn)行控制直流電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止、加速、減速 等功能。另外，為增加其實(shí)用性還增加了顯示、鍵盤(pán)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(jī)控制系統(tǒng)并仔細(xì)推敲各方面的細(xì)節(jié)，比如速度的控制等等。 進(jìn)行系統(tǒng)軟硬件的設(shè)計(jì)。 制作硬件，并對(duì)硬件進(jìn)行調(diào)試以及優(yōu)化。 4 2 單片機(jī)直流電機(jī)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 2.1 設(shè)計(jì)思路 直流電機(jī)調(diào)速性能好 ,可靠性高 ,機(jī)械特性強(qiáng) ,在自動(dòng)控制中的應(yīng)用極 為廣泛。直流

18、電機(jī) 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(jià) 格難以兼顧。本文使用價(jià)格低廉、應(yīng)用廣泛的 M C S - 5 1 系列單片機(jī) 為控制芯片,以 PI調(diào)節(jié)控制算法為基礎(chǔ),完成對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié),達(dá)到了控 制性能好 ,成本低的目的。本文重點(diǎn)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(jìn)而交代了電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量控制的實(shí)現(xiàn)方法。 方案 1:基于 PLC 運(yùn)行編成 方案 2:基于單片機(jī)編程控制 2.2 方案論證與比較 單片機(jī)控制：優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，成本相對(duì)較低；缺點(diǎn)，用單片機(jī)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(kuò)展，對(duì)環(huán)境依賴性強(qiáng),開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)

19、。一個(gè)采用單片機(jī)制作的主控板不經(jīng)過(guò) 很長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)際驗(yàn)證很難形成一個(gè)真正的產(chǎn)品。 PLC 控制：優(yōu)點(diǎn)：PLC 是經(jīng)過(guò)幾十年實(shí)際應(yīng)用中檢驗(yàn)過(guò)的控制器，其抗干擾 能力強(qiáng)，故障率低，易于設(shè)備的擴(kuò)展，便于維護(hù)，開(kāi)發(fā)周期短。缺點(diǎn)：成本相對(duì) 單片機(jī)要高！ 綜上所述選擇單片機(jī)編程控制 2.3 可執(zhí)行性分析理論依據(jù) 研究以單片機(jī) AT89S52 和 L298 控制的直流電機(jī)脈寬調(diào)制調(diào)速系統(tǒng)。利用 AT89S52 芯片進(jìn)行低成本直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，能夠簡(jiǎn)化系統(tǒng)構(gòu)成、降低 5 系統(tǒng)成本、增強(qiáng)系統(tǒng)性能、滿足更多應(yīng)用場(chǎng)合的需要。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)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(shí)時(shí)顯示。 2.4 研究方法 學(xué)習(xí)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理。 掌握基于 51 內(nèi)核的單片機(jī)開(kāi)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(dú)立鍵盤(pán)控制技術(shù)。 查閱資料，完成直流電機(jī)的初步流程圖及代碼設(shè)計(jì)。 請(qǐng)教導(dǎo)師，幫助解決出現(xiàn)的問(wèn)題和困難。 進(jìn)行完整的仿真測(cè)試，完善設(shè)計(jì)。 完成直流電機(jī)的實(shí)物設(shè)計(jì)。 2.5 研究?jī)?nèi)容 設(shè)計(jì)一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)微型直流電動(dòng)機(jī)的精確控制。設(shè)計(jì)其閉環(huán)控制 電路及算法。 根據(jù)需求，搜集與設(shè)計(jì)相關(guān)的資料。 掌握工業(yè)中常用的直流電機(jī)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(jī)對(duì)直流電機(jī)的精確控制。 51單片機(jī)的選

21、型。 可采用ATMEL公司推出的S51些列單片機(jī)，查閱相關(guān)資料，掌握51系列單片機(jī) 的相關(guān)知識(shí)。 51單片機(jī)系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)。 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(gè)電源指示燈，當(dāng)外接電源接通時(shí)指示燈發(fā)光。接通電源開(kāi)關(guān)，按下啟動(dòng) 按鈕，電源接觸器接通，電機(jī)有電源輸入。運(yùn)行/停止開(kāi)關(guān)由控制電路控制，電 梯的運(yùn)行類(lèi)型由單片機(jī)來(lái)控制。 2）直流電機(jī)控制電路 電機(jī)控制芯片采用LM629，根據(jù)外部采集到的信號(hào)發(fā)出相應(yīng)的PWM信號(hào)，該 PWM信號(hào)輸出后送至半橋驅(qū)動(dòng)集成芯片后控制半橋的開(kāi)閉，半橋驅(qū)動(dòng)電

22、路的輸出 信號(hào)再經(jīng)繼電器控制電路配合單片機(jī)發(fā)出的正、反轉(zhuǎn)控制信號(hào)來(lái)控制直流電機(jī)。 6 3）直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路 采用LMD18200作為電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片，根據(jù)PWM控制信號(hào)的占空比來(lái)決定直 流電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。采用一個(gè)增量型光電編碼器來(lái)反饋電動(dòng)機(jī)的實(shí)際位置，檢 測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速和位置，形成閉環(huán)位置反饋，從而達(dá)到精確控制電機(jī)。 4）直流電機(jī)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(lì)磁電源采用單相橋式不 可控整流電路。在控制方面，設(shè)計(jì)中放棄了轉(zhuǎn)速負(fù)反饋環(huán)節(jié)，采用電壓負(fù)反饋加 上電路正反饋的控制方式。 5）保護(hù)電路 主要是限流、短路、過(guò)流、過(guò)壓保護(hù)電路。確保直流電機(jī)的正常運(yùn)行。 6）鍵盤(pán)電路

23、、顯示電路等單片機(jī)系統(tǒng)電路 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)。 根據(jù)控制需求，繪出流程圖，首先繪出簡(jiǎn)單的流程圖，再對(duì)系統(tǒng)各部分流程 圖進(jìn)行擴(kuò)充和具體化，即對(duì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)、控制、反饋等進(jìn)行具體的介紹和說(shuō)明， 從而繪出詳細(xì)的程序流程圖。再根據(jù)程序流程圖用匯編語(yǔ)言，使用keilc51軟件 設(shè)計(jì)、編制各子程序模塊，并最終完成軟件系統(tǒng)的編寫(xiě)。 程序的嵌入與調(diào)試。 進(jìn)行仿真、調(diào)試，固化樣機(jī)聯(lián)調(diào)，軟硬件結(jié)合起來(lái)調(diào)試，找錯(cuò)、修改軟硬 件，進(jìn)行軟硬件測(cè)試。 3 3 單片機(jī)直流電機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)單片機(jī)直流電機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 3.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 本設(shè)計(jì)硬件結(jié)構(gòu)由單片機(jī)最小系統(tǒng)、鍵盤(pán)模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 3.2 系統(tǒng)單元電路設(shè)計(jì) 3

24、.2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路由 STC89C52 主控芯片、時(shí)鐘振蕩電路和復(fù)位電路等構(gòu) 成。其中，時(shí)鐘振蕩電路主要由外接 11.0592MHz 晶振、兩個(gè) 30pF 的起振電容和 內(nèi)部反相器構(gòu)成。復(fù)位電路采用簡(jiǎn)單的容阻式復(fù)位電路。單片機(jī)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(jī)最小系統(tǒng)電路 3.2.2 獨(dú)立式鍵盤(pán)電路 鍵盤(pán)電路采用比較簡(jiǎn)單的獨(dú)立式鍵盤(pán)便能滿足設(shè)計(jì)要求，成本低廉，編程相 對(duì)簡(jiǎn)單。4 個(gè)獨(dú)立按鍵，分別與單片機(jī) 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(shí)候，我們不再接上拉電阻。 鍵盤(pán)電路如圖

25、3.2.2 所示 8 圖 3.2.2 獨(dú)立式鍵盤(pán)電路 3.2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路主要有電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片 L298N、少量電阻電容和二極管構(gòu)成。電 機(jī)驅(qū)動(dòng)電路增加光耦合器件以實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)與控制信號(hào)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(jì)的控制要求簡(jiǎn)單, 因此驅(qū)動(dòng)電路中去掉了光耦合部分。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖 3.2.3 所示。 圖 3.2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jī)驅(qū)動(dòng)電路 4 4 單片機(jī)直流電機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)單片機(jī)直流電機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 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(pán)掃描及處理模塊、串口通信程序 模塊、電機(jī)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(fù)責(zé)的工作有初始化定時(shí) 器、初始化液晶、初始化串口、初始化 I/O 等 鍵盤(pán)掃描及處理模塊：實(shí)現(xiàn)按鍵識(shí)別、消抖及處理，用于設(shè)置電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)。 串口通信模塊：主要是實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)進(jìn)行通信，接收上位機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的電機(jī) 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(méi)有操作系統(tǒng)的時(shí)候，我們采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)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(jī)調(diào)速程序模塊電機(jī)調(diào)速程序模塊 鍵

27、盤(pán)鍵盤(pán) 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(pán)掃描鍵盤(pán)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(jì) 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(shí)器，并初始化串口。 串口初始化程序：設(shè)置定時(shí)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(dòng)定時(shí)器1，開(kāi)串行口中斷，開(kāi)CPU總中斷。 串口初始化程序流程圖如圖4.3所示。 開(kāi)始開(kāi)始 系統(tǒng)初始系統(tǒng)初始 化化 12 開(kāi)始開(kāi)始 設(shè)置波特率設(shè)置波特率 96

28、009600 bpsbps 的定時(shí)器的定時(shí)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(kāi)串口中斷、開(kāi)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(pán)掃描模塊程序 鍵盤(pán)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(jī)狀態(tài)項(xiàng)目。 2、Key2為加1按鍵，用于設(shè)定電機(jī)的正反轉(zhuǎn)、加減速和電機(jī)速度值。 3、Key3為減1按鍵，用于設(shè)定電機(jī)的正反轉(zhuǎn)、加減速和電機(jī)速度值。 4、Key4為確定鍵，用于確定當(dāng)前的電機(jī)狀態(tài)為設(shè)定值。 鍵盤(pán)掃描程序

29、模塊流程圖如圖3.5所示。 13 開(kāi)始開(kāi)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(biāo)志設(shè)置模式標(biāo)志 光標(biāo)在電光標(biāo)在電 機(jī)狀態(tài)處機(jī)狀態(tài)處 閃爍閃爍 加加 1 1 鍵按鍵按 下下 光標(biāo)在檢光標(biāo)在檢 測(cè)轉(zhuǎn)速個(gè)測(cè)轉(zhuǎn)速個(gè) 位處閃爍位處閃爍 減減 1 1 鍵按鍵按 下下 光標(biāo)在設(shè)光標(biāo)在設(shè) 定轉(zhuǎn)速個(gè)定轉(zhuǎn)速個(gè) 位處閃爍位處閃爍 光標(biāo)在設(shè)光標(biāo)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(duì)應(yīng)項(xiàng)加對(duì)應(yīng)項(xiàng)加 1 1 光標(biāo)在檢光標(biāo)在檢 測(cè)轉(zhuǎn)速十測(cè)轉(zhuǎn)速十 百位閃爍百位閃爍 對(duì)應(yīng)項(xiàng)減對(duì)應(yīng)項(xiàng)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(pán)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(shí)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(dāng)產(chǎn)生接收中斷時(shí)，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(biāo)志位，若是接收中 斷則先清除接收中斷標(biāo)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(jī)使用。其串口接收程序

31、流程圖如圖 4.4 所示，其中標(biāo)志位 已在程序中標(biāo)出。 開(kāi)始開(kāi)始 串口中斷串口中斷 接收一個(gè)字接收一個(gè)字 節(jié)節(jié) 接收完接收完 2Byte2Byte 通知通知 CPUCPU 進(jìn)進(jìn) 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(biāo)志位斷標(biāo)志位 清除接收中清除接收中 斷標(biāo)志位斷標(biāo)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(jī)調(diào)速模塊程序 電機(jī)調(diào)速程序模塊采用脈寬調(diào)制法實(shí)現(xiàn)速度控制。利用定時(shí)器 0 固定調(diào)速信 號(hào)周期，根據(jù)正反轉(zhuǎn)標(biāo)志，設(shè)定電機(jī)控制端口電平。當(dāng)計(jì)數(shù)值達(dá)到設(shè)定的脈寬值 時(shí)則關(guān)閉電機(jī)運(yùn)行，在第二個(gè)周期的調(diào)速信號(hào)到來(lái)時(shí)，又

32、重新開(kāi)啟電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，依 次的電機(jī)通斷切換，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的速度控制。其調(diào)速程序流程圖如圖 4.5 所示。 開(kāi)始開(kāi)始 電機(jī)停轉(zhuǎn)電機(jī)停轉(zhuǎn) 計(jì)數(shù)到計(jì)數(shù)到 100100 開(kāi)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)開(kāi)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng) 重載定時(shí)值重載定時(shí)值 計(jì)數(shù)變量加計(jì)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(cè)試 5.1 測(cè)試準(zhǔn)備 5.1.1 硬件環(huán)境 PC機(jī)、USB轉(zhuǎn)串口通信線。用于單片機(jī)C51語(yǔ)言的編程、編譯、加載及發(fā) 送電機(jī)控制命令。 +5V和+12V電源、電機(jī)控制系統(tǒng)板、若干根杜邦線。 DT9208A數(shù)字萬(wàn)用表1個(gè)、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(xiě)、編譯、鏈接和調(diào)試。 上位機(jī)串口調(diào)試軟件(串口大師)、本系統(tǒng)程序、相關(guān)的庫(kù)和頭文件 5.2 測(cè)試過(guò)程 利用萬(wàn)用表檢查各線路是否存在斷路、短路并修正。 檢查單片機(jī)等各口線是否正確連接，上電之前檢測(cè)一下正負(fù)電源線是否 短路，確保不短路才上電。 利用Keil uVision2軟件進(jìn)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(gè)xx.Hex文件下載到系統(tǒng) 單片機(jī)的Flash存儲(chǔ)器中。 按原理圖連接線路、上電后開(kāi)始測(cè)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(cè)試，直至顯示正常。接著按照測(cè)試項(xiàng)目， 分別測(cè)試。首先打開(kāi)串口調(diào)試軟件，選擇波特率為 9600bps,打開(kāi)串口，選擇發(fā)送 的數(shù)據(jù)位 16 進(jìn)制數(shù)據(jù)。 1) 正轉(zhuǎn)測(cè)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(jìn)制)即 16 表示脈寬為 16%的調(diào)速信號(hào)所對(duì)應(yīng)的速度。點(diǎn)擊發(fā)送 觀察電機(jī)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(cè)試：輸入停止命令字 0，速度可以任意，發(fā)送后觀察電機(jī)是否停機(jī) 下來(lái)。 17 3) 反轉(zhuǎn)測(cè)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(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向及速度，改變

35、速度后再測(cè)一次觀察電機(jī)轉(zhuǎn)速是否改變。 4) 加速測(cè)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(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)情況。 5) 減速測(cè)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(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)情況。 再測(cè)試正反轉(zhuǎn)直接切換的情況下，電機(jī)是否還能正確運(yùn)行，接著再測(cè)試一下 在正反轉(zhuǎn)狀況下進(jìn)行的加減速，觀察電機(jī)是否在原來(lái)速度的基礎(chǔ)上無(wú)跳變的平穩(wěn) 加減速。最后測(cè)試鍵盤(pán)的各項(xiàng)控制功能能否正常。 5.3 測(cè)試結(jié)果 經(jīng)測(cè)試表明，本電機(jī)控制系統(tǒng)可以通過(guò)上位機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)的自由設(shè)速正 反轉(zhuǎn)和平穩(wěn)加減速的控制，同時(shí)也可以通過(guò)鍵盤(pán)實(shí)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(jì)要求。 下面的實(shí)物測(cè)試圖是正轉(zhuǎn)和加速的測(cè)試。測(cè)試效果圖如圖 5.1 到圖 5.4 所示。 經(jīng)測(cè)試表明，以上測(cè)試要求全部通過(guò)。測(cè)試結(jié)果如表 4-1。 18 表 4-1 電機(jī)主要測(cè)試結(jié)果 測(cè)試項(xiàng) 目 指令控制字預(yù)期結(jié)果實(shí)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(kāi)始 加速 以原速度開(kāi)始 加速加速 3 50以原速度開(kāi)始 加速 以原速度開(kāi)始 加速 4 1以原速度開(kāi)始 減速 以原速度開(kāi)始 減速減速

37、4 50以原速度開(kāi)始 減速 以原速度開(kāi)始 減速 結(jié)束語(yǔ) 本課題的核心任務(wù)是對(duì)串口通信的研究和對(duì)電機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用 設(shè)計(jì)，本文的研究方案是根據(jù)現(xiàn)有的軟硬件條件，設(shè)計(jì)單片機(jī)的電機(jī) 控制系統(tǒng)，通過(guò) RS232 串口連接至 PC 機(jī)，并進(jìn)行相關(guān)性電機(jī)控制實(shí) 驗(yàn)。 具體內(nèi)容包括如下： 一、通過(guò)對(duì)現(xiàn)在應(yīng)用比較廣泛、技術(shù)比較成熟的串口通信進(jìn)行研究， 并經(jīng)分析論證后設(shè)計(jì)出以 STC89C52 單片機(jī)為核心控制單元的上位機(jī) 電機(jī)控制系統(tǒng)。 二、根據(jù)本設(shè)計(jì)上位機(jī)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，編寫(xiě)了系統(tǒng)程 序。通過(guò)RS232接口連接至PC機(jī)，并進(jìn)行相關(guān)性電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)。 三、在設(shè)計(jì)好的電機(jī)控制系統(tǒng)平臺(tái)上，進(jìn)行電機(jī)控制系統(tǒng)的

38、軟件開(kāi)發(fā)， 并通過(guò)不斷的軟硬件調(diào)試、實(shí)物測(cè)試，最終開(kāi)發(fā)出性能優(yōu)越、靈活方 便、具有一定實(shí)用價(jià)值的直流電機(jī)在線控制系統(tǒng)。 19 通過(guò)本次綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，我更深入的學(xué)到了有關(guān)單片機(jī)的原理及應(yīng)用， 并且自主的動(dòng)腦、動(dòng)手能力得到了很大的提高。重要的是能夠?qū)纹?機(jī)與實(shí)際生活中的一些應(yīng)用聯(lián)系起來(lái)，同時(shí)通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì)對(duì)PC機(jī)通過(guò) 串口控制單片機(jī)有一定的了解。上位機(jī)控制單片機(jī)系統(tǒng)，可以用于對(duì) 多個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，也可通過(guò)調(diào)制/解調(diào)器對(duì)遠(yuǎn)程控 制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。另外，上位機(jī)不需要進(jìn)行復(fù)雜的編程，直接用 微機(jī)的通信串行口進(jìn)行命令控制，并且命令符可自定義。總之我們受 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(gè)綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過(guò)程中無(wú)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(kāi)始對(duì)課題進(jìn)行了了解，進(jìn)行開(kāi)題報(bào)告的撰寫(xiě)，從而有了對(duì)整個(gè)綜 合試驗(yàn)設(shè)計(jì)的進(jìn)程安排。在進(jìn)行硬件和軟件的設(shè)計(jì)中，老師給了很多幫助，如調(diào) 試電路，程序的編寫(xiě)與調(diào)試等。有了曾老師的指導(dǎo)才能使設(shè)計(jì)順利完成，在這對(duì) 曾老師表示衷心的感謝！ 通過(guò)這次綜合試驗(yàn)設(shè)計(jì)詳細(xì)地了解了單片機(jī)編程，同時(shí)進(jìn)一步加深對(duì)直流電 機(jī)調(diào)速方法，PWM波控制的運(yùn)用，還培養(yǎng)了科學(xué)的思考方法和動(dòng)手能力以及借鑒 參考文獻(xiàn)的能力，充分運(yùn)用各種資源查找資料。 在設(shè)計(jì)中同時(shí)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(jì)的相關(guān)條 件，通過(guò)合作

40、體會(huì)到集體團(tuán)結(jié)的重要性，相互鼓勵(lì)，相互提供資料，對(duì)他們也表 示感謝。 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) 20 1 張毅剛 彭喜元 .單片機(jī)原理與應(yīng)用設(shè)計(jì)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(jī)運(yùn)用設(shè)計(jì). 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(zhǎng)春.例說(shuō) 51 單片機(jī)（c 語(yǔ)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(jī)的 C 語(yǔ)言應(yīng)用程序設(shè)計(jì). 北京：北京航空航天大學(xué)， 2010. 5 Samsung Electronics. S3C44BOX Risc microcontroller

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