直流電機調(diào)速控制器

1、設計報告參賽題目：直流電機調(diào)速控制器 參賽學院： 參賽隊員： 17摘要這次設計的目的是設計并制作一個直流電機調(diào)速控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對直流電機的調(diào)速控制和電機轉速顯示，且具有數(shù)字顯示等功能。使用AT89C51單片機作為整個控制系統(tǒng)的核心部分，用光電編碼器測速，3位的LED數(shù)碼管進行顯示，通過四個三極管搭建的電橋實現(xiàn)電機的正轉反轉，改變電機的輸入電壓進行調(diào)速。這次設計的重點有兩個，一是電機的正反轉，二是測速并在數(shù)碼管上顯示出來。此系統(tǒng)結構簡單，應用靈活方便，功能可再擴展、更易于在相關設計中運用，為進一步研究和優(yōu)化直流電機控制方法提供基礎。關鍵詞：AT89C51；測速系統(tǒng)；光電編碼器；直流電機目錄一、前

2、言1二、整體設計方案（比較，論證，選擇）2三、硬件設計：331 主要模塊介紹332 主要器件簡介7四、軟件設計94.1 主程序設計94.2 各個子程序104.2.1顯示子程序104.2.2 轉速檢測子程序114.2.3 正反轉子程序12五、系統(tǒng)調(diào)試14六、總結：15參考文獻16附錄：硬件電路圖17一、前言電機的分類：在現(xiàn)代電子產(chǎn)品中，自動控制系統(tǒng)，電子儀器設備、家用電器、電子玩具等等方面，直流電機都得到了廣泛的應用。大家熟悉的錄音機、電唱機、錄相機、電子計算機等，都不能缺少直流電機。所以直流電機的控制是一門很實用的技術。直流電機具有良好的啟動性能和調(diào)速特性，它的特點是啟動轉矩大，最大轉矩大，能

3、在寬廣的范圍內(nèi)平滑、經(jīng)濟地調(diào)速，轉速控制容易，調(diào)速后效率很高。與交流調(diào)速相比，直流電機結構復雜，生產(chǎn)成本高，維護工作量大。隨著大功率晶體管的問世以及矢量控制技術的成熟，使得矢量控制變頻技術獲得迅猛發(fā)展，從而研制出各種類型、各種功率的變頻調(diào)速裝置，并在工業(yè)上得到廣泛應用。適用范圍：直流調(diào)速器在數(shù)控機床、造紙印刷、紡織印染、光纜線纜設備、包裝機械、電工機械、食品加工機械、橡膠機械、生物設備、印制電路板設備、實驗設備、焊接切割、輕工機械、物流輸送設備、機車車輛、醫(yī)療設備、通訊設備、雷達設備、衛(wèi)星地面接受系統(tǒng)等行業(yè)廣泛應用。高性能的交流傳動應用比重逐年上升，在工業(yè)部門中，用可調(diào)速交流傳動取代直流傳動將

4、成為歷史的必然。盡管如此，我認為設計一個直流電機調(diào)速系統(tǒng)，不論是從學習還是實踐的角度，對一名工程專業(yè)的大學生都會產(chǎn)生積極地作用，有利于提高學習熱情。二、整體設計方案（比較，論證，選擇）1、功能：實現(xiàn)電機轉速測量，電機速度調(diào)節(jié)，電機轉速顯示以及檢測到換相信號后及時換相。2、測速（霍爾傳感器，光電編碼器） 對于轉速測量有很多種方法，我們只要考慮了兩種方案，一個是光電編碼器測量方案，另一個是霍爾元件測量方案。其中霍爾傳感器是一種磁傳感器，用它可以檢測磁場及其變化，可在各種與磁場有關的場合中使用，霍爾傳感器以霍爾效應為工作基礎，是由霍爾元件和它的附屬電路組成的集成傳感器。這種方案的優(yōu)點是結構簡單，測量

5、那個裝置體積小，量程大，環(huán)境適應能力強，霍爾元件輸出的信號無需放大，從而得到電機轉速。光電編碼器利用光電方法，通過光電轉換將輸出軸的機械量，幾何位移量轉換成相應的電脈沖信號或數(shù)字量輸入電子計算機或顯示儀表，從而獲得機械運動狀態(tài)，位置坐標及其變化量等信息，計算機根據(jù)這些信息給出處理結果和發(fā)出指令，實現(xiàn)自動控制。光電軸角編碼器，在數(shù)控機床、機器人、伺服傳動技術、自動控制技術等方面得到廣泛的應用。這種方案的有點是：原理構造簡單、易于實現(xiàn)；機械平均壽命長，可達到幾萬小時以上；分辨率高；抗干擾能力較強，信號傳輸距離較長，可靠性較高；有良好的保護構造，維護容易?？刂普崔D（繼電器，H橋）3、整體框圖由于時

6、間緊張，小組成員能力有限，我們的方案設計重點突出轉速測量、控制正反轉和顯示部分。轉速測量我們選擇了光電編碼器，把光電編碼器輸出的脈沖輸入給光電耦合器，經(jīng)過轉換就可以輸入給單片機，再由單片機控制LED數(shù)碼管進行顯示。反向部分我們采用了4個三極管搭建了一個電橋來實現(xiàn)電機的正反轉，并且在正傳反轉回路個接入了不同顏色的發(fā)光二極管，這樣就可以通過觀察哪個二極管亮來判斷是正傳還是反轉。三、硬件設計：31 主要模塊介紹1、測速模塊 測速使用的是光電編碼器，這是一種通過光電轉換將輸出軸上的機械幾何位移量轉換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。光電編碼器是由光柵盤和光電檢測裝置組成。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干

7、個長方形孔。由于光電碼盤與電動機同軸，電動機旋轉時，光柵盤與電動機同速旋轉，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出若干脈沖信號，通過計算每秒光電編碼器輸出脈沖的個數(shù)就能反映當前電動機的轉速。信號轉換使用光電耦合器，通過它把光電編碼器傳過來的信號變成單片機可以接受的信號。圖中4.7K電阻起保護作用。把光電編碼器直接跟電機相連，電機轉動光電編碼器輸出12V的矩形波，再經(jīng)過光電耦合器把12V的矩形波變成5V的矩形波，最后把5V的矩形波輸給單片機，單片機再控制數(shù)碼管顯示。2、控制正反轉和調(diào)速模塊 由于我們使用的是普通的直流電機，為了節(jié)省時間，簡化電路所以我們通過改變電機的輸入電壓來改變它的轉速

8、，在供給電機的電源處接入一個電位器，當改變電位器的接入電阻時，電機的輸入電壓就改變了，從而電機的轉速也就改變了。圖中四個三極管的基極分別接單片機的P2.0，P2.1，P2.2，P2.3引腳，單片機的P1.0接了一個按鍵，當需要改變轉向的時候，按下按鍵就會給單片機一個信號，單片機收到這個信號然后控制這四個引腳是高電平還是低電平。三極管高電平導通，低電平截至，當Q1和Q4導通時電機正轉，當Q3和Q2導通時反轉。圖中的四個二極管起保護作用，開關控制電機的啟動和停止。3、顯示模塊 顯示我們采用了一個三位共陽LED數(shù)碼管。LED數(shù)碼管晶、集LED數(shù)碼管、數(shù)碼管實際上是由七個發(fā)光管組成8字形構成的，加上小

9、數(shù)點就是8個。這些段分別由字母a b c d e f g dp來表示。當數(shù)碼管特定的段加上電壓后，這些特定的段就會發(fā)亮，以形成我們眼睛看到的字樣了。如：顯示一個“2”字，那么應當是a亮b亮g亮e亮d亮f不亮c不亮dp不亮。LED數(shù)碼管的主要特點有： 能在低電壓、小電流條件下驅動發(fā)光，能與CMOS、ITL電路兼容。發(fā)光響應時間極短(<01s)，高頻特性好，單色性好，亮度高。體積小，重量輕，抗沖擊性能好。壽命長，使用壽命在10萬小時以上，甚至可達100萬小時。成本低。因此它被廣泛用作數(shù)字儀器儀表、數(shù)控裝置、計算機的數(shù)顯器件。顯示驅動我們用的是74HC164，它是8 位串入、并出移位

10、寄存器。74HC164 是高速硅門 CMOS 器件，與低功耗肖特基型 TTL (LSTTL) 器件的引腳兼容。74HC164 是 8 位邊沿觸發(fā)式移位寄存器，串行輸入數(shù)據(jù)，然后并行輸出。數(shù)據(jù)通過兩個輸入端（DSA 或 DSB）之一串行輸入；任一輸入端可以用作高電平使能端，控制另一輸入端的數(shù)據(jù)輸入。兩個輸入端或者連接在一起，或者把不用的輸入端接高電平，一定不要懸空。時鐘 (CP) 每次由低變高時，數(shù)據(jù)右移一位，輸入到 Q0， Q0 是兩個數(shù)據(jù)輸入端（DSA 和 DSB）的邏輯與，它將上升時鐘沿之前保持一個建立時間的長度。主復位 (MR) 輸入端上的一個低電平將使其它所有輸入端都無效，同時非同步地

11、清除寄存器，強制所有的輸出為低電平。32 主要器件簡介1、單片機 AT89C51AT89C51是一種帶4K字節(jié)FLASH存儲器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除1000次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。AT89C51 提供以下標準功能：4k 字節(jié)Flash 閃速存儲器，12

12、8字節(jié)內(nèi)部RAM，32 個I/O 口線，兩個16位定時/計數(shù)器，一個5向量兩級中斷結構，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。同時，AT89C51可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時/計數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個硬件復位。2、光電耦合器光電耦合器（optical coupler，英文縮寫為OC）亦稱光電隔離器，簡稱光耦。光電耦合器以光為媒介傳輸電信號。它對輸入、輸出電信號有良好的隔離作用，所以，它在各種電路中得到廣泛的應用。目前它已成

13、為種類最多、用途最廣的光電器件之一。光耦合器一般由三部分組成：光的發(fā)射、光的接收及信號放大。輸入的電信號驅動發(fā)光二極管（LED），使之發(fā)出一定波長的光，被光探測器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過進一步放大后輸出。這就完成了電光電的轉換，從而起到輸入、輸出、隔離的作用。由于光耦合器輸入輸出間互相隔離，電信號傳輸具有單向性等特點，因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。3、光電編碼器 四、軟件設計4.1 主程序設計#include<reg51.h>#define  uint  unsigned  int#define 

14、; char  unsigned  charsbit key=p10; /控制電機正反轉sbit zheng0=p20;sbit zheng1=p23; sbit Fu0=p22;sbit Fu1=p21;sbit CLK=p03; /給74HC164輸入時鐘方波sbit cc=p04; /串行口輸入端sbit wei0=p00;sbit wei1=p01;sbit wei2=p02;unchar code table=0xfc,ox60,0xda,0xf2,0x66,0xb6,0xbe,0xe0,0xff,0xf6uint 

15、0;time  w;unsigned  float  sr; /sr 為弧長與半徑之比bit  flag , keyflag , swap;void show(uint  zhi);void  akey();void  delay(uint  shuzi);void  xian(uchar  shuzi);  void 

16、0;main()    TMOD=0x02; /設置定時器0的工作方式為2TL0=0x9c;TH0=0x9c;EA=1;ET0=1;EX0=1;IT0=1; while(1)    show(w);    akey();4.2 各個子程序4.2.1顯示子程序void xian ( uchar shuzi)uchar i , num ;num = table shuzi;for (i=0;i<8;i+)CLK=0;cc= num&&0x01;CLK = 1

17、;num >=1; void delay (unsigned int x)uint i , j ;for (i=x;i>0;i-)for (j=110 ;j>0; j-)4.2.2 轉速檢測子程序void show (uint zhi)uchar bai,shi,ge;bai = zhi/100;shi=zhi/10%10;ge=zhi%10;wei0 = 1;wei1 = 0;wei2 = 0;xian (bai);delay (3);wei0 = 0;wei1 = 1;wei2 = 0;xian (shi);delay (3);wei0 = 0;wei1 = 0;wei2

18、 = 1;xian (ge);delay (3);4.2.3 正反轉子程序void  sudu()  interrupt  0   if(flag)         TR0=0;      w=(sr*6*107)/(time*100+TL0-156);      time=0; TL0=0xb8;flag=0;TR0

19、=1;else   TR0=0;       w=(sr*6*107)/(time*100+TL0-156);       time=0; TL0=0xb8;flag=1;TR0=1;void  T0_time() interrupt  1 time+; if(time=65534) time=65533;void akey ( )if (key=0&keyflag=0)delay(15);if (key=0)if(s

20、wap)swap=0;zheng0=0;zheng1=0;Fu0=1;Fu1=1;elseswap=1;zheng0=1;zheng1=1;Fu0=0;Fu1=0; keyflag=1;else if (key=1&keyflag=1)delay (10);if (key=1&keyflag=1)keyflag = 0;五、系統(tǒng)調(diào)試此課題為基于51單片機的直流電機調(diào)速轉向控制系統(tǒng)，能實現(xiàn)直流電機的調(diào)速、轉向控制并通過單片機將轉速和方向進行顯示。本次設計采用的是keil仿真器進行的軟件調(diào)試，此系統(tǒng)可以開發(fā)應用軟件，以及對電路進行診斷、調(diào)試等。它的具體功能是可以進行CPU仿真，可以

21、單步、跟蹤、斷點和全速運行，而且程序的編譯過程中，可以對設計軟件進行自診斷，并自動給出故障原因。同時用戶調(diào)試程序時，可以通過窗口觀察寄存器的工作狀態(tài)，以便及時發(fā)現(xiàn)和排除編程中可能出現(xiàn)的錯誤。軟件的調(diào)試是利用keil軟件，模塊化調(diào)試，通過觀察存儲單元數(shù)據(jù)的變化，查找并解決程序的語法和邏輯錯誤，具體的調(diào)試步驟如下：1、把系統(tǒng)的各個模塊在仿真軟件中逐個調(diào)試，如顯示模塊。2、對各個需要賦值模塊調(diào)試時，賦入初值，單步調(diào)試，觀察數(shù)據(jù)窗口，看輸出結果是否為想要的結果。3、把各個模塊組合起來，全速運行，看程序是否能流暢，是否能實現(xiàn)設計的系統(tǒng)的所有功能。六、總結： 本課題的核心任務是對串口通信的研究和對電機控制系統(tǒng)的應用設計，本文的研究方案是根據(jù)現(xiàn)有的軟硬件條件，設計單片機的電機控制系統(tǒng)，通過RS232串口連接至PC機，并進行相關性電機控制和顯示實驗。具體內(nèi)容包括如下：一、通過對現(xiàn)在應用比較廣泛、技術比較成熟的串口通信進行研究，并經(jīng)分析論證后設計出以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)本設計上位機電機控制系統(tǒng)的設計要求，編寫了系統(tǒng)程序。通過RS232接口連接至PC機，并進行相關性電機控制實驗。三、在設計好的電機控制