直流電機(jī)PWM調(diào)速與控制設(shè)計(jì)報(bào)告

1、綜合設(shè)計(jì)報(bào)告單位：.自動(dòng)化學(xué)院學(xué)生姓名：專業(yè)：測(cè)控技術(shù)與儀器班級(jí)：-0820801學(xué)號(hào)：-指導(dǎo)老師：_成績(jī)：.設(shè)計(jì)時(shí)間：2011年12月 重慶郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院制一、題目 直流電機(jī)調(diào)速與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。二、技術(shù)要求 設(shè)計(jì)直流電機(jī)調(diào)速與控制系統(tǒng)，要求如下：1、學(xué)習(xí)直流電機(jī)調(diào)速與控制的基本原理；2、了解直流電機(jī)速度脈沖檢測(cè)原理；3、利用 51 單片機(jī)和合適的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片設(shè)計(jì)控制器及速度檢測(cè)電路；4、使用 C 語言編寫控制程序，通過實(shí)時(shí)串口能夠完成和上位機(jī)的通信；5、選擇合適控制平臺(tái)，繪制系統(tǒng)的組建結(jié)構(gòu)圖，給出完整的設(shè)計(jì)流程圖6、要求電機(jī)能實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)控制；7、系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)顯示電機(jī)速度功能；8、電機(jī)的設(shè)

2、定速度由電位器輸入；9、電機(jī)的速度調(diào)節(jié)誤差應(yīng)在允許的誤差范圍內(nèi)。三、給定條件1、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理 ，單片機(jī)原理及接口技術(shù)等參考資料；2、 電阻、電容等各種分離元件、IC、直流電機(jī)、電源等；3、STC12C5A60S單片機(jī)、LM298 以及 PC機(jī)；四、設(shè)計(jì)1. 確定總體方案；2. 畫出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；3. 選擇以電機(jī)控制芯片和單片機(jī)及速度檢測(cè)電路，設(shè)計(jì)硬件電路；4. 設(shè)計(jì)串口及通信程序，完成和上位機(jī)的通信；5. 畫出程序流程圖并編寫調(diào)試代碼，完成報(bào)告；直流電機(jī)調(diào)速與控制 摘要：當(dāng)今社會(huì)，電動(dòng)機(jī)作為最主要的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置，其應(yīng)用范圍已遍及國民經(jīng) 濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域和人們的日常生活。無論是在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，交

3、通運(yùn)輸，國防，航空航天，醫(yī)療 衛(wèi)生，商務(wù)和辦公設(shè)備中，還是在日常生活的家用電器和消費(fèi)電子產(chǎn)品（如電冰箱，空調(diào)， DVD等）中，都大量使用著各種各樣的電動(dòng)機(jī)。據(jù)資料顯示，在所有動(dòng)力資源中，百分之九 十以上來自電動(dòng)機(jī)。 同樣， 我國生產(chǎn)的電能中有百分之六十是用于電動(dòng)機(jī)的。電動(dòng)機(jī)與人的生活息息相關(guān)，密不可分。電氣時(shí)代，電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制一般采用模擬法、PID控制等，對(duì)電動(dòng)機(jī)的簡(jiǎn)單控制應(yīng)用比較多。 簡(jiǎn)單控制是指對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行啟動(dòng)， 制動(dòng)， 正反轉(zhuǎn)控制和順序 控制。 這類控制可通過繼電器， 光耦、可編程控制器和開關(guān)元件來實(shí)現(xiàn)。還有一類控制叫復(fù) 雜控制，是指對(duì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)角，轉(zhuǎn)矩，電壓，電流，功率等物理量

4、進(jìn)行控制。本電機(jī)控制系統(tǒng)基于 51 內(nèi)核的單片機(jī)設(shè)計(jì)，采用 LM298 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，利用 PWM 脈寬調(diào)制控制電機(jī)，并通過光耦管測(cè)速，經(jīng)單片機(jī) I/O 口定時(shí)采樣，最后通過閉環(huán)反饋控制 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的精確控制，其中電機(jī)的設(shè)定速度由電位器經(jīng)A/D 通過輸入，系統(tǒng)的狀顯示與控制由上位機(jī)實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過設(shè)計(jì)和調(diào)試，本控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速較小誤差的控制， 系統(tǒng)具有上位機(jī)顯示轉(zhuǎn)速和控制電機(jī)開啟、 停止和正反轉(zhuǎn)等功能。 具有一定的實(shí)際應(yīng)用意義。 關(guān)鍵字： 直流電機(jī)、反饋控制、 51內(nèi)核、 PWM 脈寬調(diào)制、 LM298、 系統(tǒng)原理及功能概述1、系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理本電機(jī)控制系統(tǒng)采用基于 51 內(nèi)核的單片機(jī)設(shè)計(jì)

5、， 主要用于電機(jī)的測(cè)速與轉(zhuǎn)速控制， 硬件方面設(shè)計(jì)有可調(diào)電源模塊， 串口電路模塊、 電機(jī)測(cè)速模塊、 速度脈沖信號(hào)調(diào)理電路 模塊、 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等電路； 軟件方面采用基于 C 語言的編程語言， 能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與 上位機(jī)的通信， 并實(shí)時(shí)顯示電機(jī)的轉(zhuǎn)速和控制電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，如開啟、停止、正反轉(zhuǎn) 等。單片機(jī)選用了 51升級(jí)系列的STC12c5a60s2作為主控制器，該芯片完全兼容之前較 低版本的所有51指令，同時(shí)它還自帶 2路PWM控制器、2個(gè)定時(shí)器、2個(gè)串行口支持 獨(dú)立的波特率發(fā)生器、 3路可編程時(shí)鐘輸出、8路10位AD轉(zhuǎn)換器、一個(gè)SPI接口等，能非常方便的滿足本次電機(jī)控制的需求，其PWM端口用于輸出

6、一定頻率且脈寬可調(diào)的PWM波用于控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，單片機(jī)自帶的A/D端口作為設(shè)定速度的模擬信號(hào)輸入口，定時(shí)器用于串口通信和速度的定時(shí)采樣以及上位機(jī)的定時(shí)顯示等。系統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元選擇了LM298N大功率驅(qū)動(dòng)芯片，再利用 TLP521光耦合器和整流二極管設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路能實(shí)現(xiàn)電器隔離與控制，能提高控制效率和精度極大減少了撓動(dòng)干擾，而且可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反裝和剎車功能。系統(tǒng)測(cè)速模塊基于槽型光耦 GK105設(shè)計(jì)，將電機(jī)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成不同頻率的脈沖信 號(hào)，在經(jīng)過基于 LM324的電壓比較器和 74HC573鎖存器進(jìn)行信號(hào)波形的整形，最后通 過檢測(cè)單片機(jī)的I/O 口的脈沖實(shí)現(xiàn)速度的測(cè)量。1.1直流電機(jī)基本工作原理

7、Gi）甘體曲處于極b ：佝 導(dǎo)休的處于舛極下圖直流電機(jī)的基本結(jié)夠圖1. 2直流電機(jī)調(diào)速原理直流電機(jī)轉(zhuǎn)速n的表達(dá)式為：U IRn（1-1）K式中:U-電樞端電壓；I-電樞電流；R-電樞電路總電阻；-每極磁通量；K與電機(jī)結(jié)構(gòu)有 關(guān)的常數(shù)，因此直流電機(jī)轉(zhuǎn)速n的控制方法有三種，主要以調(diào)壓調(diào)速為主。本控制器主要通過脈寬調(diào)制PWM來控制電動(dòng)機(jī)電樞電壓，實(shí)現(xiàn)調(diào)速。調(diào)脈寬的方式有三種：定頻調(diào)寬、定寬調(diào)頻和調(diào)寬調(diào)頻。本系統(tǒng)采用了定頻調(diào)脈寬方式的PWM控制，因?yàn)椴捎眠@種方式，電動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)比較穩(wěn)定；并且在采用單片機(jī)產(chǎn)生PWM脈沖的軟件實(shí)現(xiàn)上比較方便。對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制即可采用開環(huán)控制，也可采用閉環(huán)控制。與開環(huán)控

8、制相比，速度控制閉環(huán)系統(tǒng)的機(jī)械特性有以下優(yōu)越性：閉環(huán)系統(tǒng)的機(jī)械特性與開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性相比，其性能大大提高；理想空載轉(zhuǎn)速相同時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率（額定負(fù)載時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速降落與理想空載 轉(zhuǎn)速之比）要小得多；當(dāng)要求的靜差率相同時(shí)，閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍可以大大提高。直流電機(jī)的速度控制方案如圖 1所示。轉(zhuǎn)速設(shè)定值偏差轉(zhuǎn)速輸出卜調(diào)節(jié)器測(cè)速裝置圖1直流電機(jī)速度閉環(huán)控制方案二、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)1.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖本系統(tǒng)采用STC12C5A60作為控制核心，用上位機(jī)顯示設(shè)定轉(zhuǎn)速和測(cè)量轉(zhuǎn)速以及控制電機(jī)。采用LM298驅(qū)動(dòng)芯片作為本系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電路和用槽型光耦GK105作為該系統(tǒng)的測(cè)量電路?？驁D如2所示。LM298 驅(qū)動(dòng)電

9、路時(shí)鐘電路直流電機(jī)光耦測(cè)速管信號(hào)調(diào)理 電路STC12C5A60S2單片機(jī)UART 串 口 電路上位機(jī)顯示 與控制速度模擬 量輸入電 路電源模塊圖2 直流電機(jī)控制系統(tǒng)總體框圖2 模塊電路及功能介紹單片機(jī)最小系統(tǒng)電路單片機(jī)主要擅長(zhǎng)系統(tǒng)控制，而不適合做復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理，在設(shè)計(jì)單片機(jī)最小系統(tǒng)時(shí)我們選用STC12C5A60S位DIP-40封裝的單片機(jī)作為 MCU。STC12C5A60S芯片是有宏晶科技生產(chǎn)的 單時(shí)鐘/機(jī)器周期（1T）的單片機(jī)，具有64K的用戶程序存儲(chǔ)空間及1280字節(jié)的RAM,完全 兼容之前較低版本的所有 51指令，但速度快5 8倍，內(nèi)部集成有 MAX801專用復(fù)位電路、同 時(shí)它還自帶2路

10、PWM控制器、2個(gè)定時(shí)器、2個(gè)串行口支持獨(dú)立的波特率發(fā)生器、3路可編程時(shí)鐘輸出、8路高速10位AD轉(zhuǎn)換器、一個(gè)SP接口等，應(yīng)用于電機(jī)控制等強(qiáng)干擾場(chǎng)合。本系統(tǒng)的單片機(jī)最小系統(tǒng)由時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、電源電路、外圍總線接口等部分組成。圖3為單片機(jī)最小系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。S F0FTP 1 1S1J>AP 1 2Pl"r 斗MOSI P 1 5xi is<) r iSC1KP 1 7RFSTTP3 1P32P33心4P35P Xt>WXIX2I M7 sI 71 H140TO£3牛3753嚇6357”&329321 O3 11 1301 22931 4271 S

11、1 &231 72-41 N239f fX22工1PCM JPOlPO3P<M-l'C)5potsEA丄w7)P22PZJP2OI OI 4 I 5 IO1 7 I H1 9圖351最小系統(tǒng)電路2.1.1系統(tǒng)時(shí)鐘電路XTALI 和 XTAL2單片機(jī)內(nèi)部具有一個(gè)高增益反相放大器，用于構(gòu)成振蕩器。通常在引腳跨接石英晶體和兩個(gè)補(bǔ)償電容構(gòu)成自激振蕩器，系統(tǒng)時(shí)鐘電路結(jié)構(gòu)如圖 6所示，可以根據(jù)情況選擇6MHz、8MHz或12MHz等頻率的石英晶體，本系統(tǒng)采用 12MHz的晶振。補(bǔ)償電容 通常選擇20-30pF左右的瓷片電容。2.1.2復(fù)位電路單片機(jī)小系統(tǒng)采用上電自動(dòng)復(fù)位和手動(dòng)按鍵復(fù)位

12、兩種方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的復(fù)位操作。上電復(fù)位要求接通電源后，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作。 手動(dòng)復(fù)位要求在電源接通的條件下，在單片機(jī)運(yùn)行期間，用按鈕開關(guān)操作使單片機(jī)復(fù)位。復(fù)位電路結(jié)構(gòu)如圖 6所示。上電自動(dòng)復(fù)位通過電容充電來實(shí)現(xiàn)。手動(dòng)按鍵復(fù)位是通過按鍵將電阻與VCC接通來實(shí)現(xiàn)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用常用的 H橋電路，通過控制信號(hào)選通對(duì)管與否實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)， 并改變所加電壓的占空比來改變電機(jī)轉(zhuǎn)速。如圖4所示，這里采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)專用芯片L298N,該芯片可驅(qū)動(dòng)兩路 5 - 36V的直流電機(jī)或者一路四拍的步進(jìn)電機(jī)。同時(shí)在L298N與主控芯片間通過四路光耦 TLP521 - 4隔離消除干擾信號(hào)。在 STC12C5A6

13、0S2±配置好串口、 PWM，實(shí) 現(xiàn)串口接收的數(shù)據(jù)直接賦值給PWM定時(shí)器CCAP1L CCAP1H利用串口調(diào)試助手發(fā)送控制信息給STC12C5A60S2同時(shí)輔助外界 6V電源更改L298N的IN1和IN2共同完成L298N電機(jī) 驅(qū)動(dòng)模塊的調(diào)試。圖4 LM298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路直流電機(jī)測(cè)速電路2.3.1槽型光耦GK105測(cè)速電路n姑刷圖5槽型光耦GK105電路如圖5和圖6所示,和光電三極管構(gòu)成，當(dāng)二極管發(fā)出的光打在光電三極管的基極B上時(shí)三極管 CE導(dǎo)通。而正常情況下二極管的光不能到達(dá)光電管的基極上，故通過裝在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上得圓形編碼片即可實(shí)現(xiàn)對(duì)小車的測(cè)速。假設(shè)編碼片兒有n片個(gè)缺口，測(cè)得光電三

14、極管的輸出脈沖頻率為f，則車速=f/n 。由圖7可知,電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈，槽型光耦產(chǎn)生4個(gè)脈沖，因此可以利用槽型光耦傳感器信號(hào)得到電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。為盡可能縮短一次速度采樣的時(shí)間，則電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速為：V=(N/4)*60;4fV速度R/mi nN:每秒采樣的脈沖個(gè)數(shù)圖7電機(jī)轉(zhuǎn)1圈GK105光耦管信號(hào)2.3.2速度脈沖信號(hào)調(diào)理電路給電機(jī)加電讓其帶動(dòng)編碼盤旋轉(zhuǎn)，將光電對(duì)管靠近編碼盤，用示波器觀測(cè)輸出脈沖信號(hào)的有無與好壞。信號(hào)調(diào)理電路主要利用LM324運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)的比較器，如圖8所示，調(diào)節(jié)比較器偏置電壓使脈沖最接近于方波且幅度大于。為了提高測(cè)速的精 度，在信號(hào)后級(jí)添加比較器調(diào)理信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)的方波，調(diào)節(jié)比較器

15、運(yùn)放的偏置電壓使方 波信號(hào)最適合于測(cè)速。串口電路設(shè)計(jì)1、2、3、MAX232芯片是美信公司專門為電腦的RS-232標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計(jì)的接口電路， 使用+5V 單電源供電。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本可分三個(gè)部分：第一部分是電荷泵電路，由4、5、6腳和4只電容構(gòu)成。功能是產(chǎn)生+12V和-12V兩個(gè)電源，提供給 RS-232串口電平的需要。第二部分是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道，由7、8、9、10、11、12、13、14腳構(gòu)成兩個(gè)數(shù)據(jù)通道。其中13 腳（R1IN ）、12 腳（R10UT）、11 腳（T1IN ）、14 腳（T10UT）為第一數(shù)據(jù)通道。8 腳（R2IN）、9 腳（R20UT）、10 腳（T2IN ）、7 腳（T20U

16、T）為第二數(shù)據(jù)通道。 TTL/CMOS數(shù)據(jù)從 T1IN、T2IN輸入轉(zhuǎn)換成 RS-232數(shù)據(jù)從 T10UT、T20UT 送到電腦 DB9插頭；DB9插頭的 RS-232數(shù)據(jù)從 R1IN、R2IN輸入轉(zhuǎn)換成 TTL/CMOS數(shù) 據(jù)后從 R10UT、R20UT輸出。第三部分是供電，15腳GND、16腳VCC （ +5V）。電路如圖9所示。圖9串口電路圖系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)LM317作為電源芯片。本系統(tǒng)要求有 5V和6 7V的電源輸入，因此我們選用了LM317作為輸出電壓可變的集成三端穩(wěn)壓塊，是一種使用方便、應(yīng)用廣泛的集成穩(wěn)壓 塊。其應(yīng)用電路如圖10所示。圖11為電源濾波電路。VCCC2IIJUL'

17、Fl>U2*LED圖11 濾波電路穩(wěn)壓電源的輸出電壓可用下式計(jì)算，Vo=( 1+R2/R1 )。本系統(tǒng)中取 R1 為 240n,R2取5K的可調(diào)電位器。通過調(diào)節(jié)R2的阻值大小，進(jìn)而可以改變輸出電壓的大小，實(shí)現(xiàn)電壓可調(diào)，其可調(diào)范圍是Vo= 37V。在應(yīng)用中，為了電路的穩(wěn)定工作，在一般情況下，還需要接二極管作為保護(hù)電路，防止電路中的電容放電時(shí)的高壓把317燒壞。電機(jī)設(shè)定速度輸入電路本系統(tǒng)采用了簡(jiǎn)單的電位器，通過電位器將5V電源信號(hào)分壓在經(jīng)過單片機(jī)A/D端口輸入到CPU處理，實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度手動(dòng)的可調(diào)，其電路如圖12所示。三、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)本程序主要分為6大塊，主程序、A/D轉(zhuǎn)換處理程序、PWM輸出

18、程序、串口顯示與電機(jī)狀態(tài)控制程序、定時(shí)器0的中斷服務(wù)程序，串口中斷服務(wù)程序。主程序主要做了系統(tǒng)初始化，定時(shí)器0的初始化和主循環(huán)等。配置STC12C5A60S2定時(shí)器0為定時(shí)器方式 2、50ms計(jì)數(shù)器中斷，累計(jì)20次定時(shí)器0中斷為1秒，此時(shí) TL1即光電對(duì)管輸入的脈沖頻率，同時(shí)在此一秒內(nèi)觸發(fā)AD采集一次電源電壓Voltage送入內(nèi)存并通過運(yùn)算轉(zhuǎn)換成設(shè)定的速度值。PC終端的顯示也是沒隔一秒刷新一次。配置STC12C5A60S2串行口 1為方式2、獨(dú)立波特率發(fā)生器9600、允許接收中斷。當(dāng)串口 1接收到PC機(jī)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)入中斷處理程序，檢測(cè)接收到的數(shù)據(jù)以此來區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)是屬于哪種控制信號(hào)。配置STC12C5A

19、60S2脈寬調(diào)制 PWM為8位、無中斷。主程序中循環(huán)執(zhí)行Pwm（）函數(shù)實(shí)時(shí)更改PWM定時(shí)器CCAP1L CCAP1H的值，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。1 .主程序主程序主要功能為系統(tǒng)初始化，定時(shí)器0的初始化和主循環(huán)等。流程圖如圖13所示圖13系統(tǒng)主程序流程圖2. 串口中斷發(fā)送程序本系統(tǒng)的串口通信指的是單片機(jī)與上位機(jī)（PC機(jī)）之間的串口通信，該通信主要用于測(cè)速模塊的調(diào)試以及在測(cè)量轉(zhuǎn)速時(shí)，單片機(jī)能從上位機(jī)（PC機(jī)）接收數(shù)據(jù)或者能將數(shù)據(jù)發(fā)回給上位機(jī)（PC機(jī)），以便觀察電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)情況，或者獲得我們所需要的數(shù)據(jù)。如圖14所示，在本設(shè)計(jì)中，采用的是STC12C5A60S2芯片的串口 UARTO來與PC機(jī)進(jìn)行串口通

20、信。在串口UARTO的配置中，定時(shí) /計(jì)數(shù)采用方式 2是將兩個(gè) 8位計(jì)數(shù)器TH1和TL1分成獨(dú)立的兩個(gè)部分，組成一個(gè)8位可自動(dòng)再裝入的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，由TL1作為8位計(jì)數(shù)器，TH1作為計(jì)數(shù)初值寄存器，設(shè)置初值時(shí)同時(shí)送TH1和TL1，當(dāng)TL1計(jì)數(shù)滿回0產(chǎn)生溢出，不僅置位TF1,而且控制 TH1中的初值重新裝入TL1，繼續(xù)下一輪計(jì)數(shù)，此信號(hào)送串行通信系統(tǒng)，以設(shè)置串行通信波特率，波特率設(shè)置公式如式所示：波特率 =2 SMOD*（溢出率）/32圖14串口發(fā)送程序流程圖3. 串口中斷接收程序上位機(jī)控制單元解擴(kuò)出 1bit數(shù)據(jù)后，產(chǎn)生一次中斷。接收時(shí)首先采用 窗口、1bit滑動(dòng)方式來接收通信的同步幀頭0x

21、09、0xAF，幀頭接收成功后，按每8bits 一個(gè)字節(jié)的方式進(jìn)行截取，得到傳送的有效數(shù)據(jù)，同時(shí)將得到的有效數(shù)據(jù) 存儲(chǔ)在緩沖單元中；接收過程中，按有關(guān)的通信協(xié)議進(jìn)行地址判別、長(zhǎng)度接收、校驗(yàn) 計(jì)算。地址相同的模塊對(duì)符合通信協(xié)議的數(shù)據(jù)進(jìn)行應(yīng)答，轉(zhuǎn)入發(fā)送態(tài)。程序流程圖如16bits接收后續(xù)數(shù)據(jù)圖15所示。進(jìn)入接收中斷圖15串口接收程序流程圖4. A/D轉(zhuǎn)換程序A/D轉(zhuǎn)換程序主要用于電機(jī)速度的輸入模擬信號(hào)的采集與轉(zhuǎn)換。程序流程圖如圖16所示。圖16 A/D轉(zhuǎn)換程序流程圖5. PWM輸出程序PWM控制一一脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，即通過一系列脈沖的寬度調(diào)制來等效地獲得所需的波形（含形狀和幅值），程序主要用于控制

22、電機(jī)轉(zhuǎn)速，他通過主程序的反饋算法計(jì)算出來，圖17 PWM輸出程序流程圖6 定時(shí)器0中斷服務(wù)程序定時(shí)器0中斷程序主要用于1秒定時(shí)、轉(zhuǎn)速的計(jì)算、A/D值采集以及上位機(jī)顯示刷新。序流程圖如圖18所示。圖18定時(shí)器0中斷服務(wù)程序流程圖四、系統(tǒng)調(diào)試及性能分析1.系統(tǒng)硬件調(diào)試如圖19為系統(tǒng)測(cè)速電路的采樣波形圖19經(jīng)整形后的速度脈沖波形串口收發(fā)數(shù)據(jù)調(diào)試串口電路是連接PC機(jī)與通信模塊的橋梁，可借助串口調(diào)試助手對(duì)所設(shè)計(jì)的串口通信電路和通信模塊進(jìn)行測(cè)試。如圖所示，通過串口調(diào)試助手，向端口分別發(fā)送數(shù)據(jù) 0x01、0x02、0x03、0x04、0x05數(shù)據(jù)經(jīng)串口電路被單片機(jī)接收，將數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)判斷，決定是開啟顯示和電

23、機(jī)還是正反轉(zhuǎn)或是停止，同時(shí)將所出狀態(tài)及電機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)送回來，在串口調(diào)試助手的接收窗口上可以看到接收到的數(shù)據(jù)。串口調(diào)試如圖20所示。I芾口I-It 丨 X|停止位老閉t： 口瞪11顯a ：2 口動(dòng)話空 廠-hk鍛刪忌亍芒?7鈕亍裁®f|正耳II1LLlHU*T*a«暫alle口4s*o«e0QIIeewaeua pG>ppponpppppppE>p?ppp PADP ru Jllfilfl uEHausJIsEusllsulKsns 一匚一二匚二一-二L-L-一匚 KLAlJ 丄就 J a JRL41alaL-il 機(jī) d 4 ；機(jī) daialQl4 畳更&

24、#171;*<£. _*<«-*<* 滬亡備 * -VCM rrrrrrrrrrrrrrrrrTilrrrrr1?isJ n.D2B-*v*.4§5 眉63TJ74E 右諾75151UJ骨1 J呂呂£!dddrtddddd-d djddddd-dddjd dd « 4 » _r e » c e “ s:Kgs:5:*5:q 一- -=-t t 七電 t 社£申-t 七 t #- e*««e-w -U4-電 <>-*0_l!e<F*>=Lax.3sulx,

25、3'5.5. m'sEilrsIJEBIln !=3T->11 *£*e 56 veilogt £ 專町 vul L-ag« S TE占1 *FI*5 2* volt =T§fw*s T 5 vJ-L-ag TE -oll ng« s T6, vol 1 -ie* E TT$ vol X 4 £ 寸Q# vol t gt： s SG truL -L k» 9 35., ifoI t -ftgeiu iO亂 wo丄tdgo 3 £111 種承ItmU口li?. lZ, TT3H38 丄亠.m_

26、i £那T&ER i總蛇械期 讓玄Q2T344 i iS. 0CT134404Fn7S iMB. (H&PT5 i；s. oe«w二 63曲1 鼻勺.61-JSgJl irs? fil3?E1 iel.&*S125 i-l. WE50Q苗三出點(diǎn).劉土的=苛/妒jy h十/7鍛幗曲4 手戢悽醫(yī) 廠自動(dòng)知g胸陶曼后重覽1 l=|itltULI0M : luiTi 包a s> j j ljin. im Jil. is. 11L 1、 U * 5】0艮 is 1皿 l£ 110,vnl-t 鼻鼻 i.x4. D429Bg vltJice ig

27、j tHEWR Elty is4.0e2O31 '宀丄il.UVLL JL尊4<L 陷e i 4. EIZ343B ist.valt4« in*QC勒前I*塔文L|占 i：rATiu ; cikMH urKnr.-.i .*，ua»n,u,L m '. n tjcll|iSnith' -t h£SEi IMtZL. YEHIslUUD圖20電機(jī)轉(zhuǎn)速及對(duì)應(yīng)的電壓顯示數(shù)據(jù)實(shí)物展示圖22系統(tǒng)實(shí)物圖2 系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)處理利用matlab對(duì)電機(jī)兩端電壓和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合實(shí)型電壓數(shù)據(jù)：votlage_V= 2345;整型電壓數(shù)據(jù)：votlage

28、_D=77,82,87,92,97,102,108,113,118,123,128,133,138,143,148,153,159,164,169,175,179, 185,190,195,200,205,210,216,220,225,231,236,241,246,251,255;測(cè)得速度數(shù)據(jù)：speed=12,17,22,27,33,42,45,48,53,58,62,65,69,73,76,80,83,87,89,93,96,99,101,103,106,109,111,113,116,119,122,125,128,133,140,144;Matlab擬合命令：p=polyfit(v

29、otlage_V,speed,1);speed_poly 1=p(1)*votlage_V+p(2);q=polyfit(votlage_D,speed,1);speed_poly2=q(1).*votlage_D+q(2);figure(1)plot(votlage_V,speed,'or',votlage_V,speed_poly1);grid ontitle('電壓 V-轉(zhuǎn)速 r/s')figure(2)plot(votlage_D,speed,'or',votlage_D,speed_poly2);grid ontitle('電壓

30、 D-轉(zhuǎn)速 r/s')擬合曲線如圖21所示：圖21電壓一速度曲線如圖21所示，電機(jī)電壓與轉(zhuǎn)速基本成正比關(guān)系，所以可以按最小二乘法進(jìn)行線性擬合，得到電壓與轉(zhuǎn)速關(guān)系式為：（1）電壓為實(shí)型，轉(zhuǎn)速 =*電壓V ,其中（a=, b=）;（2） 電壓為整型，轉(zhuǎn)速 =*電壓，其中（a= b=）；上面兩個(gè)關(guān)系式將作為電機(jī)控制的基本數(shù)學(xué)模型，有軟件算法實(shí)現(xiàn)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速對(duì)輸入電壓的跟蹤。不同轉(zhuǎn)速設(shè)定值下電機(jī)對(duì)應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)速及誤差如表1輸入轉(zhuǎn) 速輸出轉(zhuǎn) 速絕對(duì)誤差輸入轉(zhuǎn) 速輸出轉(zhuǎn) 速絕對(duì) 誤差1213-17680-41719-28078-22219383812272528789-2333308993-4424

31、029397-445423969424849-1999905355-2101102-15859-1103104-162620106105165632109112-36971-211111107376-31131121116119-312512501191172128130-2122126-41331312表1電機(jī)轉(zhuǎn)速誤差表2. 3電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速誤差曲線圖23電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速相對(duì)電壓絕對(duì)誤差曲線電底.一塗圮7圖24電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速相對(duì)電壓的相對(duì)誤差曲線2 . 4系統(tǒng)性能分析對(duì)上面圖23、圖24兩個(gè)誤差曲線分析可以得出以下結(jié)論，一方面，當(dāng)電機(jī)兩端的電壓在范圍了變化時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化范圍在12R/S134R/

32、S (即720R/mint8040R/mint )之間變化，當(dāng)電機(jī)兩端的電壓在以下時(shí)，電機(jī)無法驅(qū)動(dòng)，為電機(jī)的死區(qū)電壓，電機(jī)轉(zhuǎn)速變化基本符合實(shí)際情況。另一方面，由于本系統(tǒng)自身設(shè)計(jì)本省存在著多種缺陷，所以測(cè)式結(jié)果產(chǎn)生了一定的誤 差，電機(jī)轉(zhuǎn)速的絕對(duì)誤差基本在 6V 以下，其相對(duì)誤差根據(jù)兩端電壓范圍的不同呈現(xiàn)不同的 趨勢(shì)，當(dāng)電壓在左右，即電機(jī)轉(zhuǎn)速W 50R/S時(shí)，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速的相對(duì)誤差W16%,當(dāng)電機(jī)兩端電壓在左右，即電機(jī)轉(zhuǎn)速60R/S時(shí)，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速的相對(duì)誤差W8%。所以系統(tǒng)綜合性能基本能滿足設(shè)計(jì)要求。五、設(shè)計(jì)心得課程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)我們綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)發(fā)現(xiàn)、提出、分析和解決實(shí)際問題,鍛煉實(shí)踐能力的重要環(huán)

33、節(jié) ,是對(duì)我們實(shí)際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過程。本次的課程設(shè)計(jì)是基于運(yùn)用所學(xué)單片機(jī)技術(shù)、 傳感檢測(cè)技術(shù)、 電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)等方面的知 識(shí),設(shè)計(jì)電機(jī)調(diào)速與控制系統(tǒng), 很好的結(jié)合了當(dāng)今工業(yè)直流電機(jī)方面的實(shí)際應(yīng)用, 相對(duì)于前 幾學(xué)期的課程設(shè)計(jì), 這次的題目綜合性更高、 設(shè)計(jì)難度更大、 實(shí)用性更強(qiáng), 是對(duì)我們所學(xué)專 業(yè)知識(shí)如單片機(jī)原理及接口技術(shù) 、傳感器與檢測(cè)、C語言程序設(shè)計(jì)、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng) 原理等課程知識(shí)的綜合檢驗(yàn)與應(yīng)用, 很好的鍛煉了我們從單一模塊到系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試能力 的轉(zhuǎn)變與提高,同時(shí)也讓增強(qiáng)了我們直流電機(jī)控制原理與應(yīng)用有了更深的認(rèn)識(shí)和體會(huì)?；仡櫰鸫舜握n程設(shè)計(jì),至今我仍感慨頗多,從選題到定稿,從理論到

34、實(shí)踐,我們小組都付出了很多努力, 也收獲了很多, 在此次設(shè)計(jì)中不僅可以鞏固了以前所學(xué)過的知識(shí), 而且學(xué) 到了很多在書本上所沒有學(xué)到過的知識(shí)。 通過這次課程設(shè)計(jì)也使我懂得了理論與實(shí)際相結(jié)合 的重要性, 只有理論知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的, 只有把所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合起來, 從理論 中得出結(jié)論, 才能做出實(shí)際的有用的東西, 從而提高自己的實(shí)際動(dòng)手能力和獨(dú)立思考的能力。 通過這次課程設(shè)計(jì)還鍛煉了我們的團(tuán)隊(duì)合作精神,只有大家在分工明確的基礎(chǔ)上齊心協(xié)力, 才能使團(tuán)隊(duì)獲得成就。在這次設(shè)計(jì)的過程中我們也遇到了很多困難, 尤其是我們小組有兩個(gè)人都要考研, 時(shí)間 特別緊迫, 還有就是這次在電機(jī)的控制其設(shè)計(jì)和測(cè)速模塊

35、的設(shè)計(jì)上都遇到了很大的問題,但是我們?cè)诶蠋煹闹笇?dǎo)下, 我們小組積極討論, 分工合作, 合理安排時(shí)間,通過查閱資料學(xué)習(xí) 相關(guān)的知識(shí),逐步突破了每一個(gè)技術(shù)難關(guān),最后比較好的獨(dú)立的完成了這次設(shè)計(jì)。通過這次課程設(shè)計(jì), 我更發(fā)現(xiàn)了自己的很多不足之處, 對(duì)以前所學(xué)過的知識(shí)理解得不夠 深刻,掌握得不夠牢固, 而且缺少自主分析問題的能力, 碰到問題后有一種和逃避依賴心理。 也讓我明白做電子類設(shè)計(jì)每一步都要細(xì)心嚴(yán)謹(jǐn),不能馬虎。六、 參考文獻(xiàn)1李朝青編 單片機(jī)原理及接口技術(shù) （簡(jiǎn)明修訂版 ）北京航空航天大學(xué)出版社， 1998 2胡向東編傳感技術(shù) .重慶大學(xué)出版社， 2006 年第 1 版。3. 譚浩強(qiáng) C 語言程

36、序設(shè)計(jì) . 北京：清華大學(xué)出版社， 2002。8. 后閑哲也編 單片機(jī) C 程序設(shè)計(jì)與實(shí)踐叢書北京航空航天大學(xué)出版社 2008。七、 附錄程序： #include <>#include <>#include ""typedefunsigned charINT8U;typedefunsigned intINT16U;typedefunsigned intINT8;/ 以下選擇 ADC 轉(zhuǎn)換速率，只能選擇其中一種/SPEED1 SPEED0 A/D 轉(zhuǎn)換所需時(shí)間#define AD_SPEED0x60 / 0110,00001170 個(gè)時(shí)鐘周期轉(zhuǎn)換一次

37、,/ CPU工作頻率21MHz時(shí) A/D 轉(zhuǎn)換速度約 300KHz/#define AD_SPEED0x40 /0100,000010140 個(gè)時(shí)鐘周期轉(zhuǎn)換一次/#define AD_SPEED0x20 /0010,000001280 個(gè)時(shí)鐘周期轉(zhuǎn)換一次/#define AD_SPEED0x00 /0000,000000420 個(gè)時(shí)鐘周期轉(zhuǎn)換一次/#define uchar unsigned char/#define uint unsigned int#defineP2M00x00#defineP2M10x00#defineP0M00x00#defineP0M10x00sbit caiji=P

38、2A2;sbit led0=P2A0;sbit led 仁P2X;INT8 flag_uart=0,flag_on=0,flag_x=0,flag_xianshi=0,flag_ad=0,n1=0;INT8 ad_vall=0,ad_val=0，moto_speed=0,shudu=0,shisu=0;INT8U rec,cont=0,cont2=0;/ 串口、計(jì)數(shù)器變量float ad_fl,a1=0,a2=0,b1=0,b2=0;INT8U get_AD_result(INT8U channel); /AD 轉(zhuǎn)換函數(shù)聲明void delay0(INT8U delay_time);void

39、delay(char xms) ；/ 延時(shí)函數(shù)聲明/ 延時(shí)函數(shù)void timer_init()/ 定時(shí)器計(jì)數(shù)器初始化函數(shù) TMOD=0x21;TH0=(65536-50000)/256;TL0=(65536-50000)%256;TH1=0xfd; TL1=0xfd; TR1=1;ET0=1; SM0=0; SM1=1; REN=1; EA=1;ES=1;void ad_init() P1ASF=0x01; AUXR1 &= 0x04;ADC_CONTR |= 0x80;void pwm_init()/ 單片機(jī) AD 初始化函數(shù)/1111,1111, 將 P1 置成模 AD/ 000

40、0,0100, 令 ADRJ=0/1000,0000 打開 A/D 轉(zhuǎn)換電源/ 單片機(jī) PWM 相關(guān)寄存器 初始化函數(shù) CCON=0; CL=0; CH=0; CMOD=0x00;PCA_PWM0=0x00; CCAPM0=0x42;EPCnL=1, CCAPnL=FFH 時(shí) PWM 固定輸出低 */;PCA_PWM1=0x00; CCAPM1=0x42; CR=1; void PWM(INT8 a) INT8 xx; xx=256-a;CCAP0H=CCAP0L=0+xx;CCAP1H=CCAP1L=256-xx-5;INT8 ceshu() if(caiji=0)n1=1;if(caiji

41、=1)&&(n1=1) shudu+; n1=0;/P13/P14/ 速度脈沖檢測(cè)函數(shù)/ 脈沖上升沿檢測(cè)void delay0(INT8U delay_time) ；return shudu;void UART(INT8 a,INT8 b,float c) if(flag_uart=1) flag_uart=0; ES=0;switch(flag_on)/ 串口函數(shù)/ 串口顯示標(biāo)志判斷TI=1;/ 顯示模式及電機(jī)狀態(tài)控制命令判斷 case 0: puts("Turn on n");led0=0;led1=1; TR0=1; _nop_();_nop_();_nop_();_nop_();break;case 1:_nop_();_nop_();led0=0;led1=0; _nop_();_nop_(); led0=1;led1=0; break;case 2:_nop_();_nop_();led0=0;led1=0; _nop_();_nop_(); led0=0;led1=1; break;led0=0;led1=0;TR0=0; break;case 3: printf("Turn off n");break; / 串口顯示標(biāo)志判斷case 4: puts("Error!n"); whil