直流電機控制設(shè)計(單片機)

1、編號： 單片機綜合設(shè)計實訓(xùn)論文說明書題 目： 直流電機控制器 院 （系）： 信息與通信學(xué)院 專 業(yè)： 電子信息工程 學(xué)生姓名： 班夏敏 學(xué) 號： 1101120113 指導(dǎo)教師： 符 強 2014年 12月31日桂林電子科技大學(xué)實訓(xùn)說明書用紙摘 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)速器的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速、停止、啟動等操作。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STC89C52單片機作為整個控制系統(tǒng)的控制電路的核心部分，配以4位共陰數(shù)碼管顯示模塊，實現(xiàn)對電動機轉(zhuǎn)速參數(shù)的顯示；由命令輸入模塊及L9110H驅(qū)動模塊組成。

2、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，不斷給控制電路發(fā)送PWM波形，由驅(qū)動電路功率放大來完成電機正反轉(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(jìn)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：STC89C52單片機；PWM調(diào)速；正反轉(zhuǎn)控制。AbstractThis article is a DC motor PWM speed control design study, the main achievement of mot

3、or control. This course is primarily designed to achieve PWM speed controller for forward and reverse, acceleration, deceleration, and stop such an operation. And to achieve the circuit simulation. To achieve system, microcomputer control, in the design, using STC89C52 microcontroller control system

4、 as a whole, the core of the control circuit, accompanied by a variety of shows, drive module enables the motor speed parameter display and measurement; from the command input module, Optical isolation module and H-drive module. With the stand-alone keyboard with a break as a command input, single-c

5、hip in the process control, continuing to the optical isolation circuit to send PWM waveform, H-type motor driving circuit to complete positive inversion control. In the design, using PWM speed mode, by changing the PWM duty cycle to change the motor armature voltage, so as to realize the speed of t

6、he motor. Design of the control system hardware structure with a large number of integrated circuit modules, greatly simplifying the hardware circuitry to improve stability and reliability of the system so that the whole system performance is improved. Key Words: STC89C52microcontroller; PWM speed;

7、positive inversion control.目 錄1 緒論11.1 直流電機及其發(fā)展11.2 直流電機的分類11.3 課題研究的目的和意義12 系統(tǒng)總體方案12.1 系統(tǒng)總體規(guī)劃12.2 器件介紹22.2.1單片機STC89C5222.2.2 4位共陰數(shù)碼管32.2.3 L9110H驅(qū)動芯片43 硬件設(shè)計53.1 控制電路53.2最小系統(tǒng)53.3 4位共陰數(shù)碼管顯示電路63.4總體電路74 系統(tǒng)軟件設(shè)計84.1 系統(tǒng)主程序84.2 正反轉(zhuǎn)部分84.3 加速部分94.4 減速部分95 系統(tǒng)的仿真與調(diào)試105.1硬件調(diào)試106 心得體會10謝 辭12參考文獻(xiàn)13PCB圖143桂林電子科技

8、大學(xué)實訓(xùn)說明書用紙1 緒論1.1 直流電機及其發(fā)展定義輸出或輸入為直流電能的旋轉(zhuǎn)電機，稱為直流電機，它是能實現(xiàn)直流電能和機械能互相轉(zhuǎn)換的電機。當(dāng)它作電動機運行時是直流電動機，將電能轉(zhuǎn)換為機械能；作發(fā)電機運行時是直流發(fā)電機，將機械能轉(zhuǎn)換為電能。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，電子應(yīng)用技術(shù)的提高，各類直流電機的應(yīng)用得到了迅速的推廣，制成了許多具有實用價值的裝置和產(chǎn)品，單片機控制的直流電機廣泛地應(yīng)用于鋼管輸送機、電磁錘、運煤機、起重機、空壓機、沖壓機、拉伸機、各種電動門、電動窗、電動紡織機等等。特別可喜的是利用直線電機驅(qū)動的磁懸浮列車，其速度已超500km/h，接近了航空的飛行速度，且試驗行程累計已達(dá)數(shù)十萬千米。1

9、.2 直流電機的分類直流電機可按其結(jié)構(gòu)、工作原理和用途等進(jìn)行分類，其中根據(jù)直流電機的用途可分為以下幾種：直流發(fā)電機（將機械能轉(zhuǎn)化為直流電能）、直流電動機（將直流電能轉(zhuǎn)化為機械能）、直流測速發(fā)電機（將機械信號轉(zhuǎn)換為電信號）、直流伺服電動機（將控制信號轉(zhuǎn)換為機械信號）。下面以直流電動機作為研究對象。1.3 課題研究的目的和意義在現(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)可調(diào)速機器?；赟TC89C52單片機實現(xiàn)控制直流電機的轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，利用PWM信號改變直流電動

10、機的電樞電壓，實現(xiàn)電動機加速、減速及正反轉(zhuǎn)等功能。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。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。因此研究直流電機的速度控制，有著非常重要的意義。2 系統(tǒng)總體方案2.1 系統(tǒng)總體規(guī)劃本次實訓(xùn)主系統(tǒng)確定設(shè)計要求如下：在速度模式下控制電機的加速、減速、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、啟動及停止控制。電機速度可調(diào)并可顯示轉(zhuǎn)速的等級（本文設(shè)置的速度等級為099）。操作簡單?？傮w設(shè)計流程如下圖1所示。確定設(shè)計方案使用PROTEL設(shè)計電路圖根據(jù)電路圖編寫程序流程圖使用KEIL編寫程序調(diào)試 試運行生成.HEX文件

11、購買元件焊制硬件實物完成設(shè)計不成功成功不成功成功 圖1 總體設(shè)計流程圖2.2 器件介紹2.2.1單片機STC89C52主要性能 標(biāo)準(zhǔn)STC89C52內(nèi)核和指令系統(tǒng) 片內(nèi)8kROM（可擴充64kB外部存儲器） 32個雙向I/O口 256x8bit內(nèi)部RAM（可擴充64kB外部存儲器） 3個16位可編程定時/計數(shù)器 時鐘頻率3.5-12/24/33MHz 向上或向下定時計數(shù)器 改進(jìn)型快速編程脈沖算法 6個中斷源 5.0V工作電壓 全雙工串行通信口 布爾處理器幀錯誤偵測 4層優(yōu)先級中斷結(jié)構(gòu)自動地址識別 兼容TTL和CMOS邏輯電平 空閑和掉電節(jié)省模式 PDIP(40)和PLCC(44)封裝形式圖2

12、STC89C52性能圖圖3 STC89C52引腳圖2.2.2 4位共陰數(shù)碼管圖4 數(shù)碼管引腳及內(nèi)部邏輯圖2.2.3 L9110H驅(qū)動芯片L9110是為控制和驅(qū)動電機設(shè)計的兩通道推挽式功率放大專用集成電路器件，將分立電路集成在單片IC 之中，使外圍器件成本降低，整機可靠性提高。該芯片有兩個TTL/CMOS兼容電平的輸入，具有良好的抗干擾性；兩個輸出端能直接驅(qū)動電機的正反向運動，它具有較大的電流驅(qū)動能力，每通道能通過750800mA的持續(xù)電流，峰值電流能力可達(dá)1.52.0A；同時它具有較低的輸出飽和壓降；內(nèi)置的鉗位二極管能釋放感性負(fù)載的反向沖擊電流，使它在驅(qū)動繼電器、直流電機或開關(guān)功率管的使用上安

13、全可靠。L9110被廣泛應(yīng)用于電機驅(qū)動和開關(guān)功率管等電路上。 圖5 L9110H引腳圖3 硬件設(shè)計本設(shè)計的硬件電路只要包括控制電路、最小系統(tǒng)、驅(qū)動電路、顯示電路四大部分。最小系統(tǒng)只要是為了使單片機正常工作。控制電路主要由開關(guān)和按鍵組成，由操作者根據(jù)相應(yīng)的工作需要進(jìn)行操作。顯示電路主要是為了顯示電機的工作狀態(tài)和轉(zhuǎn)速。驅(qū)動電路主要是對單片機輸出的脈沖進(jìn)行功率放大，從而驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動。3.1 控制電路根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，控制輸入部分設(shè)置了啟動控制，換向控制，加速控制和減速控制按鈕，控制電路如圖6所示。當(dāng)按鍵的狀態(tài)變化時，內(nèi)部程序檢測P1口的狀態(tài)來調(diào)用相應(yīng)的啟動和換向程序，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的電機的啟動和正反轉(zhuǎn)控

14、制。根據(jù)直流電機的工作原理可以知道，直流電機轉(zhuǎn)速的控制主要是通過控制通入電機的脈沖寬度，從而控制電機的轉(zhuǎn)速。對于單片機而言，主要的方法有：軟件延時和定時中斷在此電路中電機的轉(zhuǎn)速控制主要是通過定時器的中斷來實現(xiàn)的，該電路控制電機加速度主要是通過按鍵控制外部中斷根據(jù)按鍵次數(shù)，改變速度值存儲區(qū)中的數(shù)據(jù)，這樣就改變了直流電機的輸出脈沖寬度，從而改變了電機的轉(zhuǎn)速。3.2最小系統(tǒng)單片機最小系統(tǒng)或稱為最小應(yīng)用系統(tǒng)，就是用最少的元件組成的單片機可以工作的系統(tǒng)。對51系列單片機來說，最小系統(tǒng)一般應(yīng)該包括：單片機、復(fù)位電路、晶振電路。復(fù)位電路：使用了獨立式鍵盤，單片機的P1口鍵盤的接口。該設(shè)計要求只需6個鍵對直流

15、電機的狀態(tài)進(jìn)行控制。復(fù)位電路采用手動復(fù)位，所謂手動復(fù)位，是指通過接通一按鈕開關(guān)，使單片機進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。晶振電路用30PF的電容和一個12M晶體振蕩器組成為整個電路提供時鐘頻率。如圖7所示。晶振電路：8051單片機的時鐘信號通常用兩種電路形式電路得到：內(nèi)部震蕩方式和外部中斷方式。在引腳XTAL1和XTAL2外部接晶振電路器（簡稱晶振）或陶瓷晶振器，就構(gòu)成了內(nèi)部晶振方式。由于單片機內(nèi)部有一個高增益反相放大器，當(dāng)外接晶振后，就構(gòu)成了自激振蕩器并產(chǎn)生振蕩時鐘脈沖。內(nèi)部振蕩方式的外部電路如圖7示。其電容值一般在530pf,晶振頻率的典型值為12MHz。采用6MHz的情況也比較多。內(nèi)部振蕩方式所得的時鐘信

16、號比較穩(wěn)定，實用電路實用較多。 圖6 控制電路原理圖 圖7 復(fù)位及時鐘振蕩電路3.3 4位共陰數(shù)碼管顯示電路在該直流電機的控制器中，電機可以正反轉(zhuǎn)，可以加速，可以啟動、停止。采用4位數(shù)碼管作顯示，電機轉(zhuǎn)速的等級設(shè)計可從099整數(shù)等級顯示。其中，顯示數(shù)字越大，速度越快；顯示數(shù)字越小，速度越慢；顯示為0時，電機不轉(zhuǎn)動。啟動時，系統(tǒng)默認(rèn)速度等級為70。為了減少成本，該系統(tǒng)顯示電路用數(shù)碼管，而沒有使用成本較高的顯示器件。之所以這里只能顯示電機的運行狀態(tài)和電機的轉(zhuǎn)速的等級。在顯示電路中，主要是利用了單片機的P0口和P2口。顯示電路如圖8所示。圖8 數(shù)碼管顯示電路3.4總體電路 把各個部分的電路圖組合成總

17、電路圖，如圖9所示。圖9 總體原理電路圖4 系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1 系統(tǒng)主程序系統(tǒng)分為電機正反轉(zhuǎn)、電機加速與電機減速狀態(tài)顯示幾部分組成，其主程序框圖如圖10所示。P1 STC89C52(貼片) P0及P2L9110H驅(qū)動芯片直流電機反轉(zhuǎn)啟動停止加速減速正轉(zhuǎn)顯示部分圖1 0 主程序框圖4.2 正反轉(zhuǎn)部分 調(diào)按鍵子程序正反轉(zhuǎn)是通過判斷P1.4和P1.5來控制OA、OB兩個管腳電平的高低來對電機進(jìn)行正反轉(zhuǎn)的控制。按鍵有效，電機轉(zhuǎn)動方向改變，再次按下按鈕，電機方向改變。如圖11所示。 P1.4、P1.5 電機轉(zhuǎn)向 圖11正反轉(zhuǎn)部分流程圖4.3 加速部分當(dāng)電機正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)的時候，按下加速鍵，調(diào)用加速子程序，使

18、電機每轉(zhuǎn)動一步的延時時間變短，從而實現(xiàn)電機的加速，設(shè)初始速度為K1.流程圖如圖12所示。 開始 P1.3為1 Y （PWM）+1）PWM N 正反轉(zhuǎn)子程序圖12 加速部分流程圖4.4 減速部分電機正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)的時候，按下減速鍵，通過改變電機每轉(zhuǎn)動一步的延時時間，使時間變長，從而實現(xiàn)電機減速，設(shè)初始速度為K1.流程圖13所示。 開始 P1.2為1 Y（PWM）1）PWM N 正反轉(zhuǎn)子程序圖13 減速部分流程圖 5 系統(tǒng)的仿真與調(diào)試本設(shè)計采用單片機STC89C52做為控制器，通過編譯軟件KEIL C51對源程序進(jìn)行編譯以生成HEX，讓單片機程序控制協(xié)調(diào)各個功能模塊工作。5.1硬件調(diào)試仿真完全實現(xiàn)其所

19、需的功能以后，并在接入電源之前，用萬用表對整個電路進(jìn)行檢查，查看是否在聯(lián)線過程中是否出現(xiàn)問題。檢查硬件電路內(nèi)容入下所示：檢查線路的焊接問題。檢查電路是否有沒接的線路。各種外圍器件是否接錯。在接上電源以后看芯片是否都是在正常工作電壓下工作，其它器件是否正常工作等。6 心得體會 通過本次課程設(shè)計，我對STC89C52單片機的原理更深一步的掌握，基本了解了簡單的直流電機控制系統(tǒng)的組成原理，并初步掌握了直流電機設(shè)計及測試方法。提高了動手能力和排除故障的能力。同時通過本次設(shè)計與調(diào)試，鞏固了已學(xué)的理論知識，之前一直都是局限于理論表面的知識，這次實訓(xùn)通過自己網(wǎng)上查找資料及在同學(xué)的指導(dǎo)下編寫程序，第一次使用P

20、rotell99軟件學(xué)畫電路圖，并做出電路板。調(diào)試的整個過程，將軟件跟硬件結(jié)合起來，組成一個完整的具有一定功能的系統(tǒng)，將單片機的理論和實踐相結(jié)合，了解到直流電機各單元電路之間的關(guān)系及影響，從而能正確設(shè)計、計算定時計數(shù)的各個單元電路。設(shè)計初始，本打算用1602LCD顯示模塊來做電路的顯示部分，但考慮到經(jīng)濟的問題，所以采用4位數(shù)碼管來做顯示部分，電路也比較簡單。由于但數(shù)碼管可顯示的信息太少，不能同時顯示電機的運行轉(zhuǎn)態(tài)，轉(zhuǎn)向等信息，這可能就是小系統(tǒng)的缺點吧。使用L9110H做電機驅(qū)動電路，是考慮到電機性能及芯片的驅(qū)動能力，L9110H峰值電流可達(dá)2000mA，功耗小，但工作較穩(wěn)定?？吹筋}目的發(fā)揮部分

21、，實現(xiàn)電機的細(xì)分，可用可調(diào)占空比PWM的脈沖信號來實現(xiàn)，可用專門的電機細(xì)分芯片來實現(xiàn)。進(jìn)一步的初步掌握直流電機控制系統(tǒng)的設(shè)計及測試方法，提高了動手能力和排除故障的能力。 本次設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)直流電機的啟停、正反轉(zhuǎn)以及速度的調(diào)節(jié)，通過本次課程設(shè)計加強了我對軟件編程和硬件設(shè)計的掌握，直流電機在控制系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用。本設(shè)計實現(xiàn)了占用CPU時間少，效率高，易于控制直流電機的轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)速等。再有，本設(shè)計過程考慮還比較到位，可以方便靈活地控制直流電機的運行，以滿足不同的要求，因此常把單片機直流電機控制電路稱之為可編程直流電機控制驅(qū)動器。直流電機控制（包括控制脈沖的產(chǎn)生和分配）使用軟件方法，即用單片機實現(xiàn)，這樣

22、既簡化了電路，也減低了成本。這次設(shè)計使我學(xué)到了更多以前在書本知識中不怎么了解的知識，更加明白了電子信息技術(shù)快速發(fā)展的今天，電子技能知識有著非常重要的意義，豐富了我們對實際工藝技術(shù)、電子技術(shù)和設(shè)備技術(shù)等方面的認(rèn)識，掌握了分析問題、處理問題的方法以及調(diào)試、計算等基本技能，使實際工作能力得到了有效提高。謝 辭通過這兩周的匆匆茫茫的實訓(xùn)過程，深深感到理論知識與實踐的相結(jié)合的重要性。時間過得很快，忙忙碌碌的日子歷歷在目，這一次的實訓(xùn)讓我深深的明白：抓緊時間，多學(xué)知識。要感激在平時學(xué)習(xí)中給我提供幫助的老師、學(xué)長和同學(xué)，特別要感謝的是舍友們給與我一點一滴的幫助。在這么忙碌的期末，我很感激他們在占用自己寶貴的

23、時間來幫我指點迷津。因為是第一次使用Protel99畫電路圖和第一次做板，很多東西都不知道怎么去做，很感謝科協(xié)學(xué)長的耐心指導(dǎo)。此外，感謝我們學(xué)院為我們提供這次實訓(xùn)的機會，唐我們學(xué)到了很多課外的知識。感謝我的同學(xué)在實訓(xùn)與調(diào)試過程中給予的幫助，有了他們的幫助，我少走了很多的彎路。同時也要感謝實驗室，感謝它們在我們實訓(xùn)過程中為我們提供的動手的場地與器材，是它們讓我們有了更多的條件去學(xué)習(xí)，讓我們有了更多鍛煉自己的機會，讓我們學(xué)到了很多很多。學(xué)校開展實訓(xùn)這樣的課題，使我受益匪淺，從中使我在很短的時間里學(xué)到了很多很書本上沒有的知識，而且讓我對以前學(xué)過的知識有了更深刻的印象，同時也發(fā)現(xiàn)了自己知識的一些缺陷，

24、因而我還要感謝學(xué)校，感謝學(xué)校安排實訓(xùn)這個課程，感謝學(xué)校為了讓每個同學(xué)在實訓(xùn)中能夠?qū)W有所成學(xué)有所得而做出的努力。參考文獻(xiàn) 1楊永輝現(xiàn)代電子技術(shù)J 智能小車的多傳感器數(shù)據(jù)融合.2005, (6) ：3-6.2方建軍何廣平智能機器人M北京：化學(xué)工業(yè)出版社2004 :5-93張立電子世界J電動小車的循跡 2004,(6)：454滕志軍今日電子J基于超聲波檢測的倒車?yán)走_(dá)設(shè)計2006,(9):15-17 5徐科軍傳感器與檢測技術(shù)M北京：電子工業(yè)出版社，2007：110-113,160-161 6潘新民王燕芳微型計算機控制技術(shù)實用教程M北京：電子工業(yè)出版社,2007：75-76,118-119 7何立民單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用J 基于HCS12的小車智能控制系統(tǒng)設(shè)計2007，(3) ：51-53,57 8任小青，王曉娟.基于AT89C51單片機的頻率計設(shè)計方法的研究J2009.PCB圖附 錄一程序：#include#include#define uchar unsigned ch