毕业设计（论文）-减速直流电机角度控制器设计.doc

编号： 毕业设计说明书 题 目： 减速直流电机角度 控制器设计 院 （系）： 应用科技学院 专 业： 电子信息工程 学生姓名： 学 号： 0701130121 指导教师单位： 计算机与控制学院 姓 名： 职 称： 高级工程师 题目类型：题目类型： 理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发 2011 年 6 月 10 日 1 摘 要 在工业生产过程中，减速直流电机角度控制器能实现控制生产流程、控制器械精 度并可实现精确的检测与调度工作。同时它也有简单易操作、界面友好快捷的特点， 对于工业生产也起到了提高生产效率的作用。 本论文介绍了基于 stc12 系列的单片机的减速直流电机角度控制器的设计，电动 机角度控制可以应用于很多自动化设备的控制，它是以 stc12c5a60s2 作为主要控制芯 片，采用 4 个功率 n 型 mos 管构成 h 桥对减速直流电动机进行正反转控制，采用电位 器与电动机的同轴连接对电动机的转角进行测量与控制。 关键词：自动化控制技术；单片机；减速直流电动机；同轴连接；测量与控制 2 abstract in the industrial production process, the slow realization of dc motor controller can control the angle of the production process, control equipment and to achieve accurate detection accuracy and scheduling work. it also has a simple and easy to operate, user friendly and fast characteristics, for the industrial production also played a role in improving production efficiency. this paper describes the series of microcontrollers based on the deceleration stc12 dc motor controller design point of view, the motor angle control can be used in a lot of automated equipment control, it is stc12c5a60s2 as the main control chip, using four power n-type mos tube form h bridge on the reversing gear dc motor control, using potentiometer and motor angle coaxial connector on the motor to measure and control. key words: automation and control technology; scm; dc motor deceleration; coaxial connectors; measurement and control 1 目 录 引言 .1 1 绪论 1 1.1 课题的背景及现状1 1.2 课题研究的意义2 1.3 课题研究的要求3 2 硬件电路原理及设计 3 2.1 主控系统的设计3 2.1.1 单片机 stc12c5a32s2 介绍.4 2.1.2 主控系统各部分电路设置.6 2.1.3 下载电路与通信电路介绍.7 2.2 电机 h 桥驱动电路的设计11 2.2.1 驱动电路 h 桥的组成.11 2.2.2 集成电路 ir2111 应用介绍12 2.2.3 直流电机 pwm 控制原理.14 2.3 减速直流电机的简介15 2.4 电机转动角度检测.16 2.4.1 单圈电位器介绍17 2.4.2 联轴器简介.17 3 程序设计 .18 3.1 电机控制信号的产生18 3.1.1 利用定时器 0 产生 pwm 信号19 3.2 a/d 数据采集程序设定21 3.3 串口通信程序设计.24 4 系统调试 .27 4.1 静态调试28 4.2 动态调试28 5 误差分析 .29 6 结论 .31 谢 辞 32 参考文献 33 附 录 34 桂林电子科技大学毕业设计说明书用纸 第 1 页 共 40 页 引言 控制技术是在是在上世纪 20 年代建立了以频域法为主的经典控制理论后发展起来 的，控制技术首先在工业生产中得到了广泛的应用。在空间技术发展的推动下，50 年 代又出现了以状态空间法的现代控制理论，使控制技术得到了广泛的发展，产生了更 多的应用领域。60 年代以来，随着计算机技术的发展，控制技术走向了自动化的方向。 随着计算机技术的日渐成熟，自动化控制技术与计算机的结合已经成为必然。用计算 机控制所有机械的运行才能减少劳动力的浪费。 随着科技的发展，减速直流电机控制技术在当今科技领域已日臻成熟，被广泛用 于工业、农业生产和日常生活等方面。其中电机的数字控制技术是电机控制的发展趋 势，用单片机对电机进行控制是实现电机数字控制的最常用手段。此外，随着自动控 制系统和计算机技术的发展，计算机和电机控制系统相结合使控制电机具有高可靠性 高精确度快速响应的特点。 本文介绍的减速直流电机角度控制器主要控制核心为 stc12 系列的单片机，并搭 配用功率 mos 管组建成的 h 桥驱动电机正反转。其能接收计算机发送的命令，根据命 令具体内容实现 0 到 180 度之内的旋转，精度达到 0.5 度。通过直流电机转轴与电位 器转轴的同轴连接，并以 a/d 采样来实现对电机角度的检测。 1 绪论 1.1 课题的背景及现状 随着自动化控制技术的飞速发展，高度自动化、智能化及节能性成为人们衡量新 产品的高新技术含量的标准，这些标准的建立促使当前许多高科技含量产品的纷纷涌 现。自动化控制技术广泛用于工业、农业、军事、科学研究、交通运输、商业、医疗、 服务和家庭等方面。 控制技术是在是在上世纪 20 年代建立了以频域法为主的经典控制理论后发展起来 的，控制技术首先在工业生产中得到了广泛的应用。在空间技术发展的推动下，50 年 代又出现了以状态空间法的现代控制理论，使控制技术得到了广泛的发展，产生了更 多的应用领域。60 年代以来，随着计算机技术的发展，控制技术走向了自动化的方向。 工业控制自动化技术是一种运用控制理论、仪器仪表、计算机和其他信息技术， 对工业生产过程实现检测、控制、优化、调度、管理和决策，达到增产、提高质量、 降低消耗、确保安全等目的的综合性技术，主要包括工业自动化软件、硬件和系统三 大部分。工业控制自动化技术作为 20 世纪现代制造领域中最重要的技术之一，主要解 桂林电子科技大学毕业设计说明书用纸 第 2 页 共 40 页 决生产效率与一致性问题。自动化系统本身不直接创造效益，但它对企业生产过程有 明显提升作用。 我国工业控制自动化发展道路，大多是引进成套设备同时进行消化吸收，然后进 行二次开发和应用。目前我国工业控制自动化技术、产业和应用都有了很大发展，我 国工业计算机系统行业已经形成。目前，工业控制自动化技术正向智能化、网络化和 集成化方向发展。 直流电机可以说是最早发明能将电力转换为机械功率的电动机，到了 1880 年代已 成为主要的电力机械能转换装置，但是之后由于交流电的发展，而发明了感应电机与 同步电机，直流电机的重要性亦随之降低。直到约 1960 年，由于 scr（单向可控硅） 的发明、磁铁材料、碳刷、绝缘材料的改良，以及变速控制的需求日益增加，再加上 工业自动化的发展，直流电机驱动系统再次得到了发展的契机，现如今直流电机与直 流伺服系统已成为自动化工业与精密加工的关键技术。 1.2 课题研究的意义 本文介绍的减速直流电机角度控制器不仅可以运用到工业生产上，而且在我们的 生活中也常常起到很大的作用。 在工业生产过程中，减速直流电机角度控制器能实现控制生产流程、控制器械精 度并可实现精确的检测与调度工作。同时它也有简单易操作、界面友好快捷的特点， 对于工业生产也起到了提高生产效率的作用。 角度控制系统被广泛应用于磁盘驱动器、机器人动作控制、天线扫描、电子瞄准、 飞行器姿态控制、导航控制、太空中的人造卫星等方面，都必须达到准确速度控制和 定位控制的目的，才能使其正常工作，否则系统就会出现工作故障。 在日常生活中减速直流电机角度控制器也得到了广泛的应用，最典型的应用为停 车场道闸与玩具等。 图 1-1 停车场道闸 桂林电子科技大学毕业设计说明书用纸 第 3 页 共 40 页 1.3 课题研究的要求 本课题要求设计一减速直流电机控制器，其主要控制核心为 stc12 系列的单片机， 并搭配用功率 mos 管组建成的 h 桥驱动电机正反转。该设计能接收计算机发送的命令， 根据命令具体内容实现 0 到 180 度之内的旋转，精度要求为 0.5 度。通过直流电机转 轴与电位器转轴的同轴连接，并以 a/d 采样来实现对电机角度的检测。 2 硬件电路原理及设计 减速直流电机角度控制器主要是以单片机为核心，结合 h 桥驱动电路、电压检测 来完成所需功能。总体系统框图如图 2-1 所示： 图 2-1 系统总框图 2.1 主控系统的设计 在智能化仪器仪表中，控制核心均为微处理器，而单片机以高性能、高速度、体 积小、价格低廉、稳定可靠而得到广泛应用，是设计智能化仪器仪表的首选微控制器， 单片机结合简单的接口电路即可构成单片机最小系统，它是智能化仪器仪表的基础， 也是测控、监控的重要组成部分。在单片机性能与设计需求的综合考虑下，本设计选 择了 stc12c5a32s2 单片机作为主控芯片，主控系统还包括了由晶振组成的外部振荡电 路和开关复位电路的设计，四个测试用的按键、四个指示与测试用发光二极管和一个 七段四位共阴数码管。主控系统如图 2-2。 减速直流 电机 h 桥 驱动电路 单片机 主控系统 pc 机 控制 检测旋转角度 协议转换 模块 桂林电子科技大学毕业设计说明书用纸 第 4 页 共 40 页 p10 1 p11 2 p12 3 p13 4 p14 5 p15 6 p16 7 p17 8 p30/rxd 10 p31/t xd 11 p32/int 0 12 p33/int 1 13 p34/t 0 14 p35/t 1 15 p36/wr 16 p37/rd 17 p20 21 p21 22 p22 23 p23 24 p24 25 p25 26 p26 27 p27 28 rst 9 x ta l 2 18 x ta l 1 19 g nd 20 pse n 29 a le 30 e a 31 v cc 40 p07 32 p06 33 p05 34 p04 35 p03 36 p02 37 p01 38 p00 39 stc12c5a60s2 u 1 r6 r 10k c3 c 10uf k 7 a j v cc g nd rst rst t 2 22.1184m hz c1 c 30pf c2 c 30pf g nd x ta l 1 x ta l 2 x ta l 2 x ta l 1 g nd v cc p20 p21 p22 p23 p24 p25 p26 p27 a a b b c c d d e e f f g g h h s4 s4 s3 s3 s2 s2 s1 s1 l s1 l ed 4 p00 p01 p02 p03 p04 p05 p06 p07 1 2 3 4 5 6 7 8 9 j3 rm 4.7k p10 p11 p12 p13 p14 p15 p16 p17 p30 p31 p32 p33 p34 p35 p36 p37 v cc k 1 a j k 2 a j k 3 a j k 4 a j g nd d 2 l ed d 4 l ed v cc v cc r4 r 300 r2 r 300 p00 p01 p02 p03 p04 p05 p06 p07 p24 p25 p26 p27 p35 p37 p10 p11 p12 p13 ak d 1 l ed v cc r1 r 300 p34 d 3 l ed v cc r3 r 300 p36 1 2 j4 z he n g-fan 1 2 3 j5 a /d -in v ccg nd v cc r8 10k r9 10k 图 2-2 主控系统电路图 2.1.1 单片机 stc12c5a32s2 介绍 单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器（microcontroller unit），常用英文字母的缩写 mcu 表示单片机，它最早是被用在工业控制领域。单片 机由芯片内仅有 cpu 的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备 和 cpu 集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严 格的控制设备当中。intel 的 z80 是最早按照这种思想设计出的处理器，从此以后，单 片机和专用处理器的发展便分道扬镳。 单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能 力的中央处理器 cpu 随机存储器 ram、只读存储器 rom、多种 i/o 口和中断系统、定时 器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、a/d 转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。 八位单片机由于内部构造简单，体积小，成本低廉，在一些较简单的控制器中应 用很广。即便到了本世纪，在单片机应用中，仍占有相当的份额。由于八位单片机种 类繁多，综合考虑，选用 stc12c5a60s2 单片机作为微处理器。选用 stc 单片机的理由： 降低成本，提升性能，原有程序直接使用,硬件无需改动，支持串口下载。 stc12c5a60s2 系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1t)的单片机，是高 速/低功耗/超强抗干扰的新一代 8051 单片机，指令代码完全兼容传统 8051,但速度快 8-12 倍。内部集成 max810 专用复位电路,2 路 pwm,8 路高速 10 位 a/d 转换(250k/s， 即 25 万次/秒),针对电机控制，强干扰场合。另外还有以下特点： 桂林电子科技大学毕业设计说明书用纸 第 5 页 共 40 页 1.增强型 8051cpu，1t，单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统 8051。 2.工作电压：5.5v-3.5v。 3.工作频率范围：035mhz，相当于普通 8051 的 0420mhz。 4.用户应用程序空间 8k/16k/20k/32k/40k/48k/52k/60k/62k 字节等。 5.片上集成 1280 字节 ram。 6.通用 i/o 口（36/40/44 个），复位后为：准双向口/弱上拉（普通 8051 传统 i/o 口）可设置成四种模式：准双向口/弱上拉，强推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开 漏，每个 i/o 口驱动能力均可达到 20ma，但整个芯片最大不要超过 120ma。 7.isp（在系统可编程）/iap（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真 器，可通过串口（p3.0/p3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片。 8.有 eeprom 功能(stc12c5a62s2/ad/pwm 无内部 eeprom)。 9.独立看门狗功能。 10.内部集成 max810 专用复位电路（外部晶体 12m 以下时，复位脚可直接 1k 电阻 到地）。 11.外部掉电检测电路: 在 p4.6 口有一个低压门槛比较器。5v 单片机为 1.33v， 误差为5%,3.3v 单片机为 1.31v，误差为3%. 12.时钟源：外部高精度晶体/时钟，内部 r/c 振荡器(温漂为5%到10%以内)用 户在下载用户程序时，可选择是使用内部 r/c 振荡器还是外部晶体/时钟，常温下内部 r/c 振荡器频率为：5.0v 单片机为：11mhz17mhz 3.3v 单片机为：8mhz12mhz，精 度要求不高时，可选择使用内部时钟，但因为有制造误差和温漂，以实际测试为准。 13.共 4 个 16 位定时器，两个与传统 8051 兼容的定时器/计数器,16 位定时器 t0 和 t1，没有定时器 2，但有独立波特率发生器做串行通讯的波特率发生器,再加上 2 路 pca 模块可再实现 2 个 16 位定时器。 14.3 个时钟输出口，可由 t0 的溢出在 p3.4/t0 输出时钟，可由 t1 的溢出在 p3.5/t1 输出时钟,独立波特率发生器可以在 p1.0 口输出时钟。 15.外部中断 i/o 口 7 路,传统的下降沿中断或低电平触发中断,并新增支持上升沿 中断的 ca 模块，power down 模式可由外部中断唤醒， int0/p3.2,int1/p3.3,t0/p3.4, t1/p3.5, rxd/p3.0,ccp0/p1.3(也可通过寄存器设置 到 p4.2), ccp1/p1.4(也可通过寄存器设置到 p4.3)。 16.pwm(2 路）/pca（可编程计数器阵列,2 路），也可用来当 2 路 d/a 使用，也可 用来再实现 2 个定时器，也可用来再实现 2 个外部中断(上升沿中断/下降沿中断均可 分别或同时支持)。 17.a/d 转换,10 位精度 adc，共 8 路，转换速度可达 250k/s(每秒钟 25 万次)。 18.通用全双工异步串行口(uart)，由于 stc12 系列是高速的 8051，可再用定时器 或 pca 软件实现多串口。 桂林电子科技大学毕业设计说明书用纸 第 6 页 共 40 页 19.stc12c5a60s2 系列有双串口，后缀有 s2 标志的才有双串口，rxd2/p1.2(可通 过寄存器设置到 p4.2)，txd2/p1.3(可通过寄存器设置到 p4.3)。 20.工作温度范围：-40 +85(工业级)/075(商业级)。 21.封装：lqfp-48, lqfp-44, pdip-40, plcc-44, qfn-40，i/o 口不够时，可用 2 到 3 根普通 i/o 口线外接 74hc164/165/595（均可级联）来扩展 i/o 口,还可用 a/d 做按键扫描来节省 i/o 口，或用双 cpu,三线通信，还多了串口。 stc12c5a60s2 系列单片机的定时器 0/定时器 1 与传统 8051 完全兼容，上电复位 后，定时器部分缺省还是除 12 再计数的，而串由定时器 1 控制速度，所以定时器/串 口完全兼容。 增加了独立波特率发生器，省去了传统 8052 的定时器 2，如是用 t2 做波特率的， 则改用独立波特率发生器做波特率发生器既可。 传统 8051 的 111 条指令执行速度全面提速，最快的指令快 24 倍，最慢的指令快 3 倍。靠软件延时实现精确延时的程序需要调整。 图 2-3 stc12c5a60s2 单片机引脚图 2.1.2 主控系统各部分电路设置 振荡电路用于产生外部时钟和复位电路用于单片机系统的复位，两者是单片机系 统最常用的应用，读者可查阅相关应用书籍和资料，本文就不做累述。 系统中的四位共阴数码管用于电机转动度数的显示与设置，当用 stc12 系列单片 机 p0 口驱动数码管时，需要像 8051 单片机一样，需加上 1k 到 10k 的上拉电阻来加强 p0 口的驱动能力。 主控系统中的四个按键用于独立控制电机和做测试用；四个发光二极管用于测试， 同时也可起到指示的作用。 桂林电子科技大学毕业设计说明书用纸 第 7 页 共 40 页 p1.4 口与 p1.5 口用于发送驱动电机正反转的信号；p1.6 口作为 a/d 数据采集口。 2.1.3 下载电路与通信电路介绍 stc12 系列的单片机与其他 stc 系列单片机一样，只需要用过串口线与电脑连接, 再借助 rs232 芯片的转换,最终连到单片机上 p3.0(rxd)口与 p3.1(txd)口,即可通过电 脑端的 stc-isp 软件控制下载“用户程序“到 stc 单片机上了。用户可自行选择使用 t1，r1 或是 t2，r2，均能正常下载。 rs232 接口就是串口，电脑机箱后方的 9 芯插座。计算机与计算机或计算机与终端 之间的数据传送可以采用串行通讯和并行通讯二种方式。由于串行通讯方式具有使用 线路少、成本低，特别是在远程传输时，避免了多条线路特性的不一致而被广泛采用。 在串行通讯时，要求通讯双方都采用一个标准接口，使不同 的设备可以方便地连接 起来进行通讯。 rs-232-c 接口（又称 eia rs-232-c）是目前最常用的一种串行通讯 接口。它是在 1970 年由美国电子工业协会（eia）联合贝尔系统、 调制解调器厂家及 计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标 准。它的全名是“数据终端设备 （dte）和数据通讯设备（dce）之间 串行二进制数据交换接口技术标准”该标准规定 采用一个 25 个脚的 db25 连接器，对连接器的每个引脚的信号内容加以规定，还对各 种信 号的电平加以规定。 rs-232-c 是美国电子工业协会 eia（electronic industry association）制定的 一种串行物理接口标准。rs 是英文“推荐标准”的缩写，232 为标识号，c 表示修改次 数。rs-232-c 总线标准设有 25 条信号线，包括一个主通道和一个辅助通道，在多数情 况下主要使用主通道，对于一般双工通信，仅需几条信号线就可实现，如一条发送线、 一条接收线及一条地线。rs-232-c 标准规定的数据传输速率为每秒 50、75、 100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200 波特。rs-232-c 标准规定， 驱动器允许有 2500pf 的电容负载，通信距离将受此电容限制，例如，采用 150pf/m 的 通信电缆时，最大通信距离为 15m；若每米电缆的电容量减小，通信距离可以增加。传 输距离短的另一原因是 rs-232 属单端信号传送，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等 问题，因此一般用于 20m 以内的通信。对于一般的双向通信, 只需使用串行输入 rxd , 串行输出 txd 和地线 gnd1rs - 232c 标准的电平采用负逻辑, 规定+ 3v + 15v 之 间的任意电平为逻辑“0”电平, - 3v - 15v 之间的任意电平为逻辑“1”电平, 与 ttl 和 cmos 电平是不同的 1 在接口电路和计算机接口芯片中大都为 ttl 或 cmos 电 平, 所以在通信时, 必须进行电平转换, 以便与 rs - 232c 标准的电平匹配 1max232 芯片可以完成电平转换这一工作。 （1）接口的信号内容 实际上 rs-232-c 的 25 条引线中有许多是很少使用的，在 计算机与终端通讯中一般只使用 3-9 条引线。rs-232-c 最常用的 9 条引线的信号内容 桂林电子科技大学毕业设计说明书用纸 第 8 页 共 40 页 见附表 1 所示 （2）接口的电气特性 在 rs-232-c 中任何一条信号线的电压均为负逻辑关系。即： 逻 辑“1”，-5-15v；逻辑“0” +5 +15v 。噪声容限为 2v。即 要求接收器能识 别低至+3v 的信号作为逻辑“0”，高到-3v 的信号 作为逻辑“1”。 (3) 接口的物理结构 rs-232-c 接口连接器一般使用型号为 db-25 的 25 芯插头座, 通常插头在 dce 端,插座在 dte 端. 一些设备与 pc 机连接的 rs-232-c 接口,因为不使 用对方的传送控制信号,只需三条接口线,即“发送数据”、“接收数据”和“信号地” 。所以采用 db-9 的 9 芯插头座，传输线采用屏蔽双绞线。 （4）传输电缆长度 由 rs-232c 标准规定在码元畸变小于 4%的情况下，传输电缆 长度应为 50 英尺，其实这个 4%的码元畸变是很保守的，在实际应用中，约有 99%的用 户是按码元畸变 10-20%的范围工作的，所以实际使用中最大距离会远超过 50 英尺，美 国 dec 公司曾规定允许码元畸变为 10%而得出附表 2 的实验结果。其中 1 号电缆为屏 蔽电缆，型号为 decp.no.9107723 内有三对双绞线，每对由 22#awg 组成，其外覆以屏 蔽网。2 号电缆为不带屏蔽的电缆。型号为 decp.no.9105856-04 是 22#awg 的四芯电缆。 max232 芯片是 maxim 公司生产的低功耗、单电源双 rs232 发送/接收器。适用于 各种 eia-232e 和 v.28/ v.24 的通信接口。max232 芯片内部有一个电源电压变换器, 可以把输入的+ 5v 电源变换成 rs-232c 输出电平所需10v 电压, 所以采用此芯片接 口的串行通信系统只要单一的+5v 电源就可以。 图 2-4 max232 芯片管脚图 max232 外围需要 4 个电解电容 c1、c2、c3、c4 ,是内部电源转换所需电容。其 取值均为 1f/25v。宜选用钽电容并且应尽量靠近芯片。c5 为 0.1f 的去耦电容。 max232 的引脚 t1in、t2in、r1out、r2out 为接 ttl/ cmos 电平的引脚。引脚 桂林电子科技大学毕业设计说明书用纸 第 9 页 共 40 页 t1out、t2out、r1in、r2in 为接 rs-232c 电平的引脚。因此 ttl/cmos 电平的 t1in、t2in 引脚应接 mcs-51 的串行发送引脚 txd； r1out、r2out 应接 mcs-51 的串行 接收引脚 rxd。与之对应的 rs-232c 电平的 t1out、t2out 应接 pc 机的接收端 rd；r1in、r2in 应接 pc 机的发送端 txd。 max232 的用法如下： 1. 在 c1+和 c1-两端、c2+和 c2-两端、v+和地两端、v-和地两端分别接一个 0.1f(105)电容。 2. 可以将两路 rs-232c 电平转换成两路 ttl 电平。分别从 r1in 和 r2in 输入，对 应从 t1out 和 t2out 输出。注意，输入和输出的逻辑值保持一致，如输入-5v，即逻辑 1，输出也是逻辑 1，ttl 电平为高电平，即 3.6v 左右。 3. 可以将两路 ttl 电平转换成两路 rs-232c 电平，分别从 t1in 和 t2in 输入，对 应从 r1out 和 r2out 输出。同样输入和输出的逻辑值保持一致。 图 2-5 标准 rs-232“d”型插头 本文系统的下载电路如图 2-6 所示。 c1+ 1 v + 2 c1- 3 c2+ 4 c2- 5 v - 6 t 2o u t 7 r2in 8 r2o u t 9 t 2in 10 t 1in 11 r1o u t 12 r1in 13 t 1o u t 14 g nd 15 v cc 16 u 3m ax 232 c4 c 104 c5 c 104c6 c 104 c7 c 104 c8 c 104 v cc g nd g nd v cc p30 p31 1 6 2 7 3 8 4 9 5 j6 d b9 g nd 图 2-6 stc 系列单片机下载电路 本文设计的系统通信电路主要通过总线驱动芯片 max485 来完成，该电路不仅能用 于单片机与计算机的通信，而且能用于单片机与单片机的通信。 max485 芯片是 maxim 公司的一种 rs485 芯片。max485 采用平衡发送和差分接收 方式来实现通信：在发送端 txd 将串行口的 ttl 电平信号转换成差分信号 a、b 两路输 出，经传输后在接收端将差分信号还原成 ttl 电平信号。两条传输线通常使用双绞线， 又是差分传输，因此有极强的抗共模干扰的能力，接收灵敏度也相当高。同时，最大 传输速率和最大传输距离也大大提高。如果以 10kbps 速率传输数据时传输距离可达 12m，而用 100kbps 时传输距离可达 1.2km。如果降低波特率，传输距离还可进一步提 高。另外 rs-485 实现了多点互连，最多可达 256 台驱动器和 256 台接收器，非常便于 桂林电子科技大学毕业设计说明书用纸 第 10 页 共 40 页 多器件的连接。可实现半双工通信。图 2-7 为 max485 的引脚配置图。 图 2-7 max485 引脚配置图 当要实现计算机与单片机的通信时，一般计算机上需要接上 rs-485 接口卡，然后 再用传输线连接到单片机系统上的 max485 芯片上，最终再与单片机相连。 图 2-8 单片机与 pc 机串行通信原理图 在由单片机构成的多机串行通信系统中，一般采用主从式结构：从机不主动发送 命令或数据，一切都由主机控制。并且在一个多机通信系统中，只有一台单机作为主 机，各台从机之间不能相互通讯，即使有信息交换也必须通过主机转发。采用 rs485 构成的多机通讯原理框图，如图 2-9 所示。 图 2-9 rs485 构成的多机通讯原理框图 max485 的 ro 引脚接到单片机的串口接收引脚 rxd p3.0，max485 的 di 引脚接到单 片机的串口发送引脚 txd p3.1。由于 max485 为半双工通信方式，不能同时发送和接收 数据，只能通过控制 re 和 de 引脚的状态来进行发送数据和接收数据的转换。这里将 max485 的 re 和 de 引脚连在一起,把他接低电平时 max485 处于接收数据状态，把它高 电平（5v）时 max485 则处于发送数据状态。为了试验方便我们通过硬件连线手动控制 其接地或者接 5v。在软件上 232 通信和 max485 通信是一样的。 a 端和 b 端分别为接收和发送的差分信号端，当 a 引脚的电平高于 b 时，代表发送 pc 机rs-485 接口卡max485单片机 桂林电子科技大学毕业设计说明书用纸 第 11 页 共 40 页 的数据为 1；当 a 的电平低于 b 端时，代表发送的数据为 0，a 和 b 端之间加匹配电阻， 一般可选 120 欧姆的电阻。本文设计的通信电路如图 2-10 所示。 rd 1 re 2 d e 3 d i 4 g nd 5 a 6 b 7 v cc 8 u 2 m ax 485 1 2 3 4 j2 con 4 r7 r 120 p30 p31 p32 图 2-10 max485 串口通信电路图 由于 max485 通讯是一种半双工通讯，发送和接收共用同一物理信道。在任意时刻 只允许一台单机处于发送状态。因此要求应答的单机必须在侦听到总线上呼叫信号已 经发送完毕，并且没有其它单机发出应答信号的情况下，才能应答。半双工通讯对主 机和从机的发送和接收时序有严格的要求。如果在时序上配合不好，就会发生总线冲 突，使整个系统的通讯瘫痪，无法正常工作。要做到总线上的设备在时序上的严格配 合，必须要遵从以下几项原则： （1）复位时，主从机都应该处于接收状态。 （2）控制端 re 与 de 的信号的有效脉宽应该大于发送或接收一帧信号的宽度。 （3）总线上所连接的各单机的发送控制信号在时序上完全隔开。 2.2 电机 h 桥驱动电路的设计 本文设计的 h 桥驱动电路是用四个 n 型功率场效应管 irf540 来搭建，并配以两个 功率场效应管半桥驱动芯片 ir2111 作为外围驱动电路。 q 1 irf540 q 2 irf540 q 3 irf540 q 4 irf540 m 1 d c m ot o r 12v g nd in 2 l o 4 n c 5 v s 6 h o 7 v b 8 u 2ir2111 in 2 l o 4 n c 5 v s 6 h o 7 v b 8 u 3 ir2111 12v c2 c 104 12v c3 104 r1 20 r2 20 r4 20 r3 20 q 5 8050 g nd 12v r6 r 5.1k q 6 8050 g nd 12v r5 r 5.1k 1 2 j1 z he n g-fan d 5 4148 d 6 4148 图 2-11 电机 h 桥驱动电路图 2.2.1 驱动电路 h 桥的组成 h 桥驱动电路是典型的控制电机正反转的电路，该电路可以用三极管或 p 和 n 型功 桂林电子科技大学毕业设计说明书用纸 第 12 页 共 40 页 率场效应管(简称 mos 管)来搭建均可。相对于普通三极管,mos 管由于结构和原理的不 同，导通电阻远比普通三极管低，允许流过更大的电流。而且 mos 管都内置有反向二 极管来保护管子本身。所以采用 mos 管连接 h 桥不但效率可以提高，电路也可以简化。 所以本文作者选用了四个 n 型 mos 管 irf540 来组成基本的 h 桥驱动电路。 q 1 irf540 q 2 irf540 q 3 irf540 q 4 irf540 m 1 d c m ot o r 12v g nd 图 2-12 h 桥驱动基本电路 由图 2-11 可知，要使直流电机运转,必须导通对角线的一对 mos 管。根据不同 mos 管对的导通情况，可以得出正转、反转和停止三种电机状态。当 q1 与 q4 导通，q2 与 q3 截止时，图中的直流电机上的电流从左流向右，此时电机正转；当 q2 与 q3 导通， q1 与 q4 截止时，图中的直流电机上的电流从右流向左，此时电机反转；当 q1 、q2、 q3 和 q4 四个 mos 管同时截止时，电机上无电流通过，电机停止运转。 表 2-1 电机运行状态表 q1q2q3q4电机运行状态 导通截止截止导通正转 截止导通导通截止反转 截止截止截止截止停止 如今市面上已有很多封装好的 h 桥集成电路，相对于用分立元件制作的 h 桥要简 易很多，只要接上电源、电机和控制信号就可以使用了，在额定的电压和电流内使用 非常方便可靠。比如常用的 l293d、l298n、ta7257p 和 sn754410 等。 2.2.2 集成电路 ir2111 应用介绍 ir211l 是功率 mosfet 和 igbt 专用栅极驱动集成电路，可用来驱动工作在母线电 压高达 600v 的电路中的 n 沟道功率 mos 器件。采用一片 ir 211l 可完成两个功率元件 的驱动任务，其内部采用自举技术，使得功率元件的驱动电路仅需一个输入级直流电 源；可实现对功率 mosfet 和 igbt 的最优驱动，还具有完善的保护功能。ir2111 典型 应用电路如图 2-13 所示。 桂林电子科技大学毕业设计说明书用纸 第 13 页 共 40 页 图 2-13 ir2111 典型应用电路 图中上管是指接到高电压端的 n 沟道 mosfet 或 igbt，注意应外接或内置保护、续 流二极管，下管是指接到低电压端的 mosfet 或 igbt。 vcc 是给 ir21ll 供电的电源，以 15v 为最佳。vcc 降低至 10v，ir2111 也能工作， 但会增加 mosfet 或 igbt 的开关损耗。 in 是控制信号的输入端，输入等效电阻很高，可直接连接来自微处理器、光耦或 其它控制电路发出的信号。逻辑输人信号与 cmos 电平兼容，在 vcc 是 15v 时，o6v 的电压为逻辑 0；6.415v 的电压为逻辑 1。输入端电压为逻辑 1 时，ir2111 输出端 h0 输出高电平，驱动上管；输出端 l0 输出低电平，关闭下管。输入端电压为逻辑 0 时,情 况正好相反。ir2111 内部设置了 650ns 的死区时间(deadtime)，可防止上下管直接导 通造成短路事故。 com 是接地端，直接和下管 mosfet 的源极 s 或 igbt 的发射极 e 相连。 ho、lo 分别是上、下管控制逻辑输出端,逻辑正时输出典型电流为 250ma，逻辑负 时输出典型电流为 500ma，输出延迟时间不会超过 130ns。 vb 是为高压侧悬浮电源端，vs 是高压侧悬浮地，它们的电位随上管的导通截止而 变化，变化幅度可高大近 600v。 上、下管电容里存储的电荷，用来快速导通上、下功率管，一般使用 0.47uf 以上 的非电解电容。上管电容的充电是在下管导通或负载有电流通过时自行完成的，也称 为自举电容。充电回路是 vcc上管电容充电二极管上管电容下管或负载com。 控制信号长时间的为逻辑 1，会导致上管电容的电荷用尽而截止上管，因而控制信号的 占空比不能为 100%。 上管电容充电二极管用来防止上管导通时，高压电窜入 vcc 端损坏低压器件，也 称自举二极管。在高端器件开通时，自举二极管必须能够阻止高压，并且应是快恢复 二极管以减小从自举电容向电源 vcc 的回馈电荷。其反向耐压应大于功率端电压， 恢复时间应小于 100ns。 桂林电子科技大学毕业设计说明书用纸 第 14 页 共 40 页 上、下管保护电阻的作用，是通过其延缓功率管极间电容的冲、放电速度，从而 降低不必要的高开关速度，起到保护功率管的作用，一般阻值在几个到几十个欧姆。 同时本文作者在这里还要说明一下 ir2111 在使用中可能出现的问题： （1）该电路在静态测试时，如果没有接负载，控制信号的输入端为逻辑 1 时，上 管控制逻辑输出端 ho 的高电位只能维持很短的时间。若输入占空比变化的脉宽调制信 号，就可以观察到 ho 的电位随占空比而变化，这是上管充电的缘故，lo 端就不会有这 个问题。 （2）廉价的 ir2111 没有设置过流保护功能，如果负载过大，超出了功率管的安 全工作区，就会损坏功率管，甚至炸管。采用一个限流保护电路是不可缺少的，用一 个 0.1n 的电压采样电阻，一片电压比较器 lm311 和一只二极管就可以起到限流作用。 （3） vs 的负过冲。当桥电路负载为感性时，上管的关断会引起负载电流突然转 换到下管的续流二极管，由于二极管开通延迟，正向压降和杂散电感会使 vs 点负过冲 到参考地以下。在死区时间内，如果负载电路不能完全恢复，当下管器件硬开通时， 会发生 vs 负过冲或振荡。ir21ll 的 vs 至少有抗 5v 的负过冲能力，一般不会有问题， 负过冲水平超过该值。可采用 ir 公司推荐的几种方法：减小杂质参数、杂散电感、改 善耦合、减小 dv/dt 等。 2.2.3 直流电机 pwm 控制原理 由上文可知，两片 ir2111 芯片的控制信号输入端 in 和 in如果只是单纯的输入 一个为逻辑 0 而另一个为逻辑 1 的静态逻辑信号时，电机只能抖动一下，无法正常运 作。所以我们得运用到脉冲宽度调制（pulse width modulation-简称 pwm）信号。 脉冲宽度调制是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或 基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能 使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，是利用微处理器的数字输出来对模拟 电路进行控制的一种非常有效的技术。 pwm 控制技术是利用半导体开关器件的导通和关断，把直流电压变成电压脉冲列， 控制电压脉冲的宽度或周期以达到变压目的，或控制电压脉冲的宽度和周期以达到变 压变频目的的一种控制技术。 pwm 控制技术以其控制简单,灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛 应用的控制方式,也是人们研究的热点。由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间 的界限,结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为 pwm 控制技术发展的 主要方向之一。 随着电子技术的发展，出现了多种 pwm 技术，其中包括：相电压控制 pwm、脉宽 pwm 法、随机 pwm、spwm 法、线电压控制 pwm 等，而在镍氢电池智能充电器中采用的脉 宽 pwm 法，它是把每一脉冲宽度均相等的脉冲列作为 pwm 波形，通过改变脉冲列的周 桂林电子科技大学毕业设计说明书用纸 第 15 页 共 40 页 期可以调频，改变脉冲的宽度或占空比可以调压，采用适当控制方法即可使电压与频 率协调变化。可以通过调整 pwm 的周期、pwm 的占空比而达到控制充电电流的目的。 模拟信号的值可以连续变化，其时间和幅度的分辨率都没有限制。9v 电池就是一 种模拟器件，因为它的输出电压并不精确地等于 9v，而是随时间发生变化，并可取任 何实数值。与此类似，从电池吸收的电流也不限定在一组可能的取值范围之内。模拟 信号与数字信号的区别在于后者的取值通常只能属于预先确定的可能取值集合之内， 例如在0v, 5v这一集合中取值。 模拟电压和电流可直接用来进行控制，如对汽车收音机的音量进行控制。在简单 的模拟收音机中，音量旋钮被连接到一个可变电阻。拧动旋钮时，电阻值变大或变小； 流经这个电阻的电流也随之增加或减少，从而改变了驱动扬声器的电流值，使音量相 应变大或变小。与收音机一样，模拟电路的输出与输入成线性比例。 尽管模拟控制看起来可能直观而简单，但它并不总是非常经济或可行的。其中一 点就是，模拟电路容易随时间漂移，因而难以调节。能够解决这个问题的精密模拟电 路可能非常庞大、笨重(如老式的家庭立体声设备)和昂贵。模拟电路还有可能严重发 热，其功耗相对于工作元件两端电压与电流的乘积成正比。模拟电路还可能对噪声很 敏感，任何扰动或噪声都肯定会改变电流值的大小。 通过以数字方式控制模拟电路，可以大幅度降低系统的成本和功耗。此外，许多 微控制器和 dsp 已经在芯片上包含了 pwm 控制器，这使数字控制的实现变得更加容易 了。 2.3 减速直流电机的简介 在介绍减速直流电机之前应该先介绍一下基本的直流电机结构。 直流电机的结构是多种多样的，但任何直流电机都包括定子部分和转子部分，这 两部分间存在着一定大小的气隙，使电机中电路和磁场发生相对运动。直流电机定子 部分主要由主磁极、电刷装置和换向极等组成，转子部分主要由电枢绕组、换向器和 转轴等构成。 由直流电动机和发电机结构示意图可以看到，直流电机的结构应由定子和转子两 大部分组成。直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场， 由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。运行时转动的部分称为转 子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所 以通常又称为电枢，由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成。 桂林电子科技大学毕业设计说明书用纸 第 16 页 共 40 页 图 2-14 直流电机结构图 减速直流电机是指减速机和直流电机的集成体。这种集成体通常也可称为齿轮马 达或齿轮电机。通常由专业的减速机生产厂进行集成组装