单片机课程设计微型直流电机控制系统设计.docx

2014单片机课程设计 题 目微型直流电机控制系统设计 专 业 班 级2011电气自动化03 学 号 姓 名 分 数 实 现 形 式 自搭系统 指 导 教 师 学 院 名 称电气信息学院 1绪论随着时代的发展，数字电子技术已经普及到我们生活，工作，科研，各个领域，此文将介绍一种直流电机，详细阐述了用单片机输出口所给占空比的不同实现电机的调速的设计方法；着重讨论pwm控制用于电机驱动时特有的优势。直流电机调速具有相当的实际意义。依据其调速的基本理论，本电路由模拟电源、控制电路、显示电路、驱动电路四部分组成。准确说就是模拟电源提供各个芯片电源、数码管、驱动芯片所需电压；显示电路用于显示电动机转动时的速度大小及正反转所表示的代码。与传统的电动机调速相比具有操作方便。文章中介绍了直流电动机的工作原理、基本组成环节，电路分析、特殊元器件简介，设计方案的提出，更进一步说明了这类电机的好处。讨论了目前研究工作中存在的问题，并对其发展的方向进行了展望，给出了一些个人的观点。 1.1课题背景电动机作为最主要的机电能量转换装置，其应用范围已遍及国民经济的各个领域和人们的日常生活。无论是在工农业生产，交通运输，国防，航空航天，医疗卫生，商务和办公设备中，还是在日常生活的家用电器和消费电子产品（如电冰箱，空调，DVD等）中，都大量使用着各种各样的电动机。据资料显示，在所有动力资源中，百分之九十以上来自电动机。同样，我国生产的电能中有百分之六十是用于电动机的。电动机与人的生活息息相关，密不可分。电气时代，电动机的调速控制一般采用模拟法，对电动机的简单控制应用比较多。简单控制是指对电动机进行启动，制动，正反转控制和顺序控制。这类控制可通过继电器，可编程控制器和开关元件来实现。还有一类控制叫复杂控制，是指对电动机的转速，转角，转矩，电压，电流，功率等物理量进行控制。从20世纪80年代中后期起，以晶闸管整流装置取代了以往的直流发电机电动机组及水银整流装置，使直流电气传动完成一次大的跃进。同时，控制电路也实现了高度集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技术的应用，使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用范围不断扩大，直流调速技术不断发展。随着微型计算机、超大规模集成电路、新型电子电力开关器件和新型传感器的出现，以及自动控制理论、电力电子技术、计算机控制技术的深入发展，直流电动机控制也装置不断向前发展。微机的应用使直流电气传动控制系统趋向于数字化、智能化，极大地推动了电气传动的发展。近年来，一些先进国家陆续推出并大量使用以微机为控制核心的直流电气传动装置，如西门子公司的SIMOREG K 6RA24、ABB公司的PAD/PSD等等。随着现代化步伐的加快，人们生活水平的不断提高，对自动化的需求也越来越高，直流电动机应用领域也不断扩大。例如，军事和宇航方面的雷达天线，火炮瞄准，惯性导航，卫星姿态，飞船光电池对太阳得跟踪等控制；工业方面的各种加工中心，专用加工设备，数控机床，工业机器人，塑料机械，印刷机械，绕线机，纺织机械，工业缝纫机，泵和压缩机等设备的控制；计算机外围设备和办公设备中的各种磁盘驱动器，各种光盘驱动器，绘图仪，扫描仪，打印机，传真机，复印机等设备的控制；音像设备和家用电器中的录音机，录像机，数码相机，洗衣机，冰箱，电扇等的控制。随着计算机，微电子技术的发展以及新型电力电子功率器件的不断涌现，电动机的控制策略也发生了深刻的变化。电动机控制技术的发展得力于微电子技术，电力电子技术，传感器技术，永磁材料技术，微机应用技术的最新发展成就。变频技术和脉宽调制技术已成为电动机控制的主流技术。正是这些技术的进步使电动控制技术在近二十年内发生了很大的变化。其中，电动机控制策略的模拟实现正逐渐退出历史舞台，而采用微处理器，通用计算机，FPGA/CPLD，DSP控制器等现代手段构成的数字控制系统得到了迅速发展。电动机的驱动部分所采用的功率器件经历了几次的更新换代以后，速度更快，控制更容易的全控型功率器件MOSFET和IGBT逐渐成为主流。功率器件控制条件的变化和微电子技术的使用也使新型的电动机控制方法能够得到实现。其中，脉宽调制（PWM）方法，变频技术在直流调速和交流调速系统中得到了广泛应用。永磁材料技术的突破与微电子技术的结合又产生了一批新型的电动机，如永磁直流电动机，交流伺服电动机，超声波电动机等。由于有微处理器和传感器作为新一代运动控制系统的组成部分，所以又称这种运动控制系统为智能运动控制系统。所以应用先进控制算法，开发全数字化智能运动控制系统将成为新一代运动控制系统设计的发展方向。17在那些对电动机控制系统的性能要求较高的场合（如数控机床，工业缝纫机，磁盘驱动器，打印机，传真机等设备中，要求电动机实现精确定位，适应剧烈负载变化），传统的控制算法已难以满足系统要求。为了适应时代的发展，现有的电动机控制系统也在朝着高精度，高性能，网络化，信息化，模糊化的方向不断前进。1.2课题要求通过单片机能够控制电机启动，停止，正反转，设置pwm波形能够实行电机运转调速，搭建成系统，完成课程设计报告，做出总结。2. 方案论证2.1系统组成本电路由模拟电源、控制电路、驱动电路三部分组成。2.2单片机选型采用AT89C51单片机进行控制。2.3驱动方案论证通过搭建H桥电路驱动电机运转，通过控制两端的输入电流方向控制电机正反转。桥式电路是一种最基本的驱动电路结构。通过桥式电路，对不同开关的选择可以实现单片机的数字电平控制三极管的导通和截止，从而控制小电机的正反转。2.4检测方案论证通过相应的操作观察电机的运转情况，进行适当的调试。3. 硬件设计3.1 单片机最小系统设计一个基本的MCS-51单片机通常包括：中央处理器、ROM、RAM、定时/计数器和I/O口等各功能部件，各个功能由内部的总线连接起来，从而实现数据通信。其内部框图如图1.1所示。单片机最小系统主要由电源、复位、振荡电路以及扩展部分等部分组成。最小系统原理图如图1.2所示。3.2 IO分配P1.1产生PWM信号，P1.0和P1.2分别产生高低电位控制电机旋转方向。VCC：供电电压。 GND：接地。 P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口,每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时,被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时,P0 口作为原码输入口,当FIASH进行校验时,P0输出原码,此时P0外部必须被拉高。 P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口,P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后,被内部上拉为高,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时,P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2口缓冲器可接收,输出4个TTL门电流,当P2口被写“1”时,其管脚被内部上拉电阻拉高,且作为输入。并因此作为输入时,P2口的管脚被外部拉低,将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时,P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时,它利用内部上拉优势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时,P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口,可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入。作为输入,由于外部下拉为低电平,P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口,如下表所示：口管脚 备选功能P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断0）P3.3 /INT1（外部中断1）P3.4 T0（记时器0外部输入）P3.5 T1（记时器1外部输入）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST：复位输入。ALE/PROG：当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。/PSRN：外部程序存储器的选通号。 /EA/VPP：当/EA保持低电平时,则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH）,不管是否有内部程序存储器。3.3驱动电路设计采用74HC14N，74HC08P，2个BIS7970B搭建成H桥电路。74HC14 概述74HC14是一款高速CMOS器件，74HC14引脚兼容低功耗肖特基TTL（LSTTL）系列。74HC14遵循JEDEC标准no.7A。74HC14实现了6路施密特触发反相器，可将缓慢变化的输入信号转换成清晰、无抖动的输出信号。74HC08P概述74HC08P是4个与门电路，内部结构图如图3.1图 3.1BIS7970B概述BIS7970B是内部两个三级管电路，驱动电压5-45V，两个BIS7970B和与非门电路刚好构成一个H桥电路，其内部图和引脚图如下。图 3.2图 3.3由74HC14N，74HC08P，2个BIS7970B搭建成H桥电路如下图3.4引脚A，B可用于输入PWM脉宽调制信号对电机进行调速控制。（如果无须调速可将两引脚接5V，使电机工作在最高速状态，既将短接帽短接）实现电机正反转就更容易了，输入信号端2接高电平输入端3接低电平，电机M1正转。（如果信号端3接低电平， 2接高电平，电机M1反转。）PWM信号端K1控制M1调速。可参考如下表：电机旋转方式控制端2控制端3输入PWM信号可以改变脉宽可调速M1正转高低高反转低高高停转低低高4. 软件设计4.1主程序流程图4.2子程序流程 Pwm控制子程序按键处理程序5.实验仿真处理及结果分析5.1 直流电机简介 直流电机原理直流电机里边固定有环状永磁体，电流通过转子上的线圈产生洛伦磁力，当 转子上的线圈与磁场平行时，再继续转受到的磁场方向将改变，因此此时转子末端的电刷跟转换片交替接触，从而线圈上的电流方向也改变，产生的洛伦磁力方向不变，所以电机能保持一个方向转动。5.2 结果分析电路中用到的单片机和电机驱动芯片都用到5V电源，而电机使用的是12V电压，所以我用74HC14N做稳压芯片，如图1。输入端和输出端的电容起到去耦作用。直流电机控制采用高性能单片机AT89S52输出可调占空比的PWM方波。直流电机驱动就是利用PWM脉宽控制电流输出大小。 图中单片机使用12MHZ晶振，P1.1产生PWM信号，P1.0和P1.2分别产生高低电位控制电机旋转方向。电机驱动芯片其实就是一个全桥驱动电路。如图所示。它接收的是PWM方波，输出为跟PWM方波占空比相同的外接电压方波。5.3工作原理与过程通电复位，电路进入初始状态：LED数码管显示0000，待电路正常工作时,开始显示电动机的速度和正反转。按S3电动机速度向上增加，按S2电动机速度向下递减，按S1使电动机朝刚才相反的方向转动同时显示相应字样。由于在实际使用中经常用到的速度有1.5v、3v、4.5v，5v，6v，8v，12v等速度值，所以本电路还设置了几个按键,如按下S4,电机的速度直接跳转到速度为*,按下S5, 电机的速度直接跳转到速度为*，电机的速度直接跳转到速度为*，等。同时驱动芯片是具有15个引脚的单列直插式2位。其引脚功能分别为：1、8、15脚为GND引脚，2、3脚为输出引脚， 9脚为VSS引脚，4脚为VS引脚，5、7脚为输入引脚，6脚为选通1通道引脚。其余引脚为通道2所需要引脚，在此没有用到通道2，故其余引脚全部悬空。当6脚数据输入量为1时，1通道正常工作，当5、7脚输入为1、0时，2、3脚输出的电平使电动机正转，并且可以按照单片机所复给6脚的置1、置0的占空比的不同而使电动机的转速得以改变。当5、7脚输入为0、1时，2、3脚输出的电平使电动机反转，并且同理可以按照单片机所复给6脚的置1、置0的占空比的不同而使电动机的转速得以改变。 保护电路由二极管组成，由于电动机是呈电感性很强的，所以在开机或着关机时，会产生很大的感应电压而烧坏芯片，在此，为了保护驱动芯片，接了几个二极管，从而大大的减小了由于感应电压带给驱动芯片的危害。6.问题与分析6.1设计问题问题1：开始时PWM 频率设置为1KHZ以上时电机不转，频率只有设置低于1KHZ时电机才转。经过查阅资料得知：电机可看成是一个电感，通过的频率越高，其电流会越小，电流太小就动不起来。你那个电机可能电感太大或者启动要的力矩太大。问题2：芯片HC14N，74HC08P和BIS7970开始时用开发板上的+5时电压同时供电，启动开关按钮，电机不运转，我们先检查电机硬件的好坏，然后测出单片机的pwm波形，电机和波形都没有问题，后来分别用开发板的+5V和外接电源供电，电机能运转了，经过查阅资料的得知，BIS7970的驱动电压时545V，5V电压不够，不能带动电机运转。6.2 答辩问题答辩时，老师叫我介绍一下系统的各个组成部分及功能，并叫我演示一下电机的运转情况。总结本设计采用采用了MCS-51系列中的8031单片机，在此单片机控制的直流调速系统中，速度给定、速度反馈和电流反馈信号是通过模拟光电隔离器、A/D转换器送入计算机，计算机按照已定的控制算法计算产生脉冲，经并行口、数字光电隔离器、功率放大器送到晶闸管的控制级，以控制晶闸管输出整流电压的大小，平稳的调节电动机的速度。在以往的数字化直流调速系统中转速常用测速发电机来检测，这种模拟测速方法的精度不够高，在低速时更为严重，很难保障生产的高效、安全运行，所以在本次设计中测速采用了目前较先进的旋转编码器测速，即数字测速。数字测速不仅精度高，而且安全稳定、维护方便，本设计最后通过protus系统仿真取得了良好的结果，各项性能指标都能够满足实际生产的要求。通过本次设计，加强了我对单片机应用知识的掌握，同时了解了目前工业生产中数字化系统的重要性，使我对使用单片机实现自动化控制的设计过程有了全面地了解。通过学习控制系统工作原理以及如何利用单片机实现各种功能，我查阅了大量相关资料，学会了许多知识，培养了我独立解决问题的能力。同时在对硬件电路设计的过程中，巩固了我的专业课知识，使自己受益匪浅。当然在本次设计中还有需要改进和完善的地方，比如可以进一步完善系统的故障检测和保护，使故障检测更加全面和高效，还可以设计一个UPS电源，防止在断电的情况下造成系统损害，保证生产的连续运行。同时也可以设计一个键盘输入电路，来完成各项参数的有效输入。整个设计通过了软件和硬件上的调试、仿真。我想这对于自己以后的学习和工作都会有很大的帮助的。在这次设计中遇到了很多实际性的问题，在实际设计中才发现，书本上理论性的东西与在实际运用中的还是有一定的出入的，所以有些问题不但要深入地理解，而且要不断地更正以前的错误思维。总之，通过本次设计不仅进一步强化了专业知识，还掌握了设计系统的方法、步骤等，为今后的工作和学习打下了坚实的基础。七.参 考 文 献1 杨素行 模拟电子技术基础 高等教育出版社 2003年 2 陈明荧 8051单片机基础教程 科学出版社 2003年3 陶 砂 单片机原理、操作、实验、应用 航空工业出版社 1996年 4 康华光 电子技术基础数字部分 高等教育出版社 第五版5 李广第 单片机基础 北京航空航天大学出版社 1999年 八程序清单#include #include#define uchar unsigned char#define uint unsigned intuchar num,highv,lowv,n,m,num1; sbit zhengzhuan=P10; /按键正转 sbit fanzhuan=P11; /按键反转 sbit tingzhi=P12; /按键停止 sbit jiasu=P13; /按键加速 sbit jiansu=P14; /按键减速 sbit IN1=P00; sbit IN2=P01; sbit ENA=P02;void delay_us(uint z)for(;z0;z-) _nop_ (); void delay(uint i)uchar x,j;for(j=0;ji;j+)for(x=0;x=110;x+); void djbs(uchar a,uchar b) /PWM控制 ENA=1; delay (a); ENA=0; delay (b); void tiaosu() /电机调速 /ENA=1; switch(num) case 1: highv=1,lowv=9 ; break; case 2: highv=2,lowv=8 ;break; case 3: highv=3,lowv=7 ;break;case 4: highv=4,lowv=6;break;case 5: highv=5,lowv=5 ;break; case 6: highv=6,lowv=4 ;break; case 7: highv=7,lowv=3 ;break;case 8: highv=8,lowv=2 ;break;case 9: highv=9,lowv=1 ;break; void xianshi() void keyscan() if(zhengzhuan=0) / 正转 delay(10); if(zhengzhuan=