单片机直流电机PWM调速器设计.doc

课程设计(论文)题目名称直流电机PWM调速器设计课程名称单片机原理及应用学生姓名学号0741227273系、专业信息工程系、信息类指导教师2009年4月30日目录摘要.1任务及要求.11.1设计任务.11.2设计要求.12设计思想.62.1硬件设计思想.62.2软件设计思想.63电路原理与电路图.124流程图与算法描述.264.1流程图.274.2算法描述.295部分模块电路设计.305.1部分模块电路仿真.306测试分析.307课程设计总结.33参考文献.38附录（源程序清单）.33摘要本课题是对直流电机PWM调速器设计的研究，主要实现对电动机的控制。因此在设计中，对直流调速的原理，直流调速控制方式及调速特性，PWM基本原理及实现方式进行了全面阐述。为实现系统的微机控制，在设计中，采用了AT89C51单片机作为整个控制系统的控制电路的核心部分，配以各种显示、驱动模块，实现对电动机转速参数的显示和测量；由命令输入模块、光电隔离模块及H型驱动模块组成。采用带中断的独立式键盘作为命令的输入，单片机在程序控制下，不断给光电隔离电路发送PWM波形，H型驱动电路完成电机正反转控制.在设计中，采用PWM调速方式，通过改变PWM的占空比从而改变电动机的电枢电压，进而实现对电动机的调速。设计的整个控制系统，在硬件结构上采用了大量的集成电路模块，大大简化了硬件电路，提高了系统的稳定性和可靠性，使整个系统的性能得到提高。关键词：AT89C51单片机；PWM调速；正反转控制1任务及要求1.1设计任务采用AT89C51单片机，LED数码管显示部件，人机交互接口采用独立式键盘，L298电机驱动电路。该直流电机PWM调速器能实现电机正转，反转，停止，并能实时显示转动的圈数。1.2设计要求1.设计出硬件电路；2.设计出软件编程方法，并写出源代码；3.用PROTEUS进行仿真；4.论文格式要符合学院的统一规定，结构要合符逻辑，表达要得体。2设计思想2.1硬件设计思想对题目进行深入的分析和思考，可以将整个模块分为以下几个部分：控制部分、隔离电路、驱动电路和负载的续流电路。系统的框图如图2.1所示。电机图2.1系统方框图控制部分隔离电路驱动电路续流电路2.1.1控制电路设计控制电路主要是由单片机来控制的，编写一段程序使单片机发出的PWM脉冲来实现对驱动的控制，新一代的单片机增加了许多功能，其中包括PWM功能。单片机通过初始化设置，使其能自动地发出PWM脉冲波，只有在改变占空比时CPU才进行干预。2.1.2隔离电路设计隔离电路主要作用是防止驱动电路中的电流过大，与单片机直接相连是可能会烧毁单片机而加的保护性电路。光电偶合元件的主要特点如下：(1)输入和输出端之间绝缘，其绝缘电阻一般都大于1010，耐压一般可超过1kV，有的甚至可以达到10kV以上。(2)由于“光”传输的单向性，所以信号从光源单向传输到光接收器时不会出现反馈现象，其输出信号也不会影响输入端。(3)由于发光器件（砷化镓红外二极管）是阻抗电流驱动性器件，而噪音是一种高内阻微电流电压信号。因此光电耦合器件的共模抑制比很大，所以，光电耦合器件可以很好地抑制干扰并消除噪音。(4)容易和逻辑电路配合。(5)响应速度快。光电耦合器件的时间常数通常在微秒甚至毫微秒极。(6)无触点片。、寿命长、体积小、耐冲击。2.1.3驱动电路设计驱动电路实际上就是一个大功率的放大器，直流电机的驱动电路有线性放大驱动型和开关驱动型。由于线性放大型驱动电路存在功耗大，效率底等缺点，所以我们在本次设计中选择开关驱动型。开关驱动是利用大功率晶体管的开关作用，将恒定的直流电源电压转换为一定的方波电压加在电机电枢上。与线性方式不同，在这种驱动方式下，驱动器的功率管工作在开关状态，当器件开通时，器件的电流很大但压降却很小；器件关断时，压降很大电流却很小。因此驱动器的功率消耗小，发热量少，效率较高。通过控制开关的频率和脉宽，可以对电机的转向进行控制。我们在本次设计中采用的PWM脉冲调制方式正是一种开关驱动方式，是直流电机最重要的也是最常用的驱动方式。采样控制理论中有一个重要结论：冲量相等饿形状不同的窄脉冲及在具有惯性的环节上时，其效果基本相同，这正是PWM控制技术的理论基础。PWM驱动方式易于与处理器接口，使用简单，性能较好相应的驱动电路有多种形式，最常用的一种是H桥电路。H桥电路可以使用分立元件制作，也可以选用集成H桥电路，从制作的简单性，工作的可靠性，使用的方便性等方面来说，选用H桥芯片是更好。集成H桥芯片有非常多的型号，可以满足不同的需求，我们的设计选用的是L298的芯图2.2L298的引脚和外形图引脚功能SENSA、SENSB分别为两个H桥的电流反馈脚，不用时可以直接接地ENA、ENB使能端，输入PWM信号IN1、IN2、IN3、IN4输入端，TTL逻辑电平信号OUT1、OUT2、OUT3、OUT4输出端，与对应输入端同逻辑VCC逻辑控制电源，4.57VVSS电机驱动电源，最小值需比输入的低电平电压高GND地表2.1L298引脚符号及功能芯片的主要特点是：电压最高可达到46V；总输出电流可达到4A；较低的饱和压降；具有过热保护；TTL输出电平驱动，可直接连接CPU，具有输出电流反馈，过载保护。因为L298芯片具有上述特点，所以我们选用此芯片。2.1.4续流电路设计由于电机具有较大的感性，电流不能突变，若突然将电流切断，将在功率管两端产生很高的电压，损坏器件。我们在此电路中应用的是二极管来续流，利用二极管的单向导通性。二极管的选用要根据PWM的频率和电机的电流来决定，二极管要有足够迅速的恢复时间和足够的电流承受能力。2.2软件设计思想3电路原理与电路图3.1隔离电路其电路图如下图3.1所示。其中1、2、3、4脚分别接单片机的P1.1、P1.2、P1.3、P1.4口，电阻起限流作用，电阻R1、R3、R5、R7的阻值为470，电阻R2、R4、R6、R8的阻值都为1K。图3.1隔离电路工作原理图其工作原理如下：当电机中的电压正常时，发光二极管导通，发光使得光敏三极管导通，电路接通正常工作；当电机中电压很高是发光二极管被击穿，电路不导通，从而起到保护单片机的作用。3.2驱动电路驱动电路为H桥电路，图3.2为H桥驱动电路的工作原理图。同一侧的晶体管不能同时导通。当SW1和SW4导通，SW2和SW3截止时，电流由正电流经SW1，从电机正极流入电机，再经由SW4流入，此时电机正向运转。同样当SW2和SW3导通时，电流由负极进入电机，电机反向运转。当SW1和SW3或SW2和SW4同时导通时，电机处于制动（刹车）状态。电路中二极管主要起续流保护作用，由于电机具有较大的感性，电流不能突变，若突然将电流切断，将在功率管两端产生很高的电压，损坏器件。图3.2H桥驱动电路工作原理图我们此次设计的模块采用的为H桥芯片L298，内部包含4通道逻辑驱动电路，具有两套H桥电路。图3.3为L298的内部原理图。图3.3L298的内部原理图L298需要两个电压，一个为逻辑电路工作时所需的5V电压VCC，另一个为功率电路所需的驱动电压VSS。驱动电路的输入可直接与单片机或FPGA的引脚相连，在这里我们使用的是与单片机相连，且我们为了进一步提高电路的抗干扰能力，还使用了光电耦合器件组成的隔离电路，对控制电路和能够电路进行电气隔离。参见表2.1，我们来分析电路的工作原理。使能端输入使能，控制输入端A输入PWM信号，控制输入端B输入PWM的反相信号，在一个PWM周期内，电机的电枢承受双极性的电压。电机的速度和方向均由PWM决定。PWM占空比为50%时，对应电机的转速为0即电机停止转动；占空比为0%50%对应的电机转速-MAX0，即电机反转；占空比为50%100%对应的电机转速为0+MAX，即电机正转。电机的转动速度由PWM脉冲的频率决定，频率高是电机转动速度快，即电机加速；频率降低是，电机转动速度减慢，即电机减速。使能端输入PWM信号，控制输入端A和控制输入端B输入控制电机状态的信号。电机状态参见表3.1使能端控制A控制B电机状态高电平低电平正转低电平高电平反转高电平同高或同低停止低电平任意任意自然停转表3.1直流电机PWM调速方案图3.4直流电机PWM调速方案3.3续流电路由于电机具有较大的感性，电流如果突变易损坏功率胳即L298芯片。为保护芯片加上洗续流电路。电路的工作原理替如图3.4所示。电路的工作原理：当电机正转时，若突然掉电，D1、D4导通，D2、D3截止；当电机反转时，突然掉电D2、D3导通，D1、D4截止。与非门电路正转反转STOP光电耦合H型桥式直流电机驱动电路复位电路振荡电路55RSTXATLP1.3-P1.7INT0P3.1P3.5AT89C2051图图11.55直直流流电电机机PPWWMM调调速速系系统统方方案案键盘光电耦合正反D1D2D3D4-+MM1VSY1Y2图3.5续流电路工作原理图44流程图与算法描述流程图与算法描述图4.1主流程图开始正转？系统初始化反转？停止？调显示子程序发正转命令发反转命令发停止命令YYY图4.2数码显示流程图图4.3中断子程序流程图5部分模块电路设计将电机驱动和显示模块电气原理图进行PROTEUS设计。打开PROTEUS的ISIS编辑环境，从PROTEUS中选取该电路所需要的元器件，放置元器件、放置电源和地、连线得到如图4.5所示的电气原理图，再点菜单栏工具下拉的电气规则检查，当规则检查出现：“NETLISTGENERATEDOKNOERCERRORDFOUND”，表示通过检查。电路设计完成。5.1部分模块电路仿真PROTEUS软件自带编辑器，可以实现对汇编程序的编译，其操作步骤是：（1）新建源文件：点菜单SourceAddRemovesourceFiles在出现的对话框中，选择ASEM51编辑器，新建PWM.asm源文件。（2）程序设计：点菜单SourcePWM.asm打开源文件编辑器，将将附录程序输入到文本中。（3）源程序编译：点菜单SourceBuildALL编译汇编源程序，生成目标代码文件PMD.HEX，若编译失败，可对程序进行修改调试直至编译成功。（4）目标代码加载：在PROTEUS编辑环境双击AT89C51，弹出如图4.6所示的对话框，在PROGRAMFILE一栏中单击打开按钮，选中PWM.HEX文件。在CLOCKFREQUENCY栏中设置系统工作频率为12MHZ，单击OK完成目标代码加载。图5.1程序代码加载最后，点击运行按钮，启动系统仿真，图中电机处于初始化状态。仿真结果如图5.2所示。E1E2E1E2XTAL218XTAL119ALE30EA31PSEN29RST9P0.0AD039P0.1AD138P0.2AD237P0.3AD336P0.4AD435P0.5AD534P0.6AD633P0.7AD732P2.7A1528P2.0A821P2.1A922P2.2A1023P2.3A1124P2.4A1225P2.5A1326P2.6A1427P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78P3.0RXD10P3.1TXD11P3.2INT012P3.3INT113P3.4T014P3.7RD17P3.6WR16P3.5T115U180C51PACKAGE=DIL40234567891RP15K加速减速正转反转停止IN15IN27ENA6OUT12OUT23ENB11OUT313OUT414IN310IN412SENSA1SENSB15GND8VS4VCC9U3L298+12v+5v+5vC133pFC233pFX1CRYSTALR51kC31FD11N4003D21N4003D31N4003D41N4003+12vUAND_5+5V图5.2仿真结果1图5.3仿真结果26测试分析直流电机驱动模块的测试系统由单片机最小系统、驱动模块、直流电机以及电源组成。根据要求拟成的测试系统框图如下图6.1所示。首先，按照测试系统框图连接好测试系统，再调试并运行单片机程序，检查电机的转动情况，改变程序中的PWM波的值，观察电机的转动情况。80C51单片机最小系统驱动电路电机+5V电源转速测试系统+5V、+12V电源图6.1直流电机的测试系统框图当仿真开始运行时，各个模块处于初始状态。点击右边的独立键盘加速或是减速按钮。显示模块便开始显示数字，然后点击正传或是反转。电机的驱动模块能够实现电机的正转、反转、加速、减速、停止等操作。且改变PWM脉冲时的占空比电机的工作电压改变。因此，从仿真结果可以看出，本设计可以得到预期的仿真效果。7课程设计的总结与体会通过本次课程设计，使我学到了许多书本上无法学到的知识也使我深刻体会到单片机技术应用领域的广泛。不仅让我对学过的单片机知识有了很多的巩固，同时也对单片机这一门课程产生了更大的兴趣。在本次课程设计过程中，我学会了在网络上查找有关本设计的各硬件的资源，其中包括：直流电机PWM调速、AT89C51单片机、L289引脚图及其引脚功能等，为本次课程设计提供了一定的资料。在做课程设计的初期阶段，难度很大，没有头绪。通过求助于刘老师、理清了思路。同时，在图书馆里、网上查阅资料，攻克了课程设计中的道道难题。最后经过指导老师刘老师的耐心指点和连续的奋战才算基本合格。办事只要有了头绪，就会简单很多。本次设计我能独立完成，算是有了很大的收获。总的感受有以下几方面：1、巩固了课本上的知识。通过本次设计，我不但对单片机有了更为深入的了解，对一个课题如何画流程图，编程序等，有了一定的认识。2、在本次课程设计中，我进一步加强了自己的动手能力和运用专业知识的能力，从中学习到如何去思考和解决问题，以及如何灵活地改变方法去实现设计方案；特别是深刻体会到的是软件和硬件结合的重要性，以及两者的联系和配合作用。3、通过本次课程设计，让我了解到单片机技术对当今人们生活的重要性。同时这次做课程设计的经历也使我受益匪浅。让我知道做任何事情都应脚踏实地，刻苦努力地去做。只有这样，才能做好。经过这次一个较完整的产品设计和制作过程，对于认识到自己在知识方面存在的不足，明确今后的学习方向是非常有益的。在设计过程中，得到了我的指导老师刘老师的悉心指导与帮助，在此表示衷心的感谢。参考文献(1)何立民单片机中级教程M北京:北京航空航天大学出版社，2006.10(2)邹久朋.80C51单片机实用技术.北京航空航天大学出版社，2008.04(3)张靖武，周灵彬.单片机系统的PROTEUS设计与仿真.电子工业出版社2007.4（4）刘湘涛江世明单片机原理与应用M北京：电子工业出版社2006：1-4（5）周澜景，张丽娜.基于PROTEUS的电路及单片机系统设计与仿真.北京航空航天大学出版社，2006年5月附录（源程序清单）ORG0000HAJMPSTARTORG0003HLJMPINT0ORG000BHLJMPITT0ORG0030H；系统初始化START:MOVSP#60H；赋初值MOVR0#00HMOVR1#00HCLRP1.5；置0CLRP1.6CLRP1.7MOVTMOD#01H；写控制字MOVTL0#0FFH；置定时常数MOVTH0#0FFHSETBEA；允许中断SETBEX0；允许外部中断0SETBET0；允许TL0中断CLRIT0SETBTR0；启动TL0MOVDPTR#TABMOV40H#0MOV41H#0LED:SETBP1.1；显示个位数CLRP1.2MOVA40HMOVCAA+DPTR；查表MOVP0ALCALLTTS；调用延时CLRP1.1；显示十位数SETBP1.2MOVA41HMOVCAA+