电子技术综合设计-直流小电机调速.doc

电子技术综合设计总结报告姓 名： 学 号： 专业与班级： 设计题目： 直流小电机调速 时 间： 2012 2013 学年第（1）学期 指导教师： 成 绩： 日 期： 目录一、课题任务3二、方案比较与选择3三、电路设计3（1）工作原理3（2）直流电源供电模块4（3）系统时钟的设计4（4）复位方式设计4（5）按键设计4（6）驱动电路设计5四、程序设计5五、测试方案9（1）测试方案：9（1）仿真测试结果：10六、系统调试10七、数据测试与处理11八、总结11九、附录12A、设计电路图12B、程序：18C、相关作品图片：31一、 课题任务基本要求：采用单片机开发系统对直流电机调速系统进行理论设计和仿真实验，并采用光电对管实时在线检测直流电机转速及使用PWM技术调节控制电机的转速。提高要求：用键盘设定初值，用数码管显示电机转速。二、 方案比较与选择按照题给要求，我们最终设计了如下的解决方案：用户通过键盘键入控制指令（开关），微控制器在收到指令后改变输出的PWM波，最终在ULN2003的驱动下电机转速发生改变。通过H125S光电传感器测量电机扇叶的旋转情况，将转速显示在数码管上。在程序主循环中实现按键扫描与转速显示，将定时器0作为计数器，计数H125S产生的下降沿，可算出转速，并送至数码管显示。三、 电路设计系统硬件部分包含输入模块、显示模块、控制模块、测速模块等。（1）工作原理调速采用PWM（Pulse Width Modulation）脉宽调制. 通过产生矩形波，改变占空比，以达到调整脉宽的目的。（2）直流电源供电模块采用常用的直流稳压电源（3）系统时钟的设计采用内部时钟方式来为系统提供时钟信号。AT89C51内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器，该放大器的输入输出引脚为XTAL1和XTAL2，它们跨接在晶体振荡器和用于微调的电容，便构成了一个自激励振荡器。电路中的C1、C2的选择在30PF左右，但电容太小会影响振荡的频率、稳定性和快速性。晶振频率为在1.2MHZ12MHZ之间，频率越高单片机的速度就越快，但对存储器速度要求就高。为了提高稳定性我们采用温度稳定性好的NPO电容，采用的晶振频率为12MHZ。（4）复位方式设计采用开关复位。上电后，由于电容C3的充电和反相门的作用，使RST持续一段时间的高电平。当单片机已在运行当中时，按下复位键K后松开，也能使RST为一段时间的高电平，从而实现上电或开关复位的操作。（5）按键设计运行方式的设置主要有P1口外接键盘来完成，判断键盘是否按下的方法：首先设置P1口为高电平，然后从P1.0到P1.4逐个检测引脚的电平，如果某个引脚为低电平表示该键按下，此时需要做相应的处理实现键盘功能，如果引脚为高电平则不做处理。（6）驱动电路设计ULN2003A反向器接受单片机的输入信号，配合8550电流放大驱动电机运转。四、 程序设计按键说明：*：开始/停止0：设置/0A：加速B：减速C:方向D:确认#：回删操作说明：按下设置健进入设置状态可输入预设转速然后按下确定键电机按预设转速转动（设置状态下A、B、C、*为非法按键）。五、 测试方案（1）测试方案：测试包含仿真测试和硬件测试两个部分。仿真测试指使用Proteus Pro 7.5 对系统进行仿真测试。主要测试系统电路的设计和验证程序逻辑的正确性。硬件测试指系统搭建后对硬件电气性能的测试。主要测试各功能的完整性可靠性，以及系统电气性能的稳定性。测试工具为示波器万用表等。（1）仿真测试结果：真测试中，系统运行正常，程序逻辑正确。按键输入正常、数码管显示正确。P2.0，P2.1管脚间输出PWM波正常。黄线为pwm脉冲，蓝线和红线为电机两端电压六、 系统调试系统硬件搭建完毕后，进行硬件测试。系统加电后，振荡电路正常起振，STC89C52在时钟源电路的驱动下运行正常。系统可在复位电路的作用下正常复位。系统按键输入正常，并能够正确消除抖动。系统PWM波输出正常。将示波器接STC89C52的P2.0,P2.1管脚，可观察到峰峰值5V左右的方波，频率与调速要求一致。H125S光电传感器测量正常。数码管转速显示正常，数码管可正常显示并正确显示电机转速。PWM频率设定：PWM脉冲频率经过实际测试，由于驱动电路及电机的响应时间的因素：若PWM频率大于驱动电路响应的最高频率时则可能出现，电机两端电压不能及时变化而导致电机抖动、停转或者不能减速等情况；若PWM频率过低电机则会出现明显抖动。根据实际电路在保证速度可调范围尽量大（250r/min-1500r/min根据不同电压源可能有差异）电机工作尽量平稳，故将PWM频率设定为20HZ。七、 数据测试与处理1、电机转速调节范围：将电机加速到电机极速提示灯亮起得到转速1640r/min左右,减速至电机刚好能转动的速度：200r/min左右。2、用键盘设定转速时实际电机能达到的转速精度：误差不超过50r/min。设定转速较高时比较准确八、 总结此次课程我们选择的直流小电机调速系统。我们先完成课题设计方案。选择方案并进行比较，紧接着再进行电路设计以及程序设计，然后制定测试方案以及列出技术难点及元器件清单。我们利用Keil、PROTUES、PROTEL等电子线路辅助设计和分析工具软件完成课题的电路设计，并对我们完成系统的仿真分析、噪声分析、极限分析。利用PROTEL印制板工具软件完成电路的布局、布线工作最后用布线板实际完成各单元电路的焊接制作和系统的联调工作。再通过单片机开发系统和逻辑电路实现系统的在线控制，最终实现样机的脱机运行。在此过程中，我们遇到了很多问题，查阅了大量资料，掌握了直流小电机PWM调速系统的原理及实现方法。尽管这只是实验的设计过程，还未动手实践，但是初步培养了我们的科学性，系统性及全面性的设计素质;增强了我们把理论知识和实践相结合的能力，同时提高了我们团结合作的能力。九、 附录A、 设计电路图1.时钟电路系统采用12M晶振与两个30pF电容组成震荡电路，接STC89C52的XTAL1与XTAL2引脚，为微控制器提供时钟源2.按键电路四个按键分别控制电机的不同转速，即控制PWM波高电平的占空比，以实现电机的速度控制，采用闭环环控制和开环控制结合，不是十分精确，但控制简单，易实现，代码编写简单3.显示部分系统采用4位共阴极数码管实现转速显示。数码管的位选端14分别接STC89C52的P2.0P2.3管脚，端选段AG与DP分别接STC89C52的P0.0P0.7管脚。需要说明的是：实际焊接电路时，数码管的段选端需要焊接上拉电阻，否则数码管显示亮度将会非常暗。4.电机控制与驱动部分电机的运行通过PWM波控制。PWM波通过STC89C52的P2.4口输出。5.其他电路复位电路如下所示：测速电路：提示电路：完整仿真电路图：B、 程序：系统软件采用Keil集成开发环境开发程序代码如下（带注释）：#include#define jizhi 9999 /设定电机转速极值sbit cuowu=P31; /输入错误提示sbit js=P30;/达到调整的极值提示sbit fangxiang=P36;sbit w1=P27;sbit w2=P26;sbit w3=P25;sbit w4=P24;sbit pwm1=P20;sbit pwm2=P21;bit set,ok,start;unsigned int zhuansu,n,temp,sdzs;/测量转速，每50ms测的脉冲数，键盘输入值缓存，键盘设定转速值unsigned char ge,shi,bai,qian,key,x,js0,cw,ex,i;/四位数码管的显示缓存值，单个键值缓存，定时器辅助计时值 ，错误提示延时计时缓存，键盘扫描周期值,脉冲占空比值code unsigned LED=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71,;void chushihua() /开机初始化P2=0X08;/关闭数码管以及电机驱动cuowu=0;js=0;i=49;IE=0X8B;TCON=0X51;TMOD=0X51;TH0=(65536-50000)/256;TL0=(65536-50000)%256;void delay(unsigned char m)/延时函数unsigned char j;for(;m0;m-) for(j=0;jjizhi)temp=0;cuowu=1; /输入错误提示开set=0;key=0;elsetemp=0;cuowu=1; /错误提示开 set=0;key=0;void scanf() /键盘列扫描 得出键值switch(P1)case 0xee:ok=1;start=1;break;case 0xed:key=20;break;case 0xeb:key=10;set=1;break;case 0xe7:start=!start; break;case 0xde:fangxiang=!fangxiang; break;case 0xdd:key=19;break;case 0xdb:key=18;break;case 0xd7: key=17;break;case 0xbe: if(i0)i-;else js=1;sdzs=0; break;case 0xbd:key=16;break;case 0xbb:key=15;break;case 0xb7:key=14;break;case 0x7e:if(i=20)n=TH1*256+TL1;TH1=0;TL1=0;x=0;if(n*10-zhuansu=50|n*10-zhuansu=-50)/设定误差 允许1个脉冲误差若转速稳定在容许误差范围内则不进行数据处理，节约资源 zhuansu=n*5+zhuansu/2; /转速数据处理 两次转速取平均值再转化为每位数码管显示的转速/难点：转速测不准，总在一个值附近摆动，偏差值为n*5。方案1：采取取样时间延长，虽然能让速度准确些，但测速系统反应迟钝，灵敏度下降，影响恒定转速调节。/方案2：对转速进行缓存，采样得到一个新转速则丢弃最早的，对缓存的转速取平均值 /缺点：占用系统资源较多，算法较复杂，优点：对灵敏度牺牲较小,/若用于速度反馈时能利用缓存的速度对电机进行预判，可以利用程序缩短转速达到预置转速的时间。/ 方案三：容许探测误差，设定可接受的误差范围。 void zsxs()ge=zhuansu%10; shi=zhuansu/10%10;bai=zhuansu/100%10;qian=zhuansu/1000%10;void jzxs()/键盘设定转速值转速处理/对键值进行处理输出到数码管各位的显示缓存ge=temp%10; shi=temp/10%10;bai=temp/100%10;qian=temp/1000%10;void tiaosu1() /调占空比和电机转动方向 if(start)if(fangxiang=1)pwm1=1;if(TH0=255-i)pwm2=0;elsepwm2=1;elsepwm2=1;if(TH0=255-i)pwm1=0;elsepwm1=1;elsepwm1=1;pwm2=1;void tiaosu2() /键盘设定转速时调速程序if(sdzs-10*n=50|sdzs-10*n10*n)if(i0)i-;else js=1;elsejs=1;void main()chushihua(); /开机初始化，开中断while(1)tiaosu1();display();if(EX0) /键盘横向扫描P1=0XEF;delay(3);P1=0XDF;delay(3);P1=0XBF;delay(3);P1=0X7F;delay(3);P1=0XFF;void int0() interrupt 0 EX0=0; /关闭键盘中断 防止按键抖动 过500MS后由t0中断开启scanf(); /键盘列扫描P1=0XFF;jianzhichuli(); void t0() interrupt 1 /定时器0 用于测速 每1秒对记录的转数处理得到速度TH0=(65536-50000)/256;TL0=(655