单片机直流电动机调速系统设计.doc

郑州科技学院郑州科技学院 专科毕业设计 论文 题 目 单片机直流电动机调速设计 学生姓名 杜珂 专业班级 机电一体化技术 学 号 200929090 所 在 系 电气工程 指导教师 陈慧丽 完成时间 2011 年 4 月 1 日 单片机直流电动机调速设计 郑 州 科 技 学 院 毕业设计 论文 任务书 题目题目 单片机直流电动机调速系统的设计 专业专业 机电一体化技术 学号学号 200929090 姓名姓名 杜珂 主要内容主要内容 1 设计驱动电路 调速方案设计 系统硬件电路设计 2 霍尔传感器测速模块设计 3 LED 显示模块设计 4 PWM 波软件程序设计 基本要求基本要求 1 了解电动机调速工作原理及其单片机控制的工作过程 2 设计单片机直流电动机调速控制系统 3 根据设计的电路图利用单片仿真机电动机等完成系统硬件电路的链接 4 编制程序实现直流电动机系统调试 主要参考资料主要参考资料 傅丰林 模拟电子线路基础 西安电子科技大学出社 杨加国 单片机原理应用及 C51 程序设计 清华大学出版社 王选民 智能仪器原理设计 清华大学出版社 江志红 51 单片机技术与应用系统开发 清华大学出版社 张宏建 自动检测技术与装置 人民大学出版社 完完 成成 期期 限限 2012 年 4 月 1 日 指导教师签名指导教师签名 评审小组负责人签名评审小组负责人签名 20112011 年年 1111 月月 1212 日日 单片机直流电动机调速设计 郑州科技学院毕业设计 论文 开题报告表 课题名称 单片机直流电动机调速设计 指导教师陈慧丽 学生姓名杜珂学 号 200929090 专 业机电一体化技术 开题报告内容 课题来源 设计 论文 的目的 要求 思路 任务完成的阶段 内容及时间安排 一 课题来源一 课题来源 指导老师指定题目 二 设计目的二 设计目的 对 PWM 波调速和晶闸管调速两种不同的方案进行各方面的性能比较 从而选 选取性能比较可靠的 PWM 波调速系统 并最终确定最佳方案 然后设计调速电路 设出相应的硬件软件系统 对所需的各种模块进行设计整合 最终得出设计程序步 骤进行试验 达到用单片进行电动机调速设计目的 三 设计要求三 设计要求 1 了解电动机调速工作原理及其单片机控制的工作过程 2 设计单片机直流电动机调速控制系统 3 根据设计的电路图 利用单片仿真机 电动机等完成系统硬 4 电路的链接和调试 编制程序实现直流电动机系统调试 四 任务完成的阶段内容和时间安排四 任务完成的阶段内容和时间安排 第一阶段 2011 11 5 2011 11 10 查阅文献资料 收集相关设计的材料 写开题报告 第二阶段 2011 11 6 2011 11 20 提出几种设计方案 对提出的设计方案 进行比较和论证 确定最佳设计方案 第三阶段 2011 11 21 2011 11 30 产品的设计与组装 整机链接及性能 测试 编写有关程序 第四阶段 2011 12 1 2011 12 10 根据收集的资料 设计总结 开始撰写 论文 第五阶段 2012 1 3 2012 1 10 由指导老师审核毕业论文 指出不足 改 修论文 准备提交 指导教师签名 日期 2011 年 11 月 20 日 单片机直流电动机调速设计 单片机直流电动机调速设计 摘 要 直流电动机广泛应用于各种场合 为使机械设备以合理速度进行工作则需要对直 流电机进行调速 该实验中搭建了基于 MC51 单片机的转速单闭环调速系统 利用 PWM 信号改变电动机电枢电压 并由软件完成转速单闭环 PI 控制 旨在实现直流电 动机的平滑调速 并对 PI 控制原理及其参数的确定进行更深的理解 实验结果显示 控制 8 位 PWM 信号输出可平滑改变电动机电枢电压 实现电动机升速 降速及反转 等功能 实验中使用霍尔元件进行电动机转速的检测 反馈 期望转速则可通过功 能按键给定 当选择比例参数为 0 08 积分参数为 0 01 时 电机转速可以在 3 秒 左右达到稳定 由实验结果知 该单闭环调速 统可对直流电机进行调速 达到预期 效果 关键词 直流电机 MC51 PWM 调速 数字式 单片机直流电动机调速设计 Subject Hardware Design of Speed Regulator for DC motor ABSTRACT Hardware Design of Speed Regulator for DC motor Astra regulating The dc motor is a widely used machine in various occasions The speed regulating system is used to satisfy the requirement that the speed of dc motor be controlled over a range in some applications In this machine experiment the digital Close loop control system is based on C8051F020 Schmitt used PI regulator and PWM to regulate the speed of dc motor The method of speed regulating of dc motor is discussed in this paper and make a deep understanding about PI regulator According to experiment the armature voltage can be controlled liberalized with regulating the 8 bit Pam s the dc motor can accelerate or decelerate or reverse In experiment hall component is used as a detector and feed back the speed The expecting speed can be given by key press With using the PI regulator the dc motor will have a stable speed in ten seconds when choose P value as 0 8 and I value as 0 01 At last the experiment shows that the speed regulating system can work as expected KEY WORDS DC MOTOR C8051F020 PWM SPEED REGULATING DIGITAL 单片机直流电动机调速设计 目目 录录 中文摘要 I 英文摘要 II 1 绪 论 1 1 1 直流调速系统发展概况 1 1 2 国内发展概况 2 1 3 国外发展概况 2 1 4 本课题研究目的及意义 3 2 方案设计 4 2 1 PWM 波调速方案 4 2 2 晶闸管调速方案 5 3 单元模块设计 6 3 1 H 桥电路方案设计 6 3 2 调速设计方案 8 3 3 系统硬件电路设计 9 3 3 1 电源电路 9 3 4 驱动电路 H 桥型 10 3 5 霍尔传感器的测速模块 11 3 5 1 霍尔传感器其工作原理 11 3 5 2 霍尔传感器的电路原理图 12 3 6 LCD 的显示模块设计 12 单片机直流电动机调速设计 3 6 1 1602 芯片说明介绍 12 3 6 2 LCD 显示电路原理图 13 3 7 单片机系统中所用其他芯片选型 14 3 7 1 8051 单片机扩展电路 14 3 7 2 地址锁存器 14 3 7 3 程序存储器 15 3 7 4 数据存储器 16 3 8 单片机直流电动机调速电路原理 17 4 4 系统软件功能调试系统软件功能调试 18 4 1 PORTAL软件介绍 18 4 2 调速设计模块 19 4 3 测速软件设计 21 5 直流电机的调速功能仿真 23 5 1 电机速度的测量与仿真功能显示 25 总 结 26 致 谢 27 参考文献 28 附附 录录 29 单片机直流电动机调速设计 1 绪 论 1 1 直流调速系统发展概况 在现代工业中 电动机作为电能转换的传动装置被广泛应用于机械 冶金 石 油化学 国防等工业部门中 随着对生产工艺 产品质量的要求不断提高和产量的 增长 越来越多的生产机械要求能实现自动调速 在可调速传动系统中 按照传动 电动机的类型来分 可分为两大类 直流调速系统和交流调速系统 交流电动机直流具有结构简单 价格低廉 维修简便 转动惯量小等优点 但 主要缺点为调速较为困难 相比之下 直流电动机虽然存在结构复杂 价格较高 维修麻烦等缺点 但由于具有较大的起动转矩和良好的起 制动性能以及易于在宽 范围内实现平滑调速 因此直流调速系统至今仍是自动调速系统的主要形式 直流调速系统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 自动控制技术和微机应用技术的最新发展成就 正是这些技术的进步使直 流调速系统发生翻天覆地的变化 其中电机的控制部分已经由模拟控制逐渐让位于 以单片机为主的微处理器控制 形成数字与模拟的混合控制系统和纯数字控制系统 并正向全数字控制方向快速发展 电动机的驱动部分所用的功率器件亦经历了几次 更新换代 目前开关速度更快 控制更容易的全控型功率器件 MOSFET 和 IGBT 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 脉宽调制控制方法在直流调速中获得了广泛的应用 1964 年 A A Schonung 和 H H stemmler 首先提出把 PWM 技术应用到电机传动中从 此为电机传动的推广应用开辟了新的局面 进入 70 年代以来 体积小 耗电少 成 本低 速度快 功能强 可靠性高的大规模集成电路微处理器已经商品化 把电机 控制推上了一个崭新的阶段 以微处理器为核心的数字控制 简称微机数字控制 成为现代电气传动系统控制器的主要形式 PWM 常取代数模转换器 DAC 用于功率 输出控制 其中 直流电机的速度控制是最常见的应用 通常 PWM 配合桥式驱动电 路实现直流电机调速 非常简单 且调速范围大 在直流电动机的控制中 主要使 单片机直流电动机调速设计 用定频调宽法 目前 电机调速控制模块主要有以下三种 1 采用电阻网络或数字电位器调整直流电机的分压 从而达到调速的目的 2 采用继电器对直流电机的开或关进行控制 通过开关的切换对电机的速 度进行调整 3 采用由 IGBT 管组成的 H 型 PWM 电路 用单片机控制 IGBT 管使之工作在 占空比可调的开关状态 精确调整电动机转速 1 2 国内发展概况 我国从六十年代初试制成功第一只硅晶闸管以来 晶闸管直流调速统 开始得到迅速的发展和广泛的应用 用于中 小功率的 0 4 200KW 晶闸 管直流调速装置已作为标准化 系列化通用产品批量生产 目前 全国各大专院校 科研单位和厂家都在进行数字式直流调速系 统的开发 提出了许多关于直流调速系统的控制算法 1 直流电动机及直流调速系统的参数辩识的方法 该方法据系统或环节的 输入输出特性 应用最小二乘法 即可获得系统环节的内部参数 所获 得的参数具有较高的精度 方法简便易行 2 直流电动机调速系统的内模控制方法 该方法依据内模控制原理 针对 双闭环直流电动机调速系统设计了一种内模控制器 取代常规的 PI 调节 器 成功解决了转速超调问题 能使系统获得优良的动态和静态性能 而且设计方法简单 控制器容易实现 上述的控制方法仅是直流电机调速系统应用和研究的一个侧面 国外还有许 多学者对此进行了不同程度的研究 1 3 国外发展概况 随着各种微处理器的出现和发展 国外对直流电机的数字控制调速系统的研究 也在不断发展和完善 尤其 80 年代在这方面的研究达到空前的繁荣 大型直流电机 单片机直流电动机调速设计 的调速系统一般采用晶闸管整流来实现 为了提高调速系统的性能 研究工作者对 晶闸管触发脉冲的控制算法作了大量研究 提出了内模控制算法 I P 控制器取代 PI 调节器的方法 自适应和模糊 PID 算法等等 目前 国外主要的电气公司 如瑞典 ABB 公司 德国西门子公司 AEG 公司 日 本三菱公司 东芝公司 美国 GE 公司等 均已开发出数字式直流调装置 有成熟的 系列化 标准化 模版化的应用产品供选用 如西门子公司生产的 SIMOREG K 6RA24 系列整流装置为三相交流电源直接供电的全数字控制装置 其结构紧凑 用 于直流电机电枢和励磁供电 完成调速任务 设计电流范围为 15A 至 1200A 并可 通过并联 SITOR 可控硅单元进行扩展 根据不同的应用场合 可选择单象限或四象 限运行的装置 装置本身带有参数设定单元 不需要其它任何附加设备便可以完成 参数设定 所有控制调节监控及附加功能都由微处理器来实现 可选择给定值和反 馈值为数字量或模拟量 1 4 本课题研究目的及意义 直流电动机是最早出现的电动机 也是最早实现调速的电动机 长期以来 直 流电动机一直占据着调速控制的统治地位 由于它具有良好的线性调速特性 简单 的控制性能 高效率 优异的动态特性 现在仍是大多数调速控制电动机的最优选 择 因此研究直流电机的速度控制 有着非常重要的意义 随着单片机的发展 数字化直流 PWM 调速系统在工业上得到了广泛的应用 控 制方法也日益成熟 它对单片机的要求是 具有足够快的速度 有 PWM 口 用于自 动产生 PWM 波 有捕捉功能 用于测频 有 A D 转换器 用来对电动机的输出转速 输出电压和电流的模拟量进行模 数转换 有各种同步串行接口 足够的内部 ROM 和 RAM 以减小控制系统的无力尺寸 有看门狗 电源管理功能等 单片机直流电动机调速设计 2 方案设计 2 1 PWM 波调速方案 采用由达林顿管组成的 H 型 PWM 电路 图 2 1 用单片机控制达林顿管使之工 作在占空比可调的开关状态 精确调整电动机转速 这种电路由于工作在管子的饱 和截止模式下 效率非常高 H 型电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制 电子开关的速度很快 稳定性也极佳 是一种广泛采用的 PWM 调速技术 我采用了 脉宽调频方式 因为采用这种方式 电动机在运转时比较稳定 并且在采用单片机 产生 PWM 脉冲的软件实现上比较方便 且对于直流电机 采用软件延时所产生的定 时误差在允许范围 图 2 1 H 型 PWM 电路 单片机直流电动机调速设计 所示结构图如下图 2 2 2 显示 单片机 速度 的测量 计算 输入 设定及 系统控 制 速度采集电 路 电机 电机驱动 电路 单片机 键盘 2 结构图 2 2 晶闸管调速方案 采用闸流管或汞弧整流的离子拖动系统是最早应用静止式变流装置供电的直流 电动机调速系统 1957 年 晶闸管 俗称 可控硅 问世 到了 60 年代 已生产 出成套的晶闸管整流装置 并应用于直流电动机调速系统 即晶闸管可控整流器供 电的直流调速系统 V M 系统 如图 2 3 VT 是晶闸管可控整流器 通过调节触发 装置 GT 的控制电压来移动触发脉冲的相位 即可改变整流电压 从而实现平 c U d U 滑调速 晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提高 而且在技术性能 上也显示出较大的优越性 晶闸管可控整流器的功率放大倍数在以上 其门极电 4 10 流可以直接用晶体管来控制 不再像直流发电机那样需要较大功率的放大器 因此 在 60 年代到 70 年代 晶闸管可控整流器供电的直流调速系统 V M 系统 代替旋 单片机直流电动机调速设计 转变流机组直流电动机调速系统 G M 系统 得到了广泛的应用 但是由于晶闸管 的单向导电性 它不允许电流反向 给系统的可逆运行造成困难 晶闸管对过电压 过电流和过高的与都十分敏感 若超过允许值会在很短的时间内损坏器du dtdi dt 件 另外 由谐波与无功功率引起电网电压波形畸变 殃及附近的用电设备 造成 电力公害 因此必须添置无功补偿和谐波滤波装置 图 2 3 晶闸管可控整流器供电的直流调速系统 V M 系统 通过以上比较分析得出方案一调速特性优良 调整平滑 调速范围广 过载能 力大 所以本设计 PWM 波调速方案 3 单元模块设计 3 1 H 桥电路方案设计 采用 H 桥电路方案设计如图 3 1 所示的 H 桥式电机驱动电路其包括 4 个三极管 和一个电动机 电路之所以得名于 H 桥驱动电路 是因为它的形状酷似英语字母 单片机直流电动机调速设计 字母 H 如图 3 1 所示 要使电机正常运转 必须导通位于对角线上的一对三极管 根据不同三极管对的导通情况 电流可能会从左至右或从右至左流过电动机 从而 控制电机的转向 图 3 1 H 桥型电路 要使电动机运转 必须使对角线上的一对三极管导通 例如 如图 3 2 所示 当 Q1 管和 Q4 管导通时 电流就从电源正极经 Q1 从左至右流过过电机 然后再经 Q4 回到电源负极 按图中电流箭头所示 该流向的电流将驱动电机顺时针转动 当 三极管 Q1 和 Q4 导通时 电流将从左至右流过电机 从而驱动电机按特定方向转动 电动机周围的箭头指示为顺时针方向 图 3 2 顺时针转动的桥型电动机 图 3 3 所示为另一对三极管 Q2 和 Q3 导通的情况 电流将从右至左流过电动机 单片机直流电动机调速设计 当三极管 Q2 和 Q3 导通时 电流将从右至左流过电动机 从而驱动电机沿另一方向 转动 电动机周围的箭头表示为逆时针方向 图 3 3 H 桥驱动电动机逆时针转动 3 2 调速设计方案 调速采用 PWM Pulse Width Modulation 脉宽调制 工作原理 通过产生矩 形波 改变占空比 以达到调整脉宽的目的 PWM 的定义 脉宽调制 PWM 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 广泛应用在从测 量 通信到功率控制与变换的许多领域中 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 单片机直流电动机调速设计 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 3 3 系统硬件电路设计 系统硬件电路包括电源电路 H 桥型驱动电路 霍尔传感器原理电路 LED 显示电路 单片机控制电 路 3 3 1 电源电路 1 芯片介绍 78 就代表它所输出的电压值 能降低电压 4 5V 电子产品中常见到的三端稳压集成电路有正电压输出的 78 系列和负电压输出 的 79 系列 所以 三端 IC 是指这种稳压用的集成电路只有三条引脚输出 分别 是输入 接地和输出 用 78 79 系列三端稳压 IC 来组成稳压电源所需的外围元件极少 电路内部还有 过流 过热及调整管来保护电路 该系列集成稳压 IC 型号中的 78 或着 79 后面的数 字代表该三端集成稳压电路的输出电压 如 7806 表示输出电压为正 6V 7909 表示 输出电压为负 9V 有时在数字 78 或 79 后面还有一个 M 或 L 如 78M12 或 79L24 用来区别输出电 流和封装形式等 其中 78L 系列的最大输出电流为 100mA 78M 系列最大输出电流为 1A 78 系列最大输出电流为 1 5A 在实际应用中 应在三端集成稳压电路上安装足 单片机直流电动机调速设计 够大的散热器 当然小功率的条件下不用 当稳压管温度过高时 稳压性能将变差 甚至损坏 2 电路原理图 电源电路采用 78 系列芯片产生 5V 15V 电路图如图 3 4 图 3 4 电源电路原理图 3 4 驱动电路 H 桥型 基于三极管的使用机理和特性 在驱动电机中采用 H 桥功率驱动电路 H 桥功 率驱动电路可应用于步进电机 交流电机及直流电机等的驱动 永磁步进电机或混 合式步进电机的励磁绕组都必须用双极性电源供电 也就是说绕组有时需正向电流 有时需反向电流 这样绕组电源需用 H 桥驱动 直流电机控制使用 H 桥驱动电路如 图 3 5 当 PWM1 为低电平 通过对 PWM2 输出占空比不同的矩形波使三极管 Q1 Q6 同时导通 Q5 截止 从而实现电机正向转动以及转速的控制 同理 当 PWM2 为高电平 通过对 PWM1 输出占空比不同的矩形波使三极管 Q1 Q6 同时导通 Q5 截 止 从而实现电机反向转动以及转速的控制 单片机直流电动机调速设计 图 3 5 H 桥型的电动机驱动电路 3 5 霍尔传感器的测速模块 3 5 1 霍尔传感器其工作原理 霍尔效应 在一块半导体薄片上 设它的长度为 l 宽度为 b 厚度为 d 当它 被置于磁感应强度为 B 的磁场中 如果在它相对的两边通以控制电流 I 且磁场方 向与电流方向正交 则在半导体另外两边将产生一个大小与控制电流 I 和磁感应强 度 B 乘积成正比的电势 UH 即 UH KHIB 其中 KH 为霍尔元件的灵敏度 该电势称为 霍尔电势 半导体薄片就是霍尔元件 电动机驱动电路工作原理 霍尔开关集成电路中的信号放大器将霍尔元件产生 的幅值随磁场强度变化的霍尔电压 UH 放大后再经信号变换器 驱动器进行整形 放 大后输出幅值相等 频率变化的方波信号 信号输出端每输出一个周期的方波 代 表转过了一个齿 单位时间内输出的脉冲数 N 因此可求出单位时间内的速度 V NT 单片机直流电动机调速设计 3 5 2 霍尔传感器的电路原理图 如下图 3 6 所示 图 3 6 霍尔传感器测速电路 3 6 LCD 的显示模块设计 3 6 1 1602 芯片说明介绍 1602 液晶模块内部的字符发生存储器 CGROM 已经存储了 160 个不同的点 阵字符图形 这些字符有 阿拉伯数字 英文字母的大小写 常用的符号和日文 假名等 每一个字符都有一个固定的代码 比如大写的英文字母 A 的代码是 01000001B 41H 显示时模块把地址 41H 中的点阵字符图形显示出来 我们 就能看到字母 A 因为 1602 识别的是 ASCII 码 试验可以用 ASCII 码直接 赋值 在单片机编程中还可以用字符型常量或变量赋值 如 A 1602 采用标 准的 16 脚接口 其中 单片机直流电动机调速设计 第 1 脚 VSS 为电源地 第 2 脚 VDD 接 5V 电源正极 第 3 脚 V0 为液晶显示器对比度调整端 接正电源时对比度最弱 接地电源 时对比度最高 对比度过高时会产生 阴影 使用时可以通过一个 10K 的电 位器调整对比度 第 4 脚 RS 为寄存器选择 高电平 1 时选择数据寄存器 低电平 0 时选择 指令寄存器 第 5 脚 RW 为读写信号线 高电平 1 时进行读操作 低电平 0 时进行写 操作 第 6 脚 E 或 EN 端为使能 enable 端 第 7 14 脚 D0 D7 为 8 位双向数据端 第 15 16 脚 空脚或背灯电源 第 15 脚背光正极 第 16 脚背光负极 3 6 2 LCD 显示电路原理图 如下图 3 7 图 3 7 LCD 显示电路 单片机直流电动机调速设计 3 7 单片机系统中所用其他芯片选型 3 7 1 8051 单片机扩展电路 图 3 8 及分析 图 3 8 8051 单片机扩展电路及分析 3 7 2 地址锁存器 地址锁存器可以选择多种 有地址锁存功能的器件有 74LS373 8282 74LS273 等 8282 是地址锁存器 功能与 74LS373 类似 但本系统选用 74LS373 作为地址锁 存器 考虑到其应用的广泛性以及具有良好的性价比 成为目前在单片机系统中应 该较广泛的地址锁存器 74LS373 片内是 8 个输出带三态门的 D 锁存器 当使能端呈高电平时 锁存器中的内容可以更新 而在返回低电平的瞬间实现 锁存 如果此时芯片的输出控制端为低 也即是输出三态门打开 锁存器中的地址 信息便可以通过三态门输出 其引脚图如图 3 9 所示 单片机直流电动机调速设计 图 3 9 74L373 引脚图 3 7 3 程序存储器 存储器是单片机的又一个重要组成部分 其中程序存储器是单片机中非常重要 的存储器 但由于其存储空间不足 常常需要对单片机的存储器空间进行扩展 扩 展程序存储器常用芯片有 EPROM 紫外线可擦除型 如 2716 2KB 2732 4KB 2764 8KB 27128 16KB 27256 32KB 等 另外还有 5V 电擦除 E2PROM 如 2816 2KB 2864 8KB 等等 考虑到系统功能的可扩展性以及程序功能的扩展 本系统采用 16KB 的 27128 作为程序存储器扩展芯片 在满足系统要求的前提下还存 有一定的扩展空间 是本系统最合适的程序存储器扩展芯片 27128 的引脚图如图 3 10 所示 单片机直流电动机调速设计 图 3 10 27128 结构图 3 7 4 数据存储器 MC8051 单片机有 128B RAM 当数据量超过 128B 也需要把数据存储区进一步扩 展 常用 RAM 芯片分静态和动态两种 静态 RAM 有 6116 2KB 6264 8KB 等 动态 DRAM2164 8KB 等 另外还有集成 IRAM 和 E2PROM 使用 E2PROM 作数据存储器有断 电保护数据的优点 数据存储器扩展常使用随机存储器芯片 用的较多的是 Intel 公司的 6116 容量 为 2KB 和 6264 容量为 8KB 本系统采用容量 8KB 的 6264 作为数据存储器扩展芯片 其引脚图如图 3 11 所示 单片机直流电动机调速设计 图 3 11 6264 引脚结构图 3 8 单片机直流电动机调速电路原理 图 3 12 直流电机调速系统的 Portel 原理图 图 3 12 为直流电机调速系统原理图 该系统由电源模块 单片机控制单元 电机驱动电路 LCD 显示电路 霍尔传感器电路构成 H 桥型电路的设计是根据不同三极管对的导通情况 电流可能会从左至右或从 右至左流过电机 从而控制电机的转向 然后 PMW 波调速通过产生矩形波 改变占 空比 以达到调整脉宽的目的 电源电路采用 78 系列芯片产生 5V 15V 电压给设 计提供稳定的电压需求 又根据霍尔开关集成电路中的信号放大器将霍尔元件产生 的幅值随磁场强度变化的霍尔电压 UH 放大后再经信号变换器 驱动器进行整形 放 大后输出幅值相等 频率变化的方波信号 信号输出端每输出一个周期的方波 代 表转过了一个齿 单位时间内输出的脉冲数 N 因此可求出单位时间内的速度 V NT 再由 LED 显示出速度的大小从而实现控制 当电路设计完成之后 为了减少 在电路板上调试时的难度 保证电路设计的正确性 将 Kiel c51 编译生成的 HEX 单片机直流电动机调速设计 文件载入 Proteus 软件 实现电路仿真对电机转速的显示 为使用者提供了更为直 观的界面 用户可以根据液晶显示屏上的数字 调整电机的转速 为调速提供了方 便 也从而达到了设计的目的 4 系统软件功能调试 4 1 Portal 软件介绍 Protel99SE 是应用于 Windows9X 2000 NT 操作系统下的 EDA 设计软件 采 用设计库管理模式 可以进行联网设计 具有很强的数据交换能力和开放性及 3D 模拟功能 可以完成电路原理图设计 印制电路板设计和可编程逻辑器件设计 等工作 可以设计 32 个信号层 16 个电源 地层和 16 个机加工层 按照系统 功能来划分 Protel99se 主要包含 6 大功能模块 电路工程设计部分 印刷电 路板设计系统 自动布线系统 电路模拟仿真系统 可编程逻辑设计系统 高 级信号完整性分析系统 KeilC51 软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具 全 Windows 界面 另外重要的一点 只要看一下编译后生成的汇编代码 就能体会到 KeilC51 生成的目标代码效率非常之高 多数语句生成的汇编代码很紧凑 容易理解 在开 发大型软件时更能体现高级语言的优势 KEIL C51 编译器由 uVision2 集成开发环 境与编辑器和调试器以及 C51 编译器组成 其中 uVision2 集成开发环境中的工程 project 是由源文件 开发工具选项以及编程说明三部分组成的 编辑器和调试器 包括源代码编辑器 断点设置 调试函数语言 变量和存储器 Proteus 软件是一种低投资的电子设计自动化软件 提供可仿真数字和模拟 交流和直流等数千种元器件和多达 30 多个元件库 Proteus 软件提供多种现实存在 的虚拟仪器仪表 此外 Proteus 还提供图形显示功能 可以将线路上变化的信号 以图形的方式实时地显示出来 这些虚拟仪器仪表具有理想的参数指标 例如极高 的输入阻抗 极低的输出阻抗 尽可能减少仪器对测量结果的影响 Proteus 软件 提供丰富的测试信号用于电路的测试 这些测试信号包括模拟信号和数字信号 提 单片机直流电动机调速设计 供 Schematic Drawing SPICE 仿真与 PCB 设计功能 同时可以仿真单片机和周边设 备 可以仿真 51 系列 AVR PIC 等常用的 MCU 并提供周边设备的仿真 例如 373 led 示波器等 Proteus 提供了大量的元件库 有 RAM ROM 键盘 马达 LED LCD AD DA 部分 SPI 器件 部分 IIC 器件 编译方面支持 Kiel 和 MPLAB 等 编译器 一台计算机 一套电子仿真软件 在加上一本虚拟实验教程 就可相当于 一个设备先进的实验室 以虚代实 以软代硬 就建立一个完善的虚拟实验室 在 计算机上学习电工基础 模拟电路 数字电路 单片机应用系统等课程 并进行电 路设计 仿真 调试等 当电路设计完成之后 为了减少在电路板上调试时的难度 保证电路设计的正确性 将 Kiel c51 编译生成的 HEX 文件载入 Proteus 软件 实 现电路仿真 4 2 调速设计模块 PWM 型波软件软件设计程序流程图如下图 4 1 所示 开始 按键查询 OPEN 是否按下 时 定时器 T0 开始计 时 Add speed 是否按 下 初始化 是是 增大矩形波占空 比 Subspace 是否按下 是 减小矩形波占空 比 Swap 或 close 是否按下 改变转向或关闭 电机 图 4 1 PWM 型波软件软件设计程序流程图 单片机直流电动机调速设计 通过控制总中断使能 EA 控制电机的开关 同时使能对霍尔传感器输出的方波 在单位时间内脉冲个数的计数 其中定时器 T0 T1 分别对脉冲的宽度 霍尔元件输 出的脉冲 数对应的 1 秒时间定时 对脉冲宽度的调整是通过改变高电平的定时长 度 由变量 high 控制 变量 change sub speed add speed 分别实现电机的转 向 加速 减速 通过按键实现对电机开关 调速 转向的控制的程序 Void motor control If open 1 EA 1 If close 1 EA 0 If swaps 1 Change change While swap 0 If sub speeds 1 High If high 30 EA 0 While sub speed 0 If add speed 1 High 单片机直流电动机调速设计 If high 5 High 5 While add speed 0 4 3 测速软件设计 单片机直流电动机调速设计 图 4 2 测速软件系统结构 PI 控制算法子程序 Void Spadework Negus 0 possum 0 If BJ 0 Possum k1 Temp 2 temp 2 temp 0 Else Negus k1 Temp 2 temp 2 temp 0 k3 temp 2 10 单片机直流电动机调速设计 If possum Negus k2 possum Negus 存储结果 CY 0 temp 1 k3 k1 误差积累 if CY 1 16 位判断 UK 0 xfe Else UK k1 k3 Else UK 1 P3 UK 5 直流电机的调速功能仿真 当按下 open 键时 电机开始工作 若需要加快电机的转速 则按下 add speed 键 直到电机转速适中 相反 需要减慢电机的转速时 则按下 sub speed 键 待 转速满意后 放开按键 当然 在某种特定的环境下 还需改变电机的转速 此时 你可以按一下 swap 键 以达到改变电机转向的目的 当电机不工作时 则按下 close 键 单片机直流电动机调速设计 图 5 1 直流电机调速系统的 Proteus 仿真图 调速前后波形对比 调速前如图 5 2 图 5 2 电机启动时的脉冲波形占空比 调速后如图 5 3 图 5 3 电机启动时的脉冲波形占空比 单片机直流电动机调速设计 5 1 电机速度的测量与仿真功能显示 对电机转速的显示 为使用者提供了更为直观的界面 用户可以根据液晶显示 屏上的数字 调整电机的转速 为调速提供了方便 从显示数字的稳定程度 也可 以判断电机转速的稳定性 若显示数字几乎不变 则说明电机工作十分稳定 与之 相反 显示数字不停地变化 则说明电机工作非常不稳定 如下图 5 4 所示 图 5 4 直流电动机系统的仿真 单片机直流电动机调速设计 总 结 经过 2 个月的课程设计 我的毕业设计终于完成 她是我们大学生涯向自己提 交的一份答卷 在没有做毕业设计以前觉得毕业设计只是对这几年来所学知识的单 纯总结 但是通过这次做毕业设计发现自己的看法有点太片面 毕业设计不仅是对 前面所学知识的一种检验 而且也是对自己能力的一种提高 通过这次的毕业设计 留给我印象最深的是要设计一个成功的电路 必须要有扎实的理论基础 还要有坚 持不懈的精神 通过了这次的做设计 自己收获很大 陈老师对我的指导也起到了很大的作用 在此先谢谢老师对我的指导 还有这次对直流电机的调速 个人感觉其中还有许多 不够完善的地方 例如 对电机的控制采用的是独立按键 而非矩阵键盘 电机的 驱动电路的设计也不是很成熟 此次的设计并不奢望一定能成功 但一定要对已学的各种电子知识能有一定的 运用能力 我做设计的目的是希望能检查下对所学知识的运用能力的好坏 并且开 始慢慢走上创造的道路 这是非常可贵的一点 这次设计我感觉把大学学的东西都柔和了进去 不止单片机方面有所提升 别 的方面也有了很大的收获 自己学到了不少知识 也经历了不少艰辛 但收获同样 巨大 在整个设计中我懂得了许多东西 也培养了我独立工作的能力 树立了对自 己工作能力的信心 相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响 单片机直流电动机调速设计 致 谢 这次毕业设计 凝结了很多人的心血 在此我表示由衷的感谢 没有他们的帮 助 我将无法顺利完成这次设计 首先 我要特别感谢陈慧丽老师对我的悉心指导 在毕业设计期间陈老师指导 我 帮助我收集文献资料 理清设计思路 完善操作方法 并对我所做的设计提出 有效的改进方案 老师渊博的知识 严谨的作风 诲人不倦的态度和学术上精益求 精的精神让我受益终生 作为一个本科生的毕业设计 由于经验的匮乏 难免有许 多考虑不周全的地方 如果没有导师的督促指导 想要完成这个设计是难以想象的 因此 特别需要感谢陈慧丽老师给予的耐心细致的指导 其次 学校在这方面也给我们提供了很大的支持和帮助 学校领导比较重视 每个设计小组配有专门的指导老师 帮助我们能顺利完成整个设计 对于学校和老 师为我的毕业设计所提供的极大帮助和关心 在此我致以衷心的感谢 最后 还要感谢同学三年来对我的关心与支持 感谢各位老师在学习期间对我 的严格要求 同时也要感谢身边朋友的热心帮助 没有你们的关心与支持 我不可 能这么快完成我的毕业设计 这几个月的岁月是我学生生涯中最有价值的一段时光 也将会成为我以后永远的美好的回忆 在这里有治学严谨而不失亲切的老师 也有 互相帮助情同骨肉的同学 更有和谐 融洽的学习生活氛围 这里将是我永远向往 的地方 借此论文之际 我想向所有人表达我的最诚挚的谢意 愿我们将来都越来 越好 单片机直流电动机调速设计 参考文献 1 傅丰林 模拟电子线路基础 M 西安 西安电子科技大学出版社 2001 1 2 江志红 51 单片机技术与应用系统开发案列精选 M 北京 清华大学出版社 2008 12 3 王选民 智能仪器原理及设计 M 北京 清华大学出版社 2008 7 4 文东 孙鹏飞 C 语言程序设计 M 北京 中国人民大学出版社 2009 2 5 杨加国 单片机原理与应用及 C51 程序设计 M 北京 清华大学出版社 2008 3 单片机直流电动机调速设计 附 录 include define char unsigned char define unit unsigned into Sit open P2 0 Sit close P2 1 Sit swap P2 2 Sit sub speed P2 3 Sit add speed P2 4 Sit PWM1 P3 0 Sit PWM2 P3 1 液晶显示 Sit E P3 7 Sit RW P3 6 Sit RS P3 5 Sit test P3 4 Into time 0 Into high 20 Into period 30 Into change 0 int flag 0 int num medium 0 Into num display 0 Into count speed 0 char word 0 x30 0 x31 0 x32 0 x33 0 x34 0 x35 0 x36 0 x37 0 x38 0 x39 延时 t 毫秒 单片机直流电动机调速设计 Void delay char t Unit I While t 对于 11 0592MHz 时钟 延时 1ms For I 0 I 125 I T 写命令函数 LCD Void wc51r char j RS 0 RW 0 P1 j E 1 E 0 delay 3 写数据函数 LCD void wc51ddr uchar j RS 1 RW 0 单片机直流电动机调速设计 P1 j E 1 E 0 delay 2 初始化函数 LCD void init wc51r 0 x01 清屏 wc51r 0 x38 使用 8 位数据 显示两行 使用 5 7 的字型 wc51r 0 x0c 显示器件 光标开 字符不闪烁 wc51r 0 x06 字符不动 光标自动右移一格 8T0 中断服务程序 PWM 波的生成 Void time0 int void interrupt 1 Time TH0 0 xec TL0 0 x78 If changes 0 PWM2 1 If time high PWM1 0 Else if time period PWM1 1 Time 0 单片机直流电动机调速设计 Else PWM1 1 If time high PWM2 0 Else if time period PWM2 1 Time 0 T1 中断服务程序 单位时间 S 方波的个数 Void time1 int void interrupt 3 Count speed If count speeds 20 Count speed 0 num display num medium num medium 0 单片机直流电动机调速设计 速度显示的数据处理 Void data made Unit data MM NN wc51r 0 xc2 wc51ddr S wc51ddr p wc51ddr e wc51ddr e wc51ddr d wc51ddr 0 x3a NN num display 100 MM num display 100 wc51ddr wword MM MM NN 10 NN NN 10 wc51ddr wword MM wc51ddr word NN 通过按键实现对电机开关 调速 转向的控制 Void motor control If open 1 单片机直流电动机调速设计 EA 1 If close 1 EA 0 If swaps 1 Change change While swap 0 If sub speeds 1 High If high 30 EA 0 While sub speed 0 If add speed 1 High If high 5 High 5 While add speed 0 单片机直流电动机调速设计 主函数 Void main P2 0 x00 ET0 1 ET1 1 TMOD 0 x11 TH0 0 xec 定时器 T0 设置参数 TL0 0 x78 TH1 0 x3c 定时器 T1 设置参数 TL1 0 xb0 TR0 1 TR1 1 init 液晶显示初始化程序 While 1 wc51r 0 x84 wc51ddr H wc51ddr e wc51ddr l wc51ddr l wc51ddr o If tests 0 单片机直流电动机调速设计 Num medium Data made Motor control 袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆