基于温度的直流电动机转速控制课设.doc

目录1引言12设计任务及要求12.1设计目的12.2设计要求13本次课程设计的意义24应用软件介绍24. 1Proteus仿真软件的介绍24.2Keil软件的介绍35电路使用元件的介绍35.1关于AT89C51单片机的简介35.2关于DS18B20温度传感器的简介45.3关于L298电机驱动芯片的简介45.4关于LM016液晶模块的简介46部分硬件的工作原理56.1直流电动机的工作原理56.2转速的测量原理56.3直流电动机的转速控制系统的工作原理67直流电动机的转速控制系统软件设计67.1编程思路77.2系统流程图78结束语8参考文献8致谢9附录一：Proteus的仿真图10附录二：仿真程序（C语言）111引言在电气时代的今天，电动机一直在现代化的生产和生活中起着十分重要的作用。据资料统计，现在有的90%以上的动力源自于电动机，电动机与人们的生活息息相关，密不可分。随着现代化步伐的迈进，人们对自动化的需求越来越高，使电动机控制向更复杂的控制发展。 近年来由于微型机的快速发展，国外交直流系统数字化已经达到实用阶段由于以微处理器为核心的数字控制系统硬件电路的标准化程度高，制作成本低，且不受器件温度漂移的影响，且单片机具有功能强、体积小、可靠性好和价格便宜等优点，现已逐渐成为工厂自动化和各控制领域的支柱之一。其控制软件能够进行逻辑判断和复杂运算，可以实现不同于一般线性调节的最优化、自适应、非线性、智能化等控制规律。所以微机数字控制系统在各个方而的性能都远远优于模拟控制系统且应用越来越广泛。 现在市场上通用的电机控制器大多采用单片机和DSP。但是以前单片机的处理能力有限，对采用复杂的反馈控制的系统，由于需要处理的数据量大，实时性和精度要求高，往往不能满足设计要求。近年来出现了各种单片机，其性能得到了很大提高，价格却比DSP低很多。其相关的软件和开发工具越来越多，功能也越来越强，但价格却在不断降低。现在，越来越多的厂家开始采用单片机来提高产品性价比。2设计任务及要求2.1设计目的 设计一个基于温度的电动机转速控制电路，在相应的软件控制下可以完成要求的功能，即外部温度大于45C时，直流电动机在L298驱动下加速正转，温度大于75C全速正转，当外部温度小于10C时电动机加速反转，温度小于0C时电动机全速反转。温度回到10C-45C时电动机停止转动。在液晶显示屏1602LCD上显示当前的温度值。2.2设计要求一、设计一个基于温度的电动机转速控制电路，在相应的软件控制下可以完成要求的功能，即外部温度大于45C时，直流电动机在L298驱动下加速正转，温度大于75C全速正转，当外部温度小于10C时电动机加速反转，温度小于0C1时电动机全速反转。温度回到10C-45C时电动机停止转动。在液晶显示屏1602LCD上显示当前的温度值。 二、画出基于温度的电动机转速控制电路的电路图； 三、所设计的电路需要在仿真软件Protues v7.5上能够运行，课程设计报告的最后必须附有在仿真软件Protues v7.5下设计的电路图和控制程序清单。3 本课程设计的意义直流电动机作为一种高效率速度控制电动机引人注目、但市场的知名度还小高。许多用户在设备用电动机的选择上经常出现不合理的现象。比如为了实现设备的功能、当变频器控制的异步电动机满足不了要求时就盲目的选用昂贵的伺服电动机、其中有些情况完全可以用价格较低的直流电动机来实现。采用单片机构成控制系统，可以节约人力资源和降低系统成本，从而有效的提高工作效率，可以实现复杂的控制，控制灵活性和适应性好，无零点漂移，控制精密高，可提供人机界面，多机联网工作。 采用智能功率电路驱动比传统的分立功率器件组成的驱动体积小，功能强；减少了电路元器件数量，提高了系统的可靠性；控制电路哈尔功率电路集成在一起，使监控更容易实现；集成化使电路的连线减少，减少了布线电容和电感以及信号传输的延时，增加了系统抗干扰的能力；集成化使系统成本大大降低。4应用软件介绍4.1Proteus仿真软件的介绍Proteus是一款Labcenter出品的电路分析实物仿真系统，可仿真各种电路和IC，并支持单片机，元件库齐全，使用方便，是不可多得的专业的单片机软件仿真系统。该软件的特点：（1）全部满足我们提出的单片机软件仿真系统的标准，并在同类产品中具有明显的优势。（2）具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS一232动态仿真、1 C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。 目前支持的单片机类型有：68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各种外围芯片。 支持大量的存储器和外围芯片。总之该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，功能极其强大 ，可仿真51、AVR、PIC。4.2 Keil软件Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。用过汇编语言后再使用C来开发，体会更加深刻。 Keil C51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Keil C51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。5电路使用元件的介绍5.1关于AT89C51单片机和单片机最小系统的简介 AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。图1 AT89C51管脚图 一：单片机最小系统晶振Y1也可以采用6MHz或者11.0592MHz，在正常工作的情况下可以采用更高频率的晶振，51单片机最小系统晶振的振荡频率直接影响单片机的处理速度，频率越大处理速度越快。 单片机晶振电路二、复位电路的用途 单片机复位电路就好比电脑的重启部分，当电脑在使用中出现死机，按下重启按钮电脑内部的程序从头开始执行。单片机也一样，当单片机系统在运行中，受到环境干扰出现程序跑飞的时候，按下复位按钮内部的程序自动从头开始执行。 单片机复位电路如下图5.2关于DS18B20温度传感器的简介DS18B20数字温度传感器接线方便，封装成后可应用于多种场合，如管道式，螺纹式，磁铁吸附式，不锈钢封装式，型号多种多样，有LTM8877，LTM8874等等。主要根据应用场合的不同而改变其外观。封装后的DS18B20可用于电缆沟测温，高炉水循环测温，锅炉测温，机房测温，农业大棚测温，洁净室测温，弹药库测温等各种非极限温度场合。耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。 5.3关于L298电机驱动芯片的简介 L298是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。该芯片的主要特点是:工作电压高，最高工作电压可达46V;输出电流大，瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A；内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器、线圈等感性负载；采用标准TTL逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作；有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路5.4关于LM016液晶模块的简介 LM016L液晶模块采用HD44780控制器，hd44780具有简单而功能较强的指令集，可以实现字符移动，闪烁等功能，LM016L与单片机MCU通讯可采用8位或4位并行传输两种方式，hd44780控制器由两个8位寄存器，指令寄存器（IR）和数据寄存器（DR）忙标志（BF），显示数RAM（DDRAM），字符发生器ROMA（CGOROM）字符发生器RAM（CGRAM），地址计数器RAM(AC)。IR用于寄存指令码，只能写入不能读出，DR用于寄存数据，数据由内部操作自动写入DDRAM和CGRAM,或者暂存从DDRAM和CGRAM读出的数据，BF为1时，液晶模块处于内部模式，不响应外部操作指令和接受数据，DDTAM用来存储显示的字符，能存储80个字符码， CGROM由8位字符码生成5*7点阵字符160中和5*10点阵字符32种.CGRAM是为用户编写特殊字符留用的，它的容量仅64字节，可以自定义8个5*7点阵字符或者4个5*10点阵字符，AC可以存储DDRAM和CGRAM的地址，如果地址码随指令写入IR,则IR自动把地址码装入AC，同时选择DDRAM或CGRAM。6部分硬件的工作原理6.1直流电动机的工作原理 直流电动机的工作原理 一般了解1、直流电动机的构造分为两部分：定子与转子。记住定子与转子都是由那几部分构成的， 注意：不要把换向极与换向器弄混淆了，记住他们两个的作用。定子包括：主磁极，机座，换向极，电刷装置等。转子包括：电枢铁芯，电枢绕组，换向器，轴和风扇等。直流电动机的励磁方式直流电动机的性能与它的励磁方式密切相关，通常直流电动机的励磁方式有4种：直流他励电动机、直流并励电动机、直流串励电动机和直流复励电动机。掌握4种方式各自的特点：直流他励电动机: 励磁绕组与电枢没有电的联系，励磁电路是由另外直流电源供给的。因此励磁电流不受电枢端电压或电枢电流的影响。直流并励电动机: 并励绕组两端电压就是电枢两端电压，但是励磁绕组用细导线绕成，其匝数很多，因此具有较大的电阻，使得通过他的励磁电流较小。直流串励电动机：励磁绕组是和电枢串联的，所以这种电动机内磁场随着电枢电流的改变有显著的变化。为了使励磁绕组中不致引起大的损耗和电压降，励磁绕组的电阻越小越好，所以直流串励电动机通常用较粗的导线绕成，他的匝数较少。直流复励电动机：电动机的磁通由两个绕组内的励磁电流产生。6.2转速的测量原理 转速是电机的一个最常用参数，电机的转速常以每分钟的转数来表示，其单位为rmin。转速的测量方法很多，由于转速是以单位时间内的转数来衡量的，因此采用霍尔元器件测量转速是较为常用的一种测量方法。 霍尔器件是有半导体材料制成的一种薄片，器件的长、宽、高分别为l、b、d。若在垂直于薄片平面(沿厚度d)方向施加外加磁场B，在沿l方向的两个端面加以外电场，则有一定的电流经过。由于电子在磁场中运动，所以将受到一个洛仑磁力，其大小为f=qvB 式中：f洛仑磁力；q载流子电荷；V载流子运动速度；B磁感应强度。这样使电子的运动轨迹发生偏移，在霍尔元器件薄片的两个侧面分别产生电子积聚或电荷过剩，形成霍尔电场，霍尔元器件两个侧面问的电位差 称为霍尔电压。 霍尔电压大小为： 式中：霍尔常数；d元件厚度；B磁感应强度；I控制电流 设，则 为霍尔器件的灵敏系数(mVmAT)，表示该霍尔元件在单位磁感应强度和单位控制电流下输出霍尔电动势的大小。应注意，当电磁感应强度B反向时，霍尔电动势也反向。若控制电流保持不变，则霍尔感应电压将随外界磁场强度而变化，根据这一原理，可以将一块永久磁钢固定在电动机的转轴上转盘的边沿，转盘随被测轴旋转，磁钢也将跟着同步旋转，在转盘附近安装一个霍尔元件，转盘随轴旋转时，霍尔元件受到磁钢所产生的磁场影响，故输出脉冲信号，其频率和转速成正比，测出脉冲的周期或频率即可计算出转速。6.3直流电动机的转速控制系统的工作原理 直流电动机的转速与施加于电动机两端的电压大小有关。本系统用DAC0832控制输出到直流电动机的电压的方法来控制电动机的转速。当电动机转速小于设定值时，DAC0832芯片的输出电压增大，当大于设定值时则DAC0832芯片输出电压减小，从而使电动机以设定的速度恒速旋转。我们采用比例调节器算法。控制规律： 式中：Y比例调节器输出；Kp比例系数；K1积分系数；e(t)调节器的输人，一般为偏差值。 系统采用了比例积分调节器，简称PI调节器，使系统在扰动的作用下，通过PI调节器的调节器作用使电动机的转速达到静态无差，从而实现了静态无差。无静差调速系统中，比例积分调节器的比例部分使动态响应比较快(无滞后)，积分部分使系统消除静差。7直流电动机的转速控制系统软件设计7.1编程思路 控制系统程序的功能是用89C51单片机的，ID端El作为定时器、Tl作为霍尔元件产生脉冲输入的计数器，将两者的数值进行运算得出电动机的实际转速，并与给定值进行比较。如果测量值比设定值大，则Po端口的输出值减l送出给DAC0832控制电机转速减速。如果测量值比设定值小，则P0端口的输出值加1送出给DAC0832控制电机转速加速。运行过程中不断的调整，直到电机的转速达到设定为止。7.2系统流程图图2系统流程图结束语 本系统用单片机构成直流电动机转速的控制系统，采用比例积分调节器算法，效率高转速稳定，电路简单。通过本次课程设计，我学习到了更多有关单片机方面的知识。在相关老师的帮助下，使我得到了更多收获，在此也谢谢老师！参考文献1吴金戌. 沈庆阳，等8051单片机实践与应用M清华大学出版社2苏家健. 曹柏荣，等单片机原理及应用技术M高等教育出版社3肖兰. 马爱芳电机与拖动M中国水利水电出版社4胡汉才. 单片机原理及其接口技术M。北京：清华大学出版社5孙虎章. 自动控制系统M。北京：中央广播电视大学出版社6杨兴姚. 电动机调速的原理及系统M。北京：水利电力出版社附录一Proteus的仿真图图3 温度处于10-45度时的电路图图4 温度处于0-10度时的电路图图5 温度小于0度时的电路图图6 温度处于45-90度时的电路图图7 温度大于100度时的电路图附录二：仿真程序（C语言）16共 15 页 第 页#include #include #define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit DS=P30;sbit IN1=P10; /P10与电机驱动IN1相连 sbit IN2=P11； /P11与电机驱动IN2相连 sbit ENA=P12; sbit lcdrs=P20;sbit lcden=P22; uint temp,num,t; uchar flag,count,fu; uchar code table=NUC 09050442 29;void delay(uint ms) uint i,j; for(i=ms;i0;i-) for(j=110;j0;j-);void write_com(uchar com)lcdrs=0;P0=com;delay(5);lcden=1;delay(5);lcden=0;void write_data(uchar date)lcdrs=1;P0=date;delay(5);lcden=1;delay(5);lcden=0;lcdrs=0;void init()TMOD=0x11;TH0=(65536-1000)/256;TL0=(65536-1000)%256;TH1=(65536-5000)/256;TL1=(65536-5000)%256;EA=1;ET0=1;TR0=1;ET1=1;TR1=1;flag=0;ENA=0;void dsreset(void) uint i; DS=1; i+; DS=0; i=103; while(i0)i-; DS=1; i=4; while(i0)i-; DS=1;bit tmpreadbit(void) uint i; 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