直流电机控制设计.doc

课程设计 论文 题 目 名 称 直流电机控制器的设计 课 程 名 称 单片机原理及应用 学 生 姓 名 学 号 系 专 业 指 导 教 师 2013 年 6 月 24 日 摘要 本文是对直流电动机PWM调速器设计的研究 主要实现对电动机的控制 这 次的课程设计主要是实现 PWM 调速器的正转 反转 加速 减速 停止等操作 并实 现电路的仿真 为了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 关键词 AT89C51单片机 PWM调速 正反转控制 仿真 目录 第 1 章 系统设计概述 1 1 1 直流电机概述 1 1 2 单片机概述 1 1 3 脉宽调制技术 2 第 2 章 直流电机控制系统总体设计 3 2 1 设计思路 3 2 2 方案论证与比较 3 2 3 系统组成 3 第 3 章 直流电机控制系统硬件设计 5 3 1 系统硬件结构 5 3 2 系统单元电路设计 5 3 3 独立式键盘电路模块 6 3 4 LCD1602 液晶显示模块 6 3 5 直流电机驱动模块 8 第 4 章 直流电机控制系统软件设计 9 4 1 软件总体结构 9 4 2 系统模块程序设计 10 第 5 章 系统仿真 15 结束语 17 致谢 18 参考文献 19 附录 直流电机控制程序 20 0 第 1 章系统设计概述 1 1 直流电机概述 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 长期以来 自动调速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 以前电动机大多使用由模拟电路组成的控制柜进行控制 现在单片机已经开始取 代模拟电路作为电机控制器 当前电机控制器的发展方向越来越趋于多样化和复杂化 现有的专用集成电路未必能满足苛刻的新产品开发要求 为此可考虑开发电机的新型 单片机控制器 因此研究直流电机的速度控制 有着非常重要的意义 由于变频技术的出现 交流调速一直冲击直流调速 但综观全局 尤其是我国在 此领域的现状 再加上全数字直流调速系统的出现 更提高了直流调速系统的精度及 可靠性 直流调速系统仍将处于十分重要地位 对于直流调速系统转速控制的要求有稳速 调速 加速或减速三个方面 而在工 业生产中对于后两个要求已能很好地实现 但工程应用中稳速指标却往往不能达到预 期的效果 稳速要求即以一定的精度在所需要的转速稳定运行 在各种干扰不允许有 过大的转速波动 1 2 单片机概述 随着单片机功能的飞速发展 单片机的应用领域已经渗透到了国民经济的各个领 域 并影响着现代人的生活 单片机技术的出现给现代工业测控领域带来了一次技术 革命 目前 单片机仍以其高可靠性 高性价比 在工业控制系统 智能化仪器仪表 数据采集系统和智能家电等诸多领域得到了广泛应用 当今时代是一个新技术层出不穷的时代 在电子领域尤其是自动化智能控制领域 传统的分立元件或数字逻辑电路构成的控制系统 正以飞快的速度被单片机智能控制 系统所取代 单片机的优点包括体积小 功能强 成本低 并且应用面广 可以说智 能控制与自动控制的核心就是单片机 单片机又称单片微控制器 它不是完成某一个逻辑功能的芯片 而是把一个计算 机系统集成到一个芯片上 概括来讲 一块芯片就是一台计算机 它具有体积小 质 量轻 价格便宜等优点 为学习 应用和开发提供了诸多便利 同时 学习使用单片 1 机是了解计算机原理与结构的最佳选择 现在 单片机的应用领域非常广泛 比如实时工控 导航系统 智能仪表 家用 电器 通讯设备等 单片机一旦运用在各种产品上面 就可以说是使产品进行了升级 换代 也可以把产品美其名曰 智能型 如智能型洗衣机等等 1 3 脉宽调制 PWM 技术 脉冲宽度调制 PWM 是英文 Pulse Width Modulation 的缩写 简称脉宽 调制 它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 广泛应用于测量 通信 功率控制与变换等许多领域 一种模拟控制方式 根据相应 载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置 来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体 管导通时间的改变 这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定 脉冲宽度调制 PWM 是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法 通过高分 辨率计数器的使用 方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码 PWM信号仍然是数字的 因为在给定的任何时刻 满幅值的直流供电要么完全有 要么完全无 电压或电流源是以一种通或断的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的 通的时候即是直流供电被加到负载上的时候 断的时候即是供电被断开的时候 只要 带宽足够 任何模拟值都可以使用PWM进行编码 多数负载 无论是电感性负载还是电容性负载 需要的调制频率高于10Hz 通常调 制频率为1kHz到200kHz之间 许多微控制器内部都包含有 PWM 控制器 例如 Microchip公司的 PIC16C67内含两个PWM控制器 每一个都可以选择接通时间和周期 占空比 是接通时间与周期之比 调制频率为周期的倒数 执行PWM操作之前 这种微 处理器要求在软件中完成以下工作 1 设置提供调制方波的片上定时器 计数器的周期 2 在PWM控制寄存器中设置接通时间 3 设置PWM输出的方向 这个输出是一个通用I O管脚 4 启动定时器 5 使能PWM控制器 2 第 2 章 直流电机控制系统总体设计 2 1 设计思路 本题要求设计一个上位机直流电机控制系统 利用键盘作为输入设备 输入电机 控制信号 液晶显示器件作为显示 与用户进行人机交互 利用串行通信接口与上位 机进行通信 接收上位机发送过来的控制命令 从PC机发来的控制命令经单片机系 统接收后 产生电机控制信号 并提供给电机驱动电路控制直流电机正常运转并正常 显示转速 2 2 方案论证与比较 1 主控制器的选择与比较 采用台湾宏晶科技有限公司生产的STC89C52系列的单片机作为本系统的主控 制芯片 该处理器芯片内置有Flash存储器 内置的UART全双工异步通信接口 减 少外围接口电路 具有可在线编程 使用方便 价格低廉等优点 运算速度内满足系 统的要求 性价比高 2 显示电路选择与比较 方案一 采用数码管显示电路 该硬件电路简单 编程也比较简单 视角范围大 亮度高 显示是效果好 但是只能显示简单数字字母等有限的字符 不能满足本设计 要求 故 不采用数码管显示电路 方案二 采用液晶显示 硬件电路简单 编程容易 可以显示字母和数字 以及 一下简单的图像 能满足本设计要求 显示清晰度可以通过调节偏压端电压来改变对 比度 从而实现清晰度调整 显示效果较好 还可以滚动显示等 显示灵活 方案三 采用液晶显示 硬件电路简单 编程容易 可以显示复杂的图案 字符 标点 英文 汉字等 能满足本设计要求 显示清晰度可以通过调节偏压端电压来改 变对比度 从而实现清晰度调整 显示效果较好 还可以滚动显示等 显示灵活 综上所述 数码管显示电路不能满足本设计的要求 液晶显示只能显示字母和数 字 要显示汉字和图像编程复杂 效果不好 液晶显示可以显示数字 英文 汉字 图片等能满足本设计要求 故 采用液晶显示电路作为本设计的显示电路模块 3 键盘电路选择与比较 方案一 独立式键盘 独立式键盘硬件电路极为简单 程序也非常简单 容易开 发 开发周期短 使用方便简单 2 3 系统组成 3 经过方案论证 最终确定系统的组成框图如图2 1所示 系统由STC89C52微 处理器核心模块 独立式键盘模块 液晶显示模块等组成 其中 独立式键盘由微动 开关连接到IO口与地线之间组成 注意 由于P0口内部没有上拉电阻 在作为输入 时 需要外接上拉电阻 液晶显示电路主要由1602液晶显示模块及少量外围电阻等 构成 主要用于实现人机界面的交互功能 加速操作控制 加速控制操作 直流电机 正转操作控制 反转操作控制 停止操作控制 直流电机 驱动模块 液晶显示 P0 口 AT89C51 P2 口 P1 口 图 2 1 系统组成框图 4 第 3 章 直流电机控制系统硬件设计 3 1 系统硬件结构 本设计硬件结构由单片机 键盘控制模块 LCD1602液晶显示模块 电机驱动 模块等组成 3 2 系统单元电路设计 3 2 1 单片机电路 AT89C51是由CPU 片内振荡器和时钟电路 并行I O口 串行接口 存储 器 定时器 计数器 中断控制系统 两个中断优先级等构成 单片机电路原理图如图3 1所示 XTAL2 18 XTAL1 19 ALE 30 EA 31 PSEN 29 RST 9 P0 0 AD0 39 P0 1 AD1 38 P0 2 AD2 37 P0 3 AD3 36 P0 4 AD4 35 P0 5 AD5 34 P0 6 AD6 33 P0 7 AD7 32 P1 0 1 P1 1 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 P3 0 RXD 10 P3 1 TXD 11 P3 2 INT0 12 P3 3 INT1 13 P3 4 T0 14 P3 7 RD 17 P3 6 WR 16 P3 5 T1 15 P2 7 A15 28 P2 0 A8 21 P2 1 A9 22 P2 2 A10 23 P2 3 A11 24 P2 4 A12 25 P2 5 A13 26 P2 6 A14 27 U1 AT89C51 图 3 1 单片机引脚分布 3 2 2 RESPACK 8 排阻 RESPACK 8是带公共端的8电阻排 它一般是接在51单片机的P0口 因为 P0口内部没有上拉电阻 不能输出高电平 所以要接上拉电阻 2 3 4 5 6 7 8 9 1 RP1 RESPACK 8 图 3 2 RESPACK 8 引脚分布图 5 3 2 3 驱动器 L298 L298是双电源大电流功率集成电路 直接采用 TTL 逻辑电平控制 可用来驱动 继电器 线圈 直流电动机 步进电动机等电感性负载 其驱动电压可达46V 直流 电流总和可达4A 其内部具有两个完全相同的功率放大回来 IN1 5 IN2 7 ENA 6 OUT1 2 OUT2 3 ENB 11 OUT3 13 OUT4 14 IN3 10 IN4 12 SENSA 1 SENSB 15 GND 8 VS 4 VCC 9 U3 L298 图 3 3 L298 引脚分布图 3 3 独立式键盘电路模块 键盘电路采用比较简单的独立式键盘便能满足设计要求 成本低廉 编程相对简 单 4个独立按键 分别与单片机P0 0 P0 3相连 由于P1口上各位内部均接有上 拉电阻 故 外接按键的时候 我们不再接上拉电阻 键盘电路如图3 4所示 FANZHUAN JIASU STOP JIANSU ZHENGZHUAN 图 3 4 独立式键盘电路 3 4 LCD1602 液晶显示模块 3 4 1 引脚分布和接口信号说明 1 引脚分布 1602液晶显示共有16个引脚 其引脚分布如图3 5所示 6 图 3 5 1602 液晶显示模块引脚分布 2 引脚功能 1602引脚功能如表3 1所示 表 3 1 1602 引脚功能 编号符号引脚说明编号符号引脚说明 1VSSVSS 为地电源9D2Data I O 2VDDVDD 接 5V 正电源10D3Data I O 3VEE液晶显示偏压信号11D4Data I O 4RS0 输入指令 1 输入数据12D5Data I O 5R W0 写入指令或数据 1 读信息13D6Data I O 6E1 读取信息 1 0 执行指令14D7Data I O 7D0Data I O15BLA背光源正极 8D1Data I O16BLK背光源负极 3 4 2 LCD1602 显示电路 7 图 3 6 LCD 液晶显示电路 3 5 直流电机驱动模块 3 5 1 直流电机类型 直流电机可按其结构 工作原理和用途等进行分类 其中根据直流电机的用途可 分为以下几种 直流发电机 将机械能转化为直流电能 直流电动机 将直流电能 转化为机械能 直流测速发电机 将机械信号转换为电信号 直流伺服电动机 将控制信号转换为机械信号 3 5 2 直流电机工作原理 直流电机电路模型如图3 7所示 磁极N S间装着一个可以转动的铁磁圆柱体 圆柱体的表面上固定着一个线圈abcd 当线圈中流过电流时 线圈受到电磁力作用 从而产生旋转 根据左手定则可知 当流过线圈中电流改变方向时 线圈的受方向也 将改变 因此通过改变线圈电路的方向实现改变电机的方向 图 3 7 直流电动机的工作原理 A B a b c d N S 图图1 1 1 1 直直流流电电机机工工作作 8 第 4 章 直流电机控制系统软件设计 4 1 软件总体结构 系统软件主要由键盘扫描及处理模块 液晶显示程序模块 电机调速程序模块等 组成 键盘扫描及处理模块 实现按键识别 消抖及处理 用于设置电机转动状态 液晶显示模块 实现对电机状态的实时显示以及状态设置 实现人机交互 电机驱动模块 通过改变线圈电路的方向实现改变电机的方向 系统软件总体框图如图4 1所示 键盘 扫描 及 处理 程序 模块 液晶显示程序模块 电机调速程序模块 图 4 1 系统软件总体框图 直流电机控制系统初始化 9 在没有操作系统的时候 我们采用结构化程序设计思想 自顶向下 逐步求精 其系统主程序流程图如图4 2所示 系统初始化 开始 键盘扫描及 处理程序 显示刷新 数据处理 图 4 2 系统主程序流程图 4 2 系统模块程序设计 4 2 1 初始化模块程序 系统初始化软件包括二大部分 LCD1602液晶初始化 I O口初始化 主要完 成的工作是设置定时器 并初始化串口 初始化LCD液晶模块等 液晶初始化程序 首先初始化液晶控制口 选择液晶输入输出为8位位流 清屏 设定输入数据后光标右移模式 开显示无光标闪烁 无反白 最后显示正常模式下的 界面 液晶初始化程序流程图如图4 3所示 10 初始化 LCD 控 制口 开始 选择 8 位数据流 关显示 清屏 选择光标右移 开显 示 显示初始界面 结束 图4 3 LCD液晶初始化程序流程图 4 2 2 键盘扫描模块程序 键盘扫描及处理程序 主要由按键key1 按键key2 按键key3 按键key4组成 1 Key1为循环选择键 用于选择要设置的电机状态项目 2 Key2为加1按键 用于设定电机的正反转 加减速和电机速度值 3 Key3为减1按键 用于设定电机的正反转 加减速和电机速度值 4 Key4为确定键 用于确定当前的电机状态为设定值 键盘扫描程序模块流程图如图4 4所示 11 开始 循环选择 键 记录按下次数 设置模式标志 光标在电机 状态处闪烁 加 1 键按 下 光标在检测 转速个位处 闪烁 减 1 键按 下 光标在设定 转速个位处 闪烁 光标在设定 转速十百位 闪烁 确定键按 下 对应项加 1 光标在检测 转速十百位 闪烁 对应项减 1 刷新显示 退出设置 结束 YES YES NO YES NO YES NO 图4 4 键盘扫描程序模块流程图 12 4 2 3 液晶显示模块程序 液晶显示程序模块包括液晶驱动程序模块和液晶显示刷新程序模块 液晶驱动程序模块主要包括液晶的写数据 写命令程序模块 通过控制液晶的控 制口线就可以实现对液晶的基本数据操作 液晶写数据和写命令程序流程图分别如图 4 5和图4 6所示 液晶显示程序模块 主要实现对输入的要发送的数据和接收到的数据的显示 以 及进入设置模式时的各种界面的的刷新显示等 开始 选择写数据 将要写的数据放 到数据总线 延时 5ms 写使能信号 有效 结束 开始 选择写命令 将要写的命令放 到数据总线 延时 5ms 写使能信号 有效 结束 图 4 5 LCD 液晶写数据程序流程图 图 4 6 LCD 液晶写命令程序流程图 4 2 4 电机调速模块程序 电机调速程序模块采用脉宽调制法实现速度控制 利用定时器0固定调速信号周 期 根据正反转标志 设定电机控制端口电平 当计数值达到设定的脉宽值时则关闭 电机运行 在第二个周期的调速信号到来时 又重新开启电机运转 依次的电机通断 切换 从而实现电机的速度控制 其调速程序流程图如图4 7所示 13 开始 电机停转 计数到 100 开电机转动 重载定时值 计数变量加 1 结束 大于脉宽值 YES NO YES 图 4 7 调速程序流程图 NO 14 第 5 章 系统仿真 直流电机PWM调制控制系统具有加速 减速 正转 反转 停止控制功能 操 作开关通过中断控制直流电机的加速 减速 正转 反转 停止控制功能 并通过 LCD液晶显示 振荡 时钟电路和复位电路由80C51单片机内部给出 直流电机转 动速度由液晶 LCD 显示 图 5 1 未按键时的仿真初始显示 图 5 2 刚按下键的仿真显示 15 图 5 3 正转时的仿真显示 图 5 4 反转时的仿真显示 图 5 5 完整的电路仿真显示 16 结束语 这次课程设计是一次非常好的锻炼机会 历时二个星期左右 通过这两个星期的学 习 发现了自己的很多不足 自己的知识不怎么牢固 自己的实践经验更是缺乏 理 联系实际的能力还急需提高 课程设计这个过程我感觉有点辛苦 但是我明白技术学到了也许会忘记 学习的 方法学到了 是一辈子的财富 同时这段时间也是值得回忆的 由刘老师给我们上课 给我们解决问题 现在看看自己以前学的一点东西 学了都有将近两个月了 可我还 是一个新手 这次学习让我知道了 只要想学 两个星期就够了 关键是有没有毅力 和压力 自学的更是这样的 没有周围人的压力 就要自己去找压力 现在学到的东 西 在以后的工作中一定也会学到 它在书本上是学不来的 一定要自己经历了 在 实践中才学到 有时候失败与成功仅是一点点的距离 贵在坚持 很多人都是被这一小小差距二淘汰 在生活学习中我们应当本着积极乐观的态度去看待我们身边的每一件事 理性的去思 考问题 千万莫因为自己的消极态度而失去大好机会 就像课程设计中 有时候仅因 为一个参数或者一个点的问题 而不能得到预期的结果 因此 我在这次的课程设计 中我获益匪浅 17 致谢 经过长期的忙碌 本次课程设计已基本完成 作为一个学生 由于缺乏经 验及对知识的掌握不牢固 导致许多方面考虑不周全 幸好得到了指导老师刘 老师的督促和同学们的帮忙 才能够顺利完成了这次课程设计 在这里 我要 先感谢我的指导老师刘老师 是他对我们的细心指导 以及对设计各方面提供 的宝贵意见 帮我解答了许多疑问 还要感谢同学对我的帮助 因为他们 我 才顺利完成了我的设计 最后 感谢我的母校为我提供了这么一个优良的学习 环境 培育我成长起来 18 参考文献 1 谢辉 单片机原理及应用 J 基于单片机电机控制设计 2010 10 246 253 2 何立民 单片机与嵌入式系统应用 J 基于电机的控制系统设计 2007 3 51 53 3 江世明 黄同成 单片机原理及应用 J 单片机应用系统的设计 2010 8 231 239 4 潘新民 王燕芳 微型计算机控制技术实用教程 M 电子工业出版社 2007 118 119 19 附录 直流电机控制程序 ORG 0000H SJMP DISPLAY ORG 0003H LJMP BUTTON 外部 0 中断入口地址 ORG 000BH LJMP DINGSHI 定时中断T0入口地址 RS EQU P3 0 RW EQU P3 1 E EQU P3 4 ORG 0030H DISPLAY SETB EA 打开中断总开关 SETB EX0 打开外部中断 0 开关 SETB IT0 打开外部中断 0 下降沿触发 MOV TMOD 01H 设置定时工作方式 MOV TL0 0FFH 设置定时初值 MOV TH0 0FFH SETB ET0 打开定时中断T0开关 CLR P0 5 CLR P0 6 CLR P0 7 SETB TR0 定时器T0开始定时 MOV DPTR TAB 夜晶显示的字符首地址 MOV R0 00H 脉宽的初值 MOV R1 16 SET SPEED PLEASE的字符个数 MOV R3 00H MOV R4 00H LP9 20 LCAL CHUSHI LP2 ACALL BUSY MOV A 00H MOVC A A DPTR MOV P1 A ACALL DATAS INC DPTR DJNZ R1 LP2 LP3 CJNE R3 00H LP4 CJNE R4 00H LP4 SJMP LP3 LP4 MOV R7 00H 中断的标志 MOV R5 09H CURRENT的字符个数 ACALL BUSY MOV P1 0C0H ACALL ENABLE MOV DPTR MMTAB ACALL BUSY LP5 MOV A 00H MOVC A A DPTR MOV P1 A INC DPTR ACALL DATAS ACALL BUSY DJNZ R5 LP5 MOV DPTR STAB MOV A R2 21 MOV P1 A ACALL DATAS ACALL BUSY MOV A R3 显示速度的十位 MOVC A A DPTR MOV P1 A ACALL DATAS ACALL BUSY MOV A R4 显示速度的个位 MOVC A A DPTR MOV P1 A ACALL DATAS 使夜晶始终显示当前电机的速度 LP8 CJNE R7 00H LP7 速度不变时等待 LJMP LP8 速度变时重新读入速度 LP7 SJMP LP4 CHUSHI 使夜晶显示的一些初始设置 ACALL BUSY MOV P1 00000001B 清屏并光标复位 ACALL ENABLE ACALL BUSY MOV P1 00111000B 设置显示模式 8位2行5x7点阵 ACALL ENABLE ACALL BUSY MOV P1 00001111B 显示器开 光标开 光标允许闪烁 ACALL ENABLE ACALL BUSY MOV P1 00000110B 文字不动 光标自动右移 ACALL ENABLE ACALL BUSY 22 MOV P1 80H 写入显示起始地址 ACALL ENABLE RET ENABLE SETB E 写入控制命令的 CLR RS CLR RW CLR E RET DATAS SETB E 写入数据子程序 SETB RS CLR RW CLR E RET BUSY CLR E 准备写入数据 MOV P1 0FFH CLR RS SETB RW SETB E JB P1 7 BUSY RET ORG 2000H DINGSHI CPL P0 7 定时中断服务程序 JNB P0 7 Z1 周期一定 MOV A 0FFH SUBB A R0 MOV TH0 A SETB TR0 23 RETI Z1 MOV TH0 R0 脉宽 SETB TR0 RETI BUTTON PUSH AC