减速直流电机角度控制器.doc

设计综合性实验报告 课程名称 减速直流电机角度控制 院 系 电子工程与自动化学院 专 业 自 动 化 学生学号 0800320232 学生姓名 伍仲明 指导教师 李 平 赵 学 军 龙 超 2011 年 9 月 18 日 1 摘 要 在工业生产过程中 减速直流电机角度控制器能实现控制生产流程 控制器械精 度并可实现精确的检测与调度工作 同时它也有简单易操作 界面友好快捷的特点 对于工业生产也起到了提高生产效率的作用 本论文介绍了基于 STC12 系列的单片机的减速直流电机角度控制器的设计 电动 机角度控制可以应用于很多自动化设备的控制 它是以 STC12C5A60S2 作为主要控制芯 片 采用 4 个功率 N 型 MOS 管构成 H 桥对减速直流电动机进行正反转控制 采用电位 器与电动机的同轴连接对电动机的转角进行测量与控制 关键词 自动化控制技术 单片机 减速直流电动机 同轴连接 测量与控制 Abstract In the industrial production process the slow realization of DC motor controller can control the angle of the production process control equipment and to achieve accurate detection accuracy and scheduling work It also has a simple and easy to operate user friendly and fast characteristics for the industrial production also played a role in improving production efficiency This paper describes the series of microcontrollers based on the deceleration STC12 DC motor controller design point of view the motor angle control can be used in a lot of automated equipment control it is STC12C5A60S2 as the main control chip using four power N type MOS tube form H Bridge on the reversing gear DC motor control using potentiometer and motor angle coaxial connector on the motor to measure and control Key words Automation and control technology SCM DC motor deceleration Coaxial connectors Measurement and Control 1 目 录 引言 2 2 硬件电路原理及设计 2 2 1 主控系统的设计 2 2 1 1 单片机 STC12C5A32S2 介绍 3 2 1 2 主控系统各部分电路设置 4 2 1 3 下载电路与通信电路介绍 4 2 2 电机 H 桥驱动电路的设计 7 2 2 1 驱动电路 H 桥的组成 7 2 2 2 集成电路 IR2111 应用介绍 8 2 2 3 直流电机 PWM 控制原理 9 2 3 减速直流电机的简介 10 2 4 电机转动角度检测 10 2 4 1 单圈电位器介绍 11 3 程序设计 11 3 1 电机控制信号的产生 12 3 1 1 利用定时器 0 产生 PWM 信号 13 3 2 A D 数据采集程序设定 14 3 3 串口通信程序设计 15 4 系统调试 17 4 1 静态调试 17 4 2 动态调试 18 6 结论 20 谢 辞 20 参考文献 1 附 录 1 2 引言 控制技术是在是在上世纪 20 年代建立了以频域法为主的经典控制理论后发展起来 的 控制技术首先在工业生产中得到了广泛的应用 在空间技术发展的推动下 50 年 代又出现了以状态空间法的现代控制理论 使控制技术得到了广泛的发展 产生了更 多的应用领域 60 年代以来 随着计算机技术的发展 控制技术走向了自动化的方向 随着计算机技术的日渐成熟 自动化控制技术与计算机的结合已经成为必然 用计算 机控制所有机械的运行才能减少劳动力的浪费 本文介绍的减速直流电机角度控制器主要控制核心为 STC12 系列的单片机 并搭 配用功率 MOS 管组建成的 H 桥驱动电机正反转 将减速直流电机的输出轴与单圈电位 器的轴连接好 利用电位器可以进行角度测量 设计 H 桥功率驱动电路 采用 PWM 驱 动电动机正反转 设计控制器实现 0 180 度角度控制 控制精度 1 度 通过键盘进行 角度设置 实际角度可以实时显示 2 硬件电路原理及设计 减速直流电机角度控制器主要是以单片机为核心 结合 H 桥驱动电路 电压检测 来完成所需功能 总体系统框图如图 2 1 所示 图 2 1 系统总框图 2 1 主控系统的设计 在智能化仪器仪表中 控制核心均为微处理器 而单片机以高性能 高速度 体 积小 价格低廉 稳定可靠而得到广泛应用 是设计智能化仪器仪表的首选微控制器 单片机结合简单的接口电路即可构成单片机最小系统 它是智能化仪器仪表的基础 也是测控 监控的重要组成部分 在单片机性能与设计需求的综合考虑下 本设计选 择了 STC12C5A32S2 单片机作为主控芯片 主控系统还包括了由晶振组成的外部振荡电 路和开关复位电路的设计 四个测试用的按键 四个指示与测试用发光二极管和一个 减速直流 电机 H 桥 驱动电路 单片机 主控系统 PC 机 控制 检测旋转角度 协议转换 模块 3 七段四位共阴数码管 主控系统如图 2 2 P10 1 P11 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 P17 8 P30 RXD 10 P31 T XD 11 P32 INT 0 12 P33 INT 1 13 P34 T 0 14 P35 T 1 15 P36 WR 16 P37 RD 17 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 RST 9 X TA L 2 18 X TA L 1 19 G ND 20 PSE N 29 A LE 30 E A 31 V CC 40 P07 32 P06 33 P05 34 P04 35 P03 36 P02 37 P01 38 P00 39 STC12C5A60S2 U 1 R6 R 10K C3 C 10UF K 7 A J V CC G ND RST RST T 2 22 1184M HZ C1 C 30PF C2 C 30PF G ND X TA L 1 X TA L 2 X TA L 2 X TA L 1 G ND V CC P20 P21 P22 P23 P24 P25 P26 P27 A A B B C C D D E E F F G G H H S4 S4 S3 S3 S2 S2 S1 S1 L S1 L ED 4 P00 P01 P02 P03 P04 P05 P06 P07 1 2 3 4 5 6 7 8 9 J3 RM 4 7k P10 P11 P12 P13 P14 P15 P16 P17 P30 P31 P32 P33 P34 P35 P36 P37 V CC K 1 A J K 2 A J K 3 A J K 4 A J G ND D 2 L ED D 4 L ED V CC V CC R4 R 300 R2 R 300 P00 P01 P02 P03 P04 P05 P06 P07 P24 P25 P26 P27 P35 P37 P10 P11 P12 P13 AK D 1 L ED V CC R1 R 300 P34 D 3 L ED V CC R3 R 300 P36 1 2 J4 Z HE N G FAN 1 2 3 J5 A D IN V CCG ND V CC R8 10K R9 10K 图 2 2 主控系统电路图 2 1 1 单片机 STC12C5A32S2 介绍 STC12C5A60S2 系列单片机是宏晶科技生产的单时钟 机器周期 1T 的单片机 是高 速 低功耗 超强抗干扰的新一代 8051 单片机 指令代码完全兼容传统 8051 但速度快 8 12 倍 内部集成 MAX810 专用复位电路 2 路 PWM 8 路高速 10 位 A D 转换 250K S 即 25 万次 秒 针对电机控制 强干扰场合 另外还有以下特点 1 增强型 8051CPU 1T 单时钟 机器周期 指令代码完全兼容传统 8051 2 工作电压 5 5V 3 5V 3 工作频率范围 0 35MHz 相当于普通 8051 的 0 420MHz 4 用户应用程序空间 8K 16K 20K 32K 40K 48K 52K 60K 62K 字节等 5 片上集成 1280 字节 RAM 6 通用 I O 口 36 40 44 个 复位后为 准双向口 弱上拉 普通 8051 传统 I O 口 可设置成四种模式 准双向口 弱上拉 强推挽 强上拉 仅为输入 高阻 开 漏 每个 I O 口驱动能力均可达到 20mA 但整个芯片最大不要超过 120mA 7 ISP 在系统可编程 IAP 在应用可编程 无需专用编程器 无需专用仿真 器 可通过串口 P3 0 P3 1 直接下载用户程序 数秒即可完成一片 8 有 EEPROM 功能 STC12C5A62S2 AD PWM 无内部 EEPROM 9 独立看门狗功能 10 内部集成 MAX810 专用复位电路 外部晶体 12M 以下时 复位脚可直接 1K 电阻 4 图 2 3 STC12C5A60S2 单片机引脚图 2 1 2 主控系统各部分电路设置 振荡电路用于产生外部时钟和复位电路用于单片机系统的复位 两者是单片机系 统最常用的应用 读者可查阅相关应用书籍和资料 本文就不做累述 系统中的四位共阴数码管用于电机转动度数的显示与设置 当用 STC12 系列单片 机 P0 口驱动数码管时 需要像 8051 单片机一样 需加上 1K 到 10K 的上拉电阻来加强 P0 口的驱动能力 主控系统中的四个按键用于独立控制电机和做测试用 四个发光二极管用于测试 同时也可起到指示的作用 P1 3 口与 P1 4 口用于发送驱动电机正反转的信号 P1 2 口作为 A D 数据采集口 2 1 3 下载电路与通信电路介绍 STC12 系列的单片机与其他 STC 系列单片机一样 只需要用过串口线与电脑连接 再借助 RS232 芯片的转换 最终连到单片机上 P3 0 RXD 口与 P3 1 TXD 口 即可通过电 脑端的 STC ISP 软件控制下载 用户程序 到 STC 单片机上了 用户可自行选择使用 T1 R1 或是 T2 R2 均能正常下载 5 图 2 4 MAX232 芯片管脚图 MAX232 外围需要 4 个电解电容 C1 C2 C3 C4 是内部电源转换所需电容 其 取值均为 1 F 25V 宜选用钽电容并且应尽量靠近芯片 C5 为 0 1 F 的去耦电容 MAX232 的引脚 T1IN T2IN R1OUT R2OUT 为接 TTL CMOS 电平的引脚 引脚 T1OUT T2OUT R1IN R2IN 为接 RS 232C 电平的引脚 因此 TTL CMOS 电平的 T1IN T2IN 引脚应接 MCS 51 的串行发送引脚 TXD R1OUT R2OUT 应接 MCS 51 的串行 接收引脚 RXD 与之对应的 RS 232C 电平的 T1OUT T2OUT 应接 PC 机的接收端 RD R1IN R2IN 应接 PC 机的发送端 TXD MAX232 的用法如下 1 在 C1 和 C1 两端 C2 和 C2 两端 V 和地两端 V 和地两端分别接一个 0 1 f 105 电容 2 可以将两路 RS 232C 电平转换成两路 TTL 电平 分别从 R1IN 和 R2IN 输入 对 应从 T1OUT 和 T2OUT 输出 注意 输入和输出的逻辑值保持一致 如输入 5V 即逻辑 1 输出也是逻辑 1 TTL 电平为高电平 即 3 6V 左右 3 可以将两路 TTL 电平转换成两路 RS 232C 电平 分别从 T1IN 和 T2IN 输入 对 应从 R1OUT 和 R2OUT 输出 同样输入和输出的逻辑值保持一致 图 2 5 标准 RS 232 D 型插头 本文系统的下载电路如图 2 6 所示 6 C1 1 V 2 C1 3 C2 4 C2 5 V 6 T 2O U T 7 R2IN 8 R2O U T 9 T 2IN 10 T 1IN 11 R1O U T 12 R1IN 13 T 1O U T 14 G ND 15 V CC 16 U 3M AX 232 C4 C 104 C5 C 104C6 C 104 C7 C 104 C8 C 104 V CC G ND G ND V CC P30 P31 1 6 2 7 3 8 4 9 5 J6 D B9 G ND 图 2 6 STC 系列单片机下载电路 本文设计的系统通信电路主要通过总线驱动芯片 MAX485 来完成 该电路不仅能用 于单片机与计算机的通信 而且能用于单片机与单片机的通信 MAX485 芯片是 Maxim 公司的一种 RS 485 芯片 MAX485 采用平衡发送和差分接收 方式来实现通信 在发送端 TXD 将串行口的 TTL 电平信号转换成差分信号 A B 两路输 出 经传输后在接收端将差分信号还原成 TTL 电平信号 两条传输线通常使用双绞线 又是差分传输 因此有极强的抗共模干扰的能力 接收灵敏度也相当高 同时 最大 传输速率和最大传输距离也大大提高 如果以 10Kbps 速率传输数据时传输距离可达 12m 而用 100Kbps 时传输距离可达 1 2km 如果降低波特率 传输距离还可进一步提 高 另外 RS 485 实现了多点互连 最多可达 256 台驱动器和 256 台接收器 非常便于 多器件的连接 可实现半双工通信 图 2 7 为 MAX485 的引脚配置图 图 2 7 MAX485 引脚配置图 当要实现计算机与单片机的通信时 一般计算机上需要接上 RS 485 接口卡 然后 再用传输线连接到单片机系统上的 MAX485 芯片上 最终再与单片机相连 图 2 8 单片机与 PC 机串行通信原理图 图 PC 机RS 485 接口卡MAX485单片机 7 2 2 电机 H 桥驱动电路的设计 本文设计的 H 桥驱动电路是用四个 N 型功率场效应管 IRF540 来搭建 并配以两个 功率场效应管半桥驱动芯片 IR2111 作为外围驱动电路 Q 1 IRF540 Q 2 IRF540 Q 3 IRF540 Q 4 IRF540 M 1 D C M OT O R 12V G ND IN 2 L O 4 N C 5 V s 6 H O 7 V b 8 U 2IR2111 IN 2 L O 4 N C 5 V s 6 H O 7 V b 8 U 3 IR2111 12V C2 C 104 12V C3 104 R1 20 R2 20 R4 20 R3 20 Q 5 8050 G ND 12V R6 R 5 1K Q 6 8050 G ND 12V R5 R 5 1K 1 2 J1 Z HE N G FAN D 5 4148 D 6 4148 图 2 11 电机 H 桥驱动电路图 2 2 1 驱动电路 H 桥的组成 H 桥驱动电路是典型的控制电机正反转的电路 该电路可以用三极管或 P 和 N 型功 率场效应管 简称 MOS 管 来搭建均可 相对于普通三极管 MOS 管由于结构和原理的不 同 导通电阻远比普通三极管低 允许流过更大的电流 而且 MOS 管都内置有反向二 极管来保护管子本身 所以采用 MOS 管连接 H 桥不但效率可以提高 电路也可以简化 所以本文作者选用了四个 N 型 MOS 管 IRF540 来组成基本的 H 桥驱动电路 Q 1 IRF540 Q 2 IRF540 Q 3 IRF540 Q 4 IRF540 M 1 D C M OT O R 12V G ND 图 2 12 H 桥驱动基本电路 由图 2 11 可知 要使直流电机运转 必须导通对角线的一对 MOS 管 根据不同 MOS 管对的导通情况 可以得出正转 反转和停止三种电机状态 当 Q1 与 Q4 导通 Q2 与 Q3 截止时 图中的直流电机上的电流从左流向右 此时电机正转 当 Q2 与 Q3 导通 Q1 与 Q4 截止时 图中的直流电机上的电流从右流向左 此时电机反转 当 Q1 Q2 8 Q3 和 Q4 四个 MOS 管同时截止时 电机上无电流通过 电机停止运转 表 2 1 电机运行状态表 Q1Q2Q3Q4电机运行状态 导通截止截止导通正转 截止导通导通截止反转 截止截止截止截止停止 如今市面上已有很多封装好的 H 桥集成电路 相对于用分立元件制作的 H 桥要简 易很多 只要接上电源 电机和控制信号就可以使用了 在额定的电压和电流内使用 非常方便可靠 比如常用的 L293D L298N TA7257P 和 SN754410 等 2 2 2 集成电路 IR2111 应用介绍 IR211l 是功率 MOSFET 和 IGBT 专用栅极驱动集成电路 可用来驱动工作在母线电 压高达 600V 的电路中的 N 沟道功率 MOS 器件 采用一片 IR 211l 可完成两个功率元件 的驱动任务 其内部采用自举技术 使得功率元件的驱动电路仅需一个输入级直流电 源 可实现对功率 MOSFET 和 IGBT 的最优驱动 还具有完善的保护功能 IR2111 典型 应用电路如图 2 13 所示 图 2 13 IR2111 典型应用电路 图中上管是指接到高电压端的 N 沟道 MOSFET 或 IGBT 注意应外接或内置保护 续 流二极管 下管是指接到低电压端的 MOSFET 或 IGBT Vcc 是给 IR21ll 供电的电源 以 15V 为最佳 Vcc 降低至 10V IR2111 也能工作 但会增加 MOSFET 或 IGBT 的开关损耗 IN 是控制信号的输入端 输入等效电阻很高 可直接连接来自微处理器 光耦或 其它控制电路发出的信号 逻辑输人信号与 CMOS 电平兼容 在 Vcc 是 15V 时 O 6V 的电压为逻辑 0 6 4 15V 的电压为逻辑 1 输入端电压为逻辑 1 时 IR2111 输出端 H0 输出高电平 驱动上管 输出端 L0 输出低电平 关闭下管 输入端电压为逻辑 0 时 情 况正好相反 IR2111 内部设置了 650ns 的死区时间 Deadtime 可防止上下管直接导 9 通造成短路事故 COM 是接地端 直接和下管 MOSFET 的源极 S 或 IGBT 的发射极 E 相连 HO LO 分别是上 下管控制逻辑输出端 逻辑正时输出典型电流为 250mA 逻辑负 时输出典型电流为 500mA 输出延迟时间不会超过 130ns Vb 是为高压侧悬浮电源端 Vs 是高压侧悬浮地 它们的电位随上管的导通截止而 变化 变化幅度可高大近 600V 上 下管电容里存储的电荷 用来快速导通上 下功率管 一般使用 0 47uF 以上 的非电解电容 上管电容的充电是在下管导通或负载有电流通过时自行完成的 也称 为自举电容 充电回路是 Vcc 上管电容充电二极管 上管电容 下管或负载 COM 控制信号长时间的为逻辑 1 会导致上管电容的电荷用尽而截止上管 因而控制信号的 占空比不能为 100 上管电容充电二极管用来防止上管导通时 高压电窜入 Vcc 端损坏低压器件 也 称自举二极管 在高端器件开通时 自举二极管必须能够阻止高压 并且应是快恢复 二极管 以减小从自举电容向电源 Vcc 的回馈电荷 其反向耐压应大于功率端电压 恢复时间应小于 100ns 上 下管保护电阻的作用 是通过其延缓功率管极间电容的冲 放电速度 从而 降低不必要的高开关速度 起到保护功率管的作用 一般阻值在几个到几十个欧姆 同时本文作者在这里还要说明一下 IR2111 在使用中可能出现的问题 1 该电路在静态测试时 如果没有接负载 控制信号的输入端为逻辑 1 时 上 管控制逻辑输出端 HO 的高电位只能维持很短的时间 若输入占空比变化的脉宽调制信 号 就可以观察到 HO 的电位随占空比而变化 这是上管充电的缘故 LO 端就不会有这 个问题 2 Vs 的负过冲 当桥电路负载为感性时 上管的关断会引起负载电流突然转 换到下管的续流二极管 由于二极管开通延迟 正向压降和杂散电感会使 Vs 点负过冲 到参考地以下 在死区时间内 如果负载电路不能完全恢复 当下管器件硬开通时 会发生 Vs 负过冲或振荡 IR21ll 的 Vs 至少有抗 5V 的负过冲能力 一般不会有问题 负过冲水平超过该值 可采用 IR 公司推荐的几种方法 减小杂质参数 杂散电感 改 善耦合 减小 dv dt 等 2 2 3 直流电机 PWM 控制原理 由上文可知 两片 IR2111 芯片的控制信号输入端 IN 和 IN 如果只是单纯的输入 一个为逻辑 0 而另一个为逻辑 1 的静态逻辑信号时 电机只能抖动一下 无法正常运 作 所以我们得运用到脉冲宽度调制 Pulse Width Modulation 简称 PWM 信号 PWM 控制技术是利用半导体开关器件的导通和关断 把直流电压变成电压脉冲列 控制电压脉冲的宽度或周期以达到变压目的 或控制电压脉冲的宽度和周期以达到变 10 压变频目的的一种控制技术 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 2 3 减速直流电机的简介 减速直流电机是指减速机和直流电机的集成体 这种集成体通常也可称为齿轮马 达或齿轮电机 通常由专业的减速机生产厂进行集成组装好后成套供货 减速电机广 泛应用于钢铁行业 机械行业等 使用减速电机的优点是简化设计 节省空间 而减 速电机还有下列特点 1 减速电机结合国际技术要求制造 具有很高的科技含量 2 节省空间 可靠耐用 承受过载能力高 功率可达 95KW 以上 3 能耗低 性能优越 减速机效率高达 95 以上 4 振动小 噪音低 节能高 选用优质段钢材料 钢性铸铁箱体 齿轮表面经过高频 热处理 5 经过精密加工 确保定位精度 这一切构成了齿轮传动总成的齿轮减速电机配置 了各类电机 形成了机电一体化 完全保证了产品使用质量特征 6 产品才用了系列化 模块化的设计思想 有广泛的适应性 本系列产品有极其多 的电机组合 安装位置和结构方案 可按实际需要选择任意转速和各种结构形式 减速直流电机实物图如图 2 15 直流电机前端接的即为减速机 图 2 15 减速直流电机实物图 2 4 电机转动角度检测 对于电机角度检测本文作者采用了减速直流电机转轴与单圈电位器旋钮轴同轴连 接的方法来实现 即电机的转轴通过同轴连接可以带动电位器旋钮轴 而单圈电位器 的两端引脚分别接电源与地 电位器中间教接入到 STC 单片机 P1 6 口作为 A D 采样样 本 这样就可以通过 P1 6 口的电压变化检测出电机的转动角度了 11 2 4 1 单圈电位器介绍 用于分压的可变电阻器 在裸露的电阻体上 紧压着一至两个可移金属触点 触 点位置确定电阻体任一端与触点间的阻值 主要参数为阻值 容差 额定功率 广 泛用于电子设备 在音响和接收机中作音量控制用 电位器是一种可调的电子元件 它是由一个电阻体和一个转动或滑动系统组成 单圈电位器即是转动度数大约为 300 度的电位器 一般运用于音频功放电路中 图 2 16 单圈电位器实物图 3 程序设计 减速直流电机角度控制器的程序主要包括三部分 直流电机控制程序 A D 数据采 集程序和串口通信程序 图 3 1 为系统总程序流程图 等待角度设定值与启 动命令 电机 停 止 设定值 当前值 启动 正转 反转 Y N 设定值 当前值 N Y 初始化 图 3 1 系统程序流程图 12 3 1 电机控制信号的产生 根据驱动电路要求 控制电机正反转的信号必须为脉冲宽度调制 PWM 信号 本 文作者利用了 STC12 系列单片机的定时器 0 来产生固定占空比的 PWM 信号 下面介绍 一下单片机的定时器特点与定时器设定程序 STC12C5A60S2 系列单片机内部设置的两个 16 位定时器 计数器 T0 和 T1 都具有计 数方式和定时方式两种工作方式 对每个定时器 计数器 T0 和 T1 在特殊功能寄存 器 TMOD 中都有一控制位 C T 来选择 T0 或 T1 为定时器还是计数器 定时器 计数器 的核心部件是一个加法 也有减法 的计数器 其本质是对脉冲进行计数 只是计数脉 冲来源不同 如果计数脉冲来自系统时钟 则为定时方式 此时定时器 计数器每 12 个时钟或者每 1 个时钟得到一个计数脉冲 计数值加 1 如果计数脉冲来自单片机外部 引脚 T0 为 P3 4 T1 为 P3 5 则为计数方式 每来一个脉冲加 1 当定时器 计数器工作在定时模式时 特殊功能寄存器 AUXR 中的 T0 x12 和 T1x12 分别决定是系统时钟 12 还是系统时钟 1 不分频 后让 T0 和 T1 进行计数 当定时器 计数器工作在计数模式时 对外部脉冲计数不分频 定时器 计数器 0 有 4 种工作模式 模式 0 13 位定时器 计数器 模式 1 16 位定 时器 计数器模式 模式 2 8 位自动重装模式 模式 3 两个 8 位定时器 计数器 定 时器 计数器 1 除模式 3 外 其他工作模式与定时器 计数器 0 相同 T1 在模式 3 时无 效 停止计数 本系统用到了定时器 0 下面是用定时器 0 的模式 0 定时 1 毫秒的程序 void main void TMOD 0X00 定时器 0 工作在模式 0 TH0 0Xc6 晶振 22 1184Mhz 初值定时时间为 1 毫秒 TL0 0X0d ET0 1 定时器 0 中断允许 EA 1 中断允许 TR0 1 开定时器 0 中断 void timer0 interrupt 1 using 0 TH0 0 xc6 下次定时时间同样为 1 毫秒的初值设定 TL0 0 x0d 13 3 1 1 利用定时器 0 产生 PWM 信号 本设计系统中用到 P1 5 口和 P1 4 口作为控制电机正反装的信号发生口 当 P1 5 口输出持续高电平 P1 4 口输出 PWM 信号时 电机正转 当 P1 4 口输出持续高电平 P1 4 口输出 PWM 信号时 电机反转 PWM 信号的产生可以通过定时器 0 的定时作用来 实现 void main void TMOD 0X00 定时器 0 工作在模式 0 TH0 0Xc6 晶振 22 1184Mhz 初值定时时间为 1 毫秒 TL0 0X0d ET0 1 定时器 0 中断允许 EA 1 中断允许 TR0 1 开定时器 0 中断 zhankongbi 10 设置占空比为 10 while 1 if zhengzhuan 1 if haomiao 0 P1 4 1 P1 4 输出占空比为 10 的 PWM 信号 if haomiao zhankongbi P1 4 0 if fanzhuan 1 if haomiao 0 P1 5 1 P1 5 输出占空比为 10 的 PWM 信 号 if haomiao zhankongbi P1 5 0 void timer0 interrupt 1 using 0 TH0 0 xc6 1ms TL0 0 x0d 14 haomiao if haomiao 100 haomiao 0 每个脉冲周期为 100ms 3 2 A D 数据采集程序设定 STC12C5A60S2 系列带 A D 转换的单片机的 A D 转换口在 P1 口 P1 7 P1 0 有 8 路 10 位高速 A D 转换器 速度可达到 250KHz 25 万次 秒 8 路电压输入型 A D 可做温度检测 电池电压检测 按键扫描 频谱检测等 上电复位后 P1 口为弱上拉型 I O 口 用户可以通过软件设置将 8 路中的任何一路设置为 A D 转换 不需作为 A D 使 用的口可继续作为 I O 口使用 STC12C5A60S2 系列单片机 ADC A D 转换器 的结构如下 图 3 2 所示 图 3 2 STC12C5A60S2 单片机 ADC 的结构 STC12C5A60S2 系列单片机 ADC 由多路选择开关 比较器 逐次比较寄存器 10 位 DAC 转换结果寄存器 ADC RES 和 ADC RESL 以及 ADC CONTR 构成 本系统用单片机的 P1 6 口作为 A D 转换使用 下面是相关程序编写 void main void P1M0 0 x40 P1 6 设为高阻输入 P1M1 0 x40 P1ASF 0 x40 把 P1 6 口作为 A D 使用 ADC CONTR 0 xee 选择 P1 6 作为 A D 输入来用 delay AUXR1 ADRJ 0 10 位 A D 转换结果的高 8 位存放在 ADC RES ADC RES 0 中 低 2 位存放在 ADC RESL 的低 2 位中 15 ADC RESL 0 数据保存位清零 while 1 for q 0 q 63 q A D 转换结果取 64 次求平均值 这是为了减少纹波误差 readflow temp shiweiAD sum sum temp avg float sum 64 求 64 次 AD 转换值的平均值 avgl int avg 0 5 结果经过四舍五入处理 void readflow A D 转换子程序 ADC CONTR 0 xee 开始转换 while ADC CONTR 等待 AD 结果 ADC CONTR 0 xe6 AD 结束 shiweiAD ADC RES 4 ADC RESL 10 位 AD 的结果 3 3 串口通信程序设计 STC12C5A60S2 系列单片机具有 2 个采用 UART Universal Asychronous Receiver Transmitter 工作方式的全双工串行通信接口 串口 1 和串口 2 每个串行口由 2 个 数据缓冲器 一个移位寄存器 一个串行控制寄存器和一个波特率发生器等组成 每 个串行口的数据缓冲器由 2 个互相独立的接收 发送缓冲器构成 可以同时发送和接 收数据 发送缓冲器只能写入而不能读出 接收缓冲器只能读出而不能写入 因而两 个缓冲器可以共用一个地址码 串行口 1 的两个缓冲器共用的地址码是 99H 串行口 2 的两个缓冲器共用的地址码是 9BH 串行口 1 的两个缓冲器统称串行通信特殊功能寄存 器 SBUF 串行口 2 的两个缓冲器统称串行通信特殊功能寄存器 S2BUF STC12C5A60S2 系列单片机串行口 1 对应的硬件部分是 TxD P3 1 和 RxD P3 0 引脚 串行口 2 对应的硬件部分是 TxD2 和 RxD2 通过设置特殊功能寄存器 AUXR1 中的 S2 P4 AUXR1 4 位 串行口 2 UART2 功能可以在 P1 口和 P4 口之间任意切换 当串行 口 2 功能在 P1 口实现时 对应的管脚是 P1 2 RxD2 和 P1 3 TxD2 当串行口 2 功能在 P4 口实现时 对应的管脚是 P4 2 RxD2 和 P4 3 TxD2 16 下面的程序是本设计程序的通信部分 按照设计要求 只设计了单片机接收 void main void 串口通信初始化 TMOD 0X20 定时器 1 定义为自动装载工作模式 EA 1 TH1 TL1 0XB8 初值 256 F B 32 x 其中 X 为分频数 TR1 1 启动定时器 T1 SM0 0 工作方式 1 8 位 UART SM1 1 SM2 0 REN 1 允许串行接收 AUXR 不分频 ES 1 允许串口中断 P3 2 0 MAX485 设置为接收状态 void Uart Isr interrupt 4 using 1 串口中断 if RI jieshou ii SBUF ii if ii 5 ii 0 把字符型数据转化为整型 sbai jieshou 0 48 接收百位度数数据 sshi jieshou 1 48 接收十位度数数据 sge jieshou 2 48 接收个位度数数据 sfen jieshou 4 48 接收分位度数数据 start 1 电机启动 RI 0 作者使用了串口助手软件来实现 PC 与单片机的通信 图 3 3 为具体操作与调试界 面 图中是发送 90 5 度的具体设置 特别要注意的是数据发送格式与波特率的设定要 17 正确 图 3 3 串口助手软件操作界面 4 系统调试 在调试系统的时候必须是先在未上电的情况下进行调试 这样可以防止线路错误的 时候上电对核心部件和芯片造成损坏 造成经济上的损失与制作时间的浪费 在静态调 试完成 确认电路板各部分连接正常后才能开始对电路板进行上电操作 上电后要测 试各个主要节点的电压值和信号高低电平 然后跟理论值做对比 如有不同则要找出 其中原因 排除故障 下面来进行详细地调试说明 4 1 静态调试 静态调试第一步为目测 对每一块加工好的印制电路板要进行仔细的检查 先检 查印制线是否有断线 有无脱落现象 如果有的话就要用焊锡将其连接好 并检查是 否有印制线短接 因为有时候由于印制线间距过近腐蚀不够完全导致导线短接现象 发现短接可用刻刀将谅解的部分划掉 接着再看过孔是否有氧化现象 如果有 要将 其表面的氧化层刮去 第二步用万用表检测 因为在线路间间距较小的时候即使有短接也没发现 所以 需要借助万用表 先将万用表置于蜂鸣挡位 用两个表笔分别接在那些挨得比较近的 电路线看看是否有短路 如果发出蜂鸣声则说明有短路状况 没有蜂鸣警报声则表明 正常 接着检查电源线和地线之间是否有短路现象 焊接好元器件后先观察本没有相 连的焊点上的焊锡连接在一起 最后用万用表检测一些接点 查看他们的通断状态是 否符合要求的状态 第三步为加电源检测 特别要注意的是这项检测并不把单片机芯片加上去 加上 电源后 将万用表置于电压挡去检测所有插座和引脚两端的电压值 查看是否符合要 求的电压值 如果有大于 5V 太多 则表明不正常 因为单片机的正常工作电压为 5V 电压值超过这个值太多则有可能造成单片机无法正常工作甚至会烧坏单片机 然后去 18 检测接地端的电压值是否接近于零 如不接近零说明有短路 在这项检测中电路板正 常 没有异常 在这步测试中发现有三个问题 第一个问题是印制电路部分线路有短路现象 主 要原因是腐蚀得不够彻底 使得线路比较密集的地方没有完全隔离 有连接 用小刀 片轻轻刮去短路的连接处即可 第二个问题是在认真检查下发现电路板上的电解电容 正负极焊反 借助烙铁把焊反的电解电容取下重新正确地焊上去即解决 第三个发现 的问题是在焊接时两个距离较近的焊点的焊锡连在一块造成短路 用烙铁加热处理排 除问题 下面进行整机调试 4 2 动态调试 动态调试是用户系统工作的情况下发现和排除用户系统硬件中存在的器件内部故 障 器件间连接逻辑错误等的一种硬件检查 动态调试一般是由近及远 由分到合 首先按逻辑功能将用户系统硬件电路分若干块 进行分块调试 当各块电路调试无故 障后 将各块电路逐块加入系统中 再对各块电路功能及各电路间可能存在的相互联 系进行试验 首先作者检测的是单片机最小系统模块是否能正常工作 上电后指示灯亮电源连 接正常 用单片机程序加载器给单片机加载程序 加载成功 串口下载模块工作正常 第二步是检测数码管显示模块是否工作正常 将数码管安装好后载入相关程序由单片 机控制数码管显示 使数码管四位数分别显示 1234 经检测显示模块工作正常 第三 步检查按键和指示灯 通过编辑简单的测试程序 使每个按键控制一个发光二极管的 亮灭 此步骤中作者发现了其中一个按键由于弹性不足已无法正常使用 重新安装上一 个新的后第三步的部件完全正常 第四步测试单片机与计算机的通信 通过一个已购 买好的 USB 转 485 电路模块让 PC 机与单片机最小系统相连 然后设置好相应的串口通 信波特率 则可以用串口助手等软件发送简单的字符或数字给单片机 用程序设定如 若单片机接收到数据则显示在数码管上 数码管能显示计算机发送的数字 则表示通 信模块工作正常 经过以上四步的检查 既能确保本设计的主控系统工作状况正常 然后再来检测 H 桥驱动电路是否能正常工作 把单片机最小系统模块和 H 桥驱动 电路连接在一起 并将电机安装上去 把事先编好的驱动减速直流电机先后进行正反 转的程序下载到单片机中 测试系统是否能使电机正常运转 在这一步中我上电并给 予有效的持续高电平信号后发现电路不能驱动马达正常运转 只是上电一刹那电机有 一次快速的抖动然后就不能运转了 通过示波器检测发现 在 H 桥驱动电路中 高端 MOS 管没有被驱动 而低端 MOS 的 G 端信号正常 因而桥没有被导通 更换信号方向 另外半桥仍然出现相同的现象 本人开始怀疑是 IR2111 的自举电容的问题 于是实验 了不同的电容值 但无论怎么变换 问题仍然没有被解决 然后用示波器开始研究高 端 MOS 的 G 端驱动电压波形 发现在 EN 端为高的初期 高端 MOS 的驱动电压突然升至 19 比 VCC 高 10V 此时强推动作用起效 但随着时间的流逝 该电压逐渐衰减为 VCC MOS 的导通程度越来越不完全 也就是说 用持续的高电平信号来驱动 MOS 管会 导致 MOS 管不能被完全导通 直流电机也无法工作 经认真查阅 IR2111 的典型电路应 用我发现 使用 PWM 信号则可以解决这个问题 它使自举电容反复充电放电 使高端 驱动电压始终维持在一个比较高的水平 倘若想让马达全速前进 不能使用持续的高 电平 而需要用 3 左右占空比的 PWM 这是驱动 IR2111 与驱动 L293D 等全桥芯片的最 大差别 不同的自举电容值适应于不同频率的 PWM 信号与不同的 MOS 管 电容值大的 充电和放电时间都比较大 电压衰减得也比较慢 因而适合较低频率的 PWM 信号 电 容值小的充电放电时间比较短 适合于较高频率的 PWM 信号 经过多次分析和程序的 修改 作者终于成功驱动直流电机正常运转 以及实现电机的正反转 至此 整块电路的调试也就完成 其中遇到的问题都是比较典型 通过发现 分 析以及解决这些问题使得我对整个设计有了更深一步的认识 1 纹波电压影响 众所周知 纹波就是一个直流电压中的交流成分 直流电压本来应该是一个固定 的值 但是很多时候它是通过交流电压整流 滤波后得来的 由于滤波不干净 就会 有剩余的交流成分 即使是用电池供电也会因负载的波动而产生波纹 事实上 即便 是最好的基准电压源器件 其输出电压也是有波纹的 所以由于纹波电压的无法彻底消除 本系统中 A D 数据采集得到的数据就会是时 刻跳动的 导致系统得到的数据反馈有偏差 误差就出现了 具体减小此影响的方法是增强电路滤波能力 硬件滤波为在 A D 数据采集通道加 入对应的 LC 滤波电路 软件滤波为在 A D 数据采集时采集多次数据求平均值 2 硬件设计精度影响 本文设计的系统所用的单片机自带的 A D 数据采集功能为 10 位 A D 由于电机与 电位器同轴连接 所以电机转动 180 度只占单圈电位器 300 度的 60 经过计算 理论 上电机每转动 1 A D 值需要增加 3 41 左右 又由于 A D 值不存在小数 所以误差随 之就会产生了 具体减少该影响的方法为电路 A D 数据采集改用更高位数的 A D 转换器 理论上 位数越高精度越高 误差也就越小 3 仪器的影响 由于客观条件的影响 作者没有较为精确的校准仪器和量具 所以初始化校准和 系统模型的制作的过程中都会存在很多不规范的问题 从而导致了误差的产生 建议有条件的读者可以用专业机械仪器和相关量具来制作相关模型 以及做好各 部件的校准 从而达到尽可能减小误差的目的 20 6 结论 之所以选择这个课程设计题目是因为我曾经做过的一些作品也是与直流电机有关 的 所以不至于面对题目无从着手 但是这个题目也让我涉足了很多没涉足过的领域 如数 模数据转换和采集 串口通信和脉冲宽度调制等 所以在设计的最终方案制定前 我也查阅了很多的资料 和多次咨询了导师的意见 电路原理的了解是最重要的部分 所以我查找以及阅读了很多相关的资料和书籍 准备工作充分 由于之前也参加的电子大赛 所以我比较熟悉 Protel 99 SE 的操作 在确定方案以及各模块的设计后 绘制原理图和 PCB 图对于我来说就不是什么大问题 了 然后就是打印 热转印 腐蚀 钻孔 焊接了 虽然实验室的设备存在很多问题 让我的电路板做坏了一块 但我还是克服了困难认真做好每一步 最终把主控电路和 H 桥驱动电路顺利完成 而我用到的一些元器件在学校附近无法买到 只能上网去购 买 硬件出来后 经过我一步步的检测与调试 主控系统成功运作 而 H 桥驱动电路 却无法驱动直流电机运作 检查了几天之后我才发现原来是我没认真阅读芯片资料 然后做了小修改之后直流电机就成功运转了 通过这件事能告诫我往后做电子的开发 工作时候一定要阅读清楚各芯片的规格书 经检查再经过改进和调试 终于完成了设 计的所有要求 这也要感谢赵老师的多次指导以及同学的帮助 方案的设计以及程序的调试一度让我焦头烂额 但是最终还是把难题一一攻破 这是也是一个自我提升的过程 这一次毕业设计可以说又一次大大了提高了我的独立 思考能力和动手能力 保持谦逊的学习态度是成功的一个重要因素 这是我在这次课程设计中得到的宝 贵的启示 因为术业有专攻 每个人都有自己擅长与精通的一面 自己要怀着一种空 杯心理去向他们学习 大家互相交流 让不同的思想得到撞击与融汇 这样每个人都 会受益匪浅的 这次实训中 我和同学们互相交流 互相学习 让不少问题迎刃而解 的同时也增长了我们的知识 谢 辞 在课程设计完成之际 我要特别感谢指导老师的热情关怀和悉心指导 老师们倾 注了大量的心血和汗水 无论是在选题 构思和资料的收集方面 还是在方案的确定 和问题的解决 我都得到了悉心细致的教诲和无私的帮助 在此表示真诚地感谢 最后 向在百忙中抽出时间对本文进行评审并提出宝贵意见的各位专家表示衷心 地感谢 桂林电子科技大学毕业设计说明书用纸 第 1 页 共 40 页 参考文献 1 孙浩 张燕 直流电机闭环控制系统 J 科技资讯 2010 2 王之道 周靖 一种基于 AT89C2051 单片机的直流电机