智能电机转速控制显示系统设计

天津理工大学 计算机与通信工程学院 课程设计 2012 年 5 月 电子技术课程设计电子技术课程设计 题目 题目 智能电机转速控制显示系统设计 学学 院院 计算机与通信工程学院 专专 业业 学学 号号 姓姓 名名 Lei Ke 指导老师指导老师 leikeleike 2 摘摘 要要 当今社会 电动机在工农业生产与人们日常生活中都起着十分重要的作用 直流电机作为最常见的一种电机 具有非常优秀的线性机械特性 较宽的调速 范围 良好的起动性以及简单的控制电路等优点 因此在社会的各个领域中都 得到了广泛的应用 我希望通过对电子电路设计及制作课程设计等环节 力求 达到以下作用和目的 即进一步掌握模拟数字电子技术的理论知识 培养工程 设计能力和综合分析问题 解决问题的能力 基本掌握常用电子电路的一般设 计方法 提高对电子电路的设计和实验能力 熟悉并学会使用电子元器件 为 以后从事生产和科研工作打下一定基础 以下设计是以单片机为核心设计一个电动机转速测定以及数据显示系统 要求对转速范围在 0 166r min 的直流调速电动机进行测量并显示 转速数据 显示精度要达到转速个位数和加速 减速 定速 电机正转和反转的实时控制 本设计使用 12V 直流电机 将直流电机测速装置产生的脉冲信号输入到单片机 外部中断 0 口 单片机工作在内部定时器工作方式 0 对周期信号进行计数 调用计算公式计算出每秒的转速 调用显示程序在数码管上 其主要内容是单 片机部分主要完成转速的测量 数码管显示部分主要把转速显示出来 显示范 围在 0 166r min 之间 关键词 直流电机 单片机 转速控制 数据显示 3 目目 录录 摘 要 2 目录 3 1 引 言 4 2 总体设计 5 2 1 基本原理 5 2 2 系统总体框图及设计思路 6 3 详细设计 6 3 1 硬件设计 7 3 2 软件设计 8 3 2 1 程序设计思路 8 3 2 2 程序流程图 9 3 2 3 程序代码 11 4 系统调试及分析 15 5 心得体会 16 参考文献 17 4 1 引言 电子计技术的高速发展 促使直流电动机逐步从模拟化向数字化转变 特 别是单片机技术的应用 使直流电机调速技术进入到一个新的阶段 直流电动 机具有良好的起动 制动性能 宜于在大范围内平滑调速 在许多需要调速或 快速正反向的电力拖动中得到广泛应用 从控制角度来看 直流调速还是交流 拖动系统的基础 早期直流电动机的控制以模拟电路为基础 采用运算放大器 非线性集成电路以及少量的数字电路组成 控制系统的硬件部分非常复杂 功 能单一 而且系统非常不灵活 调试困难 随着单片机技术的日新月异 使得 许多控制功能以及算法可以采用技术来完成 为直流电机的控制提供了更大的 灵活性 并使系统能达到更高的性能 在传统的生产行业中 经常会遇到需要测量转速的场合并且显示其转速及 瞬时转速 在现代化的工业生产过程中 为了实现各种生产工艺过程 需要各 种各样的生产机械 拖动各种生产机械运转 可以采用气动 液压传动和电力 拖动 由于电力拖动具有控制简单 调节性能好 损耗小 经济 能实现远距 离控制等一系列优点 因此大多数机械都采用电力拖动 按照电动机的种类不 同 电力拖动系统分为直流电力拖动和交流电力拖动两大类 早期的生产机械如通用机床 风机 泵等不要求调速或调速要求不高 以电磁式电器组成的简单交 直流电力拖动即可以满足 随着工业技术的发 展 对电力拖动的静态与动态控制性能都有了较高的要求 具有反馈控制的 直流电力拖动以其优越的性能曾一度占据了可调速与可逆电力拖动的绝大部 分应用场合 自 20 年代以来 可调速直流电力拖动较多采用的是直流发电 机 电动机系统 并以电机扩大机 磁放大器作为其控制元件 电力电子器件 发明后 以电子元件控制 由可控整流器供电的直流电力拖动系统逐渐取代 5 了直流发电机 电动机系统 并发展到采用数字电路控制的电力拖动系统 这 种电力拖动系统具有精密调速和动态响应快等性能 这种以弱电控制强电的 技术是现代电力拖动的重要特征和趋势 交流电动机没有机械式整流子 结构简单 使用可靠 有良好的节能效果 在功率和转速极限方面都比直流电 动机高 但由于交流电力拖动控制性能没有直流电力拖动好 所以 20 世纪 以来 在可逆 可调速与高精度的拖动技术领域中 相当时期内几乎都是采 用直流电力拖动 直流电动机作为执行机构被广泛应用于各类控制系统中 其驱动与转速 精度是电动机能够稳定工作的关键 为此 提出了一种直流电机驱动与转速 测量系统的设计方法 利用电子信息技术改造传统产业 可以提高生产效率 如果应用现代化手段对电机转速进行科学改变 精确测量 并辅以数码显示 超速报警等装置 对工业 生活中的一些旋转设备的速度以及需要控制其速 度的仪器和用品加以控制和测量 会给生产和生活带来很大的方便 随着计 算机的广泛应用 特别是高性价比的单片机的出现 转速测量普遍采用了以 单片机为核心的数字化 智能化 本设计以单片机为中心 霍尔传感器为测量元件 全数字化的测速仪器 这在工业控制和民用电器中都有较高的价值 转速是工程中应用非常广泛的 一个参数 其测量方法很多 而模拟量的采集和模拟处理一直是转速测量的 主要方法 本文的研究任务是研究电动机转速测定系统的设计 通过对 AT89C51 相关芯片的了解 实现对该系统的硬件与软件的设计 以单片机为 核心器件 单片机通过对负脉冲计数 可计算出电机的转速 在超高时 低 速限时 有报警显示 其优点是硬件电路简单 软件功能完善 测量速度快 精度高 控制系统可靠 性价比较高等优点 2 2 总体设计总体设计 2 1 基本原理 本设计以单片机为核心设计一个电动机转速测定以及数据显示系 统 要求对转速范围在0 166r min的直流调速电动机进行测量并显 6 示和加速 减速 定速 电机正转和反转的实时控制 转速数据显 示精度要达到转速个位数 本设计使用12V直流电机 将霍尔传感器 产生的脉冲信号输入到单片机外部中断0口 单片机工作在内部定时 器工作方式0 对周期信号进行计数 调用计算公式计算出转速 调 用显示程序在LED上 其主要内容是单片机部分主要完成转速的测量 LED显示部分主要把转速显示出来 显示范围在0 166r min之间 2 2 系统总体框图及设计思路 控制信息 转速显示 电机控制数据 转速数据 总体设计思路 本设计利用单片机灵活的编程设计和丰富的 IO 端口 及其控制 的准确性 实现电机的调速 定速 正反转 显示速度控制 用按 键控制单片机的 P3 6 3 7 RST 接口 再通过单片机控制直流电机 驱动来实现直流电机的调速和定速的功能 然后直流电机将转速信 息回传给单片机 最后单片机把转速信息发送给数码管驱动 来控 制数码管上显示速度信息 用外围电路控制电机的正反转 电机状态控制按键 直流电机电路 单 片 机 显示数码管 7 3 详细设计 3 1 硬件设计 硬件原理如图 1 所示 图 1 中 直流电机通过 L298 进行驱动 直流电机的 ENA 引脚 与单片机的 P3 5 T1 相连 T1 传送出 PWM 脉冲 电机速度反馈 送回单片机的 P3 2 也就是 INT0 中断引脚 按键分为电机加速 减速 正转 反转 定速 5 种 加速按键 和减速按键分别与 P3 6 P3 7 RST 相连 而正反转方向控制则通 过拨动控制 其输出通过反相器反相后与电机驱动芯片 L298 的 IN1 相连 显示数码管选用的是 6 位一体的 7 段共阳数码管 数码管显示 数据由单片机 P1 口来传送 数码管各位的片选线是分别由单片机的 P0 0 P0 5 通过总线驱动芯片 74LS245 来完成的 8 图 1 3 2 软件设计 1 设计思路分析 根据前面的设计任务分析 可知本设计的软件程序应完成如下 功能 首先 由定时器 T1 产生定是中断 从而产生 PWM 脉冲控制电 机转动 其次 计算电机的转速 并产用于数码管上显示的转速显示数据 送至数码管显示 显示每隔 1s 更新一次 然后 检测加速与减速按键的动作 并按照按键情况来响应需 求 9 2 程序流程图 Y N Y N N Y 开启中断 设置中断出发装置 和中断优先级 设置定时初值 转速获取标志等于 1 计算转速 转速获取标志 0 显示转速 加速按键动作 延时消抖 速度等级加 1 减速按键动作 延时消抖 速度等级减 1 10 定时器 1 中断服务子程序流程图 速度子程序流程图 PWM 1 定时计数初值设置 PWM 转速调速 计数时间到达 1 开中断 返回 速度值转换成显示数据 传送数码管片选信号 传送显示数据 片选显示位清零 11 C51 源程序 include include define uchar unsigned char define uint unsigned int define ON 0 define OFF 1 define PWM RANK 20 define TIMER BASE 1000 bit FLAG 0 bit FLAG1 0 sbit PWM P3 5 sbit MP P3 2 sbit SPEED UP P3 6 sbit SPEED DOWN P3 7 uchar speed 8 uchar code dispbit 6 0 x20 0 x10 0 x08 0 x04 0 x02 0 x01 uchar code seg 0 xC0 0 xF9 0 xA4 0 xB0 0 x99 0 x92 0 x82 0 xF8 0 x80 0 x90 uchar disbuf 6 0 0 0 0 10 10 uint temp 6 uint discount 0 uint timecount 0 uint T0count 0 uint count store 0 uint time 0 time1 0 uint st 2 uint st1 2 12 uint x uint mx minx uint n j b 主程序 void show void main 定时器初始化 char tt TMOD 0 x11 EX0 1 IT0 1 IP 0 x05 TH1 65536 TIMER BASE 256 设置定时器初始值 TL1 65536 TIMER BASE 256 TH0 65536 TIMER BASE 256 TL0 65536 TIMER BASE 256 TR1 1 ET1 1 TR0 1 ET0 1 EA 1 while 1 在这里循环 if FLAG 1 如果转速标志开启 mx st 0 st 1 计算前一秒的转速 FLAG 0 关闭转速获取 13 x mx 获取转速 单位为 r s 在数码管前三位显示 if FLAG1 1 minx st1 0 st1 1 FLAG1 0 配置 b minx 60 秒延时 在 t0 中设置参数 b minx 12 5 秒延时 获取转速 单位为 r min 在数码管前三位 显示 在 t0 中设置参数 show 显示 if SPEED UP 按键加速判断 for tt 0 tt 100 tt 用于消除抖动 显示 show if SPEED UP 在次判断按键是否按下 用于硬件 软 件仿真不会产生消抖 while SPEED UP 等待按键松开 if speed 20 speed speed 是控制占空比 if SPEED DOWN 按键减速判断 同上 for tt 0 tt0 speed void outside0 interrupt 0 外部中断 0 T0count 电机转一周 T0count 加 1 T0 void t0 serv interrupt 1 T0 定时器 TH0 252 TL0 24 if time1 54000 显示延时 60s if time1 5000 显示延时 5s FLAG1 1 st1 1 st1 0 把前 5 秒的 Tocount 值给 st1 1 st1 0 T0count 获取当前 t0count 值 time1 0 else time1 没到 5 秒继续 15 T1 中断 void t1 serv interrupt 3 T1 实现 pwm 调速 TR1 0 PWM 1 TH1 252 需要重装初值 TL1 24 time if time 20 speed PWM 1 实现 pwm 调速 else PWM 0 实现 pwm 调速 if time 890 1 如果时间间隔 1 秒 获取 t0count FLAG 1 开启获取速度标志 st 1 st 0 st 0 T0count TR1 1 ET1 1 EA 1 速度显示 void show uint i for i 0 i 3 i 16 temp i 0 i 0 while x 10 转速值转化显示数据 前三位 temp i x 10 x x 10 i temp i x i 3 while b 10 转速值转化显示数据 后三位 temp i b 10 b b 10 i temp i b for i 0 i 6 i disbuf i temp i P0 dispbit discount 根据前面定义 P1 seg disbuf discount 根据前面定义 discount 17 if discount 6 discount 0 4 4 系统调试及分析系统调试及分析 首先打开 KEIL C51 主程序 新建工程 新建文本框写入程序 保存 检查是否有语法错误 经反复检查无误后汇编 生成 51 单片 机可执行的 HEX 文件 然后把 HEX 文件写入 proteus 中的单片机芯 片中 再用 Proteus 进行仿真 本设计从经济实用的角度出发 采用美国 ATMEL 公司的单片机 AT89C52 作为主控芯片与数据存储器单元 结合外围的键盘输入 实现电机的调速 定速 正反转 显示速度控制功能并用 C 语言编 写主控芯片的控制程序 研制了一种智能电机转速控制显示系统 设计完全可行可以到达设计目的 使用单片机制作的智能电机控制 显示系统具有软硬件设计简单 易于开发 成本较低 安全可靠 操作方便等特点 有一定的实用性 5 5 心得体会心得体会 经过一段时间的努力 终于完成了这次的课程设计 其中遇到 了很多问题很多困难 比如之前我们学过 Intel 公司的 MCS 51 系列 的单片机 而本次我选择的时美国 Atmel 公司的 AT89C52 单片机 18 翻阅了很多资料 才初步掌握了它的性能和用法 由于了解的专业 知识尚浅 对课题的研究经验的不足 加上之前专业知识的生疏 使得此次设计比较粗糙 在技