基于单片机的直流电机控制器的设计.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 在工业生产中 大量采用电动机作为原动机去拖动各种生产机械 这些生产机 械要求在不同工作情况下以不同的速度工作 这就要求采用一定的方法改变生产机 械的工作速度 最常用的方法是对电动机转速进行调节 改变直流电动机的电枢电 压或交流电动机的定子电压 都可以在一定范围内调整它们的速度 在电压允许范 围内 直流电动机的转速随着电压的升高而加快 直流电动机转动方向则是由电压 的正负来控制的 电压为正则正转 电压为负则反转 利用DAC0832编制程序输 出一串脉冲 经过放大后驱动小型直流电机 改变输出脉冲的电平和持续时间 达 到使电机的正转 反转 加速 减速之目的 设计中可通过MCS 51单片机的P1 口读入8个开关状态来控制直流电机的转动 实现正转四种转速和反转四种转速 关键词 AT89C51单片机 PWM调速 正反转控制 仿真 目录 第一章 系统设计概述 1 1 1 设计思路 1 1 2 基本原理 1 1 3 芯片简介 1 1 4 总体设计 3 第二章 直流电机单元电路设计与分析 5 2 1 直流电机驱动模块 5 2 2 直流电机的中断键盘控制模块 5 2 3 数码管显示模块 6 第三章 直流电机 PWM 控制系统的实现 8 3 1 总电路图 8 3 2 总电路功能介绍 8 第四章 系统仿真 9 心得体会 12 致谢 13 参考文献 14 附录 15 0 第一章 系统设计概述 1 1 设计思路 本文设计的直流PWM调速系统采用的是调压调速 系统主电路采用大功率 GTR为开关器件 H 桥单极式电路为功率放大电路的结构 PWM调制部分是在单 片机开发平台之上 运用汇编语言编程控制 由定时器来产生宽度可调的矩形波 通过调节波形的宽度来控制 H 电路中的GTR通断时间 以达到调节电机速度的目 的 增加了系统的灵活性和精确性 使整个PWM脉冲的产生过程得到了大大的简 化 设计以AT89C51单片机为核心 以键盘作为输入达到控制直流电机的启停 速度和方向 完成了基本要求和发挥部分的要求 在设计中 采用了PWM技术对 电机进行控制 通过对占空比的计算达到精确调速的目的 本文介绍了直流电机的 工作原理和数学模型 脉宽调制控制原理和 H 桥电路基本原理设计了驱动电路的总 体结构 根据模型 利用PROTEUS软件对各个子电路及整体电路进行了仿真 确保设计的电路能够满足性能指标要求 并给出了仿真结果 1 2 基本原理 主体电路 即直流电机PWM控制模块 PWM 脉冲宽度调制 是通过控制 固定电压的直流电源开关频率 改变负载两端的电压 从而达到控制要求的一种电 压调整方法 这部分电路主要由80C51单片机的I O端口 定时计数器 外部中 断扩展等控制直流电机的加速 减速以及电机的正转和反转 并且可以调整电机的 转速 还可以方便的读出电机转速的大小和了解电机的转向 能够很方便的实现电 机的智能控制 其间是通过80C51单片机产生脉宽可调的脉冲信号并输入到L298 驱动芯片来控制直流电机工作的 1 3 芯片简介 1 3 1 AT89C51 单片机 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 1 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 U4 AT89C51 图 1 1 89C51 单片机引脚分布图 1 3 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 1 2 RESPACK 8 引脚分布图 1 3 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 2 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 1 3 L298 引脚分布图 1 4 总体设计 1 4 1 方案设计 直流电机PWM调速系统以AT89C51单片机为核心 由命令输入模块 LED显示模块及电机驱动模块组成 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 定时不断给直流电机驱动芯片发送PWM波形 H型驱动电路 完成电机正 反转控制 同时单片机不停的将从键盘读取的数据送到液晶显示模块 去显示 进而读取其速度 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 D1 DIODE D2 DIODE D3 DIODE D4 DIODE 12V C1 1nF 88 8 图 1 4 PWM 控制电路图 3 1 4 2 系统总体流程图 系统初始化 设置周期 从键盘发命令送入 ITT0 中 定时中断给电机输入脉冲 电机转动 数码管显示速度 开始 结束 图 1 5 系统流程图 4 第二章 直流电机单元电路设计与分析 2 1 直流电机驱动模块 2 1 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 2 1 2 直流电机工作原理 直流电机电路模型如图2 1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 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 2 1 直流电动机的工作原理 2 2 直流电机的中断键盘控制模块 图2 2为外部中断扩展方法 分别代表正转信号 反转信号 加速信号 减速 信号 停止信号 FANZHUAN JIASU STOP JIANSU ZHENGZHUAN 图 2 2 外部中断扩展电路 5 定时中断服务 设置一定的周期0FF00H 将从键盘 中断 读取的数据送到TH0中 从而设置脉宽 通过定时中断不停给电机驱动芯片输出脉冲 初始设置 RETI 图 2 3 定时中断服务流程图 2 3 数码管显示模块 2 3 1 引脚分布和接口信号说明 1 引脚分布 液晶显示共有16个引脚 其引脚分布如图2 4所示 图 2 4 数码管显示模块引脚 2 3 2 数码管显示电路 图 2 5 数码管显示电路图 6 数码管显示流程图如下所示2 6 图 2 6 数码显示流程图 7 第三章 直流电机 PWM 控制系统的实现 3 1 总电路图 图 3 1 直流电机 PWM 控制器原理图 3 2 总电路功能介绍 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 机转动速度由数码管显示 8 第四章 系统仿真 LED数码管显示电路的系统仿真与调试 在PROTEUS运行环境中首先检 查LED显示电路 添加程序 运行LED数码显示电路能 系统若运行成功将得 到如图所示的显示 图 4 1 未开始的状态 图 4 2 仿真初始显示 9 图 4 3 正转时的显示 图 4 4 正转加速时的仿真显示 10 图 4 5 反转加速时的仿真显示 图 4 6 反转减速时的显示 11 心得体会 这次单片机期末实训 凝结了很多老师的心血 在此我表示由衷的感谢 没有 老师们的帮助 我将无法顺利完成这次实训 首先 我要特别感谢刘老师在这一学期里给我们上了单片机课 刘老师渊博的 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 一个本科生的实训设计 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 特别需要感谢各位老 师给予的耐心细致的指导 在此 再一次向全体教师以及关心帮助我的教师同学表 示最诚挚的谢意 12 致谢 学校在这次课程设计中给我们提供了很大的支持和帮助 学校领导比较重视 每天有专门的指导老师 帮助我们能顺利完成实训任务 对于学校和老师为我的实 训所提供的极大帮助和关心 还要感谢我的同组同学实训时给予我的帮助 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 我不可能在这次实训中有如此多的收获 这两周是我学生生涯中最 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 在此我致以衷心的感谢 13 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 75 76 118 119 14 附录 ORG 0000H AJMP START ORG 0003H LJMP ZP ORG 000BH LJMP ITT0 ORG 0030H START MOV SP 60H MOV R0 00H MOV R1 00H CLR P1 5 CLR P1 6 CLR P1 7 MOV TMOD 01H MOV TL0 0FFH MOV TH0 0FFH SETB EA SETB EX0 SETB ET0 CLR IT0 SETB TR0 MOV DPTR TAB MOV 40H 0 MOV 41H 0 LED SETB P1 1 CLR P1 2 15 MOV A 40H MOVC A A DPTR MOV P0 A LCALL TTS CLR P1 1 SETB P1 2 MOV A 41H MOVC A A DPTR MOV P0 A LCALL TTS CLR P1 2 LJMP LED ORG 2000H ITT0 CPL P1 5 JNB P1 5 Z1 MOV A 0FFH SUBB A R0 MOV TH0 A SETB TR0 RETI Z1 MOV TH0 R0 SETB TR0 RETI ZP CLR EX0 MOV A 0FFH MOV P2 A MOV A P2 JNB ACC 0 JIA 16 JNB ACC 1 JIAN JNB ACC 2 FF JNB ACC 3 ZZ JNB ACC 4 TZ AJMP CC JIA CJNE R0 0FFH AA AJMP CC AA MOV A R0 ADD A 5 MOV R0 A AJMP CC JIAN CJNE R0 00 BB AJMP CC BB MOV A R0 SUBB A 25 MOV R0 A AJMP CC CC MOV A R0 MOV B 5 DIV AB MOV B 10 DIV AB MOV 40H A MOV 41H B SETB EX0 LCALL TTS LCALL TTS LCALL TTS 17 LCALL TTS RETI FF SETB P1 6 CLR P1 7 LCALL TTS LCALL TTS