基于单片机控制的直流电机调速系统设计.doc

基于单片机控制的直流电机调速 系统设计 苏州市职业大学 毕业设计 论文 说明书 设计 论文 题目设计 论文 题目 基于单片机控制的直流电机调速系统设计 系 电子信息工程系 专业班级 09 电气自动化技术 2 班 姓 名 石 贵 江 学 号 097301226 指导教师 淮 文 军 2012 年 5 月 19 基于单片机控制的直流电机调速 系统设计 摘要摘要 主要通过 PWM 信号对直流电转速进行控制 首先预设电机转速 单片机将此转速 按照固定的比例转化为一定占空比的脉冲信号输出到直流电机驱动模块 与直流电 机同轴的光电旋转编码器采集脉冲信号 将此脉冲信号输入到单片机 单片机对脉 冲信号分析处理得到电机实时转速 将此转速与预设转速进行比较得出差值 将差 值转化为一定占空比 此占空比与预设转速占空比的和的脉冲继续输出到直流电机 驱动模块 循环次过程 该系统用 STC 89C52RC 型号单片机为主控芯片 L298N 芯片为直流电机驱动 LCD1602 液晶显示屏显示实时转速 本系统硬件电路设计可靠 抗干扰能力强 调 速快 波动范围 1 关键词 单片机 电机驱动 液晶显示 转速设定关键词 单片机 电机驱动 液晶显示 转速设定 基于单片机控制的直流电机调速 系统设计 ABSTRACT The speed of DC motors is mainly controlled by PWM signals in my Graduation project First a preset speed will be transferred to single chip computer Then the speed will be fixed into a certain proportion of the duty cycle of the pulse signal by single chip computer The signal is transferred to DC motor driver module Axis photoelectric rotary encoder with DC motors collection pulse the pulse input signal to a single chip chip for pulse signal analysis and processing to be motor speed in real time compare this speed with the preset speed on business value Turning difference into certain duty cycle this duty with preset speed duty cycle and the pulse continues to output to DC motor driving module cyclic process The STC 89C52RC SCM for system control chip L298N IC for DC motor drive LCD1602 LCD screen display speed in real time This reliable system hardware circuit design strong anti jamming ability fast speed less volatile Keyword SCM motors LCD display set speed 基于单片机控制的直流电机调速 系统设计 目录目录 第一章 绪论 1 1 1 设计背景 1 1 2 设计要求 1 1 3 设计内容 2 第二章 基于单片机控制的直流电机调速系统方案的比较择 3 2 1 调速方案一 3 2 2 调速方案二 4 2 3 方案选择 4 第三章 基于单片机的直流电机调速系统设计 5 3 1 总体设计 5 3 2 元件简介 6 3 2 1 STC89C52RC 单片机 6 3 2 2 L298N 芯片 7 3 2 3 S38 J3V100 光电旋转编码器 8 3 2 4 LCD1602 液晶显示屏 8 3 2 5 直流电机 9 3 4 电路设计 9 3 4 1 CPU 单元原理图 9 3 4 2 按键单元原理图 10 3 4 3 L298N 驱动部分原理图 10 3 4 4 液晶接口电路 11 3 5 电路板焊接 12 3 6 单片机程序编写及烧录 12 3 6 1 程序设计软件简介 12 3 6 2 基于单片机控制的直流调速系统程序设计 13 3 6 3 单片机程序烧录 14 第四章 基于单片机控制的直流电机调速系统性能测试 16 4 1 调速系统调试步骤 16 4 2 调速系统数据记录及性能分析 16 结论 20 参考文献 21 附录 22 基于单片机控制的直流电机调速 系统设计 1 第一章第一章 绪论绪论 1 11 1 设计背景设计背景 直流电机广泛应用于各种便携式的电子设备或器具中 如录音机 VCD 机 电唱机 电动按摩器及各种玩具 也广泛应用于汽车 摩托车 电动自行车 蓄电池车 船舶 航空 机械等行业 在一些高精尖产品中也有广泛应用 如 录像机 复印机 照相机 手机 精密机床 银行点钞机 捆钞机等 在舞台 灯光方面 永磁直流电机 特别是小型永磁直流齿轮电机的用量非常大 计算 机行业中的打印机 扫描仪 硬盘驱动器 光盘驱动器 刻录机 冷却风扇等 都要用到大量的永磁直流电机 直流电动机分为有换向器和无换向器两大类 直流电动机调速系统最早采 用恒定直流电压给直流电动机供电 通过改变电枢回路中的电阻来实现调速 这种方法简单易行 设备制造方便 价格低廉 但缺点是效率低 机械特性软 不能得到较宽和平滑的调速性能 该法只适用在一些小功率且调速范围要求不 大的场合 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 本文通过基于单片机实现 PWM 由于其输出电压无法直接驱动本设计所使 用的直流电机 所以设计加入了直流电机驱动模块 使电机调速更准确快速 1 21 2 设计要求设计要求 1 输入转速范围 0 n min 600 n min 2 直流电机 普通直流电机 额定电压 12 V 3 直流电机驱动模块 能够驱动额定电压 36V 以下的直流电机 4 光电旋转编码器 与直流电机同轴 能够准确采集到与电机转速成正 比的脉冲信号 5 单片机 能够对按键输入转速并进行处理并输出一定的脉冲信号启动 基于单片机控制的直流电机调速 系统设计 2 电机 能够对编码器输入的脉冲信号进行处理并转化为相应的转速 并与输入 转速进行比较并调整偏差 偏差调节后继续输出一定的脉冲信号控制电机 循 环操作 1 31 3 设计内容设计内容 本设计将设定的转速通过 STC89S52 单片机转换为特定占空比的脉冲信号 到 L298N 电机驱动芯片 L298N 将此脉冲信号放大驱动 24V 直流电机 电机 按一定转速启动 通过与电机同轴的光电旋转编码器采集电机转速 并输出 固定比例的脉冲信号反馈到单片机 I O 输入端口 单片机将此脉冲信号转化 为电机转速 再对次转速进行的数据处理输出一定占空比脉冲信号给 L298N 驱动芯片 循环以上操作 最终电机转速会在设定转速左右波动 调速时 与单片机相连的 LCD1602 液晶显示屏会显示设定转速与直流电 机实时转速 SET EXIT 按键设定转速 基于单片机控制的直流电机调速 系统设计 3 第二章第二章 基于单片机控制的直流电机调速系统方案的比较择基于单片机控制的直流电机调速系统方案的比较择 2 12 1 调速方案一调速方案一 如图 2 1 所示 该方案是通过设定转速与实时转速相比较 并根据大小关 系在设定转速转化而来的占空比基础上 逐个加减一个单位占空比 最终调 0 d 速到设定转速 设定转速改变时执行一次 部分可使电机转速快速到达设定 转速附近 有利于快速调速 电机调速过程中与单片机相连的 LCD1602 显示实 时转速与设定转速 按键输入设定 转速n0 单片机按一定 比例k1转化为 占空比d0 单片机输出占 空比为d0的脉 冲信号 L298N芯片接收 脉冲信号并放 大信号 24V直流电机 光电旋转编码器采集 电机转速n并输出固 定比例k2的脉冲信号 单片机读出反馈回的脉 冲信号并转化回电机实 时转速n并与n0相比较 n n0d d0 1d d0 1 d d0 1 设 定 速 度 改 变 时 执 行 一 次 图 2 1 方案一 2 22 2 调速方案二调速方案二 如图 2 2 所示 该方案是通过设定转速与实时转速相减 得到两者代 0 nn 基于单片机控制的直流电机调速 系统设计 4 数差值 将按比例关系转化为差值占空比 设定转速按比例n nn 0 差差 n 差 d 关系转化而来的占空比与之和得到实时占空比 再将此占空 0 d 差 d 差 ddd 0 比的的脉冲信号加到驱动电路上驱动直流电机 循环往复 得到设定转速 同 样 电机调速过程中与单片机相连的 LCD1602 显示实时转速与设定转速 调速单片机将设定转速n0与实时转速 得出差值转速 n差0 n差 n0 n 并按比例k转化为差值占空比d差 d差 n差 k 设定转速n0 单片机按一定 比例k转化为占 空比d0 调速单片机输出占空比为d d0 d差 设 定 速 度 改 变 时 执 行 一 次 L298N芯片接收 脉冲信号并放 大信号 24V直流电机 光电旋转编码器采集 电机转速n并输出固 定比例k2的脉冲信号 单片机读出反馈回的脉 冲信号并转化回电机实 时转速n并与n0相比较 图 2 2 方案二 2 32 3 方案选择方案选择 分析发现方案一较方案二有以下缺陷 1 占用单片机资源较多 导致单片机处理其它操作的速度变慢 2 由于调速是通过逐个加减单位占空比方式进行调速 调速速度较慢 且 波动较大 抗干扰能力不强 稳定性较高 所以从快速性和稳定性两方面考虑 本设计选择方案二 基于单片机控制的直流电机调速 系统设计 5 第三章第三章 基于单片机的直流电机调速系统设计基于单片机的直流电机调速系统设计 3 13 1 总体设计总体设计 按键输入设定 转速 STC89C52RC单片机 CPU LED1602液晶显 示设定转速与 实时转速 L298N直流电机 驱动 24V直流电机 光电旋转编码器 S38 J3V100 光电编码器与直流电机同 轴 图 3 1 系统设计分为五个部分 包括按键输入部分 单片机 CPU 部分 直流电机 驱动部分 直流电机与同轴光电编码器部分 液晶显示屏部分 按键部分可输 入 0 9 的数字 SET EXIT 键确定转速输入 转速 0 r min 600 r min 单片 机 CPU 部分处理转速输入 脉冲信号输入输出 并控制液晶显示屏显示字符 直流电机驱动部分采用 L298N 芯片 接收单片机脉冲信号并驱动 24V 直流电机 液晶显示屏部分采用 LCD1602 可显示设定转速与实时转速 总体结构如图 3 1 基于单片机控制的直流电机调速 系统设计 6 3 23 2 元件简介元件简介 3 2 1 STC89C52RC 单片机 STC89C52RC 单片机是宏晶科技推出的新一代高速 低功耗 超强抗干扰的 单片机 指令代码完全兼容传统 8051 单片机 12 时钟 机器周期和 6 时钟 机器周期可以任意选择 主要特性如下 增强型 8051 单片机 6 时钟 机器周期和 12 时钟 机器周期可以任意选 择 指令代码完全兼容传统 8051 工作电压 5 5V 3 3V 5V 单片机 3 8V 2 0V 3V 单片机 工作频率范围 0 40MHz 相当于普通 8051 的 0 80MHz 实际工作频率 可达 48MHz 用户应用程序空间为 8K 字节 片上集成 512 字节 RAM 通用 I O 口 32 个 复位后为 P1 P2 P3 P4 是准双向口 弱上拉 P0 口是漏极开路输出 作为总线扩展用时 不用加上拉电阻 作为 I O 口用 时 需加上拉电阻 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 RxD P3 0 TxD P3 1 直接下载用户程序 数秒即可 完成一片 具有 EEPROM 功能 具有看门狗功能 共 3 个 16 位定时器 计数器 即定时器 T0 T1 T2 外部中断 4 路 下降沿中断或低电平触发电路 Power Down 模式可由外部 中断低电平触发中断方式唤醒 通用异步串行口 UART 还可用定时器软件实现多个 UART 工作温度范围 40 85 工业级 0 75 商业级 PDIP 封装 STC89C52RC 单片机的工作模式 掉电模式 典型功耗 0 1 A 可由外部中断唤醒 中断返回后 继续执行 原程序 空闲模式 典型功耗 2mA 基于单片机控制的直流电机调速 系统设计 7 正常工作模式 典型功耗 4Ma 7mA 掉电模式可由外部中断唤醒 适用于水表 气表等电池供电系统及便携设 备 图 3 2 STC89C52RC 引脚图 3 2 2 L298N 芯片 L298 简介 L298N 为 SGS THOMSON Microelectronics 所出产的双全桥步进电机专用驱 动芯片 Dual Full BridgeDriver 内部包 4 信道逻辑驱动电路 是一种二相 和四相步进电机的专用驱动器 可同时驱动 2 个二相或 1 个四相步进电机 内 含二个 H Bridge 的高电压 大电流双全桥式驱动器 接收标准 TTL 逻辑准位 信号 可驱动 46V 2A 以下的步进电机 且可以直接透过电源来调节输出电压 此芯片可直接由单片机的 IO 端口来提供模拟时序信号 L298N 实物图 引脚图 原理图如图 3 3 a b c 图 3 3 a 图 3 3 b 基于单片机控制的直流电机调速 系统设计 8 图 3 3 c 3 2 3 S38 J3V100 光电旋转编码器 技术参数 特点 通用型 体积小 多种输出方式可选 使用寿命长 低价格等 应用范围 纺织行业 包装机械 工业流水线等工业自动化控制 外形尺寸 外径 38mm 厚度为 34mm 轴径 6mm D 径口 分辨率 可达 400P R 电源电压 DC5V 防护等级 IP50 sbit Lcd rs P1 7 定义 LCD 控制端口 sbit Lcd rw P1 6 sbit Lcd en P2 4 sbit scan x1 P1 0 sbit scan x2 P1 1 sbit scan x3 P1 2 sbit scan y1 P1 4 sbit scan y2 P1 5 sbit Pwm out P3 1 sbit Pwm input P3 4 sbit Led latch port P2 5 发光二极管寄存器 LE 引脚 sbit Seg latch port P3 6 数码管寄存器 LE 引脚 uchar code Mun to char 16 0123456789 定义数字跟 ASCII 码的关系 uchar data set speedshow 3 格式为 百位 十位 个位 uchar data now speedshow 3 uchar data Lcd line1 16 SET N 000 n M uchar data Lcd line2 16 NOW N 000 n M uchar data overrange 3 OT int xdata set speed int data now speed int data count int data N C PwmH Pwm num void Lcd delay uchar ms LCD1602 延时 uchar j while ms 基于单片机控制的直流电机调速 系统设计 23 for j 0 j 8Lcd char write i 0 Mun to char set speedshow i 8 set speed set speedshow 0 100 set speedshow 1 10 set speedshow 2 return set speed void timer0 interrupt 3 uchar i count if count 1000 now speed TH0 256 TL0 1 2 计算转速 now speedshow 0 now speed 100 刷新显示 if now speedshow 0 0 now speedshow 1 now speed now speedshow 0 100 10 now speedshow 2 now speed now speedshow 0 100 now speedshow 1 10 1 for i 8 i 11 i Lcd char writ