直流电机PWM控制系统设计

湖南工程学院课程设计课程名称单片机原理与应用课题名称直流电机控制系统设计专业班级学号姓名指导教师2013年6月21日湖南工程学院课程设计任务书课程名称单片机原理与应用课题直流电机控制系统设计专业班级学生姓名学号指导老师审批任务书下达日期2013年6月21日任务完成日期2013年7月5日设计内容与设计要求设计内容本课题以单片机为核心，设计一个PWM直流电机控制系统，系统功能（1）按下不同的键，分别控制电机的工作状态；（2）步进电机可实现正、反转，加速、减速、停止等工作；（3）通过4位LED数码管显示步进电机运行速度或工作状态。设计要求（1）确定系统设计方案；（2）进行系统的硬件设计；（3）完成应用程序设计；（4）硬件电路及应用程序的调试。主要设计条件1、PC机及单片机调试软件；2、开发板调试或PROTUES软件调试；说明书格式1课程设计任务书2目录3总体方案确定4各单元硬件电路设计说明及计算方法5软件设计与说明（包括流程图）6调试结果与必要的调试说明7使用说明8、总结9、参考文献附录附录A系统原理图附录B程序清单进度安排设计时间为两周第一周星期一、上午布置课题任务，讲课及课题介绍下午借阅有关资料，总体方案讨论星期二、系统总体方案星期四、设计及调试星期五、设计及调试第二周星期一、设计及调试星期二、设计及调试星期三、设计及调试星期四、写说明书星期五、上午写说明书，整理资料下午交设计资料，答辩参考文献参考文献（510本参考资料，格式按照教材后面的参考文献）格式如1王迎旭单片机原理与应用（第2版）北京机械工业出版社，201271目录第1章控制系统总体方案2第2章硬件电路设计321时钟脉冲电路模块322复位电路模块323按键模块424驱动电路模块525显示电路模块6第3章软件设计831主程序流程图832按键子程序流程图933定时器中断程序流程图1034四位LED动态显示流程图11第4章调试结果1241启动、停止1242加速1343减速1344反向1445复位1446硬件调试15第5章总结17参考文献18附录19附录A系统原理图19附录B程序清单202第1章控制系统总体方案当今社会，电动机作为最主要的机电能量转换装置，其应用范围已遍及国民经济的各个领域和人们的日常生活。无论是在工农业生产，交通运输，国防，航空航天，医疗卫生，商务和办公设备中，还是在日常生活的家用电器和消费电子产品（如电冰箱，空调，DVD等）中，都大量使用着各种各样的电动机。据资料显示，在所有动力资源中，百分之九十以上来自电动机。同样，我国生产的电能中有百分之六十是用于电动机的。电动机与人的生活息息相关，密不可分。电气时代，电动机的调速控制一般采用模拟法、PID控制等，对电动机的简单控制应用比较多。简单控制是指对电动机进行启动，制动，正反转控制和顺序控制。这类控制可通过继电器，光耦、可编程控制器和开关元件来实现。还有一类控制叫复杂控制，是指对电动机的转速，转角，转矩，电压，电流，功率等物理量进行控制。本电机控制系统基于51内核的单片机设计，采用LM298直流电机驱动器，利用PWM脉宽调制控制电机，并通过光耦管测速，经单片机I/O口定时采样，最后通过闭环反馈控制系统实现电机转速的精确控制，其中电机的设定速度由电位器经A/D通过输入，系统的状显示与控制由上位机实现。经过设计和调试，本控制系统能实现电机转速较小误差的控制，系统具有上位机显示转速和控制电机开启、停止和正反转等功能。具有一定的实际应用意义。3第2章硬件电路设计21时钟脉冲电路模块利用内部一个反相放大器的输入端的引脚与输出端的引脚跨接石英晶体振荡器和微调电容，构成一个稳定的自激振荡器，如图21所示。晶振为110592MHZ时，电容C1和C2通常选择为30PF左右，为单片机工作提供稳定的时钟源。图21时钟脉冲电路22复位电路模块复位电路原理当按键按下的时候，电容被短路，所以在按键按下的这个过程中，电容释放电量。时间的推移，电容电压在01S内，从5V变为了15V甚至更小。这时RST引脚接收到高电平。单片机系统自动复位。4图22复位电路图每当复位按键按下后复位电路作用，电机显示LED就恢复初始显示状态“006”，即电机复位。23按键模块本控制系统一共有启动|停止、加速、减速、反向四个按键和AT89C51单片机连接实现对直流电机启动（停止）、加速、减速、反向运行的功能。当按下“加速”按键后，LED的三位和四位表示的速度档位开始往上加，每按下一次速度档位加1，电机的初始档位为6，一直能加速到12档位，此时电机一直处于加速状态，直到电机达到转速460为止。当按下“减速”按键后，LED的第三位和第四位表示的速度档位开始往下减，每按下一次速度档位减少1，一直能减速到档位1，直到速度5减小到40为止。当按下“反向”按键后，LED的第一位变为2，表示此时电机的方向与初始默认的正方向相反，此后电机开始反向运转。在反向的时候由于电机的转速可能很大，所以会有一个时间延长，电机的速度会慢慢的减小到0然后再渐渐的加速到反向转速档位所要求的达到的速度。此时LED正常显示速度档位和转向情况。图23按键模块四个按键分别于单片机的P10端口、P11端口、P12端口、P13端口相连接控制，通过单片机进一步实现了对电机功能的控制，每当有按键按下的时候，单片机就会将相应的操作传达到直流电机从而达到控制直流电机的启动、停止、加速、减速、反向运转。24驱动电路模块采用L298芯片和H桥组成直流电机的驱动电路，L298的IN1和IN2分别接到单片机的P30端口和P31端口，ENA,VCC,VS引脚都接到高电平，SEND,GND引脚都接至地。芯片的OUT1,OUT2引脚接到H桥电路上。单片机和L298集成电路构成直流电机控制驱动器。使之具有元件少可靠性高、占空间少、装配成本低等优点。采用四个二极管组成的H桥能防止电机线圈产生反向感应电动势将三极管击穿，正反转时续流能起到一定作用，同时还起到过电流保护的作用。电机正反转工作情况分析当L298的OUT1引脚为高电平OUT2引脚为低电平时，驱动电流通过电机使电机顺时针运转（正向运转）；当6OUT1引脚为低电平OUT2为高电平时，驱动电流通过电机使得电机逆时针运转（反向运转）。当“反向”按键按下后，电流逆时针通过电机使其反向运转，实现了电机的反向运行图24驱动电路25显示电路模块LED的A、B、C、D、E、F、G分别接到单片机的P0的前七个端口，表示控制数码管的段显示，DP接到P07端口控制小数点的显示，P0端口控制着数码管的段显示。1、2、3、4分别接到P20,P21,P22,P23端口，控制数码管四个位的显示。LED的第一位显示的是电机正反转和电机运行状态，当第一位为0时电机处于停止状态，当第一位为1时电机处于运行状态（初始默认正反向），当第一位为2时电机反向运行。A、B、C、D、E、F、G分别控制显示每一位的段码，而1、2、3、4则控制显示的是具体的每一位。显示电路如图25所示。7图25显示电路显示电路采用共阳极七段四位显示数码管，RP1为保护排阻。P0端口送段码、P2端口送位码。第一位显示的是电机正转、反转、复位状态，正转时候第一位显示1，反转显示的是2，复位显示0。第三位和第四位一起显示速度档位，速度档位初始值为06，最高档位12，最高速度为460，最低档位01，最低速度为40。8第3章软件设计31主程序流程图系统上电复位后，先调用初始化子程序，对直流电机各端口，相关参数进行初始化。初始化完成后，电机处于停止状态，调用中断然后显示，然后循环扫描按键是否被按下。如果检测到有按键被按下，确定被按下后则执行相应显示子程序、按键子程序，然后改显示赋值以及转速，继续执行主程序，如图31所示。图31主程序流程开始初始化开中断显示子程序按键子程序是否有按键按下赋新显示值和转速值NY932按键子程序流程图控制系统设置了四个按键，依次是“启|停”、“加速”、“减速”、“反向”。系统上电复位后，按键子程序检测是否有按键按下，当“启|停”键按下后，电机启动同时显示数码管显示启动状态“106”，当再次按下“启|停”键后电机停止同时显示“006”；当“加速”键按下后，电机加速运转同时数码管显示“1XX”；当“键速”键按下后，电机减速运转同时数码管显示“1XX”；当“反向”键按下后，电机先减速至速度为零然后反向至某一速度档位速度运转同时数码管显示“2XX”。当复位键按下后，电机停止同时显示为“006”，流程图如32所示。图32按键子程序流程图开始启|停键是否按下加速键是否按下减速键是否按下反向键是否按下NNN电机启动|停止及显示电机加速及显示电机减速及显示电机反转及显示NYYYY1033定时器中断程序流程图直流电机的调速是通过定时器的中断程序来调节直流电机两端的平均电压，即PWM控制。定时器选用T1，设定工作于方式一，赋计数初值FA1AH。用KK来表示定时器的中断服务次数,每一次中断后KK自加1，当KK大于12时，KK0。通过调节档位，来调节控制电机电平信号的占空比。当B0时，P30,此时电机两端都为低电平电机停止。当B1时，电机正转，如果KKINCLUDEUNSIGNEDCHARCODESPEED0X3F,0X06,0X5B,0X4F,0X66,0X6D,0X7D,0X07,0X7F,0X6F/速度显示数组UNSIGNEDCHARKK0/中断服务计数速度调时的参考量UNSIGNEDCHARA6/速度调节UNSIGNEDCHARB0/1正转2反转默认0停止UNSIGNEDCHARC0UNSIGNEDCHARD0SBITKEY_1P10/启停按键SBITKEY_2P11/加速按键SBITKEY_3P12/减速按键SBITKEY_4P13/方向按键SBITDUP14SBITWEP15VOIDDELAY1UNSIGNEDCHARI/延时子程序UNSIGNEDCHARJFORI0IFORJ0J12A12/如果速度到了最快再按就不再加IFKEY_30DELAY120IFKEY_30WHILEKEY_3AIFA12KK0/中断服务计数确定信号周期在周期一定的基础上调节占空比电气与信息工程系课程设计评分表评价项目优良中及格差设计方案的合理性与创