电机与拖动系统课程设计

1、课程设计说明书设计名称：题 目：学生姓名：专 业：班 级：学 号：指导教师：日 期：年月日课程设计任务书专业年级班 设计题目微型直流电动机的数字控制器设计姓名-学号主要内容和具体要求设置有正转、反转、加速、减速按键；显示马达的运行状态（正反转、停止），显示转速; 测量马达的反电动势系数；测量马达的力矩系数；创建马达的数学模型；实现比例控制；实现比例积分控制。进度安排6月1617号：了解任务要求，确定具体方案6月1819号：电机控制程序设计6月2021号：键盘电路、Icd12864液晶屏子程序设计6月2224号：上位机通信程序设计6月2526号：电机PI控制设计完成后应上交的材料直流电机数字控制

2、器论文总评成绩成绩分组序号同组人员（签名）本人贡献排名指导教师（签名）指导教师签名日期年月日系主任审核日期年_月_日摘要本文主要设计一个基于 STC12C5A60S2 单片机的直流电机 PWM 控制系统。 PWM 控制提高了调速范围，提高了调速精度， 改善了快速性能、功率和功率因数。系统在设计中被控对象采用 5V 的直流电机，以 MCS-51 单片机为控制核心，采用 LCD12864 液晶作为显示元件，进行软硬件的设计。硬件电路由 protel 设计 制作，主要设计了液晶显示电路、键盘控制电路、复位电路、测 速电路、驱动电路和测压电路。软件设计在 Keil 开发平台用 C 语言编写，程序采用模

3、块化设计方案，包括液初始化程序、晶显 示程序、键盘控制程序。本系统 PWM 控制直流电机采用调压调速的方法，整体设计包括 软件和硬件两个部分。通过利用单片机产生 PWM 控制信号控制 直流电机，详细介绍脉宽调制 ( PWM) 控 制原理，直流电机的工 作原理和数学模型以及用 H 型桥电路基本原理设计的驱动电路。 通过硬件电路的模拟情况，说明系统运行正常，各个功能模块实 现是可行的，控制精度比较高，能够满足系统的基本要求。关键词： 单片机 PWM 脉宽调制控制 直流电机 L298N 驱动一、设计任务分析 0二、总体方案设计 0 系统控制方案选择 0 电机驱动模块 3 显示模块 5 测压模块 7

4、按键模块 7 测速模块 811三、系统软件设计 9 系统流程 9 显示模块软件设计 10 按键驱动程序设计 11 测压程序设计 11 测速模块程序设计 11 上位机数字 PI 控制设计 11 马达的反电动势系数和力矩系数 马达数学模型 12四、心得体会 12五、参考文献 12设计任务分析 本课题设计主要的目的是为了能够准确及时的控制直流电动机 的正转、反转、停止、加速和减速功能可以准确调节控制直流电 机的转速。 设计要求中央控制芯片具有定时计数的功能， 一定的 程序存储空间，还要有足够的 IO 外接端口。由于本设计以LCD12864作为人机交流的显示界面，所以要求中央控制芯片具 有一定的电流驱

5、动能力。LCD电机控制信号、LED指示灯、独 立按钮，电压采集这些都需要占用大量 10接口，所以要求中央 控制芯片要有足够多的外部接口以满足需要。 本设计要求能准确控制电机的转向以及转速， 所以要求电机的控 制芯片就有较强的调速控制功能以及转向控制功能。本设计要求所采用的的直流电机转速具有一定的可调空间以及足够的灵敏 度。总体方案设计系统控制方案选择方案1:采用STC公司的STC89C52RC此单片机价格低， 资源多，高性价比， 应用广泛，无论是从内部构造，还是编程方面， 51 系列单片机都相对简单容 易掌握和使用。方案2： STC12C5A60S不但和8051指令、管脚完全兼容，而且 速度快

6、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）STC系列单片机支持串口程序烧写， 对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短。由于本设计需要检测电机电路的电流， 而且要与上位机通信， 方 案2的stc12C5A60S2芯片具有2个串口，内部集成8路高速10 位A/D转换（250K/S）,能更好地实现我们需要的功能，所以我们 选取方案2,即STC12C5A60S芯片作为我们的控制芯片。以下是STC12C5A60S芯片的功能1增强型8051 CPU 1T,单时钟/机器周期，指令代码完全兼容 传统8051； 2.工作电压：STC12C5A60S2系

7、列工作电压：（5V 单片机）STC12LE5A60S系列工作电压：（3V单片机）；3. 工作频率范围：0 - 35MHz,相当于普通8051的0420MHz;4. 用户应用程序空间 8K /16K / 20K / 32K / 40K/ 48K/ 52K / 60K / 62K 字节；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/0 口），可设置成四种模式：准双向口 /弱上拉， 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55Ma ;7. IS

8、P（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（）直接下载用户程序,数秒即可 完成一片；8. 有 EEPROM功能（STC12C5A62S2/AD/PWMC内部 EEPROM；9. 看门狗；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电阻到地）；11. 外部掉电检测电路 :在口有一个低压门槛比较器， 5V 单片机 为，误差为 +/-5%,单片机为，误差为 +/-3%；12. 时钟源：外部高精度晶体/时钟，内部R/C振荡器（温漂为+/-5% 到+/-10%以内 ） 1 用户在下载用户程序时， 可选择是使用内部 R/C

9、 振荡器还是外部晶体/时钟，常温下内部R/C振荡器频率为：单 片机为：11MHz，单片机为：8MHz12MHz,精度要求不高 时，可选择使用内部时钟， 但因为有制造误差和温漂， 以实际测 试为准；13. 共 4 个 16 位定时器 两个与传统 8051 兼容的定时器 /计数 器,16位定时器T0和T1，没有定时器2,但有独立波特率发生 器做串行通讯的波特率发生器，再加上2路PCA模块可再实现2 个 16位定时器；14. 2个时钟输出口，可由T0的溢出在T0输出时钟，可由T1的 溢出在 T1 输出时钟；15. 外部中断 I/O 口 7路,传统的下降沿中断或低电平触发中断 ,并 新 增 支 持 上

10、 升 沿 中 断 的 PCA 模 块，INT0/,INT1/,T0/, T1/, RxD/,CCP0/也 可通过寄存器设置 到 ）, CCP1/ 也（ 可通过寄存器设置到；16. PWM（2路）/PCA （可编程计数器阵列，2路）也可用来当2路D/A使用也可用来再实现 2 个定时器也可用来再实现 2个外部中断 （上升沿中断 /下降沿中断均可 分别或同时支持 ）；D转换，10位精度ADC,共8路，转换速度可达250K/S每秒钟25 万次 ）18.通用全双工异步串行口（UART）由STC12系列是高速的8051，可再用定时器或PCA软件实现多串口；19. STC12C5A60S系列有双串口，后缀有

11、 S2标志的才有双串口，RxD2/（可通过寄存器设置到， 器设置到；20.工作温度范围：-40 - +85C （工业级）/ 0 - 75 级）21.封装：PDIP-40,LQFP-44,LQFP-48l/O 可用 2 到 3 根普通 I/OTxD2/（可通过寄存口 1 74HC164/165/595（均可级联）来扩展I/O 口，还可用 做按键扫描来节省I/O 口，或用双CPU三线通信， 了串口。STC12C5A60S的引脚如图2-1所示C （商业 口不够时， 线外接A/D还多CLK0UT2 ADCO/P：.Oa AFX I P匚Z RxDlECI ADC2/P： .2|Z2 TxD2/CrP0

12、 ADC3P3|ZZ SS/匚二 SCLKAIX7T.JIZZ_ Uhl 匚NT/RxD/P3.0 ) PJ 1 匚二IWhP卫匚二INTI P13K-?L2KlPUK：PL4刘占Mi?UKJ卩|丁3EZET恥.noun屈H除环弱 s: iyriK.P：!単萍权n*Ki室DllJUfllGN312斗朝5ePC:512W$mi7?PZETP：25D2：彗72叩21Pic图2-2电机驱动模块用普通直流电机。直流电机运转平稳 精度有一定的保证。直流电机控制的精确度虽然没有步进电机那样高 但完全可以满足 本题目的要求。通过单片机的PWM输出同样可以控制直流电机 的旋转速度 实现电动车的速度控制。并且直

13、流电机相对于步进电机价格经济。采用电机驱动芯片 L298N。L298N为单块集成电 路高电压、高电流、四通道驱动，可直接的对电机进行控制，无 须隔离电路。通过单片机的I/O输入改变芯片控制端的电平即可以对电机进行正反转、停止的操作，非常方便，亦能满足直流 减速电机的大电流要求。调试时在依照芯片手册，用程序输入对 应的码值，能够实现对应的动作。Multiwattl 5OUTPUT 3INPUT 4FIMABL F RMPUT3IMPUT 2LHADLE AiMPtJT 1OUTPUT 1CUAjREHT StNlMQ ASUPHI VOLTAGE Vadm ?LOGIC SUPPLY VOLVs

14、eGtJDCLJHMI-N1 Si- NS IMG HOUTPUT 4散热片与8脚连诵图2-3vccJI&371012IN3IN4 OIFT415ENA 胡 +VS AKN BotrnSENSE AOUT2图2-4本项目驱动直流电机，实现电机的正反转与测速和遥控输入输出逻辑表真值表2-5通道1通道2输入输出控制电机1输入输出控制电机2EnAIn1In20UT1OUT2转 向EnBIn3In4OUT3OUT4转向10000停止10000停止0101反 传0101反传1010正 转1010正转1100停止1111停止0XX00停止0XX00停止其中“ 0”为低电平；“ 1”为高电平；“ X”为任何

15、状态 表2-5 L298N输入输出逻辑真值表显示模块显示模块我使用了Icd12864液晶屏。带中文字库的12864是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种界面方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为 128 X 64,内置8192个16*16点汉字，和 128个16*8点ASCII字符集.利用该模块灵活的界面方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示8X 4行16 X 16点阵的汉字.也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的 图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁

16、得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。PI.0/T2vccPl.lTiEXP0.frP1.2PO.lP13P0.2P1.4P0.3P1.5P0.4PI.6P帖Pk7POAR1SETPOJP3.0/RXDFaR3-1/IXDA1.EPKOpiiwroPSENP3.MNT1P2.7pzqnP2.frP3.S/T1F2.5P? f. WKPi.+1叮二丽P23X2P2.2XIPMtiNDP2.0牝 VCT39 d)阳図I3734 WT32 PJTT71 VCC302y28P2727P267625P2424P2d23P2222已】21P2tl图2-6LCD12864与单片机连线图上位机通

17、信另外，我们也使用VB软件做了上位机与单片机通信。通过上位机界面更好地实现人机沟通。Visual Basic是一种由微软公司开发的包含协助开发环境的事件驱动编程语 言。从任何标准来说，VB都是世界上使用人数最多的语言一一不仅是盛赞VB的开发者还是抱怨 VB的开发者的数量。它源自于BASIC编程语言。VB拥有图形用户界面（GUI）和快速应用程序开发（RAD）系统，可以轻易的使用 DAO、RDO ADO连接数据库，或者轻松的创建ActiveX控件。程序员可以轻松的使用VB提供的组件快速建立一个应用程序。图2-7 上位机界面测压模块由于我们采用的系统芯片内部集成AD转换功能，所以我们直接通过在与驱动

18、模块moto串联电阻，由口来检测电机的电压。T 11PI和1i111111I111i1i11119A十円iI1i111I i11KtL11* _11iIOIIn1i-r1111111i-i_八ii111 11JU 1111 111 141111 J*ii-iM J；Di图2-8 测压电路按键模块键盘模块中，我采用独立式按键电路。 特点：1 ）每个键独立地接入一根数据输入线。2）平时所有的数据输入线都连接成高电平；3 ）当任何一个按键压下时，与之相连的数据输入线被拉成低电平4）要判断是否有键按下，只要位处理指令即可。独立连接式键盘优点是结构简单、使用方便，但随着键数的增多，所占用的IO 口线也增

19、加。该系统的键盘由4个独立键盘构成。键盘的一脚接在单片机的至脚上，另外一脚接在电源地上，当有键盘按下时对应的键盘就会有一低电平送到单片机内部。为消除触点式按键开关的机械抖动，单片机内部 有程序进行消抖处理，然后确定那一个键盘被按下后来执行程序完成该系统的指定工作。按键键盘原理图如图所示：测速模块我们使用光电编码器来检测电机的转速。光电编码器，是一种通过光电转换将输岀轴上的机械几何位移量转换成脉冲 或数字量的传感器。这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和 光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形 孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时， 光栅盘与电动机同速旋转,经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输岀若干脉冲信号，通过计算 每秒光电编码器输岀脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。被检测物楼3 E接収器TLrm图2-10测速模块系统软件设计系统流程图3-1显示模块软件设计LCD12864显示程序设计 void lcdn it() _1；LCD PSBSub II5C q mo 1 _QtnlCcn m QDim EtrDit：k As StviikgDim re