基于单片机的数字式直流调速电路的设计 (1) 3

1、JIU JIANG UNIVERSITY毕毕 业业 论论 文（设文（设 计）计）题目基于单片机的数字式直流电机调速控制系统英文题目The Design of Digital DC ConverterCircuit Base on MCU院系电子工程学院专业电子信息工程姓名胡宾发年级大四指导教师谢新文2014 年 6 月摘要.0The Design of Digital DC Converter Circuit Base on MCU.0引言.21.1国内外研究状况.21.2 课题研究的目的和意义.21.3 预期达到的目标.32.直流电机控制原理.32.1 单片机介绍.32.1.1 单片机概况.

2、32.1.289c51 简介.42.1.389C51 结构原理.42.1.489C51 基本功能.错误！未定义书签。错误！未定义书签。2.2IR2110 功率驱动介绍.62.2.1IR2110 内部结构原理图及管脚说明.62.2.2IR2110 的自举电路. 72.3 直流电机基本调速方法.73.系统硬件电路.83.1 系统方框图.83.2 电路各个模块的原理.93.2.1 键盘输入电路.93.2.2 稳压可调电源.93.2.3 复位和时钟电路.103.2.4 显示电路.113.2.5H 桥 PWM 控制电路.错误！未定义书签。错误！未定义书签。3.2.6隔离方案电路.错误！未定义书签。错误！

3、未定义书签。3.2.7 数据采集、过压反馈保护电路.错误！未定义书签。错误！未定义书签。4.系统软件设计.124.1程序方框图.124.2 调速模块.134.3数据采集.144.4 系统调试.165.结束语.17参 考 文 献.18基于单片机的数字式直流电机调速控制系统摘要直流的电动机运用在很多场合,不管是工业上还是现实里。观察多种控制直流电机的芯片我们就可以发现，尽管效率有了较大的提升,但成本，制做工艺都有了比较高的要求。 本篇论文基于单片机的数字式直流调速电路控制系统的设计的研究是用 89c51 单片机,有设计价格低，功能齐全等好处。论文根据系统的要求实现了整体方案设计和系统选型， 对于设

4、计的控制方案对控制系统的软、硬件设计做了仔细阐述。硬件部分先作了整体设计，然后讲了以 89c51 单片机为中心的硬件组成，对键盘电路、测速电路、LCD1602显示电路等做了全面讲述; 软件部分运用模块化设计思想， 设计了各个模块的流程图。阐述了软件的设计思想和方法;实现了对直流电动机转动参数的设置、启动、停止、加速、减速和显示等功能。 运用51系列芯片作低成本直流电动机控制系统的设计，可以简化系统构成、降低系统成本、加强系统性能,符合很多运用场合的需求。直流电动机优良的调速特性,调速平滑，方便，调速范围广，过载能力大，能承受频繁的冲击负载，实现频繁的无级快速起动、制动和反转；电动机调速系统采用

5、微机实现自动控制， 是电气传动发展的重要方向之一。 运用微机控制后， 这个调速系统体积小、结构简单、可靠性高、操作维护方便，电动机稳态运转时转速精度可达到比较高的水平，静动态各项指标都能很好地满足工业生产中高性能电气传动的需求。关键词：直流电动机；单片机；89c51；调速；LCD1602The Design of Digital DC Converter Circuit Base on MCUAbstractThe DC motor is widely used in many occasions, and it is industrialor reality.and a variety of

6、 DC motor control chip we can see, efficiencyhas beenimproved, but the costof theproductionprocesshaverequirements. Thisthesisisbasedon the MCU digital DC convertercircuitdesign using89c51microcontrollerdesignlow-cost,fullyfunctional advantages. Thesis completed under the requirements of thesystem o

7、verall program design and system selection for the design of thecontrol scheme discussed in detail the control system hardware andsoftware design. The hardware part of the first made the overall design,and then 89c51microcontroller as the core hardware configuration, thekeyboardcircuitspeedcircuit,t

8、heLCD1602displaycircuitweredescribed in detail; software part of the modular design concept, thepreparation of the various modules flowchart. Discusses the softwaredesign and methods; a DC motor rotation parameter settings, start, stop,acceleration, deceleration, and display functions. Low-cost DC m

9、otorcontrol system design, using 51 chips to simplify the system structure,reducing system cost and enhance system performance and meet the needsof many applications.Keywords:DC of motor;micro controller; 89C51; governor; the LCD1602引言1.1国内外研究状况直流电机问世已有一百四十多年的历史。 在设计和制造技术上有很大进步, 新材料、 新技术的应用以及整流电源的普及

10、, 促进了一般工业用直流电机的不断扩大, 品种的日益繁多。从小至数瓦, 大到万余千瓦, 广泛地用于冶金、矿山、煤炭、起重运输、机床制造、纺织印染等各个部门中, 特别是近几年电子计算技术广泛应用在直流电机设计制造中。从直流电动机的演变历史, 也可以纵观直流电动机的发展历史和动向、从四十年代后期到五十年代的前期, 直流电动机的电源主要是采用 M-G 电动发电机组,六十年代初, 电动发电机组电源已被水银整流器逐渐代替, 到六十年代后期, 由于可控硅整流装置的出现, 并得到迅速发展, 可控硅整流电源已占统治地位。由于直流电源供电方式的不断更新换代, 特别是在最近的十几年期问, 进一步促使了直流电动机的

11、单机功率、 转速不断提高, 目前朝着高速、 大功率方向发展。 另外, 由于绝缘技术和分析技术的进步, 直流电动机已迅速向小型轻量, 低惯量方面发展。随着各种技术的进步和研究的展开,诸多高质量的直线电机产品和科研成果纷纷出现。 新型磁性材料和控制技术、冷却方法的出现,为应用经济高速高动力直线电机创造了条件。1.2 课题研究的目的和意义在现代工业中， 电动机作为电能转换的传动装置被广泛应用于机械、 冶金、石油化学、国防等工业部门中，随着对生产工艺、产品质量的要求不断提高和产量 的 增 长 ， 越 来 越 多 的 生 产 机 械 要 求 能 实 现 自 动 调 速 制 砂 机 。机械设备的负载特性为

12、恒转矩位能负载，起动力矩较大，选用变频器时适当地留有余量，表示电机转矩已足够大，打开液压机械制动器，重车可上行;减速过程中，当变频器的频率下降到0.2Hz 时，表示电机转矩已较小，液压机械制动器制动停车。紧急状态时，按下紧急停车按钮，变频器能耗制动和液压机械制动器同时起作用， 使机械设备在尽量短的时间内停车烘干机。输变电行业增加速度稳固开展斜井机械设备的动力由绕线式电机提供， 采用转子串电阻调速。低速时机械特性较软， 静差率较大;电阻上消耗的转差功率大，节能较差;起动过程和调速换挡过程中电流冲击大;中高速运行震动大，大多数中小型矿井采用斜井绞车提升，传统斜井机械设备普遍采用替换绕线式电机串电阻

13、调速系统，安全性较差。长期以来， 自动调速电动机一直占据着调速控制的统治地位。由于它具有良好的线性调速特性，简单的控制性能，高效率，优异的动态特性，现在仍是大多数调速控制电动机的最优选择。因此研究直流电机的速度控制，有着重要的意义。1.3预期达到的目标(1)让单片机能够操作直流电机的正转；(2)让单片机能操作直流电机的反转；(3)能够用液晶显示转速；(4)让单片机可以操作直流电机的正转时的加，减速；(5)让单片机能够控制直流电机的反转时的加，减速；2.直流电机控制原理2.1 单片机介绍单片机 （嵌入式应用） 属于专用计算机， 主要应用于智能仪表、 智能传感器、智能家电、智能办公设备、汽车及军事

14、电子设备等应用系统。 单片机体积小、价格低、 可靠性高， 其非凡的嵌入式应用形态对于满足嵌入式应用需求具有独特的优势。2.1.1单片机概况单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能(可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路)集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。 单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器，常用英文字母的缩写MCU表示单片机，它最早是被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。本论文

15、用到的是ATMEL公司MCS-51系列的89C51。2.1.289c51简介AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。2.1.389C51结构原理89C51的CPU是单片机里面的主要部件，也是一个八位二进制数的中央处理单元。大部分由运算器、控制器和寄存器阵列组成。AT89C51 单片机里面有 256 个字节的RAM数据存储器和 4KB 的闪存程序存储器（Flash） ，如果不够用时，可分别扩展为64KB外部RAM存储器和64KB外部程

16、序存储器。AT89C51 单片机对外部电路进行控制或交换信息都是通过I/O端口进行的。89C51的管脚图如图2.1所示。图2.1 89c51的管脚图1.触发方式如下图 2.2 所示。图 2.2中断触发方式图 2.316x16 行扫描键盘模块2.数码管显示： 在单片机应用系统中通常使用的是8段式LED数码管显示器，它有共阴极（如图 2.4a）和共阳极（如图 2.4b）两种。图 2.48 段数码管共阴极和共阳极原理图2.2IR2110 功率驱动介绍2.2.1IR2110 内部结构原理图及管脚说明IR2110是一种双通道高压，高速电压型功率开关器件栅极驱动器，具有自举浮动电源，驱动电路非常简单，只用

17、一路电源可同时驱动上下桥臂。但它有本身的缺陷，不能产生负压，在抗干扰方面比较薄弱。图2.5 IR2110内部结构图2.2.2IR2110 的自举电路在驱动电路设计中，IR2110 的自举电路可以有效的保护 IGBT。IR2110 自举电路的原理图如图 2.6 所示。图 2.6IR2110 自举电路原理图2.3 直流电机基本调速方法PWM 又被称为“开关驱动装置”,如图 2.8所示。图 2.8 电枢电压占空比和平均电压的关系图改变占空比 D 的值有三种方法：(1)定宽调频法：保持t1不变，只改变 t，这样使周期(或频率)也随之改变。(2)调宽调频法：保持 t 不变，只改变t1，这样使周期(或频率

18、)也随之改变。(3)定频调宽法：保持周期T(或频率)不变，同时改变t1和t。3.系统硬件电路3.1 系统方框图通过系统的方案比较与选择，拟定方案，采用 MC51 单片机、IR2110 功率驱动芯 片构成整个系统的核心实现对直流电机的调速。图 3.1 系统方框图系统总体框图如图 3.1 所示。PWM 控制是由 IR2110 驱动和 4 片 IGBT 管构成的,只需要通过 MC51 单片机控制产生 PWM 信号即可。3.2 电路各个模块的原理3.2.1 键盘输入电路本系统采用键盘，如下图3.2所示。通过按键，可以实现电机的正反转，以及加 速和减速等功能。图 3.2 按钮电路3.2.2 稳压可调电源

19、由于不同的电压值，更多的需要的系统，因为电干扰对大功率在正常工作时，如果只有一组电源防止干扰， 为此在设计时采用了两组可调的稳压电源为系统控制单元和驱动单元单独供电。具体设计电路图如下图 3.4 所示,图 3.4 稳压可调电源电路原理图3.2.3 复位和时钟电路防备体系在突发状况下发生死机等题目， 特意研发复位电路举行对程序计数器的 PC 重新赋值并且重新开始作业，依据 51 系列单片机的特征，运用经典的复位电路的接法，不但可以在上电时自动复位，还可以在程序操作中手动复位，手动复位仅仅需要按下复位电路中的按键就可以。如下图 3.5：图 3.5复位和时钟电路3.2.4 显示电路显 示 电 路 用

20、 8 段 数 码 管 显 示 。 下 图3.6 为 8 段 数 码 管 外 观 结 构图 3.68 段数码外观结构图 3.7TS1620 引脚图表 3.1TS1620 的引脚与功能表4.系统软件设计4.1程序方框图直流电机控制系统紧要是 51 单片机为中心系统，系统程序由主程序 (包括若干功能模块)、 中断子程序和很多子流程构成。 实现具体的某个功效,比如测量、计算、显示、键盘扫描、输出操控等。本论文总程序如下。图 4.1系统程序流程图4.2 调速模块系统中的电机转速与电机两端的电压成比例， 而电机两端的电压与控制波形的占空比成正比，根据单片机定时器 0 中断方式产生 PWM 脉冲，定时器计数

21、到规定的时间后输出来端口完成高低电平转换，完成PWM 输出。进而调节电机两端电压与控制波形的占空比，进而实现调速。如下图所示。4.2PWM 型波软件软件设计程序流程图PWM 的调速原理主要程序：voidPWM_output(ucharduty)CCAP4H=duty;voidp_control(unitset_speed,unitspeed)if(set_speed=speed)temp=temp+5;if(temp255)temp=255;Pam_output(temp);elsetemp=temp-3;if(temp20)temp=20;Pam_output(temp);4.3数据采集测速

22、模块，通过收集到信号输出端每输出一个周期的方波波形，代表转过了一个齿轮。再根据LED呈现出速度的快慢进而实现操控。图 4.3 为信号采集程序流程图。图 4.3 数据采集流程图数据采集部分程序：voidkey_scan() p1_5=0;set_speed=speedPID_flag=1;if(p1_0=0)delay2();if(p1_0=0)while(p1_0=0);if(enter_flag=1)enter_flag=0;elseenter_flag=1;if(enter_flag=1)if(p1_1=0)delay2();if(p1_1=0)while(p1_1=0);set_spee

23、d=set_speed+8;if(p1_2=0)delay2();if(p1_2=0)while(p1_2=0);set_speed=set_speed-8;4.4 系统调试调试过程,接 5V 直流电机，在不同占空比负载电压U负、IGBT 栅极和集电极电压UGE输出情况和电机的转动方向如下表 4.1。表.15V直流电机的测试情况根据上表可以知道：当占空比为 50%电机停止转动，占空比的增大或降低电机转速也随着越来越快速。根据改变占空比从而可以完成对直流电机的调速。5.结束语本文的优势明显，采用c51编程，程序占用内存少，速度快，并能准确把握执行时间，很好的控制。同时由于采用89C51为CPU，和抗噪能力的PWM控制技术，串口扩展显示接口和I/O接口扩展的键盘，这样可以节省RAM芯片，具有体积小，功能齐全，紧凑和灵活，操作方便，又可安装在工作现场单独工作，当然本论文最大的创新是用到了LCD1602 显示，能够更加直观的观察显示的结果，这样无论在读数还是在美观方面都是数码管不能比的。 从而拥有较大的实用价值和较好的运用远景。 特别是可以从经济角度来考量本次设计，如果用技术较为先进的芯片实现同样的功能， 成本方面肯定会大大提升。现在的毕业设计就是对过去所学的知识的综合应用， 是对理论进行深化和重新认识的实践活动。知识不断得到巩固和提高，但我相信，