基于单片机的直流电机调速系统设计

1、 届本科毕业论文 论文题目： 基于单片机的直流电机调速系统设计 学生姓名： 所在院系： 所学专业： 导师姓名： 完成时间： xxxx-xx-xx摘 要本文主要研究了利用MCS-51系列单片机控制PWM信号从而实现对直流电机转速进行控制的方法。文章中采用了专门的芯片组成了PWM信号的发生系统，并且对PWM信号的原理、产生方法以及如何通过软件编程对PWM信号占空比进行调节，从而控制其输入信号波形等均作了详细的阐述。此外，本文中还采用了芯片L9110H作为直流电机的正反转驱动模块，并且把它与控制电路相结合完成了在主电路中对直流电机的控制。另外，本系统中使用了槽型光电开关对直流电机的转速进行测量，并由

2、单片机的计数器对单位时间内的脉冲数量进行计数，从而实现了对直流电机速度的测量。在软件方面，文章中详细介绍了PWM占空比调节程序，数码管显示程序经及按键描述程序等的编写思路和具体的程序实现。关键词： PWM调速，光电测速，H桥驱动The Design of Direct Current Motor speed Regulation System Based On SCMChenliSchool of Information and Engineering AbstractThis paper mainly studied using MCS-51 series microcontrol

3、ler PWM signal in order to achieve control method of DC motor speed control. The article adopts the special chip consists of generating system of PWM signal, and the principle of the PWM signal, the method and how to adjust the duty cycle of the PWM signal by software programming, so as to control i

4、ts input signal waveform are discussed in detail. In addition, this paper also uses the chip L9110H as the reversible DC motor driver module, and it combined with the control circuit to complete the control of DC motor in the main circuit. In addition, the system used in speed tank type photoelectri

5、c switch of DC motor is measured, and by the single-chip counter pulse number on the unit of time are counted, so as to realize the measurement of the speed of DC motor. In the aspect of software, this paper introduces in detail the PWM duty cycle adjustment program, writing ideas and specific progr

6、am to realize the digital tube display program and key description program etc.Key words: PWM signal，Photoelectric tachometer，H bridge driver 目录1. 引言11.1开发背景11.2选题的目的和意义11.3研究方法22. 总体设计概述22.1总体硬件电路设计22.1.1系统总体设计框图22.1.2 8051单片机简介32.1.3单片机系统中所用其他芯片选型42.2PWM信号发生电路设计72.2.1 PWM的基本原理72.2.2 PWM信号发生电路设计82.

7、2.3 PWM发生电路主要芯片的工作原理92.3功率放大驱动电路设计102.3.1芯片IR2110性能及特点102.3.2 IR2110的引脚图以及功能112.4主电路设计112.4.1 延时保护电路112.4.2 主电路112.4.3 输出电压波形132.4.4系统总体电路图142.5测速发电机152.6滤波电路152.7A/D转换152.7.1芯片选型152.7.2 ADC0809的引脚及其功能163. 系统软件部分的设计163.1PI 转速调节器原理图及参数计算163.2系统中的部分程序设计173.2.1主程序设计173.2.2 PI控制算法子程序设计184. 系统调试194.1软件调试

8、194.2系统仿真20结论21致谢21参考文献22附录23201. 引言1.1 开发背景现代工业生产中，电动机是主要的驱动设备，目前在直流电动机拖动系统中已大量采用晶闸管(即可控硅)装置向电动机供电的KZD拖动系统，取代了笨重的发电动一电动机的FD系统，又伴随着电子技术的高度发展，促使直流电机调速逐步从模拟化向数字化转变，特别是单片机技术的应用，使直流电机调速技术又进入到一个新的阶段，智能化、高可靠性已成为它发展的趋势。直流电机调速基本原理是比较简单的（相对于交流电机），只要改变电机的电压就可以改变转速了。改变电压的方法很多，最常见的一种PWM脉宽调制，调节电机的输入占空比就可以控制电机的平均

9、电压，控制转速。PWM控制的基本原理很早就已经提出，但是受电力电子器件发展水平的制约，在上世纪80年代以前一直未能实现。直到进入上世纪80年代，随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展，PWM控制技术才真正得到应用。随着电力电子技术、微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法，如现代控制理论、非线性系统控制思想的应用，PWM控制技术获得了空前的发展，到目前为止，已经出现了多种PWM控制技术。1.2 选题的目的和意义直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。从控制的角度来看，直流调速还是交流拖动系统的基础。早期直

10、流电动机的控制均以模拟电路为基础，采用运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成，控制系统的硬件部分非常复杂，功能单一，而且系统非常不灵活、调试困难，阻碍了直流电动机控制技术的发展和应用范围的推广。随着单片机技术的日新月异，使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成，为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，并使系统能达到更高的性能。采用单片机构成控制系统，可以节约人力资源和降低系统成本，从而有效的提高工作效率。传统的控制系统采用模拟元件，虽在一定程度上满足了生产要求，但是因为元件容易老化和在使用中易受外界干扰影响，并且线路复杂、通用性差，控制效果受到器件性能、温度等因素的影响，故系统的运

11、行可靠性及准确性得不到保证，甚至出现事故。目前，直流电动机调速系统数字化已经走向实用化，伴随着电子技术的高度发展，促使直流电机调速逐步从模拟化向数字化转变，特别是单片机技术的应用，使直流电机调速技术又进入到一个新的阶段，智能化、高可靠性已成为它发展的趋势。1.3 研究方法本文主要研究了利用MCS-51系列单片机，通过PWM方式控制直流电机调速的方法。PWM控制技术以其控制简单、灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式，也是人们研究的热点。由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限，结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM控制技术发展的主要方向之一。本文就

12、是利用这种控制方式来改变电压的占空比实现直流电机速度的控制。文章中采用了专门的芯片组成了PWM信号的发生系统，然后通过放大来驱动电机。利用光电开关测得电机速度，输入单片机计数器接口从而实现电机转速的测量。2. 总体设计概述单片机直流电机调速简介：单片机直流调速系统可实现对直流电动机的平滑调速。PWM是通过控制固定电压的直流电源开关频率，从而改变负载两端的电压，进而达到控制要求的一种电压调整方法。在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速。因

13、此，PWM又被称为“开关驱动装置”。本系统以89C51单片机为核心，通过单片机控制，C语言编程实现对直流电机的平滑调速。系统控制方案的分析：本直流电机调速系统以单片机系统为依托，根据PWM调速的基本原理，以直流电机电枢上电压的占空比来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速为依据，实现对直流电动机的平滑调速，并通过单片机控制速度的变化。本文所研究的直流电机调速系统主要是由硬件和软件两大部分组成。硬件部分是前提，是整个系统执行的基础，它主要为软件提供程序运行的平台。而软件部分，是对硬件端口所体现的信号，加以采集、分析、处理，最终实现控制器所要实现的各项功能，达到控制器自动对电机速度的有效控制。2

14、.1 总体硬件电路设计2.1.1系统总体设计框图本系统采用89C51控制输出数据，由PWM信号发生电路产生PWM信号，送到直流电机，直流电机驱动装于电机轴上的码盘来对电机转动的转数进行测量。 图2-1系统总体设计图2.1.2 8051单片机简介18051单片机的基本组成8051单片机由CPU和8个部件组成，它们都通过片内单一总线连接，其基本结构依然是通用CPU加上外围芯片的结构模式，但在功能单元的控制上采用了特殊功能寄存器的集中控制方法。其基本组成如下图所示： 图2-2 8051基本结构图2CPU及部分部件的作用功能介绍如下中央处理器CPU：它是单片机的核心，完成运算和控制功能。内部数据存储器

15、：8051芯片中共有256个RAM单元，能作为存储器使用的只是前128个单元，其地址为00H7FH。通常说的内部数据存储器就是指这前128个单元，简称内部RAM。内部程序存储器：8051芯片内部共有4K个单元，用于存储程序、原始数据或表格，简称内部ROM。定时器：8051片内有2个16位的定时器，用来实现定时或者计数功能，并且以其定时或计数结果对计算机进行控制。中断控制系统：该芯片共有5个中断源，即外部中断2个，定时/计数中断2个和串行中断1个。接线分析：P0.7-P0.0：这8个引脚共有两种不同的功能，分别使用于两种不同的情况。第一种情况是8051不带片外存储器，P0口可以作为通用I/O口使

16、用，P0.7-P0.0用于传送CPU的I/O数据。第二种情况是8051带片外存储器，P0.7-P0.0在CPU访问片外存储器时先是用于传送片外存储器的低8位地址，然后传送CPU对片外存储器的读写数据。P2.7-P2.0：这组引脚的第一功能可以作为通用的I/O使用。它的第二功能和P0口引脚的第二功能相配合，用于输出片外存储器的高8位地址，共同选中片外存储器单元，但是并不能像P0口那样还可以传送存储器的读写数据。P3.7-P3.0：这组引脚的第一功能为传送用户的输入/输出数据。它的第二功能作为控制用，每个引脚不尽相同。VCC为+5V电源线，VSS为接地线。ALE/：地址锁存允许/编程线，配合P0口

17、引脚的第二功能使用，在访问片外存储器时，8051CPU在P0.7-P0.0引脚线上输出片外存储器低8位地址的同时还在ALE/线上输出一个高电位脉冲，其下降沿用于把这个片外存储器低8位地址锁存到外部专用地址锁存器，以便空出P0.7-P0.0引脚线去传送随后而来的片外存储器的读写数据。/VPP：允许访问片外存储器/编程电源线，可以控制8051使用片内ROM还是片外ROM。如果=1，那么允许使用片内ROM；如果=0，那么允许使用片外ROM。XTAL1和XTAL2：片内振荡电路输入线，这两个端子用来外接石英晶体和微调电容，即用来连接8051片内OSC的定时反馈电路。石英晶振起振后，应能在XTAL2线上

18、输出一个3V左右的正弦波，以便于8051片内的OSC电路按石英晶振相同频率自激振荡，电容C1、C2可以帮助起振，调节它们可以达到微调fOSC的目的。2.2 PWM信号发生电路设计2.2.1 PWM的基本原理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。PWM可以应用在许多方面，比如：电机调速、温度控制、压力控制等等。在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并且根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来达到改变平均电压大小的目的，从而来控制电动机的转速。

19、也正因为如此，PWM又被称为“开关驱动装置”。如图2-8所示：图2-8 PWM方波设电机始终接通电源时，电机转速最大为Vmax，设占空比为D= t1 / T，则电机的平均速度为Va = Vmax * D，其中Va指的是电机的平均速度；Vmax 是指电机在全通电时的最大速度；D = t1 / T是指占空比。由上面的公式可见，当我们改变占空比D = t1 / T时，就可以得到不同的电机平均速度Vd，从而达到调速的目的。严格来说，平均速度Vd 与占空比D并非严格的线性关系，但是在一般的应用中，我们可以将其近似地看成是线性关系。2.2.2 PWM信号生成PWM波可以由具有PWM输出的单片机通过编程来得

20、以产生，也可以采用PWM专用芯片来实现。当PWM波的频率太高时，它对直流电机驱动的功率管要求太高，而当它的频率太低时，其产生的电磁噪声就比较大在本设计中，因为要控制的是转动惯量较小的130电机，所以直接由单片机软件模拟生成PWM信号。为了获得可调节的PWM波形，我们首先要确定信号周期，在本设计中每产生10次定时中断 为一个整PWM信号周期，因为每次中断时间为5MS。所以PWM频率为1000/5/10=20Hz，为了调节PWM波的占空比。除了10次中断一个周期这个变量f外，外要引入一个占空比变量t，在程序设计中规定当f小于t时，输出电机转动信号，大于等于t时输出电机停止信号。显然t越大，t/f越

21、大，也就是占空比越高，电机的平均转速也就越高。图2-11 4040引脚图2.3 功率放大驱动电路设计功率放大驱动芯片有多种，其中较常用的芯片有LM298和L9110H，LM298是双H桥电路，连续输出电流达2A方泛应用于微型直流电机与步进电机的驱动电路。但是LM298的引脚和封装形式都比较特殊，只能配合专门的模块电路，不适合集成到微小电路板上，更不适合万用板焊接。L9110H是8脚直插封装，不需要任何外围器件，占空间小，而且价格比LM298便宜很多，广泛应用于玩具和微控制领域。2.3.1 L9110性能特点 L9110 是为控制和驱动电机设计的两通道推挽式功率放大专用集成电路器件，将分立电路集

22、成在单片IC 之中，使外围器件成本降低，整机可靠性提高。该芯片有两个TTL/CMOS兼容电平的输入，可直接与单片机接口，具有良好的抗干扰性；两个输出端能直接驱动电机的正反向运动，它具有较大的电流驱动能力，每通道能通过750800mA 的持续电流，峰值电流能力可达1.52.0A；同时它具有较低的输出饱和压降；内置的钳位二极管能释放感性负载的反向冲击电流，使它在驱动继电器、直流电机、步进电机或开关功率管的使用上安全可靠。L9110 被广泛应用于玩具汽车电机驱动、步进电机驱动和开关功率管等电路上。 宽电压工作范围2.5V12v。2.3.2 L9110的引脚图以及功能IR2110将输入逻辑信号转换成同

23、相低阻输出驱动信号，可以驱动同一桥臂的两路输出，驱动能力强，响应速度快，工作电压比较高，是目前功率放大驱动电路中使用最多的驱动芯片。其结构也比较简单，芯片引脚图如下所示：图2-12 L9110引脚图Vcc脚与GND脚为芯片的电源输入脚，IB与IA为输入控制端，OA与OB为输出控制端输入端与输出端有逻辑如图2-13所示。图2-13 L9110逻辑图2.4 应用电路设计 本设计中由单片机的P3.0、P3.1两个I/O口实现对电机的转速和方向的控制。由图2-13可知输入A为高电平B为低电平时输出A为市电 平，B为低电平。此时电机正转，反之如果输入A为低电平，B为高电平则电机反转。系统电路经过单片机控

24、制的PWM信号产生电路送来的PWM信号，经过功率放大电路，形成输出电压的波形图如下图如示：图2-14 输出电压波形 2.4.4 系统总体电路图直流电机调速系统总体电路设计由单片机产生控制PWM信号发生电路产生PWM信号的数据，控制直流电机调速电路对电机进行调速。图2-15 系统总休电路图2.5 槽形光电开关介绍槽型光电开关其实对射式光电开关的一种又被叫做U型光电开关，是一款红外线感应光电产品，由红外线发射管和红外线接收管组合而成，而槽宽则就决定了感应接收型号的强弱与接收信号的距离，以光为媒体，由发光体与受光体间的红外光进行接收与转换，检测物体的位置。槽型光电开关于接近开关同样是无接触式的，受检

25、测体的制约少，且检测距离长，可进行长距离的检测（几十米）检测精度高能检测小物体。应用非常的广泛。图2-15 光电开关外形2.6 槽形光电开关特点与接近开关等比较，光电开关的检测距离非常长，且是无接触式的，所以不会损伤检测物体，也不受检测物体的影响。几乎不受检测物体的制约由于是采用对检测对象的表面进行反射及光透过方式，不像接近开关只能对金属，还能对玻璃、塑料、木制物体、液体等各种物质进行检测。响应速度快与接近开关同样，由于无机械运动，所以能对高速运动的物体进行检测。镜头容易受有机尘土等的影响镜头免受污染后，光会散射或被遮光，所以在有活水蒸汽、尘土等较多的环境下使用的场合，需施加适当的保护装置。受

26、环境强光的影响几乎不受一般照明光的影响，但像太阳光那样的强光直接照射受光体时，会造成误动作或损坏。3. 系统软件部分的设计软件部分主要这完成PWM信号产生，按键检测，数码管动态扫描与转速测量。软件分为主程序与相关子程序/*头文件*/#include<reg51.h> #include<absacc.h> #include <intrins.h> /* /*自定义变量*/#define uint unsigned int /自定义变量#define uchar unsigned char uchar gw,sw,bw,qw;uchar j; /定时次数，每次2

27、0msuchar f=10; /计数的次数sbit P10=P30; /PWM输出波形1sbit P11=P31; /PWM输出波形2sbit P12=P10; /正反转sbit P13=P13; /加速sbit P14=P14; /减速sbit P15=P12; /停止sbit P16=P11; /启动uchar k;uchar t=2; /脉冲加减float y;/*/*控制位定义*/uchar code smg12=0xA0,0xBE,0x62,0x2A,0x3C,0x29,0x21,0xBA, 0x20,0x28,0x30,0x25;/程序存储区定义字型码表char data led4

28、=0xf7,0xfb,0xfd,0xfe; /位码unsigned long x,z; /数码管显示的数值display(); /数码管显示 delays(); /延时函数key();displays();/*/*主函数*/main (void) TMOD=0x51; /T0方式1 定时计数T1方式1计数TH0=(65536-5000)/256; /装入初值 20MSTL0=(65536-5000)%256;TH1=0x00; / 计数567TL1=0x00;TR0=1; /启动 t0TR1=1; /启动t1gw=0;sw=0;bw=0;qw=0; /数码管初始化P0=0x78;P2=1;wh

29、ile(1) /无限循环 display(); /数码管显示 key(); /*/*数码管显示*/display()z=x; y=z/20;z=y; gw=z%10; /求速度个位值，送到个位显示缓冲区sw=z/10%10; /求速度十位值，送到十位显示缓冲区bw=z/100%10; /求速度百位值，送到百位显示缓冲区if(k=0)/正转时显示"上口"qw=0x78;delays();elseqw=0x27; /反转时显示"下口" P0=smggw;P2=0xFE;delays();P2=0xFF;P0=smgsw;P2=0xFD;delays();P2

30、=0xFF;P0=smgbw;P2=0xFB;delays();P2=0xFF;P0=qw; P2=0xF7;delays();P2=0xFF;/*/*延时函数*/delays()uchar i;for(i=5000;i>0;i-);/*/*t0定时*中断函数*/void t0() interrupt 1 TH0=(65536-5000)/256; /装入初值 20MSTL0=(65536-5000)%256;f-;if(k=0) if(f<t) P10=1; else P10=0; P11=0; else if(f<t)P11=1;else P11=0;P10=0;if(f

31、=0)f=10; j+; if(j=200) j=0;EA=0;x=(long)TH1*256+TL1; /t1方式1计数，读入计数值TH1=0x00;TL1=0x00;EA=1; /x+;display();/*按键扫描*/key()if(P12=0) /如果按下， while(!P12) /去抖动 display(); k=k; t=2; if(P16=0) /启动while(P16=0);IE=0x8a; if(P13=0) /加速while (P13=0);t+;if(t>=10)t=10;if(P14=0) /减速while(P14=0);t-;if(t<3)t=2;if

32、(P15=0) /停止while(P15=0);EA=0;P10=0;P11=0;x=0; 整个系统图 教师见习报告总结期待已久的见习已经结束了，在龙岩三中高中部见习听课，虽然只是短短的两个星期，但感触还是蛮深的，以前作为一名学生坐在课室听课，和现在作为一名准教师坐在课室听课是完全不同的感受，感觉自己学到了一些在平时课堂上学不到的东西。在这里，我获得的不仅是经验上的收获，更多是教学管理，课堂教学等的理念，以及他们带给我的种种思考。教育见习实践过程：听课。教育见习的主要目的是让学生在指导教师的引导下，观摩教师上课方法、技巧等。听课是教育见习的主要内容。我院规定在一周的见习中需完成至少6课的见习任

33、务。我在教师的安排指导下，分别对高一、高二物理专业课型为主，其他课型齐头的方式，积极主动的完成了听课任务，收到良好的效果。我听的第一节课是高二（8）班，这是一个平衡班，水平不如实验班高。在上课前。科任老师已经跟我说了这个班的纪律是比较差的，而且成绩也不是很好。在我听课期间，确实有几个学生在课堂上说话，但是我发现了一个有趣的现象，这个现象我在往后的几个班都发现了，就是绝大部分的学生的学习热情都好高涨，积极举手发言，积极参与课堂活动。我跟老师们提起这个现象的时候，科任老师就跟我说，一个班里不可能所有的学生都能全神贯注地听完一节课，所以作为一名教师，应该想办法吸引学生的注意力，调动的积极性，比如可以

34、以小组为单位，以抢答计分的形式调动学生的积极性，这样课堂气氛就会活跃起来了。在为期两周的见习工作中，我真的有很大的感触，我第一次感受到自己已经从一名学生向一名教师靠近，走在校园里，每当有学生叫我一声老师，我在感到无比自豪的同时，还感受到了自己的责任。见习工作结束了，我要回到学校继续我的学习了，但是我会好好记住我从*中学学到的一切，并应用于我的专业学习中去。一、教学管理理念 在龙岩三中，从领导阶层到一位普通的科任老师，都秉承以学生为主体的宗旨进行学校的管理，进行教学工作的开展。作为一个课程改革的示范学校，一个教育实验基地。这所学校鼓励着老师做各种研究，各种改革。每个班主任都有着自己的管理经验与管理宗旨。有了这种思想的自由，自然这里也就充满着探索与尝试，从而有所创造与进步。在我见习的班集体中，班主任对他的学生说：“我要让你们成为学习型的管理者，也是管理型的学习者。”这样一句简单的话，让我感到这里老师进行班级管理的良苦用心。他们关心的不只是学生的学习，更多的是从一个完整的人的概念出发，去培养学生多方面的素质。二、教学理念 在见习期间，借着录课的机会，我听了很多的市级，校级的公开棵，还有理科实验班的课。在这些课堂上，让我看到教学改革正在悄然进行，有意识的老师正在努力体会“以学生为主体”的课堂