减速直流电机角度控制器

设计综合性实验报告课程名称： 减速直流电机角度控制院（系）： 电子工程与自动化学院专 业： 自动化学生学号： 0800320232学生姓名： 伍仲明指导教师： 李平 赵学军 龙超2011年9 月18日摘 要在工业生产过程中，减速直流电机角度控制器能实现控制生产流程、控制器械精度并可实现精确的检测与调度工作。同时它也有简单易操作、界面友好快捷的特点，对于工业生产也起到了提高生产效率的作用。本论文介绍了基于 STC12系列的单片机的减速直流电机角度控制器的设计， 电动机角度控制可以应用于很多自动化设备的控制， 它是以STC12C5A60S2作为主要控制芯片，采用4个功率N型MOS管构成H桥对减速直流电动机进行正反转控制， 采用电位器与电动机的同轴连接对电动机的转角进行测量与控制。关键词：自动化控制技术；单片机；减速直流电动机；同轴连接；测量与控制AbstractIn the industrial production process, the slow realization of DCmotorcontrollercancontroltheangleoftheproductionprocess,controlequipmentandtoachieveaccuratedetectionaccuracyandschedulingwork.Italsohasasimpleandeasytooperate,userfriendlyandfastcharacteristics,fortheindustrialproductionalsoplayedaroleinimprovingproductionefficiency.Thispaperdescribes theseries ofmicrocontrollers basedonthedecelerationSTC12DCmotorcontrollerdesignpointofview,themotoranglecontrolcanbeusedinalotofautomatedequipmentcontrol,itisSTC12C5A60S2asthemaincontrolchip,usingfourpowerN-typeMOStubeformHBridgeonthereversinggearDCmotorcontrol,usingpotentiometerandmotoranglecoaxialconnectoronthemotortomeasureandcontrol.Keywords:Automationandcontrolconnectors ;MeasurementandControl

technology;

SCM;DCmotordeceleration;

Coaxial目 录引言. 22 硬件电路原理及设计 22.1主控系统的设计 22.1.1 单片机STC12C5A32S2介绍 32.1.2 主控系统各部分电路设置 42.1.3 下载电路与通信电路介绍 42.2电机H桥驱动电路的设计 72.2.1 驱动电路 H桥的组成. 72.2.2 集成电路 IR2111应用介绍 82.2.3 直流电机 PWM控制原理 102.3减速直流电机的简介 102.4电机转动角度检测 112.4.1 单圈电位器介绍 . 113 程序设计. 123.1电机控制信号的产生 123.1.1 利用定时器 0产生PWM信号 133.2A/D数据采集程序设定 153.3串口通信程序设计 164 系统调试. 184.1静态调试 184.2动态调试 196 结论. 21谢 辞. 21参考文献. 1附 录. 1引言控制技术是在是在上世纪 20年代建立了以频域法为主的经典控制理论后发展起来的，控制技术首先在工业生产中得到了广泛的应用。 在空间技术发展的推动下，50年代又出现了以状态空间法的现代控制理论，使控制技术得到了广泛的发展，产生了更多的应用领域。60年代以来，随着计算机技术的发展，控制技术走向了自动化的方向。随着计算机技术的日渐成熟，自动化控制技术与计算机的结合已经成为必然。用计算机控制所有机械的运行才能减少劳动力的浪费。本文介绍的减速直流电机角度控制器主要控制核心为 STC12系列的单片机，并搭配用功率MOS管组建成的H桥驱动电机正反转。将减速直流电机的输出轴与单圈电位器的轴连接好，利用电位器可以进行角度测量，设计 H桥功率驱动电路，采用 PWM驱动电动机正反转，设计控制器实现0~180度角度控制，控制精度±1度，通过键盘进行角度设置，实际角度可以实时显示。硬件电路原理及设计减速直流电机角度控制器主要是以单片机为核心，结合H桥驱动电路、电压检测来完成所需功能。总体系统框图如图2-1所示：H桥控制驱动电路单片机

PC机主控系统协议转换减速直流 模块电机检测旋转角度图2-1系统总框图2.1 主控系统的设计在智能化仪器仪表中，控制核心均为微处理器，而单片机以高性能、高速度、体积小、价格低廉、稳定可靠而得到广泛应用，是设计智能化仪器仪表的首选微控制器，单片机结合简单的接口电路即可构成单片机最小系统，它是智能化仪器仪表的基础，也是测控、监控的重要组成部分。在单片机性能与设计需求的综合考虑下，本设计选择了STC12C5A32S2单片机作为主控芯片，主控系统还包括了由晶振组成的外部振荡电路和开关复位电路的设计，四个测试用的按键、四个指示与测试用发光二极管和一个七段四位共阴数码管。主控系统如图2-2。LS1R8STC12C5A60S2VCCJ3P00AAP10140P01BVCC10KP10VCC1BR9P11239P00P02CP11P002C10KP12338P01P03DP12P013DJ4P13437P02P04EP13P024EP14536P03P05F2P14P035FP15635P04P06G1P15P046GP16734P05P07HP16P057HZHENG-FANP17833P06P27S4P17P068S4RST932P07P26S3RSTP079S3P301031P25S2P30/RXDEAVCCS2P311130RM4.7kP24S1VCCGNDP31/TXDALES1P321229P32/INT0PSENP331328P27LED4P33/INT1P27123P341427P26K1P34/T0P26P351526P25P10P35/T1P25J5P361625P24AJP36/WRP24A/D-INP371724P23P37/RDP23XTAL21823P22K2D1XTAL2P22XTAL11922P21P11VCCXTAL1P21KR12021P20AJAP34GNDP20LEDR300GNDU1K3VCCC1P12D2XTAL1AJVCCR2P35C30PFK4R300K7C3GNDT2P13LEDAJC10UF22.1184MHZAJC2D3XTAL2VCCR3RSTP36C30PFR300LEDR6GNDD4R10KVCCR4P37LEDR300GND图2-2 主控系统电路图2.1.1单片机STC12C5A32S2介绍STC12C5A60S2系列单片机是宏晶科技生产的单时钟 /机器周期(1T)的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代

8051

单片机，指令代码完全兼容传统

8051,但速度快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，即25万次/秒),针对电机控制，强干扰场合。另外还有以下特点：1.增强型8051CPU，1T，单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统

8051。工作电压：5.5V-3.5V。工作频率范围：0～35MHz，相当于普通8051的0～420MHz。用户应用程序空间8K/16K/20K/32K/40K/48K/52K/60K/62K字节等。片上集成1280字节RAM。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/O口）可设置成四种模式：准双向口/弱上拉，强推挽/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120mA。7.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（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片。有EEPROM功能(STC12C5A62S2/AD/PWM无内部EEPROM)。独立看门狗功能。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电阻图2-3STC12C5A60S2单片机引脚图2.1.2主控系统各部分电路设置振荡电路用于产生外部时钟和复位电路用于单片机系统的复位， 两者是单片机系统最常用的应用，读者可查阅相关应用书籍和资料，本文就不做累述。系统中的四位共阴数码管用于电机转动度数的显示与设置， 当用STC12系列单片机P0口驱动数码管时，需要像 8051单片机一样，需加上 1K到10K的上拉电阻来加强 P0口的驱动能力。主控系统中的四个按键用于独立控制电机和做测试用；四个发光二极管用于测试，同时也可起到指示的作用。P1.3口与P1.4口用于发送驱动电机正反转的信号； P1.2口作为A/D数据采集口。2.1.3下载电路与通信电路介绍STC12系列的单片机与其他STC系列单片机一样，只需要用过串口线与电脑连接,再借助RS232芯片的转换,最终连到单片机上P3.0(RXD)口与P3.1(TXD)口,即可通过电脑端的STC-ISP软件控制下载"用户程序"到STC单片机上了。用户可自行选择使用T1，R1或是T2，R2，均能正常下载。图2-4MAX232芯片管脚图MAX232外围需要4个电解电容C1、C2、C3、C4,是内部电源转换所需电容。其取值均为1μF/25V。宜选用钽电容并且应尽量靠近芯片。C5为0.1μF的去耦电容。MAX232的引脚T1IN、T2IN、R1OUT、R2OUT为接TTL/CMOS电平的引脚。引脚T1OUT、T2OUT、R1IN、R2IN为接RS-232C电平的引脚。因此TTL/CMOS电平的T1IN、T2IN引脚应接MCS-51的串行发送引脚TXD；R1OUT、R2OUT应接MCS-51的串行接收引脚RXD。与之对应的RS-232C电平的T1OUT、T2OUT应接PC机的接收端RD；R1IN、R2IN应接PC机的发送端TXD。MAX232的用法如下：在C1+和C1-两端、C2+和C2-两端、V+和地两端、V-和地两端分别接一个0.1μf(105)电容。可以将两路RS-232C电平转换成两路TTL电平。分别从R1IN和R2IN输入，对应从T1OUT和T2OUT输出。注意，输入和输出的逻辑值保持一致，如输入-5V，即逻辑1，输出也是逻辑1，TTL电平为高电平，即3.6V左右。可以将两路TTL电平转换成两路RS-232C电平，分别从T1IN和T2IN输入，对应从R1OUT和R2OUT输出。同样输入和输出的逻辑值保持一致。图2-5标准RS-232“D”型插头本文系统的下载电路如图2-6所示。VCCC8C104U3MAX232VCC1C1+VCC16C42V+GND15C7J6C104C10413C1-T1OUT146GND24C2+R1IN1373C55C2-R1OUT12P308C6C1044GND6V-T1IN11P3195C1047T2OUTT2IN10GND8R2INR2OUT9DB9图2-6STC系列单片机下载电路本文设计的系统通信电路主要通过总线驱动芯片MAX485来完成，该电路不仅能用于单片机与计算机的通信，而且能用于单片机与单片机的通信。MAX485芯片是Maxim公司的一种RS－485芯片。MAX485采用平衡发送和差分接收方式来实现通信：在发送端TXD将串行口的TTL电平信号转换成差分信号A、B两路输出，经传输后在接收端将差分信号还原成TTL电平信号。两条传输线通常使用双绞线，又是差分传输，因此有极强的抗共模干扰的能力，接收灵敏度也相当高。同时，最大传输速率和最大传输距离也大大提高。如果以 10Kbps速率传输数据时传输距离可达 12m，而用100Kbps时传输距离可达 1.2km。如果降低波特率，传输距离还可进一步提高。另外RS-485实现了多点互连，最多可达256台驱动器和256台接收器，非常便于多器件的连接。可实现半双工通信。图2-7为MAX485的引脚配置图。图2-7MAX485引脚配置图当要实现计算机与单片机的通信时，一般计算机上需要接上 RS-485接口卡，然后再用传输线连接到单片机系统上的 MAX485芯片上，最终再与单片机相连。PC机 RS-485接口卡 MAX485 单片机图2-8单片机与PC机串行通信原理图图2.2 电机H桥驱动电路的设计本文设计的H桥驱动电路是用四个 N型功率场效应管 IRF540来搭建，并配以两个功率场效应管半桥驱动芯片IR2111作为外围驱动电路。12V12VD512VR612VQ1Q3R5.1K4148IRF540IRF540R1R5U2IR2111U3R5.1K2720INHOM156C384NCVs104Q5VbLO4865R3LOVbVsNC72HOINC220IR2111Q6C104Q4R2Q2DCMOTOR805020IRF540R4D64148GNDIRF540208050GND12VGNDJ121ZHENG-FAN图2-11 电机H桥驱动电路图2.2.1驱动电路H桥的组成H桥驱动电路是典型的控制电机正反转的电路，该电路可以用三极管或 P和N型功率场效应管(简称MOS管)来搭建均可。相对于普通三极管 ,MOS管由于结构和原理的不同，导通电阻远比普通三极管低，允许流过更大的电流。而且 MOS管都内置有反向二极管来保护管子本身。所以采用 MOS管连接H桥不但效率可以提高，电路也可以简化。所以本文作者选用了四个 N型MOS管IRF540来组成基