PIC单片机控制直流电机转速毕业设计

华中农业大学本科毕业设计（论文）专业电子信息工程学生姓名赵俊莹扌旨导教师冯长奇二零一一年四月单片机控制直流电机调速系统单片机控制直流电机调速系统--#-如图4所示，电容C的a端通过二极管D接V，电容C的b端接幅值V的方波。当TOC\o"1-5"\h\zccinb点点位为O时，D到通，V开始对电容C充电，直到节点a的电位达到V(假设二极cccc管D为理想二极管)；当b点电位上升至高电平V时，因为电容两端电压不能突变，此时ina点电位上升为V+V，所以，a点电压就是一个方波，最大值是V+V，最小值是V,inccincccc可见输出端电压平均值将高于V，其波形就跟随输入波形的变化而变化，但始终维持一cc个稳定的差值，实现自举。2・3单片机选型由单片机实现检测控制，其中一个首要的工作就是选择合适的单片机。目前国内在使用单片机作控制系统的微处理器时多选择51系列或Motorola系列单片机，而本系统选用的PIC系列单片机在多个方面较其它系列单片机更有优越性。下面对PIC单片机作较详细介绍。2.4本章小结本章分析了直流电机的能量转换和特性曲线；依据系统技术要求进行了整体方案设计；分析了系统工作原理；依据系统技术要求和方案对直流电机、放大器、光电数字编码器、pic单片机等进行了选型。3硬件电路设计3.1引言本系统在设计硬件电路时主要从以下原则出发：硬件电路设计与软件设计相结合优化硬件电路。一些由硬件实现的功能可用软件来实现，反过来一些由软件实现的功能也可用硬件来完成。用软件来实现硬件的功能时，其响应时间比用硬件实现长，还要占用CPU时间。但是用软件实现硬件的功能可以简化硬件结构，提高硬件电路的可靠性，还可降低成本。因此在本系统的设计过程中，在满足可行性和实时性的前提下尽可能地将硬件功能用软件来实现。可靠性及抗干扰设计。根据可靠性设计理论，系统所用芯片数量越少，系统的平均无故障时间越长，而且所用芯片数量越少，地址、数据总线在电路板上受干扰的可能性就越少，因此单片机基本系统的设计思想是在满足功能的情况下力争使用较少数量的芯片。灵活的功能扩展。一次设计往往不能完全考虑到系统的各个方面，系统需要不断完善，需要进行功能升级。功能扩展时系统应该在原有设计不需要很大改变的情况下，修改软件和少量硬件甚至不修改硬件就能完成。功能扩展是否灵活是衡量一个系统优劣的重要指标。根据系统要求及上面几个硬件设计原则，系统以单片机PIC18F458为中央处理单元，由键盘输入电路，LCD显示，放大器连接电路等组成。下面对主要的电路设计做详细介绍。3・2H桥电路PWM控制电路3.2.1H桥工作原理当开关Q与Q闭合时，负载电流从电源由A流向B。此时负载端A点相对于B点是TOC\o"1-5"\h\z14正电位，电机两端承受正向电压。开关Q与Q由控制逻辑来同步工作，在开关Q与Q闭1414合期间，控制逻辑使另一对开关Q与Q处于断开状态。反之，当开关Q与Q闭合时，2323开关Q与Q断开，此时，负载电流从电源U由B流向A，负载端B点相对于A点是正电14位，电机两端承受反向电压。通过调节PWM信号的占空比就可以改变电机电枢两端的平均电压，从而控制电机的转速或方向。当PWM信号占空比a>50100时，电枢两端电压平均值为正，电机正向转动；当a<50100时，电枢两端电压平均值为负，电机平均值为负，电机反转；a二50,]00时，电机电枢电压平均值为0电机停转，但此时电枢两端电压的顺时值并不为0而是幅值接近电流电源电压U的方波。TOC\o"1-5"\h\z与功率开关并联的二极管为快会恢复二极管，作为续流二极管使用。当Q、Q的PWM14信号变为低电平后，功率管Q、Q关断而Q、Q饱和导通。电枢两端所加电压为-U,1423此时，电枢电流方向不能立刻改变，必须通过二极管VD与VD续流。同理，当Q、Q2323的PWM信号变为低电平后，电机通过二极管VD、VD续流。143.2.2H桥器件选择本系统中，选择功率MOSFET作为开关器件。功率MOSFET是压控元件，具有输入阻抗大、开关速度快、无二次击穿现象等特点。此处，选取N沟道的功率MOSFETIRF530作为开关器件。R和C则组成放电回路，消耗电感中存储的能量。其中，R要用阻值在千欧242级、功率在5W的水泥电阻，阻值的具体大小要在不同的电路应用中调整确定。3.2.3工作频率选择要使电路稳定的工作，需要合适地选择PWM的频率。如果频率选择过低，输出到电机两端电压的低频纹波较大，会对电机的平稳运行造成影响，而且低频的PWM信号会使直流电机在运行的过程中产生很大的噪声，极大影响转台操作人员的工作环境；如果频率选择过高，由于光耦、IR2111、MOSFET等器件的开关特性的限制，不可能输出较为理想的方波,这会使输出的PWM波形发生畸变，无法有效的控制直流电机的运转。经过多次实践证明，此电路的PWM工作频率选择32KHz为宜。此频率在超声波频段范围内，可以消除电机在工作过程中的噪音。3・3放大电路的连接电路IR2111外围电路如图所示。单片机输出的PWM信号经光耦PC817后，输出至IR2111输入端，此处的光耦对PWM信号起到隔离、电平转换和功率放大的作用。图中，R、1R为光耦上拉电阻，其值根据所用光耦的输入和输出地电流参数决定：C为电容滤波电21容，C为自举二极管，R>R为栅极驱动电阻。234

+12-1'图3.2IR2111驱动功率MOSFET3.4键盘输入电路本系统采用键盘，如图3.4所示。•+12-1'图3.2IR2111驱动功率MOSFET3.4键盘输入电路本系统采用键盘，如图3.4所示。•riu—□MD3图3.4为按钮电路3・5电源电路控制系统需要一个稳定的工作电压才能可靠工作，本系统的IR2111放大器要士12V;PIC单片机、数码管驱动、显示电源需要+5V;考虑到本系统的情况，采用了直接从市场上购买开关电源来满足要求，如图3.3所示。开关电源O开关电源O+12V°+5VC22[W交流电源C图3.5所需电源3・6转速测量电路设计一个完善的闭环系统，其定位精度和测量精度主要由测量元件决定，因此，高精度的测量转速对测量元件的质量要求相当高。光电编码器是现代系统中必不可少的一种数字式速度测量元件，被广泛应用于微处理器控制的闭环控制系统中。3.6.1光栅盘光栅盘是在圆盘边刻有很多光栅。当光源照射到光栅部分时，没有被光栅挡住的光源就透射过去。本系统中采用了一个圆面上刻有60个均匀光栅格的光栅盘。当电机旋转一周时，会产生60个光脉冲信号。3.6.2光电传感器光电传感器原理是有一个发光二极管和一个由光信号控制放大的三极管组成。由发光二极管发出红外光线通过3mm宽的气隙透射到另一端的三极管上，使得该三极管导通。其特征如下：•气隙是3mm。分辨率达到0.5mm。•大电流传输比Ic|>30100o'F暗电流为：0.25卩A在IF=10mA时，发光二极管产生的光线的波长为940nm。安装时将光栅盘圆面钳到沟槽中，光电传感器的发光二极管发出的红外线通过3mm气隙照射到光栅盘，光通过光栅盘面上透光的光栅气隙可以使得光传感器的三极管导通，从C极会输出一个低电平，被光栅挡住的光不能透过去，使得光电传感器的C极会输出一个高电平。

3.8.1光电传感器原理图光电传感器在硬件电路设计上很简单，如图3.8.2。在光电传感器的1引脚上接一个限流电阻R,限制流过发光二极管的电流ip=10mA左右。计算公式如下：6565I=(V-V)/RFCCF其中，V其中，V二1.15V,V二5V,FCCI二10mA，计算出R二3900左右。FR6R61KR5390U41D>RC13.8.2光电传感器设计图4系统软件设计4.1引言随着现代技术的发展，利用软件代替和简化硬件，利用基本的硬件电路和软件技术达到系统多功能集成和容易修改的要求。一个较为简单的硬件电路，系统功能的主要实现是依靠软件的设计来完成的。本系统的软件采用模块化设计，将系统分为若干个模块，分别实现各项功能，这样在系统软件的调试过程中，各个模块的独立调试有助于问题的发现和解决，在一定程度上节约了程序的调试时间。4・2系统应用程序设计微芯公司为PIC18F458系列的集成与调试提供的工具包括:软仿真器，集成开发调试软件MPLAB,PIC系列单片机可采用汇编语言或C语言编写源程序代码。MPLAB是一个完整的PIC单片机集成开发环境，也是目前最优秀、最流行的PIC单片机开发软件，大部分的PIC系列的单片机都可以采用该软件工具进行开发。MPLAB包括下列功能:集成可视化编辑界面，可直接编写C、汇编等文件。集成代码生成工具，包括汇编器、连接器等等。基本调试工具，支持调试断点工具走。系统的软件设计是用PIC的汇编语言在MPLAB集成环境下运行、调试、完成的运行。4・3直流电机转速控制器的软件设计直流电机转速控制器的软件设计和系统功能的开发和完善是一个循序渐进过程，本文所作的软件开发是基于直流电机多速控制器的基本功能要求设计的该系统软件有主程序、功能键处理程序、电机运行显示程序、键盘设置参数程序测速程序、延时子程序等。该系统的整个软件设计全部采用模块化程序设计思想，由系统初始化模块、案件识别模块、LCD模块、高优先级和低优先级中断服务程序四大模块组成。其中，系统初始化模块、按键识别和LCD显示模块在主程序完成，而中断服务完成TMRO定时溢出中断、TMR1外部计数溢出中断、TMR3的1s计数溢出中断以及INTO外脉冲上边沿捕获中断等。整个软件的主程序和中断服务程序框图如图4.3至4.5。图4.3主程序框图图4.4高优先级中断服务程序框图图4.4低优先级中断服务程序框图4・3・1系统初始化模块主程序的系统初始化模块包括对PIC单片机的CPU系统时钟初始化、IC单片机的I/O方向初始化、TMRO定时/计数器的初始化、TMR3定时/计数器的初始化、CCP模块的初始化和系统相关变量的初始化过程。PIC18单片机内部集成了经过校正的8MHz主时钟源，系统上电默认主时钟为1MHz。通常，需要对OSCCON寄存器进行配置，使其工作在8MHz。若为了提高CPU的运算速度，则采用PIC18单片机的内部PLL的4倍频以使CPU主时钟达到32MHz，只需要对OSCTUNE寄存器进行设置。本系统采用32MHz的时钟源，因此初始化的结果如下：0SCC0N=0x70;//IRCF2..0=111,选择内部8MHz的主振荡器0SCTUNE=0x40;//PLLEN=1,使能PLL的4倍频，从而CPU内核时钟为F为32MHz5结论5・1工作总结论文对直流电机转速控制系统的设计和实现做了大量的工作，从开始的方案、软硬件的设计到组装调试以及最后的系统功能实现，整个系统基本上是我独立完成。本论文主要研究和创新在于：针对系统的技术要求，提出采用以pic单片机为核心的控制方案;完成各类芯片的合理选型；利用PIC18F458A系列单片机作为控制的核心，完成了以PIC单片机为控制系统核心的硬件设计，完成了输入模块、输出模块以及外围电路等模块的设计，实现了系统的预定功能。对PICI8F458A系列单片机的软件设计和实现方法以及部分关键技术进行了探索研究，给出了以PIC单片机作为整个控制系统为核心的整体软件设计思路，并在MPLAB—IDE软件集成开发环境下，完成了整个软件系统的模块化结构设计。参考文献1、王兆安，黄俊•电力电子技术(第4版)[M].北京：机械工业出版社，2000.2、康华光，模拟电子技术基础(第4版)[M].北京：高等教育出版社，2004.5.3、康华光，数字电子技术基础(第4版)[M].北京：高等教育出版社，2004.5.4、刘和平•单片机C语言编译器及其应用——基于PIC18F系列[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.4.5、刘和平等.PIC18FXXX单片机程序设计及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005.2.6、刘和平等.PIC18FXXX单片机原理及接口程序设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004.8.7、陈伯时.电力传动自动控制系统[M].北京：机械工业出版社，2004.6.致谢真诚感谢我的导师冯长奇在这四年中给我的无私帮助和谆谆教导。冯老师治学严谨、孜孜以求、一丝不苟、兢兢业业，严以律己、宽以待人，这对我养成认真踏实的工作作风和虚心钻研的学习态度尤为有益。另外，许多代课老师老师