《基于单片机的直流电机控制系统设计》5300字（论文）

基于单片机的直流电机控制系统设计摘要:近年来，直流电机研究和开发的功能非常活跃。直流电机有调速范围广、使用方便、起动转矩大等良好的调速性能。因此直流电机的应用技术发展蓬勃，广泛投入生产和日常生活中使用。但因为在改变电阻或电压时，模拟电路很容易出现时移，产生一些噪音和热损耗。应用PWM技术不仅能有效避免上述缺点，而且还可以对模拟信号进行数字化的控制，因此直流电机与PWM技术结合使用，在很大程度上降低了生产成本和生产功耗。又由于传统调速系统的技术手段表现出的低速特性差、抗噪性能弱、损耗大、效率低、经济成本大、占用空间大等缺点不能满足现代社会科技日益发展的需求。所以，用单片机通过串口进行PWM调制实现直流电机调速的在线控制的技术发展显得尤为重要。关键字:直流电机;STC89C51;PWM;L289目录TOC\o"1-3"\h\u168001绪论 绪论1.1研究背景及意义1.1.1课题背景从直流控制电机问世以来，已广泛应用了140多年，在设计制造产业、电子计算技术、电源、新材料能源等方面都取得了很大的进步，直流电机应用程序的开发和扩展得到了广泛的应用。变频技术出现后，交流调速技术不断发展。交流电动机的性能提升使其拥有比直流系统具有构造简单、成本低廉、维护修缮更加方便等优点，但其调速困难的缺点使其难以广泛应用。在八十年代中期，各电子行业都在追求数字式调速系统的开发和应用，全数字直流调速系统提高了直流调速的精度和可靠性。通过比较，直流调速系统能大范围稳定调速且制动性能好，使得直流电机在结构、价格、维护等方面存在的缺点在整个系统中最小化。从直流电机的发展历程能看出，直流控制电动机电源在社会和经济上都领取了迅速的发展。目前，它正朝着速度高、功率大的方向发展。因此，直流调速是自动调速系统的重要形式，直流调速系统将处在无以替之的地位。1.1.2课题意义应用电子专业的专业基础知识和拓展课程，结合直流电机和PWM调速原理通过keil编程软件、protues仿真软件实现直流电机的正反转、加减速等功能。通过联系、学习各方面知识，巩固学科知识，提升实践能力。2直流电机概述电机在我们生活上得到了很多的应用，小到风扇，大到发电站，电机的使用随处可见。本设计中应用到的是我们生活中最常见的一类电机——马达。这类电机只需要在其外部接通直流电就可以旋转，使用起来非常方便，因此我们也叫这类电机为直流电机。2.1直流电机工作原理图2.1中的弧形铜片称为换向片，它们彼此绝缘，也与转轴绝缘，电枢线圈连接换向片，这就构成所谓的换向器，换向器固定在转轴上，电刷A、B固定于换向片，直流电源通过电刷为电枢绕组提供电流，电枢线圈中转子电流与磁场产生的转矩保持方向不变，产生感应电动势REF_Ref17794\r\h[1]。换向器与电刷把电能引入电枢线圈，同一极下线圈边保持同向电流和同向电磁力，使得电机不停地旋转，实现电能与机械能的能量转化。所以对于直流电机来说，转换器是非常重要的。由此可见，转子的力由电流和磁场强度决定。磁场强度与励磁紧密相关，励磁可独立控制，因此转矩与电流直接相关。图2.1直流电机的工作原理图2.2直流电机的调速原理设计是采用脉宽调制控制来进行直流电机转速调节的。由转速公式n=(U−IR)/Kφ可知，励磁电压不变时，可采用脉宽调制法调速，即在电机的电枢加上控制电压信号。脉宽调制是利用一个固定频率控制电源的通断，改变直流电机电枢上电压的“占空比”来调整平均电压的大小，从而控制电动机的转速REF_Ref29752\r\h[2]。3软硬件选取及介绍3.1软件选取及介绍3.1.1KeiluVision4KeilμVision4是一款相比先前版本的界面更加整洁、高效、窗口放置灵活、C语言框架清晰、可自动识别语法错误的具有编辑、编译、仿真、调试等功能的多语言单片机开发软件。3.1.2ProtuesProteus软件集多种功能为一体，包括电路设计、制版和仿真。另外它不仅可以提供丰富的器件，还可以导入使用者自己研发的元器件，在于keil软件结合使用时减少了硬件调试带来的麻烦，避免了在制作实物中出现错误后造成的安全问题和财力损失。3.2硬件选取及介绍3.2.1STC89C51STC89C51是具有4KB可重复编程Flash存储器、5个中断源、两个16位定时器/计数器、全静态时钟振荡频率为0～24MHz的低功耗、高性能的8位微控制器REF_Ref30444\r\h[3]。它的结构模式为CPU加外围芯片，并采用专用功能寄存器进行控制，因此广泛应用于各种嵌入式控制应用中。单片机组成如图3.1所示：振荡电路振荡电路数据存储器程序存储器中断系统并行I/O口串行口定时器CPU特殊功能寄存器图3.1单片机组成STC89C51有很多个引脚，如图3.2所示。本设计中主要应用引脚及功能为：（1）P1.7（8脚）连接PWM输出口。（2）RESET（9脚）是STC89C51的复位输入引脚，它需要在高电平操作。（3）XTAL1(19脚)和XTAL2(18脚)为晶体振荡电路反相输入端和输出端，都是外接时钟引脚，需要与地之间接20pf左右的电容维持系统稳定REF_Ref28350\r\h[4]。（4）P3.6(16脚)和P3.7（17脚）控制直流电机正反转和停止状态。（5）GND(20脚)是电源地端。（6）VCC是电源的正输入,接+5V电压。图3.2STC89C51引脚图3.2.2L298NL298N是一个双H桥电机驱动芯片，它可以接收5V的TTL逻辑位信号，驱动46V、2A以下的电机，该芯片可直接从单片机I/O口提供模拟信号，电路简单，使用比较方便，元件中的二极管用于保护电机REF_Ref29752\r\h[2]。3.2.3数码管本设计采用的是两个数码管并列在一起形成的共阴极多位数码管。段选采用的不是由单片机I/O直接驱动，而是通过连接74LS245芯片连接管脚提高驱动能力，利用芯片控制任意的数码管显示，实现段选。另外，由于使用的是共阴极数码管，所以位选要接低电平，段选接高电平。4基于单片机的直流电机控制系统设计4.1电路设计原理4.1.1单片机最小系统电源：5V和3.3V是目前主流单片机电源的两个主要标准，对于STC89C51供电电压不能低于3.4V，电压过低单片机不能正常运行；供电电压也不可高于5.5V，过高容易造成单片机损坏，故需要5V的供电系统。晶振：分为有源和无源两种类型。在本设计中采用12Mhz的无源晶振为单片机系统提供基准时钟信号，一般需要在电路中外加两个容值为20pF左右的电容帮助晶振起振，维持震荡信号的稳定REF_Ref30794\r\h[5]。无源晶体振荡器一般是有2或者3个引脚。若是3个引脚的振荡器，则晶振壳体接中间引脚，使用时应接GND。单片机的18、19脚是晶振的工作引脚，所以Y1与18、19脚并联。对于无源晶振，能在一个芯片处理器上连接两晶体振荡器引脚，而对于有源晶振，只能在一个芯片处理器上连一个晶体振荡器输入引脚，而不用连输出引脚REF_Ref28350\r\h[4](P30)。图4.1为晶振结构。图4.1晶振结构4.1.2按键驱动系统在单片机操作系统中，一般采用独立按键和矩阵按键。独立按键是利用单片机I/O口读取电平高低来判断是否有键按下，每个I/O口只接一个弹性开关，另一端接电源或地，因此按键之间相互独立、互不影响，而且在单片机初始，程序将I/O口置为高电平，当检测到有按键按下时，会产生低电平REF_Ref16968\r\h[6]。这种电路相对灵活，程序简单，系统稳定。虽然矩阵按键所需的I/O少，但接法程序复杂，一般用于电话机键盘和电子密码锁等。本设计选用的四个按键均为独立式按键。图4.3为按键电路。图4.3按键电路设计中的独立式按键均为弹性开关，开关瞬间不会立即稳定接通，也不会瞬间断开，会有抖动，是电平不稳定造成的正常现象，抖动时间一般为十几毫秒REF_Ref16968\r\h[7]。按键抖动可以通过软件和硬件两种方式进行消抖。但是用硬件并联电容消抖时会造成焊接损耗和材料损耗，且消抖效果不佳。所以在本次实际应用中选用软件进行消抖，即在按键发出低电平信号时利用delay函数进行十毫秒左右的延时处理以避开抖动。4.1.3定时器和中断系统定时器：时钟周期是单片机系统最小的时间单位。机器周期是微控制器完成操作的最短时间。一般选取频率为12Mhz的晶振。定时器内部有寄存器，定时器的计数周期也叫机器周期。中断系统：有两个控制中断的寄存器个，EA是控制中断总开关，EA为高电平时，中断总开关打开；ET0为低电平时，使能T0中断打开。4.1.4PWM调速系统从名字来看，PWM（脉冲宽度调制）的基本原理非常简单，就是通过改变脉宽来达到不同的效果。最常用的便是具有功耗低、成本低、效率高、稳定性好等优点的PWM功率放大器，因此该功率放大器在单片机中应用非常广泛，当然应用于不同场合其意义也不完全相同。实际上，PWM调制技术就是使用数字信号达到模拟信号的效果。PWM是通过定时器加中断生成的，由于很多微控制器集成了硬件的PWM模块，所以计算周期计数值和关税周期计数值是主要任务，然后将计算的数据配置到相关的SFR中。中断延迟的影响已消除，因此这样既优化了程序，又确保了PWM的输出质量。4.1.5直流电机驱动在直流电机中，只有外部电源的正负极是可以转动的。但在实际使用中，我们往往需要精确控制直流电机，所以一般不直接接通正负电源，通常需要一个控制电路和一个驱动电路。由于单片机本身可以直接输出直流电流，但是其电流太小，不足以使电机旋转，还需要另外一个可以输出大电流的电路，这种电路称之为驱动电路。所以，一般用单片机输出驱动信号，然后通过驱动信号来控制大的功率管，从而产生大的电流来驱动直流电机。单片机的带负载能力有限，所以电机与单片机的输出引脚不可以直接相接，本设计中借助L298N进行电机驱动。如图4.4所示。图4.4L298N驱动模块但是如果电机中驱动电路产生较大电流或产生较大的回灌电流，为防止这些电流对控制电路上的单片机造成太大的影响，就要做好控制电路和驱动电路之间的隔离保护。4.2方案设计本设计采用了软硬件相结合的控制方式。硬件部分是以STC89C51单片机为核心控制数据输出，在其I/O口产生PWM信号通过PWM驱动模块送到电路驱动模块L298N芯片，电路驱动模块驱动直流电机旋转。同时，单片机通过所加电平的高低判断直流电机正反转，通过按键模块调整输出高电平的占空比来控制直流电机的加减速，转速测量电路将测得的实时转速送回到单片机，然后通过转速显示模块实时显示。图4.5所示转速控制原理图。图4.6所示硬件具体电路。电源电源单片机按键模块转速显示模块PWM驱动模块电路驱动模块L298直流电机转速测量图4.5转速控制原理图图4.6硬件具体仿真电路连接图4.2.1主程序流程图为了有效实现直流电机的智能控制，应用的4个独立式按键还要在关联的keil程序中加上电机的启动清零和暂停连续函数。另外，软件由主函数、PID偏差计算子函数、延时子函数、中断子函数、定时器和中断初始化子函数以及按键进行速度和转向控制子函数组成。其中，主程序流程图如图4.7所示。初始化初始化开始显示系统状态按键扫描开始键按下？正转键按下？加速键按下？减速键按下？加速按键处理：速度增加减速按键处理：速度减小正转按键处理：电机正转停止键按下？停止按键处理：电机停止反转按键处理：电机反转反转键按下？否否否否是是是是是是否否是否是否是否是否否是否是否是否是由此看来，硬件和软件都是完成本次设计重要组成部分，缺一不可。4.3.软件调试及仿真4.3.1软件调试双击运行keil4，创建工程后编写C代码，检查程序，编译源程序，根据输出框提示修改错误，编译连接程序生成机器语言文件，写入单片机。运行结果如图4.8所示。图4.8程序运行结果4.3.2仿真分析利用protues8.7软件设计出仿真原理图后，写入keil写的程序，开始进行电机转速控制的仿真。如下图4.9-4.12所示。图4.9转速为零，电机不动图4.10正向转速700转/分钟图4.11设定转速1200转/分钟，加速正向转动图4.12设定转速1200转/分钟，按反转键，先减速至零，再反转加速结束语本次设计是以STC89C51为核心，以L298N、KeiluVision4编程软件和Protues仿真软件为基础，应用PWM调制技术实现对直流电机速度调节的控制。它涉及的知识面广泛，经过多次软硬件结合调试修改，对单片机有了更深刻的认识，知道了STC89C51单片机功能的强大和Protues仿真软件的功能的丰富性，更加深刻的理解了直流电机驱动原理。明白了硬件和软件的设计都是相对独立的，但又是紧密联系的，只有软硬件调试得当，才能高效地完成设计、实现功能。同时在本次设计过程中颇有体会。初次接触毕业设计，感觉很不知所措，不知从何下手，大学所学的一些课程，是与本次设计紧密相连的，但之前专业知识的基础不牢固，能仔细分析各个元器件的工作原理，C语言的基础也不是很好，对代码有些恐惧导致对毕业设计没有形成框架。因此从迷茫逐渐到了解再到后来的渐渐深入，到最终实现直流电机的正转、倒转、加速、减速。这个通过自己去摸索实践掌握相关知识的认识过程是