基于单片机的直流电机闭环调速控制系统xin

题目直流电机闭环调速系统控制院系专业组别组长指导教师基于单片机的直流电机闭环调速控制系统摘要：设计以AT89C51单片机控制模块为核心，由单片机控制、直流电机转速为被测量组成的控制系统。原理是利用红外线光电传感器接收直流电机转速所产生的红外信号转换成电信号传输给单片机，并调节转速的闭环调速控制系统。1.AT80C51单片机介绍1.1主电源引脚Vss—(20脚)：电路地电平Vcc—(40脚)：正常运行和编程校检（8051/8751)时为+5V电源。1.2外接晶振或外部振荡器引脚XTAL1—(19脚)：接外部晶振的一个引脚.在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成了片内振荡器.当采用外部振荡器时，此引脚应该接地.XTAL2—(18脚)：接外部晶振的另一个引脚.在片内接至振荡器的反相放大器的输出和内部时钟发生器的输入端.当采用外部振荡器时，则此引脚接外部振荡信号的输入。1.3控制、选通或电源复用引脚RST/Vpd—(9引脚)：RST即Reset（复位)信号输入端。ALE/PROG—(30引脚)：ALE，允许地址索存信号输出。PSEN—(29脚)：访问外部程序存储器选通信号，低电平有效。.Vpp/EA—(31引脚)：EA为访问内部或外部程序存储器选择信号。1.4多功能I/O口引脚P0口—（32-39脚)：8位漏极开路双向并行I/O接口.P1口—（1-8脚)：8位准双向并行I/O接口.P2口—（21-28脚)：8位准双向并行I/O接口.P3口—（10-17脚)：具有内部上拉电路的8位准双向并行I/O端口。它还提供第二特殊功能，具体含义为：P3.0—(10脚)RXD：串行数据接收端。P3.1—(10脚)TXD：串行数据发送端。P3.2—(10脚)INT0：外部中断0请求端，低电平有效。P3.3—(10脚)INT1：外部中断1请求端，低电平有效。.P3.4—(10脚)T0：定时器/计数器0外部事件计数输入端。.P3.5—(10脚)T1：定时器/计数器1外部事件计数输入端。P3.6—(10脚)WR：外部数据存储器写选通，低电平有效。P3.7—(10脚)RD：外部数据存储器读选通，低电平有效。2.设计任务通过加速、减速按键实现电机的加速与减速，并将当前的转速的设定值反馈回来经PID调解后的转速经LCD显示出来。单片机89C51显示器速度采集电路电动机电动机驱动电路单片机（PID运算运算控制器、PWM模拟发生器）按键电机调速系统框图3.系统流程图开始80C51初始化软件变量初始化检测转子位置PWM波初始化计算电机转速电机给定转速是否改变PID控制电机NY电机控制软件流程图开始参数初始化采集输入及输出值计算偏差ek控制器输出返回ǀekǀemax?PD控制PID控制YN上图为积分分离式PID控制算法的流程图。通过80C51给定的转速与红外检测电路测得的经计算后的速度得到偏差ek。与设定的emax相比较，若ek＜emax可以采用PID控制提高系统的控制精度，若ek≥emax则采用PD控制，可以避免系统产生较大的超调量而且采用PD控制又可以提高系统的灵敏性。4.电路模块及原理4.1驱动电路直流电动机驱动电路图如图1所示。其中L298的ENA、IN1和IN2引脚与单片机的输出引脚相连，图中未表示。图2直流电动机驱动电路图L298芯片管脚说明：（1）SENSA：电流监测端，H桥的电流反馈脚，不用时可直接接地。（2）OUT1：输出端，与M1对应。（3）OUT2：输出端，与M2对应。（4）VS：电源，用来给电动机供电。（5）IN1：输入端。（6）ENA：使能端，和M1、M2配合使用。（7）IN2：输入端。（8）GND：接地。（9）VCC：电源，用来给芯片供电。（10）IN3：输入端（11）ENB：使能端，和M3、M4配合使用。（12）IN2：输入端。（13）OUT3：输出端，与M3对应。（14）OUT4：输出端，与M4对应。（15）SENSB：电流监测端，H桥的电流反馈脚，不用时可直接接地。电机控制说明如表1所示，其中*值可取1也可取0。SENSEENAIN1IN2电机效果0**停止110正传101反转100停止PROTEUS仿真加速PWM脉宽如下图4.2稳压电路L7805cc其中1接整流器输出的+电压，2为公共地(也就是负极)，3就是我们需要的正5V输出电压了4.3时钟电路就单片机内部每个部件要想协调一致地工作，必须在统一口令——时钟信号的控制下工作。单片机工作所需要的时钟信号有两种产生方式，即内部时钟方式和外部时钟方式。图是内部时钟方式：单片机内部有一个构成振荡器的增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端，这个放大器与作为反馈元件的片外晶振一起构成自激振荡器。在该图中，电容C1和C2取30pf，晶体的振荡频率取12Mhz，晶体振荡频率高，则系统的时钟频率也高，单片机运行速度也就快。实际连接如图所示4.4按键电路4.5复位电路8051系列单片机在启动时都需要复位，使CPU及系统部件处于确定的初始状态，并从初始状态开始工作.8051系列单片机的复位信号从RST引脚接入到芯片的施密特触发器中.当单片机系统处于正常工作状态，且振荡器稳定后，在每个机器周期都要对RST引脚的状态进行采样[7].复位电路有上电复位和手动复位上电复位：上电复位电路是一种简单的复位电路，只要在RST复位引脚接一个电容到Vcc，接一个电阻到低就可以了.上电复位是指在给系统上电时，复位电路通过电容加到RST复位引脚一个短暂的高电平信号，这个复位信号随着Vcc对电容的充电过程而回落,所以RST复位引脚的高电平维持时间取决于电容的充电时间.为了保证系统安全可靠的复位，RST引脚的高电平信号必须维持足够长的时间.手动复位：手动复位需要人为在复位输入端加高电平让系统复位.一般采用的方法是在RST端和正电源Vcc之间接一个按键，当按下按键后，Vcc和RST端接通，RST引脚在高电平，而且按键动作一般是数十毫秒，大于2个机器周期的时间，能够安全的让系统复位.本系统采用的是上电复位方式4.6检测电路4.6.1传感器本设计采用的是红外传感器（由红外线发射管、红外线接收管构成的红外计数电路）红外线发射管简介：红外线发射管也称红外线发射二极管，属于二极管类。它是可以将电能直接转换成近红外光（不可见光）并能辐射出去的发光器件，主要应用于各种光电开关及遥控发射电路中。红外线发射管的结构、原理与普通发光二极管相近，只是使用的半导体材料不同。红外发光二极管通常使用砷化镓（GaAs）、砷铝化镓（GaAlAs）等材料，采用全透明或浅蓝色、黑色的树脂封装。产品参数：发射距离、发射角度（15度、30度、45度、60度、90度、120度、180度）、发射的光强度、波长。以上决定红外线发射管产品的主要性能及使用范围。红外线接收管特征与原理：红外线接收管是将红外线光信号变成电信号的半导体器件，它的核心部件是一个特殊材料的PN结，和普通二极管相比，在结构上采取了大的改变，红外线接收管为了更多更大面积的接受入射光线，PN结面积尽量做的比较大，电极面积尽量减小，而且PN结的结深很浅，一般小于1微米。红外线接收二极管是在反向电压作用之下工作的。没有光照时，反向电流很小（一般小于0.1微安），称为暗电流。当有红外线光照时，携带能量的红外线光子进入PN结后，把能量传给共价键上的束缚电子，使部分电子挣脱共价键，从而产生电子---空穴对（简称：光生载流子）。它们在反向电压作用下参加漂移运动，使反向电流明显变大，光的强度越大，反向电流也越大。这种特性称为“光电导”。红外线接收二极管在一般照度的光线照射下，所产生的电流叫光电流。如果在外电路上接上负载，负载上就获得了电信号，而且这个电信号随着光的变化而相应变化。分类：红外线接收管有两种，一种是光电二极管，另一种是光电三极管。光电二极管就是将光信号转化为电信号，光电三极管在将光信号转化为电信号的同时，也把电流放大了。因此，光电三极管也分为两种，分别别是NPN型和PNP型。作用：红外接收管的作用是进行光电转换，在光控、红外线遥控、光探测、光纤通信、光电耦合等方面有广泛的应用。如何选择红外线接收管：红外线最重要的参数就是光电信号的放大倍率，一般的有1000-13001300-18001800-2500，这些对灵敏度有决定作用。红外计数电路红外计数电路主要由红外发射和接收电路组成.红外发射和接收电路:在电动机上安装一对红外发射和接收管,当电动机转动时,对红外光反射、散射和折射,穿过红外光的光强瞬间减少,红外接收管导通程度也在瞬间减小,因而产生一个脉冲信号;信号放大比较电路:电容拾取脉冲信号后由运放LM324进行放大,放大倍数为10倍,再将放大的信号由运放LM324比较后输出标准的低电平脉冲信号(undershoot),其中C1=0.01μF,R1=11KΩ,R2=500Ω,R3=10KΩ,R4=100KΩ,R5=100KΩ,R6=5KΩ,R7=100KΩ,R6和R7起着抗干扰作用[1].然后将获得的脉冲信号送到单片机的计数器引脚进行计数,这样就可以达到计数的目的.4.6.2光电耦合器抑制尖脉冲和各种杂讯干扰信号光电耦合器之所以在传输信号的同时能够有效得抑制尖脉冲和各种杂讯干扰，使得通道上的信号杂讯比大为提高，主要有以下几方面的原因：1.光电耦合器的输入阻抗很小，只有几百欧姆，而干扰源的阻抗较大，通常为105-106欧姆。据分压原理可知，即使干扰电压的幅度较大，但馈送到光电耦合器输入端的杂讯电压会很小，只能形成很微弱的电流，由于没有足够的能量而不能使二极管发光，从而被抑制掉了。2.光电耦合器的输入回路与输出回路之间没有电气联系，也没有共地；之间分布电容极小，而绝缘电阻又很大，因此回路一边的各种干扰杂讯都很难通过光电耦合器馈送到另一边去，避免了共阻抗耦合的干扰信号的产生。3.光电耦合器可以起到很好的安全保障作用，即使当外部设备出现故障，甚至输入信号短接时，也不会损坏仪表。因为光电耦合器件的输入回路和输出回路之间可以承受几千伏的高压。4.光电耦合器的回应速度极快，其回应延迟时间只有10微秒，适于对回应速度要求很高的场合。4.7lm358LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。LM358的封装形式有塑封8引线双列直插式和贴片式LM358·内部频率补偿·直流电压增益高(约100dB)·单位增益频带宽(约1MHz)·电源电压范围宽：单电源；双电源(±1.5一±15V)·低功耗电流，适合于电池供电·低输入偏流·低输入失调电压和失调电流·共模输入电压范围宽，包括接地·差模输入电压范围宽，等于电源电压范围·输出电压摆幅大(0至Vcc-1.5V)该装置电路原理见图1。由红外线传感器、信号放大电路、电压比较器、延时电路和音响报警电路等组成。红外线探测传感器IC1探测到前方人体辐射出的红外线信号时，由IC1的②脚输出微弱的电信号，经三极管VT1等组成第一级放大电路放大，再通过C2输入到运算放大器IC2中进行高增益、低噪声放大，此时由IC2①脚输出的信号已足够强。IC3作电压比较器，它的第⑤脚由R10、VD1提供基准电压，当IC2①脚输出的信号电压到达IC3的⑥脚时，两个输入端的电压进行比较，此时IC3的⑦脚由原来的高电平变为低电平。IC4为报警延时电路，R14和C6组成延时电路，其时间约为1分钟。当IC3的⑦脚变为低电平时，C6通过VD2放电，此时IC4的②脚变为低电平，它与IC4的③脚基准电压进行比较，当它低于其基准电压时，IC4的①脚变为高电平，VT2导通，讯响器BL通电发出报警声。人体的红外线信号消失后，IC3的⑦脚又恢复高电平输出，此时VD2截止。由于C6两端的电压不能突变，故通过R14向C6缓慢充电，当C6两端的电压高于其基准电压时，IC4的①脚