直流电机速度控制.

I目录摘要..................................................II第1章绪论..............................................1第2章系统论述..........................................32.1总体方案..........................................32.2基本原理..........................................32.3原理框图..........................................3第3章系统的硬件设计....................................53.1单片机最小系统的设计..............................53.2电源电路设计......................................63.3直流电机驱动电路设计..............................73.4显示模块设计......................................83.5按钮电路设计......................................83.6元件参数选择......................................9第4章系统的软件设计...................................114.1总体方案.........................................114.2相关软件介绍.....................................124.3应用软件的编制、调试.............................13第5章仿真结果与分析...................................145.1仿真电路图.......................................145.2仿真结果.........................................14第6章总结.............................................17参考文献................................................18附录A：系统整体硬件电路图...............................19附录B：程序代码........................................20II摘要当今，计算机控制系统已经在各行各业中得到了广泛的应用和发展，而直流驱动控制作为电器传动的主流在现代化生产中起着主导作用。由于生产过程的不同要求，需要电动机进行不同转速的运转。为此，研究并制造高性能、高可靠性的直流电动机控制系统有着十分重要的显示意义。本设计主要运用AT89C51单片机为核心硬件，对直流电动机进行速度控制。并且辅助以硬件部分的驱动、复位、LED显示等电路，软件部分对AT89C51进行模块化程序的输入，通过按钮控制，实现对直流电动机的正转、反转、加速、减速和停止等控制功能。同时，由LED与电动机转速显示控制效果。利用AT89C51芯片进行低成本直流电动机控制系统设计，简化系统构成、提高系统性能，满足了生产要求。关键词：计算机控制AT89C51单片机直流电动机1第1章绪论随着社会的发展，各种智能化的产品日益走入寻常百姓家。为了实现产品的便携性、低成品以及对电源的限制，小型直流电机应用相当广泛。对直流电机的速度调节，我们可以采用多种办法，本文在给出直流电机调整和PWM实现方法的基础上，提供一种用单片机软件实现PWM调速的方法。直流电动机有良好的起动、制动性能,宜于在广范围内平滑调速,至今在金属切削机床、造纸机等需要高性能可控电力拖动的领域中仍有广泛的应用。直流调速系统在不断发展,尤其是近年来,国内外各厂家竞相推出全数字直流调速装置,使得直流调速系统在理论和实践方面都迈上了一个新的台阶。以往的直流调速装置是全模拟式设备。变电压调速是直流调速的主要方法,常用晶闸管可控整流器做可控直流电源。这些旧设备急待更新改造。另外,目前高等院校的电力拖动自动控制系统的实验教学,还采用全模拟式的实验设备,尚无适合于教学的全数字式直流调速实验装置,有待于开发。直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，调速范围广；过载能力大，能承受频繁的冲击负载可实现频繁的无级快速起动、急停和反转；能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求。电动机调速系统采用微机实现自动控制，是电气传动发展的主要方向之一。采用微机控制后，整个调速系统实现自动化，结构简单，可靠性高，操作维护方便，电动机稳态运转时转速精度可达到较高水平，静动态各项指标均能较好地满足工业生产中高性能电气传动的要求。由于单片机性能优越，具有较佳的性能价格比，所以单片机在工业过程及设备控制中得到日益广泛的应用。PWM调速系统与可控整流式调速系统相比有下列优点：由于PWM调速系统的开关频率较高，仅靠电枢电感的滤波作用就可获得平稳的直流电流，低速特性好：同样，由于开关频率高，快速响应特性好，动态抗干扰能力强，可以获得很宽的频带；开关器件只工作在开关状态，主电路损耗小，装置效率高。通过单片机来实现电机调整有多种途径。相对于其他用硬件或者硬软结合的方法实现对电机进行调整，采用PWM用纯软件的方法来实现调速过程，具有更大的灵活性和更低的成本，能够充分发挥单片机的效能，对于简易速度控制系统的实现提供了一种有效的途径。对于软件，采用计数法加软件延时法进行设计的思路，为采用纯软件对电机速度的平滑调节提供了一种不错的解决方案，经过在“油辊电机控制系统”中的实际应用证明，能够取得满意的效果。本文是对直流电机PWM调速器设计的研究，主要实现对电机的控制。本课程设计主要是实现PWM调速器的正转、反转、加速、减速、急停等操作。并实现电路的仿真。为实现系统的微机控制，在设计中，采用了AT89C51单片机作为整个控制系统的控制电路的核心部分，配以各种显示、驱动模块，实现对电动机转速2参数的显示和测量；由命令输入模块、光电隔离模块及H型驱动模块组成。采用带中断的独立式键盘作为命令的输入，单片机在程序控制下，不断给光电隔离电路发送PWM波形，H型驱动电路完成电机正反转控制.在设计中，采用PWM调速方式，通过改变PWM的占空比从而改变电动机的电枢电压，进而实现对电动机的调速。设计的整个控制系统，在硬件结构上采用了大量的集成电路模块，大大简化了硬件电路，提高了系统的稳定性和可靠性，使整个系统的性能得到提高。3第2章系统论述2.1总体方案直流电机PWM控制系统的主要功能包括：直流电机的加速、减速以及电机的正转和反转，调整电机的转速，还能方便的读出电机转速的大小，实现电机的智能控制。其间，还包括直流电机的直接清零、启动（置数）、暂停、连续功能。该直流电机系统由以下电路模块组成：振荡器和时钟电路，这部分电路主要由89C51单片机和一些电容、晶振组成。输入部分：这一模块主要是利用带中断的独立式键盘来实现。控制部分：主要由89C51单片机的外部中断扩展电路组成。显示部分：包括液晶显示部分和LED数码显示部分。显示部分由SM410564四位共阳数码管组成显示模块；LED数码显示部分由七段数码显示管组成。直流电机PWM控制实现部分：主要由一些二极管、电机和L298直流电机驱动模块组成。2.2基本原理1）主体电路：直流电机PWM控制模块：这部分电路主要由89C51单片机的I/O端口、定时计数器、外部中断扩展等控制直流电机的加速、减速以及电机的正转和反转，并且可以调整电机的转速，还可以方便的读出电机转速的大小和了解电机的转向，能够很方便的实现电机的智能控制。此外，还包括直流电机的直接清零、启动（置数）、暂停、连续功能。其间是通过89C51单片机产生脉宽可调的脉冲信号并输入到L298驱动芯片来控制直流电机工作的。2）各部分电路模块的组成：（a）设计输入部分：这一模块主要是利用带中断的独立式键盘来实现。（c）设计控制部分：主要由89C51单片机的外部中断扩展电路组成。（b）设计显示部分：是直接采用SM410564四位共阳数码管组成显示模块。3）直流电机PWM控制实现部分：主要由一些二极管、电机和L298直流电机驱动模块组成。2.3原理框图1）系统组成：如图2-1所示4图2-1直流电机PWM调速方案2）方案说明：直流电机PWM调速系统以AT89C51单片机为控制核心，由命令输入模块、LED显示模块及电机驱动模块组成。采用带中断的独立式键盘作为命令的输入，单片机在程序控制下，定时不断给直流电机驱动芯片发送PWM波形，H型驱动电路完成电机正，反转控制；同时单片机不停的将从键盘读取的数据送到LED显示模块去显示，从中不仅能读取其速度，而且能知道它的转向。5第3章系统的硬件设计3.1单片机最小系统的设计1）单片机AT89C51：AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦出只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术，与工业标准MCS-51指令集合输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且廉价的方案。2）复位电路及时钟电路：复位电路和时钟电路是维持单片机最小系统运行的基本模块。两种常用复位电路：上电复位和手动复位。其中：上电复位，如图3-1所示；手动复位，如图3-2所示。图3-1上电复位图3-2手动复位有时系统在运行过程中出现程序跑飞的情况，在程序开发过程中，经常需要手动复位。所以本次设计选用手动复位。高频率的时钟有利于程序更快的运行，也有利于实现更高的信号采样率，从而实现更多的功能。但是高速对系统的要求较高，而且功耗大，运行环境苛刻。考虑到单片机本身用于控制，而并非高速信号采样处理，所以选取合适的频率即可。合适频率的晶振对于选频信号强度准确度都有好处。本次设计选取12.0M无源晶振接入XTAL1和XTAL2引脚。并联2个30pF陶瓷电容帮助起振。单片机最小系统如图3-3所示：6图3-3单片机最小系统3.2电源电路设计直流稳压电源的基本原理：直流稳压电源一般有电源变压器T、整流滤波电路及稳压电路所组成，基本框图如图3-4所示。Ut0Ut0Ut0Ut0电源变压器整流电路滤波电路稳压电路U1U0图3-4直流电源原理1）电源变压器T：将220V的交流电压变换成整流滤波电路所需要的交流电压Ui，变压器副边与原边的功率比为P2/P1=n，式中n是变压器的效率。72）整流电路：整流电路将交流电压Ui变换成脉动的直流电压。再经滤波电路滤除较大的波纹成分，输出波纹较小的直流电压U1。常用的整流滤波电路有全波整流滤波、桥式整流滤波等。3）滤波电路：各滤波电路C满足RL-C=（3~5）T/2，式中T为输入交流信号周期，RL为整流滤波电路的等效负载电阻。4）稳压电路:常用的稳压电路有两种形式：一是稳压管稳压电路，二是串联型稳压电路。二者的工作原理有所不同。稳压管稳压电路其工作原理是利用稳压管两端的电压稍有变化，会引起其电流有较大变化这一特点，通过调节与稳压管串联的限流电阻上的压降来达到稳定输出电压的目的。它一般适用于负载电流变化较小的场合。串联型稳压电路是利用电压串联负反馈的原理来调节输出电压的。集成稳压电源事实上是串联稳压电源的集成化。3.3直流电机驱动电路设计由于单片机P3口输出的电压最高才有5V，难以直接驱动直流电机。所以我们需要使用恒压恒流桥式2A驱动芯片L298N来驱动电机。本设计所采用的L298N，可接受标准TTL逻辑电平信号VSS，VSS可接4.5～7V电压。4脚VS接电