基于单片机的红外遥控直流电机控制系统设计.docx
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基于单片机的红外遥控直流电机控制系统设计
毕业设计说明书
微电机无线控制器设计
XXXXXX
XX
学生姓名:
学号:
XXXXX
学院:
XXX
专业:
指导教师:
微电机无线控制器设计
引言
本文介绍了基于红外遥控直流电机控制系统的设计,讲述了直流电机调速的相关知识以及PWM调速的基本原理和实现方法。
直流电机具有优良的调速特性,调速平滑、方便、范围广,过载能力大,能承受频繁的冲击负载,可实现频繁的快速启动、制动和反转,能满足生产过程中自动化系统的各种运行要求。
电机控制系统采用红外遥控控制是电气传动的发展方向之一。
采用红外遥控控制后,整个电机系统体积小、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。
本设计方案基于市场的需求,结合红外遥控设计简单,操作方便,成本低廉等特点,采用了HT2661作为红外编码芯片,HS0038作为红外一体化接收发射管,L298N作为电机控制芯片,51单片机作为系统控制芯片,在此基础上设计了一个简单的红外遥控直流电机系统。
本设计实现了直流电机的几项基本功能:
启动、停止、加速、减速、正转、反转。
关键词:
PWM;直流电机调速;红外遥控
Abstract
Abstract:
thispaperintroducedbasedoninfraredremotecontrolmotorcontrolsystemdesign,tellsthedcmotorspeedandrelatedknowledgeofPWMspeedwiththebasicprincipleandmethod.Dcmotorwithexcellentspeedcharacteristics,speedsmooth,convenient,speedrange,overloadability,canwithstandtheimpactoffrequent,whichcanrealizefrequentloadfaststart,brakingandreverse;Cansatisfytheproductionprocessautomationsystemofvariousspecialoperationrequirements.Motorcontrolsystembasedoninfraredremotecontrolisthedevelopmentdirectionofelectricdriveone.Usinginfraredremotecontrol,themotorsystemvolumesmall,simplestructure,highreliability,operationandmaintenanceconvenience,motorwhenthesteady-stateoperationspeedprecisionreachesahigherlevel.
Thisdesignschemebasedonthedemandofthemarket,combinedwithinfraredremotecontroldesignsimple,convenientoperation,lowcostetc,usinga51SCMasremotelaunchreceiverchips,HS0038asinfraredintegrationreceivingtubes,basedonthisdesignasimpleinfraredremotecontroldcmotorsystem.Thisdesignisrealizedthedcmotoroftheseveralbasicfunctions:
startandstop,accelerationanddeceleration,areturning,inversion.
Keywords:
PWM;Dcmotorspeed;Infraredremotecontrol
引言………………………………………………………………………………1
第一章综述……………………………………………………………………1
1.1研究背景……………………………………………………………………1
1.2研究意义……………………………………………………………………2
1.3设计要求…………………………………………………………………2
1.4系统设计……………………………………………………………………3
1.4.1系统设计方案……………………………………………………………3
1.4.2系统硬件框图……………………………………………………………4
1.5基本原理……………………………………………………………………5
1.5.1直流电机调速原理…………………………………………………………5
1.5.2PWM基本原理及实现方法…………………………………………………6
第二章单片机最小系统设计……………………………………………………9
2.1单片机简介……………………………………………………………………9
2.2单片机最小系统………………………………………………………………9
2.3单片机STC89C51………………………………………………………………9
2.4复位单路……………………………………………………………………11
2.5晶振电路………………………………………………………………12
2.6单片机控制程序……………………………………………………………13
第3章红外收发模块设计………………………………………………………14
3.1红外遥控模块功能…………………………………………………………14
3.2红外遥控漫谈………………………………………………………………14
3.3红外遥控系统……………………………………………………………14
3.4红外遥控原理……………………………………………………………15
3.5红外键盘发射模块设计……………………………………………………17
3.6红外接收模块设计…………………………………………………………18
3.7红外遥控解码程序…………………………………………………………19
第四章电机控制显示模块设计…………………………………………………21
4.1电机驱动模块设计…………………………………………………………21
4.1.1电机驱动模块设计方案…………………………………………………21
4.1.2驱动芯片L298N…………………………………………………………21
4.1.3电机驱动模块电路…………………………………………………21
4.2电机控制模块程序…………………………………………………………24
4.3显示模块设计………………………………………………………………25
4.4显示模块程序………………………………………………………………27
第五章系统的功能调试………………………………………………………29
5.1系统调试方案………………………………………………………………29
5.2直流电机的调速功能仿真图形……………………………………………29
5.3系统Protuse仿真图………………………………………………………31
5.4系统的电路原理图…………………………………………………………32
总结体会…………………………………………………………………………34
参考文献…………………………………………………………………………35
致谢………………………………………………………………………………37
第1章综述
1.1研究背景
近年来,随着科技的飞速发展,单片机的应用的市场发展迅速。
在仪器仪表、家用电器、智能化专用设备以及过程控制等方面,单片机都扮演着越来越重要的角色。
我们生活在一个科技飞速发展的社会里,周围的一切与电有关的产品中越来越多的都融入了单片机的内核,比如遥控器,安防门控系统的硬件电路,冰箱,彩电,洗衣机等等好多的电器产品,都有和单片机有关的局部电路。
单片机的应用给我们生活中带来了很大的方便,尤其近些年来单片机的功能越来越好,处理速度也越来越快。
在生产过程中电机的运用十分广泛,为了更好的利用电机,在实际生产过程中利用单片机对其转速进行控制,以便更好的为生产和生活服务。
电机和单片机控制相结合即是本次设计的核心内容。
生活中见到电机应用特别的多,通俗的就是看到用电且可以转动的电气产品即可归为此类。
简单到家中的电风扇,洗衣机,室外建筑工程中用到的龙门架升降梯,农民作业中玉米和一些五谷杂粮的脱粒机或者磨面机等等,应用广泛。
但基本都存在一个问题就是机器作业的同时人力资源的需求相对要多。
举例,建筑工程龙门架升降梯要专职的工作人员负责作业,出于人力资源利用程度,本来可以同时干其他活而不用一味的死守在那里;再如,农民操作磨面机要同时工作很多内容,但又要跑来跑去操作机器,浪费人力。
如何让这些问题解决呢?
那就要用到我设计的微电机无线控制器了。
无线电机转速控制器的优点是可以在远距离通过遥控器来操作电机系统的工作,方便快捷,一个工作人员在干一项工作的同时可以远距离操控机器同步实现本来需要多一个或几个人去操作的工作。
节省人力资源,提高工作效率。
又如家中电风扇,如果在电风扇设计的同时加入无线遥控电机转速器,那么可以在遥控的允许距离内随时切断,启动和调整风扇转速。
不用亲自去开关风扇。
无线遥控电机转速控制器可以应用范围远不止这些,还有很多很多。
在国内,无线遥控电机转速控制器应用在小家电和普通生活中的并不很多,大部分应用于工控领域,然而在国外此设计已经应用比较广泛了。
因此此设计如果在日常生活的电气设备中应用广泛,将给人们带来极大的方便。
该项目主要是为了适应电气设备中无线电机控制领域的需求,成功完成项目后,可实现功能为按下硬件系统中的启动按键,电机开始转动工作;按下加速按键,电机转动速度加快;按下减速按键,电机转动速度减慢;按下停止按键,电机停止工作。
同时,可以通过遥控器上的按键远距离遥控实现电机转速的控制。
并且数码管显示模块可以显示当前电机转速的速度级别。
1.2论文研究的意义
(1)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。
(2)本文研究的基于STC89C51单片机的直流电机PWM调速系统属于微机控制领域,通过对单片机的学习和研究对自己以后从事硬件产品的开发有一定的实际指导意义。
(3)将所学的知识理论和实践想结合,为以后再此基础上结合相关领域设计智能化产品和改进某些产品性能具有很好的实践意义。
1.3设计要求
本设计是基于红外遥控和STC89C51单片机控制的微电机无线控制器,这种系统具有很强的适用性、灵活性、先进性,它的应用大大方便了人们的生活。
红外遥控技术是当前很热门且应用很广泛的一门科学研究课题,本课题用STC89C51单片机、红外发射模块、红外接收模块、键盘模块、微电机控制模块和显示模块,完成系统的硬件设计和每个模块的软件编程。
设计一个微电机无线遥控器,能够控制电机的快转,慢转和停止。
设计的微电机无线控制器,必须运行稳定、可靠,具体内容和要求如下:
(1)红外发射模块设计与调试:
距离大于3米;
(2)红外接收模块设计与调试:
红外接收二极管、三极管皆可;
(3)键盘模块设计与调试:
至少3个按键,分别设置电机快转、慢转和停止;
(4)微电机控制模块设计与调试:
3只电机,电机工作电流100mA;
(5)显示模块设计与调试:
指示电机工作状态。
1.4系统总体设计
本设计以STC89C51单片机为核心,以红外遥控器的5个按键作为输入达到控制直流电机的停止、加速、减速、正转、反转。
在设计中,采用PWM技术对电机进行控制,通过对占空比的改变达到调速的目的。
1.4.1系统设计方案
采用单片机构成的直流电动机数字PWM调速系统,其控制核心主要由单片机最小系统、电机驱动电路、按键(加速、减速、停止、正转、反转)、红外发射模块,红外接收模块、直流电机组成。
系统采用L298N芯片作为PWM驱动直流电动机的供电主回路。
单片机通过软件处理输出PWM信号,实现了直流电动机的速度控制,在运行中获得了良好的动静态性能。
(1)键盘识别:
通过P1口的低电平输入识别不同的按键。
(2)通过对单片机程序实现对直流电机的停止、加速、减速、正转、反转
控制。
(3)由于单片机的驱动能力不强,驱动直流电机需要很强的电流所以必须
有外围的驱动电路,因此本设计采用L298N芯片放大单片机微弱的电流。
控制原理:
以STC89C51单片机为核心的直流电机控制系统控制,由软件转换成PWM信号,并由P3.0、P3.1输出,经驱动电路输出给电机,从而控制电机得电与失电。
软件采用定时中断进行设计。
单片机上电后,系统进入准备状态。
当按动启动按钮后,根据P3.0为高电平实现电机正转,P3.1为高电平时实现电机反转。
根据不同的加减速按钮,调整P3.0/P3.1输出高低电平时的预定值,从而可以控制P3.0/P3.1输出高低电平时的占空比,进而控制电压的大小。
控制程序应用于电机的加减速。
在电动机驱动信号方面,我们采用了占空比可调的周期矩形信号控制。
脉冲频率对电动机转速有影响,脉冲频率高连续性好,但带带负载能力差脉冲频率低则反之。
经实验发现,脉冲频率在40Hz以上,电动机转动平稳,但加负载后,速度下降明显,低速时甚至会停转;脉冲频率在10Hz以下,电动机转动有明显跳动现象。
实验证明,脉冲频率在15Hz-30Hz时效果最佳。
而具体采用的频率可根据个别电动机性能在此范围内调节。
通过P3.0输入高电平信号P3.1输入低电平与P3.0输入低电平P3.1输入高电平信号分别实现电动机的正转与反转功能。
通过对信号占空比的调整来对直流电机的转速进行调节。
1.4.2系统硬件框图
键盘向单片机输入相应控制指令,由单片机通过P3.0与P3.1其中一口输出与转速相应的PWM脉冲,另一口输出低电平,经过信号放大、驱动电动机控制电路,实现电动机转向与转速的控制,电动机正转,反转,加速,减速、停止。
总体设计方案的硬件框图如图1-1所示:
图1-1系统硬件框图
1.5基本原理
1.5.1直流电机调速原理
根据励磁方式不同,直流电机分为自励和他励两种类型。
不同励磁方式的直流电机机械特性曲线有所不同。
对于直流电机来说,人为机械特性方程式为:
(1.1)
式中UN,
----额定电枢电压、额定磁通量;
----与电机有关的常数;
----电枢外加电阻、电枢内电阻;
——理想空载转速、转速降。
分析(1.1)式可得.当分别改变UN、
和Rad时,可以得到不同的转速n,从而实现对速度的调节。
由于
=
,当改变励磁电流If时,可以改变磁通量
的大小,从而达到变磁通调速的目的。
但由于励磁线圈发热和电动机磁饱和的限制,电动机的励磁电流If,和磁通量
只能在低于其额定值的范围内调节,故只能弱磁调速。
而对于调节电枢外加电阻Rad时,会使机械特性变软,导致电机带负载能力减弱。
对于他励直流电机来说,当改变电枢电压时UN,分析人为机械特性方程式,得到人为特性曲线如图1-1。
如图1-2所示。
理想空载转速
随电枢电压升降而发生相应的升降变化。
不同电枢电压的机械特性曲线相互平行,说明硬度不随电枢电压的变化而改变,电机带负载能力恒定。
当我们平滑调节他励直流电机电枢两端电压时,可实现电机的无级调速。
基于以上特性,改变电枢电压,实现对直流电机速度调节的方法被广泛采用。
改变电枢电压可通过多种途径实现,如晶闸管供电速度控制系统、大功率晶体管速度控制系统、直流发电机供电速度控制系统及晶体管直流脉宽调速系统等。
图1-2直流电动机机械特性曲线图1-3电枢电压“占空比”与平均电压关系
1.5.2PWM基本原理即实现方法
(1)PWM基本原理
PWM(脉冲宽度调制,是“PulseWidthModulation”的缩写)是通过控制固定电压的直流电源开关频率,从而改变负载两端的电压,进而达到控制要求的一种电压调整方法。
PWM可以应用在许多方面,如电机调速、温度控制、压力控制等。
在PWM驱动控制的调整系统中,按一个固定的频率来接通和断开电源,并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。
通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小,从而控制电动机的转速。
因此,PWM又被称为“开关驱动装置”。
在脉冲作用下,当电机通电时,速度增加;电机断电时,速度逐渐减少。
只要按一定规律,改变通、断电的时间,即可让电机转速得到控制。
设电机始终接通电源时,电机转速最大为Vmax,设占空比为D=t1/T,则电机的平均速度为:
(1.2)
式中,Vd----电机的平均速度;
Vmax----电机全通电时的速度(最大);
D=t1/T----占空比。
由公式1.2可见,当我们改变占空比时D=t1/T,就可以得到不同的电机平均速度,从而达到调速的目的。
严格地讲,平均速度Vd与占空比D=t1/T并不是严格的线性关系,在一般的应用中,可以将其近似地看成线性关系.
(2)实现方法
PWM信号的产生通常有两种方法:
一种是软件的方法;另一种是硬件的方法。
硬件方法的实现已有很多文章介绍,这里不做赘述。
本文主要介绍利用单片机对PWM信号的软件实现方法。
STC89C51单片机具有两个定时器T0和T1。
通过控制定时器初值T0和T1,从而可以实现输出口输出不同占空比的脉冲波形。
由于PWM信号软件实现的核心是单片机内部的定时器,而不同单片机的定时器具有不同的特点,即使是同一台单片机由于选用的晶振不同,选择的定时器工作方式不同,其定时器的定时初值与定时时间的关系也不同。
因此,首先必须明确定时器的定时初值与定时时间的关系。
如果单片机的时钟频率为f,定时器/计数器为N位,则定时器初值与定时时间的关系为:
(1.3)
式中,T----定时器定时初值;
N----一个机器周期的时钟数。
N随着机型的不同而不同。
在应用中
应根据具体的机型给出相应的值。
这样,我们可以通过设定不同的定时初
值,从而改变占空比D=t1/T,进而达到控制电机转速的目的。
第二章单片机最小系统设计
2.1单片机简介
单片机(Singlechipmicrocomputer),微型计算机简称单片机,是典型的嵌入式微控制器(MicrocontrollerUnit),常用英文字母的缩写MCU表示单片机,单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。
单片机由运算器、控制器、存储器、输入输出设备构成,相当于一个微型的计算机(最小系统),和计算机相比,单片机缺少了外围设备等。
概括的讲:
一块芯片就成了一台计算机。
它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。
同时,学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。
它最早是被用在工业控制领域。
由于单片机在工业控制领域的广泛应用,单片机由仅有CPU的专用处理器芯片发展而来。
最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中,使计算机系统更小,更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。
现代人类生活中所用的几乎每件有电子器件的产品中都会集成有单片机。
手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电子产品中都含有单片机。
汽车上一般配备40多片单片机,复杂的工业控制系统上甚至可能有数百片单片机在同时工作!
单片机的数量远远超过PC机和其他计算机的总和。
2.2单片机最小系统
单片机最小系统:
所谓最小系统就是指由单片机和一些基本的外围电路所组成的一个可以工作的单片机系统。
一般来说,它包括单片机,晶振电路和复位电路。
2.3单片机STC89C51
STC89C51内有8位的CPU、4K的ROM程序存贮器,128个字节RAM数据存贮器,4个8位并行口,2个16位定时器T0和T1,一个异步串行口UART。
STC89C51是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K在系统可编程Flash存储器。
使用高密度非易失性存储器技术制造。
另外,STC89C51可降至0HZ静态逻辑操作,支持两种软件可选择节电模式。
空闲模式下,CPU停止工作,允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下,RAM内容被保存,振荡器被冻结,单片机一切停止工作,直到下一个中断或硬件复位为止。
根据不同场合的要求,这款单片机提供了多种封装,本次设计根据最小系统有时需要更换单片机的具体情况,使用双列直插PDIP-40的封装。
STC89C51是一个有40个引脚的芯片,
40只引脚按功能分为3类:
(1)电源及时钟引脚:
Vcc、Vss、XTAL1、XTAL2。
(2)控制引脚:
PSEN、EA、ALE、RESET(即RST)。
(3)I/O口引脚:
P0、P1、P2、P3,为4个8位I/O口的外部引脚。
其内部结构图2-1所示:
图2-1STC89C51结构框图
2.4复位单路
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。
复位电路通常分为两种:
上电复位和手动复位。
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。
所以本次设计选用如下手动复位电路。
图2-2复位电路
2.5晶振电路
高频率的时钟有利于程序更快的运行,也有可以实现更高的信号采样率,从而实现更多的功能。
但是高速采样率对系统要求较高,而且功耗大,运行环境苛刻。
考虑到单片机本身用在控制,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12.000M无源晶振接入XTAL1和XTAL2引脚。
并联2个30pF陶瓷电容帮助起振。
图2-3晶振电路
2.6单片机控制程序
#include
#include
#defineuintunsignedint
#defineucharunsignedchar
#definedelayNOP();{_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();};
sbitIN1=P3^0;//方向控制端口
sbitIN2=P3^1;//方向控制端口
sbitENA=P3^5;//使能控制端口当ENA=0的时候电机停止
转动
sbitIRIN=P3^2;
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