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直流电机调速
目录
摘要1
一、方案论证2
1、直流电机调速环节2
2、直流电机速度测量环节2
3、直流电机速度显示环节3
二、理论分析与计算3
1、直流电机调速环节3
2、直流电机速度测量环节4
3、直流电机速度显示环节5
三、电路与程序设计7
(1)直流电机调速系统的总电路原理图7
(2)直流电机调速的流程图8
(3)直流电机调速系统的总程序8
四、结果分析13
五、总结13
设计体会及今后的改进意见14
参考文献15
摘要
某些场合往往要求直流电机的转速在一定范围内可调节,例如,电车、机床等,调节范围根据负载的要求而定。
调速可以有三种方法:
(1)改变电机两端电压;
(2)改变磁通;(3)在电枢回路中,串联调节电阻。
本设计采用第一种方法:
通过改变施加于电机两端的电压大小达到调节直流电机转速的目的。
而本设计选用DAC0832式D/A转换器及通用型低功耗集成运放LM324结合输出适合控制直流电机的电压。
运用了89C51的两个外部中断来分别控制电机的加速和减速。
而在直流电机测速中,使用栅格圆盘和光电门组成测速系统。
当直流电机通过传动部分带动栅格圆盘旋转时,测速光电门获得一系列脉冲信号。
这些脉冲信号通过单片机两个定时/计数器配合使用,一个计数,一个定时。
计算出单位时间内的脉冲数,经过单位换算,就可以算得直流电机旋转的速度。
而在速度显示系统中,先把计算得到的速度值的每一位分别取出,再运用74LS164串行输入并行输出移位寄存器通过查表逐步把各位要显示的数据移给数码管显示出来。
这样,最终就可以对直流电机进行调速并测速显示了,达到了预期目的。
关键词:
D/A转换调压调速光电测速74LS164移位显示
一、方案论证
本设计需要分三个环节:
调速、速度测量、速度显示。
1、直流电机调速环节
调速可以有三种方法:
(1)改变电机两端电压;
(2)改变磁通;
(3)在电枢回路中串联调节电阻。
由于改变磁场比较困难,而串联电阻增加损耗。
本设计采用第一种方法改变电机两端电压,改变电压可以采用定时器产生占空比可调的PWM波或者数模转换产生。
本设计选用DAC0832式D/A转换器及通用型低功耗集成运放LM324输出适合控制直流电机的电压。
2、直流电机速度测量环节
速度测量主要有两种方法:
(1)光电测速法:
使用栅格圆盘和光电门组成测速系统。
当直流电机通过传动部分带动栅格圆盘旋转时,测速光电门获得一系列脉冲信号。
这些脉冲信号通过单片机两个定时/计数器配合,一个计数,一个定时。
计算出单位时间内的脉冲数m,经过单位换算,就可以算得直流电机旋转的速度。
直流电机转速计算公式:
r=1000m/(T*N1*N)(r/s)
r为直流电机转速,N为栅格数,N1为T1中断次数,T为定时器T1定时器溢出时间。
(2)霍尔效应原理测速法:
电动机转轴带动轴上的磁钢旋转,从而改变磁场大小,通过霍尔电路将磁场变化转换为脉冲信号,经放大整形,输出矩形脉冲信号。
当转速改变时,输出脉冲的频率会发生变化。
从而得到电机旋转的速度。
本设计根据实验台上的仪器选用了光电测速的方法。
在设计中选择定时器时间和循环次数使直流电机转速计算公式中的分母为一千,此时r=m。
3、直流电机速度显示环节
速度显示部分备选方案有两种:
(1)把计算得到的速度值的每一位分别取出,再运用74LS164串行输入并行输出移位寄存器通过查表逐步把各位要显示的数据移给数码管显示出来。
(2)用CS8279键盘显示模块部分。
本设计选用74LS164串行输入并行输出移位寄存器在数码管上显示速度值。
总之,本设计采用“D/A转换得到控制电压—光电测速电路测速—74LS164移位寄存器显示速度”的方案达到控制直流电机速度并测量速度到实时显示电机速度的设计目的。
2、理论分析与计算
1、直流电机调速环节
本设计选用DAC0832式D/A转换器及通用型低功耗集成运放LM324输出适合控制直流电机的电压。
(1)电路图及线路连接
运用DAC0832式D/A转换器及通用型低功耗集成运放LM324输出适合控制直流电机的电压的电路图见图1的DAC0832并行数模转换电路部分。
线路连接:
系统各跳线器处在初始状态,8P数据线将CPU模块的P11F3和P1F3连接,即单片机P0口与DAC0832的8位数据输入口相连接;用导线连接并行数模转换模块的CS_0832到P2.7,CPU模块的/WR和D1区的/WR相连;并行数模转换模块的VOUT端口接入电动机电压输入口。
图1DAC0832并行数模转换电路
(2)调压原理
单片机P0口输出8位二进制数据,进入D/A转换器DAC0832的输入端口,通过对D/A转换器DAC0832的各控制端口的设置选通其直通方式工作,即每进入一个8位二进制数便可直接转化成模拟量,与通用型低功耗集成运放LM324共同作用产生电压输出。
可以通过对单片机进行编程连续增加或者连续减小P0口输出的8位二进制数据大小而达到改变输出电压的目的,便可改变直流电机的转速。
(3)程序编写思路
当按下启动键后就开通定时器/计数器中断T0、T1和两个外部中断并在等待停止信号处循环,等待中断。
其中定时器/计数器中断T0、T1联合使用实现转速的测量,外部中断0实现加速功能,外部中断1实现减速功能。
2、直流电机速度测量环节
(1)电路图及线路连接
图2直流电机电路
图3光电测试电路
线路连接:
光电测速电路的输出脉冲端口PulseOut接定时器0的外部输入端口P3.4(T0)。
(2)测速原理
光电测速法:
使用栅格圆盘和光电门组成测速系统。
当直流电机通过传动部分带动栅格圆盘旋转时,测速光电门获得一系列脉冲信号。
这些脉冲信号通过单片机两个定时/计数器配合使用,一个计数,一个定时。
计算出单位时间内的脉冲数m,经过单位换算,就可以算得直流电机旋转的速度。
直流电机转速计算公式:
n=1000m/(N1·T·N)(r/s)
其中:
n为直流电机转速,N为栅格数,N1为T1中断次数,m为计数器T0在规定时间内测得的脉冲数,T为定时器T1定时器溢出时间。
(3)程序编写及控制方法
3、直流电机速度显示环节
(1)电路图及线路连接
图474LS164与数码管连接图
本设计中,用到四个串联使用的74LS164串行输入并行输出移位寄存器,每个74LS164的输出引脚接一个共阴极数码管。
单片机的P1.4口接第一个74LS164串行输入并行输出移位寄存器的串行数据线DIN口,用来从单片机向数码管输送要显示的速度数据;P1.5接移位信号CLK端口,用来产生上升沿,以触发74LS164串行输入并行输出移位寄存器工作。
(2)速度显示原理
静态数码管显示电路由四只74LS164、四只共阴极数码管组成。
输入有两个信号:
串行数据线DIN和移位信号CLK。
74LS164首尾相连,并行输出LED数码管的段码。
把计算得到的速度值每一位取出,用74LS164通过查表把各位要显示的数据移给数码管显示出来。
(3)程序编写及控制方法
(4)数据计算
定时器1定时27.7ms,赋初值TH1为0a7H,TL1为54H,循环3次,共计时83.1ms,这个时间里计数器T0计得n个脉冲。
则转速为1000n/(27.7*3*12)=nr/s.分母为997.2,所以转速近似等于计数器接受的脉冲个数.
三、电路与程序设计
(1)直流电机调速系统的总电路原理图
注:
P1.0接启动停止按键(低电平启动,高电平停止),P1.1接加速按键和外部中断0(拨一次加一次),P1.2接减速按键和外部中断1(拨一次减一次)。
(2)直流电机调速的流程图
N
Y
N
Y
N
Y
(3)直流电机调速系统的总程序
K1EQUP1.0;启动,关断
K2EQUP1.1;加速
K3EQUP1.2;减速
ORG0000H
JMPMAIN
ORG00O3H
LJMPXINT0
ORG0013H
LJMPXINT1
ORG001BH
LJMPTTT
ORG0100H
MAIN:
MOVDPTR,#7fffh;选中0832
MOVA,#00H;程序启动时使电机不转
MOVX@DPTR,A
MOVIE,#8DH;开外部中断0,1和定时器中断1,计数器0
MOVTMOD,#15H;定时器1工作方式1,计数器0工作方式1
CLREX0;关外部中断
CLREX1
SETBIT0;下降沿触发
SETBIT1
MOVTH0,#00H;给定时器中断赋初值
MOVTL0,#00H
MOVTH1,#0A7H;给定时器赋初值27.7ms
MOVTL1,#54H
MOVR4,#3;设定定时器循环次数
START:
MOVP1,#0FFHmovp1,#0ffh;P1口置1
JNBK1,NEXT;启动键是低电平则启动电机,未启动时在此循环等待启动
SETBTR0
SETBTR1
SETBP3.4
LJMPSTART
NEXT:
LCALLDELAY10MS
JBK1,START
MOVDPTR,#7FFFH;选中0832
MOVA,#039H;电机启动初值
MOVX@DPTR,A
MOV50H,A
LCALLDELAY10MS
SETBEX0
SETBEX1
SETBP3.4
SETBTR0
SETBTR1
KG:
JBK1,KG1;启动程序在这里循环等待关断和中断,当启动键为1是关断
SETBEX1
SETBEX0
MOVA,50H
MOVDPTR,#7fffh
MOVX@DPTR,A
SETBTR0
SETBTR1
SETBP3.4
LJMPKG
KG1:
LCALLDELAY1OMS
JNBK1,KG
CLREX0
CLREX1
MOVDPTR#7FFFH
MOVA,#00H
MOVX@DPTR,A
SETBTR0
SETBTR1
LCALLDELAY10MS
LJMPSTART
TTT:
DJNZR4,MM;不到83.1ms转,重新赋初值循环,到则顺序执行,停止计时和计数
CLRTR0;到83.1ms停止计时和计数
CLRTR1
MOVA,TL0;把83.1ms的脉冲数送到A中计数
MOVB,#100
DIVAB
MOVR0,A;百位数送入R0
MOVA,#10
XCHA,B
DIVAB;十位数送入A,个位数送入B
XCHA,B;个位数送入A,十位数送入B
MOVDPTR,#DMB;设置表格地址
MOVCA,@A+DPTR
MOVR2,#8;串行输入的并行输出的循环次数
LOOP:
;传送个位数
RLCA
MOVP1.4,C;用p1.4传输进164
CLRP1.5;用p1.5口得到上升沿,触发164
SETBP1.5
DJNZR2,LOOP
MOVA,B;十位数送入A
MOVCA,@A+DPTR
MOVR2,#8
LOOP1:
;传送十位数
RLCA
MOVP1.4,C
CLRP1.5
SETBP1.5
DJNZR2,LOOP1
MOVA,R0;百位送入A
MOVCA,@A+DPTR
MOVR2,#8
LOOP2:
;传送百位数
RLCA
MOVP1.4,C;用p1.4传输进164
CLRP1.5;用p1.5口得到上升沿,触发164
SETBP1.5
DJNZR2,LOOP2
MOVA,#0AH
MOVCA,@A+DPTR
MOVR2,#8
LOOP3:
;传送最高位0
RLCA
MOVP1.4,C;用p1.4传输进164
CLRP1.5;用p1.5口得到上升沿,触发164
SETBP1.5
DJNZR2,LOOP3
MOVTH0,#00H
MOVTL0,#00H
MOVR4,#3
LCALLDELAY10MS
MM:
MOVTH1,#0A7H;定时器定时27.7ms赋初值
MOVTL1,#54H
RETI;外部中断0
XINT0:
CLRTR0
CLRTR1
CLREX0
CLREX1
MOVP1,#0FFH
MOVA,50H;把50H单元寄存的内容回送给A
MOVDPTR,#7fffh;选中DAC0832
JBK2,OUT1
LCALLDELAY10MS
JBK1,OUT1
CJNEA,#0FFH,AA
MOVX@DPTR,A;向DAC0832输数据
LCALLDELAY10MS
JMPOUT1
AA:
INCA
CJNEA,#0FFH,OUT1
MOVX@DPTR,A;向DAC0832输数据
LCALLDELAY10MS
JMPOUT1
OUT1:
MOV50H,A;把A的内容寄存给50H单元
MOVr4,#3;设置定时27.7ms的次数
MOVTH0,#00H;计数器赋初值0
MOVTL0,#00H
MOVTH1,#0A7H;定时器定时27.7ms赋初值
MOVTL1,#54H
RETI;外部中断1
XINT1:
CLRTR0
CLRTR1
CLREX0
CLREX1
movp1,#0ffh
MOVA,50H;把50H单元寄存的内容回送给A
MOVDPTR,#7fffh;选中DAC0832
JBK3,OUT2
LCALLDELAY10MS
JBK3,OUT2
CJNEA,#00H,FF
MOVX@DPTR,A;向DAC0832输数据
LCALLDELAY10MS
JMPOUT2
FF:
DECA
CJNEA,#00H,HH
MOVX@DPTR,A;向DAC0832输数据
LCALLDELAY10MS
JMPOUT2
HH:
DECA
CJNEA,#00H,OUT2
MOVX@DPTR,A;向DAC0832输数据
LCALLDELAY10MS
JMPOUT2
OUT2:
MOV50H,A;把A的内容寄存给50H单元
MOVr4,#3;设置定时27.7ms的次数
MOVTH0,#00H;计数器赋初值0
MOVTL0,#00H
MOVTH1,#0A7H;定时器定时27.7ms赋初值
MOVTL1,#54H
RETI
delay10ms:
;延时10ms
MOVR6,#10
D3:
MOVR7,#250
D4:
NOP
NOP
DJNZR7,D4
DJNZR6,D3
ret;
DMB:
DB3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DH,7DH,07H,7FH,6FH,73H;共阳七段显示器的段码
END
四、结果分析
利用仿真器和实验台进行的程序的测试,改程序玩成了启动停止、加速、减速、测速的功能。
但是如果使加速和减速每次按键所变化的电压相等,电机的转速变化不相同,这与实验台电机的制作和电机本身的启动原理有关。
通过对程序的修改基本上使每次按键加速和减速的幅度相同。
我们程序的优点是利用中断调速和测速,使得调速的反应速度大大提升(与扫描法相比)且由于实验台的直流电机一端已经接地,利用现有的设备不容易得到负电压,所以没有能实现电机的反转,这是今后需要改进的地方。
五、总结
通过两周的课程设计,我对单片机指令的理解得到了加深,提高了对指令的应用能力。
两周的时间里我们遇到了很多的困难,理论正确的程序有时却得不到想要的结果。
如我们在做的过程中将最终完成的程序进行调试,开关只能有效地控制几次,然后就不受开关控制,通过单步调试发现不受控制是因为程序进入了死循环。
虽知道了错误的原因,但还是没有找到解决的办法,无奈只能改了思路。
我们还理解到,在开一个中断时,在不影响效果的前提下,其他中断最好关掉。
总之,两周的时间是我认识到,理论和实践有相当大的差距,我们学到了理论知识,但不经过实践,很难得到能力的提升。
设计体会及今后的改进意见
经过这次独立的课程设计,学到了很多实践后才有的东西:
连接线后,要检查系统各跳线器是否处在初始设置状态,以保证硬件的可操作性。
在编写程序时,会出现各种错误,例:
(1)targetoutofrange:
这种情况是程序繁琐冗长使跳转超出范围,主要有jbjcjnbjncjbcsjmpdjnzacalljzjnzcjne等跳转指令超出跳转的范围,一般可以增加分支或改用长跳转指令LJMP,LCALL等解决。
(2)SJMP $指令不可在定时器中断中乱用,要严格按照程序顺序执行才可以正确使用。
程序必须反复写-修改-使用,还要学会熟练使用单步调试修改程序。
(3)有按键时,一定要有消抖程序。
这样,只有硬件与软件相匹配好后,才能达到试验功能成功。
参考文献
<1>马建国、孟宪元,《电子设计自动化技术基础》清华大学出版2004年4月
<2>姜威,实用电子系统设计基础》2008年1月
<3>张靖武,《单片机系统的PROTEUS设计与仿真》2007年4月
<4>赵全利、肖兴达,《单片机原理及应用教程》第二版
<5>实验台原理图
<6>直流电机实验指导书
<7>网络
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