基于AT89S52单片机直流电机PWM控制系统毕业设计论文.docx
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基于AT89S52单片机直流电机PWM控制系统毕业设计论文
图书分类号:
密级:
毕业设计(论文)
基于AT89S52单片机直流电机控制系统的设计
THEDC-MOTORSPEEDMODIFICATIONDESIGNBASEDONAT89S52
学生姓名
学院名称
信电工程学院
专业名称
电子信息科学与技术
指导教师
2011年
6月
8日
徐州工程学院学位论文原创性声明
本人郑重声明:
所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果。
除文中已经注明引用或参考的内容外,本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。
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本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
论文作者签名:
日期:
年 月 日
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论文作者签名:
导师签名:
日期:
年 月 日日期:
年 月 日
摘要
电机在各行各业发挥着重要的作用,而电机转速是电机重要的性能指标之一,因而测量电机的转速和电机的调速,使它满足人们的各种需要,更显得重要,而且随着科技的发展,PWM调速成为电机调速的新方式。
随着数字技术的迅速发展,微控制器在社会的各个领域得到了广泛的应用,由于数字系统有着模拟系统所没有的优势,如抗干扰性强、便于和PC机相联、系统易于升级维护。
本设计是以单片机AT89S52和L298控制的直流电机脉宽调制调速系统。
利用AT89S52芯片进行低成本直流电动机控制系统的设计,能够简化系统构成、降低系统成本、增强系统性能、满足更多应用场合的需要。
系统实现对电机的正转、反转、急停、加速、减速的控制,以及PWM的占空比在LED上的实时显示。
关键词直流电机;AT89S52;PWM调速;L298
Abstract
Motorsplayimportantrolesinallwalksoflifeandtherotationspeedofmotorsisoneofthevatalperformanceindexs.Inaddition,itismoreimportanttomeetpeople’sdemandsbytestingtherotationspeedandthespeedgoverningofmotors.What’smore,withthedevelopmentofscience,anewwayofspeedgoverningturnedupwhichcalledPWM.
Withtherapiddevelopmentofdigitaltechnology,micro-controllerinallareasofsocietyhavebeenwidelyused.Becausedigitalsystemhasmanyadvantageswhichanalogsystemdoesnothave,suchasstronganti-interference,simpleinterfacewiththePC,easyupgradeandmaintenanceforsystem.
ThisprojectisaspeedgoverningsystemofthepulsewidthofDCmotorcontrolledbymicrocontrollerAT89S52andL298.MakingtheuseofthechipofAT89S52,IdesignacontrollingsystemofDCmotoroflowcost.Itcansimplifythesystemstructurereducesystemcost,strengthensystemperformanceandmeetmoreneedsfrommoreapplications.Andthesystemcancontrolthecorotation,reversal,scraming,acceleratingandslowdownofmotorsanddisplaythedutyratioofPWMonLEDinrealtime.
KeywordsDCMotorAT89S52PMWSpeedAutomaticL298
1绪论
1.1直流电机
1.1.1直流电机的发展
直流电动机在冶金、矿山、化工、交通、机械、纺织、航空等领域中已经得到广泛的应用。
而以往直流电动机的控制只是简单的控制,很难进行调速,不能实现智能化。
如今,直流电动机的调速控制已经离不开单片机的支持,单片机应用技术的飞速发展促进了自动控制技术的发展,使人类社会步入了自动化时代,单片机应用技术与其他学科领域交叉融合,促进了学科发展和专业更新,引发了新兴交叉学科与技术的不断涌现。
现代科学技术的飞速发展,改变了世界,也改变了人类的生活。
由于单片机的体积小、重量轻、功能强、抗干扰能力强、控制灵活、应用方便、价格低廉等特点,计算机性能的不断提高,单片机的应用也更加广泛特别是在各种领域的控制、自动化等方面。
在实际应用中,电动机作为把电能转换为机械能的主要设备,一是要具有较高的能量转换效率;二是应能根据生产工艺的要求调整转速。
电动机的调速性能如何对提高产品质量、提高劳动生产率和节省电能有着直接的决定性影响。
因此,调速技术一直是研究的热点。
1.1.2直流电机控制方法
直流电动机转速的控制方法可分为两类:
励磁控制法与电枢电压控制法。
励磁控制法控制磁通,其控制功率虽然小但低速时受到磁场饱和的限制,高速时受到换向火花和转向器结构强度的限制,而且由于励磁线圈电感较大动态响应较差。
所以常用的控制方法是改变电枢端电压调速的电枢电压控制法。
传统的改变端电压的方法是通过调节电阻来实现的,但这种调压方法效率低。
随着电力电子技术的发展,创造了许多新的电枢电压控制方法。
其中脉宽调制(PulseWidthModulation,PWM)是常用的一种调速方法。
其基本原理是用改变电机电枢电压的接通和断开的时间比(即占空比)来控制马达的速度,在脉宽调速系统中当电机通电时,其速度增加,电机断电时其速度降低。
只要按照一定的规律改变通断电的时间,就可使电机的速度保持在一稳定值上。
直流电机可按其结构、工作原理和用途等进行分类,其中根据直流电机的用途可分为以下几种:
直流发电机(将机械能转化为直流电能)、直流电动机(将直流电能转化为机械能)、直流测速发电机(将机械信号转换为电信号)、直流伺服电动机(将控制信号转换为机械信号)。
1.1.3直流电机工作原理
直流电机电路模型如图1-1所示,磁极N、S间装着一个可以转动的铁磁圆柱体,圆柱体的表面上固定着一个线圈abcd。
当线圈中流过电流时,线圈受到电磁力作用,从而产生旋转。
根据左手定则可知,当流过线圈中电流改变方向时,线圈的方向也将改变,因此通过改变线圈电路的方向实现改变电机的方向。
直流电机模型见图1-1。
图1-1直流电动机电路模型
1.1.4直流电机主要技术参数
直流电机的主要额定值有:
额定功率Pn:
在额定电流和电压下,电机的负载能力。
额定电压Ue:
长期运行的最高电压。
额定电流Ie:
长期运行的最大电流。
额定转速n:
单位时间内的电机转动快慢。
以r/min为单位。
励磁电流If:
施加到电极线圈上的电流。
1.2单片机及微处理器控制系统的发展
单片微型计算机的诞生是计算机发展史上的一个新的里程碑。
近年来,随着技术的发展和进步,以及市场对产品功能和性能的要求不断提高,直流电动机的应用更加广泛,尤其是在智能机器人中的应用。
直流电动机的起动和调速性能、过载能力强等特点显得十分重要,为了能够适应发展的要求,单闭环直流电动机的调速控制系统得到了很大的发展。
而作为单片嵌入式系统的核心—单片机,正朝着多功能、多选择、高速度、低功耗、低价格、大存储容量和强I/O功能等方向发展。
随着计算机档次的不断提高,功能的不断完善,单片机已越来越广泛地应用在各种领域的控制、自动化、智能化等方面,特别是在直流电动机的调速控制系统中。
这是因为单片机具有很多优点:
体积小,功能全,抗干扰能力强,可靠性高,结构合理,指令丰富,控制功能强,造价低等。
所以选用单片机作为控制系统的核心以提高整个系统的可靠性和可行性。
早期直流传动的控制系统采用模拟分离器件构成,由于模拟器件有其固有的缺点,如存在温漂、零漂电压,构成系统的器件较多,使得模拟直流传动系统的控制精度及可靠性较低。
随着计算机控制技术的发展,微处理器已经广泛使用于直流传动系统,实现了全数字化控制。
由于微处理器以数字信号工作,控制手段灵活方便,抗干扰能力强。
所以,全数字直流调速控制精度、可靠性和稳定性比模拟直流调速系统大大提高。
所以,直流传动控制采用微处理器实现全数字化,使直流调速系统进入一个崭新的阶段。
微处理器诞生于上个世纪七十年代,随着集成电路大规模及超大规模集成电路制造工艺的迅速发展,微处理器的性价比越来越高。
此外,由于电力电子技术的发展,制作工艺的提升,使得大功率电子器件的性能迅速提高。
为微处理器普遍用于控制电机提供了可能,利用微处理器控制电机完成各种新颖的、高性能的控制策略,使电机的各种潜在能力得到充分的发挥,使电机的性能更符合工业生产使用要求,还促进了电机生产商研发出各种如步进电机、无刷直流电机、开关磁阻电动机等便于控制且实用的新型电机,使电机的发展出现了新的变化。
对于简单的微处理器控制电机,只需利用用微处理器控制继电器、电子开关元器件,使电路开通或关断就可实现对电机的控制。
现在带微处理器的可编程控制器,已经在各种的机床设备和各种的生产流水线中普遍得到应用,通过对可编程控制器进行编程就可以实现对电机的规律化控制。
对于复杂的微处理器控制电机,则要利用微处理器控制电机的电压、电流、转矩、转速、转角等,使电机按给定的指令准确工作。
通过微处理器控制,可使电机的性能有很大的提高。
目前相比直流电机和交流电机他们各有所长,如直流电机调速性能好,但带有机械换向器,有机械磨损及换向火花等问题;交流电机,不论是异步电机还是同步电机,结构都比直流电机简单,工作也比直流电机可靠,但在频率恒定的电网上运行时,它们的速度不能方便而经济地调节[2]。
高性能的微处理器如DSP(DIGITALSIGNALPROCESSOR即数字信号处理器)的出现,为采用新的控制理论和控制策略提供了良好的物质基础,使电机传动的自动化程度大为提高。
在先进的数控机床等数控位置伺服系统,已经采用了如DSP等的高速微处理器,其执行速度可达数百万兆以上每秒,且具有适合的矩阵运算。
2系统论述
2.1设计背景
近年来,随着科技的进步,电力电子技术得到了迅速的发展,直流电机得到了越来越广泛的应用。
直流它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、制动和反转;需要能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求,从而对直流电机的调速提出了较高的要求,改变电枢回路电阻调速,改变电枢电压调速等技术已远远不能满足要求,这时通过PWM方式控制直流电机调速的方法应运而生。
2.2设计思路
直流电机PWM控制系统的主要功能包括:
实现对直流电机的加速、减速以及电机的正转、反转和急停,能够很方便的实现电机的智能控制。
主体电路:
即直流电机PWM控制模块。
这部分电路主要由AT89S52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,能够很方便的实现电机的智能控制。
其间是通过AT89S52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。
该直流电机PWM控制系统由以下电路模块组成:
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对直流电机的加速、减速以及电机的正转、反转和急停控制,以及对PWM占空比的LED实时显示。
设计控制部分:
主要由AT89S52单片机的外部中断扩展电路组成。
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。
设计显示部分:
LED数码管显示部分,实现对PWM脉宽调制占空比的实时显示。
2.3系统框架设计
方案说明:
直流电机PWM调速系统以AT89S52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L298直流电机驱动芯片发送PWM波形,完成电机正,反转和急停控制;同时单片机不停的将PWM脉宽调制占空比送到LED数码管完成实时显示,见图2-1。
图2-1系统框架设计
采用传统的直流电机调速系统的模拟电路容易随时间漂移,会产生一些不必要的热损耗,以及对噪声敏感等。
而在用了PWM技术后,避免了以上的缺陷,实现了用数字方式来控制模拟信号,可以大幅度降低成本和功耗。
另外,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。
PWM具有很强的抗噪性,且有节约空间、比较经济等特点。
3PWM脉宽调制原理
3.1PWM调速原理
PWM(脉冲宽度调制)是通过控制固定电压的直流电源开关频率,改变负载两端的电压,从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,比如:
电机调速、温度控制、压力控制等等。
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,并且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”来达到改变平均电压大小的目的,从而来控制电动机的转速。
也正因为如此,PWM又被称为“开关驱动装置”,见图3-1所示。
图3-1PWM信号的占空比
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Va=Vmax*D,其中Va指的是电机的平均速度;Vmax是指电机在全通电时的最大速度;D=t1/T是指占空比。
由上面的公式可见,当我们改变占空比D=t1/T时,就可以得到不同的电机平均速度Va,从而达到调速的目的。
严格来说,平均速度Va与占空比D并非严格的线性关系,但是在一般的应用中,我们可以将其近似的看成是线性关系。
3.2PWM调速方法
基于单片机类由软件来实现PWM:
在PWM调速系统中占空比D是一个重要参数在电源电压Ud不变的情况下,电枢端电压的平均值取决于占空比D的大小,改变D的值可以改变电枢端电压的平均值从而达到调速的目的。
改变占空比D的值有三种方法:
A、定宽调频法:
保持t1不变,只改变t2,这样使周期(或频率)也随之改变。
B、调宽调频法:
保持t2不变,只改变t1,这样使周期(或频率)也随之改变。
C、定频调宽法:
保持周期T(或频率)不变,同时改变t1和t。
前两种方法在调速时改变了控制脉冲的周期(或频率),当控制脉冲的频率与系统的固有频率接近时,将会引起振荡,因此常采用定频调宽法来改变占空比从而改变直流电动机电枢两端电压。
利用单片机的定时计数器外加软件延时等方式来实现脉宽的自由调整,此种方式可简化硬件电路,操作性强等优点。
3.3PWM实现方式
方案一:
采用定时器做为脉宽控制的定时方式,这一方式产生的脉冲宽度极其精确,误差只在几个us。
方案二:
采用软件延时方式,这一方式在精度上不及方案一,特别是在引入中断后,将有一定的误差。
故采用方案一。
3.4PWM控制流程图
在本设计中PWM脉冲调制的控制流程见下图3-2。
图3-2PWM控制流程
4系统硬件设计
4.1系统基本组成
4.1.1硬件模块组成
(1)单片机控制模块
(2)L298电机驱动模块
(3)LED显示模块
(4)独立键盘控制模块
4.1.2单片机整个控制模块
直流电机调速系统的控制模块见图4-1。
图4-1单片机整个控制模块
这里利用定时计数器让单片机P3口的P3.4引脚输出占空比不同的方波,然后经驱动芯片L298放大后控制直流电机。
驱动芯片的输入电压是两引脚的电压差,在调速时一根引脚线为低电平,另一个引脚产生调速方波,这样两个引脚的电压差就可通过控制其中一个引脚来控制。
当需要改变电机转动方向时,两个引脚的输出相反。
定时计数器10us中断一次,就使P3.4产生一个高电平或低电平。
直流电机的速度分成100个等级,因此一个周期就有100个脉冲,周期为一百个脉冲的时间,速度等级对应一个周期的高电平脉冲的个数。
占空比为高电平脉冲个数占一个周期总脉冲个数的百分数。
一个周期加在电机两端的电压为脉冲高电压乘以占空比。
占空比越大,加在电机两端的电压越大,电机转动越快。
电机的平均速度等于在一定的占空比下电机的最大速度乘以占空比。
当我们改变占空比时,就可以得到不同的电机平均速度,从而达到调速的目的。
精确的讲,平均速度与占空比并不是严格的线性关系,在一般的应用中,可以将其近似看成线性关系。
4.2AT89S52的简介
4.2.1AT89S52主要性能
AT89S52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Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造,与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程,亦适于常规编程器。
在单芯片上,拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash,使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
与MCS-51单片机产品兼容;8K字节在系统可编程Flash存储器;1000次擦写周期;全静态操作:
0Hz~33Hz;三级加密程序存储器;32个可编程I/O口线;三个16位定时器/计数器;六个中断源;全双工UART串行通道;低功耗空闲和掉电模式;掉电后中断可唤醒;看门狗定时器;双数据指针;掉电标识符。
4.2.2AT89S52主要功能列举
(1)拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash
(2)晶片内部具有时钟振荡器(传统最高工作频率可至12MHz)
(3)内部程序存储器(ROM)为8KB
(4)内部数据存储器(RAM)为256字节
(5)32个可编程I/O口线
(6)6个中断向量源
(7)三个16位定时器/计数器
(8)三级加密程序存储器
(9)全双工UART串行通道
4.2.3AT89S52各引脚功能介绍
AT89S52各引脚见图4-2。
图4-2AT89S52单片机各引脚
VCC:
AT89S52电源正端输入,接+5V。
VSS:
电源地端。
XTAL1:
单芯片系统时钟的反相放大器输入端。
XTAL2:
系统时钟的反相放大器输出端,一般在设计上只要在XTAL1和XTAL2上接上一只石英振荡晶体系统就可以动作了,此外可以在两引脚与地之间加入一20PF的小电容,可以使系统更稳定,避免噪声干扰而死机。
RESET:
AT89S52的重置引脚,高电平动作,当要对晶片重置时,只要对此引脚电平提升至高电平并保持两个机器周期以上的时间,AT89S52便能完成系统重置的各项动作,使得内部特殊功能寄存器之内容均被设成已知状态,并且至地址0000H处开始读入程序代码而执行程序。
EA/Vpp:
"EA"为英文"ExternalAccess"的缩写,表示存取外部程序代码之意,低电平动作,也就是说当此引脚接低电平后,系统会取用外部的程序代码(存于外部EPROM中)来执行程序。
因此在8031及8032中,EA引脚必须接低电平,因为其内部无程序存储器空间。
如果是使用8751内部程序空间时,此引脚要接成高电平。
此外,在将程序代码烧录至8751内部EPROM时,可以利用此引脚来输入21V的烧录高压(Vpp)。
ALE/PROG:
ALE是英文"AddressLatchEnable"的缩写,表示地址锁存器启用信号。
AT89S52可以利用这支引脚来触发外部的8位锁存器(如74LS373),将端口0的地址总线(A0~A7)锁进锁存器中,因为AT89S52是以多工的方式送出地址及数据。
平时在程序执行时ALE引脚的输出频率约是系统工作频率的1/6,因此可以用来驱动其他周边晶片的时基输入。
此外在烧录8751程序代码时,此引脚会被当成程序规划的特殊功能来使用。
PSEN:
此为"ProgramStoreEnable"的缩写,其意为程序储存启用,当8051被设成为读取外部程序代码工作模式时(EA=0),会送出此信号以便取得程序代码,通常这支脚是接到EPROM的OE脚。
AT89S52可以利用PSEN及RD引脚分别启用存在外部的RAM与EPROM,使得数据存储器与程序存储器可以合并在一起而共用64K的定址范围。
PORT0(P0.0~P0.7):
端口0是一个8位宽的开路汲极(OpenDrain)双向输出入端口,共有8个位,P0.0表示位0,P0.1表示位1,依此类推。
其他三个I/O端口(P1、P2、P3)则不具有此电路组态,而是内部有一提升电路,P0在当做I/O用时可以推动8个LS的TTL负载。
如果当EA引脚为低电平时(即取用外部程序代码或数据存储器),P0就以多工方式提供地址总线(A0~A7)及数据总线(D0~D7)。
设计者必须外加一锁存器将端口0送出的地址栓锁住成为A0~A7,再配合端口2所送出的A8~A15合成一完整的16位地址总线,而定址到64K的外部存储器空间。
PORT2(P2.0~P2.7):
端口2是具有内部提升电路的双向I/O端口,每一个引脚可以推动4个LS的TTL负载,若将端口2的输出设为高电平时,此端口便能当成输入端口来使用。
P2除了当做一般I/O端口使用外,若是在AT89S52扩充外接程序存储器或数据存储器时,也提供地址总线的高字节A8~A15,这个时候P2便不能当做I/O来使用了。
PORT1(P1.0~P1.7):
端口1也是具有内部提升电路的双向I/O端口,其输出缓冲器可以推动4个LSTTL负载,同样地若将端口1的输出设为高电平,便是由此端口来输入数据。
如果是使用8052或是8032的话,P1.0又当做定时器2的外部脉冲输入脚,而P1.1可以有T2EX功能,可以做外部中断输入的触发脚位。
PORT3(P3.0~P3.7):
端口3也具有内部提升电路的双向I/O端口,其输出缓冲器可以推动4个TTL负载,同时还多工具有其他的额外特殊功能,包括串行通信、外部中断控制、计时计数控制及外部数据存储器内容的读取或写入控制等功能。
其引脚分配如下:
P3.0:
RXD,串行通信输入。
P3.1:
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