单片机控制直流电机调速系统设计论文大学毕业设计论文.docx
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单片机控制直流电机调速系统设计论文大学毕业设计论文
单片机控制直流电机调速系统设计
摘要
随着社会的发展,电机可调速广泛的应用于工农业、交通运输业以及我们的日常生活。
早起的电机调速主要基于模拟电路的调速。
模拟电路的设计一方面难度大、调试复杂,另一方面加之元器件易老化,这对于调速系统广泛普及起到一定的制约作用。
随着电力技术、微处理器技术、自动控制技术的发展,使得PWM脉宽调制技术得到空前的发展。
本系统的设计正是PWM脉宽调制技术在直流电机调速的应用。
研究这一技术,对于生产和生活有着积极意义。
本文首先对系统架构进行介绍,让读者从宏观上把握系统的设计思想。
然后分别介绍构成系统的各个模块的内容和选型。
接着介绍硬件电路的设计和软件程序的设计思想。
最后对系统的功能进行测试,并记录测试结果。
关键词
PWM;微处理器;自动控制技术;
Singlechipmicrocomputercontroldcmotorspeedcontrolsystemdesign
Abstract
Withthedevelopmentofthesociety,adjustablespeedmotoriswidelyusedinindustryandagriculture,transportation,andourdailylife.Gettingupearlyismainlybasedontheanalogcircuitofmotorspeedcontrol.Analogcircuitdesignontheonehand,difficultandcomplexdebugging,aging,ontheotherhand,combinedwiththecomponentsforthespeedcontrolsystemwidelypopularizeplayedarole.Astheelectrictechnology,microprocessortechnology,thedevelopmentofautomaticcontroltechnology,thePWMpulsewidthmodulationtechnologygetunprecedenteddevelopment.ThedesignofthissystemisthePWMpulsewidthmodulationtechnologyintheapplicationofdcmotorspeedcontrol.Researchthetechnology,hasapositivemeaningforproductionandlife.
Thispaperintroducesthesystemarchitecture,letthereaderfromonmacroscopictograspthedesignideasofthesystem.Thenintroducedrespectivelyconstitutethecontentofeachmoduleandthechoiceofthesystem.Thenintroducesthedesignofhardwarecircuitandsoftwareprogramdesignthought.Finallytestthefunctionofthesystem,andrecordtestresults.
Keywords
PWM;microprocessor;automaticcontroltechnology;
目录
绪论1
(一)本课题研究的背景及意义1
(二)本课题拟要解决的问题与预期达到的目标1
(三)本课题的行文结构安排2
一、系统架构与方案选择2
(一)系统架构2
(二)方案选择性3
二、硬件电路设计6
(一)单片机系统电路设计6
1.单片机最小系统电路设计6
2.液晶显示电路设计10
(二)电机驱动电路与光电计数电路设计11
(三)按键电路设计12
三、软件设计14
(一)软件总流程图14
(二)LCD1602程序设计15
四、系统测试17
(一)按键面板定义17
(二)系统测试17
五、结论18
致谢19
参考文献20
绪论
(一)本课题研究的背景及意义
电气传动可以简单的分为两大类,第一类是直流电气传动,第二类是交流电气传动。
电机作为一种动力装置,在直流电气传动与交流电气传动中扮演重要角色。
交流电气传动,顾名思义,就是用交流电机作为动力输出装置的电气传动,直流电气传动是采用直流电机作为动力输出装置的电气传动。
交流电机,由于无需换向器的设计,因此使得结构简单,这对于生产和使用普及、维护维修方面都优于直流电机。
但是交流电机本身不能进行调速,必须借助变频设备得以调节转速。
直流电机由于其构造机理与交流电机不同,使得直流电机能进行平滑的调速,而且重要的一点是无需增加额外的调速装置,只要改变直流电机励磁电压即可实现速度的调节。
随着社会的发展,电机可调速广泛的应用于工农业、交通运输业以及我们的日常生活。
早起的电机调速主要基于模拟电路的调速。
模拟电路的设计一方面难度大、调试复杂,另一方面加之元器件易老化,这对于调速系统广泛普及起到一定的制约作用。
随着微处理技术的发展,使得数字化的调速成为现实。
微处理器,可以进行复杂的逻辑分析、处理,强大的数据处理能力,这些使得模拟电路不能与之媲美,同时让数字电路在一定范围内更加真实的接近模拟电路。
微处理器,由于其自身的集成性,使得在很大程度上不受外界因素,如温度、湿度、噪音等影响,极大的提高了系统的稳定性。
更重要的一点是基于微处理器的系统,能更好的自动化控制,解放劳动了,提高生产效率。
单片机是微处理器的一大分支,从早期的8位单片机发展今天的16位,甚至32位。
从早期CPU外围需搭载较多复杂的功能电路到今天的一片单片机即是一个系统。
基于单片机控制的直流电机调速系统,使得电机调速由模拟走向数字化,这使得电机调速又进了一个新的台阶。
随着电力技术、微处理器技术、自动控制技术的发展,使得PWM脉宽调制技术得到空前的发展。
本系统的设计正是PWM脉宽调制技术在直流电机调速的应用。
研究这一技术,对于生产和生活有着积极意义。
(二)本课题拟要解决的问题与预期达到的目标
本课题,主要有一下几点需要解决的问题
(1)针对系统的难易程度、控制方便、性价比等因素选型单片机,学习单片机的相关理论知识、开发流程、开发言语、开发工具等。
(2)研究PWM脉宽调制技术理论知识,结合单片机的硬件资源,用编程语言实现PWM脉宽调制,最终对直流电机的速度进行调节。
(3)一般单片机IO口的驱动能力有限,不能直接驱动直流电机,因此就要设计直流电机驱动电路,在设计中,要充分考虑系统的功能,如直流电机的正反转、起停等进行电路设计。
本课题预期达到的目标
能通过键盘输入装置改变电机枢电压的波形的占空比,从而实现调速。
能在电机运行的过程中实现正反转的切换、能在任何时候实现电机的起停。
能在液晶上实时显示直流电机转速和当前枢电压的占空比(PWM)。
(三)本课题的行文结构安排
1.系统架构与方案选择:
从整体上把握系统架构的设计,使读者在研究本论文的伊始能有一个较为清晰的系统概念。
同时这也是至上而下、模块化的设计思想。
对系统中设计的模块进行分析说明。
2.硬件电路设计:
在分析完系统架构中每个模块的功能后,针对具体的功能进行具体的电路设计。
3.软件设计:
在搭好的硬件平台上进行软件设计,进行软硬件的联合调试,不断修改设计,最终满足设计要求。
4.系统测试:
系统设计完成以后要对功能呢进行评估、测试。
一、系统架构与方案选择
(一)系统架构
图1:
基于单片机的直流电机调速系统架构图
如上图所示为本系统主要由六个模块组成,分别是单片机系统模块、液晶显示模块、按键模块、电机驱动模块、直流电机模块、光电技术模块。
单片机系统模块:
为本系统的核心。
这也是是嵌入式系统的共性之一,将微处理器嵌入到系统之中,系统的功能可裁剪。
可以根据不同的应用领域需用不同架构、不同等级的单片机。
在本系统中,单片机主要用于产生PWM波形,通过改变占空比,使得电机枢电压的平均值改变,从而达到调速的目的。
同时,本系统需要对电机速度进行检测,这就要求单片机具有测速功能。
一个系统需要具有良好的交互性和用户体验,故本系统设置有按键输入,用户可以通过按键切换不同的功能。
同时,用户可以通过液晶显示屏,实时的观察直流电机枢电压的占空比以及电机当前的速度。
键盘模块:
一个良好的嵌入式设计需要具有输入输出系统,键盘模块即使本系统的输入系统。
当用户按下按键,单片机IO通过检测按键的状态(电平值)得知用户触发的是哪一个按键,继而转向对应的功能。
拥有键盘的设计,还能在软件调试起到很大的帮助,可以通过按键改变程序的流向,通过按键的触发,知道程序运行到哪里了。
液晶模块:
为输出系统。
单独一个单片机,虽然在运行着,但是却不能向外界传达直观信息,这样的系统是需要改进的。
用于液晶显示屏的系统,可以将必要的信息实时的显示在液晶屏上,用户一是可以获取信息,二是可以判断系统的运行状态。
电机驱动模块:
因为单片机IO口的驱动能力很小,不能直接驱动直流电机,所以必须设计电机驱动电路。
电机驱动电路属H桥电路较为常见,采用H桥电路,使得电路的换向更加方便。
直流电机模块:
电机作为PWM脉宽调制的对象,可以模拟该技术真实环境下的使用,同时可以验证本系统的设计是否正确。
光电计数模块:
当前较为常用的测速的方式有测周法与测频法。
不管哪一种方式,都需要在直流电击上取得反馈信息。
光电技术模块上有一对红外光电对射管、一个编码盘,这样电机转动的时候就是让光电技术模块对外输出脉冲。
通过技术或者测量脉冲宽度即可达到测速的目的。
(二)方案选择性
1.微处理器选型:
方案一:
ARM:
ARM既是一个公司的名字,也是该公司推出的一种微处理器架构。
早期ARM公司也出售ARM架构的芯片,后来将这一方案出售给各大公司,使得ARM架构的芯片百花齐放,涌现出ARM7、ARM9、ARM11等系列产品。
ARM是RISC(精简指令集)设计,本身属于32位的微处理器,但其兼容16位指令集。
单周期指令、流水线执行、大多数据都在寄存器中执行等特点使得ARM具有更高的处理速度。
ARM应用于高端的嵌入式、教育、移动应用等领域。
ARM虽说有这么对有点,但是开发在一定程度上有难度,开发周期较长,且相对于中低端的嵌入式领域,ARM没有性价比方便的竞争力。
方案二FPGA:
FPGA是在可编程器件的基础上发展起来的新型产物,作为一种半定制电路出现的,既解决了定制电路的不足,又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。
FPGA芯片具有容量大、集成度高、灵活性强等优点,可以完成极其复杂的时序和组合逻辑电路功能。
在信号处理方面、数据传输方面、视屏图像处理等领域中得到广泛的运用。
不过FPGA的开发投资大,只适用于产品研发验证阶段,不适合量产。
且同样具有开发平台搭建复杂、开发难度较大等不足。
方案三单片机:
是将计算机的功能部件裁剪后在一块半导体硅片上集成CPU、存储器、各种输入输出接口的芯片,结构框图为图二所示。
单片机产生于20世纪70年代,从当时的4位8位单片机发展到现的16位、32位。
单片机已经渗透到我们生活的各个
图2单片机内部结构框图
领域,有它作为控制核心开发的产品比比皆是。
单片机具有体积小,重量轻,抗干扰能力强,对运行环境要求不高,价格低廉,可靠性高,灵活性好,在我国的应用经久不衰,积累了丰富的开发经验。
不仅如此,现在部分高档的单片机,已经将诸如ADC模块、SPI模块、IIC模块等实用电路集成到一块芯片中,系统的集成度有很大的提升,也方便了用户的开发,只要一块芯片即可完成复杂的逻辑控制。
开发平台较为容易搭建、开发难度小、周期短。
综上所述,选择单片机作为本系统的微处理器。
集体选用宏晶公司的STC系统中的STC89C52单片机,其具体的资源以及电路设计将在硬件电路部分做说明。
2.液晶显示方案选型:
方案一:
数码管:
数码管是一系列LED发光二极管的集合。
目前七段、八段居多。
数码管是根据点亮不同的LED点来显示数字和简单的字符。
数码管又有共阴极与共阳极之分。
共阴极就是将所有LED灯的阴极接在一起,共阴极接低电平,这样只要在某个LED的阳极给高电平,就可以点亮某个LED灯,不同的点亮的LED灯的组合可以构成数字或者简单字符的图形。
共阳极就是将所有LED灯的阳极连在一起,共阳极接高电平,这样只要在某个LED的阴极给低电平,就可以点亮某个LED灯,不同的点亮的LED灯的组合可以构成数字或者简单字符的图形。
但是由于数码管的显示原理,决定了它只能显示数字和简单英文字符,显示信息有限,只适用于低端的、显示信息不多的设备上。
方案二:
液晶显示:
LCD通过控制像素点偏振光出射与否而达到显示目的。
一般LCD像素点很多,可以通过像素点组合成任意字符和简单图案。
现在LCD已经替代CRT成为主流,价格也已经下降了很多,并已充分的普及。
由于液晶是以像素点来成像,决定了它可以显示很多信息。
综上所述:
由于本系统显示字符信息比较多,所以选用液晶显示器作为本系统的显示模块。
具体选用LCD1602,其硬件电路将会在硬件电路设计部分做说明。
3输入系统方案的选择
方案一:
红外遥控:
是基于红外线通信原理的无线按键输入方式。
将待发送的基带信号加载到38K载波信号上进行调制传输,接收时对信号进行解调操作,提取基带信号。
红外遥控在很多场合有着实用意义。
红外遥控器为了区分按键,将每个按键编码传输,这就要接收部分有解码的模块,一般是软件解码,解码部分的程序设计比较复杂。
方案二:
按键输入:
如图,当K1按下,按键闭合,将单片机P1.0IO口拉低至低电平。
单片机内通过读取P1.0的电平状态,即可知道此时是否有按键触发,即是否有外界信息的输入。
图3按键触发原理图
综上所述:
选择硬件电路和软件实现方便的机械按键作为本系统的输入模块。
4测速方案的选择方案一:
M法:
M法即是测量在闸门时间内光电计数的脉冲数。
单片机计数器最大的技术范围为65535次,假设闸门时间为1S,最大的计数频率为1秒钟65535次,本系统使用的光电编码有四个孔,即是电机转一圈可以产生4个脉冲。
这样可以算出能测的电机的最大转速为:
983025R\Min。
该方案实用于高速转速的电机,且闸门时间设置越长,测量精度越高。
方案二:
测T法:
测量两个脉冲之间的时间,从而计算出频率,继而得出转速。
综上所述:
测M硬件电路实现比较简单,编程也方便,在一定误差范围内选择测M法
4电机驱动的选型方案一:
继电器控制:
通过控制两个继电器断开与关闭,可以实现电机的正反转控制,继电器也应用在一些电机转向控制的项目中。
由于继电器是弱点控制强电的装置,电压电流在继电器断开后处于绝对关闭状态,所以其适应范围广。
但是继电器触点与弹片接触需要一定时间,这在高速应用场合显得不足,特别是在PWM调速的应用中,需要其具有很快的开关速度。
方案二:
基于晶体管或者MOS管的H桥电路:
H桥是经典的电机驱动电路,可以使用4个晶体管或者MOS管搭建该电路。
由于晶体管或者MOS管快关速度非常快,可以在一定范围内实现平滑的速度控制。
电路简单,性价比高。
综上所述:
选择H桥电路作为本系统的电机驱动方案。
二、硬件电路设计
(一)单片机系统电路设计
1.单片机最小系统电路设计
图4STC89C52系列单片机内部结构图
如上图所示,为STC89C52单片机的内部结构图,单片机内部采用单总线的结构设计,分别是地址总线、数据总线和控制总线。
STC89C52单片机属于增强型8051单片机,可以在6时钟每机器周期和12时钟每机器周期中选择,其完全兼容低版本的8051单片机。
有四个通用输入输出IO口,即是P0口、P1口、P2口、P3口。
可以方便的实现数据读和写,这些IO在工业自动化控制方面起到很高的作用。
其中P0作为地址总线使用的时候是真正的双向口,无需在单片机外部增设上拉电阻。
但是在将P0口作为通用输入输出口使用时,由于P0口内部无上拉电阻,所以要在其外部设计上拉电阻。
P1口、P2口、P3口是准双向IO口,其内部都设置了上拉电路,无需在单片机外部增设上拉电阻。
P3除了具有通用IO的功能,其引脚还会根据程序的设计变为特种IO口,如全双工异步串行通信的发送口与接收口,外部中断触发口、计数器计数脉冲输入口等。
STC89C52内设两个外部中断,可以通过软件编程设置中断触发模式,分别可以设置低电平触发和下降沿触发。
即是当打开外部中断,单片机就开始检测外部中断输入口,当引脚上出现低电平或者下降沿的时候,即触发外部中断,单片机停止当前执行的程序,转去执行外部中断程序代码,待外部中断程序执行完成以后,单片机又回到起初停止的地方继续执行。
这就是一个完整的中断过程。
STC89C52还设置了三个定时计数器,其中定时计数器3是增强型8051单片机特有的。
定时计数器0和定时计数器1是传统单片机所固有的。
定时计数器0和定时计数器1可以设置四种工作方式,最大的定时时间为65.535ms,最大的计数个数为65535次。
定时计数器的实质就是一个加1计数器,当选用内部时钟作为计数脉冲源时,比如在12M晶振模式下,就知道每计数一个所需的时间,这样当计数完成后就知道计数完成所需的时间。
当选用外部脉冲作为计数时钟源时,可以实现对外部事件的计数。
STC89C52自带一个通用异步串行输入输出口即UART,可以异步全双工与外界进行同行,这使得单片机的应用由单机本地工作模式转向多级联网工作模式,扩展了单片机的应用范围,使得其应用更加广泛和灵活。
单片机最下系统主要包含三个部分:
电源电路、晶振电路、复位电路
图5STC89C52系列单片机最小系统图
(1)电源电路
单片机的地20脚与第40为电源脚,其中第40脚接3.8V-5V的电源Vcc,第20脚为电源地。
31脚EA脚为内外存储器选择脚,低电平有效,当接高电平时,单片机选用内部存储器,当接低电平时,单片机可选用外部存储器。
由于本系统不加外部程序存储器,所以将EA接高电平。
(2)晶振电路
单片机之所有能有条不紊的运行着,得益于晶振电路。
本系统使用的为11.0592Mhz的晶体振荡器,该振荡器给单片机提供时钟基准,单片机的运行严格的按照时钟基准执行。
如下图所示,30PF的电容是辅助晶振起振,是一个经验值。
图6STC89C52系列单片机晶振电路
(3)复位电路
图7STC89C52系列单片机复位电路
系统上电,由于电容两端电压不能突变,故一开始单片机复位脚为高电平。
然后电容通过R21形成回路进行充电,待冲完电后,电容两端为“上正下负”,即单片机复位脚为低电平。
这个过程即为上电复位。
单片机运行过程中,可以按下按键,强制给复位引脚两个机器周期以上的高电平,使单片机复位。
所谓复位,是指让单片机从初始状态开始运行。
因为有时程序会进入死循环,不通过复位,无法继续执行程序。
2.液晶显示电路设计
图8液晶电路
图9LCD1602引脚说明
根据LCD1602的规格书设计电路,其中RS、R/W、EN为控制引脚,DB0~DB7为数据引脚。
在V0输出接一个10K的电位器,可以调节背光亮度。
(二)电机驱动电路与光电计数电路设计
图10电机驱动电路与光电计数电路
电机驱动电路主要部分是L9110,L9110是专用马达控制芯片。
其内部具有两通道推挽式放大器,其特点是将分立元件集成于芯片之中,使得无需搭建复杂的外围电路,使得驱动电路的性能得到提高。
两个通道兼容TTL/COM电平,每同担具有800mA的电路输出能力,峰值电流高达1.5A。
两通道的切换,可以很好的实现电机正反转的控制。
L9110内部实质就是一个H桥电路,一个H桥电路由四个晶体管管或者MOS管组成。
图11典型H桥电路
如图所示为H桥电路的示意图,要使电路M转动,必须使处于对角线上的两个三极管导通,这样,只要对H桥电路提供两个控制信号,就可以很方便的实现电机正反转的控制。
当控制信号为PWM信号时,就可以进行速度调节控制。
电机枢电压的计算公式可以简单的看做是U=K×Vcc,其中K为枢电压波形占空比,Vcc为电源电压,占空比可在1-100%中进行变化,这样就会导致最终到电机两极的电压发生变化,这枢电压的变化,将直接使电机速度发生变化。
这一个过程就称为PWM脉宽调制技术在直流电机速度调节方面的应用。
PWM脉宽调制,就是改变电机枢电压的波形的占空比,使得枢电压平均值可以改变,这样我们只要改变占空比,就可以使得速度可调节。
电路中一大一小的电容为滤波电容,470UF的电容滤除外界5V电源的低频成分,104PF的电容滤除外界5V电源的高频成分,这样尽可能的让后面整个用电系统得到干净的、稳定的电源供电。
在电机上安置一个带槽的编码盘,这样当槽刚好达到光电对射管处,光电三极管接收到来着红外发光二极管发出的光,从而导通接地,对外则输出一个高电平的脉冲。
本系统编码盘上设置有四个槽,这样电机转一圈,可以产生4个脉冲,在一闸门时间内对这些脉冲计数,再将这些数据在单片机中进行运算,最终得出速度。
本系统的设计将闸门时间设为1S,这样使用计数器计数在1S时间内光电计数器传来的脉冲信号,用总的脉冲信号
(三)按键电路设计
图12按键电路
本系统使用的按键电路也叫独立按键,这个命名是区别于矩阵键盘,矩阵键盘在这里不做介绍。
如图所示,按键的一端接单片机IO口,另外一端接低电平。
这样当有按键按下时,IO口被拉低为低电平,单片机内部检测IO口状态,某一时刻发现某一IO口被拉低,则证明该IO口所接的按键被按下,则执行相应的操作。
一个按键对应一个功能,按键按下即为触发,单片机执行按键按下后的程序代码段即为响应。
由于是机械式键盘,在按键按下或者松开的过程,会有抖动,如果不加以处理,会让单片机出现误判断。
这种情况可以通过软件或者硬件电路加以解决。
本系统使用软件消抖的方式,即是当按键按下,单片机读取IO口状态,初步确定按键按下了,然后延时10ms,再次读取IO口状态,如果还是表示按键按下,最后判定按键确实按下了,这段延时就消除了按键抖动。
三、软件设计
(一)软件总流程图
图13单片机控制直流电机调速系统程序流程图总图
如图所示,在开始的开始部分,进行各种初始化,本系统只要设计液晶模块的初始化和单片机内部资源的初始化,内部资源的初始化主要是定时计数器0和定时计数1的初始化。
程序设计中,将定时技术器0设置为定时模式,定时时间为1ms。
定时计数器1设置工作在计数模式,最大的计数范围为65535次。
在程序设计中,采用软件定时形成1s的闸门时间,1s的定时时间到,读取计数数值,将这个计数数值除以4,得出电机在1秒钟所转的圈数。
再将1秒钟所转的圈数乘以60就可以得出1分钟电机所转过的圈数。
转速的定义刚好就是1分钟电机所转的圈数。
对于PWM控制电机转速的程序设这样设计的。
将一个脉冲波形的周期设置为1ms×10=10ms,转换成频率就是100Hz,这个频率可以使电机速度更加平稳,切换速度更加平滑。
在程序设计中设置一个占空比变量,改变占空比,就是改变这个变量的值,这个变量的值在1-10,对应的占空比就为1-100%。
一开始,单片机IO口输入高电平给电机驱动电路,控
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