论文单片机控制直流电机调速系统

1、课題名称单片机控制直流电机调速系统目录第一章总体设it方案11.1方案选取11.1.1方案一：PWM波调速11.1.2方案二：晶闸管调速2第二章单元模块设廿32.1H桥电路方案设廿3可修编.2.2调速设廿方案42.3系统硬件电路设计52.3.1电源电路52.4H桥驱动电路62. 5基于霍尔传感器的测速模決72. 6 LCD显示模块82.7调速设计模快92.8測速软件设计12第三章系鋭助能调试133.1调试就件介鉛133.2 1流电机的调速功能仿真143.3电机速贋的測量并显示功能仿真153.4系境的电路原理图15设廿总结16参考文献18附录19毕业投it开題报告、课题设廿(论文)目的及意义在现

2、代电子产品中，自动控制系统，电子仪器设备、家用电器、电子玩貝等等方面, 貞潦电机部得到了广泛的应用。大家熟悉的录音机、电唱机、录相机、电子it算机等， 部不能缺少直流电机。所以直流电机的控制是一门很实用的技术。直流电机，大体上可 分为3类：几相绕组的步进电机、永龜武换流器直流电机、同18电机、直浦电机具有良好的启动性能和调速特性,它的特点是启动转拒大,最大转矩大, 能在宽广的围平滑、经济地调速，转速控制容易，调速后效率很高。与交流调速相比， 直流电机结构复杂，生产成本高，绒护工作量大。适用IB： fiSiBI速器在数控Hl床、造 缴印刷、纺级印染、光缆线缆设备、包装机械、电工机械、您品加工机械

3、、橡阪机械、 生物设备、印制电路板设备、实验设备、焊接切副、轻工机械、物流输送设备、机车车 辆、医疗设备、通爪设备、雷这设备、卫星地面接受系统等行业广泛应用。我认为设it f貞流电机训速系貌，不论是从学习U是实践的角度，对一名机电一 体化专业的大学生部会产生枳15地作用，有利于提高学习热悄。二、课题设廿(论文)提纲(1 )收集相关资料并仔细研读和思考。(2) 提岀几种设廿方案，对提出的设廿方案曲比较和论込，确定最隹设it方案。(3) 产品的设廿与组装(4) 整机连调及性能灣试。(5) 整理资料，编写设计论文。三、课liiSit (论文)思路、方法及进度安排(-)思路方法:要完成本次毕业设廿,首

4、先要对产品的结构和零部件有一定的了解，对产晶部结沟 和性能部要进行了解。再对产品实解桥，做到对产品相当的熟悉之后R»fi设廿 和工艺工装的分析。按朋自取向下，由总提到部分的设计原则，首先针对所设廿的任务要求，根锯所 掌握的知识和资料，从全局出发，明确总it功能和各部分功能画岀一个能表示各单元电 JS功能和gttl作的原理施图,然后进行电路的硬件軟件的分折和程序的编程设置。（二）进程安排第一周：写开题报告，提岀几种设廿方案进行并进行方案论还，确定最佳设it方案。 第二周:对设计方案进行数学建模，通ii相关数学推导和廿算，确定相关元器件的 参数及塑号。第三周：设it硬件电路。第呱周：程序

5、设it并连接硬件电路。第五周：硬件电路的整机调试及性能測试。第兀周：整理资料，撰写设it论文，准备答瞬。第一章总体披it方案1.1方案选取1.1.1方案一：PWM波调速釆用由达林顿管组成的H型PWM电路（图11）。用单片机控制这林顿管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机转速。JT种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高；H塑电路保证了可以简单地实现转速和方向的控抽；电子开关的速度很快，稳定性也股佳，是一种广泛釆用的PWM调速技术。我釆用了脉宽调颐方武，因为釆用这种方武，电动机在运转时比较稳定；并冃在釆用单片机产生PWM脉冲的软件实现上比较方便。且对于貞济电机，釆用软件延时所产

6、生的定时误差在允许围。其结构图如图1 一2所示:图1-2电讯闕速系貌框图1.1.2方案二：晶闸管调速果用闸流管或汞版整适器的离子施动系统是最早应用靜止式变渣装置哄电的直流 电动机调速系筑。1957年,晶闸管（俗称“可控徒”）冋世,到了 60年代，已生产岀成 套的晶闸管整潦装置，并应用TfiS电动机嗚速系筑，即晶SJ管可腔整流器哄电的直流 凋速系貌（V-M系貌）。如图1-3, VT是晶闸管可腔整流器，通11调节触发装置GT的腔 制电压/来務动触发脉冲的相位，即可改变整流电压匕，从而实现平滑调速。晶闸管 整渣装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提高，而目在技术性能上也显示岀较大的优 趟性；晶闸管可控

7、整流器的功率笊大倍数在10“以上，其门股电流可以直接用晶体管来 控制，不再像直流发电机影样需要较大功率的笊大器。因此，在60年代到70年代，晶 闸管可控整渣器侠电的直流凋速系貌（V-M系统）代替专变流机组直流电动机调速系 统（G-M系貌），得到了广泛的应用。但是由于晶SJ管的单向导电性，它不允许电流反 向，给系缆的可逆运行造成困难;晶闸菅对过电压、过电流和过高的du/dt di/dt tS + 分敕感，若超过允许值会在很短的时同损坏器件。另外，由谐波与无功功率引起电网电 压波形18变，陳及附近的用电设备，造成"电力公害”,因此吩须添置无功补偿和谐波 滤渡装置。兼于方案一调速特性优良、

8、调整平消、调速围广、il裁能力大，因此本设廿采用方案一。第二章单元模块扱it2.1H桥电路方案按廿S2-1所示的H桥式电机驱动电路包括4个三榄管和一个电机，电路得名于“H桥 驱动电路”是因为它的形字母H。如图2-1所示，要使电机运转，必须导通对角 线上的一对三股管。根据不同三枚管对的导通悄况，电流可能会U左至右或从右至左流 过电机，从而控制电机的转向。21Qi可修编.图2-1H桥驱动电路要使电机运转，必须使对轴线上的一对三板管导通。（O,如图2-2所示，当Q1 管fll Q4管导通时，电流就从电淵正机经Q1从左至右穿过电机，然后再经Q4 0到电源 负股。按图中电渣箭头所示，该流向的电流将驱动电

9、机顺时针转朋。当三tfif Q1和Q4 导通时，电流将从左至右流过电机，从而驱动电机按特定方向转动（电HllSlffl的箭头指示为SWft方向）。图22H桥軀动电机顺时针转动图2-3示为另一対三极管Q2和Q3导通的悄况，电流將从右至左渣过电机。当三 极管Q2HIQ3导通时，电流将从右至左流过电机，从而驱动电机沿另一方向转动（电机周围的箭头表示为逆时针方向）。+ +图23H桥駆动电机逆时针转动2.2调速按廿方案调速采用PWM （ PulseWidthModulation ）脉宽调制，工作原理：通过产生矩形波, 改变占空比，以这到调整）»宽的目的。PWM的定义:脉宽调制（PWM）是利用撤

10、处理器的 数字输出来对模til电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功 率控匍与变换的许多領域中。模81信号的值可以连续变化,其时间和幅度的分辩率都没 有EHL 9v电池就是一种模姒器件，因为它的输出电压并不楙晞地等T 9V,而是砸时 间发生变化,并可取任何实数值。与此类ttl, M电泡吸收的电流也不限定在一组可能的 取值18之。模抓信号与数字信号的区别在干后者的取值通常只能扬干预先确定的可能取 值集合之，側如tt0V,5Vfi 一集合中取值。模01电压和电流可直接用来进行控制，如对汽车收音机的音量谨行控制。在简单的 模01收音机中，音量旋钮被连接到一个可变电皿。拧动旋钮时

11、，电皿值变大或变小；流 经迪个电陽的电流也砸之增加或减少，从而改变了驱动扬声器的电流值，使音量相应变 大或变小。与收音机一祥,模81电路的输出与输人成线性比例。尽管模01控翎看起来可能貞观而简单，（i它并不总是非常经济或可行的。其中一点 就是，模1A电路容易蹶时同漂朽，因而难以调节。能密辭决迪个问题的棉密模抵电路可 能非常庞大、茉重（如老式的家庭立体声设备）和昂贵。模#1电路il有可能严重发热，其 功耗相对于工作元杵两端电压与电流的乘枳戒正比。模姒电胳还可能对噪声很敏感，任 何折动或蝶声都肯定会改变电渣值的大小。通il以数字方式控制模扭电胳，可以大帕度 降低系鋭的成本watt。此外，许多撤控斟

12、器和DSP已经在芯片上色含TPW M控制器, 这使数字控翎的实现变得更加容易了。23系筑决件电路按计2.3.1电源电路（1 ）芯片介鉛78XX.XX就代表它所输出的电压值,能降低电压4-5V电子产品中常见到的三端稳压集成电路有正电压输出的78xx系列和负电压输岀 的79xx系列。故名思义，三常IC是指这种隐压用的集成电路只有三条引聊输岀，分 别是输入端、接地端和输出端。ffl 78/79系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路部还有ill. 过热及圳整管的保护电路。该系列集成稳压IC塑号中的78或79后面的数字代表该三 端集成稳压电路的输出电压,如7806表示输出电压为正6V,

13、7909表示输出电压为负 9VO有时在数字78或79后面还有一个M或L,如78M12或79L24,用来区别输岀电流 和封装形式等,其中78L系列的最大输出电浦为100mA, 78 M系列最大输出电流为1A, 78系列最大输岀电流为1.5A。在实际应用中，应在三端集成稳压电路上安装足服大的 散热器（当然小功率的条件下不用）。当稳压管8 1812高时，稳压性能将变差，甚至硕 坏。（2）电路原理图电源电路釆用78系列芯片产生+5V、+15V。电路图如图2-4：丨丨丨川门川电源电輔岀十门丨川十1川|比T80J图2-4 78系列的电源电路2.4H桥驱动电路基干三15管的使用机理和特性，在驱动电机中采用H

14、桥助率驱动电路，H桥功率馳 动电路可应用于步进电机、交流电Hiaas电Hl等的驱动。永磁步进电机或混合式步进 电机的M傲绕组部必须用双1S性电源供电,也就是说绕组有时需正向电流,有时需反向 电样绕组电瀾需用H桥驱动。直浦电机控制使用H桥驱动电路（图2-5 ）,当PWM1 为低电平，通过对PWM2输出占空比不同的矩形波使三极管Q1、Q6同时导通Q5截止， 从而实现电机正向转动以及转速的控制；同理,当PWM2为高电平，通过对PWM1输出 占空比不同的葩形波使三极管Q1、Q6同时导通，Q5截止，从而实现电机反向转动以员 转速的控制。0 2-5 H桥的电机岖动电路2. 5基于霍尔传感器的濃速模块2.5

15、.1霍尔传感器的工作原理霍尔效应：在一块半导体薄片上，其长度为I,宽度为b,厚度为d,当它被置于磁感应強度为B的厳场中，如果在它相对的两边通以控U电流I,且IK场方向与电流方向正交,则在半导体另外两JU将产生一个大小与控翎电渣I和施感应强度B乘枳成正比的电势 UH,即U H=KHIB,其中kH为霍尔元件的灵敏度。该电势称为霍尔电势，半导依譚片就 是霍尔元件。工作原理：霍尔开关集成电路中的信号朋大器将霍尔元件产生的幅值I®感场強度变化的 霍尔电压UH ®大后再经信号变换器、驱动器iSliS形、放大后输岀帕值相等、频率变 化的方波信号。信号输岀端毎输出一个周期的方波，代表转过了

16、一个齿。单位时间输出 的脉冲数N,因此可求岀单位时间的速H V = NTo2.5.2霍尔传感器的电路原理图图2-6霍尔传感器的測速电路2. 6 LCD显示模块2.6.1 1602芯片介绍1602液晶模块部的字符发生存齢器（CGROM）已经存側了 160 f不同的点阵字 符图形，逆些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号和日文假名 等，每一个字符都有一个同定的代码，比如大写的英文字骨“A”的代同是 01000001B （41H）,显示时模挟把地址41H中的自阵字符图形显示岀来，我们就 能看到字母“A” o因为1602识别的是ASCII码,试验可以用ASCII码直接IR值, 在单片机编程

17、中还可以用字符里常量或变量Mffl, 8fl'AJ o 1602釆用标准的16脚 接口，其中：第1脚：VSS为电源地第2脚：VDD接5V电源正极第3脚：V 0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源 时对比度最高（对比度过高时会产生“明影”，使用时可以通过一个10K的电位 器调整对比度）O第4BhRS为寄存器选择，高电平1时选择数摇寄存器、低电平0时选择指 令寄存器。第5W：RW为读写信号线,高电平(1)时进行读操作，低电平(0)时进行写操作。第6 M： E(或EN)端为使能(enable)So第7 14 ML D0D7为8位双向数据竭。第15 16脚：空脚或背灯电源。

18、15脚背光正板，16嘟背光负板。2.6.2电路原理图可©D显刁W电拦各图2-7 LCD显示电路2.7调速设廿模块PWM35軟件軟件设廿程序流程图:产生矩形波按键查询JiJi是是是U泄时器TO开始讣时增大矩形波占空减小矩形波占空OPEN是否按下Add_spccd是否按下Sub_speed是否按下Swap 或 close 是否按下2改变转向或关闭电机图2-8软件电机控制的方根图通过控制总中飾使能EA控制电机的开关,同时使能对霍尔传感器输出的方波在单 位时间脉冲个数的计数。其中定时器T0.T1分别对侏冲的宽度、霍尔元件输岀的脉冲数 对应的1枚时间定时。对脉冲宽度的调整是通过改变高电平的定时

19、长度，由变量high 控制。变量change sub_speed、add_speed分别实现电机的转向、加速、减速。/*通过按傩实现对电机开关、调速、转向的控制的程序*void motoccontrolf)if(open = 1)EA = 1;if(close = 1)EA = 0;if(swap = 1)change = -change;while(swap != 0)if(sub_speed = 1)higtu+;if(high = 30)EA=0;while(sub_speed != 0)if(add_speed = 1)high;if(high = 5)high = 5;while(a

20、dd_speed != 0)2.8 «速软件设廿OPEN是否按下定时器T1开始计时对单位时间内的脉冲讣数N根据公式讣算出电机的速度液晶显示电机速度图29軟件測速的方根图/*T1中斷服务程序*单位时间(S)方波的个/void timel Jnt(void) interrupt 3counLspeed 卄；if(counLspeed = 20) count_speed = 0;num_display = num_medium;num_medium = 0;第三章系统功能调试3.1坍试软件介堀Protel99SE是应用于Windows9X/2000/NT操作系鋭下的EDA设计软件,采用设

21、廿库管理模武，可以进行联网设廿，具有很強的数据交换能力和开故性及3D模 功能，可以完成电路原理图设廿，印斟电胳板设it和可编程遐辑器件设计等工作， 可以设廿32个信号层，16个电源一地层和16个机加工层。按照系统功能来効分, Protel99se主要包含6个功能模块：电路工程设廿部分、印划电路板设廿系统、自 动布线系统、电路模U1仿真系统、可编程逻辑设计系统、高级信号完整性分折系KeilC51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。 另外重要的-点,只要看一下编译后生成的汇编代码,就能体会到KeilC51生成的目标 代侶效率非常之高，多数培句生成的汇编代胡很紧凑

22、，容易理解。在开发大里軟件时更 能体现高级培言的优势。KEILC51编译器由uVision2集成开发环境与编辑器和隅试器以 及C51编译器组成。其中uVision2集成开发坏境中的工程(project)是由源文件、开发工 具选顶以及编程说明三部分组成的;编辑器和调试器色括源代码编辑器、HL点设置、调试 函数语言、变量和存储器。Proteus «件是一种低投资的电子设计自动化软件，提供可何真数字和模81、交流和 直流等数干种元器件和多迭30多个元件库。Proteus S：件提供多种现实存在的虛#1仪器 仪表。此外，Proteus还提哄图形显示功能,可以務线路上变化的信号，以图形的方式

23、实时地显示岀来。逆些虚81仪器仪表具有理想的参数岳标，例如板高的输人阳折、枚低 的输出IB抗,尽可能减少仪器对测量箱果的影响，Proteus软件提哄丰富的测试信号用 于电路的测试。这些測试信号包祐模抵信号利数字信号。提供Schematic Drawing、SPICE 仿真与PCB设廿功能，同时可以仿真单片机和周Bl设备,可以仿真51系列、AVR、PIC 可修编.等常用的MCU,并提供周ill设备的仿真,例如373、led.示渋器等。Proteus提供了大 量的元件库，有RAM、ROM、堆盘、马达、LED、LCD、AD/DA.册分SPI器件、郡分IIC 器件，编译方面支持Keil和MPLAB等编

24、译器。一台廿算机、一套电子仿真軟件，在加 上一本虚#1实验教程，就可相当干一个设备先进的实验室。以虛代实、以軟代便，就建 立一彳、完善的虛01实验室。在计算机上学习电工基础，模扭电胳、数字电路、单片机应 用系统等课程，并进行电胳设廿、仿真、调试等。当电胳设廿完成之后，为了减少在电 路板上调试时的难度,保证电路设it的正确性，« Keil c51编译生成的*.HEX文件教入 Proteus IT件，实现电路仿真。3.2直滝电机的坍速功能仿真当按下open »时，电机开始工作。若需要加快电机的转速，囲按下add_speed », 直到电机转速适中;相反，需要减慢电机的

25、转速时，则按T sub_speed »，待转速满意 后，故开按罐。当然，在某种特定的坏境下，还需改变电机的转速，此时，你可以按一 T swap g，以这到改变电机转向的目的。当电机不工作时，则按下closed!。XTAUMTTficr? r« <rr»:FIXFUTMI my沖CJ GA"114 rwjg - gl0 3-1直逍电调速系统的Proteus ffi真图Oigital OscilloscopeII I_Lr"L厂-|_rTJ"_r1_iLrLfBourga c3-2电机启动时的麻冲渋形占空比120ACDCGNDOFF

26、lnva»nClionnel CACDCONDOFF2调速后的淡形图Ax"cOfw-5»x>tCcrttoreA«D图33电机醺速后的脉冲渋形占空比33电机速度的胃量并显示功能仿真对电机转速的显示，为使用者提侠了更为直观的界面。用户可以根摇液晶显示屏上 的数字，岡整电机的转速，为嗚速提哄了方便。从显示数字的稳定程度，也可以判斷电 机转速的稳定性。若显示数字几平不变，処说明电HI工作十分稳定；与之相反，显示数图3-4直济电机系鋭的Proteus 真字不停地变化，则说明电机工作非常不稳定。可修编.34系箜的电路原理图能力,我It设it的目的是希望能检查

27、下对所学知识的运用能力的好坏,并且开始慢慢走 上斜港的道路，这是非常可贵的一点。送次设廿找感觉把夫学学的东西都柔和了进去。不止单片机方面有所提升，别的方 面也有了很大的收获，自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。在 整f设it中我懂得了许多东西，也培养了我迪立工作的能力，M立了对自己工作能力的 信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的呗参考文献1 傅丰林.模抓电子线路基础M.:电子科技大学，2001.12 江志纟I. 51单片机技术与应用系统开发案列精选M.:淸华大学，2008.123 王选民智能仪器原理及设it M.：S华大学,2008.74 文东聃飞C语言程序设计M.:

28、中国人民大学,2009.25 I0B单片机原理与应用及C51程序git M.:淸华大学，2008.3附录include <reg51.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit open = P2P;sbit close = P2A1;sbit swap = P2A2;sbit sub_speed = P23sbit add.speed = P2P;sbit PWM1 = P3P;sbit PWM2 = P3"1;m腋晶显示sbit E=P37;sbit RW = P3"6;sbit RS

29、 = P3"5;sbit test = P34int time = 0;int high = 20;int period = 30;int change = 0;int flag = 0;int nummedium = 0;int num_display = 0;int count_speed = 0;ucharwword=0x30,0x31,0x32,0x33,0x34,0x35,0x36,0x37,0x38,0x39;void delay(uchart)uint i;while(t)厂对于11.0592MHz时钟,延1 ms*/for(i=0;i<125;i+);写命令函数

30、LCDvoid wc51r(uchar j)IRS=0;RW=0;P1=J;E=1；E=0; delay ;写数摇函数LCDvoid wc51ddr(uchar j) IRS=1;RW=0;P1=j；E=1；E=0;delay ;初始化函数LCDwc51r(0x01); 清屏wc51r(0x38); /使用8位数据,显示两行，使用5*7 M字型wc51r(0x0c); 显示器件，光标开,字符不闪烁wc51r(0x06); 字符不动，光标自动右務一怡/*8T0 中斷服务程序*pwM 波的生 u*/void timeOJnt(void) interrupt 1(time+;THO = Oxec;TLO=0x78;if(change = 0)(PWM2 = 1;PWM1=0;else ifftime = period)PWM1 =1;time = 0;elsePWM1 =1;if(time = high)PWM2=0;else if(time = period) PWM2 = 1;time = 0;/*T1中斷服务程序*单位时间（S）方波的个/void timel Jnt(void) interrupt 3count_speed+; if