单片机电机加减速课程设计

PAGEPAGE18课程设计课题单片机直流电机调速控制院系自动控制系班级10自动化2组长马踩成组员程恩路戴伟黄加壹李飞飞李权吕荣盛宇史德生王凡王石翟冬灵张建江指导教师周旺平年7月8号目录1.引言……………………… 21.1 开发背景…………….21.2 选题的目的和意义…………………. 21.3 研究方法……………. 32.总体设计概述……………. 32.1总体硬件电路设计…………………… 42.1.1系统总体设计框图………………42.1.28051单片机简介…………………42.1.3单片机系统中所用其他芯片选型………………53.系统软件部分的设计…………………… 53.1 主程序设计93.1.1主程序设计………….93.1.2程序设计……………103.1.3Protues仿真图……………………143.1.3实体实验成果………154.系统调试……………………164.1软件调试………………164.2系统仿真………………16结论………………………17致谢………………………17参考文献…………………181.引言开发背景现代工业生产中，电动机是主要的驱动设备，目前在直流电动机拖动系统中已大量采用晶闸管(即可控硅)装置向电动机供电的KZ—D拖动系统，取代了笨重的发电动一电动机的F—D系统，又伴随着电子技术的高度发展，促使直流电机调速逐步从模拟化向数字化转变，特别是单片机技术的应用，使直流电机调速技术又进入到一个新的阶段，智能化、高可靠性已成为它发展的趋势。直流电机调速基本原理是比较简单的（相对于交流电机），只要改变电机的电压就可以改变转速了。改变电压的方法很多，最常见的一种PWM脉宽调制，调节电机的输入占空比就可以控制电机的平均电压，控制转速。PWM控制的基本原理很早就已经提出，但是受电力电子器件发展水平的制约，在上世纪80年代以前一直未能实现。直到进入上世纪80年代，随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展，PWM控制技术才真正得到应用。随着电力电子技术、微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法，如现代控制理论、非线性系统控制思想的应用，PWM控制技术获得了空前的发展，到目前为止，已经出现了多种PWM控制技术。选题的目的和意义直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。从控制的角度来看，直流调速还是交流拖动系统的基础。早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础，采用运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成，控制系统的硬件部分非常复杂，功能单一，而且系统非常不灵活、调试困难，阻碍了直流电动机控制技术的发展和应用范围的推广。随着单片机技术的日新月异，使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成，为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，并使系统能达到更高的性能。采用单片机构成控制系统，可以节约人力资源和降低系统成本，从而有效的提高工作效率。传统的控制系统采用模拟元件，虽在一定程度上满足了生产要求，但是因为元件容易老化和在使用中易受外界干扰影响，并且线路复杂、通用性差，控制效果受到器件性能、温度等因素的影响，故系统的运行可靠性及准确性得不到保证，甚至出现事故。目前，直流电动机调速系统数字化已经走向实用化，伴随着电子技术的高度发展，促使直流电机调速逐步从模拟化向数字化转变，特别是单片机技术的应用，使直流电机调速技术又进入到一个新的阶段，智能化、高可靠性已成为它发展的趋势。研究方法本文主要研究了利用MCS-51系列单片机，通过PWM方式控制直流电机调速的方法。PWM控制技术以其控制简单、灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式，也是人们研究的热点。由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限，结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM控制技术发展的主要方向之一。本文就是利用这种控制方式来改变电压的占空比实现直流电机速度的控制。文章中采用了专门的芯片组成了PWM信号的发生系统，然后通过L298芯片来驱动电机，实现电机的调速控制。同时，利用LED灯指示电机的运行情况，并利用1602液晶显示屏显示电动机的实时状态。2.总体设计概述单片机直流电机调速简介：单片机直流调速系统可实现对直流电动机的平滑调速。PWM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。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”。本系统以89C51单片机为核心，通过单片机控制，C语言编程实现对直流电机的平滑调速。系统控制方案的分析：本直流电机调速系统以单片机系统为依托，根据PWM调速的基本原理，以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为依据，实现对直流电动机的平滑调速，并通过单片机控制速度的变化。本文所研究的直流电机调速系统主要是由硬件和软件两大部分组成。硬件部分是前提，是整个系统执行的基础，它主要为软件提供程序运行的平台。而软件部分，是对硬件端口所体现的信号，加以采集、分析、处理，最终实现控制器所要实现的各项功能，达到控制器自动对电机速度的有效控制。总体硬件电路设计2.1.1系统总体设计框图本系统采用89C51控制输出数据，由单片机发生电路产生PWM信号，送到芯片L298，并通过L298电源驱动直流电机，并通过单片机程序控制L298，改变直流电机的占空比，进而实现电机的加减速，正反转控制。2.1.28051单片机简介1．8051单片机的基本组成8051单片机由CPU和8个部件组成，它们都通过片内单一总线连接，其基本结构依然是通用CPU加上外围芯片的结构模式，但在功能单元的控制上采用了特殊功能寄存器的集中控制方法。2．CPU及部分部件的作用功能介绍如下中央处理器CPU：它是单片机的核心，完成运算和控制功能。内部数据存储器：8051芯片中共有256个RAM单元，能作为存储器使用的只是前128个单元，其地址为00H—7FH。通常说的内部数据存储器就是指这前128个单元，简称内部RAM。内部程序存储器：8051芯片内部共有4K个单元，用于存储程序、原始数据或表格，简称内部ROM。定时器：8051片内有2个16位的定时器，用来实现定时或者计数功能，并且以其定时或计数结果对计算机进行控制。中断控制系统：该芯片共有5个中断源，即外部中断2个，定时/计数中断2个和串行中断1个。3．8051单片机引脚图图2-38051单片机引脚图2.1.3单片机系统中所用其他芯片选型与电机结构1·L298芯片简介L298是SGS公司的产品，比较常见的是15脚Multiwatt封装的L298N，内部同样包含4通道逻辑驱动电路。可以方便的驱动两个直流电机，或一个两相步进电机。L298N可接受标准TTL逻辑电平信号VSS，VSS可接4．5～7V电压。4脚VS接电源电压，VS电压范围VIH为＋2．5～46V。输出电流可达2．5A，可驱动电感性负载。1脚和15脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻，形成电流传感信号。L298可驱动2个电动机，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之间可分别接电动机，本实验装置我们选用驱动一台电动机。5，7，10，12脚接输入控制电平，控制电机的正反转。EnA，EnB接控制使能端，控制电机的停转。EnA为低电平时，输入电平对电机控制起作用，当EnA为高电平，输入电平为一高一低，电机正或反转。同为低电平电机停止，同为高电平电机刹停。下图是其引脚图：1、15脚是输出电流反馈引脚，其它与L293相同。在通常使用中这两个引脚也可以直接接地。上图是其与51单片机连接的电路图。2·直流电机结构直流电机是通过两个磁场的互作用产生旋转。其结构如下页图所示，固定部分（定子）上，装设了一对直流励磁的静止的主磁极N和S，在旋转部分（转子）上装设电枢铁心。定子与转子之间有一气隙。在电枢铁心上放置了由A和X两根导体连成的电枢线圈，线圈的首端和末端分别连到两个圆弧形的铜片上，此铜片称为换向片换向片之间互相绝缘，由换向片构成的整体称为换向器。换向器固定在转轴上，换向片与转轴之间亦互相绝缘。在换向片上放置着一对固定不动的电刷B1和B2，当电枢旋转时，电枢线圈通过换向片和电刷与外电路接通。定子通过永磁体或受激励电磁铁产生一个固定磁场，由于转子由一系列电磁体构成，当电流通过其中一个绕组时会产生一个磁场。对有刷直流电机而言，转子上的换向器和定子的电刷在电机旋转时为每个绕组供给电能。通电转子绕组与定子磁体有相反极性，因而相互吸引，使转子转动至与定子磁场对准的位置。当转子到达对准位置时，电刷通过换向器为下一组绕组供电，从而使转子维持旋转运动。如下页图所示。3·1602液晶显示屏LCD系列中文模块可以显示字母、数字符号、中文字型及图形，具有绘图及文字画面混合显示功能。提供三种控制接口，分别是8位微处理器接口，4位微处理器接口及串行接口（OCMJ4×16A/B无串行接口）。所有的功能，包含显示RAM，字型产生器，都包含在一个芯片里面，只要一个最小的微处理系统，就可以方便操作模块。内置2M-位中文字型ROM(CGROM)总共提供8192个中文字型(16×16点阵)，16K-位半宽字型ROM(HCGROM)总共提供126个符号字型(16×8点阵)，64×16-位字型产生RAM(CGRAM)，另外绘图显示画面提供一个64×256点的绘图区域（GDRAM），可以和文字画面混和显示。提供多功能指令：画面清除（Displayclear）、光标归位（Returnhome）、显示打开/关闭（Displayon/off）、光标显示/隐藏（Cursoron/off）、显示字符闪烁（Displaycharacterblink）、光标移位（Cursorshift）、显示移位（Displayshift）、垂直画面卷动（Verticallinescroll）、反白显示（By_linereversedisplay）、待命模式（Standbymode）。 本次课设所用OCMJ4×8C的功能有显示中文字型、数字符号。2·1602LCD的基本参数及引脚功能

1602LCD分为带背光和不带背光两种，基控制器大部分为HD44780，带背光的比不带背光的厚，是否带背光在应用中并无差别，两者尺寸差别如下图

图二3`LCD1602主要技术参数：

显示容量:16×2个字符

芯片工作电压:4.5—5.5V

工作电流:2.0mA(5.0V)

模块最佳工作电压:5.0V

字符尺寸:2.95×4.35(W×H)mm4`引脚功能说明1602LCD采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如表

编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2数据2VDD电源正极10D3数据3VL液晶显示偏压11D4数据4RS数据/命令选择12D5数据5R/W读/写选择13D6数据6E使能信号14D7数据7D0数据15BLA背光源正极8D1数据16BLK背光源负极

表1引脚接口说明表第1脚：VSS为地电源。第2脚：VDD接5V正电源。第3脚：VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。第5脚：R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。第7～14脚：D0～D7为8位双向数据线。第15脚：背光源正极。第16脚：背光源负极。5`其与单片机的连接如下图所示系统中的部分程序设计软件由1个主程序、1个中断子程序和1个显示子程序组成。3.1.1主程序设计主程序主程序是一个循环程序，其主要思路是，先设定好速度初始值，这个初始值与测速电路送来的值相比较得到一个误差值，然后通过在程序中占空比设置输出控制系数给改变波形的占空比，进而控制电机的转速。其程序流程图如图所示。软件由1个主程序、1个中断子程序和显示子程序组成。主程序流程图如图3-2所示：3.1.2程序设计#include<reg51.h>#defineucharunsignedcharucharN=0;ucharX=50; //占空比初始值为50%inta,b;sbitRS=P3^0;sbitRW=P3^1;sbitEN=P3^2;unsignedcharcodestr1[]={"ZHENGZHUAN"};unsignedcharcodestr2[]={"SPEEDUP"};unsignedcharcodestr3[]={"FANZHAUN"};unsignedcharcodestr4[]={"SPEEDDOWN"};unsignedcharcodestr5[]={"STOP"};uchardatadisdata[5];voiddelay1ms(unsignedintms)//延时0.1毫秒（不够精确的）{unsignedinti,j;for(i=0;i<ms;i++)for(j=0;j<100;j++);}voidwr_com(unsignedcharcom)//写指令//{delay1ms(0.1);RS=0;RW=0;EN=0;P2=com;delay1ms(0.1);EN=1;delay1ms(0.1);EN=0;}voidwr_dat(unsignedchardat)//写数据//{delay1ms(0.1);RS=1;RW=0;EN=0;P2=dat;delay1ms(0.1);EN=1;delay1ms(0.1);EN=0;}voidlcd_init()//初始化设置//{delay1ms(15);wr_com(0x38);wr_com(0x08);wr_com(0x01);wr_com(0x06);wr_com(0x0c);}voiddisplay(unsignedchar*p)//显示//{while(*p!='\0'){wr_dat(*p);p++;delay1ms(0.1);}}init_play()//初始化显示{lcd_init();wr_com(0x80); display(str1); wr_com(0xc0); display(str2); while(1);}sbitPWM=P3^6; //PWM输出脚sbitP1_2=P1^2;//正传sbitP1_3=P1^3;//反转sbitP1_4=P1^4;//加速sbitP1_5=P1^5;//减速sbitP1_6=P1^6;//停止sbitP1_1=P1^1;sbitP1_0=P1^0;sbitP0_0=P0^0;sbitP0_1=P0^1;sbitP0_2=P0^2;sbitP0_3=P0^3;voidscjs(void)interrupt3{TH1=0Xff;TL1=0x17;b++;}main(){TMOD=0x00;IE=0X88;TH1=0Xff;TL1=0X17;TR0=1;TR1=1;a=0;b=0;while(1){PWM=1;while(1){b=0;while(!b);if(N==X)PWM=0;if(N==100)break;N++;if(P1_2==0)//M1正转{P1_1=1; P1_0=0; X=50; P0_0=0; P0_1=1; lcd_init();wr_com(0x80);display(str1);}if(P1_3==0)//M1反转{P1_1=0; P1_0=1; X=50; P0_0=1; P0_1=0; lcd_init();wr_com(0x80);display(str3);}if(P1_6==0)//M1停止{P1_1=1; P1_0=1; P0_0=1; P0_1=1; P0_2=1; P0_3=1; lcd_init();wr_com(0x80);display(str5);}if(P1_4==0){ P1_1=1; P1_0=0;X=100; P0_2=0; P0_3=1; lcd_init();wr_com(0xc0);display(str2);}if(P1_5==0){ P1_1=1; P1_0=0;X=20; P0_2=1; P0_3=0; lcd_init();wr_com(0xc0);display(str4);} }N=0;}}3.1.3protues仿真图3.1.4实体实验成果4.系统调试4.1软件调试在程序编写的过程中，出现了很多问题，包括键盘扫描处理、PWM信号发生电路的控制、以及单片机控制直流电机的转动方向等问题，虽然问题不是很大，但是也让我研究了好长时间，在解决这些问题的时候，我不断向老师和同学请教，希望能通过大家一块的努力把软件编写的更完整，让系统的功能更完备。经过多天的努力探索，也经过老师的指导，大部分问题都已经解决，就是程序还是不能实现应该实现的功能，这让我很着急。后来经过一点一点的调试，并认真总结，发现了问题其实在编写中断处理程序时出现了错误，修改后即可实现直流电机调速的目的。总结这次软件调试，让我认识到了做软件调试的基本方法与流程：（1）认真检查源代码，看是否有文字或语法错误（2）逐段子程序进行设计，找出错误出现的部分，重点排查（3）找到合适的方法，仔细检查程序，分步调试直到运行成功4.2系统仿真仿真软件选择Proteus，在Proteus中画出系统电路图，当程序在KeilC中调试通过后，会生成以hex为扩展名的文件，这就是使系统能够在Proteus中成功进行仿真的文件。将些文件加载到单片机仿真系统中，验证是否能完成对直流电机的速度调节。若不成功，则重新回到软件调试步骤，进行软件调试。找出错误所在，更正后重新运行系统。硬件仿真电路的设计完全按照论文设计方案进行。在仿真的过程中也遇到了很多问题，比如元件选择、电路设计等，在元件选择方面，有的芯片是我以前学习的时候所没有遇到过的，所以在寻找和使用的过程中也遇到很多麻烦，但经过自己的努力，并借鉴从互联网上找到的资料，我逐渐掌握这些元件的使用方法和原理，为系统设计和仿真提供了良出的基础。另外，在进行仿真的时候，也经常出现程序没有错误了，但是仿真通不过的情况，这些大部分原因是在管脚定义上，很多系统仿真的问题都出在这。经过这段时间的努力，使我对仿真软件以及系统设计电路有了更深一步的认识，也为系统的成功奠定了基础。

结论本文所述的直流电机闭环调速系统是以低价位的单片微机8051为核心的，而通过单片机来实现电机调整又有多种途径，相对于其他用硬件或者硬件与软件相结合的方法实现对电机进行调整，采用PWM软件方法来实现的调速过程具有更大的灵活性和更低的成本，它能够充分发挥单片机的效能，对于简易速度控制系统的实现提供了一种有效的途径。而在软件方面，采用PLD算法来确定闭环控制的补偿量也是由数字电路组成的直流电机闭环调速系统所不能及的。曾经也试过用单片机直接产生PWM波形，但其最终效果并不理想，在使用了少量的硬件后，单片机的压力大大减小，程序中有充足的时间进行闭环控制的测控和计算，使得软件的运行更为合理可靠。致谢这次毕业设计，凝结了很多人的心血，在此我表示由衷的感谢。没有他们的帮助，我将无法顺利完成这次设计。

首先，我要特别感谢老师对我的悉心指导，在毕业设计期间曲老师指导我、帮助我收集文献资料，理清设计思路，完善操作方法，并对我所做的设计提出有效的改进方案。老师渊博的知识、严谨的作风、诲人不倦的态度和学术上精益求精的精神让我受益终生。作为一个本科生的毕业设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有导师的督促指导，想要完成这个设计是难以想象的。因此，特别需要感谢老师给予的耐心细致的指导，在此，再一次向教师以及关心帮助我的教师同学表示最诚挚的谢意！其次，学校在这方面也给我们提供了很大的支持和帮助，学校领导比较重视，每个设计小组配有专门的指导老师，帮助我们能顺利完成整个设计。对于学校和老师为我的毕业设计所提供的极大帮助和关心，在此我致以衷心的感谢！最后，还要感谢同学四年来对我的关心与支持，感谢各位老师在学习期间对我的严格要求。同时也要感谢身边朋友的