基于单片机的直流电机调速系统设计

PAGEPAGE17届本科毕业论文论文题目：基于单片机的直流电机调速系统设计学生姓名：所在院系：所学专业：导师姓名：完成时间：xxxx-xx-xx

摘要本文主要研究了利用MCS-51系列单片机控制PWM信号从而实现对直流电机转速进行控制的方法。文章中采用了专门的芯片组成了PWM信号的发生系统，并且对PWM信号的原理、产生方法以及如何通过软件编程对PWM信号占空比进行调节，从而控制其输入信号波形等均作了详细的阐述。此外，本文中还采用了芯片L9110H作为直流电机的正反转驱动模块，并且把它与控制电路相结合完成了在主电路中对直流电机的控制。另外，本系统中使用了槽型光电开关对直流电机的转速进行测量，并由单片机的计数器对单位时间内的脉冲数量进行计数，从而实现了对直流电机速度的测量。在软件方面，文章中详细介绍了PWM占空比调节程序，数码管显示程序经及按键描述程序等的编写思路和具体的程序实现。关键词：PWM调速，光电测速，H桥驱动

TheDesignofDirectCurrentMotorspeedRegulation

SystemBasedOnSCMChenliSchoolAbstractThispapermainlystudiedusingMCS-51seriesmicrocontrollerPWMsignalinordertoachievecontrolmethodofDCmotorspeedcontrol.ThearticleadoptsthespecialchipconsistsofgeneratingsystemofPWMsignal,andtheprincipleofthePWMsignal,themethodandhowtoadjustthedutycycleofthePWMsignalbysoftwareprogramming,soastocontrolitsinputsignalwaveformarediscussedindetail.Inaddition,thispaperalsousesthechipL9110HasthereversibleDCmotordrivermodule,anditcombinedwiththecontrolcircuittocompletethecontrolofDCmotorinthemaincircuit.Inaddition,thesystemusedinspeedtanktypephotoelectricswitchofDCmotorismeasured,andbythesingle-chipcounterpulsenumberontheunitoftimearecounted,soastorealizethemeasurementofthespeedofDCmotor.Intheaspectofsoftware,thispaperintroducesindetailthePWMdutycycleadjustmentprogram,writingideasandspecificprogramtorealizethedigitaltubedisplayprogramandkeydescriptionprogrametc..Keywords:PWMsignal，Photoelectrictachometer，Hbridgedriver

目录1.引言 11.1 开发背景 11.2 选题的目的和意义 11.3 研究方法 22.总体设计概述 22.1 总体硬件电路设计 22.1.1系统总体设计框图 22.1.28051单片机简介 32.1.3单片机系统中所用其他芯片选型 42.2 PWM信号发生电路设计 72.2.1PWM的基本原理 72.2.2PWM信号发生电路设计 82.2.3PWM发生电路主要芯片的工作原理 92.3 功率放大驱动电路设计 102.3.1芯片IR2110性能及特点 102.3.2IR2110的引脚图以及功能 112.4 主电路设计 112.4.1延时保护电路 112.4.2主电路 112.4.3输出电压波形 132.4.4系统总体电路图 142.5 测速发电机 152.6 滤波电路 152.7 A/D转换 152.7.1芯片选型 152.7.2ADC0809的引脚及其功能 163.系统软件部分的设计 163.1 PI转速调节器原理图及参数计算 163.2 系统中的部分程序设计 173.2.1主程序设计 173.2.2PI控制算法子程序设计 184.系统调试 194.1软件调试 194.2系统仿真 20结论 21致谢 21参考文献 22附录 231.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，然后通过放大来驱动电机。利用光电开关测得电机速度，输入单片机计数器接口从而实现电机转速的测量。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PWM信号发生电路产生PWM信号，送到直流电机，直流电机驱动装于电机轴上的码盘来对电机转动的转数进行测量。图2-1系统总体设计图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。其基本组成如下图所示：图2-28051基本结构图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。接线分析：P0.7P0.0：这8个引脚共有两种不同的功能，分别使用于两种不同的情况。第一种情况是8051不带片外存储器，P0口可以作为通用I/O口使用，P0.7P0.0用于传送CPU的I/O数据。第二种情况是8051带片外存储器，P0.7P0.0在CPU访问片外存储器时先是用于传送片外存储器的低8位地址，然后传送CPU对片外存储器的读写数据。P2.7P2.0：这组引脚的第一功能可以作为通用的I/O使用。它的第二功能和P0口引脚的第二功能相配合，用于输出片外存储器的高8位地址，共同选中片外存储器单元，但是并不能像P0口那样还可以传送存储器的读写数据。P3.7P3.0：这组引脚的第一功能为传送用户的输入/输出数据。它的第二功能作为控制用，每个引脚不尽相同。VCC为+5V电源线，VSS为接地线。ALE/：地址锁存允许/编程线，配合P0口引脚的第二功能使用，在访问片外存储器时，8051CPU在P0.7P0.0引脚线上输出片外存储器低8位地址的同时还在ALE/线上输出一个高电位脉冲，其下降沿用于把这个片外存储器低8位地址锁存到外部专用地址锁存器，以便空出P0.7P0.0引脚线去传送随后而来的片外存储器的读写数据。/VPP：允许访问片外存储器/编程电源线，可以控制8051使用片内ROM还是片外ROM。如果=1，那么允许使用片内ROM；如果=0，那么允许使用片外ROM。XTAL1和XTAL2：片内振荡电路输入线，这两个端子用来外接石英晶体和微调电容，即用来连接8051片内OSC的定时反馈电路。石英晶振起振后，应能在XTAL2线上输出一个3V左右的正弦波，以便于8051片内的OSC电路按石英晶振相同频率自激振荡，电容C1、C2可以帮助起振，调节它们可以达到微调fOSC的目的。PWM信号发生电路设计2.2.1PWM的基本原理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”。如图2-8所示：图2-8PWM方波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Vd，从而达到调速的目的。严格来说，平均速度Vd与占空比D并非严格的线性关系，但是在一般的应用中，我们可以将其近似地看成是线性关系。2.2.2PWM信号生成PWM波可以由具有PWM输出的单片机通过编程来得以产生，也可以采用PWM专用芯片来实现。当PWM波的频率太高时，它对直流电机驱动的功率管要求太高，而当它的频率太低时，其产生的电磁噪声就比较大在本设计中，因为要控制的是转动惯量较小的130电机，所以直接由单片机软件模拟生成PWM信号。为了获得可调节的PWM波形，我们首先要确定信号周期，在本设计中每产生10次定时中断为一个整PWM信号周期，因为每次中断时间为5MS。所以PWM频率为1000/5/10=20Hz，为了调节PWM波的占空比。除了10次中断一个周期这个变量f外，外要引入一个占空比变量t，图2-114040引脚图图2-114040引脚图功率放大驱动电路设计功率放大驱动芯片有多种，其中较常用的芯片有LM298和L9110H，LM298是双H桥电路，连续输出电流达2A方泛应用于微型直流电机与步进电机的驱动电路。但是LM298的引脚和封装形式都比较特殊，只能配合专门的模块电路，不适合集成到微小电路板上，更不适合万用板焊接。L9110H是8脚直插封装，不需要任何外围器件，占空间小，而且价格比LM298便宜很多，广泛应用于玩具和微控制领域。2.3.1LL9110是为控制和驱动电机设计的两通道推挽式功率放大专用集成电路器件，将分立电路集成在单片IC之中，使外围器件成本降低，整机可靠性提高。该芯片有两个TTL/CMOS兼容电平的输入，可直接与单片机接口，具有良好的抗干扰性；两个输出端能直接驱动电机的正反向运动，它具有较大的电流驱动能力，每通道能通过750～800mA的持续电流，峰值电流能力可达1.5～2.0A；同时它具有较低的输出饱和压降；内置的钳位二极管能释放感性负载的反向冲击电流，使它在驱动继电器、直流电机、步进电机或开关功率管的使用上安全可靠。L9110被广泛应用于玩具汽车电机驱动、步进电机驱动和开关功率管等电路上。宽电压工作范围2.5V~12v。2.3.2L9110的引脚图以及功能IR2110将输入逻辑信号转换成同相低阻输出驱动信号，可以驱动同一桥臂的两路输出，驱动能力强，响应速度快，工作电压比较高，是目前功率放大驱动电路中使用最多的驱动芯片。其结构也比较简单，芯片引脚图如下所示：图2-12LVcc脚与GND脚为芯片的电源输入脚，IB与IA为输入控制端，OA与OB为输出控制端输入端与输出端有逻辑如图2-13所示。图2-13L应用电路设计本设计中由单片机的P3.0、P3.1两个I/O口实现对电机的转速和方向的控制。由图2-13可知输入A为高电平B为低电平时输出A为市电平，B为低电平。此时电机正转，反之如果输入A为低电平，B为高电平则电机反转。系统电路经过单片机控制的PWM信号产生电路送来的PWM信号，经过功率放大电路，形成输出电压的波形图如下图如示：图2-14输出电压波形图2-14输出电压波形

2.4.4系统总体电路图直流电机调速系统总体电路设计由单片机产生控制PWM信号发生电路产生PWM信号的数据，控制直流电机调速电路对电机进行调速。图2-15系统总休电路图槽形光电开关介绍槽型光电开关其实对射式光电开关的一种又被叫做U型光电开关，是一款红外线感应光电产品，由红外线发射管和红外线接收管组合而成，而槽宽则就决定了感应接收型号的强弱与接收信号的距离，以光为媒体，由发光体与受光体间的红外光进行接收与转换，检测物体的位置。槽型光电开关于接近开关同样是无接触式的，受检测体的制约少，且检测距离长，可进行长距离的检测（几十米）检测精度高能检测小物体。应用非常的广泛。图2-15光电开关外形槽形光电开关特点与接近开关等比较，光电开关的检测距离非常长，且是无接触式的，所以不会损伤检测物体，也不受检测物体的影响。几乎不受检测物体的制约由于是采用对检测对象的表面进行反射及光透过方式，不像接近开关只能对金属，还能对玻璃、塑料、木制物体、液体等各种物质进行检测。响应速度快与接近开关同样，由于无机械运动，所以能对高速运动的物体进行检测。镜头容易受有机尘土等的影响镜头免受污染后，光会散射或被遮光，所以在有活水蒸汽、尘土等较多的环境下使用的场合，需施加适当的保护装置。受环境强光的影响几乎不受一般照明光的影响，但像太阳光那样的强光直接照射受光体时，会造成误动作或损坏。系统软件部分的设计软件部分主要这完成PWM信号产生，按键检测，数码管动态扫描与转速测量。软件分为主程序与相关子程序/************头文件*********/#include<reg51.h>#include<absacc.h>#include<intrins.h>/**************************//********自定义变量********/#defineuintunsignedint//自定义变量#defineucharunsignedcharuchargw,sw,bw,qw;ucharj;//定时次数，每次20msucharf=10;//计数的次数sbitP10=P3^0;//PWM输出波形1sbitP11=P3^1;//PWM输出波形2sbitP12=P1^0; //正反转sbitP13=P1^3; //加速sbitP14=P1^4; //减速sbitP15=P1^2; //停止sbitP16=P1^1;//启动uchark;uchart=2;//脉冲加减floaty;/**************************//*********控制位定义********************/ucharcodesmg[12]={0xA0,0xBE,0x62,0x2A,0x3C,0x29,0x21,0xBA,0x20,0x28,0x30,0x25};//程序存储区定义字型码表chardataled[4]={0xf7,0xfb,0xfd,0xfe};//位码unsignedlongx,z; //数码管显示的数值display();//数码管显示 delays();//延时函数key();displays();/*****************************************//***************主函数********************/main(void){ TMOD=0x51; //T0方式1定时计数 T1方式1计数 TH0=(65536-5000)/256; //装入初值 20MS TL0=(65536-5000)%256; TH1=0x00;//计数567 TL1=0x00; TR0=1;//启动t0 TR1=1;//启动t1 gw=0; sw=0; bw=0; qw=0;//数码管初始化 P0=0x78; P2=1; while(1)//无限循环 { display();//数码管显示 key(); }}/*****************************************//***************数码管显示****************/display(){ z=x;y=z/20; z=y; gw=z%10;//求速度个位值，送到个位显示缓冲区 sw=z/10%10;//求速度十位值，送到十位显示缓冲区 bw=z/100%10;//求速度百位值，送到百位显示缓冲区 if(k==0) //正转时显示"上口" { qw=0x78; delays(); } else { qw=0x27; //反转时显示"下口" } P0=smg[gw]; P2=0xFE; delays(); P2=0xFF; P0=smg[sw]; P2=0xFD; delays(); P2=0xFF; P0=smg[bw]; P2=0xFB; delays(); P2=0xFF; P0=qw; P2=0xF7; delays(); P2=0xFF; }/*******************************************************//*****************延时函数*************************/delays(){ uchari; for(i=5000;i>0;i--);}/************************************************//*********t0定时*中断函数*************/voidt0()interrupt1{ TH0=(65536-5000)/256; //装入初值 20MS TL0=(65536-5000)%256; f--; if(k==0) { if(f<t) P10=1; else P10=0; P11=0; } else { if(f<t) P11=1; else P11=0; P10=0; } if(f==0) { f=10; } j++; if(j==200) { j=0; EA=0; x=(long)TH1*256+TL1; //t1方式1计数，读入计数值 TH1=0x00; TL1=0x00; EA=1; //x++; display(); }}/****************按键扫描**************/key(){if(P12==0) //如果按下， { while(!P12)//去抖动 display(); k=~k; t=2; } if(P16==0)//启动 { while(P16==0); IE=0x8a; } if(P13==0)//加速 { while(P13==0); t++; } if(t>=10) t=10;if(P14==0)//减速 { while(P14==0); t--; } if(t<3) t=2;if(P15==0)//停止 { while(P15==0); EA=0; P10=0; P11=0; x=0; } } 整个系统图

社会实践报告系别：班级：学号：姓名：作为祖国未来的事业的继承人，我们这些大学生应该及早树立自己的历史责任感，提高自己的社会适应能力。假期的社会实践就是很好的锻炼自己的机会。当下，挣钱早已不是打工的唯一目的，更多的人将其视为参加社会实践、提高自身能力的机会。许多学校也积极鼓励大学生多接触社会、了解社会，一方面可以把学到的理论知识应用到实践中去，提高各方面的能力；另一方面可以积累工作经验对日后的就业大有裨益。进行社会实践，最理想的就是找到与本专业对口单位进行实习，从而提高自己的实战水平，同时可以将课本知识在实践中得到运用，从而更好的指导自己今后的学习。但是作为一名尚未毕业的大学生，由于本身具备的专业知识还十分的有限，所以我选择了打散工作为第一次社会实践的方式。目的在于熟悉社会。就职业本身而言，并无高低贵贱之分，存在即为合理。通过短短几天的打工经历可以让长期处于校园的我们对社会有一种更直观的认识。实践过程：自从走进了大学，就业问题就似乎总是围绕在我们的身边，成了说不完的话题。在现今社会，招聘会上的大字报都总写着“有经验者优先”，可还在校园里面的我们这班学子社会经验又会拥有多少呢？为了拓展自身的知识面，扩大与社会的接触面，增加个人在社会竞争中的经验，锻炼和提高自己的能力，以便在以后毕业后能真正真正走入社会，能够适应国内外的经济形势的变化，并且能够在生活和工作中很好地处理各方面的问题，我开始了我这个假期的社会实践-走进天源休闲餐厅。实践，就是把我们在学校所学的理论知识，运用到客观实际中去，使自己所学的理论知识有用武之地。只学不实践，那么所学的就等于零。理论应该与实践相结合。另一方面，实践可为以后找工作打基础。通过这段时间的实习，学到一些在学校里学不到的东西。因为环境的不同，接触的人与事不同，从中所学的东西自然就不一样了。要学会从实践中学习，从学习中实践。而且在中国的经济飞速发展，又加入了世贸，国内外经济日趋变化，每天都不断有新的东西涌现，在拥有了越来越多的机会的同时，也有了更多的挑战，前天才刚学到的知识可能在今天就已经被淘汰掉了，中国的经济越和外面接轨，对于人才的要求就会越来越高，我们不只要学好学校里所学到的知识，还要不断从生活中，实践中学其他知识，不断地从各方面武装自已，才能在竞争中突出自已，表现自已。在餐厅里,别人一眼就能把我人出是一名正在读书的学生,我问他们为什么,他们总说从我的脸上就能看出来,也许没有经历过社会的人都有我这种不知名遭遇吧!我并没有因为我在他们面前没有经验而退后,我相信我也能做的像他们一样好.我的工作是在那做传菜生,每天9点钟-下午2点再从下午的4点-晚上8:30分上班,虽然时间长了点但,热情而年轻的我并没有丝毫的感到过累,我觉得这是一种激励,明白了人生,感悟了生活,接触了社会,了解了未来.在餐厅里虽然我是以传菜为主,但我不时还要做一些工作以外的事情，有时要做一些清洁的工作，在学校里也许有老师分配说今天做些什么，明天做些什么，但在这里，不一定有人会告诉你这些，你必须自觉地去做，而且要尽自已的努力做到最好，一件工作的效率就会得到别人不同的评价。在学校，只有学习的氛围，毕竟学校是学习的场所，每一个学生都在为取得更高的成绩而努力。而这里是工作的场所，每个人都会为了获得更多的报酬而努力，无论是学习还是工作，都存在着竞争，在竞争中就要不断学习别人先进的地方，也要不断学习别人怎样做人，以提高自已的能力！记得老师曾经说过大学是一个小社会，但我总觉得校园里总少不了那份纯真，那份真诚，尽管是大学高校，学生还终归保持着学生的身份。而走进企业，接触各种各样的客户、同事、上司等等，关系复杂，但我得去面对我从未面对过的一切。记得在我校举行的招聘会上所反映出来的其中一个问题是，学生的实际操作能力与在校理论学习有一定的差距。在这次实践中，这一点我感受很深。在学校，理论的学习很多，而且是多方面的，几乎是面面俱到；而在实际工作中，可能会遇到书本上没学到的，又可能是书本上的知识一点都用不上的情况。或许工作中运用到的只是很简单的问题，只要套公式似的就能完成一项任务。有时候我会埋怨，实际操作这么简单，但为什么书本上的知识让人学得这么吃力呢？这是社会与学校脱轨了吗？也许老师是正确的，虽然大学生生活不像踏入社会