基于單片機的電機控制

1、基于單片機的電機控制學生姓名： 郭磊 學生學號： k031041549 院 （系）： 信息工程學院 年級專業(yè)： 電氣工程與自動化指導教師： 高仕紅 摘 要本文是對直流電機pwm調(diào)速器設(shè)計的研究，主要實現(xiàn)對電機的控制。本課程設(shè)計主要是實現(xiàn)pwm調(diào)速器的加速、減速、停止等操作。并實現(xiàn)電路的仿真。為實現(xiàn)系統(tǒng)的微機控制，在設(shè)計中，采用了at89c51單片機作為整個控制系統(tǒng)的控制電路的核心部分，配以各種顯示、驅(qū)動模塊，實現(xiàn)對電動機轉(zhuǎn)速參數(shù)的顯示和測量；由命令輸入模塊、光電隔離模塊及h型驅(qū)動模塊組成。采用帶中斷的獨立式鍵盤作為命令的輸入，單片機在程序控制下，不斷給光電隔離電路發(fā)送pwm波形，h型驅(qū)動電路完

2、成電機正反轉(zhuǎn)控制.在設(shè)計中，采用pwm調(diào)速方式，通過改變pwm的占空比從而改變電動機的電樞電壓，進而實現(xiàn)對電動機的調(diào)速。設(shè)計的整個控制系統(tǒng)，在硬件結(jié)構(gòu)上采用了大量的集成電路模塊，大大簡化了硬件電路，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，使整個系統(tǒng)的性能得到提高。關(guān)鍵詞 at89c51單片機， l298，直流電機目 錄摘 要21 緒論41.1課題背景41.2課題來源52 系統(tǒng)論述52.1設(shè)計思路52.2總設(shè)計框圖63 直流電機單元電路設(shè)計與分析73.1直流電機驅(qū)動模塊73.1.1直流電機工作原理73.1.2直流電機pwm調(diào)速原理73.1.3電機驅(qū)動模塊的電路設(shè)計93.2直流電機的中斷鍵盤控制模塊113.2

3、.1外部中斷設(shè)置.114 直流電機pwm控制系統(tǒng)的實現(xiàn)124.1總電路圖124.2總電路功能介紹124.3直流電機控制程序135 系統(tǒng)仿真176 結(jié)論18參考文獻19致 謝191 緒論1.1課題背景本文討論的單片機多功能定時器的核心是目前應用極為廣泛的51系列單片機，配置了外圍設(shè)備，構(gòu)成了一個可編程的計時定時系統(tǒng)，具有體積小，可靠性高，功能強等特點。不僅能滿足所需要求而且還有很多功能可供開發(fā)，有著廣泛的應用領(lǐng)域。20世紀80年代中期以后，intel公司以專利轉(zhuǎn)讓的形式把8051內(nèi)核技術(shù)轉(zhuǎn)讓給許多半導體芯片生產(chǎn)廠家，如atmel、philips、analog、devices、dallas等。這些

4、廠家生產(chǎn)的芯片是mcs-51系列的兼容產(chǎn)品，準確地說是與mcs-51指令系統(tǒng)兼容的單片機。這些兼容機與8051的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（主要是指令系統(tǒng)）相同，采用cmos工藝，因而，常用80c51系列來稱呼所有具有8051指令系統(tǒng)的單片機，它們對8051單片機一般都作了一些擴充，更有特點。其功能和市場競爭力更強，不該把它們直接稱呼為mcs-51系列單片機，因為mcs只是intel公司專用的單片機系列型號。mcs-51系列及80c51單片機有多種品種。它們的引腳及指令系統(tǒng)相互兼容，主要在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上有些區(qū)別。目前使用的mcs-51系列單片機及其兼容產(chǎn)品通常分成以下幾類：基本型、增強型、低功耗型、專用型、超8位型

5、、片內(nèi)閃爍存儲器型。1.2課題來源在日常生活和工作中，我們常常用到定時控制，如擴印過程中的曝光定時等。早期常用的一些時間控制單元都使用模擬電路設(shè)計制作的，其定時準確性和重復精度都不是很理想，現(xiàn)在基本上都是基于數(shù)字技術(shù)的新一代產(chǎn)品，隨著單片機性能價格比的不斷提高，新一代產(chǎn)品的應用也越來越廣泛，大可構(gòu)成復雜的工業(yè)過程控制系統(tǒng)，完成復雜的控制功能。小則可以用于家電控制，甚至可以用于兒童電子玩具。它功能強大，體積小，質(zhì)量輕，靈活好用，配以適當?shù)慕涌谛酒梢詷?gòu)造各種各樣、功能各異的微電子產(chǎn)品。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，家用電器和辦公電子設(shè)備逐漸增多，不同的設(shè)備都有自己的控制器，使用起來很不方便。根據(jù)這種

6、實際情況，設(shè)計一個單片機控制直流電機的轉(zhuǎn)速，來方便生活。2 系統(tǒng)論述2.1設(shè)計思路直流電機pwm控制系統(tǒng)的主要功能包括：直流電機的加速、減速以及電機的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，并且可以調(diào)整電機的轉(zhuǎn)速，還可以方便的讀出電機轉(zhuǎn)速的大小，能夠很方便的實現(xiàn)電機的智能控制。其間，還包括直流電機的直接清零、啟動（置數(shù)）、暫停、連續(xù)功能。該直流電機系統(tǒng)由以下電路模塊組成：振蕩器和時鐘電路：這部分電路主要由80c51單片機和一些電容、晶振組成。設(shè)計輸入部分：這一模塊主要是利用帶中斷的獨立式鍵盤來實現(xiàn)。設(shè)計控制部分：主要由80c51單片機的外部中斷擴展電路組成。設(shè)計顯示部分：包括液晶顯示部分和led數(shù)碼顯示部分。液晶顯示部分

7、由1602lcd液晶顯示模塊組成; led數(shù)碼顯示部分由七段數(shù)碼顯示管組成。直流電機pwm控制實現(xiàn)部分：主要由一些二極管、電機和l298直流電機驅(qū)動模塊組成。2.2總設(shè)計框圖系統(tǒng)組成：直流電機pwm調(diào)速方案如圖2.1所示：方案說明：直流電機pwm調(diào)速系統(tǒng)以at89c2051單片機為控制核心，由命令輸入模塊、lcd顯示模塊及電機驅(qū)動模塊組成。采用帶中斷的獨立式鍵盤作為命令的輸入，單片機在程序控制下，定時不斷給直流電機驅(qū)動芯片發(fā)送pwm波形，h型驅(qū)動電路完成電機正，反轉(zhuǎn)控制；同時單片機不停的將從鍵盤讀取的數(shù)據(jù)送到lcd顯示模塊去顯示，從中不僅能讀取其速度，而且能知曉其轉(zhuǎn)向及一些溫心提示。at89c

8、51直流電機驅(qū)動模塊直流電機at89c51直流電機驅(qū)動模塊直流電機at89c51直流電機驅(qū)動模塊直流電機加速控制端減速控制端停止控制端lcd液晶顯示p0口p2口p1口單片機圖 2.1 直流電機pwm調(diào)速方案3 直流電機單元電路設(shè)計與分析3.1直流電機驅(qū)動模塊主要由一些二極管、電機和l298直流電機驅(qū)動模塊（內(nèi)含cmoss管、三太門等）組成。3.1.1直流電機工作原理直流電機電路模型如圖3.1所示，磁極n、s間裝著一個可以轉(zhuǎn)動的鐵磁圓柱體，圓柱體的表面上固定著一個線圈abcd。當線圈中流過電流時，線圈受到電磁力作用，從而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。根據(jù)左手定則可知，當流過線圈中電流改變方向時，線圈的受方向也將改變

9、，因此通過改變線圈電路的方向?qū)崿F(xiàn)改變電機的方向。圖3.1 直流電動機電路模型3.1.2直流電機pwm調(diào)速原理（1）直流電機轉(zhuǎn)速直流電機的數(shù)學模型可用圖3.2表示，由圖可見電機的電樞電動勢ea的正方向與電樞電流ia的方向相反，ea為反電動勢；電磁轉(zhuǎn)矩t的正方向與轉(zhuǎn)速n的方向相同，是拖動轉(zhuǎn)矩；軸上的機械負載轉(zhuǎn)矩t2及空載轉(zhuǎn)矩t0均與n相反，是制動轉(zhuǎn)矩。圖3.2 直流電機的數(shù)學模型根據(jù)基爾霍夫第二定律，得到電樞電壓電動勢平衡方程式1.1：u=ea-ia（ra+rc）式1.1式1.1中，ra為電樞回路電阻，電樞回路串聯(lián)保繞阻與電刷接觸電阻的總和；rc是外接在電樞回路中的調(diào)節(jié)電阻。由此可得到直流電機的轉(zhuǎn)

10、速公式為： n =ua-ir/ce 式1.2式1.2中，ce為電動勢常數(shù)，是磁通量。由1.1式和1.2式得n =ea/ce 式1.3 由式1.3中可以看出，對于一個已經(jīng)制造好的電機，當勵磁電壓和負載轉(zhuǎn)矩恒定時，它的轉(zhuǎn)速由回在電樞兩端的電壓ea決定，電樞電壓越高，電機轉(zhuǎn)速就越快，電樞電壓降低到0v時，電機就停止轉(zhuǎn)動；改變電樞電壓的極性，電機就反轉(zhuǎn)。（2）pwm電機調(diào)速原理對于直流電機來說，如果加在電樞兩端的電壓脈動電流壓（要求脈動電壓的周期遠小于電機的慣性常數(shù)），可以看出，在t不變的情況下，改變t1和t2寬度，得到的電壓將發(fā)生變化。圖3.3為施加不同占空比時實測的數(shù)據(jù)繪制所得占空比與轉(zhuǎn)速的關(guān)系圖

11、。圖3.3 占空比與電機轉(zhuǎn)速的關(guān)系由圖看出轉(zhuǎn)速與占空比d并不是完全速的線性關(guān)系（圖中實線），原因是電樞本身有電阻，不過一般直流電機的內(nèi)阻較小，可以近視為線性關(guān)系。由此可見，改變施加在電樞兩端電壓就能改變電機的轉(zhuǎn)速成，這就是直流電機pwm調(diào)速原理。3.1.3電機驅(qū)動模塊的電路設(shè)計根據(jù)直流電機的工作原理，從proteus選取元器件如下，放置元器件、放置電源和地連線，我們參此設(shè)計的直流電機驅(qū)動模塊電路如圖3.4所示 2sk1058 : cmoss管 74l26 : 三太門 1n4006 : 二極管 vscource : 電源 motor-encoder : 直流電機 res : 電阻 at89c51

12、 : 單片機 (在此并未顯示)圖3.4 直流電機驅(qū)動電路然而考慮市場的行情，既然已有專門地為電機驅(qū)動而設(shè)計的芯片，就沒必要再從新來設(shè)計；選用l298芯片來構(gòu)成的電路結(jié)構(gòu)基本上跟上圖一樣，由l298芯片組裝的驅(qū)動模塊如圖3.5 所示。所用元器件如下所示： 1n4006 : 二極管 at89c51 : 單片機 (在此并未顯示) res : 電阻 motor-encoder : 直流電機 l298 : 電機驅(qū)動芯片 respack-8: 排阻圖3.5 直流電機及其驅(qū)動電路3.2直流電機的中斷鍵盤控制模塊3.2.1外部中斷設(shè)置.（1） 外部中斷允許設(shè)置中斷控制寄存器ie的ex0對應int0，ex1對應

13、int1，ea為中斷的總開關(guān)，若要開放外部中斷，只要將ie對應的位和總開關(guān)ea置1即可。如：開放外部中斷0的設(shè)置：setb ex0setb ea開放外部中斷0和1的設(shè)置：setb ex0setb ex1setb ea（2） 外部中斷觸發(fā)方式設(shè)置單片機外部中斷有兩種觸發(fā)方式，一種是電平觸發(fā)方式，另一種是脈沖觸發(fā)方式，單片機外部中斷觸發(fā)方式與tcon的it位有關(guān)。 tf1tr1tf0tr0ie1it1ie0it0電平觸發(fā)設(shè)置方法：clr itx，為低電平觸發(fā)方式。脈沖觸發(fā)設(shè)置方法：setb itx1，為脈沖下降沿觸發(fā)方式。在使用外部中斷時，如果不進行設(shè)置，則為電平觸發(fā)方式。（3） 外部優(yōu)先級設(shè)置

14、外部中斷in0、int1的中斷優(yōu)先級的設(shè)置是通過設(shè)置ip寄存器實現(xiàn)的，ip的px0對應int0，px1對應int1。px置1為高級中斷，px為0為低級中斷。×××pspt1px1pt0px04 直流電機pwm控制系統(tǒng)的實現(xiàn)4.1總電路圖圖4.1 直流電機4.2總電路功能介紹直流電機pwm調(diào)制控制系統(tǒng)具有加速、減速、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止控制功能。操作開關(guān)通過中斷控制直流電機的加速、減速、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止控制功能，并通過lcd液晶顯示。振蕩、時鐘電路和復位電路由80c51單片機內(nèi)部給出。直流電機轉(zhuǎn)動速度由lcd液晶顯示。操作開關(guān)狀態(tài)由液晶顯示器顯示。4.3直流電機控制程序

15、org 0000hsjmp displayorg 0003h ljmp button ; 外部0中斷入口地址org 000bhljmp dingshi ; 定時中斷t0入口地址rs equ p3.0rw equ p3.1e equ p3.4org 0030h ; 此次直流電機的設(shè)計以lcd字符夜晶的 ; 顯示程序為主程序display: setb ea ; 打開中斷總開關(guān)setb ex0 ; 打開外部中斷0開關(guān)setb it0 ; 打開外部中斷0下降沿觸發(fā)mov tmod,#01h ; 設(shè)置定時工作方式mov tl0,#0ffh ; 設(shè)置定時初值mov th0,#0ffhsetb et0 ;

16、打開定時中斷t0開關(guān) clr p0.5 clr p0.6clr p0.7setb tr0 ; 定時器t0開始定時mov dptr,#tab ; 夜晶顯示的字符首地址 mov r0,#00h ; 脈寬的初值mov r1,#16 ; "set speed please"的字符個數(shù)mov r3,#00hmov r4,#00hlp9: lcall chushilp2:acall busymov a,#00hmovc a,a+dptrmov p1,aacall datasinc dptr djnz r1,lp2 lp3: cjne r3,#00h,lp4cjne r4,#00h,lp

17、4sjmp lp3 lp4: mov r7,#00h ; 中斷的標志 mov r5,#09h ; current : 的字符個數(shù)acall busymov p1,#0c0hacall enablemov dptr,#mmtabacall busylp5: mov a,#00hmovc a,a+dptrmov p1,ainc dptracall datasacall busydjnz r5,lp5 mov dptr,#stabmov a,r2mov p1,aacall datasacall busymov a,r3 ; 顯示速度的十位movc a,a+dptrmov p1,aacall data

18、sacall busymov a,r4 ; 顯示速度的個位movc a,a+dptrmov p1,a acall datas ; 使夜晶始終顯示當前電機的速度lp8: cjne r7,#00h,lp7 ; 速度不變時等待ljmp lp8 ; 速度變時重新讀入速度lp7:sjmp lp4chushi: ; 使夜晶顯示的一些初始設(shè)置acall busy mov p1,#00000001b ; 清屏并光標復位acall enable acall busy mov p1,#00111000b ; 設(shè)置顯示模式:8位2行5x7點陣acall enableacall busy mov p1,#000011

19、11b ; 顯示器開、光標開、光標允許閃爍acall enableacall busymov p1,#00000110b ; 文字不動，光標自動右移acall enableacall busymov p1,#80h ; 寫入顯示起始地址acall enable retenable: ; 寫入控制命令的子程序setb eclr rsclr rwclr eretdatas: ; 寫入數(shù)據(jù)子程序setb esetb rsclr rwclr eretbusy: ; 準備寫入數(shù)據(jù)clr emov p1,#0ffhclr rssetb rwsetb ejb p1.7,busyretorg 2000hdin

20、gshi: ; 定時中斷服務程序cpl p0.7 jnb p0.7,z1 ; 周期一定mov a,#0ffhsubb a,r0 mov th0,asetb tr0retiz1: mov th0,r0 ; 脈寬setb tr0reti button: ; 從控制鍵盤中讀取操作命令push acc clr ex0clr eainc r7 ;mov a,#0ffhmov p2,amov a,p2jnb acc.0,aa0 jnb acc.1,kk0jnb acc.2,zzjnb acc.3,ffjnb acc.4,ww0ajmp qqaa0: cjne r0,#0ffh, aa1 ; 加速操作ajm

21、p qq aa1: mov a,r0add a,#5mov r0,aajmp qqkk0: cjne r0,#00,mm ; 減速操作ajmp qq mm: mov a,r0subb a,#5mov r0,aajmp qqqq: mov a,r0 mov b,#5 div abmov b,#10div abmov r3,amov r4,bsetb ex0lcall delaylcall delaylcall delaylcall delaysetb eapop accretiww0: clr p0.5 ; 停止操作clr p0.6lcall delaylcall delaylcall dela

22、ysetb ex0setb ea pop accretidelay: ; 延時子程序mov r5,#0e0hmm0: mov r6,#30h mm1: djnz r6,mm1djnz r5,mm0rettab: db 53h,45h,54h,20h db 53h,50h,45h,45h ; "set speed please" 代碼db 44h,20h,50h,4chdb 45h,41h,53h,45h stab: db 30h,31h,32h,33hdb 34h,35h,36h,37h ; "0,1,2,3,4,5,6,7" 代碼db 38h,39h,41h,42h ; "8,9,a,b,c,d,e,f"db 43h,44h,45h,46hmmtab: db 43h,4fh,52h,52hdb 45h,4eh,54h,20h ; " current : " 代碼db 3ahend5 系統(tǒng)仿真鍵盤向單片機輸入相應控制指令，由單片機通過p2.0與p2.1其中一口輸出與轉(zhuǎn)速相應的pwm脈沖，另一口輸出低電平，經(jīng)過信號放大、光耦傳遞，驅(qū)動h型橋式電動機控制電路，實現(xiàn)電動機轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速的控制。電動機的運轉(zhuǎn)狀態(tài)通過led顯示出