《基于單片機的直流電機控制系統(tǒng)設(shè)計》5300字（論文）

基于單片機的直流電機控制系統(tǒng)設(shè)計摘要:近年來，直流電機研究和開發(fā)的功能非?；钴S。直流電機有調(diào)速范圍廣、使用方便、起動轉(zhuǎn)矩大等良好的調(diào)速性能。因此直流電機的應(yīng)用技術(shù)發(fā)展蓬勃，廣泛投入生產(chǎn)和日常生活中使用。但因為在改變電阻或電壓時，模擬電路很容易出現(xiàn)時移，產(chǎn)生一些噪音和熱損耗。應(yīng)用PWM技術(shù)不僅能有效避免上述缺點，而且還可以對模擬信號進行數(shù)字化的控制，因此直流電機與PWM技術(shù)結(jié)合使用，在很大程度上降低了生產(chǎn)成本和生產(chǎn)功耗。又由于傳統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng)的技術(shù)手段表現(xiàn)出的低速特性差、抗噪性能弱、損耗大、效率低、經(jīng)濟成本大、占用空間大等缺點不能滿足現(xiàn)代社會科技日益發(fā)展的需求。所以，用單片機通過串口進行PWM調(diào)制實現(xiàn)直流電機調(diào)速的在線控制的技術(shù)發(fā)展顯得尤為重要。關(guān)鍵字:直流電機;STC89C51;PWM;L289目錄TOC\o"1-3"\h\u168001緒論 緒論1.1研究背景及意義1.1.1課題背景從直流控制電機問世以來，已廣泛應(yīng)用了140多年，在設(shè)計制造產(chǎn)業(yè)、電子計算技術(shù)、電源、新材料能源等方面都取得了很大的進步，直流電機應(yīng)用程序的開發(fā)和擴展得到了廣泛的應(yīng)用。變頻技術(shù)出現(xiàn)后，交流調(diào)速技術(shù)不斷發(fā)展。交流電動機的性能提升使其擁有比直流系統(tǒng)具有構(gòu)造簡單、成本低廉、維護修繕更加方便等優(yōu)點，但其調(diào)速困難的缺點使其難以廣泛應(yīng)用。在八十年代中期，各電子行業(yè)都在追求數(shù)字式調(diào)速系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用，全數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)提高了直流調(diào)速的精度和可靠性。通過比較，直流調(diào)速系統(tǒng)能大范圍穩(wěn)定調(diào)速且制動性能好，使得直流電機在結(jié)構(gòu)、價格、維護等方面存在的缺點在整個系統(tǒng)中最小化。從直流電機的發(fā)展歷程能看出，直流控制電動機電源在社會和經(jīng)濟上都領(lǐng)取了迅速的發(fā)展。目前，它正朝著速度高、功率大的方向發(fā)展。因此，直流調(diào)速是自動調(diào)速系統(tǒng)的重要形式，直流調(diào)速系統(tǒng)將處在無以替之的地位。1.1.2課題意義應(yīng)用電子專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)知識和拓展課程，結(jié)合直流電機和PWM調(diào)速原理通過keil編程軟件、protues仿真軟件實現(xiàn)直流電機的正反轉(zhuǎn)、加減速等功能。通過聯(lián)系、學(xué)習各方面知識，鞏固學(xué)科知識，提升實踐能力。2直流電機概述電機在我們生活上得到了很多的應(yīng)用，小到風扇，大到發(fā)電站，電機的使用隨處可見。本設(shè)計中應(yīng)用到的是我們生活中最常見的一類電機——馬達。這類電機只需要在其外部接通直流電就可以旋轉(zhuǎn)，使用起來非常方便，因此我們也叫這類電機為直流電機。2.1直流電機工作原理圖2.1中的弧形銅片稱為換向片，它們彼此絕緣，也與轉(zhuǎn)軸絕緣，電樞線圈連接換向片，這就構(gòu)成所謂的換向器，換向器固定在轉(zhuǎn)軸上，電刷A、B固定于換向片，直流電源通過電刷為電樞繞組提供電流，電樞線圈中轉(zhuǎn)子電流與磁場產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩保持方向不變，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢REF_Ref17794\r\h[1]。換向器與電刷把電能引入電樞線圈，同一極下線圈邊保持同向電流和同向電磁力，使得電機不停地旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)電能與機械能的能量轉(zhuǎn)化。所以對于直流電機來說，轉(zhuǎn)換器是非常重要的。由此可見，轉(zhuǎn)子的力由電流和磁場強度決定。磁場強度與勵磁緊密相關(guān)，勵磁可獨立控制，因此轉(zhuǎn)矩與電流直接相關(guān)。圖2.1直流電機的工作原理圖2.2直流電機的調(diào)速原理設(shè)計是采用脈寬調(diào)制控制來進行直流電機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的。由轉(zhuǎn)速公式n=(U?IR)/Kφ可知，勵磁電壓不變時，可采用脈寬調(diào)制法調(diào)速，即在電機的電樞加上控制電壓信號。脈寬調(diào)制是利用一個固定頻率控制電源的通斷，改變直流電機電樞上電壓的“占空比”來調(diào)整平均電壓的大小，從而控制電動機的轉(zhuǎn)速REF_Ref29752\r\h[2]。3軟硬件選取及介紹3.1軟件選取及介紹3.1.1KeiluVision4KeilμVision4是一款相比先前版本的界面更加整潔、高效、窗口放置靈活、C語言框架清晰、可自動識別語法錯誤的具有編輯、編譯、仿真、調(diào)試等功能的多語言單片機開發(fā)軟件。3.1.2ProtuesProteus軟件集多種功能為一體，包括電路設(shè)計、制版和仿真。另外它不僅可以提供豐富的器件，還可以導(dǎo)入使用者自己研發(fā)的元器件，在于keil軟件結(jié)合使用時減少了硬件調(diào)試帶來的麻煩，避免了在制作實物中出現(xiàn)錯誤后造成的安全問題和財力損失。3.2硬件選取及介紹3.2.1STC89C51STC89C51是具有4KB可重復(fù)編程Flash存儲器、5個中斷源、兩個16位定時器/計數(shù)器、全靜態(tài)時鐘振蕩頻率為0～24MHz的低功耗、高性能的8位微控制器REF_Ref30444\r\h[3]。它的結(jié)構(gòu)模式為CPU加外圍芯片，并采用專用功能寄存器進行控制，因此廣泛應(yīng)用于各種嵌入式控制應(yīng)用中。單片機組成如圖3.1所示：振蕩電路振蕩電路數(shù)據(jù)存儲器程序存儲器中斷系統(tǒng)并行I/O口串行口定時器CPU特殊功能寄存器圖3.1單片機組成STC89C51有很多個引腳，如圖3.2所示。本設(shè)計中主要應(yīng)用引腳及功能為：（1）P1.7（8腳）連接PWM輸出口。（2）RESET（9腳）是STC89C51的復(fù)位輸入引腳，它需要在高電平操作。（3）XTAL1(19腳)和XTAL2(18腳)為晶體振蕩電路反相輸入端和輸出端，都是外接時鐘引腳，需要與地之間接20pf左右的電容維持系統(tǒng)穩(wěn)定REF_Ref28350\r\h[4]。（4）P3.6(16腳)和P3.7（17腳）控制直流電機正反轉(zhuǎn)和停止狀態(tài)。（5）GND(20腳)是電源地端。（6）VCC是電源的正輸入,接+5V電壓。圖3.2STC89C51引腳圖3.2.2L298NL298N是一個雙H橋電機驅(qū)動芯片，它可以接收5V的TTL邏輯位信號，驅(qū)動46V、2A以下的電機，該芯片可直接從單片機I/O口提供模擬信號，電路簡單，使用比較方便，元件中的二極管用于保護電機REF_Ref29752\r\h[2]。3.2.3數(shù)碼管本設(shè)計采用的是兩個數(shù)碼管并列在一起形成的共陰極多位數(shù)碼管。段選采用的不是由單片機I/O直接驅(qū)動，而是通過連接74LS245芯片連接管腳提高驅(qū)動能力，利用芯片控制任意的數(shù)碼管顯示，實現(xiàn)段選。另外，由于使用的是共陰極數(shù)碼管，所以位選要接低電平，段選接高電平。4基于單片機的直流電機控制系統(tǒng)設(shè)計4.1電路設(shè)計原理4.1.1單片機最小系統(tǒng)電源：5V和3.3V是目前主流單片機電源的兩個主要標準，對于STC89C51供電電壓不能低于3.4V，電壓過低單片機不能正常運行；供電電壓也不可高于5.5V，過高容易造成單片機損壞，故需要5V的供電系統(tǒng)。晶振：分為有源和無源兩種類型。在本設(shè)計中采用12Mhz的無源晶振為單片機系統(tǒng)提供基準時鐘信號，一般需要在電路中外加兩個容值為20pF左右的電容幫助晶振起振，維持震蕩信號的穩(wěn)定REF_Ref30794\r\h[5]。無源晶體振蕩器一般是有2或者3個引腳。若是3個引腳的振蕩器，則晶振殼體接中間引腳，使用時應(yīng)接GND。單片機的18、19腳是晶振的工作引腳，所以Y1與18、19腳并聯(lián)。對于無源晶振，能在一個芯片處理器上連接兩晶體振蕩器引腳，而對于有源晶振，只能在一個芯片處理器上連一個晶體振蕩器輸入引腳，而不用連輸出引腳REF_Ref28350\r\h[4](P30)。圖4.1為晶振結(jié)構(gòu)。圖4.1晶振結(jié)構(gòu)4.1.2按鍵驅(qū)動系統(tǒng)在單片機操作系統(tǒng)中，一般采用獨立按鍵和矩陣按鍵。獨立按鍵是利用單片機I/O口讀取電平高低來判斷是否有鍵按下，每個I/O口只接一個彈性開關(guān)，另一端接電源或地，因此按鍵之間相互獨立、互不影響，而且在單片機初始，程序?qū)/O口置為高電平，當檢測到有按鍵按下時，會產(chǎn)生低電平REF_Ref16968\r\h[6]。這種電路相對靈活，程序簡單，系統(tǒng)穩(wěn)定。雖然矩陣按鍵所需的I/O少，但接法程序復(fù)雜，一般用于電話機鍵盤和電子密碼鎖等。本設(shè)計選用的四個按鍵均為獨立式按鍵。圖4.3為按鍵電路。圖4.3按鍵電路設(shè)計中的獨立式按鍵均為彈性開關(guān)，開關(guān)瞬間不會立即穩(wěn)定接通，也不會瞬間斷開，會有抖動，是電平不穩(wěn)定造成的正?，F(xiàn)象，抖動時間一般為十幾毫秒REF_Ref16968\r\h[7]。按鍵抖動可以通過軟件和硬件兩種方式進行消抖。但是用硬件并聯(lián)電容消抖時會造成焊接損耗和材料損耗，且消抖效果不佳。所以在本次實際應(yīng)用中選用軟件進行消抖，即在按鍵發(fā)出低電平信號時利用delay函數(shù)進行十毫秒左右的延時處理以避開抖動。4.1.3定時器和中斷系統(tǒng)定時器：時鐘周期是單片機系統(tǒng)最小的時間單位。機器周期是微控制器完成操作的最短時間。一般選取頻率為12Mhz的晶振。定時器內(nèi)部有寄存器，定時器的計數(shù)周期也叫機器周期。中斷系統(tǒng)：有兩個控制中斷的寄存器個，EA是控制中斷總開關(guān)，EA為高電平時，中斷總開關(guān)打開；ET0為低電平時，使能T0中斷打開。4.1.4PWM調(diào)速系統(tǒng)從名字來看，PWM（脈沖寬度調(diào)制）的基本原理非常簡單，就是通過改變脈寬來達到不同的效果。最常用的便是具有功耗低、成本低、效率高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點的PWM功率放大器，因此該功率放大器在單片機中應(yīng)用非常廣泛，當然應(yīng)用于不同場合其意義也不完全相同。實際上，PWM調(diào)制技術(shù)就是使用數(shù)字信號達到模擬信號的效果。PWM是通過定時器加中斷生成的，由于很多微控制器集成了硬件的PWM模塊，所以計算周期計數(shù)值和關(guān)稅周期計數(shù)值是主要任務(wù)，然后將計算的數(shù)據(jù)配置到相關(guān)的SFR中。中斷延遲的影響已消除，因此這樣既優(yōu)化了程序，又確保了PWM的輸出質(zhì)量。4.1.5直流電機驅(qū)動在直流電機中，只有外部電源的正負極是可以轉(zhuǎn)動的。但在實際使用中，我們往往需要精確控制直流電機，所以一般不直接接通正負電源，通常需要一個控制電路和一個驅(qū)動電路。由于單片機本身可以直接輸出直流電流，但是其電流太小，不足以使電機旋轉(zhuǎn)，還需要另外一個可以輸出大電流的電路，這種電路稱之為驅(qū)動電路。所以，一般用單片機輸出驅(qū)動信號，然后通過驅(qū)動信號來控制大的功率管，從而產(chǎn)生大的電流來驅(qū)動直流電機。單片機的帶負載能力有限，所以電機與單片機的輸出引腳不可以直接相接，本設(shè)計中借助L298N進行電機驅(qū)動。如圖4.4所示。圖4.4L298N驅(qū)動模塊但是如果電機中驅(qū)動電路產(chǎn)生較大電流或產(chǎn)生較大的回灌電流，為防止這些電流對控制電路上的單片機造成太大的影響，就要做好控制電路和驅(qū)動電路之間的隔離保護。4.2方案設(shè)計本設(shè)計采用了軟硬件相結(jié)合的控制方式。硬件部分是以STC89C51單片機為核心控制數(shù)據(jù)輸出，在其I/O口產(chǎn)生PWM信號通過PWM驅(qū)動模塊送到電路驅(qū)動模塊L298N芯片，電路驅(qū)動模塊驅(qū)動直流電機旋轉(zhuǎn)。同時，單片機通過所加電平的高低判斷直流電機正反轉(zhuǎn)，通過按鍵模塊調(diào)整輸出高電平的占空比來控制直流電機的加減速，轉(zhuǎn)速測量電路將測得的實時轉(zhuǎn)速送回到單片機，然后通過轉(zhuǎn)速顯示模塊實時顯示。圖4.5所示轉(zhuǎn)速控制原理圖。圖4.6所示硬件具體電路。電源電源單片機按鍵模塊轉(zhuǎn)速顯示模塊PWM驅(qū)動模塊電路驅(qū)動模塊L298直流電機轉(zhuǎn)速測量圖4.5轉(zhuǎn)速控制原理圖圖4.6硬件具體仿真電路連接圖4.2.1主程序流程圖為了有效實現(xiàn)直流電機的智能控制，應(yīng)用的4個獨立式按鍵還要在關(guān)聯(lián)的keil程序中加上電機的啟動清零和暫停連續(xù)函數(shù)。另外，軟件由主函數(shù)、PID偏差計算子函數(shù)、延時子函數(shù)、中斷子函數(shù)、定時器和中斷初始化子函數(shù)以及按鍵進行速度和轉(zhuǎn)向控制子函數(shù)組成。其中，主程序流程圖如圖4.7所示。初始化初始化開始顯示系統(tǒng)狀態(tài)按鍵掃描開始鍵按下？正轉(zhuǎn)鍵按下？加速鍵按下？減速鍵按下？加速按鍵處理：速度增加減速按鍵處理：速度減小正轉(zhuǎn)按鍵處理：電機正轉(zhuǎn)停止鍵按下？停止按鍵處理：電機停止反轉(zhuǎn)按鍵處理：電機反轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)鍵按下？否否否否是是是是是是否否是否是否是否是否否是否是否是否是由此看來，硬件和軟件都是完成本次設(shè)計重要組成部分，缺一不可。4.3.軟件調(diào)試及仿真4.3.1軟件調(diào)試雙擊運行keil4，創(chuàng)建工程后編寫C代碼，檢查程序，編譯源程序，根據(jù)輸出框提示修改錯誤，編譯連接程序生成機器語言文件，寫入單片機。運行結(jié)果如圖4.8所示。圖4.8程序運行結(jié)果4.3.2仿真分析利用protues8.7軟件設(shè)計出仿真原理圖后，寫入keil寫的程序，開始進行電機轉(zhuǎn)速控制的仿真。如下圖4.9-4.12所示。圖4.9轉(zhuǎn)速為零，電機不動圖4.10正向轉(zhuǎn)速700轉(zhuǎn)/分鐘圖4.11設(shè)定轉(zhuǎn)速1200轉(zhuǎn)/分鐘，加速正向轉(zhuǎn)動圖4.12設(shè)定轉(zhuǎn)速1200轉(zhuǎn)/分鐘，按反轉(zhuǎn)鍵，先減速至零，再反轉(zhuǎn)加速結(jié)束語本次設(shè)計是以STC89C51為核心，以L298N、KeiluVision4編程軟件和Protues仿真軟件為基礎(chǔ)，應(yīng)用PWM調(diào)制技術(shù)實現(xiàn)對直流電機速度調(diào)節(jié)的控制。它涉及的知識面廣泛，經(jīng)過多次軟硬件結(jié)合調(diào)試修改，對單片機有了更深刻的認識，知道了STC89C51單片機功能的強大和Protues仿真軟件的功能的豐富性，更加深刻的理解了直流電機驅(qū)動原理。明白了硬件和軟件的設(shè)計都是相對獨立的，但又是緊密聯(lián)系的，只有軟硬件調(diào)試得當，才能高效地完成設(shè)計、實現(xiàn)功能。同時在本次設(shè)計過程中頗有體會。初次接觸畢業(yè)設(shè)計，感覺很不知所措，不知從何下手，大學(xué)所學(xué)的一些課程，是與本次設(shè)計緊密相連的，但之前專業(yè)知識的基礎(chǔ)不牢固，能仔細分析各個元器件的工作原理，C語言的基礎(chǔ)也不是很好，對代碼有些恐懼導(dǎo)致對畢業(yè)設(shè)計沒有形成框架。因此從迷茫逐漸到了解再到后來的漸漸深入，到最終實現(xiàn)直流電機的正轉(zhuǎn)、倒轉(zhuǎn)、加速、減速。這個通過自己去摸索實踐掌握相關(guān)知識的認識過程是