基于单片机的直流电机控制器的设计.doc

课程设计(论文)

题 目 名 称 直流电机控制器的设计
课 程 名 称 单片机原理及应用
学 生 姓 名
学 号
系 、专 业
指 导 教 师

2013年 6 月 24 日
摘要
在工业生产中，大量采用电动机作为原动机去拖动各种生产机械。这些生产机械要求在不同工作情况下以不同的速度工作，这就要求采用一定的方法改变生产机械的工作速度，最常用的方法是对电动机转速进行调节。改变直流电动机的电枢电压或交流电动机的定子电压，都可以在一定范围内调整它们的速度。在电压允许范围内，直流电动机的转速随着电压的升高而加快。直流电动机转动方向则是由电压的正负来控制的，电压为正则正转，电压为负则反转。利用DAC0832编制程序输出一串脉冲，经过放大后驱动小型直流电机。改变输出脉冲的电平和持续时间，达到使电机的正转、反转、加速、减速之目的。设计中可通过MCS-51单片机的P1口读入8个开关状态来控制直流电机的转动，实现正转四种转速和反转四种转速。
关键词：AT89C51单片机；PWM调速；正反转控制；仿真

目录

第一章 系统设计概述 1
1.1 设计思路 1
1.2 基本原理 1
1.3 芯片简介 1
1.4 总体设计 3
第二章 直流电机单元电路设计与分析 5
2.1 直流电机驱动模块 5
2.2 直流电机的中断键盘控制模块 5
2.3 数码管显示模块 6
第三章 直流电机PWM控制系统的实现 8
3.1 总电路图 8
3.2 总电路功能介绍 8
第四章 系统仿真 9
心得体会 12
致谢 13
参考文献 14
附录 15

第一章 系统设计概述
1.1 设计思路
本文设计的直流PWM调速系统采用的是调压调速。系统主电路采用大功率GTR为开关器件、H桥单极式电路为功率放大电路的结构。PWM调制部分是在单片机开发平台之上，运用汇编语言编程控制。由定时器来产生宽度可调的矩形波。通过调节波形的宽度来控制H电路中的GTR通断时间，以达到调节电机速度的目的。增加了系统的灵活性和精确性，使整个PWM脉冲的产生过程得到了大大的简化。设计以AT89C51单片机为核心，以键盘作为输入达到控制直流电机的启停、速度和方向，完成了基本要求和发挥部分的要求。在设计中，采用了PWM技术对电机进行控制，通过对占空比的计算达到精确调速的目的。本文介绍了直流电机的工作原理和数学模型、脉宽调制控制原理和H桥电路基本原理设计了驱动电路的总体结构，根据模型，利用PROTEUS软件对各个子电路及整体电路进行了仿真，确保设计的电路能够满足性能指标要求，并给出了仿真结果。
1.2 基本原理
主体电路：即直流电机PWM控制模块。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。这部分电路主要由80C51单片机的I/O端口、定时计数器、外部中断扩展等控制直流电机的加速、减速以及电机的正转和反转，并且可以调整电机的转速，还可以方便的读出电机转速的大小和了解电机的转向，能够很方便的实现电机的智能控制。其间是通过80C51单片机产生脉宽可调的脉冲信号并输入到L298驱动芯片来控制直流电机工作的。
1.3 芯片简介
1.3.1 AT89C51单片机
AT89C51是由CPU，片内振荡器和时钟电路，并行I/O口，串行接口，存储器，定时器/计数器，中断控制系统，两个中断优先级等构成。

图1.1 89C51单片机引脚分布图
1.3.2 RESPACK-8排阻
RESPACK-8是带公共端的8电阻排，它一般是接在51单片机的P0口，因为P0口内部没有上拉电阻，不能输出高电平，所以要接上拉电阻。

图1.2 RESPACK-8引脚分布图
1.3.3 驱动器L298
L298是双电源大电流功率集成电路，直接采用TTL逻辑电平控制，可用来驱动继电器，线圈，直流电动机，步进电动机等电感性负载。其驱动电压可达46V，直流电流总和可达4A，其内部具有两个完全相同的功率放大回来。

图1.3 L298引脚分布图
1.4 总体设计
1.4.1 方案设计
直流电机PWM调速系统以AT89C51单片机为核心，由命令输入模块、LED显示模块及电机驱动模块组成。采用带中断的独立式键盘作为命令的输入，单片机在程序控制下，定时不断给直流电机驱动芯片发送PWM波形，H型驱动电路完成电机正，反转控制；同时单片机不停的将从键盘读取的数据送到液晶显示模块去显示，进而读取其速度。

IN1
5
IN2
7
ENA
6
OUT1
2
OUT2
3
ENB
11
OUT3
13
OUT4
14
IN3
10
IN4
12
SENSA
1
SENSB
15
GND
8
VS
4
VCC
9
U3
L298
D1
DIODE
D2
DIODE
D3
DIODE
D4
DIODE
+12V
C1
1nF
+88.8

图1.4 PWM控制电路图
1.4.2 系统总体流程图

系统初始化
设置周期
从键盘发命令送入ITT0中
定时中断给电机输入脉冲
电机转动，数码管显示速度
开始
结束

图1.5 系统流程图

第二章 直流电机单元电路设计与分析
2.1 直流电机驱动模块
2.1.1 直流电机类型
直流电机可按其结构、工作原理和用途等进行分类，其中根据直流电机的用途可分为以下几种：直流发电机（将机械能转化为直流电能）、直流电动机（将直流电能转化为机械能）、直流测速发电机（将机械信号转换为电信号）、直流伺服电动机（将控制信号转换为机械信号）。
2.1.2 直流电机工作原理
直流电机电路模型如图2.1所示，磁极N、S间装着一个可以转动的铁磁圆柱体，圆柱体的表面上固定着一个线圈abcd。根据左手定则可知，当流过线圈中电流改变方向时，线圈的受方向也将改变，因此通过改变线圈电路的方向实现改变电机的方向。

图2.1 直流电动机的工作原理
2.2 直流电机的中断键盘控制模块
图2.2为外部中断扩展方法，分别代表正转信号，反转信号，加速信号，减速信号，停止信号。

图 2.2 外部中断扩展电路

图2.3 定时中断服务流程图
2.3 数码管显示模块
2.3.1 引脚分布和接口信号说明
(1)引脚分布
液晶显示共有16个引脚，其引脚分布如图2.4所示。

图2.4 数码管显示模块引脚
2.3.2 数码管显示电路

图2.5 数码管显示电路图
数码管显示流程图如下所示2.6。

图2.6 数码显示流程图

第三章 直流电机PWM控制系统的实现
3.1 总电路图

图3.1 直流电机PWM控制器原理图
3.2 总电路功能介绍
直流电机PWM调制控制系统具有加速、减速、正转、反转、停止控制功能。操作开关通过中断控制直流电机的加速、减速、正转、反转、停止控制功能，并通过LCD液晶显示。振荡、时钟电路和复位电路由80C51单片机内部给出，直流电机转动速度由数码管显示。

第四章 系统仿真
LED数码管显示电路的系统仿真与调试：在PROTEUS运行环境中首先检查LED显示电路，添加程序，运行LED数码显示电路能，系统若运行成功将得到如图所示的显示。

图4.1 未开始的状态

图4.2 仿真初始显示

图4.3 正转时的显示

图 4.4 正转加速时的仿真显示

图 4.5 反转加速时的仿真显示

图4.6 反转减速时的显示

心得体会
这次单片机期末实训，凝结了很多老师的心血，在此我表示由衷的感谢。没有老师们的帮助，我将无法顺利完成这次实训。
首先，我要特别感谢刘老师在这一学期里给我们上了单片机课。刘老师渊博的知识、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。作为一个本科生的实训设计，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，特别需要感谢各位老师给予的耐心细致的指导，在此，再一次向全体教师以及关心帮助我的教师同学表示最诚挚的谢意！

致谢
学校在这次课程设计中给我们提供了很大的支持和帮助，学校领导比较重视，每天有专门的指导老师，帮助我们能顺利完成实训任务。对于学校和老师为我的实训所提供的极大帮助和关心，还要感谢我的同组同学实训时给予我的帮助，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热心帮助，没有你们的关心与支持，我不可能在这次实训中有如此多的收获！这两周是我学生生涯中最有价值的一段时光，也将会成为我以后永远的美好的回忆，在这里有治学严谨而不失亲切的老师，也有互相帮助情同骨肉的同学，更有和谐、融洽的学习生活氛围，这里将是我永远向往的地方。借此论文之际，我想向所有人表达我的最诚挚的谢意，愿我们将来都越来越好。在此我致以衷心的感谢！

参考文献
[1]谢辉．单片机原理及应用[J] ． 基于单片机电机控制设计.2010, (10) ：246-253．
[2]何立民．单片机与嵌入式系统应用[J]． 基于电机的控制系统设计．2007，(3) ：51-53．
[3]江世明．黄同成．单片机原理及应用[J]．单片机应用系统的设计． 2010,(8)：231-239．
[4]潘新民．王燕芳．微型计算机控制技术实用教程[M]．电子工业出版社,2007：75-76,118-119．

附录
ORG 0000H
AJMP START
ORG 0003H
LJMP ZP
ORG 000BH
LJMP ITT0
ORG 0030H
START:MOV SP,#60H
MOV R0,#00H
MOV R1,#00H
CLR P1.5
CLR P1.6
CLR P1.7
MOV TMOD,#01H
MOV TL0,#0FFH
MOV TH0,#0FFH
SETB EA
SETB EX0
SETB ET0
CLR IT0
SETB TR0
MOV DPTR,#TAB
MOV 40H,#0
MOV 41H,#0
LED:SETB P1.1
CLR P1.2
MOV A,40H
MOVC A,@A+DPTR
MOV P0,A
LCALL TTS
CLR P1.1
SETB P1.2
MOV A,41H
MOVC A,@A+DPTR
MOV P0,A
LCALL TTS
CLR P1.2
LJMP LED
ORG 2000H
ITT0: CPL P1.5
JNB P1.5,Z1
MOV A,#0FFH
SUBB A,R0
MOV TH0,A
SETB TR0
RETI
Z1:MOV TH0,R0
SETB TR0
RETI
ZP:CLR EX0
MOV A,#0FFH
MOV P2,A
MOV A,P2
JNB ACC.0,JIA
JNB ACC.1,JIAN
JNB ACC.2,FF
JNB ACC.3,ZZ
JNB ACC.4,TZ
AJMP CC
JIA:CJNE R0,#0FFH,AA
AJMP CC
AA: MOV A,R0
ADD A,#5
MOV R0,A
AJMP CC
JIAN:CJNE R0,#00,BB
AJMP CC
BB:MOV A,R0
SUBB A,#25
MOV R0,A
AJMP CC
CC:MOV A,R0
MOV B,#5
DIV AB
MOV B,#10
DIV AB
MOV 40H,A
MOV 41H,B
SETB EX0
LCALL TTS
LCALL TTS
LCALL TTS
LCALL TTS
RETI
FF:SETB P1.6
CLR P1.7
LCALL TTS
LCALL TTS
LCALL TTS
SETB EX0
RETI
ZZ:CLR P1.6
SETB P1.7
LCALL TTS
LCALL TTS
LCALL TTS
SETB EX0
RETI
TZ:SETB P1.6
SETB P1.7
LCALL TTS
LCALL TTS
LCALL TTS
SETB EX0
RETI
TTS:MOV R3,#0E0H
TT1S:MOV R4,#30H
TT0S:DJNZ R4,TT0S
DJNZ R3,TT1S
RET
TAB: DB 40H,79H,24H,30H,19H
DB 12H,02H,78H,00H,10H
END
18

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