基于单片机的温度控制直流电动机转速系统设计doc.docx

目录设计总说明1Introduction31绪论61.1引言61.2电机控制发展历史61.3研究背景91.4研究意义91.5系统设计内容102系统方案设计102.1系统的设计要求及主要技术指标102.2系统总体方案102.3总体方案论述113硬件电路设计123.1单片机的选择123.1.1 MCS-51系列单片机123.1.2 AT89C51单片机123.1.3管脚介绍133.1.4单片机晶振电路153.1.5单片机复位电路：163.2温度采集模块设计173.2.1方案论证：173.2.2 DS18B20的内部结构183.2.3 DS18B20温度传感器的存储器203.2.4 DS18B20使用中注意事项243.2.5 温度采集模块的电路连接253.3转速控制模块设计253.3.1直流电机转速调节原理253.3.2电机调速控制方案论证263.3.3 PWM方式选择273.3.4 PWM控制信号的产生方式273.3.5直流电机PWM调速原理283.4直流电机293.4.1有刷直流电机293.4.2无刷直流电机303.5直流电机驱动模块的选择323.5.1方案选择323.5.2 L298驱动芯片323.5.3电机及驱动模块电路连接343.6温度显示模块设计353.6.1液晶显示简介353.6.2 LM016L的结构及功能363.6.3 液晶显示模块的电路连接404系统软件设计414.1系统软件构架414.2各模块程序说明434.2.1温度采集模块434.2.2电动机转速及转向控制模块434.2.3温度显示模块465结论48参考文献48致谢49附录A系统总程序50附录B系统仿真图59设计总说明在电气时代的今天，电动机一直在现代化的生产和生活中起着十分重要的作用。据资料统计，现在有的90%以上的动力源自于电动机，电动机与人们的生活息息相关，密不可分。随着现代化步伐的迈进，人们对自动化的需求越来越高，使电动机控制向更复杂的控制发展。 近年来由于微型机的快速发展，国外交直流系统数字化已经达到实用阶段由于以微处理器为核心的数字控制系统硬件电路的标准化程度高，制作成本低，且不受器件温度漂移的影响，且单片机具有功能强、体积小、可靠性好和价格便宜等优点，现已逐渐成为工厂自动化和各控制领域的支柱之一。其控制软件能够进行逻辑判断和复杂运算，可以实现不同于一般线性调节的最优化、自适应、非线性、智能化等控制规律。所以微机数字控制系统在各个方而的性能都远远优于模拟控制系统且应用越来越广泛。现在市场上通用的电机控制器大多采用单片机和DSP。但是以前单片机的处理能力有限，对采用复杂的反馈控制的系统，由于需要处理的数据量大，实时性和精度要求高，往往不能满足设计要求。近年来出现了各种单片机，其性能得到了很大提高，价格却比DSP低很多。其相关的软件和开发工具越来越多，功能也越来越强，但价格却在不断降低。现在，越来越多的厂家开始采用单片机来提高产品性价比。本论文要求使用单片机进行电路设计，同时单片机部分应带有显示功能。单片机对某个位置进行温度监控，当外部温度45时，电动机加速正转，当温度75时，电动机全速正转；当外部温度10时，电动机加速反转，当温度0时，电动机全速反转；当温度回到1045之间时电动机逐渐停止转动。AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压高性能CMOS8位单片机，片内含4K bytes的可反复檫写的只读程序存储器(PEROM) 和128 bytes的随机存取数据存储器（RAM）, 器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MSC-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大AT89C51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。温度采集模块可以采用一只温度传感器 DS18B20，此传感器，可以很容易直接读取被测温度值，进行转换，电路简单，精度高，软硬件都以实现，而且使用单片机的接口便于系统的再扩展，满足设计要求 。利用单片机的一个I/O口的引脚，通过软件对这个引脚不断地输出高低电平来实现PWM波的输出，51系列单片机无PWM输出功能，可以采用定时器配合软件的方法输出。对精度要求不高的场合，非常实用。MCS - 51系列典型产品8051具有两个定时器T0和T1。通过控制定时器初值T0和T1,，从而可以实现从8051的任意输出口输出不同占空比由于PWM信号软件实现的核心是单片机内部的定时器，而不同单片机的定时器具有不同的特点，即使是同一台单片机由于选用的晶振不同，选择的定时器工作方式不同，其定时器的定时初值与定时时间的关系也不同。温度是一种最基本的环境参数，在工农业生产及日常生活中对温度的测量及控制具有重要意义。本设计将介绍一种基于单片机的温度控制直流电机转速系统。该系统采用AT89C51单片机为核心，通过AT89C51 单片机驱动数字温度传感器DS18B20，进行温度数据采集，通过温度的比较和温度范围设定的程序控制产生PWM（脉宽调制）信号；通过L298驱动芯片来控制直流电机的启动、速度、方向的变化；通过LM016L显示温度。所谓脉冲宽度调制是指用改变电机电枢电压接通与断开的时间的占空比来控制电机转速的方法，称为脉冲宽度调制(PWM)。PWM驱动装置是利用全控型功率器件的开关特性来调制固定电压的直流电源，按一个固定的频率来接通和断开，并根据需要改变一个周期内“接通”与“断开”时间的长短，改变直流电动机电枢上电压的“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，这种装置又称为“开关驱动装置”。对于直流电机调速系统，其方法是通过改变电机电枢电压导通时间与通电时间的比值（即占空比）来控制电机速度。本次设计可以作为简单控制向复杂控制的过度，实现直流电机启动、正反转控制和顺序控制外，还要进行转速控制。为以后复杂控制设计做基础。关键词：PWM； 单片机；温度；控制IntroductionIn electrical times today, the electric motor continuously is playing the very vital role in the modernized production and the life. According to the material statistics, now some 90% above power supplies from the electric motor, the electric motor and peoples life are closely linked, inseparable. Along with modernized step forward, the people are getting higher and higher to the automated demand, make the motor control to the more complex control development. As the fast development of microcomputer, AC/DC speed control system for digitization has reached the applied stage overseas. Since the hardware circuit of digital control system centered by microprocessor possesses the advantages that it has higher standardization and lower cost, and it doesnt be influenced by temperature drift of devices. Single chip computer has been becoming theocrat of factory automatic and all kinds of controlling field because of its good function, small volume, and good reliability. Furthermore, the control software of digital control system can carry through logical judgment and sophisticated operation, and it has the control laws of optimality, adaptive trait, nonlinear and intelligence, which are different from the ordinary linear adjustability. In every aspect the function of digital control system has exceeded analog control system and is being used widely.Now the market generally motor controller is used mostly single-chip microcomputer and DSP. But before the processing capacity of single chip, using the complex of limited feedback control system, due to the need to deal with large amount of data, real-time and accuracy is high, often cant meet the design requirements. In recent years is made up of many a single-chip microcomputer, its performance improved, the price is much lower than the DSP. The relevant software and development tool is more and more, function also is more and more strong, but the price is in the coming down. Now, more and more manufacturers started to improve product performance to price ratio by single chip microcomputer.This paper MCU is required to be used in the circuit design, and SCM part should display function with. The monolithic integrated circuit to a certain position to temperature monitoring, when the external temperature acuity 45, motor speed up are turning, when the temperature acuity 75, motor are turning at full speed; When the external temperature more than 10, motor speed up, when the temperature inversion more than 0, motor reverse at full speed; When the temperature back to 10 45 when gradually stopped turning between motor.AT89C51 is the production of low voltage ATMEL company high performance CMOS8 a microcontroller, piece contains 4 K bytes of read only can be repeated rewrite of the program memory (PEROM) and 128 bytes of data random access memory (RAM), the device using the high density of the ATMEL company, non-volatile storage technology of production, emcee standard MSC-51 instruction system of built-in general 8 bits, the central processing unit (CPU) and Flash storage unit, powerful AT89C51 single-chip microcomputer can provide you with many high ratio of performance to applications can be flexibly used in different kinds of control field.Temperature acquisition module can use a temperature sensor DS18B20, the sensor, can easily be measured directly read temperature, for conversion, circuit is simple, high precision, software and hardware are to achieve, and use the interface chip for the system to expand, and meet the design requirements.Using SCM an I/O mouth the pins, through the software to the pins are constantly output high and low level to realize the output of PWM waves, 51 series microcontroller no PWM output function, can be used with the method of software timer output. On the occasion of the precision requirement is not high, very practical.MCS-51 series products are two typical 8051 T0 timer and T1. Through the control timer T0 and T1, the initial value, and it can realize from the 8051 outlets output of any different than empty because of PWM signal software realize the core is the timer chip, and different internal microcontroller timer has different characteristic, even if is the same a microcontroller as a result of chosen crystals, choose different timer work in different ways, the timing of the timer initial and timing of the relationship between time is different also.The temperature is one of the most basic environmental parameters，In industrial and agricultural production and daily life on the temperature measurement and control system has important significance. This system uses AT89C51, Through AT89C51 drive digital temperature sensor DS18B20, The temperature data collection, Through program control temperature range set produced PWM signal, And the L298 drive chip to control dc motor start-up, speed, the direction of change. Through the LM016L display temperature.The so-called pulse width modulation is to use change motor armature voltage to the broken up and the time of the value of the motor speed control empty method, called the pulse width modulation (PWM). PWM drives is using all-controlling power of switching devices to a fixed voltage characteristics of dc power, according to a fixed frequency to connect and disconnect, and according to the need to change a cycle on and off the amount of time, change the dc motor armature voltage on the empty to change than of the size of the average voltage, so as to control the speed of the motor. Therefore, the device also called switch device drivers. In dc motor speed control system, its method is by changing the armature voltage motor conduction time and the ratio of the polarization time (i.e. occupies empties compared) to control the speed.This design may take the simple control to plurality of controls excessive, realizes the direct current machine to start, is reversing outside the control and the sequential control, but must carry on the speed control. For after foundation of complex control design The key word: PWM; single chip microcomputer; Temperature; control1绪论1.1引言在电气时代的今天，电动机一直在现代化的生产和生活中起着十分重要的作用，无论在工业农业生产、交通运输、国防航空航天、医疗卫生、商务与办公设备，还是在日常生活中的家用电器，都在大量地使用着各式各样的电动机。据资料统计，现在有的90%以上的动力源来自于电动机，我国生产的电能大约有60%用于电动机。电动机与人们的生活息息相关，密不可分。随着现代化步伐的迈进，人们对自动化的需求越来越高，使电动机控制向更复杂的控制发展。1.2电机控制发展历史19世纪70年代前后相继诞生了直流电动机和交流电动机，从此人类社会进入了以电动机为动力设备的时代。以电动机作为动力机械，为人类社会的发展和进步、工业生产的现代化起到了巨大的推动作用。在用电系统中，电动机作为主要的动力设备广泛地应用十工农业生产、国防、科技及社会生活等各个方面。电动机负荷约占总发电量的60，成为用电量最多的电气设备。根据采用的电流制式不同，电动机分为直流电动机和交流电动机两大类，其中交流电动机拥有量最多，提供给工业生产的电量多半是通过交流电动机加以利用的。直流电机具有良好的起，制动性能好，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。自70年代电动机矢量变换控制方法提出，至今已获得了迅猛的发展。这种理论的主要思想是将异步电动机模拟成直流机，通过坐标变换的方法，分别控制励磁电流分量与转矩电流分量，从而获得与直流电动机一样良好的动态调速特性。这种控制方法现已较成熟，已经产品化，且产品质量较稳定。因为这种方法采用了坐标变换，所以对控制器的运算速度、处理能力等性能要求较高。近年来，围绕着矢量变换控制的缺陷，如系统结构复杂、非线性和电机参数变化影响系统性能等等问题，国内、外学者进行了大量的研究。1985年，德国的Depenbrock教授提出一种新的控制方法，即电动机直接转矩控制系统。它就是上述研究的结果。它不需要坐标变换，也不需要依赖转子数学模型，理论上非常诱人。实验室条件下也已做出性能指标相当高的样机。只是还有些问题未解决，如低速时转矩观测器和转速波动等，未能产品化。现在市面上自称实现了转矩直接控制的系统，大多都是或者采用了将磁链定向与直接转矩控制相结合的方法，低速时采用磁链定向矢量变换控制，高速时采用直接转矩控制。或者同时观测转子磁链，作为直接转矩控制系统的校正。一来这种方法平稳切换的时机较难确定，目前德国大学的博士正在研究这个问题；二来如果低速时采用磁链定向矢量控制，或采用观测转子磁链的方法，还是要依赖转子参数。也就是说只要有转子磁链的成分在里面，就还是对转子参数较敏感。无法体现直接转矩控制的优势。看来，完全的转矩直接控制离产品化还有一段距离。除此之外，基于现代控制理论的滑模变结构控制技术、采用微分几何理论的非线性解耦控制、模型参考自适应控制等等方法的引入，使系统性能得到了改善。但这些理论仍然建立在对象精确的数学模型基础上，有的需要大量的传感器、观察器，因而结构复杂，有的仍无法摆脱非线性和电机参数变化的影响，因而需进一步探讨解决上述问题的途径。20世纪60年代以前，直流调速一直以控制能力强、可靠性高、噪声低、控制电路简单等一系列优良的性能在传动领域中占据着主导地位。但是随着社会生产力及技术的不断发展，直流传动的薄弱环节逐步显示出来。普通的直流电动机由于需要机械换相和电刷,可靠性差，需要经常维护；换相时产生电磁干扰，噪声大，影响了直流电动机在控制系统中的进一步应用。为了克服机械换相带来的缺点，以电子换相取代机械换相的无刷电机应运而生。1955年美国DHarrison等人首次申请了用晶体管换相电路代替机械电刷的专利，标志着现代无刷电动机的诞生。而电子换相的无刷直流电动机真正进入实用阶段，是在1978年的MAC经典无刷直流电动机及其驱动器的推出。之后，国际上对无刷直流电动机进行了深入的研究，先后研制成方波无刷电机和正弦波直流无刷电机。20多年以来，随着永磁新材料、微电子技术、自动控制技术以及电力电子技术特别是大功率开关器件的发展，无刷电动机得到了长足的发展。无刷直流电动机已经不是专指具有电子换相的直流电机，而是泛指具有无刷直流电动机外部特性的电子换相电机无刷直流电动机不仅保持了传统直流电动机良好的动、静态调速特性，且结构简单、运行可靠、易于控制。其应用从最初的军事工业，向航空航天、医疗、信息、家电以及工业自动化领域迅速发展。有了好的控制方法，还需要有能将其实现的控制器。可靠性高，实时性好是对控制系统的基本要求。最初的电机控制都是采用分立元件的模拟电路，后来随着电子技术的进步，采用集成电路甚至专用集成电路。这些电路大多为模拟数字混合电路，既提高了可靠性、抗干扰性，又缩短了开发周期和研制费用，减小了体积，因而发展很快。作为专用集成电路（ASIC-Application Specific Integrated Circuit）的一个重要方面，几乎所有先进工业国家的半导体厂商，都能提供自己开发的电机控制专用集成电路。所以电机控制专用集成电路品种、规格繁多，产品资料和应用资料十分丰富。但同时由于各厂商之间无统一标准，因而产品极其分散，又不断有新产品出现，为满足一次设计的需要，往往要花很大力气、很多时间去收集整理资料。但如前所述，当前电机控制的发展越来越趋于多样化、复杂化。所以有时未必能满足越来越苛刻的性能要求。这时可以考虑自己开发电机专用的控制芯片。现场可编程门阵列（FPGA)可以作为一种解决方案。作为开发设备，FPGA可以方便地实现多次修改。简单地打个比方，FPGA相对于ASIC好比EEPROM相对于掩模生产的ROM。由于FPGA的集成度非常大。一片FPGA少则几千个等效门，多则几万或几十万等效门。所以一片FPGA就可以实现非常复杂的逻辑，替代多块集成电路和分立元件组成的电路。它借助于硬件描述语言（VHDL或VerilogHDL）来对系统进行设计，硬件描述语言摈弃了传统的从门级电路向上直至整体系统的方法。它采用三个层次的硬件描述和自上至下（从系统功能描述开始）的设计风格，能对三个层次的描述进行混合仿真，从而可以方便地进行数字电路设计。具体层次及其简介如下：第一层为行为描述，主要是功能描述，并可以进行功能仿真；第二层是RTL描述，主要是逻辑表达式的描述，并进行RTL级仿真：第三层是门级描述，即用基本的门电路进行描述，相应地进行门级仿真。最后生成门级网络表，再用专用工具生成FPGA的编程码点，就可以进行FPGA的编程了。试制成功后，如要大批量生产，可以按照FPGA的设计定做ASIC芯片，降低成本。目前已有探讨这方面可行性的文章，有兴趣的读者可参阅。集成电路的出现对电机控制的影响是深远的。它大大地推动了电机控制行业的发展，至今仍具有广大市场，只可惜国内的集成电路厂商不能占到这一市场他们应该占到的份额。随着技术的进步，特别是数字化趋势广泛流行的今天，人们不会满足于停留在模拟数字混合的时代。现在市面上较通用的变频器大多都是采用单片机来控制。应用较多的是8051系列产品。单相电机的变频调速已成为一种可行的方法，在这种调 速系统中，脉宽调制(PWM)技术仍然是提高调速性能的主要手段。虽然PWM技术的实现方法很多，然而，为了降低产品的制造成本，采用微机控制软件实 现PWM控制具有成本低、调制方式灵活等特点，比较适合于中小型电器产品的要求。1.3研究背景电动机的控制技术的发展得力于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料技术、电动控制技术、微机应用技术的最新发展成果。对电动机的控制可分为简单控制和复杂控制两种，简单控制是对电动机进行启动、制动、正反转控制和顺序控制，复杂控制是对电动机的转速转速、转角、转矩、电压、电流等物理量进行控制。本次设计可以作为简单控制向复杂控制的过度，实现温度变化引起控制电压变化而使进行转速控制，为以后复杂控制设计做基础。1.4研究意义对电动机的控制可分为简单控制和复杂控制两种，简单控制是对电动机进行启动、制动、正反转控制和顺序控制，复杂控制是对电动机的转速转速、转角、转矩、电压、电流等物理量进行控制。本次设计可以作为简单控制向复杂控制的过度，实现直流电机启动、制动、正反转控制和顺序控制外，还要进行转速控制。为以后复杂控制做为基础学习。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，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，可以实现复杂的控制，控制灵活性和适应性好，无零点漂移，控制精密高，可提供人机界面，多机联网工作。采用智能功率电路驱动比传统的分立功率器件组成的驱动体积小，功能强；减少了电路元器件数量，提高了系统的可靠性；监控更容易实现；集成化使电路的连线减少，减少了布线电容和电感以及信号传输的延时，增加了系统抗干扰的能力；集成化使系统成本大大降低。1.5系统设计内容本设计将介绍一种基于单片机的温度控制直流电机转速系统。该系统采用AT89C51单片机为核心，通过AT89C51 单片机驱动数字温度传感器DS18B20，进行温度数据采集通过温度的比较和温度范围设定的程序控制产生PWM（脉宽调制）信号；通过L298驱动芯片来控制直流电机的启动、速度、方向的变化；通过LM016L显示温度。论文包括对单片机的功能及各个管脚和晶振复位电路的介绍，整个电路设计包括温度采集模块，单片机控制模块，温度显示模块，和电机及电机驱动模块。2系统方案设计2.1系统的设计要求及主要技术指标本论文要求使用单片机进行电路设计，同时单片机部分应带有显示功能。单片机对某个位置进行温度监控，当外部温度45时，电动机加速正转，当温度75时，电动机全速正转；当外部温度10时，电动机加速反转，当温度0时，电动机全速反转；当温度回到1045之间时电动机逐渐停止转动。2.2系统总体方案系统总体方案设计，如下图2.1单片机温度显示温度采集DS18B20PWM输出电机驱动L298直流电动机系统供电图2.1 系统总体方案图2.3总体方案论述该系统采用AT89C51单片机为核心，通过DS18B20进行温度采集，送入单片机，经过软件编程进行温度的比较和范围划定，然后通过程序控制由单片机产生不同的PWM（脉冲宽度调制）信号，送给电机驱动芯片L298的使能端口，通过L298驱动芯片来控制直流电机的启动、速度、方向的变化；单片机将温度数据传送给LM016L显示温度。整个电路设计包括温度采集模块，单片机控制模块，温度显示模块，和电机及电机驱动模块。3硬件电路设计3.1单片机的选择3.1.1 MCS-51系列单片机 Intel公司推出的8位单片机：1976年推出的MCS-48系列：8039，8048等。1980年推出了MCS-51系列：8031，8051，8751，8052等。其中8051成为重要的品种，应用和普及得非常广泛。Philips、Siemens、Atmel、SST等半导体公司，也生产出与8051相兼容的低功耗、高性能的产品。ATMEL公司的89C51系列产品是近年来在我国非常流行的单片机。3.1.2 AT89C51单片机AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压高性能CMOS 8位单片机，片内含4Kbytes的可反复檫写的只读程序存储器(PEROM)和128 bytes的随机存取数据存储器（RAM）, 器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MSC-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大AT89C51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。89C51单片机基本组成包括有:l 一个8位的微处理器；l 片内数据存储器RAM有128B， 21个特殊功能寄存器SFR；l 片内程序存储器Flash ROM 有4KB；可寻址片内外统一编址的64KB的ROM，l 可寻址片外64KB的RAM；l 4个8位并行I/O接口（P0P3）；l 一个全双工通用异步串行接口UART；l 两个16位的定时器/计数器；l 五个中断源、两个优先级的中断控制系统；l 具有位操作功能的布尔处理机及位寻址功能；l 片内振荡器和时钟产生电路。图1单片机管脚图3.1.3管脚介绍如图1所示：(1)电源引脚: Vcc（40脚）：电源端，接+5V电源。 Vss（20脚）：接地端，接+5V电源地端。(2)时钟振荡器外接晶体引脚：XTAL1和XTAL2AT89C51内部有一个振荡器和时钟产生电路。XTAL1（19脚）：片内振荡电路反相放大器输入 。XTAL2（18脚）：片内振荡电路反相放大器输出。(3) 控制信号引脚：RST、ALE、PSEN、EA RST (9脚)：复位信号输入端，高电平有效。保持两个机器周期高电平时,完成复位操作。 ALE/PROG (30脚)：地址锁存允许输出端/编程脉冲输入端，正常时,连续输出振荡器频率的1/6正脉冲信号。访问片外存储器时：作为锁存P0口低8位地址的控制信号。对89C51片内 ROM编程写入时：作为编程脉冲输入端。PSEN (29脚): 外部程序存储器读选通输出信号访问片外ROM时,输出负脉冲作为读ROM选通常连接到片外ROM芯片的输出允许端（OE）作外部ROM的读选通信号。EA/Vpp (31脚)：外部程序存储器地址使能输入/编程电压输入端。平常,接“1”时，CPU访问片内4KB的ROM，当地址超4KB时，自动转向片外ROM中的程序。当接“0”时，CPU只访问片外ROM。 第2功能Vpp对8751编程时，编程电压输入端。(4)输入/输出端口引脚 P0、P1、P2、P34个8位的并行输入/输出端口，共32个引脚。作为通用输入/输出端口，P0、P2和P3端口又各自有第2功能。 通用输入/输出端口 准双向口: 作输入时要先对锁存器写“1”。P0端口（P0.0P0.7，第3932脚）：漏极开路的准双向口,输出能驱动8个74LS类型的负载。P1端口（P1.0P1.7，第18脚）：内部带上拉电阻的准双向口,输出