单片机控制直流电动机——课程设计.doc

目录一、 设计目的二、 设计任务和要求三、 设计原理分析四、 硬件资源及原理五、 硬件图六、 程序框图七、 程序八、 调试运行九、 仿真截图十、 设计心得体会一、设计目的1、通过单片机课程设计，熟练掌握C语言的编程方法，将理论联系到实践中，提高我们的动脑和动手的能力。2、通过对单片机控制直流电动机控制系统的设计，掌握A/D转换、D/A转换的有关原理，加深对PWM波的理解和使用，同时对单片机的使用更加熟练，通过对简单程序的编写提高我们的逻辑抽象能力。二、设计任务和要求任务：采用单片机设计一个控制直流电动机并测量转速的装置。要求: 1、通过改变A/D输入端的可变电阻来改变A/D输入电压，D/A输入检测量大小，进而改变直流电机的转速。2、手动控制。在键盘上设置两个按键直流电动机加速键和直流电机减速键。在手动状态下，每按一次键，电机的转速按照约定的速率改变。3、键盘列扫描(4*6)。三、设计原理分析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。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，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。四、硬件资源及原理1.1直流电机调速原理直流电动机根据励磁方式不同，直流电动机分为自励和他励两种类型。不同励磁方式的直流电动机机械特性曲线有所不同。但是对于直流电动机的转速有以下公式： n=U/Cc-TR内/CrCc 其中：U电压；励磁绕组本身的电阻；每极磁通(Wb)；Cc电势常数；Cr转矩常量。由上式可知，直流电机的速度控制既可采用电枢控制法也可采用磁场控制法。磁场控制法控制磁通，其控制功率虽然较小，但低速时受到磁极饱和的限制，高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制，而且由于励磁线圈电感较大，动态响应较差。所以在工业生产过程中常用的方法是电枢控制法。图1-1 直流电机的工作原理图电枢控制是在励磁电压不变的情况下，把控制电压信号加到电机的电枢上，以控制电机的转速。在工业生产中广泛使用其中脉宽调制(PWM)应用更为广泛。脉宽调速利用一个固定的频率来控制电源的接通或断开，并通过改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短，即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 图1-2电枢电压占空比和平均电压的关系图根据上图，如果电机始终接通电源时，电机转速最大为，占空比为D=/T，则电机的平均速度为：，可见只要改变占空比D，就可以得到不同的电机速度，从而达到调速的目的。12直流调速系统实现方式PWM为主控电路的调速系统：基于单片机类由软件来实现PWM，在PWM调速系统中占空比D是一个重要参数在电源电压不变的情况下，电枢端电压的平均值取决于占空比D的大小，改变D的值可以改变电枢端电压的平均值从而达到调速的目的。改变占空比D的值有三种方法： A、定宽调频法：保持不变，只改变t，这样使周期(或频率)也随之改变。（图1-2）B、调宽调频法：保持t不变，只改变，这样使周期(或频率)也随之改变。（图1-2）C、定频调宽法：保持周期T(或频率)不变，同时改变和t。（图1-2）前两种方法在调速时改变了控制脉冲的周期(或频率)，当控制脉冲的频率与系统的固有频率接近时，将会引起振荡，因此常采用定频调宽法来改变占空 比从而改变直流电动机电枢两端电压。1.3 89C51单片机图 1-3 89C51单片机2 硬件电路设计2.1 pwm波的实现 随计算机技术及电力电子技术的发展，PWM波形采用软件方法实现显得非常灵活和实用，以89C51单片机为控制核心,晶振频率为12MHz定 时计数器TO,T1作定时器使用，工作在方式1，定时时间为0.1ms，若PWM波形的频率为50 Hz ，占空比为1：1，则和 R0载入30H和31H单元的值初始100,若在程序中利用按键产生中断调用来改变30H和31H单元的值就可以改变占空比.系统流程图如图2-1所示 ： 开始系统初始化发加速命令加速发减速命令减速调用子程序图 2-1 程序流程图2.2直流电动机驱动在直流电动机的驱动中对大功率的电动机常采用IGBT作为主开关元件,对中小功率的电机常采用功率场效应管作为主开关元件.另外还可以采用集成电路来完成对电机的驱动，系统采用集成电路L298来驱动电机图2-2 L298内部结构和功能引脚图L298是双H高电压大电流功率集成电路.直接采用 L逻辑电平控制,可以驱动继电器、直流电动机 、步进电动机等电感性负载。其内部有两个完全相同的功率放大回路。其内部结构和引脚功能如图 2-2所示。L298 引脚符号及功能SENSA、SENSB：分别为两个H桥的电流反馈脚，不用时可以直接接地ENA 、ENB：使能端，输入PWM信号 IN1、IN2、IN3、IN4：输入端，TTL逻辑电平信号OUT1、OUT2、OUT3、OUT4：输出端，与对应输入端同逻辑VCC：逻辑控制电源，4.57V GND:地VSS：电机驱动电源，最小值需比输入的低电平电压高当使能端为高电平时，输入端IN1为PWM信号,IN2为低电平信号时,电机正转；输入端IN1为低电平信号，IN2为PWM信号时,电机反转;IN1与IN2相 同时,电机快速停止。当使能端为低电平时,电动机停止转动。五、硬件图六、程序框图1、主程序框图系统初始化启动从键盘发命令送入intx中（x=0或1）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2、中断服务程序框图中断响应设置中断返回地址返回七、程序#include#define uchar unsigned charuchar TABLE10=0XC0,0XF9,0XA4,0XB0,0X99,0X92,0X82,0XF8,0X80,0X90;unsigned int frq1,c;void delay(unsigned int k)unsigned int i,j;for(i=0;ik;i+)for(j=0;j121;j+);void display()uchar qian,bai,shi,ge;qian=0;bai=0;shi=0;ge=0;c=frq1;qian=c/1000;bai=c/100%10;shi=c/10%10;ge=c%10;P1=0x01;P2=TABLEqian;delay(5);P1=0x02;P2=TABLEbai;delay(5);P1=0x04;P2=TABLEshi;delay(5);P1=0x08;P2=TABLEge;delay(5);void chang(void) interrupt 0 using 0if(INT0=0)while(!INT0)frq1+;void main()unsigned int i=0;while(1)TMOD=0x01;TH0=55536/256;TL0=55536%256;TR0=1;EA=1;EX0=1;while(TF0=1)i+;if(i=10) display();frq1=0;TF0=0; 调速程序#includereg51.h#includeintrins.h#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit P20=P20;sbit P21=P21;uchar flag=0;/*高低电平标志*/bit direction=0;/*方向标志*/static uchar constant=1;/可以改变占空比void time0(void) interrupt 1 using 1 static uchar i;i+; /*频率为固定的1kHZ左右，只是占空比发生变化*/if(i=constant)flag=1;if(iconstant)flag=2;if(i=10) i=0;TH0=0X9C;TL0=0X9C;/*改变转向标志*/void int1_srv (void) interrupt 2 using 2if(INT1=0)while(!INT0); constant-;if(constant=10)constant=0;/*中断，调节占空比*/void change(void) interrupt 0 using 0if(INT0=0)while(!INT0); constant+;if(constant=10)constant=0;/*/void main()EA=1;TMOD=0x02;ET0=1;TR0=1;EX0=1;IT0=1;EX1=1;IT1=1;TH0=0X9C;TL0=0X9C;while(1)P21=0;if(flag=1)flag=0;P20=1;if(flag=2)flag=0;P20=0;八、调试运行1、按硬件图接线，加速减速按钮分别接单片机的P3.2口、P3.3口，单片机输出端口P2.0、P2.1接L298的IN1、IN2口，电动机测速端口接另一片单片机的INT0、INT1.2、开始运行系统，观察数码管，当按下加速按钮时数码管显示的电动机速度应该加速，而当按下减速按钮时，数码管显示的速度应该减小。3、运行系统看电动机速度是否符合要求，如不符合，则再调试，直至满足要求。九、仿真截图当仿真开始运行时，各个模块处于初始状态。点击左边的独立键盘加速或减速按钮。显示模块便开始显示数字。电机的驱动模块能够实现电机的加速、减速等操作。且改变PWM脉冲时的占空比电机的工作电压改变。因此，从仿真结果可以看出，本设计可以得到预期仿真效果。图9 仿真截图十、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！在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在设计过程中与同学分工设计，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。学会了合作，学会了运筹帷幄，学会了宽容，学会了理解，也学会了做人与处世。在这两周的学习中，我深刻感觉到了自己对单片机编程知识的缺乏，对实践操作的生疏，也感觉到了单片机的重要性与实用性，在一块小小的芯片上就可实现很多的事情的演示。我同样也对直流电机等和本次课题相关的芯片，元器件有了新的认识，我会在今后的学习中，加大对单片机和汇编语言的学习，争取更大的进步。课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的含义，认真的进行课程设计学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础