單片機(jī)控制直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的研究機(jī)械制造專業(yè)

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1、 題 目：單片機(jī)控制直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的研究 目 錄 摘 要 7 第一章 總體設(shè)計(jì)方案 9 1.1 方案選取 9 1.1.1方案一 PWN波調(diào)速 9 1.1.2 方案二 晶閘管調(diào)速 10 第二章 單元模塊設(shè)計(jì) 11 2.1 電路設(shè)計(jì)方案 11 2.2 設(shè)計(jì)調(diào)速方案 12 2.3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 13 2.3.1 按鍵電路 14 2.4 LCD顯示模塊 14 2.4.1 LCD1602驅(qū)動電路設(shè)計(jì) 15 2.5 調(diào)速設(shè)計(jì)模塊 16 第三章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 17 3.1 系統(tǒng)主程序編程 17 3.2 定時器T0中斷服務(wù)程序流程 18 3.3 按

2、鍵掃描程序流程 19 第四章 設(shè)計(jì)總結(jié) 20 參考文獻(xiàn) 21 附 錄 22 20 摘 要 當(dāng)今社會，隨著生產(chǎn)力的發(fā)展、社會水平以及科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，電動機(jī)被廣泛的應(yīng)用于各個行業(yè)及領(lǐng)域。直流電機(jī)孔子系統(tǒng)的好壞直接影響電機(jī)性能的發(fā)揮。本次設(shè)計(jì)方案是單片機(jī)直接控制直流電機(jī)。該系統(tǒng)可以直接對直流電機(jī)進(jìn)行閉環(huán)控制和調(diào)節(jié)，使得系統(tǒng)的輸出值更加準(zhǔn)確， 直流電機(jī)控制系統(tǒng)可以通過傳感器對電機(jī)當(dāng)前的轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時采樣，系統(tǒng)會將實(shí)際采樣值與設(shè)定值進(jìn)行比較，檢查速度值是否存在偏差，如果速度值有偏差，系統(tǒng)就會通過自身的運(yùn)算然后輸出一個信號減小誤差，知道最后的速度值與設(shè)定值一致

3、。這種單片機(jī)不僅成本低、結(jié)構(gòu)簡單、而且編制程序非常簡單，性能非常的好。所以，這種單片機(jī)控制直流電機(jī)的控制系統(tǒng)被大規(guī)模的應(yīng)用于各個行業(yè)及領(lǐng)域。 本系統(tǒng)是以STC89C51單片機(jī)為主控制器，采用兩個方案對直流電機(jī)進(jìn)行控制，一種是PWN波調(diào)速，一種是晶閘管調(diào)速。PWN（脈沖比）對電路進(jìn)行控制，會使電機(jī)的速度穩(wěn)定，同時電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以通過簡單的控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)；晶閘管交流調(diào)速中，采用相位控制，調(diào)速精度高、輸出電壓精確快速性好，低速運(yùn)動時脈動較小，單會產(chǎn)生諧波，對電網(wǎng)產(chǎn)生不好的影響。 關(guān)鍵詞：單片機(jī)；直流電機(jī)；PWN；晶閘管 Abstract

4、 In todays society, with the development of productivity, the social level and the progress of science and technology, the motor is widely used in various industries. The control system of the DC motor directly affects the performance of the motor. This design is directly controlled by single-chip m

5、icrocomputer DC motor, the system can be closed loop DC motor speed regulation, so that the system accurately output speed value. DC motor control system through the speed sensor on the motor speed real-time sampling system, the sampling value and set value comparison, check whether the speed deviat

6、ion, if the speed difference, the system will output the control signal through the algorithm to reduce the difference, until it finally reaches the setting speed. This single chip microcomputer control system is not only simple in structure, low in cost, but also easy to program and control. It has

7、 very good performance. Therefore, the control system of DC motor controlled by single chip microcomputer is widely used in various fields. This system is based on the STC89C51 MCU as the main controller and uses two schemes to control the DC motor. One is the PWN wave speed regulation, the other i

8、s the thyristor speed regulation. The PWM (pulse ratio) controls the circuit so that the speed of the motor is stable and the speed of the motor can be adjusted by a simple control system. When phase control is used in thyristor AC speed regulation, the output voltage is more precise, the speed regu

9、lation accuracy is higher, the rapidity is good, and the speed pulsation is smaller at low speed, but it will cause harmonic and pollute the power grid. Key words: single chip microcomputer; DC motor; PWM; thyristor 第一章 總體設(shè)計(jì)方案 1.1 方案選取 1.1.1方案一 PWN波調(diào)速 本文設(shè)計(jì)的直流電機(jī)控制系統(tǒng)包括六大部分：電源電路、測速電路、單片機(jī)最小系

10、統(tǒng)電路、電機(jī)驅(qū)動電路、按鍵電路和顯示電路。直流電機(jī)控制系統(tǒng)可以通過速度傳感器對當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時采樣，系統(tǒng)將這個采樣值和設(shè)定值進(jìn)行對比，檢查速度是否偏離，如果有速度差，系統(tǒng)就會通過算法輸出控制信號去減小這個差值，直到最后速度達(dá)到設(shè)置值。系統(tǒng)工作原理圖如下圖 1.1所示。 圖1.1系統(tǒng)工作原理圖 1.1.2 方案二 晶閘管調(diào)速 采用閘流管或汞弧整流器的離子拖動系統(tǒng)是最早應(yīng)用靜止式變流裝置供電的直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。1957年，晶閘管（俗稱“可控硅”）問世，到了60年代，已生產(chǎn)出成套的晶閘管整流裝置，并應(yīng)用于直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，即晶閘管可控整流器

11、供電的直流調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）。如圖1.2，VT是晶閘管可控整流器，通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓來移動觸發(fā)脈沖的相位，即可改變整流電壓，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。晶閘管整流裝置不僅在經(jīng)濟(jì)性和可靠性上都有很大提高，而且在技術(shù)性能上也顯示出較大的優(yōu)越性；晶閘管可控整流器的功率放大倍數(shù)在以上，其門極電流可以直接用晶體管來控制，不再像直流發(fā)電機(jī)那樣需要較大功率的放大器。因此，在60年代到70年代，晶閘管可控整流器供電的直流調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）代替旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（G-M系統(tǒng)），得到了廣泛的應(yīng)用。但是由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，它不允許電流反向，給系統(tǒng)的可逆運(yùn)行造成困難；晶閘管對過電壓、過電流和

12、過高的與都十分敏感，若超過允許值會在很短的時間內(nèi)損壞器件。另外，由諧波與無功功率引起電網(wǎng)電壓波形畸變，殃及附近的用電設(shè)備，造成“電力公害”，因此必須添置無功補(bǔ)償和諧波濾波裝置。 圖1.2 晶閘管可控整流器供電的直流調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)) 對于方案一、方案二相對比較，方案一PWM調(diào)速性能優(yōu)，調(diào)節(jié)范圍寬，特性優(yōu)良，過載能力較大，因此本設(shè)計(jì)采用方案一。 第二章 單元模塊設(shè)計(jì) 2.1 電路設(shè)計(jì)方案 電動機(jī)PWM驅(qū)動模塊的電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)具體電路圖如圖2.1所示，本圖采用的是基于PWM原理的H型橋式驅(qū)動電路。 2.1 H型橋式驅(qū)動電路

13、圖 PWM電路由四個大功率晶體管組成H型橋式電路構(gòu)成，四部分晶體管以對角組合分為兩組：根據(jù)兩個輸入端的高低電平?jīng)Q定晶體管的導(dǎo)通和截止。4個二極管在電路中起防止晶體管產(chǎn)生反向電壓的保護(hù)作用。4個電感在電路中是起防止電動機(jī)兩端的電流和晶體管上的電流過大的保護(hù)作用。 在實(shí)驗(yàn)中的控制系統(tǒng)電壓統(tǒng)一為5v電源，因此若達(dá)林頓管基極由控制系統(tǒng)直接控制，則控制電壓最高為5V，再加上三極管本身壓降，加到電動機(jī)兩端的電壓就只有4V左右，嚴(yán)重減弱了電動機(jī)的驅(qū)動力?；谏鲜隹紤]，我們運(yùn)用了4N25光耦集成塊，將控制部分與電動機(jī)的驅(qū)動部分隔離開來。輸入端各通過一個三極管增大光耦的驅(qū)動電流；電動機(jī)驅(qū)動部分通過外接12

14、V電源驅(qū)動。這樣不僅增加了各系統(tǒng)模塊之間的隔離度，也使驅(qū)動電流得到了大大的增強(qiáng)。 2.2 設(shè)計(jì)調(diào)速方案 PWM，指脈沖寬度調(diào)制，全稱Pulse Width Modulation。它的基本工作原理為：PWM是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進(jìn)行控制，控制方式就是對逆變電路開關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，使輸出端得到一系列幅值相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或所需要的波形。也就是在輸出波形的半個周期中產(chǎn)生多個脈沖，使各脈沖的等值電壓為正弦波形，所獲得的輸出平滑且低次諧波少。按一定的規(guī)則對各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，即可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率?！　? 　　例如，把正

15、弦半波波形分成N等份，就可把正弦半波看成由N個彼此相連的脈沖所組成的波形。這些脈沖寬度相等，都等于 ∏/n ，但幅值不等，且脈沖頂部不是水平直線，而是曲線，各脈沖的幅值按正弦規(guī)律變化。如果把上述脈沖序列用同樣數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列代替，使矩形脈沖的中點(diǎn)和相應(yīng)正弦等分的中點(diǎn)重合，且使矩形脈沖和相應(yīng)正弦部分面積（即沖量）相等，就得到一組脈沖序列，這就是PWM波形?？梢钥闯?，各脈沖寬度是按正弦規(guī)律變化的。根據(jù)沖量相等效果相同的原理，PWM波形和正弦半波是等效的。對于正弦的負(fù)半周，也可以用同樣的方法得到PWM波形。 　　在PWM波形中，各脈沖的幅值是相等的，要改變等效輸出正弦波的幅值時，只

16、要按同一比例系數(shù)改變各脈沖的寬度即可，因此在交－直－交變頻器中，PWM逆變電路輸出的脈沖電壓就是直流側(cè)電壓的幅值。 2.3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 電動機(jī)PWM驅(qū)動模塊的電路采用H橋驅(qū)動，設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)具體電路如圖2.3所示。本電路采用的是基于PWM驅(qū)動原理的電路。 2.3 PWM驅(qū)動原理圖 本文設(shè)計(jì)的電機(jī)驅(qū)動電路如圖所示。我們選用單片機(jī)3.1端口和3.2端口兩個端口對電機(jī)的方向進(jìn)行控制，用3.0端口產(chǎn)生脈沖波，通過控制脈沖波（PWM）可以改變電機(jī)轉(zhuǎn)速。為了阻值電流回流，保證電路可靠運(yùn)行，我們在輸出端接有保護(hù)二極管。 L298是SGS公司生產(chǎn)的電機(jī)驅(qū)動芯片。

17、它不僅可以驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)，也可以對直流電機(jī)進(jìn)行控制。L298N的控制信號使標(biāo)準(zhǔn)TTL電平，該款芯片可以接受的電壓范圍很廣，可以驅(qū)動最大電流為3A的電機(jī)負(fù)載。當(dāng)我們用L298同時驅(qū)動2路電動機(jī)時，需要從兩對輸出口接線 本文設(shè)計(jì)的按鍵電路如圖2.3.1所示。為了簡化編程，節(jié)約單片機(jī)引腳資源，這里采用的是獨(dú)立按鍵。為了實(shí)現(xiàn)電機(jī)的控制功能，這里設(shè)計(jì)5個按鍵，按鍵從左到右分別是模式按鍵，電機(jī)速度加，減，確定按鍵和電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制。 2.3.1 按鍵電路 2.4 LCD顯示模塊 本設(shè)計(jì)采用的LCD設(shè)計(jì)模塊煒LCD1602顯示電路。LCD引腳功能

18、介紹如下： 1腳：VSS接電源負(fù) 2腳：VDD接電源正 3腳：VL腳通過外接一個滑動變阻器，可以對液晶顯示屏的對比度進(jìn)行調(diào)節(jié)，滑動變阻器分壓最小時，液晶顯示屏的對比度最低，滑動變阻器分壓最大時，液晶顯示屏的對比度最高，滑動變阻器的阻值一般取為10K。 4腳：RS是指令和數(shù)據(jù)的選擇端口，如果給這個引腳置位高電平，則表示選取數(shù)據(jù)寄存器功能，如果給這個引腳設(shè)置低電平，則表示選取指令寄存器功能。 5腳：R/W是讀寫控制端口，如果這個引腳給高電平，則設(shè)置為讀控制，如果這個引腳給低電平，則設(shè)置為寫控制。 6腳：EN是使能控制端口，只有在這個端口的下降沿，才能實(shí)現(xiàn)液晶顯示器的各部分功能。 7～

19、14腳：D0～D7為8位雙向數(shù)據(jù)線。 15腳：背光源正極。 16腳：背光源負(fù)極。 2.4.1 LCD1602驅(qū)動電路設(shè)計(jì) 液晶顯示器可以顯示字母、數(shù)字以及符號，在本文的直流電機(jī)控制系統(tǒng)中，可以通過液晶顯示器來顯示直流電機(jī)工作過程中的速度值和設(shè)置值。液晶顯示電路如下圖2.4所示 2.4 LCD1602驅(qū)動電路 2.5 調(diào)速設(shè)計(jì)模塊 PWM波軟件軟件設(shè)計(jì)程序流程圖，如圖2.5所示 2.5 程序流程圖 詳細(xì)編程見附錄

20、 第三章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 3.1 系統(tǒng)主程序編程 系統(tǒng)主程序流程如圖3.1所示。系統(tǒng)上電后首先進(jìn)行初始化，然后對按鍵進(jìn)行描設(shè)，判斷速度按鍵有沒有被按下，如果速度按鍵被按下了，系統(tǒng)就會跳到速度設(shè)定程序?qū)λ俣冗M(jìn)行設(shè)定，，如果速度按鍵沒有被按下，單片機(jī)直接讀取當(dāng)前電機(jī)的轉(zhuǎn)速。通過PID算法計(jì)算，輸出控制信號，使速度穩(wěn)定在設(shè)置值。液晶顯示器顯示當(dāng)前的轉(zhuǎn)速和設(shè)置的轉(zhuǎn)速。 圖3.1 系統(tǒng)主程序流程圖 3.2 定時器T0中斷服務(wù)程序流程 定時器T0中

21、斷服務(wù)程序流程如圖3.2所示，中斷響應(yīng)后，首先關(guān)閉中斷進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過讀取計(jì)數(shù)器數(shù)值來計(jì)算速度，然后調(diào)節(jié)PWM來進(jìn)行調(diào)速，之后將計(jì)數(shù)器清零，重新為定時器裝初值，在打開中斷。 圖3.2 定時器T0中斷服務(wù)程序流程圖 3.3 按鍵掃描程序流程 按鍵掃描流工作的程圖如下圖3.3所示，系統(tǒng)完成初始化后，在循環(huán)程序中對按鍵進(jìn)行掃描，掃描的目的是實(shí)時檢測有沒有按鍵按下，如果檢測到有按鍵按下，這是還不能判斷是否真的按下按鍵，還必須進(jìn)行消抖處理，防止抖動對判斷產(chǎn)生誤判，完成消抖處理后，還需要再次對按鍵進(jìn)行檢測，如果

22、這次還是檢測到有鍵按下，那么就會執(zhí)行相應(yīng)的操作。 圖3.3 鍵盤掃描流程圖 第四章 設(shè)計(jì)總結(jié) 作為一名機(jī)械系的大三學(xué)生，我覺得做單片機(jī)課程設(shè)計(jì)是十分有意義的，而且是十分必要的。在已度過的大學(xué)時間里，我們大多數(shù)接觸的是專業(yè)課。我們在課堂上掌握的僅僅是專業(yè)課的理論知識，如何去鍛煉我們的實(shí)踐能力?如何把我們所學(xué)的專業(yè)基礎(chǔ)課理論知識運(yùn)用到實(shí)踐中去呢?我想做類似的課程設(shè)計(jì)就為我們提供了良好的實(shí)踐平臺。 在這次課程設(shè)計(jì)中，我們運(yùn)用到了以前所學(xué)的專業(yè)課知識，如：CAD制圖、匯編語言、模擬和數(shù)字電路知識等。雖然

23、過去從未獨(dú)立應(yīng)用過它們，但在學(xué)習(xí)的過程中帶著問題去學(xué)我發(fā)現(xiàn)效率很高，這是我做這次課程設(shè)計(jì)的又一收獲。后，要做好一個課程設(shè)計(jì)，就務(wù)必做到：在設(shè)計(jì)程序之前，對所用單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有一個系統(tǒng)的了解，明白該單片機(jī)內(nèi)有哪些資源；要有一個清晰的思路和一個完整的的軟件流程圖；在設(shè)計(jì)程序時，不能妄想一次就將整個程序設(shè)計(jì)好，反復(fù)修改、不斷改善是程序設(shè)計(jì)的必經(jīng)之路； 要養(yǎng)成注釋程序的好習(xí)慣，一個程序的完美與否不僅僅僅是實(shí)現(xiàn)功能，而就應(yīng)讓人一看就能明白你的思路，這樣也為資料的保存和交流帶給了方便；在設(shè)計(jì)課程過程中遇到問題是很正常德，但我們就應(yīng)將每次遇到的問題記錄下來，并分析清楚，以免下次再碰到同樣的問題的課程設(shè)計(jì)

24、結(jié)束了，但是從中學(xué)到的知識會讓我受益終身。 這次課程設(shè)計(jì)最后順利完成了，在設(shè)計(jì)中遇到了很多編程問題，最后在端木傳玉老師的辛勤指導(dǎo)下，最后游逆而解。同時，在端木傳玉老師的身上我學(xué)得到很多實(shí)用的知識，在次我表示感謝！同時，對給過我?guī)兔Φ乃型瑢W(xué)和各位指導(dǎo)老師再次表示忠心的感謝！ 參考文獻(xiàn) [1]李美艷. 基于單片機(jī)的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 電子設(shè)計(jì)工程,2016,(22):158-160. [2]詹莊春. 單片機(jī)控制的直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 綿陽師范學(xué)院學(xué)報(bào),2016,(11):23-27. [3]謝檬,郭霞. 智能小車控制系

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28、3^7； 9.void delay（uint） 10.int pwm=900; 11.void main(void) 12.{ 13. Dir=1; 14. while(1) 15. { 16. if(!Inc) 17. pwm=pwm>0?Pwn-1;0； 18. if(!Dec) 19. pwm=pwm<1000?Pwn+1;1000； 20. Pwm=1； 21. Delay(pwm)； 22， Pw

29、m=0； 23. delay(1000-pwm)； 24. } 25.} 26.void delay(unit j) 27.{ 28. for(j

30、 姓名：夏佳杰 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工作起止時間： 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的內(nèi)容要求：

31、 指導(dǎo)教師（簽名）： 系主任： 年 月 日