【正文】 直流電機設(shè)計方案第1章 緒 論當(dāng)今，自動化控制系統(tǒng)已經(jīng)在各行各業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展，而直流驅(qū)動控制作為電氣傳動的主流在現(xiàn)代化生產(chǎn)中起著主要作用。長期以來，直流電動機因其轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)比較靈活，方法簡單，易于大范圍平滑調(diào)速，控制性能好等特點，一直在傳動領(lǐng)域占有統(tǒng)治地位。它廣泛應(yīng)用于數(shù)控機床、工業(yè)機器人等工廠自動化設(shè)備中。隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大，各個行業(yè)對直流電機的需求愈益增大，并對其性能提出了更高的要求。為此，研究并制造高性能、高可靠性的直流電機控制系統(tǒng)有著十分重要的現(xiàn)實意義。 本文設(shè)計開發(fā)了一套基于單片機的直流電機多速控制器，作為其配套的試驗裝置。論文根據(jù)系統(tǒng)的要求完成了整體方案設(shè)計和系統(tǒng)選型，針對所設(shè)計的控制方案對控制系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計作了詳細論述。硬件部分先作了整體設(shè)計，然后介紹了以AT89S51單片機為核心的硬件構(gòu)成，對調(diào)速電路、測量電路、閉環(huán)檢測電路和顯示電路等作了詳細闡述。軟件部分采用模塊化設(shè)計思想，編制了各個模塊的流程圖。論述了軟件的設(shè)計思想和方法。實現(xiàn)了對直流電動機轉(zhuǎn)動參數(shù)的設(shè)置、啟動、停止、加速、減速、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和顯示等功能。利用AT89S51芯片進行低成本直流電動機控制系統(tǒng)的設(shè)計，能夠簡化系統(tǒng)構(gòu)成、降低系統(tǒng)成本、增強系統(tǒng)性能、滿足更多應(yīng)用場合的需要。針對直流電機運行環(huán)境惡劣、干擾嚴重的特點，從系統(tǒng)的硬件設(shè)計、軟件設(shè)計等多方面進行抗干擾的綜合考慮，并利用多種軟件和硬件技術(shù)來提高和改善系統(tǒng)的抗干擾能力，有效地提高了系統(tǒng)的可靠性和實用性。運行結(jié)果表明，系統(tǒng)實現(xiàn)了電機的高精度多速度控制，達到了性能指標(biāo)要求。本設(shè)計將介紹一種基于單片機的直流電機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用以單片機為核心，產(chǎn)生PWM（脈寬調(diào)制）信號；通過H橋驅(qū)動電路來控制直流電機的啟動、速度、暫停以及方向的變化；并且采用鍵盤作為輸入，加減改變PWM信號數(shù)據(jù)；通過LCD液晶顯示屏顯示電動機的轉(zhuǎn)速。對電動機的控制可分為簡單控制和復(fù)雜控制兩種，簡單控制是對電動機進行啟動、制動、正反轉(zhuǎn)控制和順序控制，復(fù)雜控制是對電動機的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)矩、電壓、電流等物理量進行控制。本次設(shè)計可以作為簡單控制向復(fù)雜控制的過度，實現(xiàn)直流電機啟動、制動、正反轉(zhuǎn)控制和順序控制外，還要進行轉(zhuǎn)速控制。為以后復(fù)雜控制做為基礎(chǔ)學(xué)習(xí)。 主要內(nèi)容如下1. 通過鍵盤設(shè)定步進電機的轉(zhuǎn)速及方向2. 接通電源后LCD液晶屏第一行用英文顯示“電動機運行狀態(tài)”的字樣，第二行顯示出電動機當(dāng)前用行狀態(tài)。3. 電動機運行狀態(tài)用過鍵盤來控制。4. 其中四只按鍵來控制電機正傳、反轉(zhuǎn)、停止和暫停，另外四只按鍵分別來控制電機速度每分鐘加、減5轉(zhuǎn)或每分鐘加、減1轉(zhuǎn)。5. 所有運行狀態(tài)在LCD液晶屏上都會顯示出來。一、 設(shè)計方案比較與分析：電機調(diào)速控制模塊：方案一：采用電阻網(wǎng)絡(luò)或數(shù)字電位器調(diào)整電動機的分壓，從而達到調(diào)速的目的。但是電阻網(wǎng)絡(luò)只能實現(xiàn)有級調(diào)速，而數(shù)字電阻的元器件價格比較昂貴。更主要的問題在于一般電動機的電阻很小，但電流很大；分壓不僅會降低效率，而且實現(xiàn)很困難。方案二：采用繼電器對電動機的開或關(guān)進行控制，通過開關(guān)的切換對小車的速度進行調(diào)整。這個方案的優(yōu)點是電路較為簡單，缺點是繼電器的響應(yīng)時間慢、機械結(jié)構(gòu)易損壞、壽命較短、可靠性不高。方案三：采用由達林頓管組成的H型PWM電路。用單片機控制達林頓管使之工作在占空比可調(diào)的開關(guān)狀態(tài)，精確調(diào)整電動機轉(zhuǎn)速。這種電路由于工作在管子的飽和截止模式下，效率非常高；H型電路保證了可以簡單地實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制；電子開關(guān)的速度很快，穩(wěn)定性也極佳，是一種廣泛采用的PWM調(diào)速技術(shù)。兼于方案三調(diào)速特性優(yōu)良、調(diào)整平滑、調(diào)速范圍廣、過載能力大，因此本設(shè)計采用方案三。PWM調(diào)速工作方式：方案一：雙極性工作制。雙極性工作制是在一個脈沖周期內(nèi)，單片機兩控制口各輸出一個控制信號，兩信號高低電平相反，兩信號的高電平時差決定電動機的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。方案二：單極性工作制。單極性工作制是單片機控制口一端置低電平，另一端輸出PWM信號，兩口的輸出切換和對PWM的占空比調(diào)節(jié)決定電動機的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。由于單極性工作制電壓波開中的交流成分比雙極性工作制的小，其電流的最大波動也比雙極性工作制的小，所以我們采用了單極性工作制。PWM調(diào)脈寬方式：調(diào)脈寬的方式有三種：定頻調(diào)寬、定寬調(diào)頻和調(diào)寬調(diào)頻。我們采用了定頻調(diào)寬方式，因為采用這種方式，電動機在運轉(zhuǎn)時比較穩(wěn)定；并且在采用單片機產(chǎn)生PWM脈沖的軟件實現(xiàn)上比較方便。PWM軟件實現(xiàn)方式：方案一：采用定時器做為脈寬控制的定時方式，這一方式產(chǎn)生的脈沖寬度極其精確，誤差只在幾個us。方案二：采用軟件延時方式，這一方式在精度上不及方案一，特別是在引入中斷后，將有一定的誤差。但是基于不占用定時器資源，且對于直流電機，采用軟件延時所產(chǎn)生的定時誤差在允許范圍，故采用方案二。 二、 系統(tǒng)分析與設(shè)計：總體設(shè)計方案的硬件部分詳細框圖如圖一所示。鍵盤向單片機輸入相應(yīng)控制指令，另一口輸出低電平，經(jīng)過信號放大、光耦傳遞，驅(qū)動H型橋式電動機控制電路，實現(xiàn)電動機轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速的控制。電動機的運轉(zhuǎn)狀態(tài)通過LCD顯示出來。電動機所處速度級以速度檔級數(shù)顯示。正轉(zhuǎn)時數(shù)字向右移動，反轉(zhuǎn)時數(shù)字向左移動。移動速度分7檔，快慢與電動機所處速度級快慢一一對應(yīng)。每次電動機啟動后開始計時，停止時LCD顯示出本次運轉(zhuǎn)所用時間。系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計與分析電動機PWM驅(qū)動模塊的電路設(shè)計與實現(xiàn)具體電路見下圖二。本電路采用的是基于PWM原理的H型橋式驅(qū)動電路。圖二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)生反向電壓的保護作用。4個電感在電路中是起防止電動機兩端的電流和晶體管上的電流過大的保護作用。在實驗中的控制系統(tǒng)電壓統(tǒng)一為5v電源，因此若達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，加到電動機兩端的電壓就只有4V左右，嚴重減弱了電動機的驅(qū)動力?；谏鲜隹紤]，我們運用了4N25光耦集成塊，將控制部分與電動機的驅(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；電動機驅(qū)動部分通過外接12V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。在電動機驅(qū)動信號方面，我們采用了占空比可調(diào)的周期矩形信號控制。脈沖頻率對電動機轉(zhuǎn)速有影響，脈沖頻率高連續(xù)性好，但帶帶負載能力差脈沖頻率低則反之。經(jīng)實驗發(fā)現(xiàn)，脈沖頻率在40Hz以上，電動機轉(zhuǎn)動平穩(wěn)，但加負載后，速度下降明顯，低速時甚至?xí)＾D(zhuǎn)；脈沖頻率在10Hz以下，電動機轉(zhuǎn)動有明顯跳動現(xiàn)象。實驗證明，脈沖頻率在15Hz30Hz時效果最佳。而具體采用的頻率可根據(jù)個別電動機性能在此范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。通過N1輸入信號，N2輸入低電平與N1輸入低電平，N2輸入信號分別實現(xiàn)電動機的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)功能。通過對信號占空比的調(diào)整來對車速進行調(diào)節(jié)。速度分7檔控制，從高電平（第6檔）到低電平（第0檔）中間占空比以20%逐極遞減。速度微調(diào)方面，可以通過對占空比以1%的跨度逐增或逐減分別實現(xiàn)對速度的逐加或逐減。系統(tǒng)的軟件設(shè)計本系統(tǒng)編程部分工作采用KELIC51語言完成，采用模塊化的設(shè)計方法，與各子程序做為實現(xiàn)各部分功能和過程的入口，完成鍵盤輸入、按鍵識別和功能、PWM脈寬控制和LED顯示等部分的設(shè)計。單片機資源分配如下表：P0 顯示模塊接口 外部中斷0（） 鍵盤中斷P1 鍵盤模塊接口 系統(tǒng)主函數(shù)流程如圖三：①PWM脈寬控制：本設(shè)計中采用軟件延時方式對脈沖寬度進行控制，延時程序函數(shù)如下：void delay(unsigned char dlylevel){int i=50*dlylevel。while(i)。}此函數(shù)為帶參數(shù)DLYLEVEL，約產(chǎn)生DLYLEVEL*400us的延時，因此一個脈沖周期可以由高電平持續(xù)時間系數(shù)hlt和低電平持續(xù)時間系數(shù)llt組成，本設(shè)計中采用的脈沖頻率為25Hz，可得hlt+llt=100，占空比為hlt/(hlt+llt)，因此要實現(xiàn)定頻調(diào)寬的調(diào)速方式，只需通過程序改變?nèi)肿兞縣lt，llt的值，該子程序流程圖如圖四。②鍵盤中斷處理子程序：采用中斷方式，按下鍵，響應(yīng)該中斷處理程序，完成延時去抖動、鍵碼識別、按鍵功能執(zhí)行。調(diào)速檔、持續(xù)加/減速：調(diào)速檔通過（06）共七檔固定占空比，即相應(yīng)檔位相應(yīng)改變hlt，llt的值，以實現(xiàn)調(diào)速檔位的實現(xiàn)。而要實現(xiàn)按住加/減速鍵不放時恒加或恒減速直到放開停止，就需在判斷是否松開該按鍵時，每進行一次增加/減少1%占空比（即hlt++/。llt/++）,其程序流程圖如圖五。③顯示子程序：利用數(shù)組方式定義顯示緩存區(qū)，緩存區(qū)有8位，分別存放各個LED管要顯示的值。顯示子程序為一帶參子程序，參數(shù)為顯示緩存的數(shù)組名，通過for(i=0。i8。i++)方式對每位加上位選碼，送到P0口并進行一兩毫秒延時。該顯示子程序只對各個LED管分別點亮一次，因此在運行過程中，每秒執(zhí)行的次數(shù)不應(yīng)低于每秒24次。④定時中斷處理程序：采用定時方式1，因為單片機使用12M晶振。對定時器置初值3CB0H可定時50ms。當(dāng)50ms定時時間到，定時器溢出則響應(yīng)該定時中斷處理程序，完成對定時器的再次賦值，并對全局變量time加1，這樣，通過變量time可計算出系統(tǒng)的運行時間。對于一個數(shù)的顯示，先應(yīng)轉(zhuǎn)成BCD碼，即取出每一個位，分別送入顯示緩存區(qū)，對于轉(zhuǎn)BCD的算法，應(yīng)對一個數(shù)循環(huán)除10取模，直至為0，程序如下：do{dispbuff[bcd_p]=bechange%10。 //dispbuff為顯示緩沖區(qū)數(shù)組bcd_p++。}while(bechange/=10) //disp_p為數(shù)組指針軟件設(shè)計中的特點: 對于電機的啟停，在PWM控制上使用漸變的脈寬調(diào)整，即開啟后由停止勻加速到默認速度，停止則由于當(dāng)前速度逐漸降至零。這樣有利于保護電機，如電機運用于小車上，在啟動上采用此方式也可加大啟動速度，防止打滑。 對于運行時間的計算、顯示。配合傳感器技術(shù)可用于計算距離，速度等重要的運行數(shù)據(jù)。 鍵盤處理上采用中斷方式，不必使程序?qū)︽I盤反復(fù)掃描，提高了程序的效率。三、 測試結(jié)果與分析：本設(shè)計在硬件上采用了基于PWM技術(shù)的H型橋式驅(qū)動電路，解決了電機馬驅(qū)動的效率問題，在軟件上也采用較為合理的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及算法，提高了單片機的使用效率，且具有一定的防飛能力。但該設(shè)計也有不足之處，主要是在關(guān)于速度的反饋上，無法提供較為直觀的速度表示方式，因此，有必要引入傳感器技術(shù)對速度進行反饋，以rpm或rps表達當(dāng)前的轉(zhuǎn)速進行顯示。第2章 設(shè)計理論基礎(chǔ)本設(shè)計系統(tǒng)的基本組成單元包括單片機最小系統(tǒng)、H驅(qū)動電路橋、LCD顯示器、鍵盤掃描電路，本章將逐一進行介紹。1970年微型計算機研制成功之后，隨之即出現(xiàn)了單片機（即單片微型計算機）— 美國Intel公司1971年生產(chǎn)的4位單片機4004和1972年生產(chǎn)的雛形8位單片機8008，這也算是單片機的第一次公眾亮相。1976年Intel公司首先推出能稱為單片機的MCS48系列單片微型計算機。它以體積小、功能全、價格低等特點，贏得了廣泛的應(yīng)用，同時一些與單片機有關(guān)公司都爭相推出各自的單片機。1978年下半年Motorola公司推出M6800系列單片機，Zilog公司相繼推出Z8單片機系列。1980年Intel公司在MCS48系列基礎(chǔ)上又推出高性能的MCS51系列單片機。這類單片機均帶有串行I/O口，定時器/計數(shù)器為16位，片內(nèi)存儲容量（RAM，ROM）都相應(yīng)增大，并有優(yōu)先級中斷處理功能，單片機的功能、尋址范圍都比早期的擴大了，它們是當(dāng)時單片機應(yīng)用的主流產(chǎn)品。1982年Mostek公司和Intel公司先后又推出了性能更高的16位單片機MK68200和MCS96系列，NS公司和NEC公司也分別在原有8位單片機的基礎(chǔ)上推出了16位單片機HPC16040和μPD783系列。1987年Intel公司又宣布了性能比8096高兩倍的CMOS型80C196，1988年推出帶EPROM的87C196單片機。由于16位單片機推出的時間較遲、價格昂貴、開發(fā)設(shè)備有限等多種原因，至今還未得到廣泛應(yīng)用。而8位單片機已能滿足大部分應(yīng)用的需要，因此，在推出16位單片機的同時，高性能的新型8位單片機也不斷問世?？v觀這短短的20年，經(jīng)歷了4次更新?lián)Q代，單片機正朝著集成化、多功能、多選擇、高速度、低功耗、擴大存儲容量和加強I/O功能及結(jié)構(gòu)兼容的方向發(fā)展。新一代的80C51系列單片機除了上述的結(jié)構(gòu)特性外，其最主要的技特點是向外部接口電路擴展，以實現(xiàn)微控制器（microcontroller）完善的控制功能為己任。這一系列單片機為外部提供了相當(dāng)完善的總線結(jié)構(gòu)，為系統(tǒng)的擴展和配置打下了良好的基礎(chǔ)。由于80C51系列單片機所具有的一系列優(yōu)越的特點，獲得廣泛使用指日可待。下面我們就來重點介紹一下本畢業(yè)論文討論的系統(tǒng)所用的AT89C51系列單片機。 AT89C51系列單片機介紹 AT89C51系列基本組成及特性AT89C51是一種帶4k字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。而在眾多的51系列單片機中，要算 ATMEL 公司的AT89C51更實用，也是一種高效微控制器，因為它不但和8051指令、管腳完全兼容，而且其片內(nèi)的4K程序存儲器是FLASH工藝的，這種工藝的存儲器，用戶可以用電的方式達到瞬間擦除、改寫。而這種單片機對開發(fā)設(shè)備的要求很低，開發(fā)時間也大大縮短。AT89C51基本功能描述如下：AT89C51是一種低損耗、高性能、CMOS八位微處理器，而且在其片種還有4k字節(jié)的在線可重復(fù)編程快擦快寫程序存儲器，能重復(fù)寫入/擦除1000次，數(shù)據(jù)保存時間為十年。它與MCS51系列單片機在指令系統(tǒng)和引腳上完全兼容，不僅可完全代替MCS51系列單片機，而且能使系統(tǒng)具有許多MCS51系列產(chǎn)品沒有的功能。AT89C51可構(gòu)成真正的單片機最小應(yīng)