直流电机控制系统.doc

单片机应用 课程设计任务书题目直流电机控制系统内容与要求结合微机原理、单片机技术知识，查阅有关资料，设计一个能够控制直流电机定时正反转的自动控制系统，通过仿真实现。要求电机采用PWM无级调速，定时时间通过拨码开关设置，转速通过电位器设置，采用发光二极管显示电机旋转状态。进度安排1、查找资料，提出总体方案 1天2、分析、设计、调试、实现 3天3、检查、整理、写设计报告、小结 1天学生：指导时间：指导地点：任务下达任务完成考核方式1.评阅 2.辩论 指导教师系部主任摘 要 本文是对直流电机PWM调速器设计的研究主要实现对电机的控制。本课程设计主要是实现PWM调速器的加速、减速、停止等操作。并实现电路的仿真。为实现系统的微机控制在设计中采用了AT89C51单片机作为整个控制系统的控制电路的核心局部配以各种显示、驱动模块实现对电动机转速参数的显示和测量，利用ADC0809进展模数转换，由命令输入模块与H型驱动模块组成。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，利用采用PWM调速方式通过改变PWM的占空比从而改变电动机的电枢电压，就是通过调节电位器的位置，进而实现对电动机的调速。然后通过拨码开关设置定时正反转的时间。设计的整个控制系统在硬件结构上采用了大量的集成电路模块大大简化了硬件电路提高了系统的稳定性和可靠性使整个系统的性能得到提高。关键词： AT89C51单片机 L298直流电机 ADC0809Abstract Motor plays an important role in all walks of life, and the motor speed motor is one of the important performance, thus measuring the rotational speed of the motor and the motor speed, to make it meet the needs of people. With the development of science and technology, PWM control of motor speed in a way to bee. This design is a single chip AT89S52 and L298 control of DC motor PWM speed control system, using AT89S52 chip for low cost DC motor control system design, using PWMcontrol mode, by changing the PWM duty ratio so as tochange the motor armature voltage, and then the motor speed control. Design of the whole control system, the hardware structure using a large number of integrated circuit module, greatly simplifying the hardware circuit, improves the stability and reliability of the system, so that the performance of the whole system is improved. Realization of the motor is transferred, reverse, acceleration, deceleration control Key WordsAT89S52、DC motor、PWM Speed Autormatic、L298、ADC0809目 录1 、 课程设计概述5  72、总体方案设计9 设计思路 93、硬件设计10 直流电机工作原理10 PWM调速工作原理11 3.3、芯片和模块分析12 AT89S52芯片 123.3.2 L298153.4 ADC0809模数转换芯片173.5 模块介绍193.5.1 震荡电路193.5.2 AT89S52最小系统 20  拨码开关203.5.4 L298驱动电路213.5.5 系统电路图224 软件设计224.1 软件流程图224.2 C语言程序225. 仿真调试266设计总结271. 概述通过本次课程设计，加强对单片机等一系列只是的巩固与理解，结合微机原理、单片机技术知识，查阅有关资料，设计一个能够控制直流电机定时正反转的自动控制系统，通过仿真实现。要求电机采用PWM无级调速，定时时间通过拨码开关设置，转速通过电位器设置，采用发光二极管显示电机旋转状态。11044230嘉琛11044231周彦章11044232邹地长11044233王琦文1.3、电机在国民经济中的作用 电机是将电能从最初的能源形式转换过来的重要桥梁，又是再将大局部电能转换为机械能的装置，电机在电力工业、工矿企业、农业、交通运输业、国防、科学文化与日常生活等方面都是十分重要的设备，在电力工业中，将机械能转换为电能的发电机以与将电网电压升高或降低的变压器，都是电力系统中的关键设备。在工矿企业中，各种机床电机、轧钢机、压缩机、起重机、风机，交通运输中的汽车电器、电力机车、磁悬浮列车、城市轨道列车，农业中的电力排蘸、农产品加工，日常生活中汽车、办公设备、电冰箱、空调、洗衣机，航海和航空领域中的航船推进电源、航空电机，还有国防、文教、医疗等领域都需要不同特性的电机来驱动和控制。随着工业企业电气化、自动化、电脑化的开展，还需要众多的各种容量的精细控制电机，作为整个自动控制系统中的重要元件。1.4、电机的开展史 电机的历史可追溯到1831年迈克尔法拉第发明的盘式电机，这是一种真正的直流电机。此后，人们对电机的兴趣一直停留在实验室阶段和处于好奇的状态。直到19世纪70年代，托马斯爱迪生为实验真正意义上的电功率分配，以便使电灯进入千家万户，开始了商业目的的直流发电机的研制。在此项工作中，爱迪生提出将电能从集中的发电站输出，然后对用户进展分配这个全新概念。他作为领路人，倡导广泛地运用电动机，并引入电网的根本框架这个概念。 电机历史上主要的里程碑是：1888年尼古拉特斯拉发明了三相感应电动机并申请了专利。特斯拉的交流电的理论领先于查理斯施泰因梅茨十年来，1900年可靠的卷铁芯式变压器问世，从而开创了长距离输电的新纪元。当时，美国为完成电气化的进程又花了30年的时间，而且直到20世纪30年代，美国的农村配电系统还没有完成。但是无论如何，在此期间美国的电气化进程进展得还是很顺利的。电机的推广应用，紧紧跟随着电网扩的脚步。 尽管今天运用的电机学的理论可追溯到100年以前，但是其更新和提高的脚步从来没有停止过。1.5、 单片机的概述 单片机是大规模集成电路技术开展的产物。所谓单片机，通俗地说就是把中央处理器CPUContral Processing Unit、存储器memorry、定时/计数器和I/OInput/Output接口电路等一些计算机的主要功能部件集成在一块电路芯片上的微型计算机。单片机又称为微控制器MCU。中文“单片机是由英文名称Singlc Chip Microputer直接翻译而来。目前，单片机是计算机家族中重要的一员，配上适当的外围设备和软件便可构成一个单片机应用系统。单片机具有功能强、价格低和抗干扰能力强等特点，广泛应用于工农业生产、国防、科研与日常生活等各个领域。1.6、单片机的开展趋势 随着大规模集成电路与超大规模集成电路的开展，单片机将向着更深层次开展，主要表现在以下几个方面： 第一：高集成度。一片单片机部集成的RAM/ROM容量增大，增加了电闪存储器，具有掉电保护功能，并且集成了A/D和D/A转换器、定时/计数器、系统故障检测与DMA电路等。 第二：引脚多功能，随着芯片部功能的增强和资源的丰富，一脚多用的设计方案显示出其重要地位。 第三：高性能。这是单片机开展所追求的一个目标，更高的性能将会使单片机应用系统设计变得更加简单、可靠。 第四：低功耗。这将是未来单片机开展所追求的一个目标，随着单片机集成度的不断提高，由单片机构成的系统体积越来越小，低功耗将是设计单片机产品时首先考虑的指标。2、总体方案设计 设计思路 直流电机PWM控制系统的主要功能包括：实现对直流电机的加速、减速以与电机的正转、反转和启停，能够很方便的实现电机的智能控制。 主体电路：即直流电机PWM控制模块。这局部电路主要由AT89S52单片机的 I/O端口、定时计数器、外部中断扩展、adc809数模转换、拨码开关等控制直流电机的加速、减速以与电机的 正转和反转以与定时时间，能够很方便的实现电机的智能控制。其间是通过AT89S52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。该直流电机PWM控制系统由以下电路模块组成： 设计输入局部：这一模块主要是利用带数模转换的电位器和ADC0809进展数模转换来实现对直流电机的加速、减速以与电机的正转、反转和启停控制,以与对电机的定时旋转。 设计控制局部：主要由AT89S52单片机的外部中断扩展电路组成。直流电机 PWM控制实现局部主要由一些二极管、电机和L298直流电机驱动模块组成。 设计定时局部：通过对拨码开关以与中断进展对电机定时时间进展控制。3、硬件设计ADC0809模数转换直流电机L298驱动芯片AT89C52单片机拨码开关设置时间 直流电机工作原理  对图3.3.1所示的直流电机，如果去掉原动机，并给两个电刷加上直流电源，如上图a所示，如此有直流电流从电刷A流入，经过线圈abcd，从电刷 B 流出，根据电磁力定律，载流导体ab和cd收到电磁力的作用，其方向可由左手定如此判定，两段导体受到的力形成了一个转矩，使得转子逆时针转动。如果转子转到如上图b所示的位置，电刷A和换向片2接触，电刷B和换向片1接触，直流电流从电刷A流入，在线圈中的流动方向是dcba，从电刷B流出。 此时载流导体ab和cd受到电磁力的作用方向同样可由左手定如此判定，它们产生的转矩仍然使得转子逆时针转动。这就是直流电动机的工作原理。外加的电源是直流的，但由于电刷和换向片的作用，在线圈中流过的电流是交流的，其产生的转矩的方向却是不变的。 实用中的直流电动机转子上的绕组也不是由一个线圈构成，同样是由多个线圈连接而成，以减少电动机电磁转矩的波动，绕组形式同发电机。 PWM调速工作原理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。PWM可以应用在许多方面，比如：电机调速、温度控制、压力控制等等。在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并且根据需要改变一个周期“接通和“断开时间的长短。通过改变直流电机电枢上电压的“占空比来达到改变平均电压大小的目的，从而来控制电动机的转速。也正因为如此，PWM又被称为“开关驱动装置，见图2.3.2所示。    PWM信号的占空比 在PWM调速时，占空比是一个重要参数。以下3种方法 都可以改变占空比的值。 1定宽调频法 这种方法是保持t1不变，只改变t2，这样使周期或频率也随之改变。2调频调宽法这种方法是保持t2不变，只改变t1，这样使周期或频率也随之改变。 3定频调宽法 这种方法是使周期T或频率保持不变，而同时改变t1和t2。3.3、芯片和模块分析 AT89S52芯片 单片机选用的是Atmel公司的常用芯片AT89C52，它接收键盘的输入并作出判断，控制数码管的显示。AT89C52完全可以满足此系统设计的功能要求，而且价格廉价，容易获取。 AT89C52是美国Atmel公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片含8k bytes的可反复擦写的只读程序存储器PEROM和256bytes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，与标准MCS51指令系统与8052产品引脚兼容，片置通用8位中央处理器CPU和Flash存储单元，功能强大AT89C52单片机适合于许多较为复杂控制应用场合。AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出I/O端口，同时含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进展编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发本钱。此外，AT89C52提供以下标准功能：8k字节Flash闪速存储器，256字节部RAM，32个I/O口线，3个16位定时/计数器，一个6向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片振荡器与时钟电路。同时，AT89C52可降至0HZ的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口与中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。1 主要功能特性： ·兼容MCS51指令系统。 ·8k可反复擦写(>1000次)Flash ROM，32个双向I/O口，256x8bit部RAM，时钟频率0-24MHz，可编程UART串行通道。 ·3个16位可编程定时/计数器中断，2个串行中断，2个外部中断源，共6个中断源，2个读写中断口线。 其引脚排列图如如下图3.1.1：   AT89C52的引脚排列 引脚功能如下： ·VCC：电源电压·GND：地 ·P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0写“1时，可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址低8位和数据总线复用，在访问期间激活部上拉电阻。 ·P1口：P1是一个带部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动吸收或输出电流4个TTL逻辑门电路。对端口写“1，通过部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流IIL。 ·P2口：P2是一个带有部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动吸收或输出电流4个TTL逻辑门电路。对端口P2写“1，通过部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流IIL。在访问8位地址的外部数据存储器如执行MOVXRI指令时，P2口输出P2锁存器的容。 Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和一些控制信号。 ·P3口：P3口是一组带有部上拉电阻的8位双向I/O口。P3口输出缓冲级可驱动吸收或输出电流4个TTL逻辑门电路。对P3口写入“1时，它们被部上位电阻拉高并可作为输入端口。此时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流IIL。P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，如下表3.1所示：  P3口的第二功能 ·RST：复位输入 。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片复位。 ·ALE/PROG：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE地址锁存允许输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。 ·EA/VPP：外部访问允许。欲使CPU仅访问外部程序存储器地址为0000HFFFFH，EA端必须保持低电平接地。需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时部会锁存EA端状态。如EA端为高电平接Vcc端，CPU如此执行部程序存储器中的指令。Flash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源VPP，当然这必须是该器件是使用12V编程电压VPP。 ·XTAL1：振荡器反相放大器的与部时钟发生器的输入端。 ·XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。3.3.2 L298L298是SGS公司的产品，其部包含4通道逻辑驱动电路，即含二个H 桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号,可驱动46V、2A以下的电机。由L298N构成的PWM功率放大器的工作形式为单极可逆模式, 2 个H 桥的下侧桥晶体管发射极连在一起。 1) L298引脚排列如图3.3.2所示：1脚和15脚可单独引出连接电流采样电阻器，形成电流传号。L298可驱动2个电机, OU T l、OUT2和OUT3、OUT4 之间分别接2个电动机。5、7、10、12脚接输入控制电平，控制电机的正反转，ENA、ENB接控制使能端，控制电机的停转。这些特性使得L298N很适合用作小型直流电机控制芯片。2) L298部的原理图如图3.3.3： L298的部原理图3) L298的逻辑功能 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IN2一样时,电机快速停止。当使能端为低电平时,电动机停止转动。在对直流电动机电压的控制和驱动中，半导体功率器件(L298)在使用上可以分为两种方式：线性放大驱动方式和开关驱动方式。线性放大驱动方式是半导体功率器件工作在线性区，优点是控制原理简单，输出波动小，线性好，对邻近电路干扰小，缺点为功率器件工作在线性区，功率低和散热问题严重。开关驱动方式是使半导体功率器件工作在开关状态，通过脉调制PWM来控制电动机的电压，从而实现电动机转速的控制,L298逻辑功能见表3-2。3.4 ADC0809模数转换芯片ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式AD转换器，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比拟器、8位开关树型DA转换器、逐次逼近  存放器、三态输出锁存器等其它一些电路组成。因此，ADC0809可处理8路模拟量输入，且有三态输出能力，既可与各种微处理器相连，也可单独工作。输入输出与TTL兼容。ADC0809A/D转换芯片引脚功能   ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装    IN0IN7：8路模拟量输入端。   2-12-8：8位数字量输出端。   ADDA、ADDB、ADDC：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路.   ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。    START： AD转换启动信号，输入，高电平有效。    EOC： AD转换完毕信号，输出，当AD转换完毕时，此端输出一个高电平转换期间一直为低电平。    OE：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当AD转换完毕时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。    CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHZ。    REF+、REF-：基准电压。    Vcc：电源，单一5V。    GND：地。ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A，B，C三条地址线的地址信号进展锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进展转换。A，B和C为地址输入线，用于选通IN0IN7上的一路模拟量输入。通道选择表如下表所示。注意：ADC0809应用说明  1ADC0809部带有输出锁存器，可以与AT89S51单片机直接相连。  2初始化时，使ST和OE信号全为低电平。  3送要转换的哪一通道的地址到A，B，C端口上。  4在ST端给出一个至少有100ns宽的正脉冲信号。  5是否转换完毕，我们根据EOC信号来判断。  6当EOC变为高电平时，这时给OE为高电平，转换的数据就输出给单片机了。3.5 模块介绍3.5.1 震荡电路主控芯片需要震荡电路来起振时钟频率。震荡电路的实现可采用单片机利用软件实现，也可直接采用外部时钟电路。单片机处理程序中需要处理中断、查询等，这消耗单片机的资源，为了减少单片机部硬件资源，满足设计要求，提高系统时钟的稳定性，本设计采用了外部震荡电路，振荡电路如图4.4所示，在单片机的XTAL1脚和XTAL2脚第18引脚和第19引脚间外接入震荡电路，根据要求，选取晶振大小为11.0592MHz，C1、C2两个电容容量为30pF，两个电容作用是稳定频率和快速起振。3.5.2 AT89S52最小系统 20AT89S52最小系统主要包括单片机、晶振电路、复位电路、电源电路。   拨码开关每增加一个开关打开，定时时间增加5秒。3.5.4 L298驱动电路由于电机是线圈式的，在运行状态突然转换到停止状态和从顺时针状态突然转换到逆时针状态时会形成很大的方向电流，在电路中假设二极管的作用就是在产生反向电流的时候进展泄流，保护芯片的安全。3.5.5 系统电路图4 软件设计4.1 软件流程图拨码开关外部输入定时器中断服务程序ADC0809模数转换系统主程序系统初始化4.2 C语言程序#include<reg51.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit OE=P10;sbit EOC=P11;sbit ST=P12;sbit CLK=P13;sbit AA=P14;sbit BB=P15;sbit CC=P16;sbit in1=P23;sbit in2=P24;sbit e=P25;sbit led1=P26;sbit led2=P27;uchar time,sec;uint num,k;uint c,m; void delay(char a) /延时程序uint i;while(a-) for(i=0;i<110;i+);int BitCount(unsigned int n) /判断拨码开关有多少个是低电平unsigned int c = 0 ,m=8; while (n >= 0)if(n & 1) = 0)+c ;m-;n >>= 1 ;if(m=0)break; return c ;void main()P1=0X7F; /p1端口必须置才能从外部读引脚TMOD=0X02;/工作方式2TH0=0X14;/T0定时器高位初值TL0=00; /T0初值TR0=1; /启动定时器T0IE=0X82;/EA=1,TE0=1AA=0; /选位BB=0;CC=0;e=1; /L298的使能端in1=1; /L98输入口1,2in2=0;led1=1; /发光二极管的置位与复位led2=0; time=0; /拨码开关的复位while(1) /开始循环k=BitCount(P0);delay(1);if(k=0) /拨码开关置高电平，未启动time=0; /置初值if(k=1) time=5; /有一个开关打开时定时5秒if(k=2) time=10;if(k=3) time=15;if(k=4) time=20;if(k=5) time=25;if(k=6) time=30;if(k=7) time=35;if(k=8) time=40;ST=0;ST=1; /AD转换启动信号，输入，高电平有效。ST=0;while (EOC=0);/判断AD转换是否完毕OE=1; /输出转换得到的数据delay(P3);e=0; /delay(0xFF-P3);e=1;void time0() interrupt 1 using 0/ 中断程序CLK=!CLK; /产生时钟脉冲num+;if(num=4000)num=0; if(time=0)sec=0;sec+;if(sec=time)sec=0;in1=in1; /时间到了设定时间时换向in2=in2;led1=led1; /时间到了设定时间后切换发光二极管led2=led2;5. 仿真调试6设计总结 调试程序和设计电路图的时候要有足够的耐心！