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1、天 津 理 工 大 学课程设计报告题目： 基于单片机的直流调速系统设计学生姓名 孙万亭 学号 20090803 届 2012 班级 电三 指导教师 信建国 专业电气工程及其自动化 概述本文主要研究了利用MCS-51系列单片机，通过PWM方式控制直流电机调速的方法。PWM控制技术以其控制简单、灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式，也是人们研究的热点。由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限，结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM控制技术发展的主要方向之一。本文就是利用这种控制方式来改变电压的占空比实现直流电机速度的控制。文章中采用了专门的芯片组成了
2、PWM信号的发生系统，然后通过放大来驱动电机。利用直流测速发电机测得电机速度，经过滤波电路得到直流电压信号，把电压信号输入给A/D转换芯片最后反馈给单片机，在内部进行PI运算，输出控制量完成闭环控制，实现电机的调速控制。设计内容1 选择电动机参数：额定电压：6V额定转速：6000rpm减速比：1：46.7空载转速：128rpm10ms/转2 电机调速模块采用由三极管组成的H型PWM电路。用单片机控制三极管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机转速。这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高；H型电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制；电子开关的速度很快，稳定性也极佳，是一种广
3、泛采用的PWM调速技术。3 PWM调速工作方式由于单极性工作制电压波开中的交流成分比双极性工作制的小，其电流的最大波动也比双极性工作制的小，所以我们采用了单极性工作制。调脉宽的方式有三种：定频调宽、定宽调频和调宽调频。我们采用了定频调宽方式，因为采用这种方式，电动机在运转时比较稳定；并且在采用单片机产生PWM脉冲的软件实现上比较方便。采用定时器做为脉宽控制的定时方式，这一方式产生的脉冲宽度极其精确，误差只在几个us。4 硬件电路设计框图如下图所示，硬件电路结构初步设想由以下4部分组成：时钟电路、复位电路、单片机、驱动电路。驱动电路部分采用了以GTR为可控开关元件、H桥电路为功率放大电路所构成的
4、电路结构。控制部分采用汇编语言编程控制，AT89C51芯片的定时器产生PWM脉冲波形，通过调节波形的宽度来控制H电路中的GTR通断时间，便能够实现对电机速度的控制。根据硬件系统电路设计框图，对各部分模块的原理进行分析，编写个子模块程序，最终将其组合。图3.1硬件系统电路设计框图二 信号输入电路独立式按键就是各按键相互独立，每个按键各接入一根输入线，一根输入线上的按键工作状态不会影响其他输入线上的工作状态。因此，通过检测输入线的电平状态可以很容易判断哪个按键按下了。独立式按键电路配置灵活，软件简单。但每个按键需要占用一个输入口线，在按键数量较多时，需要较多的输入口线且电路结构复杂，故此种键盘适用
5、于按键较少或操作速度较高的场合。消除键抖动。一般按键在按下的时候有抖动的问题，即键的簧片在按下时会有轻微的弹跳，需经过一个短暂的时间才会可靠地接触。若在簧片抖动时进行扫描就可能得出不正确的结果。因此，在程序中要考虑防抖动的问题。最简单的办法是在检测到有键按下时，等待（延迟）一段时间再进行“行扫描”，延迟时间为1020ms。这可通过调用子程序来解决，当系统中有显示子程序时，调用几次显示子程序也能同时达到消除抖动的目的。电机PWM电路驱动的模块三 系统的软件设计系统的软件设计分析在进行单片机控制系统设计时，除了系统硬件设计外，大量的工作就是如何根据每个生产对象的实际需要设计应用程序。因此，软件设计
6、在控制系统设计中占重要地位。键盘向单片机输入相应控制指令，由单片机通过P3.7输出与转速相应的PWM脉冲，另一口输出高电平，驱动H型桥式电动机控制电路，实现电动机转向与转速的控制。电动机所处速度级以速度档级数表示。速度分4档，快慢与电动机所处速度级快慢一一对应。在程序中通过软件产生PWM，送出预设占空比的PWM波形。PWM（脉冲宽度调制）是一系列周期固定、占空比可调的脉冲系列，由于每个脉冲的高电平时间和低电平时间之和必须等于周期数，所以输出电平的维持时间必须由定时器来控制。设PWM周期为T，高电平时间为TH，低电平时间为TL，电压为VCC，则输出电压的平均值为：UAV =VCC*TH/（TH+
7、TL）=VCC*TH/T=aVCC，当VCC固定时，其电压值取决于PWM波形的占空比a，而PWM的占空比由单片机软件内部用于控制PWM输出的寄存器值决定。软件主要由3部分组成：主程序、键盘扫描程序、中断处理程序。主程序流程如图4-1所示。图4.1 主程序流程图1 定时中断处理程序采用定时方式1，因为单片机使用12M晶振，可产生最高约为65.5ms的延时。对定时器置初值0xFF9C可定时100us。当100us定时时间到，定时器溢出则响应该定时中断处理程序，完成对定时器的再次赋值。 2 PWM脉宽控制 一个脉冲周期可以由高电平持续时间系数c16TimeH和低电平持续时间系数c16TimeL组成，
8、本设计中采用的脉冲频率为10000Hz，可得c16TimeH+c16TimeL=65536，占空比为c16TimeH/(c16TimeH+c16TimeL)，因此要实现定频调宽的调速方式，只需通过程序改变全局变量c16TimeH，c16TimeL的值。产生PWM波程序为： 见附录1程序流程框图：程序内容：（详见附录2）仿真结果与分析未启动仿真时，初始状态： 启动仿真后：示波器显示PWM方波：高速挡（正转）：低速挡（正转）：反转状态：课程设计参考资料1赵影电机与电力拖动M 北京：国防工业出版社，20112何立民单片机与嵌入式系统应用J 基于HCS12的小车智能控制系统设计2007，(3) ：51
9、-53,573方建军何广平智能机器人M北京：化学工业出版社2004 :5-94张立电子世界J电动小车的循迹 2004,(6)：45 5 http:/ 电机 |/+-+-+-+|/|ML_D1|ML_D2| 控制|/+-+-+-+|/| 0 | 0 | 停止|/| 0 | 1 | 正 |/| 1 | 0 | 反 |/| 1 | 1 | 禁用|/+-+-+-+|/=#include #include PubDefine.h#include MotorCtrl.h/=sbit P17=P37;/=codeintKP=Kp; /比例常数codeintKD=Kd; /微分常数code intKI=Ki;
10、 /积分常数/=/= 初始化CPU=void Ini_T0(void)/T0：位计数器TMOD &= 0xF0;TMOD |= 0x05;/计数方式TL0 = 0;TH0 = 0;PT0=0;/低优先级ET0=0;/T0中断禁止TR0=1;T0=1;/P34=1/=void Ini_T1(void)/T1：位计数器TMOD &= 0x0F;TMOD |= 0x50;/计数方式TL1 = 0;TH1 = 0;PT1=0;/低优先级ET1=0;/T0中断禁止TR1=1;T1=1;/P35=1/=void Ini_T2(void)/T2：定时器16重装时间初值方式RCLK=0;/接收时钟禁止TCLK
11、=0;/发送时钟禁止EXEN2=0;/T2EN端外部信号无效C_T2=0;/定时器CP_RL2=0;/重装时间初值RCAP2H=c16TimeH;RCAP2L=c16TimeL;PT2=1;ET2=1;/T2中断开TR2=1;/=void Ini_ExInt(void)/INT0,INT1 下降沿触发IT0=1;/下降沿触发EX0=1;/外中断开启PX0=0;/低优先级IT1=1;/下降沿触发EX1=1;/外中断开启PX1=0; /低优先级/=/用于L电机测速void ExInt0 (void) interrupt 0 sLrpm=sLrpm+20;if (sLrpmMaxRPM)sLrpm=
12、MinRPM;/=void timer2 (void) interrupt 5 using 3TR2=0;if (PwmCyc+)=cPwmCyc)PwmCyc=0;PWML=!(PwmCyc=PwmValL);PWMR=!(PwmCyc=PwmValR);ExTimer+;if (ExTimer=c250ms)GetCountVal(cLMotor,Lrpm);mLrpm=filter(Lrpm);ExTimer=0;ExSec+;if(ExSec=c250ms)P17=!P17;ExSec=0;TR2=1;TF2=0;附录2while(1) if (PwmValL=0) DispDigit
13、(PwmValL,0);elseDispDigit(PwmValL+10,0); stop=1; fanxiang=1;acc=1 ; subb=1 ; if (stop=0)delay_1ms(10);if (stop=0)if(PwmValL-1)ML_D1=1;ML_D2=0;PwmValL=30;DispDigit(PwmValL+10,0);elsePwmValL=0;DispDigit(PwmValL+10,0); if (fanxiang=0)delay_1ms(10);if (fanxiang=0) ML_D1=!ML_D1;ML_D2=!ML_D2;DispDigit(Pwm
14、ValL+10,0); if ( acc=0)delay_1ms(10);if ( acc=0)PwmValL=PwmValL+5;DispDigit(PwmValL+10,0);if (subb=0)delay_1ms(10); if (subb=0) PwmValL=PwmValL-5; DispDigit(PwmValL+10,0); 主程序（main.c）void main (void)Ini_ExInt();Ini_T0();Ini_T1();Ini_T2();delay_1ms(10); /延时100msEA=1; /全局中断开PwmCyc=cPwmCyc;PwmValL=0;Pw
15、mValR=0;P2=0xFF;P2&=0xFE;RXD=0;TXD=1;Lrpm0=1;Rrpm0=1;P2=0xFF;P2&=0xFE;RXD=0;TXD=1; sLrpm=0;sRrpm=0;ExSec=0;ExTimer=0; /=while(1) if(ML_D1=0)&(ML_D2=1) if (PwmValL=0) DispDigit(16,PwmValL);elseDispDigit(16,PwmValL+10);else if (PwmValL=0) DispDigit(0,PwmValL);elseDispDigit(0,PwmValL+10); stop=1; fanxi
16、ang=1;acc=1 ; subb=1 ; if (stop=0)delay_1ms(10);if (stop=0)if(PwmValL-1)ML_D1=1;ML_D2=0;PwmValL=30;DispDigit(0,PwmValL+10);elsePwmValL=0;DispDigit(0,PwmValL+10); if (fanxiang=0)delay_1ms(10);if (fanxiang=0) ML_D1=!ML_D1;ML_D2=!ML_D2; if(ML_D1=0)&(ML_D2=1)DispDigit(0,PwmValL+10); else DispDigit(16,Pw
17、mValL+10); if ( acc=0)delay_1ms(10);if ( acc=0)PwmValL=PwmValL+1;DispDigit(0,PwmValL+10);if (subb=0)delay_1ms(10); if (subb=0) PwmValL=PwmValL-1; DispDigit(0,PwmValL+10); 课程设计任务书、指导书课程设计题目：基于单片机的直流电机调速系统 .课程设计任务书一、课程设计的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作量）1课程设计的内容在本次课程设计中，设计出以C51为控制核心的直流调速系统。此系统采用PWM调制方式，实现直流电机的起动
18、、加速、减速、停止、反转等操作。设计的主要内容包括1. 直流调速系统驱动主电路的设计；2. 直流调速系统控制器基本电路的设计；3. 直流调速系统人机接口电路的设计；4. 直流调速系统转速测量电路的设计（可选）；5. 控制程序的流程图设计；6. 控制程序代码。2课程设计的要求设计的技术要求：1. 采用H桥电路芯片L298完成功率电路的设计，并具有相应的保护电路；2. 人机接口电路使用按键实现起动、加速、减速、反转、制动的功能，同时包括速度的数字显示（数码管或液晶方式）；3. 转速测量电路采用霍尔器件采集转数并转换为脉冲回传单片机；4. 程序的设计应当采用PWM控制方式实现转速的连续变化，以及电机
19、的起动、调速、制动、反转等功能（紧急制动采用电压反接制动方式）；设计成果要求：1. 设计报告中应当包括调速原理介绍、调速系统总体方案分析、各子电路设计、程序设计等部分组成；2. 设计报告应提供PROTUSE绘制的调速系统电路图；3. 设计报告应给出程序流程图和程序代码，并添加注释。二、课程设计参考资料1赵影电机与电力拖动M 北京：国防工业出版社，20112何立民单片机与嵌入式系统应用J 基于HCS12的小车智能控制系统设计2007，(3) ：51-53,573方建军何广平智能机器人M北京：化学工业出版社2004 :5-94张立电子世界J电动小车的循迹 2004,(6)：45 5 http:/
20、H桥芯片的特点及在直流电机转速控制中的应用技巧；2. PWM驱动技术及PWM参数与转速之间的关系；3. 霍尔器件的信号采集方法；4. 各子程序的优先级分配。设计步骤：1. 了解直流电机转速控制方法和制动方法；2. 了解H桥电路在驱动直流电机过程中的使用方法；3. 了解键盘、液晶或数码管使用的要点；4. 直流电机调速系统总体方案的分析；5. 调速系统硬件设计；6. 调速系统软件设计；7. 仿真分析；8. 整理设计结果，撰写报告。二、主要技术关键的分析、解决思路1. H桥电路设计电流电机为感性负载，因此，在进行H桥电路设计时，应当考虑到这一点，设置感性电路所需的释放回路；2. 键盘设计键盘提供调速
21、控制系统的输入信号，信号质量的高低影响准确性，因此，对于键盘输入的防抖动处理是非常关键的。为了提高键盘的响应速度，应当考虑使用硬件防抖措施；3. PWM驱动程序设计直流电机的控制过程包括起动、加速、减速、制动、反转等过程，针对这些过程，PWM控制程序采用的方法影响控制的效果。为了提高控制性能，应当考虑PWM采用非固定周期和占空比组合调整三、课程设计进度安排起 迄 日 期工 作 内 容2012-5-192012-5-20了解直流电机调速、PWM 技术、单片机设计知识。2012-5-212012-5-27设计单片机最小系统。设计H桥驱动电路、人机接口电路和转速采集电路。软件设计。2012-5-282012-5-29实验研究2012-5-302012-5-31整理设计结果并撰写课程设计报告。