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1、南京铁道职业技术学院毕 业 论 文题 目： 基于单片机的直流电机调速系统设计 作 者： 陈志森 学 号： 03314100227二级学院： 动力工程学院 系 ： 铁道机车车辆系 专 业： 铁道机车车辆 班 级： 机车车辆1001班 指导者： 王华 高级工程师 评阅者： 2013年 6月 毕业设计中文摘要基于单片机的直流电机调速系统设计摘要 直流电机具有良好的启动性能和调速特性，而且直流调速系统向数字化方向发展成为了趋势。本文首先给了总体方案的设计，然后分别介绍了单片机最小系统、电源系统、调速系统、红外对管测速系统、1602液晶显示系统等各子系统的结构组成及功能实现原理，以及主程序、PWM波发生
2、模块、测速系统以及液晶显示系统等功能实现的软件程序流程图。并且通过对模拟仿真和实际硬件电路搭建，从而完成了一套能够实现直流电机正转、反转、加速、减速、停止等功能的基于单片机的直流电机调速系统。关键词： 电机调速 PWM 单片机 液晶显示 测速第 1 页 共 1 页目 次1 引言21.1 研究背景21.2 研究的目的和意义21.3 本文的主要工作32 系统的功能及组成32.1 系统的功能32.2 系统的任务分析33 系统硬件电路设计43.1 最小系统设计43.2 电源系统设计63.3 电机调速系统设计73.4 红外对管测速系统设计103.5 1602液晶显示系统设计114 软件设计原理124.1
3、 主程序流程图124.2 PWM波发生模块程序流程图134.3 测速系统程序流程图134.4 液晶显示系统程序流程图145 proteus模拟仿真155.1 硬件电路155.2 波形分析156 实验结果分析186.1 硬件电路186.2 波形分析18结 论21致 谢22参考文献23第 23 页 共 23 页1 引言随着计算机和电力电子技术的发展，现代控制理论的广泛应用，使自动化技术得到了较大的发展。低成本的自动化设备的开发，现在越来越受到国内外的注意。特别对于现代小型企业，应用先进的设备，不仅可以获得更多经济效益，而且还能提高可靠性、生产率。在现代电子产品中，直流电机广泛应用在电子仪器设备、自
4、动控制系统、电子玩具、家用电器等等方面。大家生活中熟悉的录音机、录相机、电唱机、电子计算机等，都使用着直流电机。1.1 研究背景近30年来，随着电力电子技术的快速发展，电机自动化控制得到了很大的飞跃。由原来采用的晶闸管，到后来采用了双向可控硅。在这之后，半控型功率器件一直在电机控制市场被广泛应用。到70和80年代， GTO晶闸管、IGBT等全控型功率元件的出现，取代了以前普通晶闸管系统所需要的换相电路，使电路结构更加简化，并且提高了其工作频率，缩小了控制装置的重量和体积。后来，斩波器或PWM变流器逐步取代了功率因数差、谐波成分大的相控变流器，大大提高了调速的精度。直流电机PWM调速系统发展产生
5、于70年代的中期。其最早用于小功率、不可逆驱动。近几年来，随着电力电子技术的发展以及永磁直流电机的出现，它们之间的结合促使PWM技术的高速发展，并使电机驱动技术推进到一个新的高度。 在国外，脉宽调制技术最早是在空间技术以及军事工业中应用。它满足那些高精度、高速度控制系统的要求。近年来，在自动生产线、机床行业以及机器人等领域中得到了广泛应用。1.2 研究的目的和意义直流调速系统调速精度高,控制简单, 范围广,在调速传动系统中长期以来占有统治地位。计算机控制技术的发展,全数字化控制电机控制得到了广泛使用。其优点有：控制手段比较灵活方便,抗干扰的能力较强。随着电力电子技术的发展，开关速度更快、控制更
6、容易的全控型功率器件MOSFET和IGBT成为主流。PWM技术的优越型得到了广泛认可：主电路简单，使用的功率元件少；开关频率高，谐波少，电机损耗和发热都比较小；其调速范围宽；其快速响应性能比较好，抗扰能力比较强。研究出一套需要用的功率元件少、开关频率高、调速范围宽、系统快速响应性能好，动态抗扰能力强的直流调速系统已经成为了时代发展的要求。1.3 本文的主要工作本文主要通过介绍了一种基于STC89C52RC单片机产生PWM波对直流调速系统的设计，并对电路中的重要子系统组成及作用做了详细分析。2 系统的功能及组成2.1 系统的功能该系统主要通过单片机产生PWM波，设计出适合的驱动模块，对直流电机进
7、行调速，实现直流电机的加速、减速、正转、反转、停止等功能。2.2 系统的任务分析该系统的实现，主要需要通过单片机最小系统、电源系统、调速系统、测速系统、液晶显示系统以及相应的键盘模块等几个子系统组成。如图2.1,为该系统功能实现的结构框图。单片机（速度的测量计算、输入设定及系统控制）单片机（PWM模拟发生器）电机红外对管测速驱动电路键 盘1602液晶显示图2.1 电机调速系统框图该硬件系统主要设计难点主要在于：调速系统和测速显示系统两个部分，其中调速系统主要包括PWM模拟发生器模块和驱动电路模块以及键盘模块；测速显示系统主要包括测速模块和1602液晶显示模块。3 系统硬件电路设计3.1 最小系
8、统设计单片机最小系统主要是为了产生PWM从而实现对电机的调速，以及实现各子系统功能的配合。3.1.1 单片机选型单片机是单片微型计算机的简称，是指在一块芯片上集成了中央处理器CPU、程序存储器ROM或EPROM、定时器、随机存储器RAM、中断控制器以及串行和并行I/O接口等部件，组成了一个完整的微型计算机。目前，新型单片机内还有高速输入/输出、A/D及D/A转换器等部件。该系统主要包括PWM产生部分、键盘、显示、通讯、测速反馈等设备，完成对直流电机速度的控制。这里选用了STC89C52单片机，它与Intel 51系列单片机完全兼容。其内部配置了8KB的Flash Memory ，无须扩展外部存
9、贮器。同时这种8位单片机的总线结构与LCD1602液晶显示完全兼容，可以直接相连。该单片机价格低廉，使用方便。（1）STC89C52结构框图（图3.1）图3.1 STC89C52结构框图（2）STC89C52各引脚功能表3.1 STC89C52单片机各引脚功能引脚名称编号功能主电源引脚VCCPin40电源输入GNDPin20接地外接晶振引脚XTAL1Pin19片内振荡电路的输入端XTAL2Pin20片内振荡电路的输出端控制引脚RSTPin9复位引脚PROGPin30允许地址锁存PSENPin29外部存储器读选EAPin31选通程序存储器的内外部可编程输入 输出引脚P0Pin3932漏极开路型的
10、双向I/O口P1Pin18内部带提升电阻的8位准双向I/O口P2Pin2128内部带提升电阻的8位准双向I/O口P3Pin1017内部带提升电阻的8位准双向I/O口3.1.2 时钟电路时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号，单片机本身是一个复杂的同步时序系统，为了保证同步工作方式的实现，单片机必须有时钟信号，以使其系统在时钟信号的控制下，按时序协调控制。时钟电路主要分为外部方式的时钟电路和内部方式的时钟电路。内部方式的时钟电路如图3.2(a)，在TXD和RXD的引脚上外接一些定时元件，内部振荡器就会产生自激振荡。晶体振荡频率常使用12MHz，频率的微调作用一般是通过改变电容值的大小，电容值
11、一般在530pF这个区间内选择。外部方式的时钟电路如图3.2（b），RXD引脚接地，TXD引脚接外部振荡器。外部振荡信号，我们一般使用方波信号，其频率一般低于12MHz。片内时钟发生器产生一个两相时钟P1和P2，供单片机使用。（a）内部方式时钟电路 （b）外部方式时钟电路图3.2 时钟电路3.1.3 复位电路计算机在启动前需要复位，使系统从初始状态开始工作。（1）复位操作51单片机有一个复位引脚RST，在单片机工作以后，只要在此引脚上出现两个机器周期以上的高电平，就能确保单片机可靠复位i，即程序从0000H单元开始执行。如果此脚一直处于高电平，则单片机始终维持在复位状态，只有当RST变成低电平
12、后，才退出复位，程序继续向下执行。复位操作一般使用于：1.对系统进行正常初始化；2操作错误从而导致程序运行出错或系统处于死锁状态时。（2）复位电路单片机的复位信号是高电平信号有效，持续24个的振荡周期以上为单片机复位电路有效时间。若使用频率为12MHz的晶振，则复位信号的持续时间则应该不得少于2us。复位电路主要有上电自动复位和按键手动复位两种。上电自动复位功能的实现主要通过外部复位电路的电容的充电实现的，如图3.3（a）。按键手动复位通常有脉冲方式和电平方式两种。其中，按键电平复位是主要利用复位端经电阻与Vcc电源接通从而实现的，如图3.3（b）所示。按键脉冲复位主要是通过利用RC微分电路产
13、生正脉冲从而实现复位功能，如图3.3（c）所示。（a）上电复位 （b）按键电平复位 （c）按键脉冲复位图3.3 复位电路本系统的复位电路采用图3.3（b）上电复位方式。3.1.4 电源接口模块在单片机最小系统板上设计了电源接口模块，此模块主要为4个电源插口，电源插口均为并联方式连接，其中J1为电源输入端，J2-J4可为其他模块提供电源。图3.4 电源接口模块3.2 电源系统设计电源系统主要是为单片机最小系统、电机驱动系统、测速系统、1602液晶显示系统供电，主要提供5V直流电以及12V直流电。电源系统的电路主要由12V交流输出、桥式整流、滤波和7805稳压电源组成。 （1）桥式整流和滤波电路：
14、整流作用是将交流电变换成脉动的直流电压。滤波电路主要由电容组成，其目的是将脉动电压的纹波滤除去，从而得到较平滑的直流电。（2）7805稳压电源电路：由于整流得到的输出电压为DC12V，并且容易受输入电压、负载和温度的影响，为了可以得到更为稳定的电源电压，我们添加了稳压电源电路，进而得到稳定的DC5V。用78/79系列芯片组成稳压电源需要的外围元件少,电路内部还有过流、过热及调整管等保护电路。本论文中电源电路采用7805芯片产生+5V，如图3.5。图3.5 电源模块电路3.3 电机调速系统设计该系统的主要功能是使用单片机产生PWM波驱动驱动模块，使电机实现正转、反转、加速、减速、停止等功能。3.
15、3.1 直流电机的PWM控制原理直流电机转速n的控制方法分为两类分别为：电枢电压控制法与励磁控制法。直流电机转速： (1)由式（1）可知:励磁控制法主要是控制磁通的大小，其主要特点有：控制的功率比较小，电机不但在低速状态下会出现受到磁饱和度的限制，而且在高速时还会受到换向器的结构强度等方面的限制，同时还由于其励磁线圈的电感比较大，从而导致了其动态响应比较差，所以现在比较常用的调速方法为：电枢电压控制法。电源电压，将电机电枢串联一个电阻并且接到电源上，有如下关系： （2）不难分析出：只要调节电阻，从而改变端电压，进而对电机进行调速，但这种调压调速的方法一般效率比较低。故可以运用PWM斩波调压来改
16、变电枢电压，从而达到调节电机转速的目的。基于PWM斩波调压电路是把直流电压“斩”成一系列脉冲，改变脉冲的占空比来获得所需的输出电压。通过脉冲作用，按一定固定的频率来接通和断开电源，实现实时控制电机的转速。设电机直接接入电源时，电机转速为，设占空比为则电机的平均速度为： (3)式中：最大速度(即直接通电时的速度)；平均速度；占空比(0 100%)。由式(1)可见，是直流电机的最大速度，只与电机自身特性有关，电机一定时，为定值。改变占空比，就能得到不同的电压，从而得到不同的平均速度，进而对电机转速进行实时控制。3.3.2 驱动模块的选择3.3.2.1 三极管组成的H桥驱动模块当PWM1为低电平,通
17、过对PWM2输出占空比不同的矩形波使三极管Q1、Q6同时导通Q5截止，从而实现电机正向转动以及转速的控制；同理，当PWM2为高电平,通过对PWM1输出占空比不同的矩形波使三极管Q1、Q6同时导通，Q6截止，从而实现电机反向转动以及转速的控制。图3.6 H桥的电机驱动电路实验证明，该电路是不可以运行的。原因分析：由于我们使用的电机是线圈式的，在从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反向电流，从而使三极管不能正常关断。3.3.2.2 L298N芯片作为驱动模块L298n有两路电源分别为逻辑电源和动力电源，图3.6中5V为逻辑电源，12V为动力电源。Power
18、5V接入逻辑电源，Power 12V接入动力电源，IN1-IN2分别为单片机控制电机的输入端， ENA直接接入单片机产生的PWM波，对电机进行调速，M1与电机的正负极相连。由于我使用的直流电机是线圈式的，当电机从运行的状态突然转换为停止的状态或者从顺时针工作的状态突然转换为逆时针工作的状态时，电机将产生非常大的反向电流，故我们在电路中加入二极管，其主要作用是在电机产生反向电流的时候进行泄流，从而保护芯片的安全。图3.7 L298N驱动电路实验证明，该电路是实际可行的。图3.8 L298N内部结构原理图如图，当IN1输入1、IN2输入0、ENA输入1时，此时与门1、4开，23关闭，电机正转；当I
19、N1输入0、IN2输入1、ENA输入1时，此时与门2、3开，23关闭，电机反转；不难看出，只要当EA输入为0，不管IN1,IN2输入什么状态，此时电机都停止。PWM波调速原理：当EA处于高电平时，内部开关管处于导通状态，直流电机的电枢绕组的两端有电压U。t1秒之后，EA处于低电平，开关管处于截止状态，电机的电枢两端的电压此时为0。t2秒之后，EA重新处于高电平状态，开关管重复前面的过程。当电机停止运行时，即：EA输入为0，故不管什么状态下，三极管都没有触发脉冲，此时电机也就可以顺利停下来。3.4 红外对管测速系统设计该系统主要功能是：对电机的转速进行测量，并且运用程序计算出电机实际转速，并反馈
20、到1602显示出来。3.4.1 转速测量原理本设计采用频率测量法，测量原理:在固定的测量时间内，获取转速传感器发生的脉冲个数（即频率），从而计算得出实际的转速。设固定的测量时间 （min），计数器计取的脉冲数为，假定脉冲发生器每转输出个脉冲，对应被测转速为（r/min），则可以算出实际转速值。3.4.2 检测装置安装 如图3.8，将其信号盘固定在直流电机转轴上，传感器正对着信号盘。测量头主要由光电转速传感器组成，而且安装时需要注意测量头两端到信号盘的距离要相等。被测器件封装过后，固定地安装在贴近其信号盘的位置，信号盘转动时，光电元件此时则输出一些周期性的正负交替的脉冲信号。信号盘旋转一周产生的
21、脉冲数，就等于信号盘的齿数。故脉冲信号的频率大小则反映出了信号盘转速的快慢。该装置具有可测转速范围大，输出信号的幅值与转速无关，精确度高等优点。图3.9 转速检测装置安装方式3.4.3 信号处理电路 被测物理量经传感器变换，成为电流、电压、电阻、电感等某种电参数的变化值。根据系统的需要设计了中间变换电路如图3.9，从而进行信号的分析、处理等。目前，光电开关已应用在液位控制、产品计数、物位检测、信号延时、宽度判别、色标检出、速度检测、孔洞识别、自动门传感、定长剪切等领域。光电开关通过将发射端与接收端之间的光的强弱变化转化为电流的变化以达到检测目的。由于光电开关的输入和输出回路是电隔离的，所以它可
22、以在许多场合得到应用。光电传感器具有线性度好、噪音小、分辨率高和精度高、控制精度高、无机械碰撞、无触点、响应快，而且能识别色标等优点，在此我们选择光电转速传感器来进行转速的检测。图3.10 信号处理电路模块中的红外对管一边是发射一边是接收。模块工作时发射管不断发出红外光, 当没有障碍物遮挡红外发射管发送给接收管的红外光时,接收管接模块输出底电平，指示灯不亮；当有障碍物遮住红外发射管发送给接收管的红外光时,模块输出高电平，指示灯亮。3.5 1602液晶显示系统设计该系统主要功能是:显示出实际速度值和此刻的占空比。3.5.1 1602芯片介绍图3.11 1602芯片（1）LCD1602主要技术参数
23、表3.2 1602技术参数参数显示容量162个字符工作电压4.55.5V工作电流2mA(电压为5V)最佳工作电压5V字符的尺寸2.954.35(WH)mm（2）引脚功能说明1602采用标准的16脚（带背光）接口，各引脚接口说明，见表3.3。表3.3 1602引脚接口说明表引线号符号电平功能1VSS0VGND2VDD5V10%电源电压3V00-5V液晶驱动电压4RSH/L寄存器选择5R/WH/L读写操作选择6EH/L使能信号7-14DBO-DB7H/L数据总线15LEDA+5V背光LED阳极16LEDK0V背光LED阴极3.5.2 液晶显示模块电路的设计液晶模块LCD1602与单片机的接口电路，
24、如图3.11。图3.12 1602液晶显示模块电路原理图4 软件设计原理4.1 主程序流程图主程序主要完成键盘、液晶显示芯片、内部定时/计数器T0、T1测速和变量的初始化。图4.1 主程序流程图4.2 PWM波发生模块程序流程图PWM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，故主要由定时器来控制输出电平的维持时间。图4.2 PWM波实现流程图4.3 测速系统程序流程图测速系统软件程序主要包括脉冲计数及速度的计算和速度反馈到液晶进行显示2个部分。图4.3 测速流程图4.4 液晶显示系统程序流程图液晶显示系统软件程序主要包括初始化显示以及电机在
25、运行时的占空比和反馈过来的速度显示2个部分。图4.4 液晶显示流程图5 proteus模拟仿真Proteus软件是由英国软件公司开发的EDA工具软件，已有近20年历史，在全球得到了广泛应用。Proteus软件的功能强大，其集电路设计、制版及仿真等多种功能于一身，不仅可以对电工、电子技术学科涉及的电路进行设计与分析，还能够对微处理器进行设计和仿真，并且功能齐全。通过Proteus软件仿真，可以对实际电路的搭建提供参考，大大提高硬件电路搭建的成功率，减少了电子元器件的不必要的浪费。5.1 硬件电路图5.1 硬件电路图该硬件电路主要包括按键电路、单片机系统、电机驱动模块、电机以及液晶显示系统。5.2
26、 波形分析5.2.1 PWM波形（1）全速状态图5.2 全速状态占空比：100%速度：360r/min原因分析：占空比指在一个周期内高电平所占的时间比率，此时占空比为100%，电机此时端电压即为电压U，故电机转速为360r/min。（2）半速状态图5.3 半速状态占空比：50%速度：180r/min原因分析：占空比指在一个周期内高电平所占的时间比率，此时占空比为50%，电机此时端电压即为电压0.5U，根据电机平均转速，故电机转速为180r/min。（3）停止状态图5.4 停止状态占空比：0%速度：0r/min原因分析：占空比指在一个周期内高电平所占的时间比率，此时占空比为0%，电机此时端电压即
27、为电压0，根据电机平均转速，故电机转速为0r/min。5.2.2 测速显示（1）初始化显示图5.5 初始化显示初始化显示即为程序启动后，刚开始液晶显示屏上显示的内容。（2）全速显示图5.6 全速显示全速显示即为电机处于最大转速时，即占空比为：100%，此时液晶显示屏上显示的内容。（3）半速显示图57 半速显示半速显示即为电机处于正常运转时，即占空比为：50%，此时液晶显示屏上显示的内容。（4）停止显示图58 停止显示停止显示即为电机处于停止运转时，即占空比为：0%，此时液晶显示屏上显示的内容。6 实验结果分析6.1 硬件电路6.1 硬件电路图6.2 波形分析6.2.1 PWM波形（1）全速状态
28、图6.2 全速状态占空比：100%速度：360r/min原因分析：占空比是指高电平在一个周期之内所占的时间比率，此时占空比为100%，电机此时端电压即为电压U，故电机转速为360r/min。（2）半速状态图6.3 半速状态占空比：50%速度：180r/min原因分析：占空比是指高电平在一个周期之内所占的时间比率，此时占空比为50%，电机此时端电压即为电压0.5U，根据电机平均转速，故电机转速为180r/min。（3）停止状态图6.4 停止状态占空比：0%速度：0r/min原因分析：占空比是指高电平在一个周期之内所占的时间比率，此时占空比为0%，电机此时端电压即为电压0，根据电机平均转速，故电机
29、转速为0r/min。所得波形与仿真结果没有太大差异，达到了设计要求。结 论本设计实现了通过单片机对直流电机进行调速的控制，通过硬件电路的搭建和软件程序设计，改善了直流电机调速的稳定性。本设计在驱动电路上采用了最近比较先进的L298N芯片，改善了电机驱动的效率。本设计运用了1602液晶显示，能够较为形象的显示出实时的电机运行速度，并且所运用的红外对管测速方法，在现在各个领域有着很广泛的应用。但该设计也有不足之处，主要是在于对电机额定电压的要求，主要是由于L298N驱动芯片要求的电机的额定电压最大值为48V，所以该设计出的电路只适合在对电机电压要求不高的场合使用。致 谢本论文的完成要感谢许多人，首
30、先要感谢我的论文指导老师王华老师！王老师不仅传授给我许多专业知识，更教会了我许多学习方法和研究方法，使我受益匪浅。在此我祝愿王老师身体健康，阖家幸福，工作愉快。同时也衷心感谢动力工程学院其他老师，在我平时的学习和生活中给与我的支持和帮助，他们的关怀使我的大学生活变了丰富多彩。在此，致以最诚挚的谢意！最后，在我的大学时代即将结束之际，感谢所有帮助和关心过我的老师和朋友，还要感谢我的父母和家人多年来对我的支持和培养。 参考文献1 马彪.单片机应用技术M.上海：同济大学出版社，20092 王春凤.PWM直流调速系统实验的教学实践J.实验室研究与探索，2012，31（8）：31-343 周润景.基于PROTEUS 的电路及单片机系统设计与仿真M.北京：北京航空航天出版社，20064 赵轩.基于PWM控制的模型车用小型直流电机调速装置J. 计算机工程与设计，2009，30（21）：4884-48875 柴睿. 液压冲击器的智能控制系统研究D. 上海交通大学，20096 贺平. 音频电缆智能防盗报警器D. 大连理工大学，2005