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1、直流电机测速调速电路设计学生学号： 学生姓名： 专业班级： 指导教师： 职 称： 起止日期： 信息与控制工程学院硬件课程设计说明书硬件课程设计任务书一、设计题目：直流电机测速调速电路设计二、设计目的1. 掌握电子设计的一般方法，掌握用单片机最小系统硬件的设计的方法；2. 掌握直流电机的工作原理，掌握转速测量的一般方法；3. 掌握C51程序的设计方法；三、设计任务及要求1. 设计并制作一直流电机的测速调速电路，速度范围在每秒1-20周；2. 通过键盘输入速度给定值，实现按给定值跟踪；3. 能够用LED七段数码管实时显示速度；4. 实现在给定的速度范围内进行速度调整；主要元器件：开关管、红外对管、
2、51系列单片机、LED7段显示、键盘、其它。四、指导教师评语及学生成绩指导教师评语:年 月 日成绩指导教师(签字):- I -目 录硬件课程设计任务书I前 言1第1章 直流电机测速调速电路概述21.1直流电机的调速原理21.2 PWM（脉冲宽度调制Pulse Width Modulation）原理21.3直流电机调速的设计方案3第2章 硬件模块设计42.1 单片机硬件结构及系统42.1.1单片机硬件结构42.1.2 89C51的最小系统52.2 LED显示器接口原理62.2.1 LED发光原理及显示器结构62.2.2 LED显示的设计62.3 键盘接口原理72.3.1 键盘概述72.3.2 键
3、盘输入的特点72.3.3 键盘接口的工作原理82.3.4键盘的设计102.4直流电机驱动测速电路设计112.4.1 电机驱动电路设计112.4.2 电机测速电路设计122.5 直流电机测速调速整体电路设计13第3章 系统电源的设计143.1 电源的选择143.2 线性稳压+5伏的电源设计14第4章 软件设计154.1软件开发环境154.2 C51语言简介主程序框图154.3 系统程序设计思想17第5章 可靠性及抗干扰设计简介及测试出现的问题185.1干扰的来源185.2 系统电源的抗干扰设计18结 论19参考文献20附 录21- 23 -前 言直流直流电机是实现直流电能与机械能之间相互转换的电
4、力机械，直流电动机具有宽广的调速范围，平滑的无级调速特性。常应用于对启动和调速有较高要求的场合，如宾馆高速电梯、龙门刨床、机车、大型精密机床和大型起重机等生产机械中。本文系统介绍了利用输入电压的改变来控制电机的转速。直流电机调速的方法有很多，再这用改变输入电压的大小，来调节电机的转速。利用PWM脉冲信号的占空比决定输出到直流电机的平均电压的大小。通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小，而控制电动机的转速。本文阐述了利用硬件和软件相结合的方法来进行对电机的测速和调速,硬件方面以SST89E516型号的单片机为核心，与驱动电路，测速电路，键盘和LED显示模块构成最小系统。其中L
5、ED采用动态显示方式，键盘采用查询方式实现。软件上通过用C语言编程产生PWM信号的输出，通过调节占空比,可以实现调节输出电压的目的,而且输出电压可以无级连续调节，键盘、LED显示器的数据传输。通过以上的设计，就实现了通过键盘输入速度给定值，实现按给定值跟踪，由LED显示器显示，最后再由单片机输出PWM脉冲信号。通过测速电路把转速反馈给MCU，并把转速显示在LED显示器上。从而达到想要设定的转速。当然，除了主要模块以外，本文还介绍了电源的设计及可靠性及抗干扰的相关知识，意在使本方案得到最大程度的完善。诚然，设计与实现在测试时有一定的误差，本论文分析了误差的来源并给出了今后改进的方向，以期臻于至善
6、。第1章 直流电机测速调速电路概述1.1直流电机的调速原理 根据励磁方式不同，直流电机分为自励和他 励两种类型。不同励磁方式的直流电机机械特性曲线有所不 同。对于直流电机来说 ，人为机械特 性方程式为：（1）分析(1)式可得当分别改变U和R时，可以得到不同的转速n，从而实现对速度的调节。当改变励磁电流I，可以改变磁通量的大小，从而达到变磁通调速的目的。但由于励磁线圈发热和电动机磁饱和的限制，电动机的励磁电流I和磁通量只能在低于 其额定值的范围内调节 ，故只能弱磁调速。而对于调节电枢外加电阻R时，会使机械特性变软，导致电机带负载能力减弱。对于他励直流电机来说，当改变电枢电压时，分析人为机械特性方
7、程式，得到人为特性曲线:图1人为特性曲线:如图1所示。理想空载转速n随电枢电压升降而发生相应的升降变化。不同电枢电压的机械特性曲线相互平行，说明硬度不随电枢电压的变化而改变电机带负载能力恒定。当我们平滑调节他励直流电机电枢两端电压时，可实现电机的无级调速。基于以上特性，改变电枢电压，实现对直流电机速度调节的方法被广泛采用。改变电枢电压可通过多种途径实现，如晶闸管供电速度控制系统 大功率晶体管速度控制系 、直流发电机供电速，度控制系统及晶体管直流脉宽调速系统等。1.2 PWM（脉冲宽度调制Pulse Width Modulation）原理PWM是通过控制固定电压的直流电源开关频率，从而改变负载两
8、端的电压，进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，如电机调速、温度控制、压力控制等。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，并根据需要改变一个周期内“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”来改变平均电压的大小，而控制电动机的转速。因此，PWM又被称为“开关驱动装置”。PWM的占空比决定输出到直流电机的平均电压.。就是调节方波高电平和低电平的时间比,一个20%占空比波形,会有20%的高电平时间和80%的低电平时间，而一个60%占空比的波形则具有60%的高电平时间和40%的低电平时间,占空比越大,高电平时间越长,则输出的脉
9、冲幅度越高,即电压越高.如果占空比为0%,那么高电平时间为0,则没有电压输出.如果占空比为100%,那么输出全部电压.所以通过调节占空比,可以实现调节输出电压的目的,而且输出电压可以无级连续调节。PWM信号的产生通常有两种方法：一种是软件的方法；另一种是硬件的方法。文主要介绍利用单片机对PWM信号的软件实现方法。MCS一51系列典型产品8051具有两个定时器和计数器。通过控制定时器初值，从而可以实现从8051的任意输出口输出不同占空比的脉冲波形。由于PWM信号软件实现的核心是单片机内部的定时器，而不同单片机的定时器具有不同的特点，即使是同一台单片机由于选用的晶振不同，选择的定时器工作方式不同，
10、其定时器的定时初值与定时时间的关系也不同。因此，首先必须明确定时器的定时初值与定时时间的关系。如果单片机的时钟频率为f,定时器计数器为N则定时器初值与定时时间的关系为T=(2n Tw)*N/(f*106) (2)式中， Tw定时器定时初值； N一个机器周期的时钟数。 N随着机型的不同而不同。在应用中，应根据具体的机型给出相应的值。这样，我们可以通过设定不同的定时初值从而改变占空比D，进而达到控制电机转速的目的。键盘模块控制器模块电机驱动模块直流电机显示模块速度检测模块1.3直流电机调速的设计方案图2系统方案框图由上述系统框图本次设计的总体方案是利用硬件和软件相结合的方法来进行对电机的测速和调速
11、,硬件方面以SST89E516型号的单片机为核心，与驱动电路，测速电路，键盘和LED显示模块构成最小系统。其中LED采用动态显示方式，键盘采用查询方式实现。软件上通过用C语言编程产生PWM脉冲信号的输出，键盘、LED显示器的数据传输。通过以上的设计，就实现了通过键盘输入速度给定值，实现按给定值跟踪，在LED显示器显示，最后再由单片机输出PWM脉冲信号。通过测速电路把转速反馈给CPU并且通过CPU把转速显示在LED显示器上。与想要得到的转速比较。从而达到想要设定的转速。第2章 硬件模块设计2.1 单片机硬件结构及系统2.1.1单片机硬件结构 所谓单片机，通俗的来讲，就是把中央处理器CPU（Cen
12、tral Processing Unit），存储器（memory），定时器，I/O（Input/Output）接口电路等一些计算机的主要功能部件集成在一块集成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”的称呼是由英文名称“Single Chip Microcomputer”直接翻译而来的。本次实习所用的SST89E516型号的单片机。MCS51是指由美国INTEL公司生产的一系列单片机的总称，这一系列单片机包括了好些品种，如8031，8051，8751，8032，8052，8752等，其中8051是最早最典型的产品，该系列其它单片机都是在8051的基础上进行功能的增、
13、减、改变而来的，所以人们习惯于用8051来称呼MCS51系列单片机。单片机引脚图如下：图2-1 89C51单片机管脚图 引脚功能如下：l 、P0.0P0.7 P0口8位双向口线（在引脚的3932号端子）。2 、P1.0P1.7 P1口8位双向口线（在引脚的18号端子）。3、 P2.0P2.7 P2口8位双向口线（在引脚的2128号端子）。4、 P3.0P3.7 P2口8位双向口线（在引脚的1017号端子）。P0口有三个功能：1、外部扩展存储器时，当作数据总线。2、外部扩展存储器时，当作地址总线。3、不扩展时，可做一般的I/O使用，但内部无上拉电阻，作为输入或输出时应在外部接上拉电阻。 P1口只
14、做I/O口使用：其内部有上拉电阻。 P2口有两个功能：1、扩展外部存储器时，当作地址总线使用2、做一般I/O口使用，其内部有上拉电阻； P3口有两个功能：除了作为I/O使用外（其内部有上拉电阻），还有一些特殊功能，由特殊寄存器来设置。 ALE/PROG 地址锁存控制信号：在系统扩展时，ALE用于控制把P0口的输出低8位地址送锁存器锁存起来，以实现低位地址和数据的隔离。PSEN 外部程序存储器读选通信号：在读外部ROM时PSEN低电平有效，以实现外部ROM单元的读操作。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。 XTAL1：振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。 XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。2.1.2 89C51的最小系统89C51内部有4KB闪烁存储器，芯片本身就是一个最小系统。只要将单片机加上时钟电路和复位电路即可。但该最小系统只能处理数字量的输入输出，而一个单片机的应用系统往往要对工业的各种非电量经传感器转换得到的模拟电信号进行采集。因此，一个单片机应用系统，首先要进行数据采集，然后对数据进行处理，再加上数字量输出、D/A转换器以及各种功率驱
