电机与拖动系统课程设计报告书

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1、课程设计说明书 设计名称 题 目 学生 专 业 班 级 学 号 指导教师 日 期 年 月 日 课程设计任务书 专业 年级 班 一 一 设计题目设计题目 微型直流电动机的数字控制器设计 二 二 主要容和具体要求主要容和具体要求 1 设置有正转 反转 加速 减速按键 2 显示马达的运行状态 正反转 停止 显示转速 3 测量马达的反电动势系数 4 测量马达的力矩系数 5 创建马达的数学模型 6 实现比例控制 7 实现比例积分控制 三 三 进度安排进度安排 6 月 16 17 号 了解任务要求 确定具体方案 6 月 18 19 号 电机控制程序设计 6 月 20 21 号 键盘电路 lcd12864

2、液晶屏子程序设计 6 月 22 24 号 上位机通信程序设计 6 月 25 26 号 电机 PI 控制设计 四 四 完成后应上交的材料完成后应上交的材料 直流电机数字控制器论文 五 五 总评成绩总评成绩 指导教师指导教师 签名日期签名日期 年年 月月 日日 系系 主主 任任 审核日期审核日期 年年 月月 日日 学号学号 成绩成绩 分组序号分组序号 同组人员 签名 同组人员 签名 本人贡献排名本人贡献排名 指导教师 签名 指导教师 签名 摘要摘要 本文主要设计一个基于 STC12C5A60S2 单片机的直流电机 PWM 控制系统 PWM 控制提高了调速围 提高了调速精度 改善 了快速性能 功率和

3、功率因数 系统在设计中被控对象采用 5V 的直流电机 以 MCS 51 单片机为控制核心 采用 LCD12864 液 晶作为显示元件 进行软硬件的设计 硬件电路由 protel 设计 制作 主要设计了液晶显示电路 键盘控制电路 复位电路 测 速电路 驱动电路和测压电路 软件设计在 Keil 开发平台用 C 语言编写 程序采用模块化设计方案 包括液初始化程序 晶显 示程序 键盘控制程序 本系统 PWM 控制直流电机采用调压调速的方法 整体设计 包括软件和硬件两个部分 通过利用单片机产生 PWM 控制信号 控制直流电机 详细介绍脉宽调制 PWM 控 制原理 直流电 机的工作原理和数学模型以及用 H

4、 型桥电路基本原理设计的驱动 电路 通过硬件电路的模拟情况 说明系统运行正常 各个功 能模块实现是可行的 控制精度比较高 能够满足系统的基本要 求 关键词 关键词 单片机 PWM 脉宽调制控制 直流电机 L298N 驱动 一 设计任务分析 1 二 总体方案设计 1 2 1 系统控制方案选择 1 2 2 电机驱动模块 6 2 3 显示模块 8 2 4 测压模块 10 2 5 按键模块 11 2 6 测速模块 12 三 系统软件设计 14 3 1 系统流程 14 3 2 显示模块软件设计 15 3 3 按键驱动程序设计 15 3 4 测压程序设计 17 3 5 测速模块程序设计 17 3 6 上位

5、机数字 PI 控制设计 17 3 7 马达的反电动势系数和力矩系数 18 3 8 马达数学模型 18 四 心得体会 19 五 参考文献 20 1 设计任务分析设计任务分析 本课题设计主要的目的是为了能够准确及时的控制直流电动 机的正转 反转 停止 加速和减速功能可以准确调节控制直流 电机的转速 设计要求中央控制芯片具有定时计数的功能 一定 的程序存储空间 还要有足够的 IO 外接端口 由于本设计以 LCD12864 作为人机交流的显示界面 所以要求中央控制芯片具有 一定的电流驱动能力 LCD 电机控制信号 LED 指示灯 独立按 钮 电压采集这些都需要占用大量 IO 接口 所以要求中央控制 芯

6、片要有足够多的外部接口以满足需要 本设计要求能准确控制电机的转向以及转速 所以要求电机 的控制芯片就有较强的调速控制功能以及转向控制功能 本设计要求所采用的的直流电机转速具有一定的可调空间以及足 够的灵敏度 2 总体方案设计总体方案设计 2 1 2 1 系统控制方案选择系统控制方案选择 方案 1 采用 STC 公司的 STC89C52RC 此单片机价格低 资源多 高性价比 应用广泛 无论是从部构造 还是编程方面 51 系列单片机都 相对简单容易掌握和使用 方案 2 STC12C5A60S2 不但和 8051 指令 管脚完全兼容 而且速度快 8 12 倍 部集成 MAX810 专用复位电路 2

7、路 PWM 8 路 高速 10 位 A D 转换 250K S STC 系列单片机支持串口程序烧写 对开发设备的要求很低 开发时间也大大缩短 由于本设计需要检测电机电路的电流 而且要与上位机通信 方案 2 的 stc12C5A60S2 芯片具有 2 个串口 部集成 8 路高速 10 位 A D 转换 250K S 能更好地实现我们需要的功能 所以我们 选取方案 2 即 STC12C5A60S2 芯片作为我们的控制芯片 以下是 STC12C5A60S2 芯片的功能 1 增强型 8051 CPU 1T 单时钟 机器周期 指令代码完全 兼容传统 8051 2 工作电压 STC12C5A60S2 系列

8、工作电压 5 5V 3 3V 5V 单片机 STC12LE5A60S2 系列工作电压 3 6V 2 2V 3V 单片机 3 工作频率围 0 35MHz 相当于普通 8051 的 0 420MHz 4 用户应用程序空间 8K 16K 20K 32K 40K 48K 52K 60K 62K 字节 5 片上集成 1280 字节 RAM 6 通用 I O 口 36 40 44 个 复位后为 准双向口 弱上拉 普通 8051 传统 I O 口 可设置成四种模式 准双向口 弱上 拉 推挽 强上拉 仅为输入 高阻 开漏 每个 I O 口驱动能力 均可达到 20mA 但整个芯片最大不要超过 55Ma 7 IS

9、P 在系统可编程 IAP 在应用可编程 无需专用 编程器 无需专用仿真器 可通过串口 P3 0 P3 1 直接下载 用户程序 数秒即可完成一片 8 有 EEPROM 功能 STC12C5A62S2 AD PWM 无部 EEPROM 9 看门狗 10 部集成 MAX810 专用复位电路 外部晶体 12M 以下时 复 位脚可直接 1K 电阻到地 11 外部掉电检测电路 在 P4 6 口有一个低压门槛比较器 5V 单片机为 1 32V 误差为 5 3 3V 单片机为 1 30V 误差为 3 12 时钟源 外部高精度晶体 时钟 部 R C 振荡器 温漂为 5 到 10 以 1 用户在下载用户程序时 可

10、选择是使用部 R C 振荡器还是外部晶体 时钟 常温下部 R C 振荡器频率为 5 0V 单片机为 11MHz 15 5MHz 3 3V 单片机为 8MHz 12MHz 精度要求不高时 可选择使用部时钟 但因为有 制造误差和温漂 以实际测试为准 13 共 4 个 16 位定时器 两个与传统 8051 兼容的定时器 计数器 16 位定时器 T0 和 T1 没有定时器 2 但有独立波特率发 生器做串行通讯的波特率发生器 再加上 2 路 PCA 模块可再实现 2 个 16 位定时器 14 2 个时钟输出口 可由 T0 的溢出在 P3 4 T0 输出时钟 可由 T1 的溢出在 P3 5 T1 输出时钟

11、 15 外部中断 I O 口 7 路 传统的下降沿中断或低电平触发中 断 并新增支持上升沿中断的 PCA 模块 INT0 P3 2 INT1 P3 3 T0 P3 4 T1 P3 5 RxD P3 0 CCP0 P1 3 也可通过寄存器设置到 P4 2 CCP1 P1 4 也可通过寄存器 设置到 P4 3 16 PWM 2 路 PCA 可编程计数器阵列 2 路 也可用来当 2 路 D A 使用 也可用来再实现 2 个定时器 也可用来再实现 2 个外部中断 上升沿中断 下降沿中断 均可分别或同时支持 17 A D 转换 10 位精度 ADC 共 8 路 转换速度可达 250K S 每秒钟 25

12、万次 18 通用全双工异步串行口 UART 由 STC12 系列是高速的 8051 可再用定时器或 PCA 软件实现多 串口 19 STC12C5A60S2 系列有双串口 后缀有 S2 标志 的才有双串口 RxD2 P1 2 可通过寄存器设置到 P4 2 TxD2 P1 3 可通过寄存器设置到 P4 3 20 工作温度围 40 85 工业级 0 75 商 业级 21 封装 PDIP 40 LQFP 44 LQFP 48 I O 口 不够时 可用 2 到 3 根普通 I O 口线外接 74HC164 165 595 均可级联 来扩展 I O 口 还可用 A D 做按键扫描来节省 I O 口 或用

13、双 CPU 三线通信 还多了串口 STC12C5A60S2 的引脚如图 2 1 所示 图 2 1 最小系统包括系统时钟电路 复位电路 单片机芯片引脚借 口 保证了单片机能够正常的工作 如图 2 2 所示 图 2 2 2 2 2 2 电机驱动模块电机驱动模块 用普通直流电机 直流电机运转平稳 精度有一定的保证 直流电机控制的精确度虽然没有步进电机那样高 但完全可以满 足本题目的要求 通过单片机的 PWM 输出同样可以控制直流电机 的旋转速度 实现电动车的速度控制 并且直流电机相对于步进 电机价格经济 采用电机驱动芯片 L298N L298N 为单块集成电 路高电压 高电流 四通道驱动 可直接的对

14、电机进行控制 无 须隔离电路 通过单片机的 I O 输入改变芯片控制端的电平 即 可以对电机进行正反转 停止的操作 非常方便 亦能满足直流 减速电机的大电流要求 调试时在依照芯片手册 用程序输入对 应的码值 能够实现对应的动作 图 2 3 图 2 4 本项目驱动直流电机 实现电机的正反转与测速和遥控 输入输出逻辑表真值表 2 5 通道 1通道 2 输入输出控制电机 1输入输出控制电机 2 En A In 1 In 2 OUT 1 OUT 2 转 向 EnBIn 3 In 4 OUT 3 OUT 4 转向 00 00停 止 00 00停止 01 01反 传 01 01反传 10 10正 转 10

15、 10正转 1 11 00停 止 1 11 11停止 0XX 00停 止 0XX 00停止 其中 0 为低电平 1 为高电平 X 为任何状态 表 2 5 L298N 输入输出逻辑真值表 2 3 2 3 显示模块显示模块 显示模块我使用了 lcd12864 液晶屏 带中文字库的 12864 是一种具有 4 位 8 位并行 2 线或 3 线串行多种 界面方式 部含有国标一级 二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模 块 其显示分辨率为 128 64 置 8192 个 16 16 点汉字 和 128 个 16 8 点 ASCII 字符集 利用该模块灵活的界面方式和简单 方便的操作指令 可构成全中文人机交

16、互图形界面 可以显示 8 4 行 16 16 点阵的汉字 也可完成图形显示 低电压低功耗是其又一显著特点 由该模块构成的液 晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比 不论硬件电路结构 或显示程序都要简洁得多 且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液 晶模块 图 2 6 LCD12864 与单片机连线图 2 3 1 上位机通信 另外 我们也使用 VB 软件做了上位机与单片机通信 通过上位机界面更 好地实现人机沟通 Visual Basic 是一种由微软公司开发的包含协助开发环境的事件驱动 编程语言 从任何标准来说 VB 都是世界上使用人数最多的语言 不 仅是盛赞 VB 的开发者还是抱怨 VB 的开发者的数量 它源自于 BASIC 编 程语言 VB 拥有图形用户界面 GUI 和快速应用程序开发 RAD 系 统 可以轻易的使用 DAO RDO ADO 连接数据库 或者轻松的创建 ActiveX 控件 程序员可以轻松的使用 VB 提供的组件快速建立一个应用 程序 图 2 7 上位机界面 2 4 2 4 测压模块测压模块 由于我们采用的系统芯片部集成 AD 转换功能 所以我们直接通过 在与驱动