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1、闽南师范大学毕业论文（设计）基于单片机的直流电机控制设计Design of DC Motor Control System Based on Microcontroller姓 名： 学 号： 系 别： 物理与信息工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 年 级： 2013级 指导教师： 2016年 12 月 25 日摘 要本文利用PWM斩波技术对直流电机的转速进行控制，控制芯片采用AT89S52单片机，描述了直流电机的调速原理和PWM脉冲宽度调制的方法。此外，设计了IR2104的自举驱动电路。文中也一并对IR2104的工作原理进行了介绍与应用分析。在理论分析的基础上对电路的硬件部分进行了设计，包
2、括单片机最小系统、驱动模块、按键模块、测速模块、显示模块。最后对系统进行了实验研究，给出了实验波形和实际运行情况图，实验结果较为理想，证明本文所设计的调速方法和驱动电路满足直流电机调速系统的要求。关键词：AT89S52单片机；PWM；IR2104；H桥AbstractIn this paper, PWM chopper technology control the DC motor speed and control chip by AT89S52 microcontroller. The speed regulation principle and PWM pulse width modul
3、ation method of DC motor are described. In addition, the bootstrap drive circuit of IR2104 is designed. In this paper, the working principle of IR2104 is introduced and analyzed.On the basis of theoretical analysis, the hardware of the circuit is designed, including MCU system, drive module, key mod
4、ule, speed measurement module and display module.At last, the experimental study of the system is given, the experimental waveform and the actual operation diagram are given, the experimental results are ideal, proves that the speed control method and drive circuit designed in this paper meet the re
5、quirements of DC motor speed control system.Keywords：AT89S52 microcomputer; PWM; IR2104; H bridge目录中英文摘要I1 引言11.1 选题背景及实际意义11.2 选题的研究现状11.3 本文研究的内容12 直流电机结构与调速原理32.1 直流电机的基本结构32.2 直流电机调速方法32.3 PWM调速原理43 调速系统硬件设计53.1 系统硬件总体设计53.2 AT89S52单片机芯片简介53.3 供电电源设计53.3.1 控制电路电源53.3.2 驱动电路电源63.4 单片机外围电路设计63.4.1
6、 时钟电路63.4.2 复位电路63.4.3 ISP下载调试接口73.5 H桥电路设计分析73.6 逻辑电路及驱动电路设计83.6.1 逻辑电路设计83.6.2 光耦隔离设计93.6.3 驱动电路设计103.7 测速模块123.8 按键和显示电路设计123.8.1 按键电路设计123.8.2 显示电路设计134 调速系统程序软件设计144.1 主程序设计144.2 初始化子程序144.3 按键与显示子程序设计154.3.1 显示子程序154.3.2 按键处理程序164.4 PWM脉宽调节程序设计174.4.1 阶跃PWM脉宽调节174.4.2 谐波PWM脉宽调节184.5 测转速脉冲程序设计1
7、95 实验研究205.1 硬件电路实物205.2 波形测试215.3 测速及显示236 总结256.1 工作总结256.2 不足和展望25参考文献26致谢27附录28附录一：器件清单28附录二：原理图29附录三：PCB图30-35-1 引言1.1 选题背景及实际意义当今社会快速发展，直流电机被广泛应用到各种控制系统中1。小到生活用品，大至工业制造、航天航空等不同的领域。随着单片机控制技术的应用发展，直流电机调速系统开始往数字化、高速化发展，调速系统的要求伴随着自动控制技术的发展也越来越高2。直流电机调速简单方便是因为只要调节电机两端的电压就可以。在电机调速的方法中，PWM调速是最常见的，只要调
8、节PWM占空比就能够改变电机的转速。直流电机在许多控制领域中应用非常广泛，因为电机具有良好的起动性能3。早期的直流电机拖动调速系统多采用的模拟电路，控制系统较为复杂，而且操作相对不方便和功能单一，使直流电机不能得到很好的发展4。不过随着单片机技术和电力电子领域的快速发展，现代调速系统得到了非常大的提升，所以研究直流电机调速还是很有研究意义的。1.2 选题的研究现状下面列几个常见的直流电机调速方案。第一种方法：早期的电机调速方法是通过调节电机串联的电阻大小来调速的，这个方法虽然简单且可以进行调速，但是调速非常不平滑，跳跃性太大。第二种方法：发电机电动机调速，这种方法调速性能相较调电阻的方法好，但
9、是所使用的电力拖动系统较大，而且组成复杂，操作不便利。第三种方法：用晶闸管组成的调速系统。这种调速方法精度高、体积小，是未来很长时间内的主要应用方向5。随着电力电子技术和微型计算机的快速发展，电机调速系统的发展越来越趋向高精度和低成本的方向发展。我国的直流电机调速技术发展较国外发展较慢，特别是西门子、通用电气等大公司更是取得了非常大的优势地位。在直流电机调速领域，我国发展较晚，但是这并不影响我们后来居上，现在我国的调速技术也有了质的飞跃。我国在直流电机调速领域也投入了大量的精力，例如，一些研究所、高校和企业都有在研究这个领域，也取得了不错的成果。1.3 本文研究的内容本设计的控制对象是直流电机
10、，以AT89S52单片机为主控芯片，驱动电路采用半桥驱动芯片IR2104搭建的自举电路，控制方法采用PWM脉宽调制，利用U型光电传感器测速6，实现了直流电机的调速、测速以及显示，具体研究内容如下：（1）对直流电机的结构和调速原理进行分析。（2）通过对NMOS管组成的H桥电路原理的分析，深入研究IR2104自举驱动电路的工作原理。（3）研究U型光电测速传感器的测脉冲原理，实现直流电机测速以及转速的实时刷新显示。（4）在了解PWM脉宽调速原理的基础上，设计直流电机调速系统的硬件电路和软件程序。（5）在以上工作的基础上对系统进行了实验，记录实验结果并分析。2 直流电机结构与调速原理2.1 直流电机的
11、基本结构图2-1 直流电机的基本结构图直流电机是一种将机械能转化为电能的设备。直流电机运行时，定子是静止不动的，转子相对定子运动。下面简略介绍几个部分：（1）主磁极的作用是产生建立磁场，主要由主磁极铁心和励磁绕组组成7。（2）换向极可以有效减少电机运行时产生的有害火花。（3）电枢绕组是直流电机的电路部分，产生磁场和电动势就是在这里，也是电能转换的部分8。（4）换向器起整流的作用。2.2 直流电机调速方法众所周知，直流电机转速n的表达式为: (2-1)式中:U-电枢端电压I-电枢电流R-电枢电路总电阻-每极磁通量K-与电机结构有关的常数由上式可知，直流电机转速n的控制方法有三种:（1）调压，调节
12、电枢绕组电压调速，可以用于范围较大的平滑调速；（2）弱磁，调速范围较小；（3）变阻，只能有级调速，平滑性差。这三种方法里面，变阻的方式效果最差，很少采用。弱磁调速范围不大。因此，本设计采用调压的方式。改变电枢电压的方式主要有3种：旋转变流机组、静止变流装置、脉宽调制（PWM）变换器9。其中，脉宽调制通过改变开关频率，使占空比发生变化，电枢绕组的平均电压也就相应的改变，就达到了调节转速的目的。这也是本设计所使用的方法。2.3 PWM调速原理PWM（脉冲宽度调制）是通过控制半导体器件的开关通断状态，如果开关通时，电压为高电平，开关关时，电压为低电平。通过控制电子器件开关的通断来可以改变PWM的脉冲
13、宽度，也就改变了直流电压的平均值，这就是PWM调速的主要原理10。也正是因为这样，PWM也有“开关驱动装置”的叫法。PWM脉冲信号占空比关系如图2-2。占空比Duty=t1/T，假设电机最大转速为VM，则电机的平均转速VD=Duty*VM。由上面的公式可见，当我们改变占空比Duty的大小时，电机平均转速VD也会随之改变，也就实现了调速的目的。如果从实际情况来看，VD和占空比并不是完全线性的关系，但是在精度要求不是很高的情况下，也不失为一种好方法。图2-2 PWM占空比关系3 调速系统硬件设计3.1 系统硬件总体设计图3-1 调速系统硬件总框图本设计以AT89S52单片机为主控芯片，PWM信号由
14、单片机定时器产生，经过逻辑变换电路分成2路完全对称的PWM，再通过光耦隔离将信号传递至驱动芯片IR2104，利用驱动电路控制H桥，从而实现对电机转速和转向的控制。电机调速系统的相关功能通过独立按键来实现。最后利用U型光电传感器测得转速脉冲，将脉冲信号送至单片机进行处理，把转速显示在LCD1602上面。3.2 AT89S52单片机芯片简介AT89S52是ATMEL公司所生产的一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程FLASH11。3.3 供电电源设计为了保证单片机的稳定运行，本设计使用了光耦隔离电路，所以控制部分和驱动部分的电源是各自独立的。详细介绍如下：3.3.1 控制电路电源调速系统的控制核心是单片机，其工作电压是+5V，为了使单片机能正常工作，保证电源稳定是很重要的。除了单片机，逻辑电路所使用的74HC00芯片和LCD1602液晶显示也是使用的+5V电源，+5V电源采用三端稳压管LM7805经过+9V电源稳压提供12。LM7805三端稳压管采用TO-220A封装，最大输出电流1A，满足系统要求。电源模块原理图如图3-2所示：图3-2 +5V供电电源原理图3.3.2 驱动电路电源本设计采
