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1、电子技术课程设计报告题 目： 直流电机调速专 业： 09自动化班 级： （1）班学 号： 35号 姓 名： 张泓指导教师： 史小华设计日期：2011年9月29日摘 要: 再日常的生活生产中直流电机是经常用到的,然而直流电机转速的智能控制已成为人们越来越关注的问题。为此我们从器件原理入手，着重从硬件电路着手，我们设计了数字式直流电机转速控制系统，它包括控制器、脉宽调制系统、转速检测装置、显示、按键等环节。我们采了AT89C52单片机作为中心控制器,由光电传感器作频率检测装置,脉宽采用D/AMAX5441来进行调制，近而控制电机转速。真正实现可变脉宽控制电机转速，达到了工程指标，也实现了电机的智能
2、控制。关键词:单片机 光电传感器 PWM调制 直流电机一、设计目的作用数字式直流电机转速控制系统外封装为数码显示、按键、电机及检测装置。左键为设定和退出设定键，在设定状态时数码管跟踪显示设定值。在设定时中间键为加数键，在加数时按下设定键（左键）可实现加速加数。在设定时右键为减数键，同上在减数的基础上按下设定键（左键）可实现加速减数。退出设定为控制状态。在控制状态按下右键实现反向转速。其中指示灯上亮下灭时，为控制状态，全亮时为控制状态。二、设计要求电路连接后查找电源和地线连接是否正确，否则很容易使芯片烧坏，电路经仔细查找无误后再接通电路。首先对锯齿波发生电路进行测试是否产生锯齿波，其次调节恒流源
3、电流和LM358正输入电压，近而得到大致频率和幅值。然后再与软件结合调试。测试L293D电机驱动电路，它的两个使能控制端EN分别控制一组桥路，每次只有一组有效。分别检测是否正常工作。光电传感器是直接测试电机的部分，要对其特别仔细的检查，并用示波器取其波形验证其波形是否为脉冲波。高电平是否达到5V，低电平是否小于1V。通过调试，无误后，上电进行下一步软件调试。软件担负着数据计算，数据处理，显示，设定等多项任务。应分别进行测试。首先应作显示，有了显示能更好的调试其它环节。显示部分使用74HC595驱动数码管静态显示，设计中用串口发送数据，定时显示刷新。定时刷新采用定时器T1，由单片机的计数器T0为
4、对外部脉冲触发计数。将得到的计数值代入公式（n：转速N：计数值）计算出转速，送入显示电路显示。将转速与给定的转速相减得到转速偏差量，计算PID参数通过编程实现PID调节。将转速换算成DA值送入DA中反馈给PWM实现对电机的实时控制。最后编写按键程序。参考题目要求首先通过软件测试，看是否能达到要求的指标，如若不能则修改硬件电路参数。或两者同时调节使设计的系统达到设计的要求。三、设计的具体实现1、系统概述数字式直流电机转速控制系统设计有控制器、PWM驱动器、转速检测电路、按键设定、显示输出五部分。PWM驱动器、转速检测电路、按键设定、显示输出都是由控制器控制实施的。总体框图1-1所示：单片机转速测
5、量PWM驱动转速显示按键接口供电电源直流电机图1-1电机转速是通过光电传感器检测产生触发脉冲经过触发器分频触发单片机中断计数，经定时计数得到标准计数值，由单片机对数据的计算、处理，建立了时间和脉冲的关系式，得到每分中电机的转速。将转速与给定转速作差得到偏差量，再由PID进行调节，使转速趋近给定转速实现控制。电机的速控是通过PWM方式控制的。PWM是由三角波发生电路、比较器、反馈电路。反馈是由单片机输入偏差量给高速的DA，由DA输出反馈值作用PWM中达到闭环反馈控制。电机是由集成H桥芯片驱动，为了防止电压的扰动控制中增，加了型滤波电路平直电流。电机正反转是由电压的正负方向控制的。当切换方向时电路
6、中型滤波电路的电感会产生反电动势会影响系统供电，严重会使系统无法正常工作。所以切换使用了继电器作为切换开关。按键功能可以设定转速，控制电机的转动的正反方向。显示电路是用了高亮数码管显示。系统是以高精度和实时性相协调的原则的基础上设计的。2、单元电路设计与分析（1） PWM电路选择直流电机是利用PWM进行调速，PWM可以由软件编程实现，也可由硬件电路实现，但在设计要求精度和实时性都比较高的情况下，单独使用二者之一是不能完全实现的。因此我们选择了两种典型电路来实现PWM，方案如下：（2）由单片机直接控制的PWM由图2-1所示可以看到是利用单片机给出比较脉冲，可实现PWM脉宽控制。这样占用了单片机资
7、源，更重要的是占用了它的大量时间作计算，这样就失去了控制的实时性。图1（3）利用高速的DA实现PWM图2（4）PWM控制电路的设计PWM是由锯齿波发生器、高速比较器、脉冲控制装置组成，其中的每一个环节都影响PWM的品质。在设计中每个环节都经过计算、实验、调节。为了简单方便设计中使用了RC振荡电路。如图3-1所示，R1、R14、D4、D5和Q3形成恒流源。D4、D5保证三极管Q3保持导通，使电容C1有持续的充电电流。R2和R5分压使LM358的负输入端V-V-的电压稳定在0.3V。当电容C1充电电压大于LM358的负输入端V-时358输出正电压，使Q4导通实现对C1放电。周而复始对C1的冲放电实
8、现了锯齿波产生。锯齿波的振幅为0.9V，周期15KHz。 D6是保护三极管防止C1反电动势击穿三极管。图3由上述的锯齿波产生的波形如下由锯齿波发生电路产生的锯齿波输入到高速比较器LM311的负输入端，MAX5441的输出接到比较器的正输入端两者经过比较输出可变的脉宽。比较器的速度是一个非常重要的参数，LM311响应时间是200ns，这个时间可以快速的响应比较过程。 MAX5441是MAXIM公司生产的高精度十六位串行DA。 其电压基准是2.5V，则它输出的电压为0V2.5V。DA的分辨率为=0.038mV。如此高的分辨率可产生成精细的电压值。再经过高速比较器与锯齿波比较可产生精细可变的脉宽。其
9、周期为锯齿波的周期20kHz。 电路接线如图3-3所示，MAX5441的CS、SCLK、DIN、CLR接单片机I/O端口、OUT是锯齿波、PWM是输出的可变脉宽。图4（5）检测电路的设计图5 转速检测是在现场环境下工作，其抗干扰和测量的准确性是整个系统设计的根本。选择光电传感器LTH-301A，它具有抗磁干扰、高可靠性、快速性。传感器每受光一次产生一个低脉冲。通过计算一个低脉冲周期单片机的时钟数，测算出电机转速。设计中利用了D触发器74LS74将脉冲进行二分频。具体电路图如上图5。脉冲通过D触发器进行二分频把信号传给单片机的外部中断INT0，INT0设置成下降沿触发，由于此巧妙的设计，单片机计
10、数值是电机每转一圈的计数值，实现了脉宽计数，电机的转速是以转/每分计，而单片机使用的是12MHz的晶振，每一次计数是1us，一分钟为6000000us，则设转速为n，计数值为N。则 。（6）电机驱动电路和正反转切换电路电机驱动需要足够的电流，设计中使用集成H桥L293D，L293D驱动电流1.2A，内集成H桥组成推挽电路。L293D接收PWM的电压组成两组驱动，这样可交替使用便于控制电机的旋转方向。系统中加入LC滤波电路，滤除电路中的纹波，消除电路的扰动队单片机的干扰，同时加入继电器控制正反转为了防止开关切换时电机产生的反电动势影响系统工作。经过一系列的保护措施，可保障电机平稳的调速。设计电路
11、图如图6所示：图6 电路连接后查找电源和地线连接是否正确，否则很容易使芯片烧坏，电路经仔细查找无误后再接通电路。首先对锯齿波发生电路进行测试是否产生锯齿波，其次调节恒流源电流和LM358正输入电压，近而得到大致频率和幅值。然后再与软件结合调试。测试L293D电机驱动电路，它的两个使能控制端EN分别控制一组桥路，每次只有一组有效。分别检测是否正常工作。光电传感器是直接测试电机的部分，要对其特别仔细的检查，并用示波器取其波形验证其波形是否为脉冲波。高电平是否达到5V，低电平是否小于1V。通过调试，无误后，上电进行下一步软件调试。（7）测试结果与分析Y5678910111213n5285706176
12、78770905107012151320Y 141516171819202530n139014401490153015651595163017901925对上述测试数据统计分析作图如下理想曲线是经过多次测量取其平均值作商得到理想直线斜率。从而作出图中的直线。而曲线是经过反复的测试的道的数据利用描点法作出的。图5-1所示实际曲线与理想曲线相比差别很大，设计中避免以理想曲线控制，造成不良影响。将DA值和对应的转速值以数组的方式存入单片机中。用查表的方法进行反馈控制。使控制系统指标。四、总结数字式直流电机转速控制系统是由硬件和软件巧妙相结合做到最大限度的消除误差完成了基本要求。在反复修改系统调节功能达到了发挥部分的要求。实现了电机转速控制的智能化。五、附录1、MAX5441单片机、发光二极管、光敏三极管2、电容C1、D触发器3、光电传感器、PWM调制、直流电机六、参考文献1、 翟玉文，梁伟，艾学忠，施云贵. 电子设计与实践. 中国电力出版社.2005.2、 邓星钟. 机电传动控制.华中科技大学出版社.2004.3、 张毅刚. 单片机原理及应用. 北京：高等教育出版社.2004。4、 陈润泰，许琨. 检测技术与智能仪表. 湖南：中南工业大学出版社.2002.5、 夏路易.石宗义 编著.电路原理图与电路板设计教程. 北京希望电子出版社2002.6 11
