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1、课程设计报告书姓 名：学 号：班 级：课程名称：计算机控制与接口技术设计题目： 单片机控制直流电机1.设计思路直流电机调速性能好,可靠性高,机械特性强,在自动控制中的应用极为广泛。直流电 机的调速系统多种多样,但系统复杂,控制精度和成品价格难以兼顾。本文使用价格低廉、 应用广泛的 MCS - 51 系列单片机为控制芯片,以 PI 调节控制算法为基础,完成对直流电 机转速的调节,达到了控制性能好,成本低的目的。本文重点阐述了该系统的基本工作原 理、所采用的相关技术等，进而交代了电机转速测量控制的实现方法。硬件设计总体思路根据本次课程设计的具体要求为，使用LCD显示出直流电机的转速，我们由题目可以
2、 分析出，这个题目实际是由多个部分组成的。既第一个部分应该为，用单片机控制直流电机的转速，并且系统应提供直流电机驱动、 测速电路，使用单片机驱动直流电机，测量直流电机的转速，控制直流电机稳定运行在一 个围。其二，可以分析出第二个部分应该为，使用LCD显示系统显示出直流电机的具体转速， 并且单片机控制的电机实际转速与液晶显示器显示出的转速应该时时对应。其三，这个硬件系统的隐含意义是，本系统应该具有数模和模数转换的部分，因为这 个模数转换部分在这个系统中是不可缺少的，单片机控制的直流电机转速，在实际中无论 是对电机控制的信号，还是电机输出的信号都应该是数字信号，因为只有数字信号才能被 单片机所识别
3、，而最重要的是，单片机控制的直流电机输出的转速的信号只有是数字信号 时才能被液晶显示LCD模块所识别，并最终准确的显示出直流电机的转速。设计原理方框图如图2-2所示，以AT89C51单片机为控制核心，包括测速电路、PWM波形发生器和PWM功放电路以及LCD显示部分。显示电路1_F刖披形 发主电路L功禺1路TAT89C51键盘-*脉冲整形编咼盘图2-2硬件方框设计原理图2.机控制直流电机部分的硬件设计2.2.1直流电机组成原理直流电动机结构由定子和转子两大部分组成。直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。运行时转动的部分
4、称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动 势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢，由转轴、电枢铁心、电 枢绕组、换向器和风扇等组成。直流电动机的结构是由直流电源、直流电机、控制开关 和调速器组成。直流发电机的工作原理就是把电枢线圈中感应的交变电动势，靠换向器配 合电刷的换向作用，使之从电刷端引出时变为直流电动势的原理。感应电动势的方向按右 手定则确定其工作原理不外乎就是用直流电源作为能量来驱动电机旋转。通过对三极管的 截止与导通进行控制，使其起到开、关和调速的作用。具体的操作为当直流电动机接上直 流电源时，使用电位器旋转按钮控制三极管集极的电压。如直流电机控制原理图2-3Ai
5、QIOA 9013Jl-A R4OAV-DCMotor-VCCTHeader 2DC-Motor图 2-3 直流电机控制原理1、当三极管的集极电压小于死区电压时三极管截止，则电动机不转动；2、当集极电压大于死区电压而小于饱和电压时三极管处于放大状态，随着集极电压 改变，从而改变了直流电动机两端的压降也就改变了电机的转速。具体原理为集极的电压 大小不一样，三极管的电压放大倍数也不一样从而起到调速作用改变直流电动机的旋转速 度。2.2.2 直流电机调速方案的设计直流电动机的转速控制方法可以分为 2 大类：对励磁磁通进行控制的励磁控制法和对 电枢电压进行控制的电枢电压法。其中励磁控制法在低速时受磁饱
6、和的限制，在高速时受 换向火花和换向器件结构强度的限制。并且励磁线圈电感较大，动态性能响应较差，所以 这种控制方法用的很少，多使用电枢控制法。本设计将采用电枢控制方法对电动机的速度 和转向进行控制。电机调速控制模块的方案假设： 直流电机转速调节： 某些场合往往要求直流电机的转速在一定围可调节，例如，电车、机床等，调节围根据负 载的要求而定。调速可以有三种方法：（1）改变电机两端电压；（2）改变磁通；（3）在电 枢回路中，串联调节电阻。采用第一种方法：通过改变施加于电机两端的电压大小达到调 节直流电机转速的目的。2.2.3直流电机测速方案的设计测速电路由附在电机转子上的光电编码盘及施密特整形电路
7、组成。电脉冲的频率与电机的转速成固定的比例关系，光码盘输出的电脉冲信号经放大整形为标准的TTL电平，输 入到单片机的两个外部中断：INT0和INTI,利用单片机部定时器/计数器T0和T1,以及部一 个寄存器作软计数器，循环地捕捉相邻两次速度脉冲，并由这两次触发所记录的时间差算 出其转速,再将这个转速与预置转速进行比较，得出差值，单片机通过对这个差值进行P I运 算,得出控制增量，在P010P013引脚送出控制信号改变PWM波形发生电路的占空比，最终 达到控制电机转速的目的。2.2.4 PWM产生与控制部分方案的设计1.PWM波形发生电路由于测速中占用了两个定时器T0和T1,如果再将PWM波形产
8、生交给AT89C51则会加大软 件的任务，并且影响整个系统的控制效果。因此这里考虑单独设计一个PWM波形发生电路, 单片机对它只提供控制参数以改变其占空比。2.2.5 LCD显示部分方案的设计1.课设所用LCD模块概述模块SMC1602B由一块点阵液晶屏和控制器HD44780及其辅助电路组成。本系统设计 采用OCMJ中文模块系统LCD液晶作为下位机的显示模块。该模块含GB2312 16x16点阵国 标一级简体汉字和ASCII8x8（半高）及8x16（全高）点阵形英文字库，用户输入区位码或 ASCII码可实现文本显示。OCMJ中文液晶显示模块采用ASK/ANSWER握手方式。3 各硬件部分的连接
9、与接口3.1 单片机与直流电机接口部分电机控制系统组成框图见图 3-1图 3-1 电机控制系统组成原理图图3-3触发电路原理根据以上电机的各部分电路的构造原理，我们接下来再考虑电机与单片机接口的通信 连接。在构思设计的同时也要考虑硬件的最大利用率，本次课设可以先在电脑上进行模拟 仿真这样就能提高设计的效率以及电路的可行性。而且在仿真的过程中非常方便进行电路 修改又可以达到很好的效果。因此通过使用Pro tu es对硬件电路精心设计并对该电路进行 仿真调试，用脉冲形式代替光电耦合管测取转速，再与单片机进行通信连接，可如下图3-4 所示。3.2单片机与LCD显示模块通信接口部分本次课程设计只用到了
10、串行方式进行转速显示。但是在与单片机相连接线的时候依然 把其他的数据引脚连接在单片机的P1端口，具体的接线法可以在P2端口体现如图3.5所 示。仿真的接线法在仿真软件中能够很好的模拟出来，而课设所用的实验箱却是天皇教仪 部已经有固定的焊接点。对系统进行调试时只有接 P1 口就行具体接法为引脚CS连接 P1.0、引脚STD连接单片机的P1.1、引脚SCLK连接P1.2、引脚PSB连接P1.3、引脚RES 连接P1.4。图3-5显示器引脚与单片机连接3.2各部分硬件结合原理及构造图3-6硬件连接原理图其实际的连接接口图如下图3-7-C2-:TEtfT?U2Ri : e.2k .汨fiUPD.DlM
11、J ffi.hJlDI:PO.3i,.AC0PD.5fRSTro.7i.wPJDXiIB PA倔 F22WDa5ENR .17*11fiLE円如卩P25/A13 R.aW4 W .7/ft15P1.DPS-Cjrin門P3.1dTOPI i PI 3PS il/IMID ps j/irjn卩1.4P3.1D門/POTIPI dPS MrtRPI TP3.TIR ILi .-JI IWET .5TPTRID七八TR2. 4Dk - - 工TBtT：*.-iDk - =?& cTEMR-Fb-X-_Jl . 1*1 - IM订白1丁 图3-7各部分硬件结合电路图4软件程序设计设计过程中，只有知道现
12、有的硬件连接才能进行软件设计与调试。没有硬件的程序是毫无意义的。因此为了达到课程设计所需的要求，又根据硬件的条件及接线法进行了如图4-6所示的编写程序步骤。开始系统初始化开外部中断術誉即时速度超值I I卩ID运算F送控制筋统|*图4-2中斷程序图4-1主程序流程图4-3中斷程序图4-4PI算法调用程序图 4-5中斷程序显示連度图 4.1 软件总体设计流程图4.2 系统各部分软件设计的思路PWM 软件实现方式： 方案一：采用定时器做为脉宽控制的定时方式，这一方式产生的脉冲宽度极其精确， 误差只在几个 us。方案二：采用软件延时方式，这一方式在精度上不及方案一，特别是在引入中断后， 将有一定的误差
13、。但是基于不占用定时器资源，且对于直流电机，采用软件延时所产生的 定时误差在允许围，故采用方案二。 PWM脉宽控制：本设计中采用软件延时方式对脉冲宽度进行控制，延时程序函数如 下：void delay(unsigned char dlylevel)int i=50*dlylevel;while(-i);此函数为带参数DLYLEVEL，约产生DLYLEVEL*400us的延时，因此一个脉冲周期可以 由高电平持续时间系数hlt和低电平持续时间系数llt组成，本设计中采用的脉冲频率为 25Hz，可得hlt+llt=100，占空比为hlt/(hlt+llt)，因此要实现定频调宽的调速方式， 只需通过程
14、序改变全局变量hlt，llt的值，该子程序流程图如图四。 中断处理子程序：采用中断方式，按下键，单片机P3.2脚产生一负跳沿，响应该 中断处理程序，完成延时去抖动、键码识别、按键功能执行。调速档、持续加/减速：调速档通过(0-6)共七档固定占空比，即相应档位相应改变 hlt，llt的值，以实现调速档位的实现。而要实现按住加/减速键不放时恒加或恒减速直 到放开停止，就需在判断是否松开该按键时，每进行一次增加 /减少 1%占空比(即 hlt+/-;llt-/+),其程序流程图如图五。 显示子程序：利用数组方式定义显示缓存区，缓存区有8位，分别存放各个LED管 要显示的值。显示子程序为一带参子程序，
15、参数为显示缓存的数组名，通过 for(i=0;i8;i+)方式对每位加上位选码，送到P0 口并进行一两毫秒延时。该显示子程序只对各个LED管分别点亮一次，因此在运行过程中，每秒执行的次数不 应低于每秒24次。6课设总结AT89C51单片机功能强大，方便今后的功能扩展。通过各种方案的讨论及尝试，再经 过多次的整体软硬件结合调试，不断地对系统进行优化。同时对电动机控制不是一个简单 的电子控制问题，它涉及很多方面的知识。相信单片机在今后的自动控制领域中将有更广 阔的应用前景。相信该系统能成功运用于直流电机转速系统的实时监控，简化控制逻辑系 统，而且成本低廉、功能完整、抗干扰性能好。能成功应用于直流电机转速调节、监控、 保护场合，并且监控界面友好，使用方便。能够对直流电机实行实时监控，不仅大大改善 了高速运行时的稳定性，而且还实现了保护功能。通过实验总结出要自己去摸索实践
