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1、指导教师评定成绩： 审定成绩： 重 庆 邮 电 大 学自 动 化 学 院课程设计报告 设计题目：基于单片机的直流电机调速系统设计单位（二级学院）： 学 生 姓 名： 专 业： 班 级： 学 号： 指 导 教 师： 设计时间： 2011 年 10 月重庆邮电大学自动化学院制08级自动化专业综合设计题目第二组题目： 单片机直流电机调速装置的设计与制作要求： 设计与制作单片机最小系统，具有键盘输入0 9数字和功能键；LED数码管或LCD1602显示。主要显示实际速度值和设定速度值以及参数修改的值。 设计速度检测电路与数据处理，速度测量采用数字测量的方式，采用光电式和电磁式测量方法。实现速度信号的检测
2、、整形等实现。 输出驱动采用PWM脉宽调制。调节周期可以设定。默认值为0.5s。驱动芯片采用L298 直流电机由实验室提供。直流电机的输入电压24V。功率50瓦。控制算法采用常用PID算法。 进度要求：第一周方案设计设计，原理图设计等。元器件清单提交到指导老师处。第二周至第五周系统软件设计以及调试相关准备。第六周系统调试和撰写综合设计报告。进行答辩。摘 要IV1 引言12 总体方案设计12.1 硬件方案论证12.1.1 微处理器的选择12.1.2 测速传感器的选择22.1.3电机驱动方案论证22.2系统原理框图设计32.3. 系统单元电路的设计32.3.1速度测量电路的设计32.3.2 车速传
3、感检测电路42.3.3串行通信接口电路42.3.4 电机驱动电路的设计52.3.5 LCD显示电路与单片机的接口设计52.3.6.矩阵键盘电路62.3.7电源模块63.系统软件设计73.1 系统总程序框图设计73.2 电机转速测量程序设计73.3键盘程序设计83.4 LCD显示子程序的设计94 数字PID算法94.1.PID基本原理94.2 PID控制算法的单片机程序实现105.总结11参考文献12附录1.13附录2.14 摘 要本文介绍了基于 STC12C5412AD单片机作为微控制芯片，利用红外传感器或霍尔传感器测直流电机的转速，采用了芯片L298N作为直流伺服电机的驱动芯片，完成了在主电
4、路中对直流电机的控制，利用PWM调速方式控制直流电机转动的速度，同时可以通过矩阵键盘随意设定电机的转速值，并由LCD显示速度的变化值，采用PID算法实现自动调节速度至预先设定的速度，整个系统的电路逻辑结构简单，可靠性高，实现功能强。关键词： 单片机 红外传感器 霍尔传感器 PWM调速 直流电机1 引言最基本的电力传动自动控制系统是调速系统：即通过控制电机的转速来控制生产机械的运动。测速装置在控制系统中占有非常重要的地位。对测速装置的要求是分辨能力强、高精度和尽可能短的检测时间(采样周期)。电机转速的检测方案可分成两类：用测速发电机检测或用脉冲发生器检测。测速发电机的工作原理是将转速转变为电压信
5、号，它运行可靠，但体积大、精度低，且由于测量值是模拟量，必须经过 A/ D 转换后读入计算机。脉冲发生器的工作原理是按电机转速高低，每转发出相应数目的脉冲信号。按要求选择或设计脉冲发生器，能够实现高性能检测。如选用旋转编码器做脉冲发生器，使用简单，但价格较贵。所设计的基于霍尔元件和光电传感器的脉冲发生器成本低、构造容易、性能好。它成功地嵌入目前在国内大学中普遍采用的DCS- 1 型直流调速系统实验装置中，已可靠运作两年以上。而且有关用测速发电机测速的系统实验可以照常进行，硬件上无须做任何改动。若采用旋转编码器则只能与测速发电机替换使用，反复卸下一个、装上另一个，才能进行相应的系统实验。2 总体
6、方案设计2.1 硬件方案论证要控制直流电机转速，硬件电路要求比较高，它决定直流电机调速的精度。采用PID控制器，因此需要设计一个闭环直流电机控制系统。该系统采用脉宽调速，使电机速度等于设定值，并且实时显示电机的转速值。通过对设计功能分解，设计方案论证可以分为：系统结构方案论证，速度测量方案论证，电机驱动方案论证，键盘显示方案论证，PWM软件实现方案论证。2.1.1 微处理器的选择方案一：采用一片单片机（AT89S52）完成系统所有测量、控制运算，并输出PWM控制信号，但是其造成CPU资源紧张，程序的多任务处理难度增大，不利与提高和扩展系统性能，也不利于向其他系统移植。方案二：采用两片单片机（A
7、T89S52）,其中一片做成PID控制器，专门进行PID运算和PWM控制信号输出；另一片则系统主芯片，完成电机速度的键盘设定、测量、显示，并向PID控制器提供设定值和测量值，设定PID控制器的控制速度等，但硬件比较复杂。方案三：采用STC12C5412AD单片机。它是高速低功耗超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快10倍左右，内部集成MAX810专用复位电路，4路PWM，8路高速10位A/D转换，针对电机控制，强干扰场合，同时PID控制算法的实现可以精益求精，对程序算法或参数稍加改动即可移植到其他PID控制系统中。综上所述采用方案三2.1.2 测速传感器的选择
8、方案一：使用测速发电机，输出电动势E和转速n成线性关系，即E=kn，其中k是常数。改变旋转方向时，输出电动势的极性即相应改变，安装不方便且不常用。方案二：采用霍尔传感器，霍尔元件是磁敏元件，在被测的旋转体上装一磁体，旋转时，每当磁体经过霍尔元件，霍尔元件就发出一个信号，经放大整形得到脉冲信号，送运算。不需A/D转换，直接可以被单片机接收方案三：采用光电传感器，在电机的转轴端安装一个自制码盘（32个黑白相间的扇形弧度），经过红外发射接收管，发射的红外光一直发射，当码盘转到白色的条纹时反射回来被接受管接收，每输出16个脉冲就转过一圈。在本设计方案中采用两种方法，因此采用方案二和方案三2.1.3电机
9、驱动方案论证 方案一：采用专用小型直流电机驱动芯片L298。这个方案的优点是驱动电路简单，几乎不添加其它外围元件就可以实现稳定的控制，使得驱动电路功耗相对较小，而且目前市场上此类芯片种类齐全，价格也比较便宜。方案二：采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对电机的速度进行调整。这个方案的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间慢、机械结构易损坏、寿命较短、可靠性不高。方案三：采用由达林顿管组成的H型PWM电路。用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机转速。这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高；H型电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制；电子
10、开关的速度很快，稳定性也极佳，是一种广泛采用的PWM调速技术。 通过比较和对市场因素的考虑，本设计采用方案一，使系统的设计核心在PID控制上。2.2系统原理框图设计系统原理框图如图2.1所示，是一个带矩阵键盘输入和LCD12864显示的闭环测量控制系统。主体思想是通过系统设定信息和测量反馈信息计算输出控制信息。单片机（速度的测量计算、输入设定及系统控制）单片机（PID运算控制器、PWM模拟发生器）电机速度采集电路电机驱动电路键 盘显示器图2.1 系统原理框图2.3. 系统单元电路的设计2.3.1速度测量电路设计一理论上，是先将转速转化为某一种可测电量来测量，如电压，电流等。设计中将转速测量转化
11、为电脉冲频率的测量。本系统采用光电传感器ST188来检测码盘转过的圈数以此来测速度。主要原理是：当码盘转到白色的条纹时，装在码盘旁边的红外发射管发射红外线信号,经白色反射后,被接收管接收,一旦接收管接收到信号，那么图中光敏三极管将导通，收红外线比较器输出为低电平；当码盘转到黑色的条纹时，红外线信号被黑色吸收后,光敏三极管截止,比较器输出高电平,从而实现了通过红外线检测信号的功能。将检测到的信号送到单片机I/O口,当I/O口检测到的信号为高电平时,表明红外光被码盘上的黑色线条吸收了,同理,当I/O口检测到的信号为低电平时,表明在白色的条纹上，并使用电压比较器LM339将I/O口输出的电平转换为标
12、准的TTL电平。每检测到一个信号码盘转过22.5,当检测到16次信号时,电机转动一圈,电路如图2.2所示图2.2转速/频率转化电路2.3.2速度测量电路设计二速度检测电路是由开关型霍尔传感器和磁钢组成，其电路图如图2.3所示。测量电机转速的第一步就是要将电机的转速表示为单片机可以识别的脉冲信号，从而进行脉冲计数。霍尔器件作为一种转速测量系统的传感器，具有结构牢固、体积小、重量轻、寿命长、安装方便等优点。当电机转动时，带动传感器，产生对应频率的脉冲信号，经过信号处理后输出到计数器或其他的脉冲计数装置，进行转速的测量。在本次使用中，我们将霍尔传感器3314固定在离反射式黑白码盘很近的洞洞板上，码盘
13、上固定有微型磁钢，当码盘转动一圈时，霍尔传感器就输出电平信号，经电压比较器lm339放大后输入单片机 处理。所谓磁钢，就是磁钢就是一种有磁性的钢铁。在传感检测电路中将磁钢安装在电机的转轴上，而霍尔传感器则放在转轴的旁边，霍尔传感器连接在电路中，当磁钢随转轴经过霍尔传感器时，由开关型霍尔传感器的工作原理知，此时将输出一个低电平信号；而当磁钢离开霍尔传感器后，又将输出一个高电平。这样通过高低电平的转换，将其送入单片机后就可以测量它的转速。图2.3 霍尔传感器部分2.3.3串行通信接口电路 单片机的串行口是非常有用的，通过它我们可以把单片机系统的数据传回电脑处理或者接受电脑传过来的数据而进行相应的动作。微控制器有许多标准的通信方法,但在主/从嵌入式系统中,最常用的是RS232串行接口、SPI和I2C。单片机有一个全双工的串行通信口。图2.4串行通信接口电路本次课程设计，采用的是RS232出行接口方式。电路中串行端口的本质功能是作为单片机和电脑端的通信，完成51单片机ISP程序下载的功能。当数据从单片机经过串行端口发送出去时，字节数据转换为串行的位。在接收数据时，串行的位被转换为字节数据。在Windows环境（Windows NT、Win98、Windows2000）下，串口是系统资源的一部分。应用程序要使用串口进行通信，必须在使用之前向操作系统提出资源申请要求（打开串
