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1、计算机控制技术课程设计姓 名：学 号：系 别：专 业：班 级：指导教师：二一一 年十二 月 十六 日目 录1.课程设计目的12. 课程设计题目和要求12.1课程设计的要求和内容23.1.1 系统总方案论证与选择23.1.2 设计模块方案比较与分析33.2设计方案的图表4一）PWM波软件软件设计4二）测速软件设计5三）直流电机的调速功能仿真61调速前的波形图72调速后的波形图7四）电机速度的测量并显示功能仿真7五）系统的电路原理图8.查阅资料：搜集与本设计有关部门的资料(包括从已发表的文献中和从生产现场中搜集的能力；(2.方案的选择：树立既考虑技术上的先进性与可行性,又考虑经济上的合理性,并注意
2、提高分析和解决实际问题的能力；(3.迅速准确的进行工程计算的能力,计算机应用能力；(4.用简洁的文字,清晰的图表来表达自己设计思想的能力。2. 课程设计题目和要求2.1课程设计的要求和内容3.1.1 系统总方案论证与选择方案一：直接加直流电源来控制电机的转动速度；根据电动机在其额定电压时，电动机有一定的额定转速。根据其输入电压的减小，其转动速度也相应的减小。从而在传统的改变电动机的转速问题中，就是利用所给电动机的电压的不同，而达到人们所需要的大约速度。方案二：以单片机AT89C51为中心通过D/A转换器,将单片机数字量转换为模拟量，从而起到控制电动机的转速问题。其中在单片机控制部分通过按键直接
3、从程序中调出所需要速度的值，同时输到数码显示部分和D/A转换部分以实现电动机的调速。键盘AT89C51单片机数码显示D/A0832转换电动机图1 电路组成框图方案三：采用AT89C51单片机进行控制。本设计需要使用的软件资源比较简单，只需要完成编码器采样部分、键盘控制部分以及显示输出功能。采用AT89C51进行控制比较简单、易控制、可靠性高、抗干扰能力强、精度高且体积大大减小。输出速度的调节是通过键操作，显示速度。AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器.具有4K字节可编程闪烁存储器,可擦除的的只读存储器(PEROM, ATMEL的AT89C
4、51是一种高效微控制器. AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案. 三级程序存储器锁定、128*8位内部RAM、32可编程I/O线、两个16位定时器/计数器、5个中断源、可编程串行通道、低功耗的闲置和电模式、片内振荡器和时钟电路：电路框图如图2 图2 电路组成框图方案分析：方案一只能以减小所给电压值而能使电动机的转速有相应的减小，此方案操作性差且不安全。方案二不能及时的从电动机那里得到相应的转动速度，而是直接从程序哪儿调用相应的数值给数码显示。所以，此处的电路在速度的显示上失去了其真实性。方案三在可操作性与实时性方面都都结合了本专业特点，从控制理论与控制技术出发
5、，充分发挥与应用本学科特点。所以，设计采用方案三。3.1.2 设计模块方案比较与分析电机调速控制模块： 方案一：采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速的目的。但是电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵。更主要的问题在于一般电动机的电阻很小，但电流很大；分压不仅会降低效率，而且实现很困难。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
6、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。兼于方案三调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大，因此本设计采用方案三。3.2设计方案的图表一）PWM波软件软件设计程序流程图：产生矩形波开始按键查询OPEN是否按下时定时器T0开始计时Add_speed是否按下初始化是是增大矩形波占空比Sub_speed是否按下是减小矩形波占空比Swap或close是否按下改变转向或关闭电机 软件电机控制的方框图二）测速软件设计开始初始化OPEN是否按下定时器T1开始计时对单位
7、时间内的脉冲计数 N根据公式计算出电机的速度液晶显示电机速度 软件测速的方框图一）电路原理图 LCD显示电路二）霍尔传感器的电路原理图 霍尔传感器的测速电路三）直流电机的调速功能仿真当按下open键时，电机开始工作。若需要加快电机的转速，则按下add_speed键，直到电机转速适中；相反，需要减慢电机的转速时，则按下sub_speed键，待转速满意后，放开按键。当然，在某种特定的环境下，还需改变电机的转速，此时，你可以按一下swap键，以达到改变电机转向的目的。当电机不工作时，则按下close键。 直流电机调速系统的Proteus仿真图1调速前的波形图 电机启动时的脉冲波形占空比2调速后的波形
8、图 电机减速后的脉冲波形占空比四）电机速度的测量并显示功能仿真对电机转速的显示，为使用者提供了更为直观的界面。用户可以根据液晶显示屏上的数字，调整电机的转速，为调速提供了方便。从显示数字的稳定程度，也可以判断电机转速的稳定性。若显示数字几乎不变，则说明电机工作十分稳定；与之相反，显示数字不停地变化，则说明电机工作非常不稳定。 直流电机系统的Proteus仿真五）系统的电路原理图 直流电机调速系统的Protel原理图由电源模块、单片机控制单元、电机驱动电路、LCD显示电路、霍尔传感器电路构成。六）系统的PCB图3.3论述方案的各部分工作原理3.3.1 8051单片机的基本组成8051单片机由CP
9、U和8个部件组成，它们都通过片内单一总线连接，其基本结构依然是通用CPU加上外围芯片的结构模式，但在功能单元的控制上采用了特殊功能寄存器的集中控制方法。其基本组成如下图所示：图2-2 8051基本结构图2CPU及部分部件的作用功能介绍如下中央处理器CPU：它是单片机的核心，完成运算和控制功能。内部数据存储器：8051芯片中共有256个RAM单元，能作为存储器使用的只是前128个单元，其地址为00H7FH。通常说的内部数据存储器就是指这前128个单元，简称内部RAM。内部程序存储器：8051芯片内部共有4K个单元，用于存储程序、原始数据或表格，简称内部ROM。定时器：8051片内有2个16位的定
10、时器，用来实现定时或者计数功能，并且以其定时或计数结果对计算机进行控制。中断控制系统：该芯片共有5个中断源，即外部中断2个，定时/计数中断2个和串行中断1个。3. 8051单片机引脚图图2-3 8051单片机引脚图3.3.2PWM的基本原理PWM脉冲宽度调制）是通过控制固定电压的直流电源开关频率，改变负载两端的电压，从而达到控制要求的一种电压调整方法。PWM可以应用在许多方面，比如：电机调速、温度控制、压力控制等等。在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并且根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来达到改变平均电压大小
11、的目的，从而来控制电动机的转速。也正因为如此，PWM又被称为“开关驱动装置”。如图2-8所示：图2-8 PWM方波设电机始终接通电源时，电机转速最大为Vmax，设占空比为D= t1 / T，则电机的平均速度为Va = Vmax * D，其中Va指的是电机的平均速度；Vmax 是指电机在全通电时的最大速度；D = t1 / T是指占空比。由上面的公式可见，当我们改变占空比D = t1 / T时，就可以得到不同的电机平均速度Vd，从而达到调速的目的。严格来说，平均速度Vd 与占空比D并非严格的线性关系，但是在一般的应用中，我们可以将其近似地看成是线性关系。3.3.3 PWM发生电路主要芯片的工作原
12、理1数据比较器具有数据比较功能的芯片有74LS6828，74LS6838等8位数值比较器，4位数值比较器4585等。本PWM发生电路通过两片4位数值比较器4585就可实现PWM信号的产生，因此选用4585作为信号发生电路。芯片4585的引脚图：图2-10 4585引脚图2串行计数器系统PWM信号发生电路中还使用到一片串行计数器，有串行计数功能的芯片有4024、4040等，它们具有相同的电路结构和逻辑功能，但4024是7位二进制串行计数器，而芯片4040是一个12位的二进制串行计数器，所有计数器位为主从触发器，计数器在时钟下降沿进行计数。当CR为高电平时，它对计数器进行清零，由于在时钟输入端使用
13、施密特触发器，故对脉冲上升和下降时间没有限制，所有的输入和输出均经过缓冲。本系统使用4040作为串行计数器，芯片4040的引脚图如图2-11所示：图2-11 4040引脚图3.3.4H桥驱动电路图2-1所示的H桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机，电路得名于“H桥驱动电路”是因为它的形状酷似字母H。如图1.1-1所示，要使电机运转，必须导通对角线上的一对三极管。根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。图4H桥驱动电路要使电机运转，必须使对角线上的一对三极管导通。例如，如图2-2所示，当Q1管和Q4管导通时，电流就从电源正极经Q1从左至右穿过电机，然后再经 Q4回到电源负极。按图中电流箭头所示，该流向的电流将驱动电机顺时针转动。当三极管Q1和Q4导通时，电流将从左至右流过电机，从而驱动电机按特定方向 转动电机周围的箭头指示为顺时针方向）。图5H桥驱动电机顺时针转动图2-3所
