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1、黑龙江大学本科生毕业设计说明书论文题目： 基于单片机的直流电机调速系统的设计学 院： 机电工程学院 年 级： 2006 专 业： 电气工程及其自动化 姓 名： 学 号： 指导教师： 2010年 5 月 19日摘 要本文主要介绍了基于单片机的直流调速系统，确定了直流电机速度控制系统的基本设计方案。本设计以8051单片机为核心，以小型直流电机为对象，以44矩阵键盘作为输入，LED显示输出，从而实现了直流电机的启停、速度和方向的控制。本设计分析了对直流电机进行速度测量的原理，采用了PWM技术对电机进行控制，通过对占空比的计算达到精确调速的目的。实时测量电机的实际转速，并在LED数码管上显示出来，并对
2、电机进行PID转速调节，使其转速趋近于设定值。该系统解决了以往复杂的模拟电路设计问题，增强了对直流电机速度的可控性，提高了调速系统的精度。 关键词单片机；直流电机；PWM；PID算法AbstractThis paper introduces the DC motor speed control system based on 8051 single chip computer, and determines the basis scheme of this system. The system takes 8051 single chip computer as a core device,D
3、C motor as a plant,4*4 keyboard matrix as an input device, LED as an output device ,then this system can achieve the operation of the start-stop, speed and direction.This design analyzes to carry on the principle of the speed measures to the DC motor, uses the PWM technology to control the motor, an
4、d through the computation of dutyfactor to achieve the precise velocity modulation to get the goal. Measured the motors actual rotational speed by the real-time, showed it on the LED nixie tube and carried on the PID rotational speed adjustment to the motor, caused its rotational speed approach to t
5、he setting value. This system has solved formerly the complex analogous circuit design problem, strengthened to the DC motor speed controllability, and increased the velocity modulation systems precision.Key WordsSingle ship computer; Dc motor; PWM; PID algorithm目 录摘 要IAbstractII第一章绪论11.1 课题研究背景11.2
6、 课题研究方法2第二章 8051单片机简介32.1 单片机概述32.2 8051单片机引脚图及引脚功能42.3 8051单片机的特点及基本组成52.4 8051单片机中央处理器模块及内部结构72.5 8051单片机的片外总线结构及并行I/O口10第三章 系统硬件电路设计133.1 总体方案设计133.2 直流电机的工作原理和调速方法143.3 转换电路163.4 转速测量电路183.5 数码管显示电路19第四章 PWM信号发生电路设计20 脉宽调制(PWM)的基本原理20 PWM波形发生电路224.3 PWM脉冲波的产生234.4 干扰问题的处理23第五章 系统软件设计255.1 主程序设计2
7、55.2 PID算法265.3 源程序27结论36参考文献37致谢38基于单片机的直流电机调速系统的设计第一章绪论 课题研究背景在电气时代的今天，电动机在工农业生产与人们日常生活中都起着十分重要的作用。直流电机作为最常见的一种电机，具有非常优秀的线性机械特性、较宽的调速范围、良好的起动性以及简单的控制电路等优点，因此在社会的各个领域中都得到了十分广泛的应用。早期的电机电枢电压调节法采用串联电阻调速法，这种方法耗能大、且调速不太平稳，逐渐被其他调速装置代替。以后又出现了晶闸管、MOSFET，IGBT等为主控元件的调速装置。电子技术的高速发展，促使直流电机调速逐步从模拟化向数字化转变，特别是单片机
8、技术的应用，使直流电机调速技术进入一个新的阶段。传统的晶闸管直流调速系统控制回路的硬件设备极其复杂，安装调试困难，相对故障率较高，其控制方案是依靠软件实现的，控制器由可编程功能模块组成，配置和参数调整简单方便，工作稳定。而当今，单片微型计算机的功能不断加强，运算速度不断提高，价格降低且可靠性增强，数字控制技术的迅猛发展，给电力拖动自动控制系统增添了新的技术手段，数字控制可由通用的单片微型计算机来实现，单片微型计算机除完成数字运算外，还可以实现PID以及其它各种特殊的控制规律，可以存储和计算不同条件下的速度设定值及变化规律，同时对各种工艺参数进行检测、显示、越限报警和打印报表等。通过分时采样还可
9、以用一台计算机控制多台调速装置，这些技术特点为直流调速控制器装置由模拟向数字化发展提供了契机。因此,电动机速度控制器采用以单片机为核心的数字控制系统是电气传动发展的主要方向之一。一般直流调速系统通常采用三相全控桥式整流电路对直流电动机进行供电，通过改变电路的输出电压从而控制电动机的转速。传统的控制系统采用模拟元件，如晶体管、各种线性运算电路等，虽在一定程度上满足了生产要求，但是因为元件容易老化和在使用中易受外界干扰影响，并且线路复杂、通用性差，控制效果受到器件性能、温度等因素的影响，从而致使系统的运行特性也随之变化，故系统的运行可靠性及准确性得不到保证，甚至出现事故。当前，在世界范围内，一个以
10、微电子技术，计算机和通信技术为先导的，以信息技术和信息产业为中心的信息革命方兴未艾。随着微电子技术，微处理机以及计算机软件的发展，使直流调速控制的各种功能几乎均可通过基于微处理机的控制器硬件结合软件模块来加以实现，即从过去的模拟控制向模拟-数字混合控制发展，乃至实现全数字化的直流调速控制系统。直流电动机调速系统通过单片机控制可实现人机对话，极大地提高设备的自动化程度，能提高生产率、可靠性与柔性。在数字化系统中除具有常规的调速功能外，还可实现故障报警、诊断及显示等功能。 课题研究方法本文主要研究了利用MCS-51系列单片机，以PID 调节算法为基础，完成对直流电机转速的调节，达到了较好的控制性能
11、，而且成本低廉。脉宽调制本质上是一种电压调速，它结合其他元件改变电机电枢在一定周期内的导通时间，调节电机两端的平均电压，达到调节电机速度的目的。采用脉宽调制控制电机电枢的通断与串电阻调节法相比，减少了电能在电阻中的损耗，能够节约能源。在硬件电路的搭建上，一般采用闭环控制方式。冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。PWM控制技术就是以该结论为理论基础，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。脉宽调制调速法突破传统的串电阻调速，节省了电能
12、。本文就是利用这种控制方式来改变电压的占空比实现直流电机速度的控制。文中采用了专门的芯片组成了PWM信号的发生系统，通过运算放大器来驱动电机。利用一组鼠标用的红外对管测得电机速度，经过滤波电路得到直流电压信号，把电压信号输入给A/D转换芯片最后反馈给单片机，在内部进行PID运算，输出控制量完成闭环控制，实现电机的调速控制。第二章 8051单片机简介2.1 单片机概述单片微型计算机简称为单片机，又称为微型控制器，是微型计算机的一个重要分支，自70年代问世以来，以及其高的性能价格，受到人们的重视和关注，应用很广，发展也很快。单片机体积小，重量轻，抗干扰能力强，环境要求不高，价格低廉，可靠性高，灵活
13、性好，开发较为容易。由于单片机的硬件结构与指令系统的功能都是按工业控制要求而设计的，常用在工业的检测、控制装置中，因而也称为微控制器（Micro-Controller）或嵌入式控制器（Embedded-Controller）。Intel公司单片机是目前应用最广、品种最多的单片机。在80年代初又推出了MCS-51系列的高性能的8位单片机。HMOS制造工艺的MCS-51单片机都采用40引脚的直插封装（DIP方式），制造工艺为CHMOS的80C51/80C31芯片除采用DIP封装方式外，还采用方型封装工艺。其中方型封装的CHMOS芯片有44只引脚，但其中4只引脚，即标有NC的引脚1、12、23、34
14、是不使用的。在以后的讨论中，除有特殊说明以外，所述内容皆适用于CHMOS芯片。在单片机的40条引脚中有2条专用于主电源的引脚，2条外接晶体的引脚，4条控制或与其它电源复用的引脚，32条输入/输出（I/O）引脚。单片机按照其用途可分为通用型和专用型两大类。通用型单片机是把可开发资源（如ROM、RAM、EPROM、I/O口）全部提供给使用者。专用型单片机其硬件结构和指令是按照某个特定用途而设计的。通常，单片机由单块集成电路芯片构成，内部包含有计算机的基本功能部件：中央处理器、存储器和I/O接口电路等。因此，单片机只需要和适当的软件及外部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统。单片机经过1、2、3、
15、3代的发展，目前单片机正朝着高性能和多品种方向发展，它们的CPU功能在增强，内部资源在增多，引角的多功能化，以及低电压底功耗。如果将8位单片机的推出作为起点，那么单片机的发展历史大致可以分为以下几个阶段：第一阶段（19761978）：单片机的探索阶段。以Intel公司的MCS-48为代表。MCS-48的推出是在工控领域的探索，参与这一探索的公司还有Motorola、Zilog等都取得了满意的效果。这就是SCM的诞生年代，“单片机”一词即由此而来。第二阶段（19781982）：单片机的完善阶段。Intel公司在MCS-48基础上推出了完善的、典型的单片机系列MCS-51。它在以下几个方面奠定了典型的通用总线型单片机体系结构。第三阶段（19821990）：8位单片机的巩固发展及16位单片机的推出阶段，也是单片机向微控制器发展的阶段。Intel公司推出的MCS-96系列单片机，将一些用于测控系统的模数转换器、程序运行
