直流电机调速系统的设计.docx
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直流电机调速系统的设计
XXX大学本科毕业设计
直流电机调速系统的设计
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直流电机调速系统的设计
学生：
指导教师：
内容摘要：
本文介绍了基于PIC16F877A单片机构成的直流电机调速、测速系统,单片机通过PWM的输出信号实现对直流电机进行调速。
利用PICC来编写单片机软件来实现对电机的一系列功能控制。
电机转动从总体上分为调速和不调速两大类。
按照电动机的类型不同，电机转动又分为直流和交流两大类，直流电动机在19世纪先后诞生，但当时的电机传动系统是不调速系统，随着社会化大生产的不断发展，生产技术越来越复杂，对生产工艺的要求也越来越高，这就要求生产机械能够在工作速度，快速启动和制动，正反转等方面具有较好的运行性能。
从而推动了电动机的调速不断向前发展，自从1834年直流电动机出现以后，直流电动机作为调速电动机的代表，在工业中得到了广泛的应用。
它的优点主要在于调速范围广，静差小，稳定性能好以及具有良好的动态性能，晶闸管变流装置的应用使直流拖动发展到了一个很高的水平，在可逆，可调速与高精度的拖动技术领域中相当长时间内几乎都采用直流拖动系统。
关键词：
直流电机PIC16F877APICCLCD1602矩阵键盘
Abstract:
Inthispaper,basedonthePIC16F877Aconsistingofsingle-chipDCmotorspeed,speed,single-chipPWMoutputsignalthroughtherealizationoftheDCmotorspeedcontrol.PICCusetowritesoftwaresinglechiptoachieveaseriesofmotorcontrolfunctions.
Onthewholedrivemotorspeedcontrolandspeedcontrolisdividedintotwobroadcategories.Inaccordancewithdifferenttypesofmotors,electricaltransmissionandexchangeofDCisdividedintotwocategories,directcurrentmotorinthe19thcenturywasbornoneafteranother,buttheelectricdrivesystemisnotspeedcontrolsystem,withthelarge-scalesocializedproductionofthecontinuousdevelopmentofproductiontechnologyMoreandmorecomplexproductionprocessrequirementshigherandhigher,whichrequirestheproductionofmachinerytoworkinthespeed,quickstartandbraking,andsoonpositiveinversionhasgoodperformance.Soastopromotethemotorspeedoftheconstantdevelopmentsince1834occurredaftertheDCmotor,DCmotorspeedcontrolmotorasarepresentativeoftheindustryhasbeenwidelyused.Themainadvantageofitsspeedrangeiswide,quietsmalldifference,stability,goodperformance,aswellasagooddynamicperformance,thyristorconverterdevicetoenabletheapplicationofdirectcurrenttodragthedevelopmentofaveryhighlevel,reversible,governorAndthedragofhigh-precisiontechnologiesinthefieldforquitealongtimealmostalluseofDCdrivesystem.
Keywords:
DCmotor,PIC16F877A,PICC,LCD1602,AKeyboardMatrix.
一、前言
（一）系统设计背景
运动控制系统是以机械运动的驱动设备──电机为控制对象，以控制器为核心，以电力电子器件及功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制系统。
这类系统控制电机的转矩、转速和转角，将电能转换为机械能，实现运动控制的运动要求。
可以看出，控制技术的发展是通过电机实现系统的要求，电机的进步带来了对驱动和控制的要求。
电机的发展和控制、驱动技术的不断成熟，使运动控制经历了不同的发展阶段。
嵌入式系统设计人员在电子应用初期就采用电磁控制电路，为电机、继电器、螺线管和扬声器提供激励，但现今的运动控制技术则更加复杂，因为系统要求多个电机或制动器之间的协调实现精确运动。
设计师通常选用直流电机或步进电机作精密运动控制。
可以将每种类型电机用于开环情况下，或使用电机自身反馈或设备中其它部分的反馈，以保证精度。
每种类型的电机都有无数种变体，它们有各自的优点、缺点以及最适宜的应用。
步进电机是最流行的运动控制设备之一，因为它们能够以非连续的步长进行运动，产生精确的角度位置信息，也相对比较容易控制。
步进电机的转子由按照串联电极排列的永磁体构成，它们决定了每步的大小。
定子中含有多个绕组，产生的磁场与转子的永磁体之间产生互相作用。
控制电路产生的一个脉冲序列使定子绕组的电源接通和中断，电机便产生正向或反向旋转。
定子脉冲序列反向就会改变旋转方向，而由脉冲的频率控制旋转速度。
要使一个步进电机旋转，必须不断地使绕组通电和断电。
反之，如果一个绕组持续给予能量，则电机会停止旋转，通过保持力矩使之维持在某个角度位置上。
直流电机也得到了广泛的应用，也可精确地控制旋转速度或转矩。
直流电机是通过两个磁场的互作用产生旋转。
定子通过永磁体或受激励电磁铁产生一个固定磁场，转子由一系列电磁体构成，当电流通过其中一个绕组时会产生一个磁场。
对有刷直流电机而言，转子上的换向器和定子的电刷在电机旋转时为每个绕组供给电能。
通电转子绕组与定子磁体有相反极性，因而相互吸引，使转子转动至与定子磁场对准的位置。
当转子到达对准位置时，电刷通过换向器为下一组绕组供电，从而使转子维持旋转运动。
（二）系统概述
本系统主要是运用分模块的思想来设计的，该系统是由电源模块、4×4矩阵键盘输入模块、LCD1602的液晶显示器模块、PWM（脉宽调制）控制模块、红外测速模块和PIC单片机中央控制单元等模块组成。
在整个设计中利用4×4矩阵键盘输入通过单片机来控制电机的开，关，调速等功能，同样把相应的控制状态显示在LCD1602的液晶显示器上；电机的调速是通过按键输入来使单片机输出不同的脉宽来实现对直流电机的调速，电机的速度是通过红外来测量的，主要是在电机的转轴上固定一个扇形的叶片，当叶片转到红外接收区时红外的阴极和阳极对穿，这时会产生一个低电平脉冲，单片机执行相应的任务在一秒中计算脉冲的个数（即测速）。
二、方案的论证与比较
方案一：
基于DSP技术
利用基于DSP（数字信号处理器）技术来对直流电机调速系统来进行设计。
我们可以利用DSP（TMS3205416）和专用控制集成芯片（MC33035）为核心，综合运用PID（比例微积分）算法和滤波算法对直流电机调速系统进行研究设计，DSP则可以实现全数字化的控制。
TMS3205416系列是TI公司最新推出的32位定点DSP芯片，它既具有数字信号处理能力，又具有强大的时间管理能力和嵌入式控制功能，特别适用于大批量数据处理的测控场合,本控制系统运行稳定、控制算法合理、控制精度高,有着很强的应用推广价值。
方案二：
基于ARM技术
利用ARM920T来完成对直流电机的控制.ARM920T是基于16/32位ARM7CPU嵌入高速Flash闪存的微控制器，具备高性能，小体积封装，低功耗，片上可选择多种外设等优点，应用范围很广。
其具备的多种32位和16位定时器、10位A/D转换器和每个定时器上PWM匹配输出特性，尤其适用于工业控制。
方案三：
基于FPGA技术
利用基于ALTERA的FPGA（现场可编程门阵列）来设计直流电机速度控制器.在FPGA中实现电流和速度反馈数据的自动采集,同时可以设计电流回路校正和速度回路校正模块,可以利用控制器数据采集、算法实现及时序控制的方法来实现.该设计具有实时性强、响应速度快、集成度高、可靠性高、保护及时、编程简单灵活、应用范围广泛等特点.。
基于FPGA的直流电机控制器，是以FPGA为核心，整合电机驱动波形发生、闭环控制运算、上位机通信功能于一体，既可以利用ROM自编程、又可以由上位机在线编程的直流电机控制器。
方案四：
基于单片机技术
利用PIC单片机来实现对直流电机调速系统的设计。
用该方案可以直接利用PIC单片机内部现有的资源模块——CCP模块，即输出PWM（脉宽调制）波来实现对直流电机进行调速。
综上所述利用前三种方案都非常好，利用前三种技术设计出来的直流电机调速系统的稳定性高，实时性好，效率高，尤其是方案一利用DSP来设计的直流电机系统完全可以达到现在的军需用品，因为它对数字信号的处理精度高。
但是作为此毕业设计不需要那么高的精度，只要实用就够啦，前三种方案的设计成本太高，无论是DSP芯片、ARM芯片还是FPGA芯片都比较贵，基于设计成本，设计的难易程度来综合比较，在这里选取方案四利用单片机来实现对电机的调速设计。
三、需求分析
（一）系统设计所需要的各个模块
1.电源模块
电源主要是需要一个5V，和一个3.3V的电压，5V电压是用来让PIC16F877A单片机工作的基准电压，而3.3V电压是用来驱动直流电机的。
这个电压模块不需要用任何软件来控制，只需用模拟硬件电路完成，用一个便携充电器即可（5V——12V均可），把它插在电路板上，然后再通过整流桥，稳压部分，即可得到所需的5V和3.3V。
具体的硬件电路和参数设置请参照后面的硬件设计部分。
注：
为了方便硬件电路的设计，我们这里的3.3V就用5V来替代。
2．4×4矩阵键盘模块
4×4矩阵键盘采用的是行扫描和列扫描的方式来实现对键盘的识别的.键盘的八跟线是接在单片机的RC口上的，因为PIC16F877A单片机只有RB，RC，RD三个端口是8个接口，而RD口上的8跟线是用来控制LCD1602的，RB口用来产生外部电平中断（即电机转速用的），所以选用RC口，然而这里依然存在一个问题，直流电机的转速是通过PWM（脉宽调制）输出的脉宽波形来实现的，输出的脉宽波形是通过RC2来输出的，因此RC2必定被占用。
所以键盘扫描的RC2的这根线必须空出来供给PWM输出使用。
那么这个口的高四位（RC7——RC4）设为输入，低四位（RC3，RA0，RC1，RC0）设为输出，为了方便软件的编写，在高四位上分别外接四个5.1K的上拉电阻。
3．LCD1602的液晶显示器
液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就有显示，这样即可以显示出图形。
液晶显示器具有厚度薄、适用于大规模集成电路直接驱动、易于实现全彩色显示的特点，目前已经被广泛应用在便携式电脑、数字摄像机、PDA移动通信工具等众多领域。
液晶显示器以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点，在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用。
LCD显示器是利用液晶的动态散射效应来显示数字的，当没有外加电场时，液晶分子按一定方向整齐排列，射入的光线被反射电极反射回来，从而使液晶呈现白色;当电极上加人电压后，液晶电离正离子在电场的作用下运动而打乱液晶分子的规则排列，射入的光线不能正常反射回来，从而使液晶呈现暗色。
液晶显示器两极不能施加直流电压，通常要求在两个电极上加50一100Hz的交变信号，此信号可由两个同频反相的周期性矩形脉冲信号加在LCD电极的两端组成。
当其正面电极和公共电极的脉冲信号同频反相时，液晶两极电压为方波信号，液晶工作呈现暗色;而当两极脉冲信号同频反相时，液晶两极无电压差，呈现白色。
即两电极脉冲反相液晶显示，两电极脉冲同相液晶不显示。
液晶显示的分类方法有很多种，通常可按其显示方式分为段式、字符式、点阵式等。
除了黑白显示外，液晶显示器还有多灰度有彩色显示等。
如果根据驱动方式来分，可以分为静态驱动（Static）、单纯矩阵驱动（SimpleMatrix）和主动矩阵驱动（ActiveMatrix）三种。
具体控制方法见下面的硬件与软件设计。
4．PWM模块
本设计改变直流电动机转速的方法为脉宽调制（PulseWidthModulation）技术。
CCP1模块和CCP2模块是PIC16F877A芯片的重要组成部分。
它们有3种工作方式（捕捉方式、输出比较方式和脉宽调制方式）。
当处于脉宽调制工作方式时,可以在两个引脚（RC1,RC2）输出两路分辨率高达10位的PWM信号。
用程序语句控制PWM信号的周期（period）和高电平持续时（dutycycle）,从而控制电机电枢电压,达到调速目的。
PIC16F877A单片机产生PWM信号的过程实质上是计数2比较循环过程。
当定时器TMR2计数增量至与周期寄存器PR2的值相等时,TMR2被清零,CCP模块的引脚为高电平状态,高电平持续时间参数被锁存。
当TMR2的计数值与被锁存的高电平持续时间相匹配时,CCP模块的引脚被切换为低电平状态。
脉宽调制是通过RC2来输出的，从而实现对电机的转速控制。
5．红外测速模块
这个模块只要是利用红外传感器来实现对直流电机的速度测试的，器件工作原理如下：
当齿盘旋转时，由于轮齿的遮挡，红外发射管与接收管之间的红外线光路时断时续，信号处理电路将此变化的光信号转换为电脉冲信号，一个脉冲信号即表示齿盘转过一个齿。
单片机对脉冲进行计数，同时通过其内部的计时器对接收一定数目的脉冲计时，根据脉冲数目及所用时间就可计算出齿盘的转速，最后通过数字显示部分将转速显示出来。
电脉冲信号是通过RB6输入的,判断其电平变化。
6．PIC单片机控制模块
PIC单片机系列是美国微芯公司（Microchip）生产的8位单片机的产品，是当前市场份额增长最快的单片机之一。
CPU采用RISC结构，分别有33、35、58条指令（视单片机的级别而定），属精简指令集。
采用Harvard双总线结构，运行速度快（指令周期约160～200ns），它能使程序存储器的访问和数据存储器的访问并行处理，这种指令流水线结构，在一个周期内完成两部分工作，一是执行指令，二是从程序存储器取出下一条指令，这样总的看来每条指令只需一个周期（个别除外），这也是高效率运行的原因之一。
PIC系列单片机的I/O口是双向的，其输出电路为CMOS互补推挽输出电路。
I/O脚增加了用于设置输入或输出状态的方向寄存器（TRISn,其中n对应各口，如A、B、C、D、E等），从而解决了51系列I/O脚为高电平时同为输入和输出的状态。
当置位1时为输入状态，且不管该脚呈高电平或低电平，对外均呈高阻状态；置位0时为输出状态，不管该脚为何种电平，均呈低阻状态，有相当的驱动能力，低电平吸入电流达25mA，高电平输出电流可达20mA。
相对于51系列而言，这是一个很大的优点，它可以直接驱动数码管显示且外电路简单。
它的A/D为10位，能满足精度要求。
具有在线调试及编程（ISP）功能。
PIC系列单片机共分三个级别，即基本级、中级、高级。
其中又以中级的PIC16F873（A）、PIC16F877（A）用的最多。
PIC16F877A芯片采用精简指令集（RISC）技术和哈佛总线结构。
该单片机集成了多个外围模块。
有3个定时器（TMR0、TMR1、TMR2）;2个输入捕捉/输出比较/脉宽调制模块（CCP1、CCP2）;10位A/D转换器;通用同步/异步收发器（USART）;以及5个双向I/O端口等。
三自由度机械臂的运动控制系统,控制对象是驱动机械臂运动的直流电机,用PIC单片机实现小型直流电机的PWM调速控制。
（二）系统总体设计方案框图
该系统得的主要设计思想是分模块来设计的，首先是系统的初始化；其次是4×4矩阵键盘扫描的输入设计；然后是利用单片机内部集成的CCP模块来输出PWM波（电机实现调速所需的脉冲波），再次利用外围器件H-216红外测速器来产生中断使得单片机来处理计数，即电机的速度；最后时把所测的速度、所调得速度以及所需要显示的各种状态在LCD1602液晶显示器上显示。
系统总的框图结构如图1所示：
图1系统设计方框图
四、硬件电路设计
系统底层电路的功能主要包括：
直流电机的速度测试及可以调速，实时显示电机得速度和相关的状态信息。
硬件电路的设计主要包括以下几个模块：
电源电路，显示电路，按键电路，红外测速电路以及单片机处理器的电路。
下面对电路分模块进行说明。
（一）电源电路
1.电源电路原理
电源变压器是将交流电网220V的电压变为所需要的电压值。
交流电经过二极管整流之后，方向单一了，但是电流强度大小还是处在不断地变化之中。
这种脉动直流一般是不能直接用来给集成电路供电的，而要通过整流电路将交流电变成脉动的直流电压。
由于此脉动的直流电压还含有较大的纹波，必须通过滤波电路加以滤除，从而得到平滑的直流电压。
滤波的任务，就是把整流器输出电压中的波动成分尽可能地减小，改造成接近稳恒的直流电。
但这样的电压还随电网电压波动，一般有
%左右的波动，负载和温度的变化而变化，因而在整流、滤波电路之后，还需要接稳压电路。
稳压电路的作用是当电网电压波动，负载和温度变化时，维持输出直流电压稳定。
电容器是一个储存电能的仓库。
在电路中，当有电压加到电容器两端的时候，便对电容器充电，把电能储存在电容器中；当外加电压失去（或降低）之后，电容器将把储存的电能再放出来。
充电的时候，电容器两端的电压逐渐升高，直到接近充电电压；放电的时候，电容器两端的电压逐渐降低，直到完全消失。
电容器的容量越大，负载电阻值越大，充电和放电所需要的时间越长。
这种电容带两端电压不能突变的特性，正好可以用来承担滤波的任务。
2.电路设计
220V交流电通过双9V变压器变为9V的交流电，9V交流电通过四个二极管的全桥整流后变为9V直流电，然后经过电解电容（2200μF）进行一级滤波，以去除直流电里面的杂波，防止干扰。
9V直流电出来后再经过三端稳压器7805稳压成为稳定的5V电源，其中78L05的Vin脚是输入脚，接9V直流电源正极，GND是接地脚，接9V直流电源负极，Vout为输出脚，它和接地脚的电压就是+5V了。
5V电源出来再经过电解电容的二级滤波，使5V电源更加稳定可靠。
同时在5V稳压电源加上一个470Ω的电阻和一个绿色发光二极管，当上电后，绿色发光二极管点亮，表示电源工作正常。
此时一个稳定输出5V的电源已经设计好，对于本设计它完全能够满足单片机及集成块所需电源的要求,下面是所需的电源电路的原理图。
如下图图2所示：
图2电压5V的稳压电路
（二）LCD1602液晶显示电路
1.LCD1602显示原理
（1）字符型液晶显示模块的主要参数
LCD1602主要技术参数：
显示容量:
16×2个字符
芯片工作电压:
4.5—5.5V
工作电流:
2.0mA（5.0V）
模块最佳工作电压:
5.0V
字符尺寸:
2.95×4.35（W×H）mm
（2）字符型液晶显示模块的实物图如图3所示：
图3液晶面板
字符型液晶显示模块是一类专门用于显示字母，数字，符号等的点阵式液晶显示模块。
在显示器件上的电极图型设计，它是由若干个5*7或5*11等点阵符位组成。
每一个点阵字符位都可以显示一个字符。
点阵字符位之间有一空点距的间隔起到了字符间距和行距的作用。
（3）字符型液晶显示模块的引脚功能
VSS为地电源，VDD接5V正电源，VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。
RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。
RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。
当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平RW为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。
E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。
DB0~DB7为8位双向数据线，BLK和BLA是背光灯电源。
引脚编号及说明如表1所示：
表1字符型液晶显示模块引脚
编号
符号
引脚说明
编号
符号
引脚说明
1
VSS
电源地
9
D2
DataI/O
2
VDD
电源正极
10
D3
DataI/O
3
VL
液晶显示偏压信号
11
D4
DataI/O
4
RS
数据/命令
12
D5
DataI/O
5
R/W
读/写
13
D6
DataI/O
6
E
使能信号
14
D7
DataI/O
7
D0
DataI/O
45
BLA
背光源正级
8
D1
DataI/O
16
BLK
背光源负级
2．字符型液晶显示模块内部结构
液晶显示模块WM-C1602N的内部结构可以分成三部份：
一为LCD控制器，二为LCD驱动器，三为LCD显示装置，如图4所示：
图41602内部结构
1.电路设计
使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度，注意液晶显示器的对比度不能调的太大啦，如果屏幕调的太亮啦很容易损坏液晶显示器，对比度调的太小啦又会影响显示效果，最好吧电位器调到中间位置即可，适可而止。
R读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。
当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。
DB0~DB7为8位并行的双向数据传输线。
其LCD1602的硬件接口电路如下图5所示：
图51602硬件接口电路
（三）4×4矩阵键盘电路
由于PIC单片机的I/O口的资源有限，如果采用单线扫描的方式将占用很多I/O口，一个按键就会占用一个I/O口，为了节约单片机资源，留出更多I/O口供其它模块使用,故这里采用4×4矩阵键盘的连接方式，16个按键只占用8个I/O口。
1.矩阵键盘的扫描原理
在本系统设计中采用行列式键盘，每一条水平（行线）与垂直线（列线）的交叉处不相通，而是通过一个按键来连通，利用这种行列式矩阵结构只需要N条行线和M条列线，即可组成具有N×M个按键的键盘，当然这里的N和M都为4。
2.矩阵键盘的硬件电路
这里的4×4矩阵键盘，行线占用单片机的4个I/
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