基于AT89C51单片机控制的双闭环直流调速系统设计.doc

基于AT89C51单片机控制的双闭环直流调速系统设计.doc

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邵阳学院毕业设计（论文）

摘要

随着时代的进步和科技的发展，电机调速系统在工农业生产、交通运输以及日常生活中起着越来越重要的作用，因此，对电机调速的研究有着积极的意义。

长期以来，直流电机被广泛应用于调速系统中，而且一直在调速领域占居主导地位。

本设计是基于单片机控制的PWM直流电机调速系统，系统以STC89C51单片机为核心，以130小直流电机为控制对象，以L298N为H桥驱动芯片实现电动机的转速反馈控制。

调节PWM占空比从而控制电机两端电压，以达到调速的目的。

用4*4键盘输入有关控制信号及参数，并在12864LED上实时显示输入参数及动态转速。

系统的硬件设计部分包括按键模块、电动机驱动模块、STC89C51单片机系统、光电门测速模块、保护电路、供电电源和直流电机。

系统的软件部分包括键盘控制程序设计、显示程序设计、主控程序设计。

整个系统实现了单片机控制电机的启制动、正反转、速度调节的效果。

关键词：

STC89C51单片机；直流电机；PWM；占空比

Abstract

Withtheprogressofthetimesandthedevelopmentofscienceandtechnology,motorspeedcontrolsystemintheindustrialandagriculturalproduction,transportationanddailylifeplaysanincreasinglyimportantrole,therefore,thestudyofmotorspeedhasapositivemeaning.Long-termsince,theDCmotoriswidelyusedinthecontrolsystem,andhasbeenincontrolfieldtodominate.

ThedesignisbasedonthesinglechipmicrocomputercontrolofPWMDCmotorspeedcontrolsystem,thesystemusesSTC89C51singlechipmicrocomputerasthecore,with130smallDCmotorascontrolobject,withL298NHbridgedriverchiptorealizethemotorspeedfeedbackcontrol.RegulationofthePWMdutycycletocontrolthemotorvoltageatbothends,soastoachievethepurposeofspeed.With4*4keyboardinputcontrolsignalandparameters,andin12864LEDreal-timedisplayinputparametersanddynamicspeed.Systemhardwaredesignpartcomprisesakeymodule,motordrivemodule,STC89C51singlechipsystem,photoelectricdoorgunmodule,protectioncircuit,powersupplyandaDCmotor.Systemsoftwareincludeskeyboardcontrolprogramdesign,programdesign,maincontrolprogramdesign.Theentiresystemtoachievethesingle-chipmicrocomputertocontrolthemotorstartandbrake,reverse,speedregulatingeffect.

Keywords：

STC89C51singlechipmicrocomputer；DCmotor；PWM；Dutyratio

35

目录

摘要 I

Abstract II

1引言 1

1.1直流调速系统概况 1

1.2设计目的和意义 2

1.3国内外发展现状 3

1.4设计要求和内容 3

2直流调速原理分析与方案确定 4

2.1直流PWM调速系统原理分析 4

2.2方案论证和选择 6

3系统硬件设计 10

3.1按键控制模块 10

3.2电动机驱动模块 11

3.4STC89C51单片机系统 16

3.5光电门测速模块 17

3.6保护电路 18

3.7供电电源 18

3.8直流电动机的说明 18

3.9系统总体设计电路图 19

4系统软件设计 21

4.1键盘控制程序设计 21

4.2显示程序设计 23

4.3主控程序设计 25

5实物的直流调速实现与调试 29

结论 33

参考文献 34

致谢 35

1引言

1.1直流调速系统概况

现代工业的电力拖动一般都要求局部或全部的自动化，因此必然要与各种控制元件组成的自动控制系统联系起来，而电力拖动则可视为自动化电力拖动系统的简称。

在这一系统中可对生产机械进行自动控制。

随着近代电力电子技术和计算机技术的发展以及现代控制理论的应用，自动化电力拖动正朝着计算机控制的生产过程自动化的方向迈进。

以达到高速、优质、高效率地生产。

在大多数综合自动化系统中，自动化的电力拖动系统仍然是不可缺少的组成部分。

另外，低成本自动化技术与设备的开发，越来越引起国内外的注意。

特别对于小型企业，应用适用技术的设备，不仅有益于获得经济效益，而且能提高生产率、可靠性与柔性，还有易于应用的优点。

自动化的电力拖动系统更是低成本自动化系统的重要组成部分[1]。

在如今的现实生活中，自动化控制系统已在各行各业得到广泛的应用和发展，其中自动调速系统的应用则起着尤为重要的作用。

虽然直流电机不如交流电机那样结构简单、价格便宜、制造方便、容易维护，但是它具有良好的起、制动性能，宜于在广泛的范围内平滑调速，所以直流调速系统至今仍是自动调速系统中的主要形式。

现在电动机的控制从简单走向复杂，并逐渐成熟成为主流。

其应用领域极为广泛，例如：

军事和宇航方面的雷达天线、火炮瞄准、惯性导航等的控制；工业方面的数控机床、工业机器人、印刷机械等设备的控制；计算机外围设备和办公设备中的打印机、传真机、复印机、扫描仪等的控制；音像设备和家用电器中的录音机、数码相机、洗衣机、空调等的控制。

随着电力电子技术的发展，开关速度更快、控制更容易的全控型功率器件MOSFET和IGBT成为主流，脉宽调制技术表现出较大的优越性：

主电路线路简单，需要用的功率元件少；开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗和发热都较小；低速性能好，稳速精度高，因而调速范围宽；系统快速响应性能好，动态抗扰能力强；主电路元件工作在开关状态，导通损耗小，装置效率较高；近年来，微型计算机技术发展速度飞快，以计算机为主导的信息技术作为一崭新的生产力，正向社会的各个领域渗透，直流调速系统向数字化方向发展成为趋势[2]。

1.2设计目的和意义

直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。

从控制的角度来看，直流调速还是交流拖动系统的基础。

早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础，采用运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成，控制系统的硬件部分非常复杂，功能单一，而且系统非常不灵活、调试困难，阻碍了直流电动机控制技术的发展和应用范围的推广。

随着单片机技术的日新月异，使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成，为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，并使系统能达到更高的性能。

采用单片机构成控制系统，可以节约人力资源和降低系统成本，从而有效的提高工作效率[3]。

传统的控制系统采用模拟元件，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，故系统的运行可靠性及准确性得不到保证，甚至出现事故。

目前，直流电动机调速系统数字化已经走向实用化，伴随着电子技术的高度发展，促使直流电机调速逐步从模拟化向数字化转变，特别是单片机技术的应用，使直流电机调速技术又进入到一个新的阶段，智能化、高可靠性已成为它发展的趋势。

1.3国内外发展现状

电力电子技术、功率半导体器件的发展对电机控制技术的发展影响极大，它们是密切相关、相互促进的。

近30年来，电力电子技术的迅猛发展，带动和改变着电机控制的面貌和应用。

驱动电动机的控制方案有三种：

工作在通断两个状态的开关控制、相位控制和脉宽调制控制，在单向通用电动机的电子驱动电路中，主要的器件是晶闸管，后来是用相位控制的双向可控硅。

在这以后，这种半控型功率器件一直主宰着电机控制市场。

到70和80年代才先后出现了全控型功率器件GTO晶闸管、GTR、POWER-MOSFET、IGBT和MCT等。

利用这种有自关断能力的器件，取消了原来普通晶闸管系统所必需的换相电路，简化了电路结构，提高了效率，提高了工作频率，降低了噪声，也缩小了电力电子装置的体积和重量。

后来，谐波成分大、功率因数差的相控变流器逐步由斩波器或PWM变流器所代替，明显地扩大了电机控制的调运范围，提高了调速精度，改善了快速性、效率和功率因数[4]。

直流电机脉冲宽度调制（PulseWidthModulation-简称PWM）调速系统产生于70年代中期。

最早用于不可逆、小功率驱动，例如自动跟踪天文望远镜、自动记录仪表等。

近十多年来，由于晶体管器件水平的提高及电路技术的发展，同时又因出现了宽调速永磁直流电机，它们之间的结合促使PWM技术的高速发展，并使电气驱动技术推进到一个新的高度。

在国外，PWM最早是在军事工业以及空间技术中应用。

它以优越的性能，满足那些高速度、高精度随动跟踪系统的需求。

近八、九年来，进一步扩散到民用工业，特别是在机床行业、自动生产线及机器人等领域中广泛应用。

如今，电子技术、计算机技术和电机控制技术相结合的趋势更为明显，促进电机控制技术以更快的速度发展着。

随着市场的发展，客户对电机驱动控制要求越来越高，希望它的功能更强、噪声更低、控制算法更复杂，而可靠性和系统安全操作也摆上了议事日程，同时还要求马达恒速向变速发展，还要符合全球环保法规所要求的严格环境标准。

进入21世纪后，可以预期新的更高性能电力电子器件还会出现，已有的各代电力电子元件还会不断地改进提高[5]。

1.4设计要求和内容

设计以STC89C51单片机为中央处理器的直流调速系统，使STC89C51产生PWM信号对直流电动机进行转速的控制。

在设计中，通过对系统各大模块的分析应用，使自己的设计达到了实现直流电动机调速的要求。

完成系统硬件部分的设计、产生PWM控制信号关键软件部分的设计。

通过整合系统的各个模块，从而构成了一个比较完整有效地直流电动机调速控制系统。

2直流调速原理分析与方案确定

2.1直流PWM调速系统原理分析

众所周知，直流电机稳态转速n的表达式为

n=（2.1）

式中

U------------电枢端电压（V）

I--------------电枢电流（A）

----------电