基于CVI可视界面的直流电机测控系统的设计毕业论文 推荐Word下载.docx

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基于CVI可视界面的直流电机测控系统的设计

摘要

直流电动机由于具有良好的起动、制动性能，适宜在大范围内平滑调速等特点，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动系统中得到了广泛的应用。

本设计应用单片机（AT89S52）来实现直流电机的双向控制、转速的检测和显示、波形的整形和利用RS232与计算机进行通信的过程，其中利用Labwindows/CVI编写上位机用户界面软件来实时的获取直流电机的转速。

设计中用protel99SE完成电路原理图的绘制，实现了系统硬件模块的搭建，利用Proteus对原理图进行仿真，最后利用专业编程语言和keilc软件对设计的电路进行编程。

关键词：

单片机Labwindows/CVIRS232串口通信protel99SEkeilc

CVI-basedvisualinterfaceoftheDCMotorControlSystem

Abstract

DCmotorasagoodstart,brakingperformance,suitableforalargerangeofspeedandsosmoothinmanyneededfastforwardandreversespeedorpowerdrivesystemhasbeenwidelyused.ThedesignapplicationMCU（AT89S52）toachievebi-directionalDCmotorcontrol,speeddetectionanddisplay,waveformshapingandtheuseRS232tocommunicatewiththecomputerprocess,includinguseofLabwindows/CVIpreparationofPCuserinterfacesoftwareforreal-timeDCmotorspeed.Designusingprotel99SEcompletecircuitschematicdrawing,hardwaremodulestoachievesystemstructures,usingProteusschematicdiagramofthesimulation,thefinaluseofspecializedprogramminglanguagesandsoftwaredesignofthecircuitkeilcprogramming.

Keywords：

SCMLabwindows/CVIRS232serialcommunicationprotel99SEkeilc

第一章设计的总体思想

本设计要完成的任务是利用单片机来控制直流电动机,并设计其硬件电路，包括直流电机双向控制电路，转速检测电路，波形整形电路、转速显示电路、RS232通信电路。

其中单片机负责底层的对电机的PWM控制，分为正转和反转，转速分为低速、中速、高速。

单片机还负责获取光电传感器检测到的转盘转速（即电机的转速），并用整形电路对波形整形。

同时还利用单片机的串口与计算机通信，在LabWindows/CVI中编写上位机用户界面软件，向单片机发送改变转速的命令，按照正转和反转及转速（低、中、高），来实时控制电机，并采集其电机转速数据。

采用巴特沃斯滤波器进行滤波，实时显示电机转速波形，并将采集到的数据保存在.txt文件中。

设计结构图如图1所示：

图1设计的结构图

第二章直流电动机

2.1直流电机的概述

在现实生活中，直流电动机较为常见，因为大部分的电动玩具中使用的都是直流电动机，这一类直流电动机体积小、功率低、转速高，在一些比较小的场合十分适用，但它的特性与大型直流电动机十分相似。

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。

由运算放大器、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。

使许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成，不但为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，而且使系统能达到了更高的性能，从而大大节约了人力资源，降低了系统成本，有效地提高了工作效率。

1、直流电动机的工作原理

直流电动机由转子部分和定子部分组成。

转子部分由电枢和换向器组成。

电枢由漆包线缠绕在特殊形状的铁氧体上构成，换向器是电枢绕组的线圈引出端，通常情况下，直流电动机有3个绕组，那么换向器就有3个，由于换向器的存在，使得电枢绕组内的电流在不同的磁极下电流的方向不同，从而保证直流电动机的转子能够向一个方向旋转。

定子部分由励磁和电刷（碳刷）组成。

在直流电机中励磁部分大都是由永久磁铁构成，电刷一般由铜片构成，与换向器进行滑动接触，用于将外部加载的直流电压传送到电枢绕组中。

（1）、直流电动机的电磁转矩

直流电动机的工作原理图如图2所示：

图2直流电动机的原理图

F为导体受到的电磁力，该值大小为：

F=Bli，式中，B为导体所在处的磁通密度；

l为导体在磁场中的长度;

i为导体中流过的电流。

由于电磁力的存在，使得沿着电枢的外圆切线方向产生电磁转矩。

直流电动机产生的电磁转矩作为驱动转矩使直流电动机旋转。

当直流电动机带着负载匀速旋转时，其输出转矩必定与负载转矩相等，但直流电动机的输出转矩不是电磁转矩。

因为直流电动机本身的机械摩擦（例如轴承的摩擦、电刷和换向器的摩擦等）和电枢铁芯中的涡流、磁滞损耗都要引起阻转矩，此转矩用T0表示。

这样，直流电动机的输出转矩T2便等于电磁转矩T减去直流电动机本身的阻转矩T0。

所以，当直流电动机克服负载阻转矩TL匀速旋转时，则有:

T2=T-T0=TL

表明，当直流电动机稳态运行时，其输出转矩的大小由负载阻转矩决定。

实际上，直流电动机经常运行在转速变化的情况下，例如启动、停转或反转等，以此必须考虑转速转速改变时的转矩平衡关系。

当直流电动机的转速改变时，由于电动机及负载具有转动惯量，将产生惯性转矩Tj，即：

Tj=Jdω/dt

式中，J为负载和电动机转动部分的转动惯量，即折算到电动机轴上的转动惯量；

ω为电动机的角速度；

dω/dt为电动机的角加速度。

这时电动机轴上的转矩平衡方程式为：

T2-TL=Tj=Jdω/dt

（1）

或：

T2=TL+Tj=TL+Jdω/dt

（2）

式2表明当输出转矩T2大于负载转矩TL时，dω/dt>

0，说明电动机在加速；

当输出转矩T2小于负载转矩TL时，dω/dt<

0,说明电动机在减速。

可见此式表示转速变化时电动机轴上的转矩平衡关系，所以称为电动机的动态转矩平衡方程式。

2、电动机的特性

当直流电动机的转速N=0时，此时电动机上的电流最大，电流值的大小可以根据式Ist=Ua/Ra进行计算（Ist时直流电动机的启动电流）。

出现N=0的情况有两种：

一种是直流电动机在启动的瞬间；

另一种情况是电动机堵转，即当电动机运行时，如果外加阻转矩过大，造成直流电动机停转的现象。

这两种情况的出现对于直流电动机来说都是比较致命的。

所以在保证直流电动机能够正常启动的同时最好能降低启动电流，在直流电动机运行过程中为了防止电动机出现堵转现象，如果有条件的话可以在电动机轴上

加装飞轮装置，或者在选择电动机时，考虑好需要带动负载的大小，一般的，最好让直流电动机带动全部负载时的功率的60%-80%，这样既保护了直流电动机，同时效率也比较高。

第三章Labwindows/CVI的简介

3.1虚拟仪器的简介

虚拟仪器是计算机技术、仪器技术和通信技术相结合的产物。

虚拟仪器的目的是利用计算机强大资源使硬件技术软件化，分立元件模块化，降低程序开发的复杂程度，增强系统的功能和灵活性。

虚拟仪器基于计算机的软硬件测试平台，它可以代替传统的测量仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、频谱分析仪等；

可集成自动控制、工业控制系统；

可自由构建专有仪器系统。

它由计算机、应用软件和仪器硬件组成。

虚拟仪器系统是将仪器硬件搭载到计算机平台，并辅以相应软件而构成的。

虚拟仪器通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机地融合为一体，从而把计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起，大大降低了仪器硬件的成本，并通过软件实现对数据的显示、存储以及分析处理功能。

从发展史看，电子测量仪器经历了由模拟仪器、智能仪器到虚拟仪器三个阶段。

如果在计算机中插入数据采集卡，利用计算机高速计算能力完成仪器信号的分析与处理、结果的输出，就可以把传统仪器的所有功能模块集成在一台计算机上，软件称为仪器系统的关键。

虚拟仪器技术的优势在于可由用户自己定义通用仪器系统，且功能灵活，很容易构建，所以应用面极为广泛，尤其在科研、开发、测量、检测、计量、控制等领域，更是不可多得优秀开发工具。

虚拟仪器技术先进，符合国际上流行的“硬件软件化”的发展趋势。

它功能强大，可实现示波器、逻辑分析仪、频谱仪信号发生器等多种普通仪器全部功能，配以专用探头和软件，还可以检测特定系统的参数；

它操作灵活，完全图形化界面；

它集成方便，不但可以和高速数据采集设备构成自动测量系统，而且可以和控制设备构成自动控制系统。

3.2虚拟仪器的结构

一个典型的数据采集控制系统由传感器、信号调理电路、数据采集卡（板）、计算机、控制执行设备五部分组成。

一个好的数据采集产品不仅应具备良好性能和高可靠性，还应提供高性能的驱动程序和简单易用的高层语言接口，使用户能较快速地建立可靠的应用系统。

近年来，由于多层电路板、可编程仪器放大器、即插即用、系统定时控制器、多数据采集板实时系统集成总线、高速数据采集的双缓冲区以及实现数据高速传送的中断、DMA（直接存储器存取）等技术的应用，使得最新的数据采集卡能保证仪器级的高准确度与可靠性。

软件是虚拟仪器测控方案的关键。

虚拟仪器的软件系统主要分为四层结构：

系统管理层、测控程序层、仪器驱动层和I/O接口层。

I/O接口驱动程序完成特定外部硬件设备的扩展、驱动和通信。

驱动软件有如下的基本功能。

①以特定的采样频率获取数据。

②在处理器运算的同时提取数据。

③使用编程的I/O、中断和DMA传送数据。

④在磁盘上存取数据流。

⑤同时执行几种功能。

⑥集成一个以上的DAQ卡。

⑦同信号调理器结合在一起。

虚拟仪器硬件系统包括GPIB（IEE488.2）、VXI、插入式数据/图像采集板、串行通信与网络等几类I/O接口。

虚拟仪器测试系统构成方案如图3所示：

图3虚拟仪器测试系统构成方案

3.3Labwindows/CVI编程语言

Labwindows/CVI是一个完全的ANSIC开发环境，用于仪器控制、自动检测、数据处理的应用软件。

它以ANSIC为核心，将功能强大、使用灵活的C语言平台与用于数据采集、分析和显示的测控专业工具有机结合起来。

它的交互式开发平台、交互式编程方法、丰富的功能面