基于单片机直流电机控制器设计设计Word文档下载推荐.docx
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1.4完成目标8
第2章系统论述8
2.1设计思路8
2.2基本原理8
2.3AT89C2051单片机介绍9
2.3.151单片机简介9
2.3.2功能10
2.4总体设计框图14
第3章直流电机单元电路设计与分析15
3.1设计思路15
3.2方案论证与比较15
3.3直流电机驱动模块16
3.3.1直流电机类型17
3.3.2直流电机结构17
3.3.3直流电机工作原理17
3.3.4直流电机主要技术参数18
3.3.5直流电机PWM调速原理18
3.3.6电机驱动模块的电路设计21
3.3.7程序设计流程图23
3.4直流电机的中断键盘控制模块23
3.4.1外部中断设置23
3.4.2外部中断扩展方法24
3.51602LCD液晶显示模块26
3.5.1引脚分布和接口信号说明26
3.5.2LCD液晶电路27
3.6霍尔元件测速电路28
第4章直流电机PWM控制系统的实现29
4.1总电路图29
4.2总电路功能介绍29
结束语30
致谢31
参考文献32
1概述
1.1题目背景和意义
在现代工业和生活中，电动机作为电能转换的传动装置被广泛应用，大到机械、冶金、石油化学、国防等工业部门中，小到机器人和一些生活家用电器，随着对生产工艺、产品质量的要求不断提高和产量的增长，越来越多的生产机械要求能实现自动调速。
长期以来，自动调速电动机一直占据着调速控制的统治地位。
由于它具有良好的线性调速特性，简单的控制性能，高效率，优异的动态特性，现在仍是大多数调速控制电动机的最优选择。
以前电动机大多使用由模拟电路组成的控制柜进行控制，现在单片机已经开始取代模拟电路作为电机控制器。
当前电机控制器的发展方向越来越趋于多样化和复杂化，现有的专用集成电路未必能满足苛刻的新产品开发要求，为此可考虑开发电机的新型单片机控制器，因此研究直流电机的速度控制，有着非常重要的意义。
电气传动技术以电动机控制为控制对象，以微电子装置为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论指导下组成电气传动控制系统。
因电机种类的不同分为直流电机传动、交流电机传动、步进电机传动、伺服电机传动等等。
众所周知，与交流调速系统相比，由于直流调速系统的调速精度高，调速范围广，变流装置控制简单，长期以来在调速传动占统治地位。
在要求调速性能较高的场合，一般都采用直流电气传动。
目前，通过对电动机的控制，将电能转换为机械能进而控制工作机械按给定的运动规律运行且使之满足特定要求的新型电气传动自动化技术广泛应用与国民经济的各个领域。
三十多年来，直流电机传动经历了重大的变革。
首先实现了整流器的更新换代，以晶闸管整流装置取代了习用已久的直流发电机组及水银整流装置使直流电气传动完成了一次大的跃进。
同时，控制电路已经实现高集成化、小型化、高可靠性以及低成本。
直流调速技术不断发展，走向成熟化、完善化、系列化、标准化，在可逆脉宽调速、高精度的电气传动领域中仍然难以代替。
由于直流电气传动技术的研究和应用已达到比较成熟的地步，应用相当普遍，尤其是全数字直流系统的出现，更提高了直流调速系统的精度级可靠性。
所以，今后一个阶段在调速要求较高的场合，如轧钢厂、海上钻井平台等，直流调速仍然处于主要地位。
早期直流传动的控制系统采用模拟分离器件较多，使得模拟直流传动系统的控制精度及可靠性较低，随着计算机控制技术的发展，直流传动系统已经广泛使用微机，实现了全数字化控制。
由于微机以数字信号工作，控制手段灵活方便，抗干扰能力强。
所以，全数字直流天数控制精度和可靠性比模拟直流调速系统大大提高。
而且通过系统总线全数字化控制系统，能与管理计算机、过程计算机、远程电控装置进行交换，实现生产过程的自动化分级控制。
所以，直流传动控制采用微机实现全数字化，使直流调速系统进入一个崭新的阶段。
1.2题目国内外研究现状
直流电机问世已有一百四十多年的历史。
在设计和制造技术上有很大进步,
新材料、新技术的应用以及整流电源的普及,
促进了一般工业用直流电机的不断扩大,
品种的日益繁多。
从小至数瓦,
大到万余千瓦,
广泛地用于冶金、矿山、煤炭、起重运输、机床制造、纺织印染等各个部门中,
特别是近几年电子计算技术广泛应用在直流电机设计制造中。
从直流电动机的演变历史,
也可以纵观直流电动机的发展历史和动向、从四十年代后期到五十年代的前期,
直流电动机的电源主要是采用M-G电动发电机组,六十年代初,
电动发电机组电源已被水银整流器逐渐代替,
到六十年代后期,
由于可控硅整流装置的出现,
并得到迅速发展,
可控硅整流电源已占统治地位。
由于直流电源供电方式的不断更新换代,
特别是在最近的十几年期问,
进一步促使了直流电动机的单机功率、转速不断提高,
目前朝着高速、大功率方向发展。
另外,
由于绝缘技术和分析技术的进步,
直流电动机已迅速向小型轻量,
低惯量方面发展。
常用的控制直流电动机有以下几种:
第一，最初的直流调速系统是采用恒定的直流电压向直流电动机电枢供电，通过改变电枢回路中的电阻来实现调速。
这种方法简单易行设备制造方便，价格低廉。
但缺点是效率低、机械特性软、不能在较宽范围内平滑调速，所以目前极少采用。
第二，三十年代末，出现了发电机-电动机（也称为旋转变流组），配合采用磁放大器、电机扩大机、闸流管等控制器件，可获得优良的调速性能，如有较宽的调速范围（十比一至数十比一）、较小的转速变化率和调速平滑等，特别是当电动机减速时，可以通过发电机非常容易地将电动机轴上的飞轮惯量反馈给电网，这样，一方面可得到平滑的制动特性，另一方面又可减少能量的损耗，提高效率。
但发电机、电动机调速系统的主要缺点是需要增加两台与调速电动机相当的旋转电机和一些辅助励磁设备，因而体积大，维修困难等。
第三，自出现汞弧变流器后，利用汞弧变流器代替上述发电机、电动机系统，使调速性能指标又进一步提高。
特别是它的系统快速响应性是发电机、电动机系统不能比拟的。
但是汞弧变流器仍存在一些缺点:
维修还是不太方便，特别是水银蒸汽对维护人员会造成一定的危害等。
第四，1957年世界上出现了第一只晶闸管，与其它变流元件相比，晶闸管具有许多独特的优越性，因而晶闸管直流调速系统立即显示出强大的生命力。
由于它具有体积小、响应快、工作可靠、寿命长、维修简便等一系列优点，采用晶闸管供电，不仅使直流调速系统经济指标上和可靠性有所提高，而且在技术性能上也显示出很大的优越性。
晶闸管变流装置的放大倍数在10000以上，比机组（放大倍数10）高1000倍，比汞弧变流器（放大倍数1000）高10倍;
在响应快速性上，机组是秒级，而晶闸管变流装置为毫秒级。
从20世纪80年代中后期起，以晶闸管整流装置取代了以往的直流发电机电动机组及水银整流装置，使直流电气传动完成一次大的跃进。
同时，控制电路也实现了高度集成化、小型化、高可靠性及低成本。
以上技术的应用，使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用范围不断扩大，直流调速技术不断发展。
随着微型计算机、超大规模集成电路、新型电子电力开关器件和新型传感器的出现，以及自动控制理论、电力电子技术、计算机控制技术的深入发展，直流电动机控制也装置不断向前发展。
微机的应用使直流电气传动控制系统趋向于数字化、智能化，极大地推动了电气传动的发展。
近年来，一些先进国家陆续推出并大量使用以微机为控制核心的直流电气传动装置，如西门子公司的SIMOREG
K
6RA24、ABB公司的PAD/PSD等等。
随着现代化步伐的加快，人们生活水平的不断提高，对自动化的需求也越来越高，直流电动机应用领域也不断扩大。
例如，军事和宇航方面的雷达天线，火炮瞄准，惯性导航，卫星姿态，飞船光电池对太阳得跟踪等控制；
工业方面的各种加工中心，专用加工设备，数控机床，工业机器人，塑料机械，印刷机械，绕线机，纺织机械，工业缝纫机，泵和压缩机等设备的控制；
计算机外围设备和办公设备中的各种磁盘驱动器，各种光盘驱动器，绘图仪，扫描仪，打印机，传真机，复印机等设备的控制；
音像设备和家用电器中的录音机，录像机，数码相机，洗衣机，冰箱，电扇等的控制。
随着计算机，微电子技术的发展以及新型电力电子功率器件的不断涌现，电动机的控制策略也发生了深刻的变化。
电动机控制技术的发展得力于微电子技术，电力电子技术，传感器技术，永磁材料技术，微机应用技术的最新发展成就。
变频技术和脉宽调制技术已成为电动机控制的主流技术。
正是这些技术的进步使电动控制技术在近二十年内发生了很大的变化。
功率器件控制条件的变化和微电子技术的使用也使新型的电动机控制方法能够得到实现。
其中，脉宽调制（PWM）方法，变频技术在直流调速和交流调速系统中得到了广泛应用。
永磁材料技术的突破与微电子技术的结合又产生了一批新型的电动机，如永磁直流电动机，交流伺服电动机，超声波电动机等。
由于有微处理器和传感器作为新一代运动控制系统的组成部分，所以又称这种运动控制系统为智能运动控制系统。
所以应用先进控制算法，开发全数字化智能运动控制系统将成为新一代运动控制系统设计的发展方向。
在那些对电动机控制系统的性能要求较高的场合（如数控机床，工业缝纫机，磁盘驱动器，打印机，传真机等设备中，要求电动机实现精确定位，适应剧烈负载变化），传统的控制算法已难以满足系统要求。
为了适应时代的发展，现有的电动机控制系统也在朝着高精度，高性能，网络化，信息化，模糊化的方向不断前进。
脉冲宽度调制是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管基极或MOS管栅极的偏置，来实现晶体管或MOS管导通时间的改变，从而实现开关稳压电源输出的改变。
这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，是利用微处理器的数字信号对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。
微机，出现于20世纪70年代，随着大规模及超大规模集成电路制造工艺的迅速发展，微机的性能越来越高，价格越来越便宜。
此外，电力电子的发展，使得大功率电子器件的性能迅速提高。
因此就有可能比较普遍的应用微机来控制电机，完成各种新颖的、高性能的控制策略，使电机的各种潜在的能力得到充分的发挥，十点几的性能更符合使用要求，还可以制造出各种便于控制的新型电机，使电机出现新的面貌。
比较简单的电机微机控制，只要用微机控制继电器或电子开关元件使电路开通或关断就可以了。
在各种机床设备及生产流水线中，现在已普遍采用微机的可编程控制器，按一定的规律控制各类电机的动作。
对于复杂的电机控制，则要用微机控制电机的电压、电流、转矩、转速、转角等等，使电机按给定的指令准确工作。
通过微机控制，可是电机的性能有和大的提高。
1.3PWM控制技术简述
PWM控制技术以其控制简单，灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式，也是人们研究的热点。
由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限，结合现代控制理论思想或实现无谐振波开关技术将会成为PWM控制技术发展的主要方向之一。
随着电子技术的发展，出现了多种PWM技术，其中包括：
相电压控制PWM、脉宽PWM法、随机PWM、SPWM法、线电压控制PWM等，而在镍氢电池智能充电器中采用的脉宽PWM法，它是把每一脉冲宽度均相等的脉冲列作为PWM波形，通过改变脉冲列的周期可以调频，改变脉冲的宽度或占空比可以调压，采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化。
可以通过调整PWM的周期、PWM的占空比而达到控制充电电流的目的。
目前，PWM整流控制技术的研究取得了一定的进展。
在电压型PWM整流器控制技术方面，滞环电流控制、瞬时值比较法电流控制、固定开关频率的PWM控制、预测电流解耦控制、非线性系统反馈解耦控制、单周期控制、无电流传感器的三相PWM整流器控制策略均得到研究。
在电流型PWM整流控制方面，相继对电流型PWM整流器的Dalta调制、空间矢量调制、预测控制、电网不平衡条件下的控制、非线性控制进行了研究。
1.4完成目标
采用PWM控制控制技术，当按下中断独立键盘的正传和加速按钮的时候，单片机输出PWM信号给驱动电路，使得电机正向加速转动，与此同时由测速电路把转速反馈给单片机在显示器上显示出来。
当按下反转和加速的时候电机反向加速转动，与此同时由测速电路把转速反馈给单片机在显示器上显示出来。
如上所述，电机可完成正传、反转、加速、减速、停止、在显示器显示转速。
2系统论述
2.1设计思路
直流电机PWM控制系统的主要功能包括：
直流电机的加速、减速以及电机的正转和反转，并且可以调整电机的转速，还可以方便的读出电机转速的大小，能够很方便的实现电机的智能控制。
其间，还包括直流电机的直接清零、启动（置数）、暂停、连续功能。
该直流电机系统由以下电路模块组成：
振荡器和时钟电路：
这部分电路主要由80C51单片机和一些电容、晶振组成。
设计输入部分：
这一模块主要是利用带中断的独立式键盘来实现。
设计控制部分：
主要由80C51单片机的外部中断扩展电路组成。
设计显示部分：
包括液晶显示部分和LED数码显示部分。
液晶显示部分由1602LCD液晶显示模块组成;
LED数码显示部分由七段数码显示管组成。
直流电机PWM控制实现部分：
主要由一些二极管、电机和L298直流电机驱动模块组成。
2.2基本原理
主体电路：
即直流电机PWM控制模块。
这部分电路主要由80C51单片机的I/O端口、定时计数器、外部中断扩展等控制直流电机的加速、减速以及电机的正转和反转，并且可以调整电机的转速，还可以方便的读出电机转速的大小和了解电机的转向，能够很方便的实现电机的智能控制。
其间是通过80C51单片机产生脉宽可调的脉冲信号并输入到L298驱动芯片来控制直流电机工作的。
该直流电机PWM控制系统由以下电路模块组成：
液晶显示部分由1602LCD液晶显示模块组成。
2.3AT89C2051单片机介绍
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Falsh
Programmable
and
Erasable
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Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，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。
51单片机是对所有兼容Intel8031指令系统的单片机的统称。
该系列单片机的始祖是Intel的8031单片机，后来随着Flashrom技术的发展，8031单片机取得了长足的进展，成为应用最广泛的8位单片机之一，其代表型号是ATMEL公司的AT89系列，它广泛应用于工业测控系统之中。
很多公司都有51系列的兼容机型推出，今后很长的一段时间内将占有大量市场。
51单片机是基础入门的一个单片机，还是应用最广泛的一种。
单片机是一种集成电路芯片，采用超大规模技术把具有数据处理能力（算术运算、逻辑运算、数据传送、中断处理等）的微处理器（CPU）、随机存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、输入输出接口电路（I/O）、串行通信口（SCI）、脉宽调制电路（PWM）、定时计算器、A/D转换器及D/A转换器等电路集成到一块半导体硅片上，这些电路能在软件的控制下准确、迅速、高效的完成设计者事先规定的任务，这样的一块具有一台计算机的属性，可以构成一个最小而完善的的计算机系统的电路芯片就称为单片微型计算机，简称单片机。
目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展趋势将是进一步向着CMOS（互补金属氧化物半导体）化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。
下面是单片机的主要发展趋势。
CMOS化
CMOS（Complementary
Metal
Oxide
Semiconductor）电路的特点是低功耗、高密度、低速度、低价格。
采用双极型半导体工艺的TTL电路速度快，但功耗和芯片面积较大。
随着技术和工艺水平的提高，又出现了HMOS（高密度、高速度MOS）和CHMOS工艺。
低功耗化
单片机的功耗已从Ma级，甚至1uA以下；
使用电压在3~6V之间，完全适应电池工作。
低功耗化的效应不仅是功耗低，而且带来了产品的高可靠性、高抗干扰能力以及产品的便携化。
低电压化
几乎所有的单片机都有WAIT、STOP等省电运行方式。
允许使用的电压范围越来越宽，一般在3~6V范围内工作。
低电压供电的单片机电源下限已可达1~2V。
目前0.8V供电的单片机已经问世。
低噪声与高可靠性
为提高单片机的抗电磁干扰能力，使产品能适应恶劣的工作环境，满足电磁兼容性方面更高标准的要求。
大容量化
以往单片机内的ROM为1KB～4KB，RAM为64～128B。
但在需要复杂控制的场合，该存储容量是不够的，必须进行外接扩充。
为了适应这种领域的要求，运用新的工艺，使片内存储器大容量化。
目前，单片机内ROM最大可达64KB，RAM最大为2KB。
高性能化
主要是指进一步改进CPU的性能，加快指令运算的速度和提高系统控制的可靠性。
采用精简指令集（RISC）结构和流水线技术，可以大幅度提高运行速度。
小容量、低价格化
与上述相反，以4位、8位机为中心的小容量、低价格化也是发展动向之一。
这类单片机的用途是把以往用数字逻辑集成电路组成的控制电路单片化，可广泛用于家电产品。
外围电路内装化
这也是单片机发展的主要方向。
随着集成度的不断提高，有可能把众多的各种外围功能器件集成在片内。
除了一般必须具有的CPU、ROM、RAM、定时器/计数器等以外，片内集成的部件还有模/数转换器、DMA控制器、声音发生器、监视定时器、液晶显示驱动器、彩色电视机和录像机用的锁相电路等。
串行扩展技术
在很长一段时间里，通用型单片机通过三总线结构扩展外围器件成为单片机应用的主流结构。
随着低价位OTP（One
Time
Program）及各种类型片内程序存储器的发展，加之外围接口不断进入片内，推动了单片机“单片”应用结构的发展。
特别是IC、SPI等串行总线的引入，可以使单片机的引脚设计得更少，单片机系统结构更加简化及规范化。
2.3.1单片机的特点
单片机把微型计算机的主要功能都集成在一块芯片上，即一块芯片就是一个微型计算机。
因此，单片机具有以下特点:
（1）较高的性价比
目前国内市场上，有些单片机的芯片价格只有几十元人民币，再加上很少的外围器件，就可以构成一台多功能的控制机构。
（2）集成度好，体积小，可靠性好
单片机把各种功能不见集成在一块芯片上，内部采用总线结构，减少了各芯片之间的连线大大的提高了单片机的可靠性及其抗干扰能力。
（3）控制功能强
单片机指令系统、硬件资源丰富，能充分满足工业控制的各种要求。
（4）低电压，低功耗。
（5）开发周期短，易于产品化
可根据需要构成各种规模的应用系统。
2.3.251单片机引脚图和引脚功能
（1）51单片机引脚图
图2-151单片机引脚
（2）51单片机引脚功能
40个引脚按引脚功能大致可分为4个种类：
电源、时钟、控制和I/O引脚。
⒈电源:
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