EDA直流电机设计Word文档格式.docx
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2）软件方面：
PROTEUS仿真软件，WAVE软件KEIL相关软件。
五、进度安排
2010.1.04：
组织开会，明确课题，下达课题任务书，宣布课程设计的要求和具体的措施。
2010.1.05至2010.1.06：
调研、查找资料。
2010.1.07：
方案设计；
2010.1.08至2010.1.09：
电路设计；
2010.1.10至2010.1.12：
程序设计及电路仿真；
2010.1.13：
仿真结果验收；
2010.1.14至2010.1.15：
撰写课程设计报告；
六、教研室审批意见
教研室主任（签字）：
年月日
七|、主管教学主任意见
主管主任（签字）：
八、备注
指导教师（签字）：
学生（签字）：
课程设计（论文）评阅表
学生姓名学号
系信息工程系专业班级
题目名称直流电机控制器的设计课程名称综合电子设计
一、学生自我总结
学生签名：
二、指导教师评定
评分项目
综合成绩
权重
单项成绩
指导教师评语：
指导教师（签名）：
1、本表是学生课程设计（论文）成绩评定的依据，装订在设计说明书（或论文）的“任务书”页后面；
2、表中的“评分项目”及“权重”根据各系的考核细则和评分标准确定。
摘要
介绍一种单片机（如89C51型）在直流电动机转速控制系统中的应用、实现方法以及硬件结构等。
直流电动机转速控制系统采用了元器件测量电动机的转速，用此种单片机对直流电动机的转速进行了控制，用LCD液晶显示实现输出模拟电压值来控制直流电动机的转速。
由于直流电动机具有良好的起动、制动性能，适宜在大范围内平滑调速，因此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。
而且，从控制的角度来看，直流调速还是交流拖的动系统的基础，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，使许多控制动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。
关键词：
单片机直流电机转速控制PWM
1前言
随着计算机进入控制领域以及新型的电力电子功率元器件的不断出现，采用全控型的开关功率元件进行脉宽调制（PulseWidthModulation，简称PWM）已成为直流电机新的调速方式。
这种调速方法具有开关频率高、低速运行稳定、动态性能良好、效率高等优点，更重要的是这种控速方式很容易在单片机控制系统中实现。
现在国内外工业上对电机的调速基本已经不再使用模拟调速，而采用数字调速系统，而数字调速系统大部分都是用单片机来进行控制，数字调速系统具有控制精确度高，非常稳定，受环境影响小，效率高等优点，所以在国内外的使用越来越广泛。
与交流电动机相比，直流电机结构复杂、成本高、运行维护困难，但是直流电机具有良好的调速性能、较大的启动转矩和过载能力强等许多优点，因此在许多行业仍大量应用。
2方案设计
2.1设计要求
2.2工程方案
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，如图2.1所示。
图2.1设计原理图
图2.1PMW直流电机设计框图
3电路设计
3.1直流电机结构
直流电机由定子和转子两部分组成。
在定子上装有磁极（电磁式直流电机磁极由绕在定子上的磁绕提供），其转子由硅钢片叠压而成，转子外圆有槽，槽内嵌有电枢绕组，绕组通过换向器和电刷引出,直流电机结构如图3.1所示。
图3.1直流电动机结构
3.2直流电机的工作原理
直流电机电路模型如图3.2所示，磁极N、S间装着一个可以转动的铁磁圆柱体，圆柱体的表面上固定着一个线圈abcd。
当线圈中流过电流时，线圈受到电磁力作用，从而产生旋转。
根据左手定则可知，当流过线圈中电流改变方向时，线圈的受方向也将改变，因此通过改变线圈电路的方向实现改变电机的方向。
图3.2直流电动机电路模型
3.3直流电机PMW调速原理
3.3.1直流电机转速
直流电机的数学模型可用图3.3表示，由图可见电机的电枢电动势Ea的正方向与电枢电流Ia的方向相反，Ea为反电动势；
电磁转矩T的正方向与转速n的方向相同，是拖动转矩；
轴上的机械负载转矩T2及空载转矩T0均与n相反，是制动转矩。
图3.3直流电机的数学模型
根据基尔霍夫第二定律，得到电枢电压电动势平衡方程式1.1：
U=Ea-Ia（Ra+Rc）………………………………………式1.1
式1.1中，Ra为电枢回路电阻，电枢回路串联保绕阻与电刷接触电阻的总和；
Rc是外接在电枢回路中的调节电阻。
由此可得到直流电机的转速公式为：
n=Ua-IR/CeΦ…………………………………………式1.2
式1.2中，Ce为电动势常数，Φ是磁通量。
由1.1式和1.2式得
n=Ea/CeΦ……………………………………………式1.3
由式1.3中可以看出，对于一个已经制造好的电机，当励磁电压和负载转矩恒定时，它的转速由回在电枢两端的电压Ea决定，电枢电压越高，电机转速就越快，电枢电压降低到0V时，电机就停止转动；
改变电枢电压的极性，电机就反转。
3.3.2PWM电机调速原理
对于直流电机来说，如果加在电枢两端的电压为3.4所示的脉动电流压（要求脉动电压的周期远小于电机的惯性常数），可以看出，在T不变的情况下，改变T1和T2宽度，得到的电压将发生变化，下面对这一变化进一步推导。
图3.4施加在电枢两端的脉动电压
设电机接全电压U时，其转速最大为Vmax。
若施加到电枢两端的脉动电压占空比为D=t1/T，则电枢的平均电压为：
U平=U·
D……………………………………………式1.4
由式1.3得到：
n=Ea/CeΦ≈U·
D/CeΦ=KD
在假设电枢内阻转小的情况下式中K=U/CeΦ，是常数。
图3.5为施加不同占空比时实测的数据绘制所得占空比与转速的关系图。
图3.5占空比与电机转速的关系
由图看出转速与占空比D并不是完全速的线性关系（图中实线），原因是电枢本身有电阻，不过一般直流电机的内阻较小，可以近视为线性关系。
由此可见，改变施加在电枢两端电压就能改变电机的转速成，这就是直流电机PWM调速原理。
3.4电机驱动模块的电路设计
根据直流电机的工作原理，选用L298芯片来构成的基本电路结构。
从PROTEUS选取元器件，放置元器件、放置电源和地连线，我们参此设计的直流电机驱动模块电路如图3.6所示。
图3.6直流电机驱动电路
4实验平台
4.1运行环境
（1）Windows2000/XP系统
（2）Wave编译环境
（3）Protues仿真环境
4.2开发工具
汇编语言
５程序设计
5.1程序流程设计
本设计的程序分为两个部分，中断程序部分和显示程序部分。
其流程图见下：
图５.１ 中断流程图
图５.２ 显示部分的流程图
5.2程序详细设计
源程序代码及其详解见附录
６系统仿真
（1）程序设计后，用汇编软件（伟福6000）编译，生成.HEX文件。
（2）在proteus中加载.HEX文件。
（3）点击开始仿真软件，进行仿真。
LCD液晶显示电路的系统仿真与调试：
在PROTEUS运行环境中首先检验LCD显示电路，添加程序，运行LCD液晶显示电路。
此后在之前的电路基础之上再拓展带中断的独立式键盘，调试成功后的电路如图6.1所示。
调试用带中断的键盘来控制直流电机驱动模块的部分电路，若按要求调试成功，将得到图6.1。
图6.1用带中断的键盘来控制的电机
连接LCD显示部分，得到未按键时的电路，如图6.2所示。
图6.2未按键时的初始状态
启动目标系统，按正转，然后接加速开关，我们观察到电机开始运转，每按一次加速，电机的速度都要增加，此时如果按减速，则电机的转速慢慢地减小。
同样按反转转键也看到同样的结果，当按停止键时，电机慢慢停下来，图6.3是在正转情况下的仿真结果，图6.4是在反转情况下的仿真结果。
图6.3电机正转时的状态
图6.4电机反转时的状态
7总结与体会
在此次综合课程设计，在我看来不仅仅是单纯的一个单片机的应用，而是多学科多领域的综合设计。
做完这次设计，我深有体会。
首先，做这个设计不是光靠学好单片机这一门课就可以的。
我充分体会到了要全面发展，各个学科都要学好，知识的全面性很重要。
比如在编写程序时，我们就明显感觉到了汇编语言的基础不够扎实，而当我们真正开始做设计的时候才发现一个课程的项目设计是需要其他许多项目来给它做基础的。
其次，做这个设计不是光靠学好书本上的知识就够的。
设计的灵魂便在于它的理念，要做出一个好的设计作品来，需要你平时对生活有足够的观察和了解，古话说，学以致用，及时你设计出来的东西原理再高深，但在实际生活中却无处可用，那也是没有任何价值的。
所以在刻苦学习的同时，也要关注社会动态，了解人民生活所需，有一个正确的设计理念才能使自己走对第一步棋。
参考文献资料
[1]李朝青.单片机原理及接口技术.北京航空航天大学出版社，2002
[2]李华.MCS-51系列单片机实用接口技术.北京航空航天大学出版社
[3]张迎新.单片机初级教程.北京航空航天大学出版社出版社
[4]于永，戴佳.51单片机.电子工业出版社
附录
程序代码及其详解：
ORG0000H
SJMPDISPLAY
ORG0003H
LJMPBUTTON;
外部0中断入口地址
ORG000BH
LJMPDINGSHI;
定时中断T0入口地址
RSEQUP3.0
RWEQUP3.1
EEQUP3.4
ORG0030H;
DISPLAY:
SETBEA;
打开中断总开关
SETBEX0;
打开外部中断0开关
SETBIT0;
打开外部中断0下降沿触发
MOVTMOD,#01H;
设置定时工作方式
MOVTL0,#0FFH;
设置定时初值
MOVTH0,#0FFH
SETBET0;
打开定时中断T0开关
CLRP0.5
CLRP0.6
CLRP0.7
SETBTR0;
定时器T0开始定时
MOVDPTR,#TAB;
夜晶显示的字符首地址
MOVR0,#00H;
脉宽的初值
MOVR1,#16;
"
SETSPEEDPLEASE"
的字符个数
MOVR3,#00H
MOVR4,#00H
LP9:
LCALLCHUSHI
LP2:
ACALLBUSY
MOVA,#00H
MOVCA,@A+DPTR
MOVP1,A
ACALLDATAS
INCDPTR
DJNZR1,LP2
LP3:
CJNER3,#00H,LP4
CJNER4,#00H,LP4
SJMPLP3
LP4:
MOVR7,#00H;
中断的标志
MOVR5,#09H;
CURRENT:
的字符个数
MOVP1,#0C0H
ACALLENABLE
MOVDPTR,#MMTAB
LP5:
INCDPTR
DJNZR5,LP5
MOVDPTR,#STAB
MOVA,R2
MOVA,R3;
显示速度的十位
MOVA,R4;
显示速度的个位
MOVP1,A
ACALLDATAS
;
使夜晶始终显示当前电机的速度
LP8:
CJNER7,#00H,LP7;
速度不变时等待
LJMPLP8;
速度变时重新读入速度
LP7:
SJMPLP4
CHUSHI:
使夜晶显示的一些初始设置
ACALLBUSY
MOVP1,#00000001B;
清屏并光标复位
ACALLENABLE
MOVP1,#00111000B;
设置显示模式:
8位2行5x7点阵
MOVP1,#00001111B;
显示器开、光标开、光标允许闪烁
MOVP1,#00000110B;
文字不动，光标自动右移
MOVP1,#80H;
写入显示起始地址
RET
ENABLE:
写入控制命令的子程序
SETBE
CLRRS
CLRRW
CLRE
DATAS:
写入数据子程序
SETBRS
BUSY:
准备写入数据
MOVP1,#0FFH
SETBRW
JBP1.7,BUSY
ORG2000H
DINGSHI:
定时中断服务程序
CPLP0.7
JNBP0.7,Z1;
周期一定
MOVA,#0FFH
SUBBA,R0
MOVTH0,A
SETBTR0
RETI
Z1:
MOVTH0,R0;
脉宽
BUTTON:
从控制键盘中读取操作命令
PUSHACC
CLREX0
CLREA
INCR7;
MOVP2,A
MOVA,P2
JNBACC.0,AA0
JNBACC.1,KK0
JNBACC.2,ZZ
JNBACC.3,FF
JNBACC.4,WW0
AJMPQQ
AA0:
CJNER0,#0FFH,AA1;
加速操作
AJMPQQ
AA1:
MOVA,R0
ADDA,#5
MOVR0,A
KK0:
CJNER0,#00,MM;
减速操作
MM:
SUBBA,#5
QQ:
MOVA,R0
MOVB,#5
DIVAB
MOVB,#10
MOVR3,A
MOVR4,B
SETBEX0
LCALLDELAY
SETBEA
POPACC
ZZ:
SETBP0.5;
正转操作
CLRP0.6
MOVR2,#2BH;
正转标志"
+"
SETBEA
FF:
CLRP0.5;
反转操作
SETBP0.6
MOVR2,#2DH;
反转标志"
-"
WW0:
停止操作
DELAY:
延时子程序
MOVR5,#0E0H
MM0:
MOVR6,#30H
MM1:
DJNZR6,MM1
DJNZR5,MM0
TAB:
DB53H,45H,54H,20H
DB53H,50H,45H,45H;
"
代码
DB44H,20H,50H,4CH
DB45H,41H,53H,45H
STAB:
DB30H,31H,32H,33H
DB34H,35H,36H,37H;
0,1,2,3,4,5,6,7"
DB38H,39H,41H,42H;
8,9,A,B,C,D,E,F"
DB43H,44H,45H,46H
MMTAB:
DB43H,4FH,52H,52H
DB45H,4EH,54H,20H;
DB3AH
END
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