直流电机调速系统设计.docx
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直流电机调速系统设计
毕业论文
题目直流电机调速系统设计
英文题目DCMotorSpeedControlSystem
摘要
本文主要是设计一个以单片机为主控芯片，通过按键改变直流电机的转速和转动方向，并能实时显示转速和脉冲数。
本文首先初步确定了总体设计方案，根据设计的要求分模块进行设计。
首先对设计用到的主要芯片如AT89C52单片机、霍尔元件、LCD1602液晶显示进行了参数和性能的介绍。
根据所要达到的设计目的分模块进行了设计。
在单片机模块主要设计了单片机最小系统。
在驱动模块主要设计了H桥驱动电路。
在测量模块运用霍尔元件对电机进行测速并输出信号给单片机中断端口。
在显示模块采用LCD1602液晶显示，单片机通过输出电压信号给液晶实现实时显示。
在按键模块由于按键数量比I/O口数量少，为了接线方便决定采用独立按键的连接方式。
最后将各模块与单片机相连接，通过软件进行编程从而实现设计功能。
关键词：
直流电机；单片机；分模块
ABSTRACT
Inthispaper,thedesignofamicrocontrollerbasedcontrolchip,throughthebuttontochangethemotorspeedandrotationdirection,andcandisplayreal-timespeedandthenumberofpulses.Inthispaper,theoveralldesignschemeispreliminarilydetermined,andthemodulesaredesignedaccordingtotherequirementsofthedesign.First,thedesignofthemainchipusedinsuchasAT89C52microcontroller,Holzercomponents,LCD1602liquidcrystaldisplayparametersandtheperformanceoftheintroduction.Accordingtothedesigngoaltoachievethedesignofmodulesweredesigned.Thesinglechipmicrocomputermoduleisdesigned.Inthedrivemodule,themaindesignoftheHbridgedrivercircuit.InthemeasurementmoduleusingHolzercomponentsofthemotorspeedandoutputsignaltothemicrocontrollerinterruptport.InthedisplaymoduleusingLCD1602liquidcrystaldisplay,microcontrollerthroughtheoutputvoltagesignaltotheliquidcrystaldisplayinrealtime.InthekeymodulebecausethenumberofkeysislessthanthenumberofI/Oport,inordertofacilitatetheconnectiontodeterminetheuseofindependentkeyconnectionmode.Intheend,eachmoduleisconnectedwiththesinglechipmicrocomputer,andthesoftwareisprogrammedtorealizethefunctionofthedesign.
Keywords:
continuouscurrentdynamo;singlechip;Submodule
1.绪论
1.1设计的背景：
随着科学技术的发展，人们对产品越来越追求精细化。
这得益于自动化生产技术在现代生产中占有越来越重要的地位。
要加工精细的元器件，只有高性能的电机才能为加工提供所需要的动力。
直流电机转速调节范围宽、调节方便灵活等良好特性，广泛运用在生产加工、智能机器人等领域。
随着中国经济的迅猛发展，中国制造业从劳动密集型向自动化、智能化转型升级，对电机的转速精度，启动、正反转反应速度等性能提出了更高要求。
为此设计更高要求的直流电机调速系统，对于中国的产业发展具有不可估量的作用。
1.2直流电机的发展
直流电机比交流电机更早被发明，但早期的直流电机技术还很不成熟，安全性、经济性、制造运行远远达不到人们的要求。
与交流电机相比直流电机很晚才转化为生产力。
传统的直流控制调速以模拟器件控制为主，控制精度不高，具有很大的局限性。
随着计算机时代的到来，特别是微处理器的发明运用，这一局面很快被打破。
PWM控制技术很早就成熟，一直苦于没有很好的产生PWM脉冲的器件。
单片机与PWM技术的结合，改变了过去依靠模拟器件对直流电机进行控制的时代。
直流电机在矿产开发冶炼、工业生产、自动化、智能化等行业领域获得了广泛的运用。
传统的直流电机只能进行最基本的控制，控制精度远远不能满足时代的发展需要，更不能与计算机技术相结合，阻碍了智能化的实现。
现在，单片机已经深刻的影响着直流电机控制技术的发展，伴随着单片机技术的不断完善与发展，自动化技术也获得了新的发展机遇，使自动化技术深入到生产生活的方方面面。
单片机技术不是一孤立的存在，它与许多学科有着千丝万缕的联系，引起了新技术的产生与新事物的发展。
单片机应用在许多科学领域，带动了一批产业的发展与新学科的诞生，促进了单片机技术的不断发展。
由于体积小、重量轻、功能强大、抗干扰能力强、控制灵活、应用方便、价格低廉等特点，对计算机的性能有了不断改进，在许多行业领域中越来越多的出现单片机的身影。
由于直流电机的速度控制很容易起动和制动性能良好的特点，并且可以范围广泛的改变速度和功率，在冶金，机械制造等工业部门的已被广泛使用。
励磁控制与电枢电压控制是直流电机调速常见的两种方法。
1.3单片机以及微处理器控制系统的发展
在计算机的发展过程中微处理器的出现具有划时代的意义，随着科技的发展特别是大规模集成电路技术的出现，微处理器也由当初的价格昂贵性能单一，到如今的性能强大价格却便宜，这其中电力电子技术的发展功不可没。
电力电子技术的不断推陈出新，出现了许多新的元器件与更为简便的新型电路，增强了大功率元器件的功能，便于使更多功能集成在一起，使微处理器控制电机变得可能。
微处理器以弱电控制强电具有简单、方便、安全的特点，便于通过编程实现复杂的电机控制，使电机的性能优点发挥到最大，更符合当今智能控制的发展趋势，还让传统的各种电机控制系统焕发新的生机获得更大的发展。
最初的微处理器功能简单，只能通过控制触电开关对电机速度进行控制。
如今微处理器往往自带可编程器，微处理器的功能获得了大大的提高。
现在远程控制在工业控制中得到广泛应用。
通过对可编程器的编程，由现场总线将电机的运行状态实时传送到远程终端，实现了信息的交互，为少人控制乃至无人控制的工厂的实现打下了基础。
也可以通过编程同时控制多台电机工作，实现电机之间运行数据的交换，使电机调速系统真正做到了自动化、智能化。
直流电机的调速性能相比交流电机优良。
但直流电机换向采用机械换向器，换向磨损大，容易出现换向火花。
相比交流电机直流电机结构复杂易出现故障，维修难度大，可靠性也远不如交流电机。
随着高性能微处理器如DSP的出现，直流电机性能得到很好的发挥。
为直流调速系统的调速方式的创新与发展提供了可能。
DSP等高性能微处理器每秒运算速度可达百亿兆以上且可进行矩阵运算，在先进的数控机床中得到广泛的采用。
1.4本选题的理由及意义
现代科技日新月异，电气传动也早由传统的模拟控制转为采用数字化的微处理器控制。
近年来工业自动化、智能机器人等高新产业的兴起，直流电机具有调速性能好，无级调速，适用于需要频繁启动、对过载要求高的场合的由于性能优良而被大规模采用。
以往的直流调速系统都是模拟控制只能控制电机的某一方面的性能，往往顾此失彼不能综合控制系统参数，不便于编程实现精确控制，已大大落后于时代的要求，不能满足工业系统对动力传动的加工需求。
随着中国工业化的进一步升级，市场对直流电机的需求大大增加，迫切需要高性能的直流电机。
因而生产符合市场要求的直流电机迫在眉睫，而一台直流电机性能的发挥，一个好的调速系统是必不可少。
为此，设计一种通过编程实时可以高精度的控制电机，在当下微处理器广泛应用在调速系统领域的背景下，具有提升直流控制电机控制精度的重要意义。
基于以上理由设计了基于以上理由设计了运用单片机为主控模块，控制电机速度的
2.系统总体设计方案
系统总体设计包括系统设计的主要内容、系统最终设计的目标、和可行性方案的提出；下面几个小节都分别有详细的阐述。
2.1本论文研究的主要内容
总体结构如图2-1所示。
单
片
机
图2-1系统硬件基本框图
该系统能够通过按键对直流电机进行速度加减、转向控制、实时显示等功能。
单片机收到按键给的控制信号由IO口输出PWM脉冲，驱动直流电机转动，测速模块将检测到的速度信息传回单片机进行处理并计算出转速，输出给显示模块显示速度大小，从而通过按键改变速度大小和转向，根据显示数值调整达到减少误差的效果。
2.2直流调速系统设计任务分析
直流调速系统是综合计算机技术、测速技术和SPW控制技术将与直流电机有关的系统有机的综合起来。
本直流调速系统要求实现的基本功能有对直流电机进行正反转控制、对直流电机进行速度控制等俩大功能。
1.直流电机正反转控制
用户通过按钮发送一个信号给单片机由单片机输出脉宽调制信号，送到直流电机，通过改变输出端口控制电子转向。
2.直流电机速度控制
用户通过按键发信号给单片机由单片机IO口输出脉宽调制信号驱动直流电机转动，检测电路将电机转速信息传回单片机，并进行转速显示。
用户通过按键时间长短改变一个周期内“接通”和“断开”时间长短，即改变占空比来控制电机转速。
2.3系统设计目标
设计使用单片机STC89C52可通过编程方便的产生所需要的脉宽调制信号，在功能、经济性上更符合设计的要求。
系统可通过对单片机编程使该系统能够实现对直流电机进行正反转控制、对直流电机进行速度控制并能实时显示电机转速和脉冲数。
2.4直流电机调速
2.4.1直流电机的调速方式的优缺点。
（1）PWM直流调整系统。
其原理是产生一系列不同脉宽的脉冲信号，由功率放大器驱动，然后由直流控制信号和三角波调制电路驱动功率放大器。
直流电机的电枢通入PWM电压，可进行精确的控制。
调速系统具有调速范围宽，效率高，响应速度快，电流纹波小，对电网的污染小等优点。
（2）电枢串电阻调速。
电枢回路串接电阻后,电动机的机械特性的斜率随电阻的改变而改变,在恒负载下使转速发生变化。
串电阻调速的控制装置结构连接相对容易;负载容易改变转速的大小,调速对于空载时不起作用,在重载条件下运行功耗太大速度变化不明显。
（3）改变电枢电压调速。
电动机的机械特性随电枢电压的变化而变化，因此调速范围很宽。
晶闸管整流装置调节电枢电压，但在低速运行时功率因数较低，在交流侧出现较多的谐波分量，对电网不利。
（4）改变电动机主磁通φ。
通过减弱磁通可对电机进行无极调速，所谓恒功率调速就是速度从额定转速开始增加。
电枢电流变化所需的时间长，所以速度变化较慢，可小电源驱动。
（5）双闭环直流调速系统。
电流调节器接收反馈电流，速度调节器接收转速信号。
调节器采用P-I算法进行控制。
2.4.2PWM调速系统有以下优点:
1、脉宽调制系统，电路的开关可以频繁通断，因此可以快速响应，干扰对系统的影响小。
2、由于开关频率高，通过电机自身的电感可方便获得小脉冲直流电具有滤波的作用，系统的低速性能好，速度稳定性好，速度调节范围宽，电枢电流连续性好，电机不容易出现故障，消耗能源少。
3、脉宽调制系统中，电路中的电力电子器件相比晶闸管整流器消除了电网污染，开关损耗小，设备利用率高，效率和功率因素大大提高。
4、主电路所需的功率元件少，线路简单，控制方便。
3.硬件电路的设计
3.1单片机电路设计
3.1.1STC89C52单片机介绍
STC89C52RC单片机是宏晶科技推出的新一代高速/低功耗/超强抗干扰的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可以任意选择。
主要特性如下：
1.增强型8051单片机，6时钟/机器周期和12时钟/机器周期可以任意选择，指令代码完全兼容传统8051.
2.工作电压：
5.5V～3.3V（5V单片机）/3.8V～2.0V（3V单片机）
3.工作频率范围：
0～40MHz，相当于普通8051的0～80MHz，实际工作频率可达48MHz
4.用户应用程序空间为8K字节
5.片上集成512字节RAM
6.通用I/O口（32个），复位后为：
P1/P2/P3/P4是准双向口/弱上拉，P0口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O口用时，需加上拉电阻。
7.ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片
8.具有EEPROM功能
9.具有看门狗功能
10.共3个16位定时器/计数器。
即定时器T0、T1、T2
11.外部中断4路，下降沿中断或低电平触发电路，PowerDown模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒
12.通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART
13.工作温度范围：
-40～+85℃（工业级）/0～75℃（商业级）
14.PDIP封装
STC89C52RC单片机的工作模式
掉电模式：
典型功耗<0.1μA,可由外部中断唤醒，中断返回后，继续执行原程序
空闲模式：
典型功耗2mA
正常工作模式：
典型功耗4Ma～7mA
掉电模式可由外部中断唤醒，适用于水表、气表等电池供电系统及便携设备
图3-1STC89C52RC引脚图
STC89C52RC引脚功能说明
VCC（40引脚）：
电源电压
VSS（20引脚）：
接地
P0端口（P0.0～P0.7，39～32引脚）：
P0口是一个漏极开路的8位双向I/O口。
作为输出端口，每个引脚能驱动8个TTL负载，对端口P0写入“1”时，可以作为高阻抗输入。
在访问外部程序和数据存储器时，P0口也可以提供低8位地址和8位数据的复用总线。
此时，P0口内部上拉电阻有效。
在FlashROM编程时，P0端口接收指令字节；而在校验程序时，则输出指令字节。
验证时，要求外接上拉电阻。
P1端口（P1.0～P1.7，1～8引脚）：
P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口。
P1的输出缓冲器可驱动（吸收或者输出电流方式）4个TTL输入。
对端口写入1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这是可用作输入口。
P1口作输入口使用时，因为有内部上拉电阻，那些被外部拉低的引脚会输出一个电流。
3.1.2单片机最小系统
光有单片机还不能立马开始工作，单片机要起作用需要外接一些辅助电路，单片机才能运行起来。
这些辅助电路构成单片机最小系统，其主要包括时钟电路与复位电路如图2-1所示。
J2
图3-2单片机最小系统图
单片机的最小系统由晶体振荡器、电容C22、C23组成的时钟电路，R27、C1、KS组成的电复位电路及AT89C52单片机构成。
CPU的时钟信号由12MHZ的无源晶体振荡器和单片机自带的放大器一起组成的振荡器生成。
电容C22、C23可起频率微调作用，电容值在5pF～30pF之间选择，本电路选30pF。
电容C1和电阻R27构成上电复位电路。
电源开启时，电源对电容C1充电，在CPU的复位端产生一高脉冲。
CPU复位的条件是复位端的高电平的持续时间大于两个机器周期。
电容C1可滤除高频干扰，防止单片机误复位。
按键ks和电阻R27构成按键复位电路。
3.2.2.2晶振电路
图3-3晶振电路
它扮演的角色是提供一个参考时钟信号给单片机系统，所有的工作都是基于单片机的工作时钟信号的工作的速度。
我们把一个11.0592M的晶振（它每秒钟振荡11,059,200次）接在STC89C52单片机的18脚和19脚的晶振引脚上，，外加两个30pF的电容，电容的作用是帮助晶振起振，并维持振荡信号的稳定。
3.2.2.3复位电路
复位电路由按键复位和上电复位两部分组成，如图3-4
图3-4复位电路图
（1）上电复位：
RC充放电回路，由复位引脚RST接一10uF的电容到电源，再接一10K的电阻到地构成。
当上电时，使RST引脚上至少保持两个周期的机器时间，使单片机复位。
随着RC放电，单片机开始正常工作。
（2）按键复位：
在复位电容上并联一个按键，通过按键控制电容充放电。
当按键按下时，电容开始充电使RST得到一个高电平，而且由于电容充满电需要一定的时间，这段时间的高电平足够使单片机复位。
3.2电源电路设计
3.2.1电源接口电路设计
图3-5电源电路图
我们所选用的STC89C52，它需要5V的供电系统，P1是电源接口2、3脚接地，1脚实际是VCC，S1是自锁开关,由自锁开关控制电源在电路中接通关断的，其中3脚接P1电源插口电源的1脚，5脚接电路的VCC。
整个设计所需要的电源经过电源接口由自锁开关控制输入。
3.2.2直流稳压电源设计
设计原理
图3-6设计原理图
首先通过变压将220V高压降为电路能承受的低压。
此时的电流还没变为直流电，再经过对电流进行整流，才变为周期变化的直流脉冲。
对电流进行滤波处理，消除脉冲得到更好的直流电。
最后为保证输出稳定的直流电压，对电流进行稳压操作，提高直流电压的稳定性。
硬件电路设计
3-7直流稳压电源
如图3-7所示电路输入220V的交流电最后输出5V的直流电。
我们用电源变压器将220V的交流电降到8V，再经过桥式整流桥电路（由四个1N4007晶体管构成）将8V的交流电变成7.2V的直流电。
由电容C5、C6进行滤波，C6的作用是防止自激。
最后采用78H05三端稳压芯片进行稳压输出5V直流电。
3.3测速电路设计
3.3.1霍尔传感器简介
A3144E霍尔元件44EOH44E霍尔传感器霍尔开关集成电路应用霍尔效应原理，采用半导体集成技术制造的磁敏电路，它是由电压调整器、霍尔电压发生器、差分放大器、史密特触发器，温度补偿电路和集电极开路的输出级组成的磁敏传感电路，其输入为磁感应强度，输出是一个数字电压讯号。
产品特点
体积小、灵敏度高、响应速度快、温度性能好、精确度高、可靠性高
典型应用
无触点开关、汽车点火器、刹车电路、位置、转速检测与控制、安全报警装置、纺织控制系统
极限参数（25℃）
电源电压VCC··························24V
输出反向击穿电压Vce···················50V
输出低电平电流IOL···················50mA
工作环境温度TA··············E档:
-20～85℃，L档:
-40～150℃
贮存温度范围TS········-65～150℃
3.3.2霍尔测速电路设计
3-8测速部分电路图
这是霍尔测速模块，霍尔元件1脚接电源、2脚接地、3脚信号输出脚接单片机的外部中断上，还接了一个电阻接电源上，是一个上拉电阻起到信号稳定的作用。
3.3.2霍尔元件测速原理
由霍尔效应原理可知:
由公式V=KBI可知。
当通过霍尔元件的电流大小确定不变时，只要改变霍尔元件周围的磁场的大小就可改变霍尔元件输出电压的大小。
在直流电机转轴上粘贴一长条，并在长条两端分别安装上1个磁钢，磁铁和霍尔元件最近距离在2mm左右，太近可能会在电机转动时碰到霍尔元件，太远霍尔元件可能会检测不到磁铁。
在磁钢的附近固定安装一个霍尔传感器，通过间接方式对电机转速进行测量。
当长条旋转到霍尔元件附近时，磁钢通过改变磁场的大小使霍尔传感器输出低电平。
当电机旋转时，霍尔传感器将输出的脉冲信号传送回单片机，通过计算测出转盘的运转速度.此电路简单可靠，便于测量电机转速。
电路具体连接方式如下图所示。
图3-9霍尔测速原理图图3-10霍尔传感器接线图
3.4显示电路设计
3.4.1LCD1603液晶简介
字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，1602字符型液晶显示器
1602LCD主要技术参数
显示字符容量:
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
引脚功能说明
1602LCD采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如表3-1所示:
表3-1引脚功能
编号
符号
引脚说明
编号
符号
引脚说明
1
VSS
电源地
9
D2
数据
2
VDD
电源正极
10
D3
数据
3
VL
液晶显示偏压
11
D4
数据
4
RS
数据/命令选择
12
D5
数据
5
R/W
读/写选择
13
D6
数据
6
E
使能信号
14
D7
数据
7
D0
数据
15
BLA
背光源正极
8
D1
数据
16
BLK
背光源负极
1602LCD的指令说明
1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令，所示如表3-2
表3-2指令说明
序号
指令
RS
R/W
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
1
清显示
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
2
光标返回
0
0
0
0
0
0
0
0
1
*
3
置输入模式
0
0
0
0
0
0
0
1
I/D
S
4
显示开/关控制
0
0
0
0
0
0
1
D
C
B
5
光标或字符移位
0
0
0
0
0
1
S/C
R/L
*
*
6
置功能
0
0
0
0
1
DL
N
F
*
*
7
置字符发生存贮器地址
0
0
0
1
字符发生存贮器地址
8
置数据存贮器地址
0
0
1
显示数据存贮器地址
9
读忙标志或地址
0
1
BF
计数器地址
10
写数到CGRAM或DDRAM）
1
0
要写的数据内容
11
从CGRAM或DDRAM读数
1
1
读出的数据内容
3.4.2液晶显示电路设计
液晶屏第一行输出每分钟电机转速。
第二行显示占空比，显示当前的pwm占空比0~100%。
占空比数值越大，电机转速越快。
液晶部分的电路图如下图3-11所示：
图3-11
升级会员 