基于光电传感器的单片机控制直流电机.docx

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毕业论文（设计）

题目：

直流电机多级调速控制系统实现

学生：

黄哲

专业：

机械设计制造及其自动化

班级：

1002班

学号：

3108601211

指导老师：

赵卫

目录

摘要 I

ABSTRACT II

1.绪论 1

1.1研究背景 1

1.1.1开发背景 1

1.1.2选题的目的和意义 1

1.2直流电机调速原理简介 2

1.3PID算法简介 3

1.2.1模拟PID 3

1.2.2数字PID 5

1.2.3数字PID参数整定方法 6

2.系统硬件设计与实现 7

2.1系统设计方案 7

2.2单片机模块 8

2.2.1单片机设计方案 8

2.2.2AT89S52引脚功能 9

2.3电机驱动模块 11

2.3.1电机驱动设计方案 11

2.3.2L298N芯片简介 13

2.3.3电机驱动电路 14

2.4测速模块 15

2.4.1测速设计方案 15

2.4.2光电对管原理 16

2.4.3LM339N芯片简介 17

2.4.4测速模块电路 18

2.5显示模块 19

2.5.1显示设计方案 19

2.5.2LCD1602液晶简介 20

2.5.3显示电路 21

2.6键盘模块 22

2.6.1键盘设计方案 22

2.6.2键盘消抖 23

2.6.3键盘电路 23

2.7电源模块 24

2.7.1电源模块设计方案 24

2.7.2LM7805芯片 25

2.7.3电源电路 25

3.基于PWM的控制软件设计与实现 27

3.1PWM脉冲控制技术 27

3.1.1PWM脉宽调制的基本工作原理 27

3.1.2PWM实现方式 29

3.2定时器/计数器 29

3.3PWM产生程序 30

3.4系统程序流程 32

3.4.1主程序流程 32

3.4.2按键扫描程序流程 33

3.4.3按键扫描程序 35

4.系统的调试与分析 38

4.1硬件调试与分析 38

4.1.1硬件的调试 38

4.1.2烧入程序 38

4.1.3硬件电路焊接总结 40

4.2软件调试与分析 40

4.2.1延时程序 40

4.2.2PID算法程序 40

4.2.3液晶显示动态数据程序 41

4.2.4电机正反转程序 44

4.2.5系统主函数程序 44

5.总结 46

致谢 47

参考文献 48

附录 49

附录A硬件电路图 49

附录B系统程序代码 50

摘要

本设计的重点是采用AT89S52型号的单片机控制产生PWM调制信号的输出，以此来进行对直流电机的转速实现控制，本文简要的介绍了AT89S52型号单片机的有关参数，而且还对PWM脉冲信号的基本原理、信号的产生方式和怎么样实现利用软件编程调节PWM信号的占空比等作了一系列的论述。

本设计使用独立按键进行速度设定以及直流电机的正反转，通过LCD1602液晶显示器作为显示速度设定值和速度测量值的器件。

除此之外，本设计还运用L298芯片组成直流电机的正、反转以及控制速度的驱动电路，并且相对详细的说明了PID算法、系统初始化等子程序的编程以及程序的实现，本设计利用光电感应器对射式MOC70T4和比较器LM339芯片来实现直流电机转速的相对精确测量，而且以此作为反馈值传回到单片机实现PID补偿运算，从而实现了对直流电机速度的控制。

关键词：

PWM技术；PID算法；AT89S52；直流电机

ABSTRACT

ThefocusofthisdesignistheuseofAT89S52typePWMMCUcontrolsignaloutput,soastorealizetocontrolthespeedofDCmotor,thispaperintroducestheparametersofAT89S52modelofSCM,butalsothebasicprincipleofthepulsesignal,PWMsignalgenerationmethodandhowtoachieveregulationofPWMsignalusingthesoftwareprogrammingofthedutyratioforaseriesofdiscussion.ThisdesignusesindependentkeyspeedsettingandreversibleDCmotor,throughtheLCD1602LCDasthedisplayspeedsettingdeviceandspeedmeasurement.Inaddition,thedesignofdrivingcircuitusestheL298chipoftheDCmotor,inversionandspeedcontrol,andadetaileddescriptionoftheimplementationofthePIDalgorithm,thesysteminitializationsubroutineprogrammingandprogram,relativelyaccuratemeasurementofthedesignofthephotoelectricsensorfortypemoc70t4andLM339chiptorealizethespeedofDCcomparatorthemotor,butalsoasafeedbackvaluebacktotheMCUPIDcompensationoperation,soastorealizethespeedcontrolofaDCmotor.

Keywords:

PWM;PIDalgorithm;AT89S52;DCmotor

1.绪论

1.1研究背景

1.1.1开发背景

直流伺服电机在调速方面所拥有的起动、制动性能非常优越，在平滑调速的很大范围内都能够很好得到的使用，广泛的应用在很多需要调速或者是需要快速正反向的电子电力技术方面中。

由控制的角度出发，交流拖动技术还是基于直流调速系统的，以前直流电动机的控制通常都是基于模拟电路的，一般由运算放大器、非线性集成电路和少量的数字电路组成，控制系统的硬件方面特别的繁杂，目的性很单一，并且控制系统的灵活性很低、难以调试，成为直流电动机控制技术发展的阻碍和应用范围得到推广的屏障。

但是由于单片机技术发展与运用，实现了非常多的控制功能以及算法基本都能利用软件技术来解决，很大程度上增强了直流电动机控制的灵活性，而且还为系统带来了更好的性能。

此外，运用单片机所构建成的控制系统，不仅能够节省人力资源以及减少系统成本，还对工作效率的提高有帮助。

直流电机广泛运用于在冶金技术、矿山机械、化学工业、交通运输业、机械自动化、纺织业、航天航空等领域中，早期直流电机控制的运用通常都是相对简单的，要实现调速很困难，无法满足智能化。

更为传统的控制系统一般是利用模拟元器件，即使能够某种程度上解决了生产要求，可是由于元器件非常易于老化并且在运用的过程中经常受外界环境的干扰，还有电路线路冗杂、不适合通用，元器件的性能、湿度等因素常常使控制效果得到偏离，因此发生事故，就仅仅因为不能确定系统的运行可靠性和准确性。

目前，具有小体积、轻重量、功能强大、抗干扰性强、灵活性高以及方便应用和便宜价格等优点的单片机在各种控制及自动化方面的领域得到广泛应用。

单片机显然已经成为直流电机调速控制的不可分割的一部分，自动控制技术的发展也因为单片机的应用技术发展迈向一个新的里程碑，推动社会发展步入一个新的时代。

1.1.2选题的目的和意义

如今，由于电子技术发展的不断深入，直接地带动了直流电机调速控制系统由以前模拟化朝着现代数字化的高技术水平不断进步，尤其是单片机运用技术的发展，更是促进了直流电机调速技术迈向一个新的高峰，并向着智能化、可靠性强的方向不断完善，所以直流电机调速系统的数字化已经相当成熟了，已经走向实用化，因此，该研究具有重要意义。

早在上世纪七十年代就孕育而生的直流电机脉冲宽度调制（PulseWidthModulation-简称PWM）技术在调速系统就展现了其优越的效果。

至上世纪末以来，因为电路技术的提高以及晶体管器件水平的发展和宽调速永磁直流电机的产生，这几者之间的相互结合发展，推动了PWM技术的飞快发展，也将电气驱动技术发展到一种新的高峰。

在国外，军事工业和空间技术最先得到了PWM技术的运用，这些需要高速度、高精度的跟踪系统也因为PWM技术性能的优越性得到了实现，十年来，PWM技术的运用不断的覆盖一些民用工业中，尤其是像机床生产、自动化生产和机器人发展等。

今天，电机控制系统的主流也显现了电机控制技术和电力电子技术、计算机技术相结合的优势，这些都不断催促着电机控制技术必须要用更快的速度发展着，伴随着市场的发展，人们也用更高的要求来要求电机驱动控制，不仅要它的功能强大、没有噪声、更为复杂的算法，还要有很高的系统可靠性与系统操作安全，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。

1.2直流电机调速原理简介

直流电机的模型如下图1-1所示，有一个能够转动的圆柱体铁磁在磁极N、S之间，一个线圈固定在铁磁的表面上，如果有电流流过线圈的时候，电磁力作用于线圈上，由此铁磁发生旋转，根据左手定则可知，如果流过线圈的电流突然发生方向变化，也就使得线圈的方向发生变化，所以可以利用变化线圈的方向来达到变化电机的方向。

图1-1直流电机模型

有两大类可以控制直流电机转速的方法，分别是：

励磁控制法与电枢电压控制法。

励磁控制法也就是通过对磁通的控制，优点是控制功率很小，但是在电机低速运转时会被磁场饱和所限制，在电机高速运转时会被换向火花和转向器结构强度所限制，此外，励磁线圈所具有较大电感会使系统的动态响应差，因此一般所使用的方法是通过变化电枢端电压的电枢电压控制法[1]。

电枢电压控制也就是在励磁电压不变的条件下，在电机电枢上通过控制电压信号的输入，用来实现对电机转速的控制，像脉冲宽度调制就是利用这点。

脉冲宽度调制常常被运用于工业生产上，脉冲宽度调速通过在一个不变的频率上来对电源的“打开”或“关闭”进行控制，并利用对一个周期内“打开”和“关闭”时间长短的改变，也就是通过改变电枢电压上的“占空比”来改变电机的平均电压大小，以此达到对电机转速控制的目的。

1.3PID算法简介

在过程控制中，依据偏差的比例（Proportion）、积分（integral）和微分（differential）来实现控制的PID控制器，是迄今为止最为广泛应用于实际工程中的一种自动控制器，PID控制规律对连续系统动态品质校正非常有效，对于参数整定方式简单方便，结构变化灵活。

PID控制器的产生距今已经有七十年了，由于它所具有的结构简