减速直流电机角度控制器.docx
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减速直流电机角度控制器
编号：
毕业设计说明书
题目：
减速直流电机角度
控制器设计
院（系）：
应用科技学院
专业：
电子信息工程
*******
学号：
**********
指导教师单位：
计算机与控制学院
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职称：
高级工程师
题目类型：
理论研究实验研究√工程设计工程技术研究软件开发
2011年6月10日
摘要
在工业生产过程中，减速直流电机角度控制器能实现控制生产流程、控制器械精度并可实现精确的检测与调度工作。
同时它也有简单易操作、界面友好快捷的特点，对于工业生产也起到了提高生产效率的作用。
本论文介绍了基于STC12系列的单片机的减速直流电机角度控制器的设计，电动机角度控制可以应用于很多自动化设备的控制，它是以STC12C5A60S2作为主要控制芯片，采用4个功率N型MOS管构成H桥对减速直流电动机进行正反转控制，采用电位器与电动机的同轴连接对电动机的转角进行测量与控制。
关键词：
自动化控制技术；单片机；减速直流电动机；同轴连接；测量与控制
Abstract
Intheindustrialproductionprocess,theslowrealizationofDCmotorcontrollercancontroltheangleoftheproductionprocess,controlequipmentandtoachieveaccuratedetectionaccuracyandschedulingwork.Italsohasasimpleandeasytooperate,userfriendlyandfastcharacteristics,fortheindustrialproductionalsoplayedaroleinimprovingproductionefficiency.
ThispaperdescribestheseriesofmicrocontrollersbasedonthedecelerationSTC12DCmotorcontrollerdesignpointofview,themotoranglecontrolcanbeusedinalotofautomatedequipmentcontrol,itisSTC12C5A60S2asthemaincontrolchip,usingfourpowerN-typeMOStubeformHBridgeonthereversinggearDCmotorcontrol,usingpotentiometerandmotoranglecoaxialconnectoronthemotortomeasureandcontrol.
Keywords:
Automationandcontroltechnology;SCM;DCmotordeceleration;Coaxialconnectors;MeasurementandControl
引言
控制技术是在是在上世纪20年代建立了以频域法为主的经典控制理论后发展起来的，控制技术首先在工业生产中得到了广泛的应用。
在空间技术发展的推动下，50年代又出现了以状态空间法的现代控制理论，使控制技术得到了广泛的发展，产生了更多的应用领域。
60年代以来，随着计算机技术的发展，控制技术走向了自动化的方向。
随着计算机技术的日渐成熟，自动化控制技术与计算机的结合已经成为必然。
用计算机控制所有机械的运行才能减少劳动力的浪费。
随着科技的发展，减速直流电机控制技术在当今科技领域已日臻成熟，被广泛用于工业、农业生产和日常生活等方面。
其中电机的数字控制技术是电机控制的发展趋势，用单片机对电机进行控制是实现电机数字控制的最常用手段。
此外，随着自动控制系统和计算机技术的发展，计算机和电机控制系统相结合使控制电机具有高可靠性﹑高精确度﹑快速响应的特点。
本文介绍的减速直流电机角度控制器主要控制核心为STC12系列的单片机，并搭配用功率MOS管组建成的H桥驱动电机正反转。
其能接收计算机发送的命令，根据命令具体内容实现0到180度之内的旋转，精度达到0.5度。
通过直流电机转轴与电位器转轴的同轴连接，并以A/D采样来实现对电机角度的检测。
1绪论
1.1课题的背景及现状
随着自动化控制技术的飞速发展，高度自动化、智能化及节能性成为人们衡量新产品的高新技术含量的标准，这些标准的建立促使当前许多高科技含量产品的纷纷涌现。
自动化控制技术广泛用于工业、农业、军事、科学研究、交通运输、商业、医疗、服务和家庭等方面。
控制技术是在是在上世纪20年代建立了以频域法为主的经典控制理论后发展起来的，控制技术首先在工业生产中得到了广泛的应用。
在空间技术发展的推动下，50年代又出现了以状态空间法的现代控制理论，使控制技术得到了广泛的发展，产生了更多的应用领域。
60年代以来，随着计算机技术的发展，控制技术走向了自动化的方向。
工业控制自动化技术是一种运用控制理论、仪器仪表、计算机和其他信息技术，对工业生产过程实现检测、控制、优化、调度、管理和决策，达到增产、提高质量、降低消耗、确保安全等目的的综合性技术，主要包括工业自动化软件、硬件和系统三大部分。
工业控制自动化技术作为20世纪现代制造领域中最重要的技术之一，主要解决生产效率与一致性问题。
自动化系统本身不直接创造效益，但它对企业生产过程有明显提升作用。
我国工业控制自动化发展道路，大多是引进成套设备同时进行消化吸收，然后进行二次开发和应用。
目前我国工业控制自动化技术、产业和应用都有了很大发展，我国工业计算机系统行业已经形成。
目前，工业控制自动化技术正向智能化、网络化和集成化方向发展。
直流电机可以说是最早发明能将电力转换为机械功率的电动机，到了1880年代已成为主要的电力机械能转换装置，但是之后由于交流电的发展，而发明了感应电机与同步电机，直流电机的重要性亦随之降低。
直到约1960年，由于SCR（单向可控硅）的发明、磁铁材料、碳刷、绝缘材料的改良，以及变速控制的需求日益增加，再加上工业自动化的发展，直流电机驱动系统再次得到了发展的契机，现如今直流电机与直流伺服系统已成为自动化工业与精密加工的关键技术。
1.2课题研究的意义
本文介绍的减速直流电机角度控制器不仅可以运用到工业生产上，而且在我们的生活中也常常起到很大的作用。
在工业生产过程中，减速直流电机角度控制器能实现控制生产流程、控制器械精度并可实现精确的检测与调度工作。
同时它也有简单易操作、界面友好快捷的特点，对于工业生产也起到了提高生产效率的作用。
角度控制系统被广泛应用于磁盘驱动器、机器人动作控制、天线扫描、电子瞄准、飞行器姿态控制、导航控制、太空中的人造卫星等方面，都必须达到准确速度控制和定位控制的目的，才能使其正常工作，否则系统就会出现工作故障。
在日常生活中减速直流电机角度控制器也得到了广泛的应用，最典型的应用为停车场道闸与玩具等。
图1-1停车场道闸
1.3课题研究的要求
本课题要求设计一减速直流电机控制器，其主要控制核心为STC12系列的单片机，并搭配用功率mos管组建成的H桥驱动电机正反转。
该设计能接收计算机发送的命令，根据命令具体内容实现0到180度之内的旋转，精度要求为0.5度。
通过直流电机转轴与电位器转轴的同轴连接，并以A/D采样来实现对电机角度的检测。
2硬件电路原理及设计
减速直流电机角度控制器主要是以单片机为核心，结合H桥驱动电路、电压检测来完成所需功能。
总体系统框图如图2-1所示：
图2-1系统总框图
2.1主控系统的设计
在智能化仪器仪表中，控制核心均为微处理器，而单片机以高性能、高速度、体积小、价格低廉、稳定可靠而得到广泛应用，是设计智能化仪器仪表的首选微控制器，单片机结合简单的接口电路即可构成单片机最小系统，它是智能化仪器仪表的基础，也是测控、监控的重要组成部分。
在单片机性能与设计需求的综合考虑下，本设计选择了STC12C5A32S2单片机作为主控芯片，主控系统还包括了由晶振组成的外部振荡电路和开关复位电路的设计，四个测试用的按键、四个指示与测试用发光二极管和一个七段四位共阴数码管。
主控系统如图2-2。
图2-2主控系统电路图
2.1.1单片机STC12C5A32S2介绍
单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器（MicrocontrollerUnit），常用英文字母的缩写MCU表示单片机，它最早是被用在工业控制领域。
单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。
最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。
INTEL的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器，从此以后，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。
单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。
八位单片机由于内部构造简单，体积小，成本低廉，在一些较简单的控制器中应用很广。
即便到了本世纪，在单片机应用中，仍占有相当的份额。
由于八位单片机种类繁多，综合考虑，选用STC12C5A60S2单片机作为微处理器。
选用STC单片机的理由：
降低成本，提升性能，原有程序直接使用,硬件无需改动，支持串口下载。
STC12C5A60S2系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。
内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换（250K/S，即25万次/秒）,针对电机控制，强干扰场合。
另外还有以下特点：
1.增强型8051CPU，1T，单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统8051。
2.工作电压：
5.5V-3.5V。
3.工作频率范围：
0～35MHz，相当于普通8051的0～420MHz。
4.用户应用程序空间8K/16K/20K/32K/40K/48K/52K/60K/62K字节等。
5.片上集成1280字节RAM。
6.通用I/O口（36/40/44个），复位后为：
准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口）可设置成四种模式：
准双向口/弱上拉，强推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏，每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不要超过120mA。
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（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片。
8.有EEPROM功能（STC12C5A62S2/AD/PWM无内部EEPROM）。
9.独立看门狗功能。
10.内部集成MAX810专用复位电路（外部晶体12M以下时，复位脚可直接1K电阻到地）。
11.外部掉电检测电路:
在P4.6口有一个低压门槛比较器。
5V单片机为1.33V，误差为±5%,3.3V单片机为1.31V，误差为±3%.
12.时钟源：
外部高精度晶体/时钟，内部R/C振荡器（温漂为±5%到±10%以内）用户在下载用户程序时，可选择是使用内部R/C振荡器还是外部晶体/时钟，常温下内部R/C振荡器频率为：
5.0V单片机为：
11MHz～17MHz3.3V单片机为：
8MHz～12MHz，精度要求不高时，可选择使用内部时钟，但因为有制造误差和温漂，以实际测试为准。
13.共4个16位定时器，两个与传统8051兼容的定时器/计数器,16位定时器T0和T1，没有定时器2，但有独立波特率发生器做串行通讯的波特率发生器,再加上2路PCA模块可再实现2个16位定时器。
14.3个时钟输出口，可由T0的溢出在P3.4/T0输出时钟，可由T1的溢出在P3.5/T1输出时钟,独立波特率发生器可以在P1.0口输出时钟。
15.外部中断I/O口7路,传统的下降沿中断或低电平触发中断,并新增支持上升沿中断的CA模块�，PowerDown模式可由外部中断唤醒�，INT0/P3.2,INT1/P3.3,T0/P3.4,T1/P3.5,RxD/P3.0,CCP0/P1.3（也可通过寄存器设置到P4.2）,CCP1/P1.4（也可通过寄存器设置到P4.3）。
16.PWM（2路）/PCA（可编程计数器阵列,2路），也可用来当2路D/A使用，也可用来再实现2个定时器，也可用来再实现2个外部中断（上升沿中断/下降沿中断均可分别或同时支持）。
17.A/D转换,10位精度ADC，共8路，转换速度可达250K/S（每秒钟25万次）。
18.通用全双工异步串行口（UART），由于STC12系列是高速的8051，可再用定时器或PCA软件实现多串口。
19.STC12C5A60S2系列有双串口，后缀有S2标志的才有双串口，RxD2/P1.2（可通过寄存器设置到P4.2），TxD2/P1.3（可通过寄存器设置到P4.3）。
20.工作温度范围：
-40~+85℃（工业级）/0~75℃（商业级）。
21.封装：
LQFP-48,LQFP-44,PDIP-40,PLCC-44,QFN-40，I/O口不够时，可用2到3根普通I/O口线外接74HC164/165/595（均可级联）来扩展I/O口,还可用A/D做按键扫描来节省I/O口，或用双CPU,三线通信，还多了串口。
STC12C5A60S2系列单片机的定时器0/定时器1与传统8051完全兼容，上电复位后，定时器部分缺省还是除12再计数的，而串由定时器1控制速度，所以定时器/串口完全兼容。
增加了独立波特率发生器，省去了传统8052的定时器2，如是用T2做波特率的，则改用独立波特率发生器做波特率发生器既可。
传统8051的111条指令执行速度全面提速，最快的指令快24倍，最慢的指令快3倍。
靠软件延时实现精确延时的程序需要调整。
图2-3STC12C5A60S2单片机引脚图
2.1.2主控系统各部分电路设置
振荡电路用于产生外部时钟和复位电路用于单片机系统的复位，两者是单片机系统最常用的应用，读者可查阅相关应用书籍和资料，本文就不做累述。
系统中的四位共阴数码管用于电机转动度数的显示与设置，当用STC12系列单片机P0口驱动数码管时，需要像8051单片机一样，需加上1K到10K的上拉电阻来加强P0口的驱动能力。
主控系统中的四个按键用于独立控制电机和做测试用；四个发光二极管用于测试，同时也可起到指示的作用。
P1.4口与P1.5口用于发送驱动电机正反转的信号；P1.6口作为A/D数据采集口。
2.1.3下载电路与通信电路介绍
STC12系列的单片机与其他STC系列单片机一样，只需要用过串口线与电脑连接,再借助RS232芯片的转换,最终连到单片机上P3.0（RXD）口与P3.1（TXD）口,即可通过电脑端的STC-ISP软件控制下载"用户程序"到STC单片机上了。
用户可自行选择使用T1，R1或是T2，R2，均能正常下载。
RS232接口就是串口，电脑机箱后方的9芯插座。
计算机与计算机或计算机与终端之间的数据传送可以采用串行通讯和并行通讯二种方式。
由于串行通讯方式具有使用线路少、成本低，特别是在远程传输时，避免了多条线路特性的不一致而被广泛采用。
在串行通讯时，要求通讯双方都采用一个标准接口，使不同的设备可以方便地连接起来进行通讯。
RS-232-C接口（又称EIARS-232-C）是目前最常用的一种串行通讯接口。
它是在1970年由美国电子工业协会（EIA）联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标准。
它的全名是“数据终端设备（DTE）和数据通讯设备（DCE）之间串行二进制数据交换接口技术标准”该标准规定采用一个25个脚的DB25连接器，对连接器的每个引脚的信号内容加以规定，还对各种信号的电平加以规定。
RS-232-C是美国电子工业协会EIA（ElectronicIndustryAssociation）制定的一种串行物理接口标准。
RS是英文“推荐标准”的缩写，232为标识号，C表示修改次数。
RS-232-C总线标准设有25条信号线，包括一个主通道和一个辅助通道，在多数情况下主要使用主通道，对于一般双工通信，仅需几条信号线就可实现，如一条发送线、一条接收线及一条地线。
RS-232-C标准规定的数据传输速率为每秒50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特。
RS-232-C标准规定，驱动器允许有2500pF的电容负载，通信距离将受此电容限制，例如，采用150pF/m的通信电缆时，最大通信距离为15m；若每米电缆的电容量减小，通信距离可以增加。
传输距离短的另一原因是RS-232属单端信号传送，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题，因此一般用于20m以内的通信。
对于一般的双向通信,只需使用串行输入RXD,串行输出TXD和地线GND1RS-232C标准的电平采用负逻辑,规定+3V～+15V之间的任意电平为逻辑“0”电平,-3V～-15V之间的任意电平为逻辑“1”电平,与TTL和CMOS电平是不同的1在接口电路和计算机接口芯片中大都为TTL或CMOS电平,所以在通信时,必须进行电平转换,以便与RS-232C标准的电平匹配1MAX232芯片可以完成电平转换这一工作。
（1）接口的信号内容实际上RS-232-C的25条引线中有许多是很少使用的，在计算机与终端通讯中一般只使用3-9条引线。
RS-232-C最常用的9条引线的信号内容见附表1所示
（2）接口的电气特性在RS-232-C中任何一条信号线的电压均为负逻辑关系。
即：
逻辑“1”，-5～-15V；逻辑“0”+5～+15V。
噪声容限为2V。
即要求接收器能识别低至+3V的信号作为逻辑“0”，高到-3V的信号作为逻辑“1”。
（3）接口的物理结构RS-232-C接口连接器一般使用型号为DB-25的25芯插头座,通常插头在DCE端,插座在DTE端.一些设备与PC机连接的RS-232-C接口,因为不使用对方的传送控制信号,只需三条接口线,即“发送数据”、“接收数据”和“信号地”。
所以采用DB-9的9芯插头座，传输线采用屏蔽双绞线。
（4）传输电缆长度由RS-232C标准规定在码元畸变小于4%的情况下，传输电缆长度应为50英尺，其实这个4%的码元畸变是很保守的，在实际应用中，约有99%的用户是按码元畸变10-20%的范围工作的，所以实际使用中最大距离会远超过50英尺，美国DEC公司曾规定允许码元畸变为10%而得出附表2的实验结果。
其中1号电缆为屏蔽电缆，型号为DECP.NO.9107723内有三对双绞线，每对由22#AWG组成，其外覆以屏蔽网。
2号电缆为不带屏蔽的电缆。
型号为DECP.NO.9105856-04是22#AWG的四芯电缆。
MAX232芯片是MAXIM公司生产的低功耗、单电源双RS232发送/接收器。
适用于各种EIA-232E和V.28/V.24的通信接口。
MAX232芯片内部有一个电源电压变换器,可以把输入的+5V电源变换成RS-232C输出电平所需±10V电压,所以采用此芯片接口的串行通信系统只要单一的+5V电源就可以。
图2-4MAX232芯片管脚图
MAX232外围需要4个电解电容C1、C2、C3、C4,是内部电源转换所需电容。
其取值均为1μF/25V。
宜选用钽电容并且应尽量靠近芯片。
C5为0.1μF的去耦电容。
MAX232的引脚T1IN、T2IN、R1OUT、R2OUT为接TTL/CMOS电平的引脚。
引脚T1OUT、T2OUT、R1IN、R2IN为接RS-232C电平的引脚。
因此TTL/CMOS电平的T1IN、T2IN引脚应接MCS-51的串行发送引脚TXD；R1OUT、R2OUT应接MCS-51的串行接收引脚RXD。
与之对应的RS-232C电平的T1OUT、T2OUT应接PC机的接收端RD；R1IN、R2IN应接PC机的发送端TXD。
MAX232的用法如下：
1.在C1+和C1-两端、C2+和C2-两端、V+和地两端、V-和地两端分别接一个0.1μf（105）电容。
2.可以将两路RS-232C电平转换成两路TTL电平。
分别从R1IN和R2IN输入，对应从T1OUT和T2OUT输出。
注意，输入和输出的逻辑值保持一致，如输入-5V，即逻辑1，输出也是逻辑1，TTL电平为高电平，即3.6V左右。
3.可以将两路TTL电平转换成两路RS-232C电平，分别从T1IN和T2IN输入，对应从R1OUT和R2OUT输出。
同样输入和输出的逻辑值保持一致。
图2-5标准RS-232“D”型插头
本文系统的下载电路如图2-6所示。
图2-6STC系列单片机下载电路
本文设计的系统通信电路主要通过总线驱动芯片MAX485来完成，该电路不仅能用于单片机与计算机的通信，而且能用于单片机与单片机的通信。
MAX485芯片是Maxim公司的一种RS－485芯片。
MAX485采用平衡发送和差分接收方式来实现通信：
在发送端TXD将串行口的TTL电平信号转换成差分信号A、B两路输出，经传输后在接收端将差分信号还原成TTL电平信号。
两条传输线通常使用双绞线，又是差分传输，因此有极强的抗共模干扰的能力，接收灵敏度也相当高。
同时，最大传输速率和最大传输距离也大大提高。
如果以10Kbps速率传输数据时传输距离可达12m，而用100Kbps时传输距离可达1.2km。
如果降低波特率，传输距离还可进一步提高。
另外RS-485实现了多点互连，最多可达256台驱动器和256台接收器，非常便于多器件的连接。
可实现半双工通信。
图2-7为MAX485的引脚配置图。
图2-7MAX485引脚配置图
当要实现计算机与单片机的通信时，一般计算机上需要接上RS-485接口卡，然后再用传输线连接到单片机系统上的MAX485芯片上，最终再与单片机相连。
图2-8单片机与PC机串行通信原理图
在由单片机构成的多机串行通信系统中，一般采用主从式结构：
从机不主动发送命令或数据，一切都由主机控制。
并且在一个多机通信系统中，只有一台单机作为主机，各台从机之间不能相互通讯，即使有信息交换也必须通过主机转发。
采用RS－485构成的多机通讯原理框图，如图2-9所示。
图2-9RS－485构成的多机通讯原理框图
MAX485的RO引脚接到单片机的串口接收引脚RXDP3.0，MAX485的DI引脚接到单片机的串口发送引脚TXDP3.1。
由于MAX485为半双工通信方式，不能同时发送和接收数据，只能通过控制RE和DE引脚的状态来进行发送数据和接收数据的转换。
这里将MAX485的RE和DE引脚连在一起,把他接低电平时MAX485处于接收数据状态，把它高电平（5V）时MAX485则处于发送数据状态。
为了试验方便我们通过硬件连线手动控制其接地或者接5V。
在软件上232通信和MAX485通信是一样的。
A端和B端分别为接收和发送的差分信号端，当A引脚的电平高于B时，代表发送的数据为1；当A的电平低于B端时，代表发送的数据为0，A和B端
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