完整版带传动试验台单片机控制系统的研究毕业设计.docx

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完整版带传动试验台单片机控制系统的研究毕业设计

华东交通大学理工学院

InstituteofTechnology.

EastChinaJiaotongUniversity

毕业设计

GraduationDesign（Thesis）

（2010—2014年）

题目带传动试验台单片机控制系统的研究

分院：

电气与信息工程分院

专业：

班级：

学号：

学生：

指导教师：

程川川

起讫日期：

2013.12——2014.5

华东交通大学理工学院

毕业设计（论文）原创性申明

本人郑重申明：

所呈交的毕业设计（论文）是本人在导师指导下独立进行的研究工作所取得的研究成果。

设计（论文）中引用他人的文献、数据、图件、资料，均已在设计（论文）中特别加以标注引用，除此之外，本设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。

本人完全意识到本申明的法律后果由本人承担。

毕业设计（论文）作者签名：

日期：

年月日

毕业设计（论文）版权使用授权书

本毕业设计（论文）作者完全了解学院有关保留、使用毕业设计（论文）的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交设计（论文）的复印件和电子版，允许设计（论文）被查阅和借阅。

本人授权华东交通大学理工学院可以将本设计（论文）的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编毕业设计（论文）。

（保密的毕业设计（论文）在解密后适用本授权书）

毕业设计（论文）作者签名：

指导教师签名：

签字日期：

年月日签字日期：

年月日

摘要

电机是现代生产中最重要的拖动设备之一，因其价格低廉、经久耐用、维修容易等优点而得到了广泛应用。

而在现代工业生产中，有一些设备需要根据不同的工作环境，要调节到一个特定的转速，如传动试验台，电梯等。

从而对电机的速度提出了更高的要求，希望一台电机在运行过程中，可以实现运行速度的大小调节，功率、转矩计算等。

故此提出了基于单片机的传动试验台。

美国英特尔公司的一款单片机MCS-51是一个单片机系列，该系列现在非常常用，它集成度高，而且内部自带的功能很全，包括微处理器、RAM、ROM、通用IO口、定时计数器、通信接口、PWM脉冲调制、AD转换电路等等都集成一个芯片上，这些所有的模块在程序的编译下完成很好的调控。

本课题研究了带传动试验台单片机控制系统，详细研究了单片微机控制直流电机调速系统的结构，并设计了相应的控制主板和接口电路，研究了8位单片机的使用特点和技巧，设计了最小系统板和电机的驱动电路，定性分析了变频器的工作原理。

在这个基础上，我们完成了单片机的对直流电机的调速控制，可以很好的控制直流无刷电机的正转、反转、启动、停止、加速、加速等，而且可以在一些反馈量下计算出电机的转矩和运行功率。

采用闭环的PID控制响应速度快，性能好，工作可靠，适应性好。

关键词：

单片机；控制系统；传动试验台；调速；直流电机

ABSTRACT

Motorisoneofthemostimportantdriveequipmentinmodernproduction,duetoitsadvantagesoflowcost,durable,easymaintenanceandwidelyapplied.Inmodernindustrialproduction,therearesomeequipmentneedaccordingtodifferentworkenvironment,toadjusttoaspecificspeed,suchastransmissiontest-bed,elevators,etc.Tomotorspeedputforwardtheprocessofrunningbyanelectricmotor,canrealizespeedregulation,thesizeofthepowerandtorquecalculation,etc.Thereforeputforwardthetransmissiontestbenchbasedonsinglechipmicrocomputer.

In,Amicro-controllerisAsinglechipmicrocomputerMCS-51series,theseriesisnowincommonuse,its,anditselfthefunctioniscomplete,includingmicroprocessor,RAM,ROM,generalIOport,timercounter,communicationinterface,PWMpulsemodulation,ADconversioncircuit,andsoonareintegratedonAchip,theseallmodulesintheprogramcompiledundergoodcontrol.

Thistopicresearchthebelttransmissiontest-bedsingle-chipmicrocomputercontrolsystem,detailedstudyofthestructureofthesinglechipmicrocomputercontroldcmotorspeedcontrolsystem,anddesignthecorrespondingcontrolmainboardandtheinterfacecircuit,8-bitmicro-controllerisstudiedusingtraitsandskills,thedesignoftheminimumsystemboardandmotordrivecircuit,qualitativeanalyzedtheworkingprincipleoftheinverter.Onthisbasis,wefinishedtheMCUofdcmotorspeedregulationcontrol,canverygoodcontrolofthebrushlessdcmotorareturning,inversion,start,stop,speed,accelerationandsoon,butalsoundersomefeedbackquantitytocalculatethepowerandtorqueofthemotorrun.UsingclosedloopPIDcontrolresponsespeed,goodperformance,reliableoperation,goodadaptability.

Keywords:

singlechipcomputer;controlsystem;beltdrivetest-bed;speedregulating;DCmotor

1绪论

1.1带传动及单片机的简介

在两个或者几个带轮中采用传送带的传动方式去拖动其它的不见是一种带传动的机械传动方式。

带传动有比较多的优势，物理结构很简单，所以设计方便；对一些干扰的抗击性较好，不容易出问题；在工作的时候不会有噪音；如果带超大的负荷的时候可以实现自我保护而且传动的方式可以有好多中，包括交叉传动、开口传动等等，鉴于这些优点，所以带传动在好多行业都有很好的应用。

例如，在一些大型的剪切机，因为存在比较大的冲击量，所以动力系统是采用带传动；在一些汽车的变速箱和发动机中也是采用带传动完成动力的传递。

在机械设计中，深入了解这个工作的特性和原理很重要，对以后的设计也很有帮助，本毕业设计就是在单片机的控制下的带传动。

英特尔公司生产的MCS-51单片机是一款高档8位单片机，它的集成度高，功能较全，在控制和开发应用上有很好的特性，特别做在如今的测控领域是一款很好的CPU控制器。

MCS-51单片机又有很多的分类，但是总体上的组成结构和工作原理是相似的。

该系列现在非常常用，它集成度高，而且内部自带的功能很全，包括微处理器、RAM、ROM、通用IO口、定时计数器、通信接口、PWM脉冲调制、AD转换电路等等都集成一个芯片上，这些所有的模块在程序的编译下完成很好的调控。

1.2问题的提出

在如今的现实生活中，自动化控制系统已在各行各业得到广泛的发展和应用，其中自动控制调速系统的使用则有着举足轻重的作用。

即使交流电机相比直流电机而言制造方便、价格便宜、结构简单、维护容易，但是直流电机具有较好的起动和制动性能，方便在大范围内实现平滑的调速，故直流调速系统到现在仍在自动调速系统中占主要形式。

现在电动机的控制从简单走向复杂，并逐渐成熟成为主流。

其应用领域极为广泛，例如：

火炮瞄准、宇航和军事方面的雷达天线、惯性导航等的控制；工业方面有机械印刷、数控机床、工业机器人等设备控制上；计算机外部设备及办公设备中的打印机、传真机、复印机、扫描仪等的控制；音像设备和家用电器中的录音机、数码相机、洗衣机、空调等的控制。

对带传动试验台的基本要求条件为可以虚拟各种工作情况，即负载与转速可以变化，且可以稳定工作；获取实验数据并进行相应的分析和处理。

早期试验台是借助调压器手动控制电机的速度，并且是工作于开环模式；用来模拟负荷的磁力制动作用，它的电流也是通过滑动变阻器进行人工调整。

系统试验过程需要人为去作用，不仅劳动力度大，且控制方式较差，精度低。

采集试验的数据，如用台秤检測压力，人工读数，方式极其粗糙，且无法把压力信号传至控制系统。

为了更好的转向科研教学，需重新设计原试验台控制系统。

1.3国内外发展概况

对于原试验设备的状况落后，本设计对试验台研制是基于应用、推广数字控制计算机技术，增加系统的自动化能力，让试验台的控制系统具有先进性。

基于直流电机的PWM调速系统于70年代中期产生。

最先用于小功率、不可逆驱动，如自动记录仪表、自动跟踪天文望远镜等。

近年来，因晶体管器件制造水平的提升和电路理论的加深，又因出现永磁直流电机宽调速，它们的结合使的PWM技术获得快速发展，促进电气驱动技术达到一个新高度。

在国外，脉冲宽度调制最先是在军事工业和空间技术中使用。

它有优越的功能，可以达到高精度、高速度随动跟踪系统的要求。

近十年，还扩散到民用领域，尤其是广泛应用于机床业、自动生产线和机器人等领域中。

如今，电子技术、计算机技术和电机控制技术相结合的趋势更为明显，使得电机控制以越来越快的脚步前进。

同时伴随市场发展，用户对电机驱动的控制要求更加严格，需要它功能更完善、算法复杂、噪声低，而对于可靠性和稳定运行的要求也越来越高，并且还需要马达匀速向变速改进，同时还要满足全球环保法规的严格标准环境。

我国在电气传动领域的研究速度很快，交流调速的研究速度也相当惊人，磁通控制和直接转矩控制等理论已在实际中使用，它的控制精度也可和直流传动比较，而且在能源利用等方面获得了较好的成效。

在这方面国内的研究虽然也得到了一些效果，但是相比发达国家还有较大距离。

现在多半处在生产过程控制级，且多为单机控制，很难形成集散的计算机控制系统。

在变频调速技术上的使用还不广泛，很多直流传动装置现在还釆用分离的元件作为系统控制，这种水平还有很大的提升空间。

1.4课题研究的意义

本设计的控制系统核心为单片机AT89S51，本文设计了多个实用电路，如单片机主控板、键盘接口、数码显示器接口、压力传感器信号放大及转换接口、直流数字式可调电源等。

软件和硬件虽然只是在本系统下设计，但也可使用于一般的其它控制系统，系统实用性较大。

本控制对象为一个既有机械又有电气的计算机控制装置，满足了现代技科技发展对实验的标准，可以在本试验台上进行综合性的实验，让学生不仅学习机械方面的知识，而且对微机控制原理、计算机控制技术、电子技术等都可以有部分了解，利于培养学生养成机电一体化的思维。

试验台对现场生产的产品生产和质量检测也带有较强的实际意义。

1.5课题主要任务

本设计基于单片机AT89S51开发了一种带传动试验台控制系统，硬件由单片机主控板、键盘接口、LED数码显示接口、测力应变片和测转速光电传感器等接口电路组成,其主要完成的工作有:

检测转矩和转速信号,对测得数据进行初步处理,利用PID算法进行闭环控制,调整交流电动机的转速和磁力制动器的励磁,可实现如下实验：

（1）依据不同的转速条件,控制主动轮转速恒定,调节负载大小,分别测定从动轮和主动轮的转矩和转速;

（2）依据测出的主动轮、从动轮的转矩和转速,计算输入、输出功率和传动的效率;

（3）根据从动轮及主动轮的速度和带轮直径,去算出滑差率;

（4）测试不同初拉力情况下皮带打滑时转矩。

本章小结

本章先介绍了单片机和带传动的概念，而后讲述了本课题问题的提出，接着描述了国内外带传动试验台的单片机控制现状，最后讲述本设计的意义，基于此提出了本课题的设计任务。

2带传动试验台单片机控制的基本原理

2.1带传动设备构造及原理

带传动实验机的结构如图2-1所示。

包括主动轮和从动轮，主动轮通过交流电机带动，而这个电机是转动的，图上只画了电机的外壳，在工作过程中，电机的转子给定子一个反作用力，使得机壳出现反转，这个机壳上有一个固定的测力装置通过触点传到压力传感器，完成一定的操作后可以获得力矩。

从动轮是一个制动器，线圈中在直流电下又一个磁场，而圆盘的转动会切割磁力线，有楞次定律可以知道会有一个反向的力矩，我们只需要改变直流电的大小就可以改变磁场，进而改变力矩达到输出功率的变化。

图2-1带传动试验机结构

阻力矩测试方法与主动轮相同，可由式2.1得到：

（2.1）

式中：

T——轴上力矩

F——带传动的有效圆周力

D——带轮直径

Q——加载后荷载值的读数

Q0——加载前荷载值的读数

L0——旋转中心至触点的距离

假设有张紧力的作用，也就是说主动轮安装在有滚动的导轨底座上面，如果要获得需要的作用力，只需要把吊重和轮滑的带拉筋，改变吊重就可以完成不同的预紧力作用。

其对应关系为：

（2.2）

式中：

W——吊重

δ——初应力，一般带传动为1.5~1.8Mpa

A——带的横断面积

α——带轮角

从动和主动轮都可以在光电传感器的情况下获得转速。

如果主动轮和从动轮有相同的轮径而且没有相互滑动，就可以由下式计算工作效率：

（2.3）

式中：

η——传动效率

P1——输入功率

P2——输出功率

T1——输入转矩

T2——输出转矩

n1——主动轮转速

n2——从动轮转速

传动轮直径相同时，滑动率可用下式计算：

（2.4）

式中：

ε——滑动率

v1——主动轮线速度

v2——从动轮线速度

2.2直流电机调速

直流电动机的调速有三种方法：

（1）改变电枢供电电压U。

改变电枢电压时，要使电枢电压从额定电压往下降低，从电动机额定转速向下变速，这种调速方法保证转矩不变。

如果系统要求在一定范围内无级平滑调速，这种是最好的方法。

变化的时间常数较小，能快速响应。

（2）调节电动机主磁通。

调节磁通可以使无级平滑调速得以实现，但只能减弱磁通进行调速（简称弱磁调速），从电机额定转速向上调速，这种调速方法保证功率不变。

变化时间的时间常数比变化的相要大得多，所需电源容量，小但响应速度较慢。

（3）调节电枢回路电阻。

这种调速的方法在电动机电枢回路外串电阻，所需设备简单，操作也较为方便。

缺点是只能进行有级调速，机械特性较软，调速平滑性差；空载时会在调速电阻上消耗大量电能；还几乎没什么调速作用。

这三种调速方法各自有优缺点，电阻调速缺点尤为明显，因此，自动控制的直流调速系统一般以调压调速为主，必要时把弱磁调速和调压调速两种方法配合起来使用。

2.3单片机原理

2.3.1MCS-51单片机硬件结构

图2-2MCS-51单片机内部结构图

英特尔公司生产的MCS-51单片机是一款高档8位单片机，它的集成度高，功能较全，在控制和开发应用上有很好的特性，特别做在如今的测控领域是一款很好的CPU控制器。

MCS-51单片机又有很多的分类，但是总体上的组成结构和工作原理是相似的。

其基本机构如图2-2所示:

（1）中央处理器为8位单片机内部设计主要完成累加器ACC、算数逻辑运算ALU、程序状态寄存器PSW、堆栈指针SP、寄存器、数据指正DPTR、指令存储器、暂存器TMP等，CPU的运算内部又包括一个特殊的位数据处理布尔处理机，添加了面向控制的处理能力，可以完成独立的位寻址。

（2）全双工运行的IO接口双工串口运行有四种工作方式，它是为了完成单片机和其它工控机的相互通信，构成一个只能系统。

（3）中断系统单片机包含5个中断级别系统，包括2个可编程改写的中断系统，可以用于外部中断请求，串行通信中的中断设置和定时中断请求。

（4）16位的定时计数器两个单片机内部集成了两个16的定时或者计数器T0、T1，而每个定时器又包括4种不同的工作方式用于用户的选择，可以完成精确的定时或延时控制，计数器可以完成外部脉冲的计数。

（5）唯一的+5V供电电源通过一个低电压供电，完成片内正当器与定时电路，工作的频率最高也可以达到12MHZ。

（6）可寻址的片内程序和数据存储器片内还可以扩展64K的程序及数据存储器

从这些特性可以知道，单片机的基本组成结构和一般的微型计算机类似，它的硬件结构功能完备，只不过是吧计算机的一些工恩呢该集成在一块小芯片上，还可以实现某些特定作用的CPU。

2.3.2MCS-51单片机引脚功能

MCS51型号的单片机都是40引脚，但是封装有直插式和贴片式，制造方式为高密度沟道MOS工艺，40个引脚中有32个IO引脚口，可以单独使用，也可以并行使用，课分别作为数据、地址线和IO，还有4个控制信号，2个时钟引脚，电源供电和地。

其引脚功能如图2-3所示：

（1）IO口引脚P0.0～P0.7P0口8位双向口线（在引脚的32～39号端子），是8位漏极开路的三态双向IO端口，如果使用外部的存储器，那么这个口既可以作为地址总线由可以作为数据总线，可以驱动8个LS型TTL负载。

P0口有三个功能:

①如果使用外部存储器时，作为数据总线②使用外部存储器时，作为地址总线③做扩展时，可当做一般的IO使用，因为驱动能力不够，所以需要加上拉电阻。

图2-3直插式芯片图

P1口：

P1.0～P1.7P1口8位双向口线对应引脚的1～8号，它的内部自带上拉电阻，是一个单一功能的IO端口，可驱动4个LS型TTL负载。

P2口：

P2.0～P2.7P2口8位双向口线对应引脚的21～28号，内部也自带上拉电阻的，用于扩展时，是地址的高8位，如果不扩展，就可当做常用的输入输出口，可驱动4个LS型TTL负载。

P3口：

P3.0～P3.7P3口8位双向口线对应引脚的10～17号，是内部自带上拉电阻的8位双向IO口，双功能复用口。

（2）控制引脚ALE:

ALE是一个地址锁存控制信号，正常作用使输出为一个脉冲；是这个功能对应的另一个引脚，在程序编写时，这个引脚会有一定脉冲。

：

在采用外部的程序存储器的时候的一个选择读或者通的信号，电平为0时有效。

一个机器周期中，这个端口的信号变化两次，使用片内的资源的话这个端口无效。

（3）时钟引脚单片机的18,19引脚是时钟引脚，这两个引脚通过外接晶振和片内的一个方向放大器构成一个晶体振荡器，产生的振荡信号为单片运行提供时钟。

XTAL1：

18引脚，是晶体振荡器的反相输入端；

XTAL2：

19引脚，是外接晶体振荡器的同向输入端，与18引脚构成一个完整的电路。

（4）电源引脚电源引脚是单片机的20和40引脚，分别对应地和VCC。

：

正常运行时的电源，接+5V。

：

电源地线，接地端。

2.4力矩检测原理

本系统通过压力传感器测量力矩，如果知道了动力距和阻力距那么就可以算出试验台的效率了。

我们通过杠杆原理去测量力矩，压力使得压力应变片发生形变，检测得到的电信号经过电路放大处理后通过AD转换送给单片机，把这个力和测量物体的长度相城就可以获得力矩。

由于压力的变化中应变片的变化量很小，使得产生的电阻变化很小，所以如果采用一般的测量电路，很难测量准确，所以这里为了获得一个好的测量效果，采用电桥测量，这种测量电路不仅结构简洁，而且测量的精确度也高，测量范围也比较宽，还有较高的线性，关键是可以完成温度补偿，所以在很多场合都有应用。

系统中使用的电桥为等臂电桥，如图2-4所示，没有动作前四个电阻都是相等的买这个时候得到的输出电压为零。

图2-4直流电桥结构

桥路补偿法利用电桥的和、差原理来达到补偿的目的，下面说明双丝半桥式补偿的原理。

如图2-5所示：

图2-5直流电桥结构

电阻RB是一个敏感栅，它是是由同符号电阻温度系数的两种合金串接而成：

而且栅的两部分电阻R1和R2分别接入电桥的相邻两臂上：

工作栅R1尽接入电桥工作背，补偿栅R2串接电阻RB（不敏感温度影响）后接入电桥补偿臂；另两臂照例接入平衡电阻R3和R4。

如果温度发生变化，两个桥臂的补偿能量是差不多的，这就完成了补偿功能。

（2.5）

而外接补偿电阻为：

（2.6）

式中，ε1t、ε2t分别为工作栅和补偿栅的热输出。

2.5控制系统总体方案的确定

根据试验要求，应在给定转速和负载的条件下测试相关数据。

因此保证转速和负载恒定是本课题的研究重点。

2.5.1控制方式的选择

从控制方式研究，一般现在的控制方式包括模拟控制和数字控制，模拟控制由于控制的稳定性而得到应用，同时其控制对象也是模拟的；数字控制有其特别的作用，那就是可以通过程序设计需要的功能，灵活性很强，而且控制很方便，但是会引入离散的变量。

数字控制方式采用的是数字信号，温度影响很小，不会出现零点飘逸的现象，外围硬件很好，只需要少量的硬件就可以完成多种作用，而且很容易改变，大部分功能是采用软件完成，因为单片机的控制速度很快，精确度高，所以可以完成很好的计算和存储工恩呢该，而且在显示界面和键盘控制上很好完成，通讯也也很容易实现。

而模拟设备由于硬件复杂，修改困难，使用很少。

综合以上原因，这里我们采用数字控制的方式。

2.5.2系统功能说明

本系统是采用单片机的控制系统，完成了一个闭环系统控制，按照一定的控制算法完成了带传动试验台的控制，采用矩阵式的键盘完成了多个按键的功能，通过程序可以很容易的修改各个按键的作用，也可以通过无线设备完成远程控制；采用液晶显示器完成传动台的工作状态显示，可以很好的完成转矩，速度、效率、位置等的显示；检测装置主要是完成两个轮子速度的检测，然后获得转矩，通过一定的设备送入单片机进行数据处理，当然对于电机调速，中间还需要一个变频器，完成电机的调速信号控制。

本章小结

本章主要介绍了带传动试验台单片机控制的基本原理，首先介绍了带传动试验台的基本结构和工作原理，然后简单说明了直流电机和转矩测量原理，包括直流电机的实际结构已经原理结构图本章也详细MCS-51单片机，最后对系统方案进行设计，采用闭环PID控制。

3系统硬件设计

3.1单片机最小系统

硬件电路设计框图