基于AT89C51单片机的直流电动机转速温度控制器设计（毕业设计论文doc）.docx

1、单片机的直流电动机转速温度控制器设计 毕业设计（论文）论文题目：基于单片机的直流电动机转速温度控制器设计系 别 ： 机 电 系专 业： 应用电子技术班 级 ： 08 应 电 34 学生姓名： 学 号 ： 0801083407 指导老师： 提交时间： 2011 年 1 月 0摘要本文设计了直流电机控制系统的基本方案，阐述了该系统的基本结构、工作原理、运行特性及设计方法。本系统采用DS18B20温度传感器测量电动机的转速，用AT89C51单片机对直流电机的转速进行控制，用L298芯片实现输出模拟电压值来控制直流电动机的转速。通过KEIL软件编写程序，在PROTEUS软件中进行仿真，通过仿真效果来验

2、证设计的可行性、使用性及正确性,并生成PCB和三维效果图。本设计主要研究直流电机转速由温度控制，温度在不同的范围内，电机转速随温度变化而实现正转、停转、反转的效果。通过研究直流电动机的控制和测量方法，从而对电机的控制精度、响应速度以及节约能源等都具有重要的意义。关键词：直流电机 单片机 转速控制 温度40目录前言5第一章 系统的方案论证与分析61.1 设计任务与要求61.2 系统方案的论证与分析71.2.1 主控单片机的方案选择71.2.2 显示方式的方案选择71.2.3 电机模块的方案选择71.2.4 驱动方式的选择8第二章 主要元器件的介绍102.1 主控芯片 AT89C51102.2 温

3、度传感器芯片 DS18B20112.3 液晶显示芯片 LM016L13第三章 电路的功能单元设计153.1 整个设计电路图153.2 液晶显示电路设计163.3 驱动电机电路设计163.4 温度采集电路设计173.5 振荡/复位电路设计18第四章 系统流程图194.1 主程序流程图194.2 显示功能流程图204.3 驱动电路流程图21第五章温度控制直流电机的转速电路及仿真分析225.1 PROTEUS 原理图225.2 电动机停转时电路图235.3 电动机正转时电路图245.4 电动机反转时电路图26结论28参考文献29谢词30附录一 PROTEL 原理图31附录二 PCB 效果图及三维效果

4、图32附录三 程序清单34前言在电气时代的今天，人们的生活水平的提高，空调已经普及到家家户户。时代的进步，新型的空调变频空调也逐渐广泛使用在各个领域。 变频空调是在常规空调的结构上增加了一个变频器。压缩机是空调的心脏,其转速直接影响到空调的使用效率,变频器就是用来控制和调整压缩机转速的控制系统,使之始终处于最佳的转速状态,从而提高能效比(比常规的空调 节能 20%30%)。变频空调具有以下特点： 启动电流小,转速逐渐加快,启动电流是常规空调的1/7；没有忽冷忽热的毛病,因为变频空调是随着温度接近设定温度而逐渐降低转速,逐步达到设定温度并保持与冷量损失相平衡的低频运转,使室内温度保持稳定； 噪声

5、比常规空调低,因为变频空调采用的是双转子压缩机,大大降低了回旋不平衡度,使室外机的振动非常小,约为常规空调的1/2； 制冷、制热的速度比常规空调快12倍。变频空调采用电子膨胀节流技术,微处理器可以根据设置在膨胀阀进出口、压缩机吸气管等多处的温度传感器收集的信息来控制阀门的开启度,以达到快速制冷、制热的目的本设计设计的是直流电机转速由温度控制，采用单片机构成控制系统，由单片机AT80C51作为主控芯片控制整个电路，结合外围的LCD显示、L298驱动、DS18B20温度采集等电路，用C语言编写主控芯片的控制程序，设计了直流变频空调器的心脏-压缩机。该设计实现的功能：1. 温度升高，通过电机加速正转

6、，达到一定温度全速正转；2. 温度降低，通过电机加速反转，低于一定温度全速反转；3. 根据LED灯是否亮来判断此时温度是高、低还是刚好适合。4. 通过液晶显示当前温度。第一章系统方案的论证与分析1.1 设计任务与要求1.1.1 设计任务温度控制直流电动机转速1.1.2 设计要求（1） 、使用AT89C51单片机为核心，使用LCD液晶显示器显示当前温度，温度传感器使用DS18B20，使用L298驱动直流电动机。（2） 、用LCD液晶显示器显示当前温度，当温度在25C 时，直流电动机在L298驱动下加速正转，温度在35C时全速正转，并且LED发光二极管亮； 当温度10C 时，直流电动机加速反转，温

7、度 0C时，直流电动机全速反转， 并且LED发光二极管亮；温度10-25C之间时，直流电动机停止转动，发光二极管均不亮。（3） 、控制程序在Keil软件中编写，编译，整个控制电路在Proteus仿真软件中连接调示。（4） 、生成PCB效果图三维效果图。根据题目中的设计要求，本系统主要由主控单片机模块、电机驱动模块、振荡复位电路、温度采集模块以及液晶显示模块构成。本系统的方框图如图 1-1 所示：振荡复位电路电机L298 电机驱动模块液晶显示模块LED 发光二极管AT89C51主控单片机DS18B20 温度采集模块 图1-1 系统的方框图1.2 系统方案的论证分析1.2.1 主控单片机在单片机控

8、制中，常用的 ATMEL 公司单片机种类有AT89C51、AT89C52、AT89S51、AT89S52，都兼容 MCS-51 单片机。对于AT89C51，是一种带 4K 字节闪存可编程可擦除只读存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能 CMOS 8 位微处理器，1288 位内部 RAM，32 可编程 I/O 线，两个 16 位定时器/计数器，5 个中断源等主要特性。相比而言，AT89C52 有 8K 的 ROM，256B 的 RAM，还增加一个定时器/计数器 2，自然价格比 C51 略高。而相对而言

9、，S 系列的单片机具有在线编程下载（ISP）功能和看门狗，而且运行的速度的最高频率达到33MHZ，使得运行速度更快，自然价格比 C系列的要高 2 元左右。但是当在对电路进行调试时，由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时，S 系列的不需要对芯片多次拔插，节省了调试的时间。综合考虑以上种种因素，由于考虑到产品的成本，在同样能完成我们所要求的功能时，自然会选择相对便宜的 AT89C51，这样更容易把产品推向市场。但是在实验室的的调试中，我们依然可以用 AT89S51，这样就方便了我们的硬件调试，同样降低了开发产品的成本。1.2.2 显示模块（1）采用 LED 数码管LED显示具有硬件电路

10、结构简单、价格便宜、调试方便、软件实现相对容易等优点，但占用单片机IO口太多，而且显示的信息不多。由于我们计划要显示小车运行时间、速度、路程等内容。LED数码管无法显示如此丰富的内容，因此放弃此方案。(2) 采用 LCD 液晶显示采用 LCD 液晶显示。用自带中文字符库的液晶显示模块，显示方便美观， 而且人机交互界面也很友好。采用串口通讯的显示方式，可以大大节省单片机的 IO 口。LCD 液晶具有功耗低、显示内容丰富、清晰，显示信息量大，显示速度较快，界面友好等而得到广泛应用，因此选用此方案。1.2.3 电机模块(1) 采用步进电机采用步进电机作为该系统的驱动电机，由于其转动的角度可以精确定位

11、， 可以实现小车前进距离和位置的精确定位。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。虽然采用步进电机有诸多优点，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。步进电机的输出力矩较低，随转速的升高而下降，且在较高的转速时会急剧下降，其转速较低时不适于

12、小车等对速度有一定要求的系统。因此决定放弃此方案。(2) 采用直流电机采用直流减速电机。直流减速电机转动力矩大，体积小，重量轻，装配简单，使用方便。(一)调速性能好。所谓“调速性能”，是指电动机在一定负载的条件下， 根据需要，人为地改变电动机的转速。直流电动机可以在重负载条件下，实现均匀、平滑的无级调速，而且调速范围较宽。(二)起动力矩大。可以均匀而经济地实现转速调节。因此，凡是在重负载下起动或要求均匀调节转速的机械，都用直流电动机。因此决定采用此方案。1.2.4 电机驱动调速模块小车运行过程中要求电动机的转速在一定范围内调节,调速范围根据负载的要求而定。由公式1n = Ua - IaRaCe

13、fn :电枢转速, U :电机端电压, I :电机端电流,R :电枢电阻, Ce :常数, :每极总磁通可以看出,调速可以有三种方法:（1） 改变电机端电压U,即改变电枢电源电压;（2） 改变磁通,即改变激磁回路的调节电阻Rj以改变激磁电流Ij;（3） 在电枢回路中串联调节电阻Rtj。此时的转速公式2为:n = Ua - Ia(Ra + Rtj )Cef12在实际电路设计中，改变电机的磁通 或调节枢回路中串联调节电阻 Rtj 并不方便、实用。因此，主要选择通过改变电机两端电压的方法来实现电机的调速控制。(1) 采用继电器采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对小车的速度进行调整。这

14、个方案的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间慢、机械结构易损坏，寿命较短、可靠性不高。因此放弃此方案。(2) 采用L298驱动采用由达林顿管组成的H型PWM电路。用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态,精确调整电动机转速。这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下,效率非常高。H型电路保证了可以简单的实现转速和方向的控制。电子开关的速度很快，稳定性也极强，是一种广泛采用的PWM调速技术。L298为SGS-THOMSON Microelectronics所出产的双全桥步进电机专用驱动芯片(DualFull-Bridge Driver) ，可以方便的驱动两个直流电机，或一个两相步进电机。内含二H-Bridge的高电压、大电流双全桥式驱动器，接收标准 TTL逻辑准位信号， 可驱动46V、2A以下的步进电机，输出电压最高可达50V。可以直接通过电源来 调节输出电压，可以直接用单片机的IO口提供信号，而且电路简单，使用比较 方便。PWM脉宽调制实际上就是改变电机端电压的平均值从而进行调速的一种方法。这种方法便于与单片机等数字系统接口，实现方便，而前两种方法必须要配合一定的外围模拟电路才能达到单片机控制目的，基于以上分析, 在电动机驱动模块上拟选定采用PWM脉宽调制方法。选用L298双全桥步进电机专用驱动芯片。因此选用此方案。