微机原理与接口技术课程设计报告直流电机控制

信息科学与技术学院信息科学与技术学院微机原理与接口技术微机原理与接口技术课程设计报告课程设计报告课题名称：课题名称： 直流电机控制直流电机控制 学生姓名：学生姓名： 王亚丽王亚丽 学学 号：号： 20090822072009082207 专业年级：专业年级： 计算机科学与技术计算机科学与技术 0909 级级 班班 级：级： 二班二班 指导教师：指导教师： 周涛周涛 完成时间：完成时间： 2012-01-12 目 录1.直流电机控制系统概述.11.1 系统描述 .11.2 直流电机概述 .22.题目及要求.22.1 题目 .22.2 要求 .23 直流电机功能设计及描述 .33.1 直流电机的介绍 .33.1.1 直流电机的结构.33.1.2 直流电机的工作原理.33.1.3 直流电机主要技术参数.43.1.4 直流电机的特点.43.1.5 直流电机的用途.53.2 数码管转速显示 .53.3 电动机驱动电路设计 .53.4 控制直流电机的状态 .63.5 模块流程 .64.总体方案设计.74.1 设计思路 .74.2 设计原理 .84.3 运行环境 .84.4 详细设计 .84.4.1 所需元件及功能 .85.直流电动机调速控制电路仿真.95.1 原理图布局 .95.2 运行结果图 .106.总结.127.参考文献.128.源代码.121.1.直流电机控制系统概述直流电机控制系统概述1.11.1 系统描述系统描述本次直流电机控制系统的设计主要功能是实现电机的启动停止以及正转和反转，并通过数码管来显示。为实现系统的微机控制，采用了 Proteus7.8 仿真软件及程序编程来实现对电动机控制。1.21.2 直流电机概述直流电机概述直流电机就是将直流电能转换成机械能(直流电动机)或将机械能转换成直流电能(直流发电机)的旋转电机。直流电机的结构应由定子和转子两大部分组成。直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢，由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成。 简单控制是指对电动机进 行启动，制动，正反转控制和顺序控制。这类控制容易实现，并可通单片机，直 流电机驱动芯片和开关元件来实现，所以本课题采用此法。同时考虑到以前的直 流电机只能通过数码管来进行简单地显示转速，且不能清楚的了解其转向，而 LCD 液晶显示器可以弥补这一点，并且还添加一些更为人性化的提示，这是以 前的数码管所不能代替的，这必将是一个新的趋势。 2.2.题目及要求题目及要求2.12.1 题目题目直流电机控制直流电机控制2.22.2 要求要求1）可控制启动停止 2）可实时控制高速低速运行状态 3）数码管显示运行状态 4）扩展功能：可控制转动方向3 3 直流电机功能设计及描述直流电机功能设计及描述3.13.1 直流电机的介绍直流电机的介绍3.1.13.1.1 直流电机的结构直流电机的结构直流电机，定义输出或输入为直流电能的旋转电机，它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。当它作电动机运行时是直流电动机，将电能转换为机械能；作发电机运行时是直流电动机，将机械能转换为电能。直流电机的结构应由定子和转子两大部分组成。直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转轴和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢，由转轴、电枢铁心、电枢绕组换向器和风扇等组成。3.1.23.1.2 直流电机的工作原理直流电机的工作原理直流电机电路模型，磁极 N、S 间装着一个可以转动的铁磁圆柱体，圆柱体的表面上固定着一个线圈。当线圈中流过电流时，线圈受到电磁力作用，从而产生旋转。根据左手定则可知，当流过线圈中电流改变方向时，线圈的受方向也将改变，因此通过改变线圈电路的方向实现改变电机的方向。 图图 3.13.1 直流电动机电路模型直流电动机电路模型3.1.33.1.3 直流电机主要技术参数直流电机主要技术参数直流电机的主要额定值有：额定功率 Pn：在额定电流和电压下，电机的负载能力。额定电压 Ue：长期运行的最高电压。 额定电流 Ie：长期运行的最大电流。额定转速 n：单位时间内的电机转动快慢。以 r/min 为单位。 励磁电流 If：施加到电极线圈上的电流。3.1.43.1.4 直流电机的特点直流电机的特点（1）直流发电机的电势波形较好，对电磁干扰的影响小。（2）直流电动机的调速范围宽，调速特性平滑，可实现频繁的无极快速启动制动和反转。（3）直流电动机过载能力较强，启动和制动较距较大。（4）易于控制，可靠性高。+AB-abcdNS图图1 1. .1 1 直直流流电电机机工工作作（5）由于存在换向器，其制造复杂，价格较高；运行时由于电刷与换向器之间容易产生火花，因而可靠性较差，维护比较困难。3.1.53.1.5 直流电机的用途直流电机的用途由于直流电机具有良好的启动和调速性能，常应用于对启动和调速有较高要求的场合。3.23.2 数码管转速显示数码管转速显示LED 数码管（LED Segment Displays）是由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件，引线已在内部连接完成，只需引出它们的各个笔划，公共电极。数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数字，因此根据数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。 静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的 I/O 端口进行驱动，或者使用如 BCD 码二-十进制译码器译码进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用 I/O 端口多，如驱动 5个数码管静态显示则需要 58=40 根 I/O 端口来驱动，要知道一个 89S51 单片机可用的 I/O 端口才 32 个呢：） ，实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动，增加了硬件电路的复杂性。 3.33.3 电动机驱动电路设计电动机驱动电路设计直流电动机调速的驱动电路部分，选择采用基于L298的直流电动机PWM调速方法。PWM调速装置是利用大功率晶体管的开关特性来调制固定电压的直流电源，按一个固定的频率来接通和断开 ，并根据需要来调节一个周期内接通和断开的时间的长短，通过改变直流电动机上电枢电压的占空比来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速。在整个PWM调速器中，CPU既是运算处理中心，又是控制中心，是最关键的器件。3.43.4 控制直流电机控制直流电机的状态的状态（1）通过正转或者反转按钮启动直流电机。（2）通过停止按钮停止直流电机。（3）通过减速按钮降低直流电机的转速3.53.5 模块流程模块流程启动电机停止开始减速数码管显示加速电动机停止转动4.4.总体方案设计总体方案设计4.14.1 设计思路设计思路 1）通过按键改变电动机的启动与停止,当启动后再由按键选择工作方式.2）通过改变 pwm 的极性从而改变电机的转向，实现正反转3）能够通过数码显示管显示电机的转速和电机的转向4）能够通过键盘快速达到电机预先设定的速度和转向 4.24.2 设计原理设计原理 本次直流电机控制系统的设计主要功能是 Proteus7.8 仿真软件和程序的编写来实现电机的启动停止以及正转和反转，并将结果通过数码管来显示。直流电机以 8086 为控制中心,8255 及电机驱动模块组成。 4.34.3 运行环境运行环境 装有 Windows XP 系统的 PC 机一台。 装有能运行 C 语言的Visual6.0 软件和能进行电路仿真Proteus7.8。4.44.4 详细设计详细设计 根据直流电机的工作原理，从 PROTEUS 选取元器件如下，放置元器件、放置电源和地连线，据此设计的直流电机驱动模块电路如图本次课程设计采用proteus7.8 软件进行仿真电路的设计与制作。它不仅具有其它 EDA 工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。此次课程设计主要用到 Proteus7.8 软件的原理图布局和电器电路仿真。4.4.14.4.1 所需元件及功能所需元件及功能（1）8255A：能并行传送 8 位数据，所以其数据线为 8 根 D0D7。由于 8255具有 3 个通道 A、B、C，所以只要两根地址线就能寻址 A、B、C 口及控制寄存器，故地址线为两根 A0A1。有 3 个通道 A、B、C 与外设连接，每个通道又有 8 根线与外设连接，所以 8255 可以用 24 根线与外设连接，若进行开关量控制，则 8255 可同时控制 24 路开关。（2）8086：16 位微处理器，16 根数据线和 20 根地址线，它既能处理 16 位数据，也能处理 8 位数据。（3）74HC373：是三态输出的八 D 透明锁存器, 它的输出端 O0O7 可直接与总线相连。 当三态允许控制端 OE 为低电平时，O0O7 为正常逻辑状态，驱动负载.当 OE 为高电平时，O0O7 呈高阻态，即不驱动总线，也不为总线的负载.但锁存器内部的逻辑操作不受影响.当锁存允许端 LE 为高电平时，O 随数据 D 而变.当 LE 为低电平时，O 被锁存在已建立的数据电平. 当 LE 端施密特触发器的输入滞后作用，使交流和直流噪声抗扰度被改善. 5.5.直流电动机调速控制电路仿真直流电动机调速控制电路仿真本次课程设计采用proteus7.7软件进行仿真电路的设计与制作。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。此次课程设计主要用到proteus软件的原理图布局和电器电路仿真。5.15.1 原理图布局原理图布局此次设计的完整电路图包括矩阵式键盘部分，数码管数字显示，电动机的PWM调速控制以及整个电路设计中的核心芯片8255A和8086芯片。图5-1直流电动机速度控制原理图布局5.25.2 运行结果图运行结果图图5-2 直流电动机速度控制仿真效果（顺时针转）图5-3 直流电动机速度控制仿真效果（逆时针转）图5-4 直流电动机速度控制仿真效果（停止运行）图5-5 直流电动机速度控制仿真效果（低速运行） 6.6.总结总结通过本次课程设计，加深了对计算机控制技术中许多芯片的认识和理解，对其应用有了更深沉的了解，在对电路进行原理图布局和仿真的过程中，使用了仿真软件 Proteus7.8，对其基本用法和一些扩展功能有所了解。在以后的电路仿真中或用到此次课程设计所积累的经验。可以连接比较简单的数码管显示电路，课程设计是培养学我们综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对我们实际工作能力的具体训练和考察过程.。从中学到很多的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过 程中，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的很多的不足，自己知识的很多漏洞，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。感激学校让我有这次学习设计的机会，让我受益匪浅，这次学习对于我们没有真正实践经验的同学来说，绝对是一次成长的机会。7.7.参考文献参考文献1 戴梅萼，史嘉权编著，微型计算机技术及应用（第四版） 清华大学出版社2 沈美明，温冬婵编著，IBM-PC 汇编语言程序设计（第二版）清华大学出版社8.8.源代码源代码CODE SEGMENT CODE ASSUME CS:CODE,SS:STACK,DS:DATA IOCONEQU 8006HIOA EQU 8000HIOB EQU 8002HIOC EQU 8004HSTART: MOV AX, DATA MOV DS, AX MOV AX, STACK MOV SS, AX MOV AX, TOP MOV SP, AX TEST_BU:MOV AL,82H MOV DX,IOCON OUT DX,AL ;控制字设置 ab 端口为 0 方式下 NOP NOP CALL STOPM1: MOV AL,11000111BMOV DX,IOCOUT DX,ALMOV DX,IOAMOV AL,0FEHOUT DX,ALMOV AL,0FCHOUT DX,ALCALL DELAYMOV DX,IOBIN AL,DXTEST AL,01HJE MOT1TEST AL,02HJE MOT2TEST AL,04HJE STOPJMP M1M2: MOV AL,11000111BMOV DX,IOCOUT DX,ALMOV DX,IOAMOV AL,0FDHOUT DX,ALMOV AL,0FCHOUT DX,ALCALL DELAYMOV DX,IOBIN AL,DXTEST AL,01HJE MOT1TEST AL,02HJE MOT2TEST AL,04HJE STOPJMP M2STOP:MOV AL,10010010B ;输出 sMOV DX,IOCOUT DX,ALMOV DX,IOAMOV AL,0FCHOUT DX,ALCALL DELAYMOV DX,IOBIN AL,DXTEST AL,01HJE MOT1TEST AL,02HJE MOT2CALL DELAYJMP STOP MOT1: MOV DX,IOAMOV AL,0FEH OUT DX,AL;往 a 端口中输出 1111 1110 使电机逆时针转 MOV AL,11000000BMOV DX,IOCOUT DX,ALCALL DELAYMOV DX,IOBIN AL,DX ;从 b 端口中读入数据TEST AL,08HJE M1TEST AL,04HJE STOPTEST AL,02H;测试是否等于 0000 0010 即按下了顺时针按钮JE MOT2;如果是按下顺时针按钮，跳转到 mot2CALL DELAY JMP MOT1 MOT2: MOV DX,IOAMOV AL,0FDHOUT DX,AL;向 a 端口中输出 1111 1101 使电机顺时针旋转MOV AL,11111001BMOV DX,IOCOUT DX,AL CALL DELAYMOV DX,IOBIN AL,DXTEST AL,08HJE M2TEST AL,04HJE STOPTEST AL,01H;从 b 端口中读入数据测试是否为 0000 0001JE MOT1;如果是则跳转到 mot1 进行逆时针旋转CALL DELAY JMP MOT2 DELAY: PUSH CXMOV CX,0FHDELAY1:NOPNOPNOPNOPLOOP DELAY1POP CXRETCODE ENDS STACK SEGMENT STACKSTA DB 100 DUP(?)TOP EQU LENGTH STASTACK ENDS DATA SEGMENT DATADATA ENDS END START