直流电机控制系统的设计.docx

目录引言21 设计系统意义及要求31.1设计意义31.2 设计要求32 总体设计方案32.1 系统方案32.2系统框图32.3 PWM控制电机转速42.4驱动电路选择42.5程序设计43 电路模块设计63.1 设计总图63.2 单片机AT89C5263.3 复位电路和时钟电路73.4 输入开关电路83.5 四位数码管电路93.6 LED灯电路93.7 直流电机驱动电路104 仿真结果115 设计体会15参考文献16直流电机控制系统的设计引言电动机是把电能转换成机械能的一种设备。它是利用通电线圈（也就是定子绕组）产生旋转磁场并作用于转子（如鼠笼式闭合铝框）形成磁电动力旋转扭矩。电动机按使用电源不同分为直流电动机和交流电动机。 电力系统中的电动机大部分是交流电机。 电动机主要由定子与转子组成，通电导线在磁场中受力运动的方向跟电流方向和磁感线（磁场方向）方向有关。电动机工作原理是磁场对电流受力的作用，使电动机转动。电动机的调速方法很多，能适应不同生产机械速度变化的要求。一般电动机调速时其输出功率会随转速而变化。从能量消耗的角度看，调速大致可分两种 ： 保持输入功率不变。通过改变调速装置的能量消耗，调节输出功率以调节电动机的转速。控制电动机输入功率以调节电动机的转速。电机、电动机、制动电机、变频电机、调速电机、三相异步电动机、高压电机、多速电机、双速电机和防爆电机。1 设计系统意义及要求1.1设计意义运用电路基础、单片机原理、电机拖动等相关知识采用Protues仿真软件设计直流电机控制系统， 实现了直流电机的启动/停止、正传、反转、加速、减速等控制功能，为我们在日常生活中直流电机的运用提供了更多保障，同时巩固了我所学习的相关知识及protues软件的使用，我更加熟悉了各种专业知识的结合，使所学知识形成一个整体。1.2 设计要求设计一个直流伺服电机电机控制系统，采用PWM控制电机转速，采用桥式驱动控制转向，对LED接口进行设计，描述系统软件流程及各程序模块设计并用仿真演示。2 总体设计方案2.1 系统方案这个控制系统以AT89C52单片机为核心，以5个按钮作为控制输入端来控制直流电机的启动/停止、正转、反转、加速、减速。在设计中，采用PWM技术对电机进行控制。2.2系统框图驱动电路直流电机LED灯数码管AT89C52输入模块复位电路和时钟电路该直流电机控制系统的设计，在总体上大致可分为以下几个部分组成： AT89C52单片机，输入模块，复位电路和时钟电路，四位数码管，驱动电路，直流电机。图2.1系统框图2.3 PWM控制电机转速PWM是通过控制固定电压的直流电源开关频率，从而改变负载两端的电压，进而达到控制要求的一种电压调整方法。PWM可以应用在许多方面，如电机调速、温度控制、压力控制等。在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速。因此，PWM又被称为“开关驱动装置”。在脉冲作用下，当电机通电时，速度增加；电机断电时，速度逐渐减少。只要按一定规律，改变通、断电的时间，即可让电机转速得到控制。当我们改变占空比时，可以得到不同的电机平均速度，从而达到调速的目的。2.4驱动电路选择L298芯片的驱动能力强,外围电路简单,故本设计中采用驱动芯片L298驱动直流电机。2.5程序设计本设计采用Keil uVision4软件进行编程和编译。操作流程如下：(1) 创建一个项目，从器件库中选择目标器件，配置工具设置；(2) 用C语言创建源程序并编译；(3) 修改源程序中的错误；(4) 用项目管理器生成应用；(5) 测试，连接应用。利用P3口，编制程序输出一串脉冲，经放大后驱动直流电机，改变输出脉冲的电平的持续时间，达到使电机正转、反转、停止、加速、减速等目的。由软件编程从P3.0/P3.1管脚产生PWM信号，经驱动电路输出给电机，从而控制电机得电与失电。软件采用延时法进行设计。单片机上电后，系统进入准备状态。按动正转按钮后，根据P3.0为高电平时实现电机正转，P3.1为高电平时实现电机反转。根据不同的加减速按钮，调整P3.0/P3.1输出高低电平时的有效值，进而控制电机的加减速。停止键盘扫描是否有键按下开始正转反转加速减速NY图2.2主程序流程图3 电路模块设计 3.1 设计总图图3.1设计总图3.2 单片机AT89C52AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出(I/O)端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2 个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的 Flash存储器可有效地降低开发成本。图3.2单片机AT89C523.3 复位电路和时钟电路复位电路和时钟电路是维持单片机最小系统运行的基本模块，复位电路通常分为两种：上电复位和手动复位。有时系统在运行过程中出现程序跑飞的情况，在程序开发过程中，经常需要手动复位，所以本次设计选用手动复位。如图3.3。图3.3复位电路和时钟电路3.4 输入开关电路将P1口作为本设计的输入口。K0-K2做为通电方式选择键，其中K0为启动/停止控制开关，接P1.0。K1为正转开关，接P1.1。K2为反转开关,接P1.2。K4为加速开关，接P1.3。K5为减速开关，接P1.4。将五个开关并联接地。如图3.4。 图3.4输入开关电路3.5 四位数码管电路四位数码管用于显示电机转动速度。本设计中将AT89C52的P0口作为思维数码管的输入口。因为P0口用作输出口时，来自CPU的“写”脉冲加在D锁存器的CP端，内部总线上的数据写入D锁存器，并由引脚P0.x输出，当D锁存器为1时，Q非端为0，下方场效应管截止，输出为漏极开路，此时必须外加上拉电阻才能有高电平输出，所以数码管电路中外加了上拉电阻R4-R10。数码管A-G口分别接单片机P0.0-P0.6口。数码管1-4口采用标号模式接单片机P2.0-P2.3口。如图3.5。图3.5四位数码管电路3.6 LED灯电路直流电机正转时黄灯亮，反转时绿灯亮，不转时红灯亮。本设计的LED灯电路接AT89C52的P2口。由于P2口内部有30K左右的上拉电阻，如果高电平输出，则强行从P2口输出的电流会造成单片机端口的损坏；如果端口引脚为低电平，能使电流从单片机的外部流入内部，则将大大增加留过的电流值。所以当P2口驱动LED发光二极管时采用低电平驱动，加入电阻R1-R3及外接电源+5V。如图3.6。图3.6 LED灯电路3.7 直流电机驱动电路本设计的直流电机驱动电路接AT89C52的P3口。由于单片机P3口输出的电压最高才有5V，难以直接驱动直流电机。所以采用恒压恒流桥式2A驱动芯片L298来驱动电机。L298可接受标准TTL逻辑电平信号，可接4.57V电压。4脚接电源电压，电压范围+2.546V。输出电流可达2.5A，可驱动电感性负载。1脚和15脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻，形成电流传感信号。L298可驱动2个电动机，OUT1,OUT2和OUT3,OUT4之间可分别接电动机。本设计选用驱动一台直流电机。5，7，10，12脚接输入控制电平，控制直流电机的正反转。同时需要加四个二极管在电机的两端，防止电机反转的时候产生强大的冲击电流烧坏电机。图3.7直流电机驱动电路4 仿真结果按下K0按钮后系统启动。按下K1，直流电机开始正常正转,黄灯亮。图4.1正常正转图4.2正转黄灯亮接着按下K4，直流电机开始加速正转。图4.3加速正转如果在正常正转下按下K5，直流电机开始减速正转。图4.4减速正转按下K0直流电机开始减速至停止转动，红灯亮。图4.5停止转动图4.6停转红灯亮若启动后按下K2，直流电机开始正常反转，绿灯亮。图4.7 正常反转图4.8反转绿灯亮接着按下K4，直流电机开始加速反转。图4.9 加速反转如果在正常反转下按下K5，直流电机开始减速反转。图4.10减速反转按下K0直流电机开始减速至停止转动。图4.11停止转动图4.12停转红灯亮5 设计体会在本次计算机控制技术课内实践中，我综合运用目前所学的单片机原理、计算机控制技术、模拟电子技术基础等专业基础课知识及Keil编程软件、Protues仿真软件，完成了本次课题的设计，能符合设计要求。通过解决设计过程中出现的问题提高了我发现问题、分析问题和解决问题的能力，使理论知识更好地与实践相结合。相比以前单纯的理论知识，课内实践更能激发我对专业知识的学习热情，在研究分析并设计课题的过程中，通过查阅书本资料，通过网络查询，通过询问老师与同学等方式解决了许多设计过程中遇到的问题，巩固了我对各学科知识的学习方法和渠道。在课内实践开始前我感觉比较难，当我开始构思设计后，的确发现课内实践需要努力思考分析并实践才能做出结果。在设计过程中，通过书籍、网络等方式查阅设计所需的各种资料。控制系统仿真过程也是一个学习且运用的过程，通过这次课内实践的控制系统仿真，我能更加熟练地使keil编程软件和Protues仿真软件，对以后的学习、工作有很大帮助。通过本次课内实践，我对目前所学专业课程书中出现的知识有了更深层次的了解，比如设计四位数码管显示电路、P1-P3口驱动LED发光二极管应采用低电平驱动、直流电机驱动电路等。同时，我在思想观念和学习态度上也有很大改变，以前认为书本上的知识主要是用来考试的，而现在我还明白了书中知识在生产、生活中的实践应用，这些应用为今后构建智能化社会提供了有力保障。本次课内实践让我收获很多，十分感谢教学安排的这次课内实践，也十分感谢老师的指导和同学的帮助。参考文献1张毅刚.单片机原理与应用.(第二版).高等教育出版社.20102于海生.计算机控制技术.机械工业出版社.20113郭天祥.新概念51单片机C语言教程.电子工业出版社.20094杨兴姚.电动机调速的原理及系统.北京:北京水利电力出版社,20035王小明.电动机的单片机控制.北京:北京航空航天大学出版社,20027周润景.基于PROTEUS的电路及单片机系统设计与仿真M.北京：北京航空航天出版社，2006