微型直流电机控制系统设计
目 录
1 绪论 . ................................................................... 错误!未定义书签。
1.1 课题背景 .................................................................................... 错误!未定义书签。
1.2 课题要求 ...................................................................................................................... 1 2 方案论证 ......................................................................................................................... 2
2.1 系统组成 . ....................................................................................................................... 2
2.2 单片机选型 .................................................................................................................... 2
2.3 驱动方案论证 ................................................................................................................ 2
2.4 监测方案论证 ................................................................................................................ 4
2.5 人机接口方案 ................................................................................................................ 5 3 硬件设计 ......................................................................................................................... 5
3.1 单片机最小系统设计 ................................................................................................... 5
3.2 I/O分配 . .......................................................................................................................... 6
3.3 驱动电路设计 ................................................................................................................ 7
3.4 转速检测电路设计 ........................................................................................................ 8
3.5 人机接口电路设计 ........................................................................................................ 9 4 软件设计 ....................................................................................... 错误!未定义书签。
4.1 主程序流程 .................................................................................. 错误!未定义书签。
4.2 按键扫描子程序流程 .................................................................. 错误!未定义书签。 5 问题与分析 ................................................................................ 错误!未定义书签。2
5.1 设计问题 . ..................................................................................... 错误!未定义书签。
5.2 答辩问题 . ..................................................................................... 错误!未定义书签。 参考文献............................................................................................. 错误!未定义书签。 附录一(原理图) ........................................................................ 错误!未定义书签。 附录二(程序清单)............................................................................... 16 附录三(器件清单)............................................................................... 18
1 绪论
现代工业生产中,电动机是主要的驱动设备,目前在直流电动机拖动系统中已大量采用晶闸管(即可控硅) 装置向电动机供电的KZ —D 拖动系统,取代了笨重的发电动一电动机的F —D 系统,又伴随着电子技术的高度发展,促使直流电机调速逐步从模拟化向数字化转变,特别是单片机技术的应用,使直流电机调速技术又进入到一个新的阶段,智能化、高可靠性已成为它发展的趋势。
直流电机调速基本原理是比较简单的(相对于交流电机),只要改变电机的电压就可以改变转速了。改变电压的方法很多,最常见的一种PWM 脉宽调制,调节电机的输入占空比就可以控制电机的平均电压,控制转速。
1.1课题背景
直流电动机具有良好的起动、制动性能,宜于在大范围内平滑调速,在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。从控制的角度来看,直流调速还是交流拖动系统的基础。早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础,采用运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成,控制系统的硬件部分非常复杂,功能单一,而且系统非常不灵活、调试困难,阻碍了直流电动机控制技术的发展和应用范围的推广。随着单片机技术的日新月异,使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成,为直流电动机的控制提供了更大的灵活性,并使系统能达到更高的性能。采用单片机构成控制系统,可以节约人力资源和降低系统成本,从而有效的提高工作效率。
传统的控制系统采用模拟元件,虽在一定程度上满足了生产要求,但是因为元件容易老化和在使用中易受外界干扰影响,并且线路复杂、通用性差,控制效果受到器件性能、温度等因素的影响,故系统的运行可靠性及准确性得不到保证,甚至出现事故。
目前,直流电动机调速系统数字化已经走向实用化,伴随着电子技术的高度发展,促使直流电机调速逐步从模拟化向数字化转变,特别是单片机技术的应用,使直流电机调速技术又进入到一个新的阶段,智能化、高可靠性已成为它发展的趋势。
1.2课题要求
以AT89C51单片机作为主控制器、对微型直流电机进行控制。利用霍尔元件设计转速测量、检测直流电机速度,并显示。
单片机为控制核心的直流电机PWM 调速控制系统,并实现以下功能:
1) 直流电机的正转;
2) 直流电机的反转;
3) 直流电机的加速;
4) 直流电机的减速;
5) 直流电机的转速在数码管上显示;
6) 直流电机的启动;
7) 直流电机的停止;
2 方案论证
2.1 系统组成
微型直流电机控制系统由单片机、显示电路、直流电机及其驱动电路组成。
2.2单片机选型
单片机直流调速系统可实现对直流电动机的平滑调速。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。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”。本系统以89C51单片机为核心,通过单片机控制,C 语言编程实现对直流电机的平滑调速。
2.3驱动方案论证
L298是SGS 公司的产品,比较常见的是15脚Multiwatt 封装的L298N ,内部同样包含4通道逻辑驱动电路。可以方便的驱动两个直流电机,或一个两相步进电机。L298N 可接受标准TTL 逻辑电平信号VSS ,VSS 可接4.5~7 V 电压。4脚VS 接电源电压,VS 电压范围VIH 为+2.5~46 V 。输出电流可达2.5 A ,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,本实验
装置我们选用驱动一台电动机。5,7,10,12脚接输入控制电平,控制电机的正反转。EnA ,EnB 接控制使能端,控制电机的停转。EnA 为低电平时,输入电平对电机控制起作用,当EnA 为高电平,输入电平为一高一低,电机正或反转。同为低电平电机停止,同为高电平电机刹停。
下图是其引脚图:
引脚介绍:
第1、15脚:可单独引出连接电流采样电阻器,形成电流传感信号,也可直接
接地。
第2、3脚:A 电机输出端口。
第4脚:接逻辑控制的+5V电源。
第6脚:A 桥使能端口。
第5、7脚:输入标准TTL 电点平对A 桥的输出OUT1、OUT2进行控制。 第8脚:接电源地。
第9脚:接电机驱动电源,最高可达50V 。
第11脚:B 桥使能端口。
第10、12脚:输入标准TTL 电平对B 桥的输出OUT3、OUT4进行控制。 第13、14脚:B 电机输出端口。
2.5人机接口方案
采用开关,开关一端接单片机,另一端接地,一旦按下,就会向单片机输入低电平。
还有一种方法就是采用矩阵键盘。矩阵式结构的键盘显然比直接法要复杂一些,识别也要复杂一些,列线通过电阻接正电源,并将行线所接的单片机的I/O口作为输出端,而列线所接的I/O口则作为输入。这样,当按键没有按下时,所有的输入端都是高电平,代表无键按下。行线输出是低电平,一旦有键按下,则输入线就会被拉低,这样,通过读入输入线的状态就可得知是否有键按下了。其图形如下:
在本系统中,需要输入的信号比较简单,采用独立键盘接线简单,实现容易,所以就用了开始所说的用一个开关。
3 硬件设计
3.1单片机最小系统设计
如图所示,单片机最小系统, 或者称为最小应用系统, 是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统. 对51系列单片机来说, 最小系统一般应该包括:单片机、晶振电
路、复位电路
.
3.2 I/O分配
STC89C51有四组接口:P0口,P0口为一个8位漏级开路双向I/O口,每脚可吸收8TTL 门电流。当P1口的管脚第一次写1时,被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址的低八位。在FIASH 编程时,P0 口作为原码输入口,当FIASH 进行校验时,P0输出原码,此时P0外部必须被拉高。
P1口,P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口,P1口缓冲器能接收输出4TTL 门电流。P1口管脚写入1后,被内部上拉为高,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。在FLASH 编程和校
验时,P1口作为低八位地址接收。
P2口,P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2口缓冲器可接收,输出4个TTL 门电流,当P2口被写“1”时,其管脚被内部上拉电阻拉高,且作为输入。并因此作为输入时,P2口的管脚被外部拉低,将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时,P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时,它利用内部上拉优势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时,P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口:P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口,可接收输出4个TTL 门电流。当P3口写入“1”后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入。作为输入,由于外部下拉为低电平,P3口将输出电流(ILL )这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口。
在本系统中,P0口输出数码管的段选信号;P1口作为人机交互口,接开关;P2口输出数码管的位选信号。
3.3 驱动电路设计
本系统采用89C51控制输出数据,由单片机发生电路产生PWM 信号,送到芯片L298,并通过L298电源驱动直流电机,并通过单片机程序控制L298,改变直流电机的占空比,进而实现电机的加减速,正反转控制。其驱动电路如下面部分电路所示。
3.4 转速检测电路设计
转速检测电路如图所示,电机自动根据转速输出对应的脉冲数,通过74LS386将脉冲转化成方波,然后由单片机的T1计数器对方波进行计数,最后通过一定的算法转化成转速并输出。
3.5人机接口电路设计
人机接口部分电路图如下图所示,从上至下共有五个开关,一次是正转、反转、加速、减速、停止。
4 软件设计
4.1 主程序流程
主程序主程序是一个循环程序,其主要思路是,先设定好速度初始值,这个初始值与测速电路送来的值相比较得到一个误差值,然后通过在程序中占空比设置输出控制系数给改变波形的占空比,进而控制电机的转速。其程序流程图如图所示。软件由1个主程序、1个中断子程序和显示子程序组成。其程序流程如下:
4.2按键扫描子程序流程图
按键扫描程序采用中断方式,按下键,完成延时去抖动、键码识别、按键功能执行。
要实现按住加/减速键不放时恒加或恒减速直到放开停止,就需在判断是否松开该按键时,每进行一次增加/减少一定的占空比。按键扫描程序流程图如下图4.2所示