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摘 要近年来,随着科技的进步,直流电机得到了越来越广泛的应用,直流电机具有优良的调速特性:调速平滑,方便,调速范围广,过载能力强,能承受频繁的冲击负载,可实现频繁的无极快速起动、制动和反转,满足生产过程自动化系统各种不同的特殊要求。本系统以STC89C52单片机为核心,通过内部定时器产生PWM波形,控制LN298大功率H桥路驱动直流电机已达到控制转速的目的。通过数码管将速度等级显示出来,此外分别从主控制芯片的选择、显示电路的比较与选择、 电机调速控制模块、电源电路与电机驱动电路四个方面进一步确定系统的总体设计方案,最后通过数码管LED显示程序设计以及电机控制子程序完成实验步骤,并在结论部分对系统调试过程中的常见的故障分析和注意事项做出了摘要说明,具有一定的理论和实际意义。关键词:STC89C52; 双向可逆控制系统; PWM调速; 目录绪论11系统总体方案31.1 主控制芯片的选择31.2 显示电路的比较与选择41.3 电机调速控制模块41.4 电源电路与电机驱动电路42系统硬件方案设计52.1 系统总电路框图设计53.2 系统模块电路设计及原理53.2.1单片机最小系统设计53.2.2直流电机的调速设计83.2.3 测速发电机93.2.4 数码管显示电路设计93.2.5 L298N驱动电路设计113.2.6 按键电路电路设计133系统的软件设计153.1 系统的整体程序流程图154.2 数码管LED显示程序设计154.3 电机控制子程序165系统调试185.1 常见的故障分析185.2 系统调试注意事项18结论18参考文献19附录一 硬件原理图21附录二 程序源代码22致 谢241宿州学院本科生毕业设计 绪论(1)课题研究的背景近年来,随着科技的进步,直流电机得到了越来越广泛的应用,直流电机具有优良的调速特性:调速平滑,方便,调速范围广,过载能力强,能承受频繁的冲击负载,可实现频繁的无极快速起动、制动和反转,满足生产过程自动化系统各种不同的特殊要求。现代化的生产过程对直流电机的调速提出了更高的要求,改变电枢回路电阻调速、改变电压调速等技术已远远不能满足现代科技的要求,这时通过PWM方式控制直流电机转速的方法应运而生。采取传统的调速系统主要有以下的缺陷:模拟电路容易随时间推移,会产生一些不必要的热损耗,以及对噪声敏感等。而用PWM技术后,避免上述的缺点,实现了数字式控制模拟信号,可以大幅度减低成本和功耗。并且PWM调速系统开关频率较高,仅靠电枢电感的滤波作用就可以获得平滑的直流电流,低速特性好;同时,开关频率高,快响应特性好,动态抗干扰能力强,可获很宽的频带;开关元件只需工作在开关状态,主电路损耗小,装置的效率高,具有节约空间、经济好等特点。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KZD拖动系统,取代了笨重的发电动一电动机的FD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。PWM控制的基本原理很早就已经提出,但是受电力电子器件发展水平的制约,在上世纪80年代以前一直未能实现。直到进入上世纪80年代,随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展,PWM控制技术才真正得到应用。随着电力电子技术、微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法,如现代控制理论、非线性系统控制思想的应用,PWM控制技术获得了空前的发展,到目前为止,已经出现了多种PWM控制技术。(2) 国内外技术发展的现状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。(3)本设计的任务本系统已STC89C52单片机为核心,通过内部定时器产生PWM波形,将其在数码管将速度等级呈现出来,本设计的主要任务主要包括: (1)直流电机的正转控制;(2)直流电机的反转控制;(3)直流电机的加速控制;(4)直流电机的减速控制;(5)数码管显示电路设计与实现;(6)单片机最小系统设计;(7)电机驱动电路设计191系统总体方案系统总体设计方案的步骤为先选择主控制芯片,然后通过显示电路的比较与选择、电机调速控制模块、电源电路与电机驱动电路三个方面逐步确定系统的软硬件指标,最终将设计分为硬件和软件两个部分分别详细概括,本文的设计原理是主要以单片机为核心,通过内部定时器产生PWM波形,控制LN298大功率H桥路驱动直流电机控制转速,并且将结果通过数码管将速度等级显示出来作为具体分析概述。系统总体方案如下所示:1.1 主控制芯片的选择本次设计采用STC12C5A60S2单片机作为控制元器件,该系列单片机的始祖是Intel的8031单片机,后来随着Flash rom技术的发展,8031单片机取得了长足的进展,成为目前应用最广泛的8位单片机之一,其代表型号是ATMEL公司的AT89系列,它广泛应用于工业测控系统之中。目前很多公司都有51系列的兼容机型推出,在目前乃至今后很长的一段时间内将占有大量市场。51单片机是基础入门的一个单片机,还是应用最广泛的一种。需要注意的是52系列的单片机一般不具备自编程能力。51成本低廉,使用方便,适合与本系统的检测与控制。1.2 显示电路的比较与选择数码管显示具有亮度高、显示简单简洁、成本低廉,可靠性高、响应速度快等有点。在实际工程中,人即便站在很远的位置也能看清楚数码管显示的信息。而且数码管驱动简单,采用硬件驱动即不需要程序控制,完全不占用CPU的资源。因此我们这里采用LED数码管显示信息 1.3 电机调速控制模块采用由三极管组成的H型PWM电路。用单片机控制三极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地实现转速和方向的控制;电子开关的速度很快,稳定性也极佳,是一种广泛采用的PWM调速技术7。1.4 电源电路与电机驱动电路本设计电源选择直流稳压电源模块。将插线板电源经过变压、整流、滤波、稳压后输出。为系统提供稳定可靠的电源。虽说会有一些不稳定因素但携带方便,所以选择锂电池来负责电源。电机驱动我采用大功率电机驱动专用芯片。L298内部继承大功率H桥路。具有稳定性高、使用简单,驱动力大等特点。能够驱动大功率电机和控制电机的正传和反转,同时对于电机调速也是非常理想的选择。因此采用此种方法。宿州学院本科生毕业设计 2系统硬件方案设计2.1 系统总电路框图设计 本系统以STC89C52单片机为核心,通过内部定时器产生PWM波形,控制LN298大功率H桥路驱动直流电机已达到控制转速的目的。通过数码管将速度等级显示出来,此外可以通过按键控制电机的正传反转、以及电机速度加和减。图1 系统总体框图3.2 系统模块电路设计及原理3.2.1单片机最小系统设计单片机最小系统是整个系统的核心控制部分,以STC89C52单片机为核心,配以外围电路:时钟电路、上点复位电路构成。主要完成数据的采集处理和转换。MCS-51系列单片机是美国Intel公司在1980年继MCS-48系列8位单片机之后推出的高档8位单片机,此单片机凭其稳定的性能、高性价比以及良好的兼容,在各个领域得到了最为广泛的应用,也是我国目前应用最广的单片机系列。在性能和功能方面,MCS-51单片机大大优于MCS-48单片机。MCS-51系列有多种机型可供用户选择8。(1)单片机内部结构MCS-51系列单片机最早的典型代表为8051,87581,8031,由于其型号和生产厂商的不同,在片内存储器容量、中断系统、外围功能模块、最高时钟频率以及处理器速度等方面有很大的不同,但它们的指令系统完全兼容,硬件系统的基本结构也相同,其主要的性能特点如下1) 8位CPU.2) 片内128B RAM(MCS-52子系列有256B RAM) 。3) 片内4KB ROM/EPROM(8051/8751).4) 特殊功能寄存器区。5) 两个优先级的5个中断源结构。6) 4个8位并行I/O口(P0,P1,P2,P3)。7) 两个16位定时/计数器(MCS-52子系列有3个).8) 全双工串行口。9) 布尔处理器。MCS-51的典型产品有8031,8051,8751.8051内部有4KB ROM,8071内部有4KB EPROM,8031片内无ROM;除此之外,三者的内部结构及引脚完全相同。在单片机芯片的内部,其基本结构的构成是通用CPU加上外围芯片的模式,内部主要由9个部件通过单一总线连接而成。这9个主要部件是:1个8位的中央处理器(包括ALU,ACC,TMP1,TMP2,B寄存器,PSW及相应的定时和控制逻辑),4KB/8KB程序寄存器(ROM/EPROM),128B/256B的数据寄存器(RAM),32条I/O接口线(图中P0.0P0.7,P1.0P1.7,P2.0P2.7,P3.0P3.7),中断控制逻辑(具有5个中断源,2个中断优先级),定时器控制逻辑(具有2个可编程定时器/计数器),串行接口控制逻辑(具有可工作于多处理机通信,I/O接口扩展或全双工通用异步接收发送器的串行接口),21个专用寄存器(包括程序计数器PC、堆栈指针寄存器SP、程序状态字存器PSW、数据指针寄存器DPTR等)以及片内振荡器和时钟电路(由OSC及相关电路组成)9。(2)复位电路逻辑图RST引脚是复位信号的输入端。复位信号是高电平有效,其有效时间应持续24个振荡周期(即两个机器周期)以上。若使用频率位6MHz的晶振,则复位信号持续时间应超过4us才能完成复位操作。整个复位电路包括芯片内、外两部分。外部电路产生的复位信号(RST)送至施密特触发器,再由片内复位电路在每一个机器周期的S5P2时刻对触发器的输出进行采样,然后才得到内部复位操作所需要的信号。复位操作有上电复位和按键手动复位两种方式。我们采用按键手动复位的电平方式,如图2。通过使复位端经电阻与Vcc电源接通而实现。图2 按键手动复位原理图 复位是单片机的初始化操作,其主要功能是把PC初始化为0000H,使单片机从0000H单元开始执行程序。除此之外,当由于程序运行出错或操作错误使
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