2022年基于单片机的直流电机控制器的方案设计书.docx

精品学习资源摘要 IIABSTRACIITI1.11 系统论述 4设计思路 41.2基本原理 41.3总体设计框图 42 直流电机单元电路设计与分析52.1直流电机驱动模块 52.223直流电机的中断键盘掌握模块101602LCD液晶显示模块 133.13 直流电机 PWM掌握系统的实现总电路图 15143.2总电路功能介绍 153.3直流电机掌握程序 154 系统仿真 225 终止语 26参考文献资料 27欢迎下载精品学习资源摘要本文是对 直流电机 PWM 调速器设计 的讨论，主要实现对电机的掌握；本课程设计主要是实现 PWM 调速器的正转、反转、加速、减速、停止等操作；并实现电路的仿真；为实现系统的微机掌握，在设计中，采纳了AT89C51 单片机作为整个掌握系统的掌握电路的核心部分，配以各种显示、驱动模块，实现对电动机转速参数的显示和测量； 由命令输入模块、光电隔离模块及H 型驱动模块组成；采纳带中断的独立式键盘作为命令的输入，单片机在程序掌握下，不断给光电隔离电路发送 PWM 波形， H 型驱动电路完成电机正反转掌握.在设计中，采纳 PWM 调速方式， 通过转变 PWM 的占空比从而转变电动机的电枢电压，进而实现对电动机的调速；设计的整个掌握系统，在硬件结构上采纳了大量的集成电路模块，大大简化了硬件电路，提高了系统的稳固性和牢靠性，使整个系统的性能得到提高；关键词： AT89C51 单片机； PWM 调速； 正反转掌握；仿真；欢迎下载精品学习资源AbstractThis article is a DC motor PWM speed control design study, the main achievement of motor control. This course is primarily designed to achieve PWM speed controller for forward and reverse, acceleration, deceleration, and stop such an operation. And to achieve the circuit simulation. To achieve system, microcomputer control, in the design, using AT89C51 microcontroller control system as a whole, the core of the control circuit, accompanied by a variety of shows, drive module enables the motor speed parameter display and measurement； from the command input module, Optical isolation module and H-drive module. With the stand-alone keyboard with a break as acommand input, single-chip in the process control, continuing to the optical isolation circuit to send PWM waveform, H-type motor driving circuit to complete positive inversion control. In the design, using PWM speed mode, by changing the PWM duty cycle to change the motor armature voltage, so as to realize the speed of the motor. Design of the control system hardware structure withalarge numberofintegratedcircuitmodules, greatly simplifying the hardware circuitry to improve stability and reliability of the system so that the whole system performance is improved.Key words: AT89C51 microcontroller ； PWM speed； positive inversion control； Simulation；欢迎下载精品学习资源1 系统论述1.1 设计思路直流电机 PWM 掌握系统的主要功能包括：直流电机的加速、减速以及电机的正转和反转，并且可以调整电机的转速，仍可以便利的读出电机转速的大 小，能够很便利的实现电机的智能掌握；其间，仍包括直流电机的直接清零、 启动（置数）、暂停、连续功能；该直流电机系统由以下电路模块组成：振荡器和时钟电路：这部分电路主要由80C51 单片机和一些电容、晶振组成；设计输入部分：这一模块主要是利用带中断的独立式键盘来实现；设计掌握部分： 主要由 80C51 单片机的外部中断扩展电路组成；设计显示部分：包括液晶显示部分和 LED 数码显示部分；液晶显示部分由 1602LCD 液晶显示模块组成；LED 数码显示部分由七段数码显示管组成；直流电机 PWM 掌握实现部分： 主要由一些二极管、电机和 L298 直流电机驱动模块组成；1.2 基本原理主体电路：即直流电机 PWM 掌握模块；这部分电路主要由80C51 单片机的 I/O 端口、定时计数器、外部中断扩展等掌握直流电机的加速、减速以及电机的正转和反转，并且可以调整电机的转速，仍可以便利的读出电机转速的大小和明白电机的转向，能够很便利的实现电机的智能掌握；其间，仍包括直流电机的直接清零、启动（置数）、暂停、连续功能；其间是通过80C51 单片机产生脉宽可调的脉冲信号并输入到L298 驱动芯片来掌握直流电机工作的；该直流电机 PWM 掌握系统由以下电路模块组成：设计输入部分：这一模块主要是利用带中断的独立式键盘来实现；设计掌握部分：主要由80C51 单片机的外部中断扩展电路组成；设计显示部分：包括液晶显示部分和LED 数码显示部分；液晶显示部分由 1602LCD 液晶显示模块组成；直流电机PWM掌握实现部分：主要由一些二极管、电机和L298 直流电机驱动模块组成；1.3 总体设计框图系统组成：直流电机 PWM 调速方案如图 1.1 所示：方案说明：直流电机 PWM 调速系统以 AT89C2051 单片机为掌握核心，由命令输入模块、 LCD 显示模块及电机驱动模块组成；采纳带中断的独立式键盘作为命令的输入，单片机在程序掌握下，定时不断给直流电机驱动芯片发送PWM欢迎下载精品学习资源P0口直流电机驱动模块直流电机AT89C51AT单8片9C机51加速掌握端减速掌握端P2口LCD液晶显示P1口正转掌握端反转掌握端停止掌握端波形， H 型驱动电路完成电机正，反转掌握；同时单片机不停的将从键盘读取的数据送到 LCD 显示模块去显示，从中不仅能读取其速度，而且能知晓其转向及一些温心提示；图 1.1直流电机 PWM调速方案2 直流电机单元电路设计与分析2.1 直流电机驱动模块主要由一些二极管、电机和 L298 直流电机驱动模块（内含 CMOSS 管、三太门等）组成；现在介绍下直流电机的运行原理2.1.1 直流电机类型直流电机可按其结构、工作原理和用途等进行分类，其中依据直流电机的用途可分为以下几种：直流发电机（将机械能转化为直流电能）、直流电动机（将直流电能转化为机械能）、直流测速发电机（将机械信号转换为电信号）、直流伺服电动机（将掌握信号转换为机械信号）；下面以直流电动机作为讨论对象；2.1.2 直流电机结构直流电机由定子和转子两部分组成；在定子上装有磁极（电磁式直流电机磁极由绕在定子上的磁绕供应），其转子由硅钢片叠压而成，转子外圆有槽，槽内嵌有电枢绕组，绕组通过换向器和电刷引出, 直流电机结构如图 2.1 所示；欢迎下载精品学习资源图 2.1直流电动机结构2.1.3 直流电机工作原理直流电机电路模型如图 2.2 所示，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 abcd；当线圈中流过电流时，线圈受到电磁力作用，从而产生旋转；依据左手定就可知，当流过线圈中电流转变方向时，线圈的受方向也将转变，因此通过转变线圈电路的方向实现转变电机的方向；Nb+Aac-BdS图 2.2直流电动机电路模型2.1.4 直流电机主要技术参数图1.1 直流电机工作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，电机的负载才能；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；欢迎下载精品学习资源2.1.5 直流电机 PWM调速原理（1） 直流电机转速直流电机的数学模型可用图 2.3 表示，由图可见电机的电枢电动势 Ea 的正方向与电枢电流 Ia 的方向相反， Ea 为反电动势；电磁转矩 T 的正方向与转速 n 的方向相同，是拖动转矩；轴上的机械负载转矩 T2 及空载转矩 T0 均与 n 相反，是制动转矩；U说明 :IT1T2UEanT0Rc > 电压 > 电枢电动势n >转速EaraI >电枢电流ra > 电枢回路电阻Rc > 外在电枢电阻T1 ，T2 >负载转矩T0 > 空载转矩 > 磁通量图 2.3直流电机的数学模型依据基尔霍夫其次定律，得到电枢电压电动势平稳方程式1.1： U=Ea-Ia（Ra+Rc）式1.1式 1.1 中， Ra 为电枢回路电阻，电枢回路串联保绕阻与电刷接触电阻的总和；Rc 是外接在电枢回路中的调剂电阻；由此可得到直流电机的转速公式为：n =Ua-IR/Ce式1.2式 1.2 中， Ce 为电动势常数， 是磁通量；由 1.1 式和 1.2 式得n =Ea/Ce 式1.3由式 1.3 中可以看出，对于一个已经制造好的电机，当励磁电压和负载转矩恒定时，它的转速由回在电枢两端的电压Ea 打算，电枢电压越高，电机转速就越快，电枢电压降低到0V 时，电机就停止转动；转变电枢电压的极性， 电机就反转；（2） PWM电机调速原理对于直流电机来说，假如加在电枢两端的电压为2.3 所示的脉动电流压欢迎下载精品学习资源（要求脉动电压的周期远小于电机的惯性常数），可以看出，在T 不变的情形下，转变 T1 和 T2 宽度，得到的电压将发生变化，下面对这一变化进一步推导；欢迎下载精品学习资源图枢两端的脉动电压t1t2T2.3施加在电最大值Vmax欢迎下载精品学习资源设电机接全电压 U 时，其转速最大为 Vmax；如施加到电枢平两均值端Vd的脉动电最小值Vmin压占空比为 D=t1/T ，就电枢的平均电压为：图1.3 PWM调速原理图U 平=U·D式1.4由式 1.3 得到：n =Ea/Ce U·D/ Ce=KD；在假设电枢内阻转小的情形下式中K= U/ Ce ，是常数；图 2.4 为施加不同占空比时实测的数据绘制所得占空比与转速的关系图；图 2.4占空比与电机转速的关系由图看出转速与占空比 D 并不是完全速的线性关系（图中实线），缘由是电枢本身有电阻，不过一般直流电机的内阻较小，可以近视为线性关系；由此可见，转变施加在电枢两端电压就能转变电机的转速成，这就是直流电机 PWM 调速原理；2.1.6 电机驱动模块的电路设计依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，我们参此设计的直流电机驱动模块电路如图2.5 所示 2SK1058 :CMOSS 管 74L26:三太门 1N4006:二极管欢迎下载精品学习资源 VSCOURCE :电源 MOTOR-ENCODER:直流电机 RES:电阻 AT89C51 :单片机 在此并未显示 直流电机驱动电路欢迎下载精品学习资源R11KU174126V1Q1+9VA欢迎下载精品学习资源IN1 23 A1Q32SK1058D11N4006直流电机D21N40062SK1058欢迎下载精品学习资源ENA1Q2+88.8欢迎下载精品学习资源IN223 BU274126Q42SK1058D31N4006D41N4006B2SK1058欢迎下载精品学习资源图 2.5直流电机驱动电路然而考虑市场的行情，既然已有特地地为电机驱动而设计的芯片，就没必要再从新来设计；选用L298 芯片来构成的电路结构基本上跟上图一样，由L298 芯片组装的驱动模块如图 2.6所示；所用元器件如下所示： 1N4006:二极管 AT89C51 :单片机 在此并未显示 RES:电阻 MOTOR-ENCODER:直流电机 L298:电机驱动芯片 RESPACK-8:排阻欢迎下载精品学习资源RP1RESPACK-8+12V直流电机驱动芯片D1+12VD3欢迎下载精品学习资源9 8 7 6 54 3 2194U2欢迎下载精品学习资源R4100R51R0061005IN17IN210IN312IN46ENA11ENB115SENSASENSBVCCGND8VSOUT12OUT23OUT31314OUT4L2981N4003D41N40031N4003直流电机D21N4003欢迎下载精品学习资源图 2.6直流电机及其驱动电路2.1.7 程序设计流程图定时中断服务初始设置设置肯定的周期0 FF00H将从键盘 中断 读取的数据送到 TH0中, 从而设置脉宽通过定时中断不停给电机驱动芯片输出脉冲RETI图 2.7定时中断服务流程图2.2 直流电机的中断键盘掌握模块2.2.1 外部中断设置（1） 外部中断答应设置中断掌握寄存器 IE 的 EX0 对应 INT0 ，EX1 对应 INT1 ，EA 为中断的总开关，如要开放外部中断，只要将IE 对应的位和总开关 EA 置 1 即可；如：开放外部中断 0 的设置： SETB EX0欢迎下载精品学习资源SETB EA开放外部中断 0 和 1 的设置： SETB EX0SETB EX1SETB EA（2） 外部中断触发方式设置单片机外部中断有两种触发方式，一种是电平触发方式，另一种是脉冲触发方式，单片机外部中断触发方式与TCON的 IT 位有关；TF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT0电平触发设置方法： CLRITX ，为低电平触发方式；脉冲触发设置方法： SETB ITX 1，为脉冲下降沿触发方式；在使用外部中断时，假如不进行设置，就为电平触发方式；（3） 外部优先级设置外部中断 IN0 、INT1 的中断优先级的设置是通过设置 IP 寄存器实现的， IP 的 PX0 对应 INT0 ， PX1 对应 INT1 ；PX 置 1 为高级中断， PX 为 0 为低级中断；×××PSPT1PX1PT0PX02.2.2 外部中断扩展方法在图 2.8 为外部中断扩展方法，设 X1、X2 、X3 、X4、X5 为外部警情信号， X1 代表是加速信号， X1=0 表示加速； X2 代表减速信号， X2=0 表示减速； X3 代表正转信号， X3=0 表示正转； X4 代表反转信号， X4=0 表示反转； X5 代表停止信号， X5=0 表示停止处理；欢迎下载精品学习资源图 2.8外部中断扩展电路当系统检测到有中断恳求时，响应如下中断服务流程图2.9；外部中断X0=0.X1=0.X2=0.X3=0.X4=0.加速操作，RETI减速操作，RETI正转操作，RETI反转操作，RETI停止操作，RETI图 2.9 中断服务流程欢迎下载精品学习资源2.3 3 1602LCD 液晶显示模块2.3.1 引脚分布和接口信号说明(1) 引脚分布图 2.10 1602 液晶显示模块引脚分布2 引脚功能1602 引脚功能如表 2.1 所示表 2.1 1602引脚功能1602 液晶显示共有 16 个引脚，其引脚分布如图2.5 所示；编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSSVSS为地电源9D2DataI/O2VDDVDD接5V 正电源10D3DataI/O3VEE液晶显示偏压信号11D4DataI/O4RS0 输入指令，1 输入数据12D5DataI/O5R/W0 写入指令或数据， 1 读信13D6DataI/O息6E1 读取信息， 10 执行指14D7DataI/O令7D0Data I/O15BLA背光源正极8D1Data I/O16BLK背光源负极2.3.2 LCD液晶电路欢迎下载精品学习资源图 2.11 1602液晶显示模块组成显示程序流程图如 3.12 所示主程序开头对LCD进行一些初始化操作将已知要提示的内容送入LCD中并使其显示在第一行判定设置电机的速度是否为 0，如是，始终等待将从键盘读取的速度和转向送入LCD中并使其在其次行显示判定是否有命令输入，如没，始终等待LJMP2.3.3图 2.123 直流电机 PWM掌握系统的实现欢迎下载精品学习资源3.1 总电路图LCD1LM016L+12V+12VLCD液晶显示RP1RESPACK-819U1XTAL1XTAL2P0.0/AD0 P0.1/AD1 P0.2/AD2P0.3/AD3 P0.4/AD4 P0.5/AD5P0.6/AD6 P0.7/AD73938直流电机驱动芯片D1D337363534333294U29 8 7 6 5 4 3 218R411N4003+88.81N4003E D S 7 6 5 4 3 2 1 0W S E D S D D D D D D D D E R R V V V10R0 51R006W SER R2122232425262728加速减速正转反转停止571012611IN1 IN2 IN3 IN4ENA ENBVCCVSOUT12直流电机94 3 2 1 0 9 8 7RST31 1 1 1 16 5 43 2 1OUT213D4D2P2.0/A8 P2.1/A9 P2.2/A10 P2.3/A11 P2.4/A12P2.5/A13 P2.6/A14P2.7/A15100OUT3RV111514%29571kPSEN ALEEASENSA SENSBOUT4GND1N40031N400330318L29812345678P1.0 P1.1 P1.2P1.3 P1.4 P1.5 P1.6P1.7P3.0/RXD P3.1/TXD P3.2/INT0P3.3/INT1 P3.4/T0 P3.5/T1 P3.6/WRP3.7/RD1011121314151617RS RW加速加速E减速减速U.加速 正转AT89C51减速正转正转反转 反转停止反转AND_5停止停止图 3.1直流电机3.2 总电路功能介绍直流电机 PWM调制掌握系统具有加速、减速、正转、反转、停止掌握功能；操作开关通过中断掌握直流电机的加速、减速、正转、反转、停止掌握功能，并通过 LCD 液晶显示；振荡、时钟电路和复位电路由80C51 单片机内部给出；直流电机转动速度由LCD 液晶显示；操作开关状态由液晶显示器显示；3.3 直流电机掌握程序ORG0000HSJMP DISPLAYORG0003HLJMP BUTTONORG000BH；外部 0 中断入口地址LJMP DINGSHIRSEQUP3.0；定时中断 T0 入口地址RWEQUP3.1EEQUP3.4欢迎下载精品学习资源ORG0030H；此次直流电机的设计以LCD 字符夜晶的；显示程序为主程序DISPLAY:SETBEA；打开中断总开关SETBEX0；打开外部中断0 开关SETBIT0；打开外部中断 0 下降沿触发MOVTMOD,#01H；设置定时工作方式MOVTL0,#0FFH；设置定时初值MOVTH0,#0FFHSETBET0；打开定时中断 T0 开关CLRP0.5CLRP0.6CLRP0.7SETBTR0； 定时器 T0 开头定时MOVDPTR,#TAB； 夜晶显示的字符首地址MOVR0,#00H； 脉宽的初值MOVR1,#16； "SET SPEED PLEASE" 的字符个数MOVR3,#00HMOVR4,#00HLP9:LCALL CHUSHI LP2:ACALL BUSY MOVA,#00HMOVC A,A+DPTR MOVP1,AACALL DATAS INCDPTR DJNZR1,LP2 LP3:CJNER3,#00H,LP4欢迎下载精品学习资源CJNER4,#00H,LP4 SJMP LP3LP4: MOVR7,#00H；中断的标志MOVR5,#09H；CURRENT :的字符个数ACALL BUSY MOVP1,#0C0H ACALL ENABLEMOVDPTR,#MMTAB ACALL BUSYLP5:MOVA,#00H MOVC A,A+DPTR MOVP1,AINCDPTRACALL DATAS ACALL BUSY DJNZR5,LP5MOVDPTR,#STAB MOVA,R2MOVP1,A ACALL DATAS ACALL BUSYMOVA,R3； 显示速度的十位MOVC A,A+DPTR MOVP1,AACALL DATASACALL BUSYMOVA,R4；显示速度的个位MOVC A,A+DPTR MOVP1,AACALL DATAS；使夜晶始终显示当前电机的速度欢迎下载精品学习资源LP8:CJNER7,#00H,LP7；速度不变时等待LJMPLP7:LP8；速度变时重新读入速度SJMPLP4CHUSHI:；使夜晶显示的一些初始设置ACALL BUSYMOVP1,#00000001B；清屏并光标复位ACALL ENABLE ACALL BUSYMOVP1,#00111000B ；设置显示模式 : 8 位 2 行 5x7 点阵ACALL ENABLE ACALL BUSYMOVP1,#00001111B；显示器开、光标开、光标答应闪耀ACALL ENABLE ACALL BUSYMOVP1,#00000110B；文字不动，光标自动右移ACALL ENABLE ACALL BUSYMOVP1,#80H；写入显示起始地址ACALL ENABLE RETENABLE:；写入掌握命令的子程序SETB E CLRRS CLRRW CLRE RETDATAS:；写入数据子程序SETB E SETB RS欢迎下载精品学习资源CLRRW CLRE RETBUSY:；预备写入数据CLREMOVP1,#0FFHCLRRSSETB RWSETB EJBP1.7,BUSYRETORG 2000HDINGSHI:CPL P0.7；定时中断服务程序JNB P0.7,Z1MOV A,#0FFH；周期肯定SUBB A,R0MOV TH0,ASETB TR0RETIZ1: MOV TH0,R0；脉宽SETB TR0 RETIBUTTON:；从掌握键盘中读取操作命令PUSH ACC CLR EX0 CLR EA INC R7；MOV A,#0FFHMOV P2,A MOV A,P2欢迎下载精品学习资源JNB ACC.0,AA0 JNB ACC.1,KK0 JNB ACC.2,ZZ JNB ACC.3,FF JNB ACC.4,WW0 AJMP QQAA0:CJNE R0,#0FFH, AA1；加速操作AJMP QQAA1:MOV A,R0 ADD A,#5MOV R0,AAJMP QQKK0:CJNE R0,#00,MM；减速操作AJMP QQMM:MOV A,R0 SUBB A,#5MOV R0,A AJMP QQQQ:MOV A,R0MOV B,#5 DIV AB MOV B,#10 DIV AB MOV R3,A MOV R4,B SETB EX0LCALL DELAY LCALL DELAY LCALL DELAY LCALL DELAY SETB EA欢迎下载精品学习资源POPRETIACCZZ:CLRSETB P0.5P0.6；正转操作MOVR2,#2BH；正转标志 "+"LCALL DELAY LCALL DELAY LCALL DELAY SETB EX0 SETB EA POP ACC RETIFF:CLR P0.5；反转操作SETB P0.6MOV R2,#2DHLCALL DELAY；反转标志 " -"LCALL DELAYLCALL DELAYSETB EX0SETB EAPOP ACCRETIWW0:CLR P0.5；停止操作CLR P0.6 LCALL DELAY LCALL DELAY LCALL DELAY SETB EX0 SETB EA POP ACC RETI欢迎下载精品学习资源DELAY:；延时子程序MOV R5,#0E0H MM0:MOV R6,#30H MM1:DJNZ R6,MM1 DJNZ R5,MM0RETTAB:DB53H,45H,54H,20HDB53H,50H,45H,45H； " SET SPEED PLEASE"代码DB44H,20H,50H,4CH DB45H,41H,53H,45HSTAB:DB30H,31H,32H,33HDB34H,35H,36H,37H； "0,1,2,3,4,5,6,7"代码DB38H,39H,41H,42H； "8,9,A,B,C,D,E,F" DB43H,44H,45H,46HMMTAB:DB43H,4FH,52H,52HDB45H,4EH,54H,20H； "CURRENT : "代码DB3AHEND4 系统仿真LCD 液晶显示电路的系统仿真与调试：在PROTEUS运行环境中第一检验 LCD 显示电路，添加程序，运行LCD 液晶显示电路能，系统如运行胜利将 得到如图 4.1；此后在之前的电路基础之上再拓展带中断的独立式键盘，调试胜利后的电路如图 4.2 所示；欢迎下载精品学习资源LCD1LM016LLCD显示电路U119XTAL118XTAL27 6 5 4 3 2 1 0D D D D D D D DEW RRSE D SVVDV41 31 21 1 01 9 8 76 5 43 219RSTP0.0/AD0 P0.1/AD1 P0.2/AD2 P0.3/AD3 P0.4/AD4 P0.5/AD5 P0.6/AD6P0.7/AD73938373635343332EWR SRRV1P2.0/A8P2.1/A9%51k7293031PSEN ALEEAP2.2/A10 P2.3/A11 P2.4/A12P2.5/A13 P2.6/A14 P2.7/A15212223242526272812345678P1.0P1.1 P1.2P1.3 P1.4 P1.5P1.6 P1.7P3.0/RXDP3.1/TXD P3.2/INT0P3.3/INT1P3.4/T0 P3.5/T1P3.6/WR P3.7/RD1011121314151617RS R WEAT89C51图 4.1LCD1LM016LLCD液晶显示字符初步调试LCD液晶显示19U1XTAL118XTAL2E D S7 6 5 4 3 2 1 0D D D D D D D DE R RW SE D SV V V4 3 2 1 0 9 8 71 1 1 1 16 5 4W S E R R3 2 19RSTP0.0/AD0P0.1/AD1 P0.2/AD2P0.3/AD3 P0.4/AD4P0.5/AD5 P0.6/AD6P0.7/AD73938373635343332% 57RV1291k30PSEN31ALEEAP2.0/A8 P2.1/A9P2.2/A10 P2.3/A11 P2.4/A12 P2.5/A13 P2.6/A14 P2.7/A152122232425262728加速减速正转反转停止12345678P1.