基于單片機的數(shù)字式直流調(diào)速電路的設計 (1) 3

1、JIU JIANG UNIVERSITY畢畢 業(yè)業(yè) 論論 文（設文（設 計）計）題目基于單片機的數(shù)字式直流電機調(diào)速控制系統(tǒng)英文題目The Design of Digital DC ConverterCircuit Base on MCU院系電子工程學院專業(yè)電子信息工程姓名胡賓發(fā)年級大四指導教師謝新文2014 年 6 月摘要.0The Design of Digital DC Converter Circuit Base on MCU.0引言.21.1國內(nèi)外研究狀況.21.2 課題研究的目的和意義.21.3 預期達到的目標.32.直流電機控制原理.32.1 單片機介紹.32.1.1 單片機概況.

2、32.1.289c51 簡介.42.1.389C51 結(jié)構(gòu)原理.42.1.489C51 基本功能.錯誤！未定義書簽。錯誤！未定義書簽。2.2IR2110 功率驅(qū)動介紹.62.2.1IR2110 內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖及管腳說明.62.2.2IR2110 的自舉電路. 72.3 直流電機基本調(diào)速方法.73.系統(tǒng)硬件電路.83.1 系統(tǒng)方框圖.83.2 電路各個模塊的原理.93.2.1 鍵盤輸入電路.93.2.2 穩(wěn)壓可調(diào)電源.93.2.3 復位和時鐘電路.103.2.4 顯示電路.113.2.5H 橋 PWM 控制電路.錯誤！未定義書簽。錯誤！未定義書簽。3.2.6隔離方案電路.錯誤！未定義書簽。錯誤！

3、未定義書簽。3.2.7 數(shù)據(jù)采集、過壓反饋保護電路.錯誤！未定義書簽。錯誤！未定義書簽。4.系統(tǒng)軟件設計.124.1程序方框圖.124.2 調(diào)速模塊.134.3數(shù)據(jù)采集.144.4 系統(tǒng)調(diào)試.165.結(jié)束語.17參 考 文 獻.18基于單片機的數(shù)字式直流電機調(diào)速控制系統(tǒng)摘要直流的電動機運用在很多場合,不管是工業(yè)上還是現(xiàn)實里。觀察多種控制直流電機的芯片我們就可以發(fā)現(xiàn)，盡管效率有了較大的提升,但成本，制做工藝都有了比較高的要求。 本篇論文基于單片機的數(shù)字式直流調(diào)速電路控制系統(tǒng)的設計的研究是用 89c51 單片機,有設計價格低，功能齊全等好處。論文根據(jù)系統(tǒng)的要求實現(xiàn)了整體方案設計和系統(tǒng)選型， 對于設

4、計的控制方案對控制系統(tǒng)的軟、硬件設計做了仔細闡述。硬件部分先作了整體設計，然后講了以 89c51 單片機為中心的硬件組成，對鍵盤電路、測速電路、LCD1602顯示電路等做了全面講述; 軟件部分運用模塊化設計思想， 設計了各個模塊的流程圖。闡述了軟件的設計思想和方法;實現(xiàn)了對直流電動機轉(zhuǎn)動參數(shù)的設置、啟動、停止、加速、減速和顯示等功能。 運用51系列芯片作低成本直流電動機控制系統(tǒng)的設計，可以簡化系統(tǒng)構(gòu)成、降低系統(tǒng)成本、加強系統(tǒng)性能,符合很多運用場合的需求。直流電動機優(yōu)良的調(diào)速特性,調(diào)速平滑，方便，調(diào)速范圍廣，過載能力大，能承受頻繁的沖擊負載，實現(xiàn)頻繁的無級快速起動、制動和反轉(zhuǎn)；電動機調(diào)速系統(tǒng)采用

5、微機實現(xiàn)自動控制， 是電氣傳動發(fā)展的重要方向之一。 運用微機控制后， 這個調(diào)速系統(tǒng)體積小、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、操作維護方便，電動機穩(wěn)態(tài)運轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)速精度可達到比較高的水平，靜動態(tài)各項指標都能很好地滿足工業(yè)生產(chǎn)中高性能電氣傳動的需求。關鍵詞：直流電動機；單片機；89c51；調(diào)速；LCD1602The Design of Digital DC Converter Circuit Base on MCUAbstractThe DC motor is widely used in many occasions, and it is industrialor reality.and a variety of

6、 DC motor control chip we can see, efficiencyhas beenimproved, but the costof theproductionprocesshaverequirements. Thisthesisisbasedon the MCU digital DC convertercircuitdesign using89c51microcontrollerdesignlow-cost,fullyfunctional advantages. Thesis completed under the requirements of thesystem o

7、verall program design and system selection for the design of thecontrol scheme discussed in detail the control system hardware andsoftware design. The hardware part of the first made the overall design,and then 89c51microcontroller as the core hardware configuration, thekeyboardcircuitspeedcircuit,t

8、heLCD1602displaycircuitweredescribed in detail; software part of the modular design concept, thepreparation of the various modules flowchart. Discusses the softwaredesign and methods; a DC motor rotation parameter settings, start, stop,acceleration, deceleration, and display functions. Low-cost DC m

9、otorcontrol system design, using 51 chips to simplify the system structure,reducing system cost and enhance system performance and meet the needsof many applications.Keywords:DC of motor;micro controller; 89C51; governor; the LCD1602引言1.1國內(nèi)外研究狀況直流電機問世已有一百四十多年的歷史。 在設計和制造技術上有很大進步, 新材料、 新技術的應用以及整流電源的普及

10、, 促進了一般工業(yè)用直流電機的不斷擴大, 品種的日益繁多。從小至數(shù)瓦, 大到萬余千瓦, 廣泛地用于冶金、礦山、煤炭、起重運輸、機床制造、紡織印染等各個部門中, 特別是近幾年電子計算技術廣泛應用在直流電機設計制造中。從直流電動機的演變歷史, 也可以縱觀直流電動機的發(fā)展歷史和動向、從四十年代后期到五十年代的前期, 直流電動機的電源主要是采用 M-G 電動發(fā)電機組,六十年代初, 電動發(fā)電機組電源已被水銀整流器逐漸代替, 到六十年代后期, 由于可控硅整流裝置的出現(xiàn), 并得到迅速發(fā)展, 可控硅整流電源已占統(tǒng)治地位。由于直流電源供電方式的不斷更新?lián)Q代, 特別是在最近的十幾年期問, 進一步促使了直流電動機的

11、單機功率、 轉(zhuǎn)速不斷提高, 目前朝著高速、 大功率方向發(fā)展。 另外, 由于絕緣技術和分析技術的進步, 直流電動機已迅速向小型輕量, 低慣量方面發(fā)展。隨著各種技術的進步和研究的展開,諸多高質(zhì)量的直線電機產(chǎn)品和科研成果紛紛出現(xiàn)。 新型磁性材料和控制技術、冷卻方法的出現(xiàn),為應用經(jīng)濟高速高動力直線電機創(chuàng)造了條件。1.2 課題研究的目的和意義在現(xiàn)代工業(yè)中， 電動機作為電能轉(zhuǎn)換的傳動裝置被廣泛應用于機械、 冶金、石油化學、國防等工業(yè)部門中，隨著對生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品質(zhì)量的要求不斷提高和產(chǎn)量 的 增 長 ， 越 來 越 多 的 生 產(chǎn) 機 械 要 求 能 實 現(xiàn) 自 動 調(diào) 速 制 砂 機 。機械設備的負載特性為

12、恒轉(zhuǎn)矩位能負載，起動力矩較大，選用變頻器時適當?shù)亓粲杏嗔?，表示電機轉(zhuǎn)矩已足夠大，打開液壓機械制動器，重車可上行;減速過程中，當變頻器的頻率下降到0.2Hz 時，表示電機轉(zhuǎn)矩已較小，液壓機械制動器制動停車。緊急狀態(tài)時，按下緊急停車按鈕，變頻器能耗制動和液壓機械制動器同時起作用， 使機械設備在盡量短的時間內(nèi)停車烘干機。輸變電行業(yè)增加速度穩(wěn)固開展斜井機械設備的動力由繞線式電機提供， 采用轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速。低速時機械特性較軟， 靜差率較大;電阻上消耗的轉(zhuǎn)差功率大，節(jié)能較差;起動過程和調(diào)速換擋過程中電流沖擊大;中高速運行震動大，大多數(shù)中小型礦井采用斜井絞車提升，傳統(tǒng)斜井機械設備普遍采用替換繞線式電機串電阻

13、調(diào)速系統(tǒng)，安全性較差。長期以來， 自動調(diào)速電動機一直占據(jù)著調(diào)速控制的統(tǒng)治地位。由于它具有良好的線性調(diào)速特性，簡單的控制性能，高效率，優(yōu)異的動態(tài)特性，現(xiàn)在仍是大多數(shù)調(diào)速控制電動機的最優(yōu)選擇。因此研究直流電機的速度控制，有著重要的意義。1.3預期達到的目標(1)讓單片機能夠操作直流電機的正轉(zhuǎn)；(2)讓單片機能操作直流電機的反轉(zhuǎn)；(3)能夠用液晶顯示轉(zhuǎn)速；(4)讓單片機可以操作直流電機的正轉(zhuǎn)時的加，減速；(5)讓單片機能夠控制直流電機的反轉(zhuǎn)時的加，減速；2.直流電機控制原理2.1 單片機介紹單片機 （嵌入式應用） 屬于專用計算機， 主要應用于智能儀表、 智能傳感器、智能家電、智能辦公設備、汽車及軍事

14、電子設備等應用系統(tǒng)。 單片機體積小、價格低、 可靠性高， 其非凡的嵌入式應用形態(tài)對于滿足嵌入式應用需求具有獨特的優(yōu)勢。2.1.1單片機概況單片機是一種集成在電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時器/計時器等功能(可能還包括顯示驅(qū)動電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路)集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個小而完善的計算機系統(tǒng)。 單片微型計算機簡稱單片機，是典型的嵌入式微控制器，常用英文字母的縮寫MCU表示單片機，它最早是被用在工業(yè)控制領域。單片機由芯片內(nèi)僅有CPU的專用處理器發(fā)展而來。本論文

15、用到的是ATMEL公司MCS-51系列的89C51。2.1.289c51簡介AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。2.1.389C51結(jié)構(gòu)原理89C51的CPU是單片機里面的主要部件，也是一個八位二進制數(shù)的中央處理單元。大部分由運算器、控制器和寄存器陣列組成。AT89C51 單片機里面有 256 個字節(jié)的RAM數(shù)據(jù)存儲器和 4KB 的閃存程序存儲器（Flash） ，如果不夠用時，可分別擴展為64KB外部RAM存儲器和64KB外部程

16、序存儲器。AT89C51 單片機對外部電路進行控制或交換信息都是通過I/O端口進行的。89C51的管腳圖如圖2.1所示。圖2.1 89c51的管腳圖1.觸發(fā)方式如下圖 2.2 所示。圖 2.2中斷觸發(fā)方式圖 2.316x16 行掃描鍵盤模塊2.數(shù)碼管顯示： 在單片機應用系統(tǒng)中通常使用的是8段式LED數(shù)碼管顯示器，它有共陰極（如圖 2.4a）和共陽極（如圖 2.4b）兩種。圖 2.48 段數(shù)碼管共陰極和共陽極原理圖2.2IR2110 功率驅(qū)動介紹2.2.1IR2110 內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖及管腳說明IR2110是一種雙通道高壓，高速電壓型功率開關器件柵極驅(qū)動器，具有自舉浮動電源，驅(qū)動電路非常簡單，只用

17、一路電源可同時驅(qū)動上下橋臂。但它有本身的缺陷，不能產(chǎn)生負壓，在抗干擾方面比較薄弱。圖2.5 IR2110內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖2.2.2IR2110 的自舉電路在驅(qū)動電路設計中，IR2110 的自舉電路可以有效的保護 IGBT。IR2110 自舉電路的原理圖如圖 2.6 所示。圖 2.6IR2110 自舉電路原理圖2.3 直流電機基本調(diào)速方法PWM 又被稱為“開關驅(qū)動裝置”,如圖 2.8所示。圖 2.8 電樞電壓占空比和平均電壓的關系圖改變占空比 D 的值有三種方法：(1)定寬調(diào)頻法：保持t1不變，只改變 t，這樣使周期(或頻率)也隨之改變。(2)調(diào)寬調(diào)頻法：保持 t 不變，只改變t1，這樣使周期(或頻率

18、)也隨之改變。(3)定頻調(diào)寬法：保持周期T(或頻率)不變，同時改變t1和t。3.系統(tǒng)硬件電路3.1 系統(tǒng)方框圖通過系統(tǒng)的方案比較與選擇，擬定方案，采用 MC51 單片機、IR2110 功率驅(qū)動芯 片構(gòu)成整個系統(tǒng)的核心實現(xiàn)對直流電機的調(diào)速。圖 3.1 系統(tǒng)方框圖系統(tǒng)總體框圖如圖 3.1 所示。PWM 控制是由 IR2110 驅(qū)動和 4 片 IGBT 管構(gòu)成的,只需要通過 MC51 單片機控制產(chǎn)生 PWM 信號即可。3.2 電路各個模塊的原理3.2.1 鍵盤輸入電路本系統(tǒng)采用鍵盤，如下圖3.2所示。通過按鍵，可以實現(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)，以及加 速和減速等功能。圖 3.2 按鈕電路3.2.2 穩(wěn)壓可調(diào)電源

19、由于不同的電壓值，更多的需要的系統(tǒng)，因為電干擾對大功率在正常工作時，如果只有一組電源防止干擾， 為此在設計時采用了兩組可調(diào)的穩(wěn)壓電源為系統(tǒng)控制單元和驅(qū)動單元單獨供電。具體設計電路圖如下圖 3.4 所示,圖 3.4 穩(wěn)壓可調(diào)電源電路原理圖3.2.3 復位和時鐘電路防備體系在突發(fā)狀況下發(fā)生死機等題目， 特意研發(fā)復位電路舉行對程序計數(shù)器的 PC 重新賦值并且重新開始作業(yè)，依據(jù) 51 系列單片機的特征，運用經(jīng)典的復位電路的接法，不但可以在上電時自動復位，還可以在程序操作中手動復位，手動復位僅僅需要按下復位電路中的按鍵就可以。如下圖 3.5：圖 3.5復位和時鐘電路3.2.4 顯示電路顯 示 電 路 用

20、 8 段 數(shù) 碼 管 顯 示 。 下 圖3.6 為 8 段 數(shù) 碼 管 外 觀 結(jié) 構(gòu)圖 3.68 段數(shù)碼外觀結(jié)構(gòu)圖 3.7TS1620 引腳圖表 3.1TS1620 的引腳與功能表4.系統(tǒng)軟件設計4.1程序方框圖直流電機控制系統(tǒng)緊要是 51 單片機為中心系統(tǒng)，系統(tǒng)程序由主程序 (包括若干功能模塊)、 中斷子程序和很多子流程構(gòu)成。 實現(xiàn)具體的某個功效,比如測量、計算、顯示、鍵盤掃描、輸出操控等。本論文總程序如下。圖 4.1系統(tǒng)程序流程圖4.2 調(diào)速模塊系統(tǒng)中的電機轉(zhuǎn)速與電機兩端的電壓成比例， 而電機兩端的電壓與控制波形的占空比成正比，根據(jù)單片機定時器 0 中斷方式產(chǎn)生 PWM 脈沖，定時器計數(shù)

21、到規(guī)定的時間后輸出來端口完成高低電平轉(zhuǎn)換，完成PWM 輸出。進而調(diào)節(jié)電機兩端電壓與控制波形的占空比，進而實現(xiàn)調(diào)速。如下圖所示。4.2PWM 型波軟件軟件設計程序流程圖PWM 的調(diào)速原理主要程序：voidPWM_output(ucharduty)CCAP4H=duty;voidp_control(unitset_speed,unitspeed)if(set_speed=speed)temp=temp+5;if(temp255)temp=255;Pam_output(temp);elsetemp=temp-3;if(temp20)temp=20;Pam_output(temp);4.3數(shù)據(jù)采集測速

22、模塊，通過收集到信號輸出端每輸出一個周期的方波波形，代表轉(zhuǎn)過了一個齒輪。再根據(jù)LED呈現(xiàn)出速度的快慢進而實現(xiàn)操控。圖 4.3 為信號采集程序流程圖。圖 4.3 數(shù)據(jù)采集流程圖數(shù)據(jù)采集部分程序：voidkey_scan() p1_5=0;set_speed=speedPID_flag=1;if(p1_0=0)delay2();if(p1_0=0)while(p1_0=0);if(enter_flag=1)enter_flag=0;elseenter_flag=1;if(enter_flag=1)if(p1_1=0)delay2();if(p1_1=0)while(p1_1=0);set_spee

23、d=set_speed+8;if(p1_2=0)delay2();if(p1_2=0)while(p1_2=0);set_speed=set_speed-8;4.4 系統(tǒng)調(diào)試調(diào)試過程,接 5V 直流電機，在不同占空比負載電壓U負、IGBT 柵極和集電極電壓UGE輸出情況和電機的轉(zhuǎn)動方向如下表 4.1。表.15V直流電機的測試情況根據(jù)上表可以知道：當占空比為 50%電機停止轉(zhuǎn)動，占空比的增大或降低電機轉(zhuǎn)速也隨著越來越快速。根據(jù)改變占空比從而可以完成對直流電機的調(diào)速。5.結(jié)束語本文的優(yōu)勢明顯，采用c51編程，程序占用內(nèi)存少，速度快，并能準確把握執(zhí)行時間，很好的控制。同時由于采用89C51為CPU，和抗噪能力的PWM控制技術，串口擴展顯示接口和I/O接口擴展的鍵盤，這樣可以節(jié)省RAM芯片，具有體積小，功能齊全，緊湊和靈活，操作方便，又可安裝在工作現(xiàn)場單獨工作，當然本論文最大的創(chuàng)新是用到了LCD1602 顯示，能夠更加直觀的觀察顯示的結(jié)果，這樣無論在讀數(shù)還是在美觀方面都是數(shù)碼管不能比的。 從而擁有較大的實用價值和較好的運用遠景。 特別是可以從經(jīng)濟角度來考量本次設計，如果用技術較為先進的芯片實現(xiàn)同樣的功能， 成本方面肯定會大大提升?，F(xiàn)在的畢業(yè)設計就是對過去所學的知識的綜合應用， 是對理論進行深化和重新認識的實踐活動。知識不斷得到鞏固和提高，但我相信，