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基于AT89C51单片机控制的双闭环直流调速系统设计proteus.doc

发布时间：2022-06-25 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：3.10M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    摘 要
    Abstract
    1 引言
    1.1 直流调速系统概况
    1.2 设计目的和意义
    1.3 国内外发展现状
    1.4 设计要求和内容
    设计以STC89C51单片机为中央处理器的直流调速系统，使STC89C51产生PWM信号对直流电动机
    2 直流调速原理分析与方案确定
    2.1 直流PWM调速系统原理分析
    2.2 方案论证和选择
    2.2.1 稳压电源的选择
    2.2.2 电机调速控制模块
    2.2.3 PWM调速工作方式
    2.2.4 PWM调脉宽方式
    2.2.5 PWM软件实现方式
    在单片机应用系统开发中，常用的编程语言有汇编语言和C语言两种。这两种开发语言都具有各自的特点。以下就
    3 系统硬件设计
    3.1 按键控制模块
    3.2 电动机驱动模块
    3.4 STC89C51单片机系统
    3.5光电门测速模块
    3.6 保护电路
    3.7 供电电源
    3.8直流电动机的说明
    3.9 系统总体设计电路图
    4 系统软件设计
    4.1 键盘控制程序设计
    4.2 显示程序设计
    4.3 主控程序设计
    5 实物的直流调速实现与调试
    参考文献
    致 谢
    邵阳学院毕业设计（论文） 摘 要 随着时代的进步和科技的发展，电机调速系统在工农业生产、交通运输以及日常 生活中起着越来越重要的作用，因此，对电机调速的研究有着积极的意义。长期以来， 直流电机被广泛应用于调速系统中，而且一直在调速领域占居主导地位。 本设计是基于单片机控制的 PWM 直流电机调速系统，系统以 STC89C51 单 片机为核心，以 130 小直流电机为控制对象，以 L298N 为 H 桥驱动芯片实现电动 机的转速反馈控制。调节 PWM 占空比从而控制电机两端电压，以达到调速的目的。 用 4*4 键盘输入有关控制信号及参数，并在 12864 LED 上实时显示输入参数及动 态转速。系统的硬件设计部分包括按键模块、电动机驱动模块、STC89C51 单片机 系统、光电门测速模块、保护电路、供电电源和直流电机。系统的软件部分包括键盘 控制程序设计、显示程序设计、主控程序设计。整个系统实现了单片机控制电机的启 制动、正反转、速度调节的效果。 关键词：STC89C51 单片机；直流电机；PWM ；占空比 I
    邵阳学院毕业设计（论文） Abstract With the progress of the times and the development of science and technology, motor speed control system in the industrial and agricultural production, transportation and daily life plays an increasingly important role, therefore, the study of motor speed has a positive meaning. Long-term since, the DC motor is widely used in the control system, and has been in control field to dominate. The design is based on the single chip microcomputer control of PWM DC motor speed control system, the system uses STC89C51 single chip microcomputer as the core, with 130small DC motor as control object, with L298N H bridge driver chip to realize the motor speed feedback control. Regulation of the PWM duty cycle to control the motor voltage at both ends, so as to achieve the purpose of speed. With 4*4 keyboard input control signal and parameters, and in 12864LED real-time display input parameters and dynamic speed. System hardware design part comprises a key module, motor drive module, STC89C51 singlechip system, photoelectric door gun module, protection circuit, power supply and a DC motor. System software includes keyboard control program design, program design, main control program design. The entire system to achieve the single-chip microcomputer to control the motor start and brake, reverse, speed regulating effect. Keywords ：STC89C51 single chip microcomputer；DC motor；PWM； Duty ratio II
    邵阳学院毕业设计（论文） 目 录 摘 要...................................................................................................................I Abstract..............................................................................................................II 1 引言................................................................................................................1 1.1 直流调速系统概况.....................................................................................1 1.2 设计目的和意义.........................................................................................2 1.3 国内外发展现状.........................................................................................3 1.4 设计要求和内容.........................................................................................3 2 直流调速原理分析与方案确定................................................................... 4 2.1 直流 PWM 调速系统原理分析.................................................................4 2.2 方案论证和选择.........................................................................................6 3 系统硬件设计..............................................................................................10 3.1 按键控制模块...........................................................................................10 3.2 电动机驱动模块.......................................................................................11 3.4 STC89C51 单片机系统......................................................................... 16 3.5 光电门测速模块.......................................................................................17 3.6 保护电路...................................................................................................18 3.7 供电电源...................................................................................................18 3.8 直流电动机的说明...................................................................................18 3.9 系统总体设计电路图...............................................................................19 4 系统软件设计..............................................................................................21 4.1 键盘控制程序设计...................................................................................21 4.2 显示程序设计...........................................................................................23 4.3 主控程序设计...........................................................................................25 5 实物的直流调速实现与调试..................................................................... 29 结 论................................................................................................................33 参考文献..........................................................................................................34 致 谢..............................................................................................................35 1
    邵阳学院毕业设计（论文） 1 引言 1.1 直流调速系统概况 现代工业的电力拖动一般都要求局部或全部的自动化，因此必然要与各种控制元 件组成的自动控制系统联系起来，而电力拖动则可视为自动化电力拖动系统的简称。 在这一系统中可对生产机械进行自动控制。 随着近代电力电子技术和计算机技术的发展以及现代控制理论的应用，自动化电 力拖动正朝着计算机控制的生产过程自动化的方向迈进。以达到高速、优质、高效率 地生产。在大多数综合自动化系统中，自动化的电力拖动系统仍然是不可缺少的组成 部分。另外，低成本自动化技术与设备的开发，越来越引起国内外的注意。特别对于 小型企业，应用适用技术的设备，不仅有益于获得经济效益，而且能提高生产率、可 靠性与柔性，还有易于应用的优点。自动化的电力拖动系统更是低成本自动化系统的 重要组成部分[1]。 在如今的现实生活中，自动化控制系统已在各行各业得到广泛的应用和发展，其 中自动调速系统的应用则起着尤为重要的作用。虽然直流电机不如交流电机那样结构 简单、价格便宜、制造方便、容易维护，但是它具有良好的起、制动性能，宜于在广 泛的范围内平滑调速，所以直流调速系统至今仍是自动调速系统中的主要形式。现在 电动机的控制从简单走向复杂，并逐渐成熟成为主流。其应用领域极为广泛，例如： 军事和宇航方面的雷达天线、火炮瞄准、惯性导航等的控制；工业方面的数控机床、 工业机器人、印刷机械等设备的控制；计算机外围设备和办公设备中的打印机、传真 机、复印机、扫描仪等的控制；音像设备和家用电器中的录音机、数码相机、洗衣机、 空调等的控制。 随着电力电子技术的发展，开关速度更快、控制更容易的全控型功率器件 MOSFET和IGBT成为主流，脉宽调制技术表现出较大的优越性：主电路线路简单， 需要用的功率元件少；开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗和发热都较小； 低速性能好，稳速精度高，因而调速范围宽；系统快速响应性能好，动态抗扰能力强； 主电路元件工作在开关状态，导通损耗小，装置效率较高；近年来，微型计算机技术 发展速度飞快，以计算机为主导的信息技术作为一崭新的生产力，正向社会的各个领 域渗透，直流调速系统向数字化方向发展成为趋势[2]。 1
    邵阳学院毕业设计（论文） 1.2 设计目的和意义 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]。 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。 1.3 国内外发展现状 电力电子技术、功率半导体器件的发展对电机控制技术的发展影响极大，它们是 密切相关、相互促进的。近 30 年来，电力电子技术的迅猛发展，带动和改变着电机 控制的面貌和应用。驱动电动机的控制方案有三种：工作在通断两个状态的开关控制、 相位控制和脉宽调制控制，在单向通用电动机的电子驱动电路中，主要的器件是晶闸 管，后来是用相位控制的双向可控硅。在这以后，这种半控型功率器件一直主宰着电 机控制市场。到 70 和 80 年代才先后出现了全控型功率器件 GTO 晶闸管、GTR、 POWER-MOSFET、IGBT 和 MCT 等。利用这种有自关断能力的器件，取消了 原来普通晶闸管系统所必需的换相电路，简化了电路结构，提高了效率，提高了工作 频率，降低了噪声，也缩小了电力电子装置的体积和重量。后来，谐波成分大、功率 因数差的相控变流器逐步由斩波器或 PWM 变流器所代替，明显地扩大了电机控制 2
    邵阳学院毕业设计（论文） 的调运范围，提高了调速精度，改善了快速性、效率和功率因数[4]。 直流电机脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation-简称 PWM)调速系统产生 于 70 年代中期。最早用于不可逆、小功率驱动，例如自动跟踪天文望远镜、自动记 录仪表等。近十多年来，由于晶体管器件水平的提高及电路技术的发展，同时又因出 现了宽调速永磁直流电机，它们之间的结合促使 PWM 技术的高速发展，并使电气 驱动技术推进到一个新的高度。 在国外，PWM 最早是在军事工业以及空间技术中应用。它以优越的性能，满足 那些高速度、高精度随动跟踪系统的需求。近八、九年来，进一步扩散到民用工业， 特别是在机床行业、自动生产线及机器人等领域中广泛应用。 如今，电子技术、计算机技术和电机控制技术相结合的趋势更为明显，促进电机 控制技术以更快的速度发展着。随着市场的发展，客户对电机驱动控制要求越来越高， 希望它的功能更强、噪声更低、控制算法更复杂，而可靠性和系统安全操作也摆上了 议事日程，同时还要求马达恒速向变速发展，还要符合全球环保法规所要求的严格环 境标准。进入 21 世纪后，可以预期新的更高性能电力电子器件还会出现，已有的各 代电力电子元件还会不断地改进提高[5]。 1.4 设计要求和内容 设计以 STC89C51 单片机为中央处理器的直流调速系统，使 STC89C51 产生 PWM 信号对直流电动机进行转速的控制。在设计中，通过对系统各大模块的分析应 用，使自己的设计达到了实现直流电动机调速的要求。完成系统硬件部分的设计、产 生 PWM 控制信号关键软件部分的设计。通过整合系统的各个模块，从而构成了一 个比较完整有效地直流电动机调速控制系统。 3
    邵阳学院毕业设计（论文） 2 直流调速原理分析与方案确定 2.1 直流 PWM 调速系统原理分析 众所周知，直流电机稳态转速 n 的表达式为 U a n= R a   I a C  e （2.1） 式中 U a ------------ 电枢端电压(V) I a -------------- 电枢电流(A)  aR ---------- 电枢电路总电阻(  )  ----------------每极磁通量(Wb) C e ---------------与电动机结构有关的常数 由式 2.1 可知，直流电机稳态转速 n 的控制方法可分为两类，即励磁控制法与 电枢电压控制法。励磁控制法控制磁通  ，其控制功率虽然较小，但低速时受到磁 极饱和的限制，高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制，而且由于励磁线圈电 感较大，动态性能也较差。所以常用的控制方法是改变电枢端电压调速的电枢电压控 制法[6]。 设直流电源电压为 U d ，将电枢串联成一个电阻 R，接到电源 U a ，则稳态电压 方程式为 U a = U d - I a R （2.2） 显然，调节电阻 R 既可改变端电压，达到调速的目的，但这种传统的调压调速 方法，其效率太低，因此，随着电力电子技术的进步，发展了很多新的电枢电压控制 方法，如：由交流电源供电，使用晶闸管整流器进行相控调压；使用硅整流器将交流 点整流成直流电，再由 PWM 降压斩波器进行斩波调压等。 晶闸管相控调压或 PWM 斩波器调压比串电阻调压损耗小，效率高，而斩波调 压比相控调压又多了不少优点，如需要的滤波装置很小甚至只利用电枢电感已经足 够，不需要外加滤波装置；电动机的损耗和发热很小，动态响应较快等。 图 2.1 为 PWM 降压斩波器的原理电路及输出电压波形，在图 2.1（a）中，假 定晶闸管 V 1 先导通了 T 1 秒（忽略 V 1 的管压降，这期间电源电压 U d 全部加 4
    邵阳学院毕业设计（论文） 到电枢上），然后关断了 T 2 秒（这期间电枢端电压为零）。如此反复，则电枢端电 压波形如图 2.1（b）中所示。电动机电枢端电压 U a 为其平均值。 Ua Ud Ua M Ud V1 ( a ) （a）原理电路 T2 T1 T T1 T T2 T1 t （b）输出电压波形 ( b ) 图 2.1 PWM 斩波器原理电路及输出电压波形 U a = T 1  T 2 T 1 dU = T1 T dU = dU 式中  T 1  T 2 T 1  T 1 T (2.3) (2.4) 在一个周期 T 中，晶体管 V 1 导通时间的比率,称为负载率或占空比。使用下面三 种方法中的任何一种，都可以改变的值，从而达到调压的目的。 1、定宽调频法。T 1 保持一定，使 T 2 在 0~ 范围内变化。 2、调宽调频法。T 2 保持一定，使 T 1 在 0~ 范围内变化。 3、定频调宽法。T 1+ T 2 =T 保持一定，使 T 1 在 0~T 范围内变化。 不管那种方法的变化范围均为 0  1，因而电枢电压的平均值 U a 的调节范围 为 0~ U d ，均为正值，即电动机只能在某一方向调速。 占空比表示了在一个周期 T 里开关管导通的时间与周期的比值。的变化范 围为 0≤≤1。当电源电压 U 不变的情况下，输出电压的平均值 U 取决于占空比的 大小，改变值也就改变了输出电压的平均值，从而达到控制电动机转速的目的，即 实现 PWM 调速。 在 PWM 调速时，占空比是一个重要参数。改变占空比的方法有定宽调频法、 调宽调频法和定频调宽法等。常用的定频调宽法，同时改变 T 1 和 T 2 ，但周期 T（或 频率）保持不变[7]。 在电动机调速里，通过调节 PWM 波的占空比，实现电动机平均电压出现变化， 5
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