[机械自动化论文]直流电机双向可逆控制系统设计

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直流电机双向可逆控制系统设计

近年来,随着科技的进步,直流电机较之于交流电机具有很强的优势在很多情

况下应用非常广泛,可以在不同情况下满足人们对自动化系统的要求。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;

ABSTRACT

This paper introduces the design of the system hardware and software

design, and the hardware block diagram and software flow chart and gives

some description. According to the hardware block diagram of the

following function modules of STC89C52 chip, the design, the L298 full

bridge driver chip, the pulse processing, amplification, output to

control the speed of motor. Control of the L298 high power H bridge drive

DC motor has to control the speed of the. Through the digital tube

display speed grade, also can through the button control motor story of

inversion, and the motor speed to add and subtract. The system design is

reasonable, complete functions, superior performance, good results in the

actual production, easy to control, simple and flexible configuration

advantages.

Keywords: STC89C52; MCU; PWM speed control

目 录

摘要..................................................................I

ABSTRACT .............................................................II

前言 .................................................................IV

1 绪论 ................................................................1

1.1 课题研究的背景.................................................1

1.2 国内外技术发展的现状..........................................2

1.3 本设计的目标任务...............................................2

2 系统总体方案 ........................................................3

2.1 主控制芯片的选择..............................................3

2.2 显示电路的比较与选择..........................................3

2.3 电机调速控制模块..............................................3

2.4 电源电路与电机驱动电路........................................4

3 系统硬件方案设计 ....................................................5

3.1 系统总电路框图设计............................................5

3.2 系统模块电路设计及原理........................................5

4 系统的软件设计 .....................................................16

4.1 系统的整体程序流程图.........................................16

4.2 数码管 LED 显示程序设计.......................................17

4.3 电机控制子程序...............................................18

5 系统调试 ...........................................................19

5.1 常见的故障分析...............................................19

5.2 系统调试注意事项.............................................19

结论 .................................................................20

参考文献 .............................................................21

致谢 .................................................................22

附录一 硬件原理图 ....................................................23

附录二 程序源代码 ....................................................24

绪论

(1) 课题研究的背景

近些年来,社会在飞速发展,生产力在不断的提高。直流电机的因为应用的

范围广,并且可以满足不同情况下人们对电机的各种近乎苛刻的要求,所以直流

电机的优势 地位越 明显。现在的生产力 就离 人们对电机的高 质量

的要求。 如果仅仅 通过 改变 改变 远远 满足不了人们对电机的要求,生

产力 也跟 ,所以 时用 PWM 方调控直流电机 转速度的 办法就由 此产生。

的调速系统在 长期 用过程中人们发现主要有以下 题有 :模

电路 使 用的时 间越长 ,会因为发 运行 的过程中 损耗 ,并且对 噪声特

敏感 直流电机用 PWM 后, 覆盖 了以 缺点 ,实现了数控,大大的

降低 了成本和 减少 噪音 。并且 PWM 的 开始 非常的高,所以 仅仅靠

感就 可以 到直流电,同时高的 开关频 率,可以 使 电机控制系统 到很 应,

噪音小 抗干扰 非常 节约能耗 远离 在于 保持开关处 工作

可以 减少 主要电路 上运行 损耗 ,并且在不断的研发过程中,不断 改变它 的体

等,现 如今 具有 用的 空间小 损耗小 特点

现在的 工业 生产中,电动机主要提 ,人们在不断的做出 的电

动机来满足生产的 要, 的电动机不断 地接受 验, 遵循 胜劣汰

市场法则 。现在的直流电机 用的 是晶闸 管成功的 取代 了之 前笨重 的发电机系

统。现 如今 电子技术 这使得 直流电机的调控速度向数 化转

单片机技术应用于直流电机, 使得 直流电机的调速进 到一个 的高度。直流

电机较之于交流电机的调速的原理 是类似 的,可以通过 改变 改变 速率。

PWM的 运作 原理 实在 世纪 人们 对此进 深入 的研究和 探讨 但是

个年 的的电器发展 还处 萌芽 阶段 ,所以 技术一直 到广泛的应

用。直到一 九八几 年,电子技术 ,人们已 经能够 有足 的生产力

用,所以PWM技术 才被 发现和 来。现在 出现了 的理论和理论方

PWM技术发展的 局限性 绊脚石瞬间荡然无存 。所以人们pwm技术发展的速度非

,直到现在,以PWM技术 形的多种技术已 在不同 领域得 用。

(2) 国内外技术发展的现状

直流电动机 、制动 ,并且在 切换 不同的速度时可以 平稳 的过 ,所

正是 因为此优势 使得 直流电机在很多 改变 速度和 该笔那 电力方向的 领域

应用的非常多。以 的直流电动机 都是采 用的模 电路 为控制的 手段 ,且有

时会 采取少量 的数 电路 成, 这样组 成的控制系统 硬件 部分的体 非常大,

非常 ,系统不 能灵活 运行 都是 直流电机内 用的控制技术不 能得

到应用和大范围的 广。现在的计 算既 技术非常完 ,很多的控制系统的 运行 程序

可以通过 软件 和计 程来 解决 这样 到的控制系统 使得 人们对直流电

机的控制 更加 便 灵活 使 系统的 性能得 到大 度的提高,并且 节省 了中 间必

的人力成本, 降低 了直流电机的总成本,并且 运行 速度 更快 ,调控 更加 便

最后 当然工作效 度的 到提高。

( 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 在数

码管将速度等级 现出来,本设计的主要任务主要 包括

(1)直流电机的 转控制;

(2)直流电机的 转控制;

(3)直流电机的 速控制;

(4)直流电机的 速控制;

(5)数码管显示电路设计与实现;

(6)单片机最 系统设计;

(7)电机驱动电路设计

宿州学院 本科生 毕业 设计

1系统总体方案

系统总体设计方案的步骤为 选择主控制芯片, 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 个方面 步确定系统

软硬件指 标,最 将设计分为 硬件 软件两 个部分分别 详细概括 ,本 的设

计原理 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 通过数码管将速度等级显示出来

为具体分析 概述 。系统总体方案 下所示:

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1.1 主控制芯片的选择

设计 用STC12C5A60S2单片机 为控制 单片机的 始祖

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Intel的8031单片机,后来随着 F lash rom技术的发展,8031单片机 取得

足的进展,成为目 应用最广泛的8 单片机之一。 其代表型号是 ATMEL

公司

AT89系 广泛应用于 工业测 控系统之中。目 前市场上 有很多 公司都推 出了

51系 兼容 占据 市场上 大部分的 份额 。并且 种现状 持续

中51单片机的应用范围 最广的。 且因为有 其他 的系 列相继推 出,所以51

单片机的成本 不高,对 企业 来说 使 用非常 划算

1.2 显示电路的比较与选择

数码管显示具有 度高、显示 简洁 、成本 低廉 ,可 靠性 高、 应速度

。在实际 程中,人 即便站 在很 位置也能看清楚 数码管显示的 信息

数码管驱动 单, 硬件 驱动 要程序控制,完 用 CPU 的 源。因此

这里采 用 LED 数码管显示 信息

1.3 电机调速控制模块

由三极 成的H PWM电路。用单片机控制 三极 使 工作 占空

开关 确调整电动机转速。 种电路 在管子的 和下 运行 ,所以

转的速度非常的高。H 型线 路了直流电机 改变素 的方向和调 转速的大 。电子

开关就 不具 备这 种优势, 虽然开 的速度 但是 的到达 工作

性也 。所以,在实际的生产过程中,直流电子 用的 H 电路, 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 电源 变压 、整流、 波、 稳压

出。为系统提 供稳 定可 的电源。 说会有一些不 定因 素但 携带 便 ,所以

选择 负责 电源。电机驱动 我采 用大功率电机驱动 用芯片。L298 内部

大功率 H 桥路。具有 高、 使 单,驱动力大等 特点 能够 驱动大功率电机

和控制电机的 转,同时对于电机调速 也是 非常理 的选择。因此 用此种

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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LN2

98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 转、以及电机速度

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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 系统设计

单片机最 系统 整个系统的核心控制部分,以STC89C52单片机为核心,

以外围电路:时 电路、 上点 电路 成。主要完成数 理和转

MCS - 51 系 单片机 是美 国 Intel 公司 在 1980 年 MCS - 48 系 8 单片机之

出的高 8 单片机,此单片机 其稳 定的 性能 、高 比以及 兼容

在各个 领域得 到了最为广泛的应用, 也是我 国目 应用最广的单片机系 。在 性能

和功 方面,MCS - 51 单片机大大优于 MCS - 48 单片机。MCS - 51 系 有多种机

选择 [ 8 ]

(1)单片机内部结

MCS -- 51 系 单片机最 型代表 为 8051,87581,8031, 其型号 和生产

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厂商 的不同,在片内 容量 、中断系统、外围功 模块、最高时 率以及

理器速度等方面有很大的不同, 但它 们的 系统完 全兼容 硬件 系统的 本结

也相 同, 主要的 性能特点如

1 ) 8 CPU.

2 ) 片内 128B RAM ( MCS -- 52 子系 有 256B RAM )

3 ) 片内 4KB R O M / EPR O M ( 8051 / 8751 ) .

4 )

5 ) 个优 级的 5 个中断源结

6 ) 4 个 8 I /O 口 (P0,P1,P2,P3)。

7 ) 个 16 定时 / 计数器(MCS -- 52 子系 有 3 个).

8 )

9 ) 布尔 理器。

MCS - 51 的 有 8031,8051,8751.8051 内部有 4KB R O M,8071 内部有 4K

B EPR O M,8031 片内 R O M; 此之外, 的内部结 全相 同。在单片

机芯片的内部, 其基 本结 通用 CPU 加上 外围芯片的模 ,内部主要 9

个部 通过单一总 线 接而 成。 9 个主要部 件是 :1 个 8 的中 理器( 包括

ALU,ACC,TMP1,TMP2,B 器,PSW 及 应的定时和控制 逻辑 ),4KB / 8KB 程序

器(R O M / EPR O M),128B / 256B 的数 器(RAM),32 I /O 线 (图中 P

0.0 P0.7,P1.0 P1.7,P2.0 P2.7,P3.0 P3.7),中断控制 逻辑 (具有 5 个

中断源,2 个中断优 级),定时器控制 逻辑 (具有 2 个可 程定时器 / 计数器),

行接 控制 逻辑 (具有可 工作 于多 理机通 ,I /O 口扩 通用

器的 行接 ),21 个 器( 包括 程序计数器 PC、 堆栈 针寄

器 SP、程序状 态字存 器 PSW、数 据指 针寄 器 DPTR 等)以及片内 器和时

路( O SC 及 相关 电路 成) [ 9 ]

(2) 电路 逻辑

RST 脚是 位信号 位信号是 高电 持续 24

期(即两 个机器 期) 如果使 用的 6MH z 就需 位信

保持 4us 可以完成

整个 电路 包括 芯片内、外 部分。外部电路产生的 位信号( RST ) 送至施

发器, 片内 电路在 一个机器 的 S5P2 时刻对 发器的 出进

行采样 才得 到内部 要的 信号

按键 位两 种方 按键 的电

图 2。通过 使 与 Vcc 电源 实现。

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