直流電機調(diào)速控制器

1、設計報告參賽題目：直流電機調(diào)速控制器 參賽學院： 參賽隊員： 17摘要這次設計的目的是設計并制作一個直流電機調(diào)速控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對直流電機的調(diào)速控制和電機轉(zhuǎn)速顯示，且具有數(shù)字顯示等功能。使用AT89C51單片機作為整個控制系統(tǒng)的核心部分，用光電編碼器測速，3位的LED數(shù)碼管進行顯示，通過四個三極管搭建的電橋?qū)崿F(xiàn)電機的正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)，改變電機的輸入電壓進行調(diào)速。這次設計的重點有兩個，一是電機的正反轉(zhuǎn)，二是測速并在數(shù)碼管上顯示出來。此系統(tǒng)結(jié)構簡單，應用靈活方便，功能可再擴展、更易于在相關設計中運用，為進一步研究和優(yōu)化直流電機控制方法提供基礎。關鍵詞：AT89C51；測速系統(tǒng)；光電編碼器；直流電機目錄一、前

2、言1二、整體設計方案（比較，論證，選擇）2三、硬件設計：331 主要模塊介紹332 主要器件簡介7四、軟件設計94.1 主程序設計94.2 各個子程序104.2.1顯示子程序104.2.2 轉(zhuǎn)速檢測子程序114.2.3 正反轉(zhuǎn)子程序12五、系統(tǒng)調(diào)試14六、總結(jié)：15參考文獻16附錄：硬件電路圖17一、前言電機的分類：在現(xiàn)代電子產(chǎn)品中，自動控制系統(tǒng)，電子儀器設備、家用電器、電子玩具等等方面，直流電機都得到了廣泛的應用。大家熟悉的錄音機、電唱機、錄相機、電子計算機等，都不能缺少直流電機。所以直流電機的控制是一門很實用的技術。直流電機具有良好的啟動性能和調(diào)速特性，它的特點是啟動轉(zhuǎn)矩大，最大轉(zhuǎn)矩大，能

3、在寬廣的范圍內(nèi)平滑、經(jīng)濟地調(diào)速，轉(zhuǎn)速控制容易，調(diào)速后效率很高。與交流調(diào)速相比，直流電機結(jié)構復雜，生產(chǎn)成本高，維護工作量大。隨著大功率晶體管的問世以及矢量控制技術的成熟，使得矢量控制變頻技術獲得迅猛發(fā)展，從而研制出各種類型、各種功率的變頻調(diào)速裝置，并在工業(yè)上得到廣泛應用。適用范圍：直流調(diào)速器在數(shù)控機床、造紙印刷、紡織印染、光纜線纜設備、包裝機械、電工機械、食品加工機械、橡膠機械、生物設備、印制電路板設備、實驗設備、焊接切割、輕工機械、物流輸送設備、機車車輛、醫(yī)療設備、通訊設備、雷達設備、衛(wèi)星地面接受系統(tǒng)等行業(yè)廣泛應用。高性能的交流傳動應用比重逐年上升，在工業(yè)部門中，用可調(diào)速交流傳動取代直流傳動將

4、成為歷史的必然。盡管如此，我認為設計一個直流電機調(diào)速系統(tǒng)，不論是從學習還是實踐的角度，對一名工程專業(yè)的大學生都會產(chǎn)生積極地作用，有利于提高學習熱情。二、整體設計方案（比較，論證，選擇）1、功能：實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速測量，電機速度調(diào)節(jié)，電機轉(zhuǎn)速顯示以及檢測到換相信號后及時換相。2、測速（霍爾傳感器，光電編碼器） 對于轉(zhuǎn)速測量有很多種方法，我們只要考慮了兩種方案，一個是光電編碼器測量方案，另一個是霍爾元件測量方案。其中霍爾傳感器是一種磁傳感器，用它可以檢測磁場及其變化，可在各種與磁場有關的場合中使用，霍爾傳感器以霍爾效應為工作基礎，是由霍爾元件和它的附屬電路組成的集成傳感器。這種方案的優(yōu)點是結(jié)構簡單，測量

5、那個裝置體積小，量程大，環(huán)境適應能力強，霍爾元件輸出的信號無需放大，從而得到電機轉(zhuǎn)速。光電編碼器利用光電方法，通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸的機械量，幾何位移量轉(zhuǎn)換成相應的電脈沖信號或數(shù)字量輸入電子計算機或顯示儀表，從而獲得機械運動狀態(tài)，位置坐標及其變化量等信息，計算機根據(jù)這些信息給出處理結(jié)果和發(fā)出指令，實現(xiàn)自動控制。光電軸角編碼器，在數(shù)控機床、機器人、伺服傳動技術、自動控制技術等方面得到廣泛的應用。這種方案的有點是：原理構造簡單、易于實現(xiàn)；機械平均壽命長，可達到幾萬小時以上；分辨率高；抗干擾能力較強，信號傳輸距離較長，可靠性較高；有良好的保護構造，維護容易?？刂普崔D(zhuǎn)（繼電器，H橋）3、整體框圖由于時

6、間緊張，小組成員能力有限，我們的方案設計重點突出轉(zhuǎn)速測量、控制正反轉(zhuǎn)和顯示部分。轉(zhuǎn)速測量我們選擇了光電編碼器，把光電編碼器輸出的脈沖輸入給光電耦合器，經(jīng)過轉(zhuǎn)換就可以輸入給單片機，再由單片機控制LED數(shù)碼管進行顯示。反向部分我們采用了4個三極管搭建了一個電橋來實現(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)，并且在正傳反轉(zhuǎn)回路個接入了不同顏色的發(fā)光二極管，這樣就可以通過觀察哪個二極管亮來判斷是正傳還是反轉(zhuǎn)。三、硬件設計：31 主要模塊介紹1、測速模塊 測速使用的是光電編碼器，這是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。光電編碼器是由光柵盤和光電檢測裝置組成。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干

7、個長方形孔。由于光電碼盤與電動機同軸，電動機旋轉(zhuǎn)時，光柵盤與電動機同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出若干脈沖信號，通過計算每秒光電編碼器輸出脈沖的個數(shù)就能反映當前電動機的轉(zhuǎn)速。信號轉(zhuǎn)換使用光電耦合器，通過它把光電編碼器傳過來的信號變成單片機可以接受的信號。圖中4.7K電阻起保護作用。把光電編碼器直接跟電機相連，電機轉(zhuǎn)動光電編碼器輸出12V的矩形波，再經(jīng)過光電耦合器把12V的矩形波變成5V的矩形波，最后把5V的矩形波輸給單片機，單片機再控制數(shù)碼管顯示。2、控制正反轉(zhuǎn)和調(diào)速模塊 由于我們使用的是普通的直流電機，為了節(jié)省時間，簡化電路所以我們通過改變電機的輸入電壓來改變它的轉(zhuǎn)速

8、，在供給電機的電源處接入一個電位器，當改變電位器的接入電阻時，電機的輸入電壓就改變了，從而電機的轉(zhuǎn)速也就改變了。圖中四個三極管的基極分別接單片機的P2.0，P2.1，P2.2，P2.3引腳，單片機的P1.0接了一個按鍵，當需要改變轉(zhuǎn)向的時候，按下按鍵就會給單片機一個信號，單片機收到這個信號然后控制這四個引腳是高電平還是低電平。三極管高電平導通，低電平截至，當Q1和Q4導通時電機正轉(zhuǎn)，當Q3和Q2導通時反轉(zhuǎn)。圖中的四個二極管起保護作用，開關控制電機的啟動和停止。3、顯示模塊 顯示我們采用了一個三位共陽LED數(shù)碼管。LED數(shù)碼管晶、集LED數(shù)碼管、數(shù)碼管實際上是由七個發(fā)光管組成8字形構成的，加上小

9、數(shù)點就是8個。這些段分別由字母a b c d e f g dp來表示。當數(shù)碼管特定的段加上電壓后，這些特定的段就會發(fā)亮，以形成我們眼睛看到的字樣了。如：顯示一個“2”字，那么應當是a亮b亮g亮e亮d亮f不亮c不亮dp不亮。LED數(shù)碼管的主要特點有：能在低電壓、小電流條件下驅(qū)動發(fā)光，能與CMOS、ITL電路兼容。發(fā)光響應時間極短(01s)，高頻特性好，單色性好，亮度高。體積小，重量輕，抗沖擊性能好。壽命長，使用壽命在10萬小時以上，甚至可達100萬小時。成本低。因此它被廣泛用作數(shù)字儀器儀表、數(shù)控裝置、計算機的數(shù)顯器件。顯示驅(qū)動我們用的是74HC164，它是8 位串入、并出移位寄存器。74HC16

10、4 是高速硅門 CMOS 器件，與低功耗肖特基型 TTL (LSTTL) 器件的引腳兼容。74HC164 是 8 位邊沿觸發(fā)式移位寄存器，串行輸入數(shù)據(jù)，然后并行輸出。數(shù)據(jù)通過兩個輸入端（DSA 或 DSB）之一串行輸入；任一輸入端可以用作高電平使能端，控制另一輸入端的數(shù)據(jù)輸入。兩個輸入端或者連接在一起，或者把不用的輸入端接高電平，一定不要懸空。時鐘 (CP) 每次由低變高時，數(shù)據(jù)右移一位，輸入到 Q0， Q0 是兩個數(shù)據(jù)輸入端（DSA 和 DSB）的邏輯與，它將上升時鐘沿之前保持一個建立時間的長度。主復位 (MR) 輸入端上的一個低電平將使其它所有輸入端都無效，同時非同步地清除寄存器，強制所有

11、的輸出為低電平。32 主要器件簡介1、單片機 AT89C51AT89C51是一種帶4K字節(jié)FLASH存儲器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除1000次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。AT89C51 提供以下標準功能：4k字節(jié)Flash閃速存儲器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，32 個I/O 口線，兩個

12、16位定時/計數(shù)器，一個5向量兩級中斷結(jié)構，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。同時，AT89C51可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時/計數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個硬件復位。2、光電耦合器光電耦合器（optical coupler，英文縮寫為OC）亦稱光電隔離器，簡稱光耦。光電耦合器以光為媒介傳輸電信號。它對輸入、輸出電信號有良好的隔離作用，所以，它在各種電路中得到廣泛的應用。目前它已成為種類最多、用途最廣的光電器件之一。光耦合器

13、一般由三部分組成：光的發(fā)射、光的接收及信號放大。輸入的電信號驅(qū)動發(fā)光二極管（LED），使之發(fā)出一定波長的光，被光探測器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過進一步放大后輸出。這就完成了電光電的轉(zhuǎn)換，從而起到輸入、輸出、隔離的作用。由于光耦合器輸入輸出間互相隔離，電信號傳輸具有單向性等特點，因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。3、光電編碼器四、軟件設計4.1 主程序設計#include#defineuintunsignedint#definecharunsignedcharsbit key=p10; /控制電機正反轉(zhuǎn)sbit zheng0=p20;sbit zheng1=p23; sbit Fu0=p22;

14、sbit Fu1=p21;sbit CLK=p03; /給74HC164輸入時鐘方波sbit cc=p04; /串行口輸入端sbit wei0=p00;sbit wei1=p01;sbit wei2=p02;unchar code table=0xfc,ox60,0xda,0xf2,0x66,0xb6,0xbe,0xe0,0xff,0xf6uinttimew;unsignedfloatsr; /sr 為弧長與半徑之比bitflag,keyflag,swap;void show(uintzhi);voidakey();voiddelay(uintshuzi);voidxian(ucharshuz

15、i);voidmain() TMOD=0x02; /設置定時器0的工作方式為2TL0=0x9c;TH0=0x9c;EA=1;ET0=1;EX0=1;IT0=1;while(1)show(w);akey();4.2 各個子程序4.2.1顯示子程序void xian ( uchar shuzi)uchar i , num ;num = table shuzi;for (i=0;i=1; void delay (unsigned int x)uint i , j ;for (i=x;i0;i-)for (j=110 ;j0; j-)4.2.2 轉(zhuǎn)速檢測子程序void show (uint zhi)u

16、char bai,shi,ge;bai = zhi/100;shi=zhi/10%10;ge=zhi%10;wei0 = 1;wei1 = 0;wei2 = 0;xian (bai);delay (3);wei0 = 0;wei1 = 1;wei2 = 0;xian (shi);delay (3);wei0 = 0;wei1 = 0;wei2 = 1;xian (ge);delay (3);4.2.3 正反轉(zhuǎn)子程序voidsudu()interrupt0if(flag) TR0=0; w=(sr*6*107)/(time*100+TL0-156); time=0;TL0=0xb8;flag=0

17、;TR0=1;else TR0=0; w=(sr*6*107)/(time*100+TL0-156); time=0;TL0=0xb8;flag=1;TR0=1;voidT0_time() interrupt1 time+; if(time=65534) time=65533;void akey ( )if (key=0&keyflag=0)delay(15);if (key=0)if(swap)swap=0;zheng0=0;zheng1=0;Fu0=1;Fu1=1;elseswap=1;zheng0=1;zheng1=1;Fu0=0;Fu1=0; keyflag=1;else if (ke

18、y=1&keyflag=1)delay (10);if (key=1&keyflag=1)keyflag = 0;五、系統(tǒng)調(diào)試此課題為基于51單片機的直流電機調(diào)速轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)，能實現(xiàn)直流電機的調(diào)速、轉(zhuǎn)向控制并通過單片機將轉(zhuǎn)速和方向進行顯示。本次設計采用的是keil仿真器進行的軟件調(diào)試，此系統(tǒng)可以開發(fā)應用軟件，以及對電路進行診斷、調(diào)試等。它的具體功能是可以進行CPU仿真，可以單步、跟蹤、斷點和全速運行，而且程序的編譯過程中，可以對設計軟件進行自診斷，并自動給出故障原因。同時用戶調(diào)試程序時，可以通過窗口觀察寄存器的工作狀態(tài)，以便及時發(fā)現(xiàn)和排除編程中可能出現(xiàn)的錯誤。軟件的調(diào)試是利用keil軟件，模塊

19、化調(diào)試，通過觀察存儲單元數(shù)據(jù)的變化，查找并解決程序的語法和邏輯錯誤，具體的調(diào)試步驟如下：1、把系統(tǒng)的各個模塊在仿真軟件中逐個調(diào)試，如顯示模塊。2、對各個需要賦值模塊調(diào)試時，賦入初值，單步調(diào)試，觀察數(shù)據(jù)窗口，看輸出結(jié)果是否為想要的結(jié)果。3、把各個模塊組合起來，全速運行，看程序是否能流暢，是否能實現(xiàn)設計的系統(tǒng)的所有功能。六、總結(jié)： 本課題的核心任務是對串口通信的研究和對電機控制系統(tǒng)的應用設計，本文的研究方案是根據(jù)現(xiàn)有的軟硬件條件，設計單片機的電機控制系統(tǒng)，通過RS232串口連接至PC機，并進行相關性電機控制和顯示實驗。具體內(nèi)容包括如下：一、通過對現(xiàn)在應用比較廣泛、技術比較成熟的串口通信進行研究，并經(jīng)分析論證后設計出以STC89C52單片機為核心控制單元的上位機電機控制系統(tǒng)。二、根據(jù)本設計上位機電機控制系統(tǒng)的設計要求，編寫了系統(tǒng)程序。通過RS232接口連接至PC機，并進行相關性電機控制實驗。三、在設計好的電機控制系統(tǒng)平臺上，進行電機控制系統(tǒng)的軟件開發(fā)，并通過不斷的軟硬件調(diào)試、實物測試，最終開發(fā)出靈活方便、具有一定實用價值的直流電機在線控制系統(tǒng)。通過本次