直流電機速度控制器設計

1、 直流電機速度控制器設計 摘要速度是直流電機運行中的一個重要物理量，如何準確、快速而又方便地控制電機速度極為重要。本文闡述了基于AT89C52單片機的直流電機速度控制系統(tǒng)的設計特點，介紹了在Proteus仿真軟件中，對直流電機進行速度控制的相關算法及軟、硬件實現(xiàn)。設計中軟件設計采用C語言編程，硬件設計DAC方式驅(qū)動電動機。另外還可以通過鍵盤輸入改變直流電機速度值。最后對實驗數(shù)據(jù)進行了分析。關鍵詞：直流電機；AT89C52；DAC；速度控制Abstract: Speed is an important physical quantity in the operation of the DC-mo

2、tor. How to control the speed of DC-motor exactly, rapidly and conveniently is highly significant.This paper describes the design characteristics of the DC-motor speed control system which based on the AT89C52 single chip,and introduces the related algorithms which controls the DC-motor speed and su

3、ccessful possibility in soft part and hardware part in the Proteus simulation software . The software part uses C language to program, hardware part uses DAC to drive motor. It can also change the DC-motor speed values through the input of the keyboards . Finally the experimental datas are analyzed.

4、Keywords: DC-motor; AT89C52; DAC; speed control 18目錄1 設計任務51.1 設計目的和意義51.2 設計任務與要求52 系統(tǒng)設計52.1 總體方案設計52.2 芯片選型與具體電路設計62.2.1 單片機的選型62.2.2 振蕩電路的設計72.2.3 電源和復位電路的設計72.2.5按鍵電路的設計112.3 系統(tǒng)總體電路122.4 系統(tǒng)所用元器件123 軟件系統(tǒng)設計133.1 軟件系統(tǒng)總體設計方案133.2 軟件系統(tǒng)流程圖134 系統(tǒng)調(diào)試155 總結165.1 本系統(tǒng)存在的問題及改進措施165.2 心得體會16參考文獻17附錄：直流電機速度控制器

5、的源程序清單181 設計任務1.1 設計目的和意義 直流電機具有良好的起動、制動性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。近年來，交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展很快，然而直流拖動系統(tǒng)無論是在理論上還是在實踐上都比較成熟，并且從反饋閉環(huán)控制的角度來看，它又是交流拖動控制系統(tǒng)的基礎，所以直流調(diào)速系統(tǒng)在生活中有著舉足輕重的作用。雖然隨著電力技術的發(fā)展，特別是在大功率電力電子器件問世以后，直流電機拖動將有逐步被交流電機拖動所取代的趨勢，但在中、小功率場合，常采用永磁直流電動機。早期的直流電動機的控制均以模擬電路為基礎，采用運算放大器、非線性集成電路以及少量的數(shù)字電路組

6、成，控制的硬件部分非常復雜，功能單一，而且系統(tǒng)非常不靈活，調(diào)試困難。隨著單片機技術的不斷進步，數(shù)字量代替模擬量使得許多控制功能及算法可以采用軟件技術來完成，為直流電動機的速度控制提供了更大的靈活性，并使系統(tǒng)能夠達到更高的穩(wěn)定性能，同時還具有軟特性好，過載能力強，調(diào)速穩(wěn)定等優(yōu)勢。因此，本課題的研究具有很好的實際意義。1.2 設計任務與要求本次課程設計利用D/A轉(zhuǎn)換器和按鍵設計一個直流電動機轉(zhuǎn)速控制器。按鍵定義如下：0 鍵表示停止，1 鍵表示1/10轉(zhuǎn)速， 2鍵表示2/10轉(zhuǎn)速9鍵表示最高速（D/A輸出滿量程），鍵號每加1，D/A輸出增加0.5V。2 系統(tǒng)設計2.1 總體方案設計根據(jù)系統(tǒng)的要求，確

7、定系統(tǒng)的總體方案如圖1所示。其中單片機作為整個系統(tǒng)的核心，讀取按鍵的狀態(tài)量，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，輸出數(shù)字量至DAC轉(zhuǎn)換模塊，從而控制直流電機的電壓。 按鍵單片機DAC直流電機 圖1 系統(tǒng)總體設計方案2.2 芯片選型與具體電路設計2.2.1 單片機的選型本設計采用的單片機是AT89C52，其部分原理圖如圖2所示。 圖2 AT89C52芯片外形結構和引腳分布AT89C52提供以下功能特性：1、兼容MCS51指令系統(tǒng) 2、8k可反復擦寫(大于1000次）Flash ROM； 3、32個雙向I/O口； 4、256x8bit內(nèi)部RAM； 5、3個16位可編程定時/計數(shù)器中斷； 6、時鐘頻率0-24MHz；

8、7、2個串行中斷，可編程UART串行通道； 8、2個外部中斷源，共8個中斷源； 9、2個讀寫中斷口線，3級加密位； 10、低功耗空閑和掉電模式，軟件設置睡眠和喚醒功能； 11、有PDIP、PQFP、TQFP及PLCC等幾種封裝形式，以適應不同產(chǎn)品的需求。2.2.2 振蕩電路的設計 該電路主要有電容C2、C3和12MHz晶振X1組成。其組成原理圖如圖3所示，圖中XTAL1為芯片內(nèi)部振蕩電路的輸入端，XTAL2為芯片內(nèi)部振蕩電路的輸出端。 圖3 振蕩電路 2.2.3 電源和復位電路的設計 單片機通常采用的復位方式有上電復位和按鈕復位兩種。本次設計用到的復位方式是按鈕電平復位。其原理圖如圖4所示。當

9、按下按鈕SW時，電容對R4迅速放電，RESET端變?yōu)楦唠娖剑琑ESET松開后，電容通過電阻R4進行充電，RESET端恢復低電平。 圖4 復位電路 2.2.4 ADC的選型與單片機接口電路的設計 本設計中采用的數(shù)模轉(zhuǎn)換器為DAC0832。DAC0832 是由美國國家半導體公司研制的 8 位雙緩沖器D/A轉(zhuǎn)換器。芯片內(nèi)帶有資料鎖存器，可與數(shù)據(jù)總線直接相連。電路有極好的溫度跟隨性，使用了COMS電流開關和控制邏輯而獲得低功耗、低輸出的泄漏電流誤差。芯片采用R-2RT型電阻網(wǎng)絡，對參考電流進行分流完成D/A轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換結果以一組差動電流IOUT1和IOUT2輸出。 2.2.4.1 DAC0832 主要性

10、能參數(shù)：分辨率8位；轉(zhuǎn)換時間1s；參考電壓±10V；單電源+5V+15v；功耗 20mW。2.2.4.2 DAC0832 的結構 DAC0832 的內(nèi)部結構如圖5所示。DAC0832 中有兩級鎖存器，第一級鎖存器稱為輸入寄存器，它的鎖存信號為ILE；第二級鎖存器稱為DAC寄存器，它的鎖存信號為傳輸控制信號 XFER 。因為有兩級鎖存器，DAC0832可以工作在雙緩沖器方式，即在輸出模擬信號的同時采集下一個數(shù)字量，這樣能有效地提高轉(zhuǎn)換速度。此外，兩級鎖存器還可以在多個D/A轉(zhuǎn)換器同時工作時，利用第二級鎖存信號來實現(xiàn)多個轉(zhuǎn)換器同步輸出。圖5中ILE為高電平、CS和WR1為低電平時，ILE

11、為高電平，輸入寄存器的輸出跟隨輸入而變化；此后，當WR1由低變高時，ILE為低電平，資料被鎖存到輸入寄存器中，這時的輸入寄存器的輸出端不再跟隨輸入資料的變化而變化。對第二級鎖存器來說，XFER和WR2同時為低電平時，ILE為高電平，DAC寄存器的輸出跟隨其輸入而變化；此后，當WR2由低變高時，ILE變?yōu)榈碗娖剑瑢⑤斎爰拇嫫鞯馁Y料鎖存到DAC寄存器中。 圖5 DAC0832的邏輯框圖和引腳排列 2.2.4.3 DAC0832的引腳特性 DAC0832是20引腳的雙列直插式芯片。各引腳的特性如下： CS ： 片選信號，和允許鎖存信號ILE組合來決定WR1是否起作用。ILE： 允許鎖存信號。 WR1

12、： 寫信號1,作為第一級鎖存信號，將輸入資料鎖存到輸入寄存器（此時，WR1必須和 CS 、ILE同時有效）。 WR2： 寫信號2，將鎖存在輸入寄存器中的資料送到DAC寄存器中進行鎖存此時，傳輸控制信號XFER必須有效）。 XFER： 傳輸控制信號，用來控制WR2。 DI7DI0：8 位數(shù)據(jù)輸入端。 IOUT1： 模擬電流輸出端1。當DAC寄存器中全為1時，輸出電流最大，當DAC寄存器中全為0時，輸出電流為0。 IOUT2： 模擬電流輸出端2。IOUT1 +IOUT2 =常數(shù)。 RFB： 反饋電阻引出端。DAC0832內(nèi)部已經(jīng)有反饋電阻，所以，RFB端可以直接接到外部運算放大器的輸出端。相當于將

13、反饋電阻接在運算放大器的輸入端和輸出端之間。 VREF： 參考電壓輸入端，可接電壓范圍為±10V。外部標準電壓通過VREF與T型電阻網(wǎng)絡相連。 VCC： 芯片供電電壓端。范圍為+5V+15V，最佳工作狀態(tài)是+15V。 AGND： 模擬地，即模擬電路接地端。 DGND： 數(shù)字地，即數(shù)字電路接地端。 2.2.4.4 DAC0832 的工作方式 DAC0832有3種工作方式： 單緩沖方式：單緩沖方式是控制輸入寄存器和 DAC寄存器同時接收資料，或者只用輸入寄存器而把DAC寄存器接成直通方式。此方式適用只有一路模擬量輸出或幾路模擬量異步輸出的情形。 雙緩沖方式：雙緩沖方式是先使輸入寄存器接收

14、資料，再控制輸入寄存器的輸出資料到DAC寄存器，即分兩次鎖存輸入資料。此方式適用于多個D/A轉(zhuǎn)換同步輸出的情節(jié)。 直通方式： 直通方式是資料不經(jīng)兩級鎖存器鎖存，即WR1，WR2，XFER，CS 均接地，ILE接高電平。此方式適用于連續(xù)反饋控制線路，不過在使用時，必須通過另加I/O接口與CPU連接，以匹配CPU與D/A轉(zhuǎn)換。 DAC0832及其外部電路如圖6所示。本設計中選用的是單緩沖型方式，即將P2.6與CS連接。當P2.6=0時，輸入寄存器工作，其端口地址為0BFFFH。 圖6 DAC0832及其外部電路圖 2.2.5 按鍵電路的設計 原理圖如圖7所示。 圖7 按鍵電路原理圖2.2.6 直流

15、電機部分 原理圖如圖8所示。 圖8 直流電機及其驅(qū)動電路2.3 系統(tǒng)總體電路系統(tǒng)總體電路圖如圖9所示。 圖9 系統(tǒng)總體電路圖 2.4 系統(tǒng)所用元器件 本系統(tǒng)所用的元器件清單如表1所示。表1 本系統(tǒng)所用的元器件元器件名稱數(shù)量電阻1k1電阻7.5k1電阻10k1電阻15k2電容10uF1電容10pF2單片機AT89C521數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC08321運算放大器2直流電機1按鍵開關11晶振12MHz1電源VCC導線若干3. 軟件系統(tǒng)設計3.1 軟件系統(tǒng)總體設計方案 根據(jù)系統(tǒng)要求，軟件系統(tǒng)總體設計方案圖如圖10所示。系統(tǒng)初始化系統(tǒng)主程序鍵盤掃描程序DAC數(shù)字輸出程序 圖10 軟件系統(tǒng)總體設計方案圖3.2

16、 軟件系統(tǒng)流程圖 根據(jù)系統(tǒng)要求，軟件系統(tǒng)流程圖如圖11所示。 圖11 軟件系統(tǒng)流程圖直流電機速度控制是本次設計的最主要任務，在這次設計中需要DAC0832輸出10個不同的模擬電壓值，即DAC0832輸入的數(shù)字量是10個不同值。這些值通個開關來控制，即每一個開關確定P0口輸出的一個值。具體程序如下：while(1)if(K0=0) DAC0832=0;/對應輸出的電壓為0if(K1=0) DAC0832=25;if(K2=0) DAC0832=51;if(K3=0) DAC0832=77;if(K4=0) DAC0832=102;if(K5=0) DAC0832=128;if(K6=0) DAC

17、0832=154;if(K7=0) DAC0832=179;if(K8=0) DAC0832=205;if(K9=0) DAC0832=255; /對應輸出電壓為5Delayms(20);4 系統(tǒng)調(diào)試當按下K0K9鍵后，得到的不同電壓輸出值如表2所示。表2 電壓輸出值按鍵序號理想電壓值實際電壓值K00.00V0.00VK10.50V0.50VK21.00V 1.00VK31.50V1.51VK42.00V2.02VK52.50V2.49VK63.00V2.99VK73.50V3.50VK84.00V3.97VK95.00V4.95V由表2可知，本設計已經(jīng)基本上達到了本次課程設計的要求，即每一個

18、按鍵對應一個電壓輸出值。5. 總結5.1 本系統(tǒng)存在的問題及改進措施在直流電機速度控制器的設計當中，主要涉及到2個問題：1、DA轉(zhuǎn)換器輸出的電壓完全達不到所給的要求，這是因為所選用的DA轉(zhuǎn)換芯片DAC0832精度有限所致。DAC0832是一個8位的轉(zhuǎn)換器，根據(jù)輸出模擬量與被轉(zhuǎn)換的數(shù)字量D的關系可知，肯定會存在誤差。如要減少誤差，只有提高DA轉(zhuǎn)換精度。 2、一開始本設計采用的DA轉(zhuǎn)換器輸出方式為雙極性輸出，沒有鍵按下的時候，相當于輸出的數(shù)字量為0，根據(jù)輸出模擬量與被轉(zhuǎn)換的數(shù)字量D的關系可知，此時直流電機兩端的輸出電壓為-5V。后來在老師的提醒下改為單極性輸出，在沒有鍵按下的時候直流電機兩端的輸出電壓變?yōu)?V，從而解決了這個問題。附