電機與拖動系統(tǒng)課程設(shè)計(共26頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上課程設(shè)計說明書設(shè)計名稱： 題 目： 學(xué)生姓名： 專 業(yè)： 班 級： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： 日 期： 年 月 日 課程設(shè)計任務(wù)書 專業(yè) 年級 班 一、 設(shè)計題目微型直流電動機的數(shù)字控制器設(shè)計二、 主要內(nèi)容和具體要求1、 設(shè)置有正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速按鍵；2、 顯示馬達的運行狀態(tài)（正反轉(zhuǎn)、停止），顯示轉(zhuǎn)速；3、 測量馬達的反電動勢系數(shù)；4、 測量馬達的力矩系數(shù)；5、 創(chuàng)建馬達的數(shù)學(xué)模型；6、 實現(xiàn)比例控制；7、 實現(xiàn)比例積分控制。三、 進度安排6月1617號：了解任務(wù)要求，確定具體方案6月1819號：電機控制程序設(shè)計6月2021號：鍵盤電路、lcd12864液晶屏子程序設(shè)

2、計6月2224號：上位機通信程序設(shè)計6月2526號：電機 PI 控制設(shè)計四、 完成后應(yīng)上交的材料直流電機數(shù)字控制器論文五、 總評成績姓名-學(xué)號成績分組序號同組人員（簽名）本人貢獻排名指導(dǎo)教師（簽名）指導(dǎo)教師 簽名日期 年 月 日系 主 任 審核日期 年 月 日專心-專注-專業(yè)摘要本文主要設(shè)計一個基于 STC12C5A60S2 單片機的直流電機 PWM 控制系統(tǒng)。PWM 控制提高了調(diào)速范圍，提高了調(diào)速精度，改善了快速性能、功率和功率因數(shù)。系統(tǒng)在設(shè)計中被控對象采用 5V 的直流電機，以 MCS-51 單片機為控制核心，采用 LCD12864 液晶作為顯示元件，進行軟硬件的設(shè)計。硬件電路由 prot

3、el 設(shè)計制作，主要設(shè)計了液晶顯示電路、鍵盤控制電路、復(fù)位電路、測速電路、驅(qū)動電路和測壓電路。軟件設(shè)計在 Keil 開發(fā)平臺用 C 語言編寫，程序采用模塊化設(shè)計方案，包括液初始化程序、晶顯示程序、鍵盤控制程序。 本系統(tǒng) PWM 控制直流電機采用調(diào)壓調(diào)速的方法，整體設(shè)計包括軟件和硬件兩個部分。通過利用單片機產(chǎn)生 PWM 控制信號控制直流電機，詳細介紹脈寬調(diào)制 ( PWM) 控 制原理，直流電機的工作原理和數(shù)學(xué)模型以及用 H型橋電路基本原理設(shè)計的驅(qū)動電路。 通過硬件電路的模擬情況，說明系統(tǒng)運行正常，各個功能模塊實現(xiàn)是可行的，控制精度比較高，能夠滿足系統(tǒng)的基本要求。 關(guān)鍵詞： 單片機 PWM脈寬調(diào)制

4、控制 直流電機 L298N驅(qū)動1、 設(shè)計任務(wù)分析本課題設(shè)計主要的目的是為了能夠準確及時的控制直流電動機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止、加速和減速功能可以準確調(diào)節(jié)控制直流電機的轉(zhuǎn)速。設(shè)計要求中央控制芯片具有定時計數(shù)的功能，一定的程序存儲空間，還要有足夠的IO外接端口。由于本設(shè)計以LCD12864作為人機交流的顯示界面，所以要求中央控制芯片具有一定的電流驅(qū)動能力。LCD、電機控制信號、LED指示燈、獨立按鈕，電壓采集這些都需要占用大量IO接口，所以要求中央控制芯片要有足夠多的外部接口以滿足需要。本設(shè)計要求能準確控制電機的轉(zhuǎn)向以及轉(zhuǎn)速，所以要求電機的控制芯片就有較強的調(diào)速控制功能以及轉(zhuǎn)向控制功能。本設(shè)計要求所采

5、用的的直流電機轉(zhuǎn)速具有一定的可調(diào)空間以及足夠的靈敏度。2、 總體方案設(shè)計2.1 系統(tǒng)控制方案選擇方案1：采用STC公司的STC89C52RC。此單片機價格低，資源多，高性價比，應(yīng)用廣泛，無論是從內(nèi)部構(gòu)造，還是編程方面，51系列單片機都相對簡單容易掌握和使用。 方案2：STC12C5A60S2不但和8051指令、管腳完全兼容，而且速度快8-12倍。內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路,2路PWM,8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換(250K/S)。STC系列單片機支持串口程序燒寫，對開發(fā)設(shè)備的要求很低，開發(fā)時間也大大縮短。由于本設(shè)計需要檢測電機電路的電流，而且要與上位機通信，方案2的stc12C5A60S2芯

6、片具有2個串口，內(nèi)部集成8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換(250K/S)，能更好地實現(xiàn)我們需要的功能，所以我們選取方案2，即STC12C5A60S2芯片作為我們的控制芯片。以下是STC12C5A60S2芯片的功能1.增強型8051 CPU，1T，單時鐘/機器周期，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051； 2.工作電壓：STC12C5A60S2系列工作電壓：5.5V-3.3V（5V單片機）STC12LE5A60S2系列工作電壓：3.6V-2.2V（3V單片機）； 3.工作頻率范圍：0 - 35MHz，相當于普通8051的 0420MHz； 4.

7、用戶應(yīng)用程序空間8K /16K / 20K / 32K / 40K/ 48K/ 52K / 60K / 62K字節(jié)； 5.片上集成1280字節(jié)RAM； 6.通用I/O口（36/40/44個），復(fù)位后為：準雙向口/弱上拉（普通8051傳統(tǒng)I/O口），可設(shè)置成四種模式：準雙向口/弱上拉，推挽/強上拉，僅為輸入/高阻，開漏，每個I/O口驅(qū)動能力均可達到20mA，但整個芯片最大不要超過55Ma； 7. ISP（在系統(tǒng)可編程）/IAP（

8、在應(yīng)用可編程），無需專用編程器，無需專用仿真器  可通過串口（P3.0/P3.1）直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成一片； 8.有EEPROM功能(STC12C5A62S2/AD/PWM無內(nèi)部EEPROM)；9. 看門狗； 10.內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路（外部晶體12M以下時，復(fù)位腳可直接1K電阻到地）； 11.外部掉電檢測電路:在P4.6口有一個低壓門檻比較器，5V單片機為1.32V，誤差為+/-5%,3.3V單片機為1.30V，誤差為+/-3%； 12.時鐘源：外部高精度晶體/時鐘，內(nèi)部R/C振蕩器(溫漂為+/-5%

9、到+/-10%以內(nèi)) 1用戶在下載用戶程序時，可選擇是使用內(nèi)部R/C振蕩器還是外部晶體/時鐘，常溫下內(nèi)部R/C振蕩器頻率為：5.0V單片機為：11MHz15.5MHz，3.3V單片機為：8MHz12MHz，精度要求不高時，可選擇使用內(nèi)部時鐘，但因為有制造誤差和溫漂，以實際測試為準； 13.共4個16位定時器   兩個與傳統(tǒng)8051兼容的定時器/計數(shù)器,16位定時器T0和T1，沒有定時器2，但有獨立波特率發(fā)生器做串行通訊的波特率發(fā)生器，再加上2路PCA模塊可再實現(xiàn)2個16位定時器； 14. 2個時鐘輸出口，可由T0的溢出在P3

10、.4/T0輸出時鐘，可由T1的溢出在P3.5/T1輸出時鐘； 15.外部中斷I/O口7路,傳統(tǒng)的下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷,并新增支持上升沿中斷的PCA模塊， INT0/P3.2,INT1/P3.3,T0/P3.4, T1/P3.5, RxD/P3.0,CCP0/P1.3(也可通過寄存器設(shè)置到P4.2 ), CCP1/P1.4 (也可通過寄存器設(shè)置到P4.3)； 16. PWM(2路）/PCA（可編程計數(shù)器陣列,2路）也可用來當2路D/A使用 也可用來再實現(xiàn)2個定時器 也可用來再實現(xiàn)2個外部中斷(上升沿中

11、斷/下降沿中斷均可分別或同時支持)； 17.A/D轉(zhuǎn)換, 10位精度ADC，共8路，轉(zhuǎn)換速度可達250K/S(每秒鐘25萬次)18.通用全雙工異步串行口(UART)，由STC12 系列是高速的8051，可再用定時器或PCA軟件實現(xiàn)多 串口； 19. STC12C5A60S2系列有雙串口，后綴有S2標志 的才有雙串口，RxD2/P1.2(可通過寄存器設(shè)置到P4.2)， TxD2/P1.3(可通過寄存器設(shè)置到P4.3)； 20.工作溫度范圍：-40 - +85(工業(yè)級) / 0 - 75 (商 業(yè)級)21.封裝：PDIP-40,LQFP-44,LQFP-48 I/O 口不夠時，可用2到3根普通I/

12、O口線外接 74HC164/165/595（均可級聯(lián)）來擴展I/O口, 還可用 A/D做按鍵掃描來節(jié)省I/O口，或用雙CPU,三線通信， 還多了串口。 STC12C5A60S2的引腳如圖2-1所示圖2-1最小系統(tǒng)包括系統(tǒng)時鐘電路，復(fù)位電路、單片機芯片引腳借口，保證了單片機能夠正常的工作。如圖2-2所示圖2-22.2 電機驅(qū)動模塊用普通直流電機。直流電機運轉(zhuǎn)平穩(wěn)精度有一定的保證。直流電機控制的精確度雖然沒有步進電機那樣高但完全可以滿足本題目的要求。通過單片機的PWM輸出同樣可以控制直流電機的旋轉(zhuǎn)速度實現(xiàn)電動車的速度控制。并且直流電機相對于步進電機價格經(jīng)濟。采用電機驅(qū)動芯片L298N。L298N為

13、單塊集成電路高電壓、高電流、四通道驅(qū)動，可直接的對電機進行控制，無須隔離電路。通過單片機的I/O輸入改變芯片控制端的電平即可以對電機進行正反轉(zhuǎn)、停止的操作，非常方便，亦能滿足直流減速電機的大電流要求。調(diào)試時在依照芯片手冊，用程序輸入對應(yīng)的碼值，能夠?qū)崿F(xiàn)對應(yīng)的動作。圖2-3圖2-4本項目驅(qū)動直流電機，實現(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)與測速和遙控。輸入輸出邏輯表真值表2-5通道1通道2輸入輸出控制電機1輸入輸出控制電機2EnAIn1In2OUT1OUT2轉(zhuǎn)向EnBIn3In4OUT3OUT4轉(zhuǎn)向10000停止10000停止0101反傳0101反傳1010正轉(zhuǎn)1010正轉(zhuǎn)1100停止1111停止0XX00停止0XX

14、00停止其中“0”為低電平；“1” 為高電平；“X” 為任何狀態(tài)。表 2-5 L298N輸入輸出邏輯真值表2.3 顯示模塊顯示模塊我使用了lcd12864液晶屏。帶中文字庫的12864是一種具有4位/8位并行、2線或3線串行多種界面方式，內(nèi)部含有國標一級、二級簡體中文字庫的點陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為128×64, 內(nèi)置8192個16*16點漢字，和128個16*8點ASCII字符集.利用該模塊靈活的界面方式和簡單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機交互圖形界面?？梢燥@示8×4行16×16點陣的漢字. 也可完成圖形顯示.低電壓低功耗是其又

15、一顯著特點。由該模塊構(gòu)成的液晶顯示方案與同類型的圖形點陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結(jié)構(gòu)或顯示程序都要簡潔得多，且該模塊的價格也略低于相同點陣的圖形液晶模塊。圖2-6 LCD12864與單片機連線圖2.3.1 上位機通信另外，我們也使用VB軟件做了上位機與單片機通信。通過上位機界面更好地實現(xiàn)人機溝通。Visual Basic是一種由微軟公司開發(fā)的包含協(xié)助開發(fā)環(huán)境的事件驅(qū)動編程語言。從任何標準來說，VB都是世界上使用人數(shù)最多的語言不僅是盛贊VB的開發(fā)者還是抱怨VB的開發(fā)者的數(shù)量。它源自于BASIC編程語言。VB擁有圖形用戶界面（GUI）和快速應(yīng)用程序開發(fā)（RAD）系統(tǒng)，可以輕易的使用DAO、R

16、DO、ADO連接數(shù)據(jù)庫，或者輕松的創(chuàng)建ActiveX控件。程序員可以輕松的使用VB提供的組件快速建立一個應(yīng)用程序。 圖2-7 上位機界面2.4 測壓模塊由于我們采用的系統(tǒng)芯片內(nèi)部集成AD轉(zhuǎn)換功能，所以我們直接通過在與驅(qū)動模塊moto串聯(lián)電阻，由P1.7口來檢測電機的電壓。圖2-8 測壓電路2.5 按鍵模塊鍵盤模塊中，我采用獨立式按鍵電路。特點：1）每個鍵獨立地接入一根數(shù)據(jù)輸入線。2）平時所有的數(shù)據(jù)輸入線都連接成高電平；3）當任何一個按鍵壓下時，與之相連的數(shù)據(jù)輸入線被拉成低電平。4）要判斷是否有鍵按下，只要位處理指令即可。獨立連接式鍵盤優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、使用方便，但隨著鍵數(shù)的增多，所占用的IO口線

17、也增加。該系統(tǒng)的鍵盤由4個獨立鍵盤構(gòu)成。鍵盤的一腳接在單片機的P1.0至P1.4腳上，另外一腳接在電源地上，當有鍵盤按下時對應(yīng)的鍵盤就會有一低電平送到單片機內(nèi)部。為消除觸點式按鍵開關(guān)的機械抖動，單片機內(nèi)部有程序進行消抖處理，然后確定那一個鍵盤被按下后來執(zhí)行程序完成該系統(tǒng)的指定工作。按鍵鍵盤原理圖如圖所示：圖2-9 按鍵圖2.6 測速模塊我們使用光電編碼器來檢測電機的轉(zhuǎn)速。光電編碼器，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。這是目前應(yīng)用最多的傳感器，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個長方形孔。由于光電碼盤與電動機同軸

18、，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。 圖2-10 測速模塊3、 系統(tǒng)軟件設(shè)計3.1 系統(tǒng)流程圖3-1 3.2 顯示模塊軟件設(shè)計3.2.1 LCD12864顯示程序設(shè)計void lcd_init() LCD_PSB = 1; /并口方式 write_com(0x30); /基本指令操作 write_com(0x0C); /顯示開，關(guān)光標 write_com(0x01); /清除LCD的顯示內(nèi)容通過初始化程序使lcd12864開始工作3.2.2 上位機通信顯示下面是

19、VB某段程序：圖3-23.3 按鍵驅(qū)動程序設(shè)計void work() /電機工作狀態(tài) if(zz=0)/正轉(zhuǎn) delay(10); if(zz=0) t=1;t2=1; if(fz=0) /反轉(zhuǎn) delay(10);if(fz=0) t=2;t2=2; if(jias=0) /加速 delay(10);if(jias=0)t=3;if(jians=0) /減速delay(10);if(jians=0) t=4; if(tz=0) /停delay(10);if(tz=0) t=5;switch(t)case 1:zhengzhuan();break;case 2:fanzhuan();break

20、;case 3:jiasu();break;case 4:jiansu();break;case 5:stop();break;default:t=0; 3.4 測壓程序設(shè)計我們采用系統(tǒng)芯片內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換模塊，在單片機P1.7口檢測電機電壓，然后通過計算得出電機電樞電流。程序計算公式： VAL=ADC_RES*4+ADC_RESL; /AD轉(zhuǎn)換值 VOL=(VAL*4.78)/1024; /AD轉(zhuǎn)換的測得值3.5 測速模塊程序設(shè)計通過外部中斷0檢測光電編碼器的高低電平變化，從而計算出轉(zhuǎn)速脈沖，通過公式得出轉(zhuǎn)速。每秒計數(shù)一次脈沖數(shù)w2，電機每轉(zhuǎn)一圈就有10個脈沖，所以轉(zhuǎn)速N=w2*60/10=w2*6/轉(zhuǎn)速r/min3.6 上位機數(shù)字PI控制設(shè)計使用逼近算法，每隔一秒比較一次測得轉(zhuǎn)速值與輸入轉(zhuǎn)速值的大小，然后發(fā)出加速或減速指令給單片機