1、JIU JIANG UNIVERSITY畢畢 業(yè)業(yè) 論論 文（設(shè)文（設(shè) 計(jì)）計(jì)）題目基于單片機(jī)的數(shù)字式直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)英文題目The Design of Digital DC ConverterCircuit Base on MCU院系電子工程學(xué)院專業(yè)電子信息工程姓名胡賓發(fā)年級(jí)大四指導(dǎo)教師謝新文2014 年 6 月摘要.0The Design of Digital DC Converter Circuit Base on MCU.0引言.21.1國(guó)內(nèi)外研究狀況.21.2 課題研究的目的和意義.21.3 預(yù)期達(dá)到的目標(biāo).32.直流電機(jī)控制原理.32.1 單片機(jī)介紹.32.1.1 單片機(jī)概況.

2、32.1.289c51 簡(jiǎn)介.42.1.389C51 結(jié)構(gòu)原理.42.1.489C51 基本功能.錯(cuò)誤！未定義書簽。錯(cuò)誤！未定義書簽。2.2IR2110 功率驅(qū)動(dòng)介紹.62.2.1IR2110 內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖及管腳說(shuō)明.62.2.2IR2110 的自舉電路. 72.3 直流電機(jī)基本調(diào)速方法.73.系統(tǒng)硬件電路.83.1 系統(tǒng)方框圖.83.2 電路各個(gè)模塊的原理.93.2.1 鍵盤輸入電路.93.2.2 穩(wěn)壓可調(diào)電源.93.2.3 復(fù)位和時(shí)鐘電路.103.2.4 顯示電路.113.2.5H 橋 PWM 控制電路.錯(cuò)誤！未定義書簽。錯(cuò)誤！未定義書簽。3.2.6隔離方案電路.錯(cuò)誤！未定義書簽。錯(cuò)誤！

3、未定義書簽。3.2.7 數(shù)據(jù)采集、過(guò)壓反饋保護(hù)電路.錯(cuò)誤！未定義書簽。錯(cuò)誤！未定義書簽。4.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì).124.1程序方框圖.124.2 調(diào)速模塊.134.3數(shù)據(jù)采集.144.4 系統(tǒng)調(diào)試.165.結(jié)束語(yǔ).17參 考 文 獻(xiàn).18基于單片機(jī)的數(shù)字式直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)摘要直流的電動(dòng)機(jī)運(yùn)用在很多場(chǎng)合,不管是工業(yè)上還是現(xiàn)實(shí)里。觀察多種控制直流電機(jī)的芯片我們就可以發(fā)現(xiàn)，盡管效率有了較大的提升,但成本，制做工藝都有了比較高的要求。 本篇論文基于單片機(jī)的數(shù)字式直流調(diào)速電路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的研究是用 89c51 單片機(jī),有設(shè)計(jì)價(jià)格低，功能齊全等好處。論文根據(jù)系統(tǒng)的要求實(shí)現(xiàn)了整體方案設(shè)計(jì)和系統(tǒng)選型， 對(duì)于設(shè)

4、計(jì)的控制方案對(duì)控制系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計(jì)做了仔細(xì)闡述。硬件部分先作了整體設(shè)計(jì)，然后講了以 89c51 單片機(jī)為中心的硬件組成，對(duì)鍵盤電路、測(cè)速電路、LCD1602顯示電路等做了全面講述; 軟件部分運(yùn)用模塊化設(shè)計(jì)思想， 設(shè)計(jì)了各個(gè)模塊的流程圖。闡述了軟件的設(shè)計(jì)思想和方法;實(shí)現(xiàn)了對(duì)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)參數(shù)的設(shè)置、啟動(dòng)、停止、加速、減速和顯示等功能。 運(yùn)用51系列芯片作低成本直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)構(gòu)成、降低系統(tǒng)成本、加強(qiáng)系統(tǒng)性能,符合很多運(yùn)用場(chǎng)合的需求。直流電動(dòng)機(jī)優(yōu)良的調(diào)速特性,調(diào)速平滑，方便，調(diào)速范圍廣，過(guò)載能力大，能承受頻繁的沖擊負(fù)載，實(shí)現(xiàn)頻繁的無(wú)級(jí)快速起動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)；電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)采用

5、微機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制， 是電氣傳動(dòng)發(fā)展的重要方向之一。 運(yùn)用微機(jī)控制后， 這個(gè)調(diào)速系統(tǒng)體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、操作維護(hù)方便，電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)速精度可達(dá)到比較高的水平，靜動(dòng)態(tài)各項(xiàng)指標(biāo)都能很好地滿足工業(yè)生產(chǎn)中高性能電氣傳動(dòng)的需求。關(guān)鍵詞：直流電動(dòng)機(jī)；單片機(jī)；89c51；調(diào)速；LCD1602The Design of Digital DC Converter Circuit Base on MCUAbstractThe DC motor is widely used in many occasions, and it is industrialor reality.and a variety of

6、 DC motor control chip we can see, efficiencyhas beenimproved, but the costof theproductionprocesshaverequirements. Thisthesisisbasedon the MCU digital DC convertercircuitdesign using89c51microcontrollerdesignlow-cost,fullyfunctional advantages. Thesis completed under the requirements of thesystem o

7、verall program design and system selection for the design of thecontrol scheme discussed in detail the control system hardware andsoftware design. The hardware part of the first made the overall design,and then 89c51microcontroller as the core hardware configuration, thekeyboardcircuitspeedcircuit,t

8、heLCD1602displaycircuitweredescribed in detail; software part of the modular design concept, thepreparation of the various modules flowchart. Discusses the softwaredesign and methods; a DC motor rotation parameter settings, start, stop,acceleration, deceleration, and display functions. Low-cost DC m

9、otorcontrol system design, using 51 chips to simplify the system structure,reducing system cost and enhance system performance and meet the needsof many applications.Keywords:DC of motor;micro controller; 89C51; governor; the LCD1602引言1.1國(guó)內(nèi)外研究狀況直流電機(jī)問(wèn)世已有一百四十多年的歷史。 在設(shè)計(jì)和制造技術(shù)上有很大進(jìn)步, 新材料、 新技術(shù)的應(yīng)用以及整流電源的普及

10、, 促進(jìn)了一般工業(yè)用直流電機(jī)的不斷擴(kuò)大, 品種的日益繁多。從小至數(shù)瓦, 大到萬(wàn)余千瓦, 廣泛地用于冶金、礦山、煤炭、起重運(yùn)輸、機(jī)床制造、紡織印染等各個(gè)部門中, 特別是近幾年電子計(jì)算技術(shù)廣泛應(yīng)用在直流電機(jī)設(shè)計(jì)制造中。從直流電動(dòng)機(jī)的演變歷史, 也可以縱觀直流電動(dòng)機(jī)的發(fā)展歷史和動(dòng)向、從四十年代后期到五十年代的前期, 直流電動(dòng)機(jī)的電源主要是采用 M-G 電動(dòng)發(fā)電機(jī)組,六十年代初, 電動(dòng)發(fā)電機(jī)組電源已被水銀整流器逐漸代替, 到六十年代后期, 由于可控硅整流裝置的出現(xiàn), 并得到迅速發(fā)展, 可控硅整流電源已占統(tǒng)治地位。由于直流電源供電方式的不斷更新?lián)Q代, 特別是在最近的十幾年期問(wèn), 進(jìn)一步促使了直流電動(dòng)機(jī)的

11、單機(jī)功率、 轉(zhuǎn)速不斷提高, 目前朝著高速、 大功率方向發(fā)展。 另外, 由于絕緣技術(shù)和分析技術(shù)的進(jìn)步, 直流電動(dòng)機(jī)已迅速向小型輕量, 低慣量方面發(fā)展。隨著各種技術(shù)的進(jìn)步和研究的展開(kāi),諸多高質(zhì)量的直線電機(jī)產(chǎn)品和科研成果紛紛出現(xiàn)。 新型磁性材料和控制技術(shù)、冷卻方法的出現(xiàn),為應(yīng)用經(jīng)濟(jì)高速高動(dòng)力直線電機(jī)創(chuàng)造了條件。1.2 課題研究的目的和意義在現(xiàn)代工業(yè)中， 電動(dòng)機(jī)作為電能轉(zhuǎn)換的傳動(dòng)裝置被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、 冶金、石油化學(xué)、國(guó)防等工業(yè)部門中，隨著對(duì)生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品質(zhì)量的要求不斷提高和產(chǎn)量 的 增 長(zhǎng) ， 越 來(lái) 越 多 的 生 產(chǎn) 機(jī) 械 要 求 能 實(shí) 現(xiàn) 自 動(dòng) 調(diào) 速 制 砂 機(jī) 。機(jī)械設(shè)備的負(fù)載特性為

12、恒轉(zhuǎn)矩位能負(fù)載，起動(dòng)力矩較大，選用變頻器時(shí)適當(dāng)?shù)亓粲杏嗔浚硎倦姍C(jī)轉(zhuǎn)矩已足夠大，打開(kāi)液壓機(jī)械制動(dòng)器，重車可上行;減速過(guò)程中，當(dāng)變頻器的頻率下降到0.2Hz 時(shí)，表示電機(jī)轉(zhuǎn)矩已較小，液壓機(jī)械制動(dòng)器制動(dòng)停車。緊急狀態(tài)時(shí)，按下緊急停車按鈕，變頻器能耗制動(dòng)和液壓機(jī)械制動(dòng)器同時(shí)起作用， 使機(jī)械設(shè)備在盡量短的時(shí)間內(nèi)停車烘干機(jī)。輸變電行業(yè)增加速度穩(wěn)固開(kāi)展斜井機(jī)械設(shè)備的動(dòng)力由繞線式電機(jī)提供， 采用轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速。低速時(shí)機(jī)械特性較軟， 靜差率較大;電阻上消耗的轉(zhuǎn)差功率大，節(jié)能較差;起動(dòng)過(guò)程和調(diào)速換擋過(guò)程中電流沖擊大;中高速運(yùn)行震動(dòng)大，大多數(shù)中小型礦井采用斜井絞車提升，傳統(tǒng)斜井機(jī)械設(shè)備普遍采用替換繞線式電機(jī)串電阻

13、調(diào)速系統(tǒng)，安全性較差。長(zhǎng)期以來(lái)， 自動(dòng)調(diào)速電動(dòng)機(jī)一直占據(jù)著調(diào)速控制的統(tǒng)治地位。由于它具有良好的線性調(diào)速特性，簡(jiǎn)單的控制性能，高效率，優(yōu)異的動(dòng)態(tài)特性，現(xiàn)在仍是大多數(shù)調(diào)速控制電動(dòng)機(jī)的最優(yōu)選擇。因此研究直流電機(jī)的速度控制，有著重要的意義。1.3預(yù)期達(dá)到的目標(biāo)(1)讓單片機(jī)能夠操作直流電機(jī)的正轉(zhuǎn)；(2)讓單片機(jī)能操作直流電機(jī)的反轉(zhuǎn)；(3)能夠用液晶顯示轉(zhuǎn)速；(4)讓單片機(jī)可以操作直流電機(jī)的正轉(zhuǎn)時(shí)的加，減速；(5)讓單片機(jī)能夠控制直流電機(jī)的反轉(zhuǎn)時(shí)的加，減速；2.直流電機(jī)控制原理2.1 單片機(jī)介紹單片機(jī) （嵌入式應(yīng)用） 屬于專用計(jì)算機(jī)， 主要應(yīng)用于智能儀表、 智能傳感器、智能家電、智能辦公設(shè)備、汽車及軍事

14、電子設(shè)備等應(yīng)用系統(tǒng)。 單片機(jī)體積小、價(jià)格低、 可靠性高， 其非凡的嵌入式應(yīng)用形態(tài)對(duì)于滿足嵌入式應(yīng)用需求具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。2.1.1單片機(jī)概況單片機(jī)是一種集成在電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)時(shí)器等功能(可能還包括顯示驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路)集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 單片微型計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)稱單片機(jī)，是典型的嵌入式微控制器，常用英文字母的縮寫MCU表示單片機(jī)，它最早是被用在工業(yè)控制領(lǐng)域。單片機(jī)由芯片內(nèi)僅有CPU的專用處理器發(fā)展而來(lái)。本論文

15、用到的是ATMEL公司MCS-51系列的89C51。2.1.289c51簡(jiǎn)介AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。2.1.389C51結(jié)構(gòu)原理89C51的CPU是單片機(jī)里面的主要部件，也是一個(gè)八位二進(jìn)制數(shù)的中央處理單元。大部分由運(yùn)算器、控制器和寄存器陣列組成。AT89C51 單片機(jī)里面有 256 個(gè)字節(jié)的RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和 4KB 的閃存程序存儲(chǔ)器（Flash） ，如果不夠用時(shí)，可分別擴(kuò)展為64KB外部RAM存儲(chǔ)器和64KB外部程

16、序存儲(chǔ)器。AT89C51 單片機(jī)對(duì)外部電路進(jìn)行控制或交換信息都是通過(guò)I/O端口進(jìn)行的。89C51的管腳圖如圖2.1所示。圖2.1 89c51的管腳圖1.觸發(fā)方式如下圖 2.2 所示。圖 2.2中斷觸發(fā)方式圖 2.316x16 行掃描鍵盤模塊2.數(shù)碼管顯示： 在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中通常使用的是8段式LED數(shù)碼管顯示器，它有共陰極（如圖 2.4a）和共陽(yáng)極（如圖 2.4b）兩種。圖 2.48 段數(shù)碼管共陰極和共陽(yáng)極原理圖2.2IR2110 功率驅(qū)動(dòng)介紹2.2.1IR2110 內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖及管腳說(shuō)明IR2110是一種雙通道高壓，高速電壓型功率開(kāi)關(guān)器件柵極驅(qū)動(dòng)器，具有自舉浮動(dòng)電源，驅(qū)動(dòng)電路非常簡(jiǎn)單，只用

17、一路電源可同時(shí)驅(qū)動(dòng)上下橋臂。但它有本身的缺陷，不能產(chǎn)生負(fù)壓，在抗干擾方面比較薄弱。圖2.5 IR2110內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖2.2.2IR2110 的自舉電路在驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)中，IR2110 的自舉電路可以有效的保護(hù) IGBT。IR2110 自舉電路的原理圖如圖 2.6 所示。圖 2.6IR2110 自舉電路原理圖2.3 直流電機(jī)基本調(diào)速方法PWM 又被稱為“開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置”,如圖 2.8所示。圖 2.8 電樞電壓占空比和平均電壓的關(guān)系圖改變占空比 D 的值有三種方法：(1)定寬調(diào)頻法：保持t1不變，只改變 t，這樣使周期(或頻率)也隨之改變。(2)調(diào)寬調(diào)頻法：保持 t 不變，只改變t1，這樣使周期(或頻率

18、)也隨之改變。(3)定頻調(diào)寬法：保持周期T(或頻率)不變，同時(shí)改變t1和t。3.系統(tǒng)硬件電路3.1 系統(tǒng)方框圖通過(guò)系統(tǒng)的方案比較與選擇，擬定方案，采用 MC51 單片機(jī)、IR2110 功率驅(qū)動(dòng)芯 片構(gòu)成整個(gè)系統(tǒng)的核心實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)的調(diào)速。圖 3.1 系統(tǒng)方框圖系統(tǒng)總體框圖如圖 3.1 所示。PWM 控制是由 IR2110 驅(qū)動(dòng)和 4 片 IGBT 管構(gòu)成的,只需要通過(guò) MC51 單片機(jī)控制產(chǎn)生 PWM 信號(hào)即可。3.2 電路各個(gè)模塊的原理3.2.1 鍵盤輸入電路本系統(tǒng)采用鍵盤，如下圖3.2所示。通過(guò)按鍵，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，以及加 速和減速等功能。圖 3.2 按鈕電路3.2.2 穩(wěn)壓可調(diào)電源

19、由于不同的電壓值，更多的需要的系統(tǒng)，因?yàn)殡姼蓴_對(duì)大功率在正常工作時(shí)，如果只有一組電源防止干擾， 為此在設(shè)計(jì)時(shí)采用了兩組可調(diào)的穩(wěn)壓電源為系統(tǒng)控制單元和驅(qū)動(dòng)單元單獨(dú)供電。具體設(shè)計(jì)電路圖如下圖 3.4 所示,圖 3.4 穩(wěn)壓可調(diào)電源電路原理圖3.2.3 復(fù)位和時(shí)鐘電路防備體系在突發(fā)狀況下發(fā)生死機(jī)等題目， 特意研發(fā)復(fù)位電路舉行對(duì)程序計(jì)數(shù)器的 PC 重新賦值并且重新開(kāi)始作業(yè)，依據(jù) 51 系列單片機(jī)的特征，運(yùn)用經(jīng)典的復(fù)位電路的接法，不但可以在上電時(shí)自動(dòng)復(fù)位，還可以在程序操作中手動(dòng)復(fù)位，手動(dòng)復(fù)位僅僅需要按下復(fù)位電路中的按鍵就可以。如下圖 3.5：圖 3.5復(fù)位和時(shí)鐘電路3.2.4 顯示電路顯 示 電 路 用

20、 8 段 數(shù) 碼 管 顯 示 。 下 圖3.6 為 8 段 數(shù) 碼 管 外 觀 結(jié) 構(gòu)圖 3.68 段數(shù)碼外觀結(jié)構(gòu)圖 3.7TS1620 引腳圖表 3.1TS1620 的引腳與功能表4.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1程序方框圖直流電機(jī)控制系統(tǒng)緊要是 51 單片機(jī)為中心系統(tǒng)，系統(tǒng)程序由主程序 (包括若干功能模塊)、 中斷子程序和很多子流程構(gòu)成。 實(shí)現(xiàn)具體的某個(gè)功效,比如測(cè)量、計(jì)算、顯示、鍵盤掃描、輸出操控等。本論文總程序如下。圖 4.1系統(tǒng)程序流程圖4.2 調(diào)速模塊系統(tǒng)中的電機(jī)轉(zhuǎn)速與電機(jī)兩端的電壓成比例， 而電機(jī)兩端的電壓與控制波形的占空比成正比，根據(jù)單片機(jī)定時(shí)器 0 中斷方式產(chǎn)生 PWM 脈沖，定時(shí)器計(jì)數(shù)

21、到規(guī)定的時(shí)間后輸出來(lái)端口完成高低電平轉(zhuǎn)換，完成PWM 輸出。進(jìn)而調(diào)節(jié)電機(jī)兩端電壓與控制波形的占空比，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)調(diào)速。如下圖所示。4.2PWM 型波軟件軟件設(shè)計(jì)程序流程圖PWM 的調(diào)速原理主要程序：voidPWM_output(ucharduty)CCAP4H=duty;voidp_control(unitset_speed,unitspeed)if(set_speed=speed)temp=temp+5;if(temp255)temp=255;Pam_output(temp);elsetemp=temp-3;if(temp20)temp=20;Pam_output(temp);4.3數(shù)據(jù)采集測(cè)速

22、模塊，通過(guò)收集到信號(hào)輸出端每輸出一個(gè)周期的方波波形，代表轉(zhuǎn)過(guò)了一個(gè)齒輪。再根據(jù)LED呈現(xiàn)出速度的快慢進(jìn)而實(shí)現(xiàn)操控。圖 4.3 為信號(hào)采集程序流程圖。圖 4.3 數(shù)據(jù)采集流程圖數(shù)據(jù)采集部分程序：voidkey_scan() p1_5=0;set_speed=speedPID_flag=1;if(p1_0=0)delay2();if(p1_0=0)while(p1_0=0);if(enter_flag=1)enter_flag=0;elseenter_flag=1;if(enter_flag=1)if(p1_1=0)delay2();if(p1_1=0)while(p1_1=0);set_spee

23、d=set_speed+8;if(p1_2=0)delay2();if(p1_2=0)while(p1_2=0);set_speed=set_speed-8;4.4 系統(tǒng)調(diào)試調(diào)試過(guò)程,接 5V 直流電機(jī)，在不同占空比負(fù)載電壓U負(fù)、IGBT 柵極和集電極電壓UGE輸出情況和電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向如下表 4.1。表.15V直流電機(jī)的測(cè)試情況根據(jù)上表可以知道：當(dāng)占空比為 50%電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，占空比的增大或降低電機(jī)轉(zhuǎn)速也隨著越來(lái)越快速。根據(jù)改變占空比從而可以完成對(duì)直流電機(jī)的調(diào)速。5.結(jié)束語(yǔ)本文的優(yōu)勢(shì)明顯，采用c51編程，程序占用內(nèi)存少，速度快，并能準(zhǔn)確把握?qǐng)?zhí)行時(shí)間，很好的控制。同時(shí)由于采用89C51為CPU，和抗噪能力的PWM控制技術(shù)，串口擴(kuò)展顯示接口和I/O接口擴(kuò)展的鍵盤，這樣可以節(jié)省RAM芯片，具有體積小，功能齊全，緊湊和靈活，操作方便，又可安裝在工作現(xiàn)場(chǎng)單獨(dú)工作，當(dāng)然本論文最大的創(chuàng)新是用到了LCD1602 顯示，能夠更加直觀的觀察顯示的結(jié)果，這樣無(wú)論在讀數(shù)還是在美觀方面都是數(shù)碼管不能比的。 從而擁有較大的實(shí)用價(jià)值和較好的運(yùn)用遠(yuǎn)景。 特別是可以從經(jīng)濟(jì)角度來(lái)考量本次設(shè)計(jì)，如果用技術(shù)較為先進(jìn)的芯片實(shí)現(xiàn)同樣的功能， 成本方面肯定會(huì)大大提升。現(xiàn)在的畢業(yè)設(shè)計(jì)就是對(duì)過(guò)去所學(xué)的知識(shí)的綜合應(yīng)用， 是對(duì)理論進(jìn)行深化和重新認(rèn)識(shí)的實(shí)踐活動(dòng)。知識(shí)不斷得到鞏固和提高，但我相信，