2017畢業(yè)論文-基于at89s52的pwm控制直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)

1、<p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要2</b></p><p><b>　　1 緒論3</b></p><p>　　1.1 直流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展概況3</p><p>　　1.2 本課題研究目的及意義4</p>&

2、lt;p>　　1.3 論文主要研究內(nèi)容4</p><p>　　2 直流調(diào)速及PWM控制原理5</p><p>　　2.1 直流電機(jī)調(diào)速原理5</p><p>　　2.2 PWM脈寬調(diào)制原理6</p><p>　　3 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖及單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計8</p><p>　　3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計原理圖

3、8</p><p>　　3.2 AT89S52單片機(jī)簡介8</p><p>　　3.3 系統(tǒng)中所用其他芯片簡介10</p><p>　　3.3.1 芯片ADC080910</p><p>　　3.3.2 芯片74LS7411</p><p>　　3.3.3 芯片LM32412</p><

4、p>　　3.4 系統(tǒng)主要部分電路介紹13</p><p>　　3.4.1 最小系統(tǒng)電路13</p><p>　　3.4.2 測速電路13</p><p>　　3.4.3 調(diào)速電路14</p><p>　　3.4.4 顯示電路15</p><p>　　3.4.5 驅(qū)動電路15</p>&l

5、t;p><b>　　總結(jié)16</b></p><p><b>　　致謝17</b></p><p>　　附錄1 源程序：18</p><p>　　附錄2 原理圖：22</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　轉(zhuǎn)速是

6、直流電機(jī)運(yùn)行中的一個重要物理量，如何準(zhǔn)確、快速測量出電機(jī)轉(zhuǎn)速，并且實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的調(diào)速在實(shí)際工作中具有非常大的使用價值。直流電機(jī)具有非常好的調(diào)速性能，目前，在一些對調(diào)速性能要求比較嚴(yán)格的場合中，主要使用的還是直流調(diào)速系統(tǒng)。本文闡述了基于AT89S52單片機(jī)的直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，硬件系統(tǒng)主要包括：A/D轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)、控制驅(qū)動環(huán)節(jié)、測速環(huán)節(jié)、LCD顯示環(huán)節(jié)及相關(guān)硬件電路；軟件設(shè)計采用C語言編程。該系統(tǒng)采用PWM脈沖方式驅(qū)動電動機(jī)，通過調(diào)節(jié)電位器

7、來調(diào)節(jié)PWM脈沖寬度，利用光電開關(guān)測量電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，并在液晶顯示屏(LCD)上實(shí)時顯示電機(jī)的轉(zhuǎn)速值。從而，在電動機(jī)轉(zhuǎn)速的可控范圍內(nèi)控制電動機(jī)轉(zhuǎn)速。最后對整個設(shè)計過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行了分析。</p><p>　　關(guān)鍵詞：直流調(diào)速； LCD顯示； PWM控制； C程序</p><p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　1.1 直流調(diào)

8、速系統(tǒng)發(fā)展概況</p><p>　　在現(xiàn)代工業(yè)中，電動機(jī)作為電能轉(zhuǎn)換的傳動裝置被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、冶金、石油化學(xué)、國防等工業(yè)部門中，隨著對生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品質(zhì)量的要求不斷提高和產(chǎn)量的增長，越來越多的生產(chǎn)機(jī)械要求能實(shí)現(xiàn)自動調(diào)速。</p><p>　　在可調(diào)速傳動系統(tǒng)中，按照傳動電動機(jī)的類型來分，可分為兩大類：直流調(diào)速系統(tǒng)和交流調(diào)速系統(tǒng)。交流電動機(jī)直流具有結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、維修簡便、轉(zhuǎn)動慣量小等優(yōu)

9、點(diǎn)，但主要缺點(diǎn)為調(diào)速較為困難。相比之下，直流電動機(jī)雖然存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價格較高、維修麻煩等缺點(diǎn)，但由于具有較大的起動轉(zhuǎn)矩和良好的起、制動性能以及易于在寬范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速，因此直流調(diào)速系統(tǒng)在一些對調(diào)速性能要求較高的系統(tǒng)中有很大的使用價值。</p><p>　　直流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展得力于微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、永磁材料技術(shù)、自動控制技術(shù)和微機(jī)應(yīng)用技術(shù)的最新發(fā)展成就。正是這些技術(shù)的進(jìn)步使直流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)生翻天

10、覆地的變化。其中電機(jī)的控制部分已經(jīng)由模擬控制逐漸讓位于以單片機(jī)為主的微處理器控制，形成數(shù)字與模擬的混合控制系統(tǒng)和純數(shù)字控制系統(tǒng)，并正向全數(shù)字控制方向快速發(fā)展。電動機(jī)的驅(qū)動部分所用的功率器件亦經(jīng)歷了幾次更新?lián)Q代。目前開關(guān)速度更快、控制更容易的全控型功率器件MOSFET和IGBT成為主流。功率器件控制條件的變化和微電子技術(shù)的使用也使新型的電動機(jī)控制方法能夠得到實(shí)現(xiàn)。脈寬調(diào)制控制方法在直流調(diào)速中獲得了廣泛的應(yīng)用。</p><

11、;p>　　1964年A.Schonung和H.stemmler首先提出把PWM技術(shù)應(yīng)用到電機(jī)傳動中從此為電機(jī)傳動的推廣應(yīng)用開辟了新的局面。進(jìn)入70年代以來，體積小、耗電少、成本低、速度快、功能強(qiáng)、可靠性高的大規(guī)模集成電路微處理器已經(jīng)商品化，把電機(jī)控制推上了一個嶄新的階段，以微處理器為核心的數(shù)字控制（簡稱微機(jī)數(shù)字控制）成為現(xiàn)代電氣傳動系統(tǒng)控制器的主要形式。PWM常取代數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）用于功率輸出控制，其中，直流電機(jī)的速度控制是最

12、常見的應(yīng)用。</p><p>　　隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，對直流電氣傳動在起制動、正反轉(zhuǎn)以及調(diào)速精度、調(diào)速范圍、靜態(tài)特性、動態(tài)響應(yīng)等方面都提出了更高的要求，這就要求大量使用直流調(diào)速系統(tǒng)。因此人們對直流調(diào)速系統(tǒng)的研究將會更深一步。</p><p>　　1.2 本課題研究目的及意義</p><p>　　直流電動機(jī)是最早出現(xiàn)的電動機(jī)，也是最早實(shí)現(xiàn)調(diào)速的電動機(jī)。長期以來，直流電

13、動機(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，簡單的控制性能，高效率，優(yōu)異的動態(tài)特性，現(xiàn)在仍是大多數(shù)調(diào)速控制電動機(jī)的最優(yōu)選擇。因此研究直流電機(jī)的速度控制，有著非常重要的意義。</p><p>　　隨著單片機(jī)的發(fā)展，數(shù)字化直流PWM調(diào)速系統(tǒng)在工業(yè)上得到了廣泛的應(yīng)用，控制方法也日益成熟。它對單片機(jī)的要求是：具有足夠快的速度；有PWM口，用于自動產(chǎn)生PWM波；有捕捉功能，用于測頻；有A/D轉(zhuǎn)換器、用來

14、對電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速、輸出電壓和電流的模擬量進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換；有各種同步串行接口、足夠的內(nèi)部ROM和RAM，以減小控制系統(tǒng)的無力尺寸；有看門狗、電源管理功能等。因此該實(shí)驗(yàn)中AT89S52單片機(jī)做為控制芯片。</p><p>　　通過設(shè)計基于AT89S52單片機(jī)的直流PWM調(diào)速系統(tǒng)并調(diào)試得出結(jié)論，在掌握AT89S52的同時進(jìn)一步加深對直流電動機(jī)調(diào)速方法的理解，對運(yùn)動控制的相關(guān)知識進(jìn)行鞏固。</p><

15、;p>　　1.3 論文主要研究內(nèi)容</p><p>　　本課題的研究對象為直流電動機(jī)，對其轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制?；舅枷胧抢肁T89S52產(chǎn)生PWM脈沖，通過調(diào)整PWM的占空比，控制電機(jī)的電樞電壓，進(jìn)而控制轉(zhuǎn)速。</p><p>　　系統(tǒng)硬件設(shè)計為：以AT89S52為核心，由轉(zhuǎn)速環(huán)、顯示、按鍵控制、A/D轉(zhuǎn)換等電路組成。</p><p><b>　　具體內(nèi)

16、容如下：</b></p><p>　?。?）介紹直流電動機(jī)工作原理及PWM調(diào)速方法。</p><p>　　（2）完成以AT89S52為控制核心的直流電機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)硬件設(shè)計。</p><p>　?。?）以該系統(tǒng)的特點(diǎn)為基礎(chǔ)進(jìn)行分析，使用PWM控制電機(jī)調(diào)速。</p><p>　?。?）對該數(shù)字式直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的性能做出總結(jié)。&l

17、t;/p><p>　　2 直流調(diào)速及PWM控制原理</p><p>　　2.1 直流電機(jī)調(diào)速原理</p><p>　　直流電動機(jī)根據(jù)勵磁方式不同，直流電動機(jī)分為自勵和他勵兩種類型。不同勵磁方式的直流電動機(jī)機(jī)械特性曲線有所不同。但是對于直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速有以下公式： </p><p>　　其中：U—電壓；—勵磁繞組本身的電阻；—每極磁通(Wb)；Cc

18、—電勢常數(shù)；Cr—轉(zhuǎn)矩常量。由上式可知，直流電機(jī)的速度控制既可采用電樞控制法，也可采用磁場控制法。磁場控制法控制磁通，其控制功率雖然較小，但低速時受到磁極飽和的限制，高速時受到換向火花和換向器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的限制，而且由于勵磁線圈電感較大，動態(tài)響應(yīng)較差。所以在工業(yè)生產(chǎn)過程中常用的方法是電樞控制法。</p><p>　　圖2-1 直流電機(jī)的工作原理圖</p><p>　　電樞控制是在勵磁電壓不變的

19、情況下，把控制電壓信號加到電機(jī)的電樞上，以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。傳統(tǒng)的改變電壓方法是在電樞回路中串聯(lián)一個電阻，通過調(diào)節(jié)電阻改變電樞電壓，達(dá)到調(diào)速的目的，這種方法效率低、平滑度差，由于串聯(lián)電阻上要消耗電功率，因而經(jīng)濟(jì)效益低，而且轉(zhuǎn)速越慢，能耗越大。隨著電力電子的發(fā)展，出現(xiàn)了許多新的電樞電壓控制方法。如：由交流電源供電，使用晶閘管整流器進(jìn)行相控調(diào)壓；脈寬調(diào)制(PWM)調(diào)壓等等。調(diào)壓調(diào)速法具有平滑度高，能耗少，精度高等優(yōu)點(diǎn)。在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用其中

20、脈寬調(diào)制(PWM)應(yīng)用更為廣泛。</p><p>　　2.2 PWM脈寬調(diào)制原理</p><p>　　PWM脈沖寬度調(diào)制技術(shù)就是通過對一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值）的技術(shù)。下式是占空比計算公式：</p><p>　　式中t1表示一個周期內(nèi)開關(guān)管導(dǎo)通的時間，T表示一個周期的時間。</p><p>　　占空比D

21、表示了在一個周期里，開關(guān)管導(dǎo)通的時間與周期的比值，變化范圍為0≤D≤1。由上式可知，當(dāng)電源電壓不變的情況下，電樞的端電壓的平均值為，因此改變占空比D就可以改變端電壓的平均值，從而達(dá)到調(diào)速的目的，這就是PWM調(diào)速原理。</p><p>　　在PWM調(diào)速時，占空比是一個重要參數(shù)。以下是三種可改變占空比的方法：</p><p>　　（1）定寬調(diào)頻法:保持不變，改變，從而改變周期（或頻率）。<

22、;/p><p>　?。?）調(diào)寬調(diào)頻法：保持不變，改變，從而改變周期（或頻率）。</p><p>　?。?）定頻調(diào)寬法：保持周期（或頻率）不變，同時改變、。</p><p>　　前2種方法由于在調(diào)速時改變了控制脈沖的周期（或頻率），當(dāng)控制脈沖的頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近時，將會引起振蕩，因此應(yīng)用較少。目前，在直流電動機(jī)的控制中，主要使用第3種方法。</p>&

23、lt;p>　　定頻調(diào)寬法是利用一個固定的頻率來控制電源的接通或斷開，并通過改變一個周期內(nèi)“接通”和“斷開”時間的長短，即改變直流電機(jī)電樞上電壓的“占空比”來改變平均電壓的大小，從而控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，因此，PWM又被稱為“開關(guān)驅(qū)動裝置”。如圖所示： </p><p>　　圖2-2電樞電壓占空比和平均電壓的關(guān)系圖</p><p>　　3 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖及單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計</p&g

24、t;<p>　　3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計原理圖</p><p>　　3.2 AT89S52單片機(jī)簡介</p><p>　　1．AT89S52單片機(jī)的基本組成</p><p>　　AT89S52單片機(jī)由CPU和8個部件組成，它們都通過片內(nèi)單一總線連接，其基本結(jié)構(gòu)依然是通用CPU加上外圍芯片的結(jié)構(gòu)模式，但在功能單元的控制上采用了特殊功能寄存器的集中控制方法。

25、其基本組成如下圖所示：</p><p>　　圖3-1 AT89S52單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　2．CPU及8個部件的作用功能介紹如下</p><p>　　中央處理器CPU：它是單片機(jī)的核心，完成運(yùn)算和控制功能。</p><p>　　內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器：AT89S52芯片中共有256個RAM單元，能作為存儲器使用的只是前128個單元，其

26、地址為00H—7FH。通常說的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器就是指這前128個單元，簡稱內(nèi)部RAM。</p><p>　　特殊功能寄存器：是用來對片內(nèi)各部件進(jìn)行管理、控制、監(jiān)視的控制寄存器和狀態(tài)寄存器，是一個特殊功能的RAM區(qū)，位于內(nèi)部RAM的高128個單元，其地址為80H—FFH。</p><p>　　內(nèi)部程序存儲器：AT89S52芯片內(nèi)部共有8K個單元，用于存儲程序、原始數(shù)據(jù)或表格，簡稱內(nèi)部ROM。&

27、lt;/p><p>　　并行I/O口：AT89S52芯片內(nèi)部有4個8位的I/O口（P0，P1，P2，P3），以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行輸入輸出。</p><p>　　串行口：它是用來實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和其他設(shè)備之間的串行數(shù)據(jù)傳送。</p><p>　　定時器：AT89S52片內(nèi)有3個16位的定時/計數(shù)器，用來實(shí)現(xiàn)定時或者計數(shù)功能，并且以其定時或計數(shù)結(jié)果對計算機(jī)進(jìn)行控制。</p>

28、;<p>　　中斷控制系統(tǒng)：該芯片共有6個中斷源，即外部中斷2個，定時/計數(shù)中斷3個和串行中斷1個。</p><p>　　振蕩電路：它外接石英晶體和微調(diào)電容即可構(gòu)成AT89S52單片機(jī)產(chǎn)生時鐘脈沖序列的時鐘電路。</p><p>　　3．AT89S52單片機(jī)引腳圖</p><p>　　圖3-2 AT89S52單片機(jī)封裝圖</p><

29、;p>　　3.3 系統(tǒng)中所用其他芯片簡介</p><p>　　3.3.1 芯片ADC0809 </p><p><b>　　1. 芯片簡介</b></p><p>　　ADC0809是8位、逐次比較式A/D轉(zhuǎn)換芯片，具有地址鎖存控制的8路模擬開關(guān)，應(yīng)用單一的+5V電源，其模擬量輸入電壓的范圍為0V--+5V，其對應(yīng)的數(shù)字量輸出為00H--

30、FFH，轉(zhuǎn)換時間為100μs，無須調(diào)零或者調(diào)整滿量程。</p><p>　　2. ADC0809的引腳及其功能</p><p>　　ADC0809有28個引腳，其中IN0--IN7接8路模擬量輸入。ALE是地址鎖存允許 、 接基準(zhǔn)電源，在精度要求不太高的情況下，供電電源就可以作為基準(zhǔn)電源。START是芯片的啟動引腳，其上脈沖的下降沿起動一次新的A/D轉(zhuǎn)換。EOC是轉(zhuǎn)換結(jié)束

31、信號，可以用于向單片機(jī)申請中斷或者供單片機(jī)查詢。OE是輸出允許端。CLK是時鐘端。DB0---DB7是數(shù)字量的輸出。ADDA、ADDB、ADDC接地址線用以選定8路輸入中的一路，詳見下圖表。</p><p>　　圖3-3 ADC0809內(nèi)部結(jié)構(gòu)及封裝圖</p><p>　　表3-1 ADC0809的選通輸入表</p><p>　　3.3.2 芯片74LS74 <

32、;/p><p>　　74LS74內(nèi)含兩個獨(dú)立的D上升沿雙d觸發(fā)器，每個觸發(fā)器有數(shù)據(jù)輸入（D）、置位輸入（）復(fù)位輸入（）、時鐘輸入（CP）和數(shù)據(jù)輸出Q。、的低電平使輸出預(yù)置或清除，而與其它輸入端的電平無關(guān)。當(dāng)、均無效（高電平式）時，符合建立時間要求的D數(shù)據(jù)在CP上升沿作用下傳送到輸出端。</p><p>　　74ls74功能表:</p><p>　　表3-2 74LS74

33、功能表</p><p>　　圖3-4 74LS74內(nèi)部結(jié)構(gòu)及封裝圖</p><p>　　3.3.3 芯片LM324 </p><p>　　LM324系列器件為價格便宜的帶有真差動輸入的四運(yùn)算放大器。與單電源應(yīng)用場合的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器相比，它們有一些顯著優(yōu)點(diǎn)。該四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的電源下，靜態(tài)電流為MC1741的靜態(tài)電流的五分之一。共模輸入范圍

34、包括負(fù)電源，因而消除了在許多應(yīng)用場合中采用外部偏置元件的必要性。每一組運(yùn)算放大器有5個引出腳，其中“+”、“-”為兩個信號輸入端，“V+”、“V-”為正、負(fù)電源端，“Vo”為輸出端。兩個信號輸入端中，Vi-（-）為反相輸入端，表示運(yùn)放輸出端Vo的信號與該輸入端的位相反；Vi+（+）為同相輸入端，表示運(yùn)放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位相同。LM324的引腳排列見下圖。</p><p>　　圖3-4 LM324內(nèi)部

35、結(jié)構(gòu)及封裝圖</p><p>　　3.4 系統(tǒng)主要部分電路介紹</p><p>　　3.4.1 最小系統(tǒng)電路</p><p>　　最小系統(tǒng)電路是每個單片機(jī)系統(tǒng)所必須的電路部分，主要包括晶振電路和復(fù)位電路，如上圖所示。</p><p>　　3.4.2 測速電路</p><p>　　圖中J1是一個光電開關(guān)，用來檢測電機(jī)軸上

36、圓盤轉(zhuǎn)動所發(fā)出的脈沖信號，采集信號后經(jīng)放大器放大傳給單片機(jī)的T1引腳，進(jìn)行計算，進(jìn)而經(jīng)過程序控制測出電機(jī)轉(zhuǎn)速。</p><p>　　3.4.3 調(diào)速電路</p><p>　　本論文中PWM脈寬的調(diào)制是經(jīng)過上面電路進(jìn)行的。通過電位器調(diào)節(jié)輸入電壓值，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，將數(shù)據(jù)送入單片機(jī)，利用輸入的數(shù)據(jù)對PWM脈寬進(jìn)行對應(yīng)的調(diào)節(jié)，進(jìn)而輸出脈寬可變的PWM脈沖。控制按鈕S2是電機(jī)全壓運(yùn)行啟停按鈕，當(dāng)S

37、1按下，則進(jìn)入PWM調(diào)速狀態(tài)，可以通過電位器對電機(jī)進(jìn)行平滑調(diào)速。</p><p>　　3.4.4 顯示電路</p><p>　　鑒于價格和顯示效果等方面的比較，本設(shè)計中最終選用1602LCD液晶顯示器，結(jié)果表明比較理想。</p><p>　　3.4.5 驅(qū)動電路</p><p>　　由于從單片機(jī)輸出的PWM脈沖信號比較弱，因此，不能直接對電機(jī)

38、進(jìn)行驅(qū)動，如上圖所示，我們對PWM信號進(jìn)行放大。我們采用LM324芯片作為放大器，將信號放大約50倍，然后通過驅(qū)動三極管導(dǎo)通關(guān)斷來控制電機(jī)。</p><p><b>　　總結(jié)</b></p><p>　　本文所述的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)是以低價位的單片微機(jī)AT89S52為核心的，而通過單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)整又有多種途徑，相對于其他用硬件或者硬件與軟件相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)對電機(jī)進(jìn)行

39、調(diào)整，采用PWM軟件方法來實(shí)現(xiàn)的調(diào)速過程具有更大的靈活性和更低的成本，它能夠充分發(fā)揮單片機(jī)的效能，對于簡易速度控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了一種有效的途徑。而在軟件方面，曾嘗試采用PID算法來進(jìn)行閉環(huán)控制，但由于時間和自身所掌握的知識問題，最終沒有能夠?qū)崿F(xiàn)。因此，本設(shè)計存在很多缺陷，本人會在以后的學(xué)習(xí)過程中逐步對這些問題進(jìn)行克服。</p><p><b>　　致謝</b></p><

40、;p>　　經(jīng)過近一個月對設(shè)計課題的學(xué)習(xí)研究，本次課程設(shè)計圓滿結(jié)束。在這次畢業(yè)設(shè)計中，要特別感謝我們的計算機(jī)控制系統(tǒng)老師王新教授給予的耐心細(xì)致的指導(dǎo)，對于在設(shè)計過程中所遇到的許多具體問題，他均提出了相應(yīng)的解決方案。還要感謝很多同班同學(xué)給予的幫助，正是由于老師和同學(xué)們的幫助，我的這次課程設(shè)計才能夠順利的完成。</p><p>　　需要的qq聯(lián)系 實(shí)物 +程序 都有</p><p><