毕业设计(论文)-基于单片机控制器设计.doc
《毕业设计(论文)-基于单片机控制器设计.doc》由会员分享,可在线阅读,更多相关《毕业设计(论文)-基于单片机控制器设计.doc(33页珍藏版)》请在三一文库上搜索。
1、1 引言1.1 课题研究的背景由于直流电动机具有良好的线性调速特性,简单的控制性能,在工业场合应用广泛。近代,由于生产技术的发展,对电气传动在起制动、正反转以及调速精度、调速范围、静态特性、和动态响应方面都提出了更高的要求,寻找更高效、更可靠、成本更低的直流电机控制方法成为新世纪研究的热点。近十几年来,单片机作为微计算机一个很重要的分支,应用广泛,发展迅速,已经对人类社会产生了深远的影响。单片机在生产过程控制、自动检测、数据采集及处理、科技计算、商业管理及办公室自动化等方面获得了广泛的应用。单片机具有体积小、重量轻、耗能省、价格低可靠性和通用灵活性等特点,尤其是美国Intel公司生产的MCS-
2、51系列单片机,由于其具有集成度高、处理功能强、可靠性好、结构简单、价格低廉、易于使用等优点,在我国已经得到广泛的应用。由于MCS-51单片机易于学习、掌握、性能价格比高,另外以MCS-51单片机的基本内核为核心的各种扩展型、增强型的单片机不断推出,所以在今后若干年内,MCS-51系列单片机仍是我国在单片机应用领域中首选机型。单片机技术在自动控制领域中有着十分广泛的应用。如汽车、航空、电话、传真、视频等,很多行业设计自动控制情况下,通常会涉及单片机技术。本课题介绍一种基于51单片机的直流电机闭环调速系统设计控制器设计,控制系统采用89C51单片机控制,用PWM驱动控制电机。调速系统按照其调速方
3、式不同可以分为开环调速和闭环调速两种。所谓开环调速系统就是由控制部分直接控制电机运转,无需对电机实际转速进行检测;而所谓闭环调速就是通过转速测量电路测量电机转速,将结果在反馈给控制系统对电机进行控制。两种方法相比较而言,开环调速结构相对简单,而闭环调速精度较高,难度也较大,本文就将采用闭环调速方式。1.2 国内外研究现状电机控制技术的发展得力于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料技术、自动控制技术和微机应用技术的最新发展成就。正是这些技术的进步使电动机控制技术在近二十多年内发生了天翻地覆的变化。其中电机的控制部分已由模拟控制逐渐让位于以单片机为主的微处理器控制,形成数字与模拟的混合控
4、制系统和纯数字控制系统,并正向全数字控制方向快速发展。电动机的驱动部分所用的功率器件经历了几次更新换代。目前开关速度更快、控制更容易的全控型功率器件MOSFET 和 IGBT 成为主流。功率器件控制条件的变化和微电子技术的使用也使新型的电动机控制方法能够得到实现。脉宽调制控制方法在直流调速中获得了广泛的应用。1964 年A.Schonung 和H.stemmler 首先提出把 PWM 技术应用到电机传动中,从此为电机传动的推广应用开辟了新的局面。进入70年代以来,体积小、耗电少、成本低、速度快、功能强、可靠性高的大规模集成电路微处理器已经商品化,把电机控制推上了一个崭新的阶段,以微处理器为核心
5、的数字控制(简称微机数字控制)成为现代电气传动系统控制器的主要形式。PWM 常取代数模转换器(DAC)用于功率输出控制,其中,直流电机的速度控制是最常见的应用。通常 PWM 配合桥式驱动电路实现直流电机调速,非常简单,且调速范围大。在直流电动机的控制中,主要使用定频调宽法。目前,电机调速控制模块主要有以下三种:(1)采用电阻网络或数字电位器调整直流电机的分压,从而达到调速的目的;(2)采用继电器对直流电机的开或关进行控制,通过开关的切换对电机的速度进行调整;(3)采用由 IGBT 管组成的 H 型 PWM 电路。用单片机控制 IGBT 管使之工作在占空比可调的开关状态,精确调整电动机转速。 1
6、.3 本课题的主要工作本课题的主要目的主要是完成直流电机闭环调速系统设计控制器设计。主要的内容包括:主要的设计内容为通过按键设置电机的转速,单片机时刻检测直流电机的转速。当检测到的转速与设置的转速出现偏差的时候,单片机通过控制输出PWM脉冲的占空比来控制电机的转速。同时检测的电机的转速通过数码管显示出来。硬件设计要求如下:1、系统电源设计:为整个系统提供不同大小的电源;2、AT89C51基本工作电路设计:使单片机正常工作;3、复位电路:为单片机提供高电平复位信号;4、时钟电路:为单片机提供时钟信号;5、按键电路:设定电机速度上限;6、电机驱动电路:为单片机控制电机提供驱动电路;7、显示电路:显
7、示当前的电机的转动速度;软件设计要求如下:1、 单片机的初始化;2、 按键扫描程序;3、 显示程序;4、 PWM控制子程序;本课题预期目的能够完成硬件的设计,软件的设计,已经能够实现软件和硬件的联合调试,最后达到能够通过键盘按键增加或者减小电机的速度上限,单片机控制电机的速度在设定的范围内,并把测量的电机速度通过LED显示出来。2 直流电机调速基本理论随着社会的发展,各种智能化的产品日益走入寻常百姓家。为了实现产品的便携性、低成品以及对电源的限制,小型直流电机应用相当广泛。对直流电机的速度调节,我们可以采用多种办法,本文在给出直流电机调整和PWM实现方法的基础上,提供一种用单片机软件实现PWM
8、 调速的方法。2.1 直流电机调速原理根据励磁方式不同,直流电机分为自励和他励两种类型。不同励磁方式的直流电机机械特性曲线有所不同。对于直流电机来说,人为机械特性方程式为: (1)式中:、额定电枢电压、额定磁通量; 、与电机有关的常数; 、电枢外加电阻、电枢内电阻;、理想空载转速、转速降;分析(1)式可得当分别改变、和时,可以得到不同的转速n,从而实现对速度的调节,即直流电机的变速主要有3种方式:1控制电枢电压改变电机的转速。2控制电机的励磁电流改变电机的转速。3在电枢回路中,串联电阻改变电机的转速。由于,当改变励磁电流时,可以改变磁通量的大小,从而达到变磁通调速的目的。但由于励磁线圈发热和电
9、动机磁饱和的限制,电动机的励磁电流和磁通量只能在低于其额定值的范围内调节,故只能弱磁调速。而对于调节电枢外加电阻时,会使机械特性变软,导致电机带负载能力减弱。对于他励直流电机来说,当改变电枢电压时,分析人为机械特性方程式,得到人为特性曲线如图1所示。理想空载转速随电枢电压升降而发生相应的升降变化。不同电枢电压的机械特性曲线相互平行,说明硬度不随电枢电压的变化而改变,电机带负载能力恒定。当我们平滑调节他励直流电机电枢两端电压时,可实现电机的无级调速。图1 直流电机机械特性曲线基于以上特性,改变电枢电压,实现对直流电机速度调节的方法被广泛采用。改变电枢电压可通过多种途径实现,如晶闸管供电速度控制系
10、统、大功率晶体管速度控制系统、直流发电机供电速度控制系统及晶体管直流脉宽调速系统等。2.2 PWM 基本原理PWM是通过控制固定电压的直流电源开关频率,从而改变负载两端的电压,进而达到控制要求的一种电压调整方法。PWM可以应用在许多方面,如电机调速、温度控制、压力控制等。在PWM驱动控制的调整系统中,按一个固定的频率来接通和断开电源,并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小,从而控制电动机的转速。因此,PWM又被称为“开关驱动装置”。如图2所示,在脉冲作用下,当电机通电时,速度增加;电机断电时,速度逐渐减少。只要按一定规律
11、,改变通、断电的时间,即可让电机转速得到控制。图2 电枢电压“占空比”与平均电压关系罔设电机始终接通电源时,电机转速最大为Vmax设占空比为D=t1T,则电机的平均速度为:Vd=DVmax (2)其中:Vd电机的平均速度;。D 脉冲的占空比,范围在01之间;Vmax 电机全通电时的速度(最大);由公式(2)可见,当我们改变占空比D时,就可以得到不同的电机平均速度 ,从而达到调速的目的。电机的电枢电压即受单片机输出脉宽控制,实现了利用脉冲宽度调制技术(PWM)进行直流电机的变速。严格地讲,平均速度Vd与占空比D并不是严格的线性关系,在一般的应用中,可以将其近似地看成线性关系。2.3 PWM 控制
12、信号的实现PWM 控制信号的产生方法有 4 种:(1)分立电子元件组成的 PWM 信号发生器这种方法是用分立的逻辑电子元件组成 PWM 信号电路。它是最早期的方式,现在已被淘汰了。(2)软件模拟法利用单片机的一个 I/O 引脚,通过软件对该引脚不断地输出高低电平来实现PWM 波输出。这种方法易于实现,但要占用 CPU 大量时间,需要很高的单片机性能。(3)专用 PWM 集成电路从 PWM 控制技术出现之日起,就有芯片制造商生产专用的 PWM 集成电路芯片,现在市场上已有许多种。这些芯片除了有 PWM 信号发生功能外,还有“死区”调节功能、保护功能等。在单片机控制直流电动机系统中,使用专用 PW
13、M 集成电路可以减轻单片机负担,工作也更可靠。(4)单片机的 PWM 口新一代的单片机增加了许多功能,其中包括 PWM 功能。单片机通过初始化设置,使其能自动地发出 PWM 脉冲波,只有在改变占空比时 CPU 才进行干预。方法(2)可实施性强,系统采用此方法产生 PWM 信号。3 硬件设计分析直流电机闭环调速系统硬件由电源电路,电机控制电路、复位电路、晶振电路、单片机系统和人机接口等部分组成。3.1 硬件设计任务从设计的总体目标和设计需求出发,此次毕业设计的硬件设计主要任务有:1、系统电源设计:为整个系统提供不同大小的电源;2、AT89C52基本工作电路设计:使单片机正常工作;3、复位电路:为
14、单片机提供高电平复位信号;4、时钟电路:为单片机提供时钟信号;5、按键电路:设定电机速度上限;6、电机驱动电路:为单片机控制电机提供驱动电路;7、显示电路:显示当前的电机的转动速度;这也是本章的主要内容,其结构框图见图3,下面将对各部分进行详细分析。图3 系统结构框图3.2 系统电源设计由于整个系统都是用单片机和各类芯片及电阻、电容组成的,其工作电压为5V,不需要负电压,可采用三端固定正电压集成稳压器7805系列的芯片。其输出电压5V,按输出电流不同可分为78M05、78L05,输出电流分别为0.5A和1.0A,转换成功率分别为2.5W和5W。从整个系统的设计来看,其中有几块集成芯片和多个电阻
15、、电容等器件,其功率总和应在2W左右,所以考虑整个系统的功率裕量,采用78M05作为整个系统的供电芯片。图4 稳压电源设计 后面接电容C1、C2为滤波电容进行滤波,注意电解电容应该要有一定裕量,否则不能起到很好的滤波效果。本电路中使用的电容大小为470uf,耐压为25伏。78M05的输出级接入两个滤波电容,用于减小因为电源波动对系统造成的影响和滤波。其不需要采用大容量的电解电容器,容量大小为220uf耐压为25伏,再接入0.1F的电容器,便可减少因为电源波动的影响和滤去纹波,很好地改善负载的瞬态响应。然而,随之产生一个弊端,即一旦78M05的输入出现短路时,输出端的大电容上存储的电荷,将通过集
16、成稳压器内部放电,可能会造成内部电路的损坏,故在其间跨接一个二极管,为放电提供放泄通路,对集成稳压器起到了分流保护作用。3.3 单片机最小系统3.3.1 AT89C52单片机简介本次毕业设计采用的单片机AT89C52 是美国 ATMEL公司生产的低电压,高性能 CMOS8位单片机,片内含8 k bytes 的可反复擦写的只读程序存储器(PEROM)和256bytes的随机存取数据存储器(RAM),器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产,兼容标准MCS-51指令系统,片内置通用8位中央处理器(CPU)和Flash存储单元,支持ISP在线下载程序,功能强大AT89C51单片机可为您提
17、供许多高性价比的应用场合,可灵活应用于各种控制领域。 主要性能参数:l 与MCS-51产品指令系统完全兼容l 8k字节可重擦写Flash闪速存储器l 1000次擦写周期l 全静态操作:0Hz24MHzl 三级加密程序存储器l 2568字节内部RAMl 32个可编程IO口线l 3个16位定时计数器l 6个中断源l 可编程串行UART通道l 低功耗空闲和掉电模式3.3.2 单片机最小工作电路AT89C52最小工作电路是其外围接一个晶振和一个复位电路,给单片机接上电源和地,单片机就可以工作了。AT89C52单片机正常工作的条件:1、5V直流电源;2、晶振电路;3、复位电路;4、上拉电阻;其最简单的工
18、作原理图如图5:图5 AT89C52单片机工作电路3.3.3 复位电路MCS-51的复位是由外部的复位电路来实现的。复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。只要Vcc的上升时间不超过1ms,就可以实现自动上电复位。除了上电复位外,有时还需要按键手动复位。按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。其中电平复位是通过RST端经电阻与电源Vcc接通而实现的。按键脉冲复位则是利用RC微分电路产生的正脉冲来实现的。图6上电复位电路图6兼有上电复位和按钮复位的电路。复位电路软件程序跑飞或者硬件发生错误的时候产生一个复位信号,控制MCS-51单片机从00
19、00H单元开始执行程序,重新执行软件程序。此电路的输出端RESET接在单片机的复位引脚。3.3.4 时钟电路时钟在单片机中非常重要,单片机各功能部件的运行都是以时钟频率为基准。时钟频率直接影响单片机的速度,时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。常用的时钟电路有两种方式,一种是内部时钟方式,另一种为外部时钟方式。内部时钟方式:图7 内部时钟电路MCS-51单片机内部有一个用与构成振荡器的高增益反相放大器,该高增益反相放大器的输入端为芯片引脚XTAL1,输出端为引脚XTAL2。这两个引脚接石英晶体振荡器和微调电容,就构成一个稳定的自激振荡器电路。电路中的电容C1和C2典型值通常选择为30PF
20、左右。对外接电容的值虽然没有严格的要求,但是电容的大小会影响振荡器频率的高低、振荡器的稳定性和起振的快速性。晶体的振荡频率的范围通常是在1.2MHz-12MHz之间。晶体的频率越高,则系统的时钟频率也就越高,单片机的运行速度也就越快。为了提高温度稳定性,应采用温度稳定性能好的NPO高频电容。MCS-51单片机常选择振荡频率6MHz或12MHz的石英晶体。外部时钟方式:外部时钟方式电路图如图8所示:图8 外部时钟电路外部时钟方式是使用外部振荡脉冲信号,常用于多片MCS-51单片机同时工作,以便于同步。对外部脉冲信号只要求高电平的持续时间大于20us,一般为低于12MHz的方波。外部的时钟源直接接
21、到XTAL2端,直接输入到片内的时钟发生器上。由于XTAL2的逻辑电平不是TTL的,因此要外接一个4.7k-10k的上拉电阻。这次的设计采用MCS-51的内部时钟方式。因为外部时钟方式是用外部振荡脉冲信号,用于多片MCS-51单片机同时工作。在这次设计中只用一个MCS-51单片机,不需要振荡脉冲信号。3.5 按键电路按键是实现人机对话的比较直观的接口,可以通过按键实现人们想让单片机做的不同的工作。本次毕业设计一共用到两个按键,一个是增加电机的速度,另一个是减少电机的速度。图9就是一种比较典型的按键电路,在按键没有按下的时候,输出的是高电平,当按键按下去的时候,输出的低电平。图9 按键电路通常的
22、按键所用开关为机械弹性开关,当机械触点断开、闭合时,电压信号如下图。由于机械触点的弹性作用,一个按键开关在闭合时不会马上稳定地接通,在断开时也不会一下子断开。因而在闭合及断开的瞬间均伴随有一连串的抖动,如下图。抖动时间的长短由按键的机械特性决定,一般为5ms10ms。这是一个很重要的时间参数,在很多场合都要用到。图10 按键过程键抖动会引起一次按键被误读多次。为确保CPU对键的一次闭合仅作一次处理,必须去除键抖动。在键闭合稳定时读取键的状态,并且必须判别到键释放稳定后再作处理。按键的抖动,可用硬件或软件两种方法。本次毕业设计采用软件消抖的方法,即检测出键闭合后执行一个延时程序,产生5ms10m
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 毕业设计 论文 基于 单片机 控制器 设计
链接地址:https://www.31doc.com/p-3283703.html