基于單片機的多軸直流電機控制系統設計目錄第1章緒論 11.1研究背景 11.2研究意義 11.3主要研究內容 2第2章直流調速系統概述 32.1直流電機的工作原理 32.2直流電機的調速實現方式 32.3H橋驅動電機的概述 4第3章系統的硬件設計 53.1總體設計方案 53.2單片機最小系統 53.2.1晶振電路 53.2.2復位電路 63.3單片機選型 63.3.1AT89C52 63.3.2引腳圖及引腳功能 7第4章系統主電路設計 94.1液晶電路 94.1.1LCD1602功能及參數 94.1.2LCD1602連接電路 104.2按鍵電路 104.3霍爾元件電路 114.3.1A3144霍爾開關的工作原理及應用 114.3.2霍爾傳感器測量原理 124.4電機PWM驅動模塊電路 12第5章系統軟件設計 145.1系統總程序框圖設計 145.2測速程序 165.3PWM信號的單片機程序實現 18第6章系統調試 196.1軟件調試 196.2硬件調試 226.2.1實物展示 226.2.2實物功能測試 23第7章結論 26參考文獻 27第1章緒論1.1研究背景1.2研究意義1.3主要研究內容第2章直流調速系統概述2.1直流電機的工作原理直流電動機是將直流電能轉換為機械能的電動機，由定子和轉子組成，電流從正極發出經過電刷向電樞供電，由于電磁驅動原理，當電樞部分經過轉動，就完成能量轉化過程。通電線圈在磁場中受力轉動，由于受力方向的改變，不能一直在一個方向轉動，就不能一個轉動的循環。電流從正極流出經過線圈流向負極。因為電流在兩個磁極中的方向相反此時就會形成一個相反的作用力導致發生轉動。當線圈垂直于磁感線時，就會形成一對平衡力，由于慣性線圈會來回擺動。所以要想線圈在磁場中連續轉動就需要換向器。換向器是由兩個半圓環組成，換向器通過兩個碳刷與電源正負極連接，半圓環分別于線圈兩端相接。線圈轉動時，半圓換也轉動，當線圈轉動到與磁感線垂直時，此時碳刷與間隙相連電路中沒有電流，但是由于慣性，線圈繼續轉動，電流出現，形成繼續轉動。這就是電機的工作原理。將電壓信號加在電樞上，就可以控制電機的轉速。使用脈寬調制來實現。使用頻率來改變周期的長短。就是通過改變占空比得到不同轉速。圖2-1直流電機的模型圖圖2-2占空比和電壓圖2.2直流電機的調速實現方式pwm調速系統基于單片機的軟件實現pwm，占空比在這個過程中是核心，當電源不變時，通過占空比可以知道電樞端電壓的值。正常情況下有三種方法調速定寬調頻法：調寬調頻法、定頻調寬法，由于前兩種方法會引起系統不穩定，所以不適用，這里采用定頻調寬來實現直流電機的調速。2.3H橋驅動電機的概述H橋式電動機驅動電路是由三極管和電機組成，如下圖圖2-3H橋式電機要想使電機正常轉動就要讓兩個三極管形成一個循環，例如Q1Q4接通，當Q1Q4接通時電流按順序依次經過Q1電機Q4回到負極，同理Q2Q3也是如此，但是在保證上述條件的前提下，同時也要注意同側的三極管是不連接的。如果Q3Q4一側的三極管連接就會導致電流不經過電機，就會導致電流過大，從而可能會導致電路器件損壞，電源性能降低。第3章系統的硬件設計3.1總體設計方案由按鍵對單片機進輸入及直流電機通過霍爾元件測量的速度傳送回單片機。單片機經過處理通過驅動電路傳輸給單片機，從而達到控制直流電機的方向和速度，設計框圖如圖所示：圖3-1總設計框圖3.2單片機最小系統在單片機能夠正常工作時必須擁有一些組成部分稱為單片機的最小組成部分。這是單片機能完成工作及設計所必備的部分。框圖如圖所示：圖3-2單片機最小系統框圖3.2.1晶振電路晶振的全名叫晶體震蕩器，是由電阻和電容并聯再于電容串聯。單片機的各個部件都由時鐘信號開控制，進行正常的工作。時鐘的頻率與單片機的速度息息相關。晶振電路決定單片機的工作速度，進而影響單片機的穩定性，此電路中的C2C3都是30uf電容的大小會導致震蕩七頻率的高低。頻率越高單片機的運行速度越快。電路如圖所示：圖3-3晶振電路3.2.2復位電路復位電路就相當于機器的重啟或初始化，當程序出錯或電路出現問題。都可以按下復位鍵來重啟程序，復位電路也是單片機最小系統必不可少的組成部分，在單片機剛通電時，電容中沒有電，電源給電容通電。在次設計中電阻接地使用大小為10k歐，電容連接VCC大小為10微法。電路圖如圖所示：圖3-4復位電路3.3單片機選型3.3.1AT89C52AT89c52單片機內部框圖如圖所示：圖3-5單片機內部框圖3.3.2引腳圖及引腳功能Vcc：電源電壓，GND：接地，P0；是一組八位1/0口，P1：是一組八位1/0口，ALE/PROG：對外輸出時鐘或這用于定時，PSEN：當程序存儲器讀取數據時，每個周期兩次內有效，EA/VPP:允許外部訪問，XTAL1;震蕩器反相放大器的輸入端，P3.0RXD串行輸入口，P3.1TXD串行輸出口，P3.2INTO外中斷0，P3.3INTO外中斷1，P3.6WR外部數據存儲器寫選通，等引腳功能。圖3-6單片機引腳圖第4章系統主電路設計4.1液晶電路液晶電路電路圖如圖所示：圖4-1液晶電路4.1.1LCD1602功能及參數我們在生活中液晶顯示器非常多，，液晶顯示模塊在很多電子產品中都有應用。，如在洗衣機、體稱計、冰箱及很多家電產品中都有使用，主要是通過數字，文字以及一些符號組成，如圖所示。圖4-2lcd的主要技術參數及應用配置lcd1602的管腳功能如圖所示。圖4-3lcd1602的管腳功能圖4.1.2LCD1602連接電路LCD1602液晶指令都有相應的功能，每一個功能指令的實現都是由編程實現的。如下圖所示LCD1602指令圖。圖4-4指令圖4.2按鍵電路按鍵部分電路如圖所示：圖4-5按鍵電路此設計使用的是按鍵電路控制，此電路各個按鍵之間相互不連接。一個按鍵連接一條線，比較靈活，且不影響其他的線路，其中有一個線路出問題時，不會影響到其他電路。當按鍵按下時單片機從高電平變成低電平，然后對產生的信號進行處理。而這個過程中就會產生物理震動，我們要想辦法解決這種震動。震動的產生是在按鍵按下的過程中產生的，是一種正常的現象。是不可避免的。這種震動一般以為ms為單位的。，對于人來說雖然很快，但是單片機的時鐘是由微秒來計算，就顯得是時間特別久，在這里我們不是去除震動，而是在震動的時間內不測值，我們使用的方法是當發現按鍵有低電平出現時，先延遲一段時間等震動結束后在記錄一次輸出的值，如果為是干擾信號則不記錄，讀出值為0時有按鍵按下，則進行處理。4.3霍爾元件電路4.3.1A3144霍爾開關的工作原理及應用霍爾傳感器是的核心是磁電效應，可以利用這種效應制作成霍爾元件。當電子在磁場中運動時，電荷就會向另一個方向運動，就會形成電勢差，可以使用左手法則判斷洛倫茲力的方向，這樣就會檢測到電壓，霍爾元件具有耐臟、不怕液體、耐用、不耗電節能等特點。霍爾元件最主要的功能就是檢測磁場。霍爾傳感器的外形圖如圖所示霍爾片管腳和接線圖如圖所示：圖4-6霍爾傳感器管腳及接線圖4.3.2霍爾傳感器測量原理使用霍爾傳感器測量電機轉速，在電動機轉盤上安裝兩塊小磁鐵，然后在靠近轉盤部分安裝霍爾元件，當轉盤轉動時帶動小磁鐵轉動，在轉動時就會產生相應的脈沖，通過檢測脈沖數就可以判斷轉動的圈數，產生的磁感線垂直于轉盤，形成磁場，由于磁場的作用，電子就會受力，電荷向一邊傾斜，形成電勢差也就是霍爾感應電壓，簡單來說，他的原理就是加入磁場輸出電壓。霍爾元件最主要的就是應用在直流電機上。霍爾電壓也有很多優點和缺點，優點是它可以測量方向、速度、位置等物理量，因為霍爾元件的使用時固定在一個地方的，所以基本上不會有磨損，可以長時間使用，也可重復利用，霍爾元件組成簡單，只有三個引腳，便于安裝，最主要的優點是可以測量高頻率的物理量。接下來說說它的缺點，它必須要按安裝在測量物體旁邊，距離影響很大。由于一些未知的磁場可能也會導致測量不準確。圖4-7霍爾元件電路4.4電機PWM驅動模塊電路電動機PWM驅動模塊采用的是H橋驅動，電路見下圖。圖4-8H橋電路驅動模塊PWM驅動電路三極管和二極管組成，使用高低電平來控制截止和導通，當導通的三極管都連接電源或接地時，電路都不導通，當連接一個電源一個接地，電動機就可以正常運轉，在此條件下，通過控制Q1或Q2就可以控制電機的轉速。加入二極管時起限制的的作用防止電路運行錯誤或電流過大損壞電路。圖4-9H橋模型第5章系統軟件設計5.1系統總程序框圖設計系統程序程序框圖如圖5-1和5-2所示。圖5-1系統主單片機總程序框圖圖5-2程序框圖系統啟動以后，系統自動開始初始化數據，然后進行PID的參數初始化，然后開始查看終端，如果中斷零，則接受設定值于程序，然后返回PID參數初始化進行循環，一直到中斷查看結果為一以后接受測量值子程序后進行PID計算處理，然后計算PWM定時值，最后輸出PWM信號。這就是一系列的過程了。該過程中最主要的部分在于PID參數初始化后的循環，需要計算兩個中斷，這里不能出錯。5.2測速程序在設計中，發動機的內外環境要求十分苛刻，除了要考慮溫度，還得考慮電機自身的特性，除了硬件設施以外，為了進行大規模錯誤的檢測、糾錯、銷毀軟件錯誤，還需要進一步提高防干擾設計和軟件精度，我在首次運行程序的時候，由于沒有考慮到軟件的幾個小問題，導致系統崩潰了一次，后來按照順序糾錯，發現是數據有很細微很細微的誤差。因為對于數據的要求需要十分精確，所以每一步都必須做到盡可能的完美，要不然實驗的結果真的是天差地別。在軟件的設計過程中，可以忽略不滿足要求的測量數據。在速度測量中，速度低，外部中斷打開。脈沖沿計時器落下的時候，錄音會直接切斷服務器子程序。然后，在下一個周轉中，計時器關閉，通過處理計時器數據可以取得信號周期。下面我所提供的程序框圖則顯示了體量圖。如您所見，該方法的采樣的周期會隨著轉速的不斷變化也隨之發生變化。這種未集中的快速采樣方法使裝置能夠控制高速和速度。圖5-3外中斷程序框圖5.3PWM信號的單片機程序實現定時器分兩種情況，定時器0中斷或者定時器1中斷，前者設定時器1中斷優先級最高則將PWM輸出端置高電平：“1”然后裝入50ms的初始值，最后中斷返回。如果設定時器0中斷優先級最高的話，則將PWM輸出端清零，然后裝入PWM信號初值，最后中斷返回。其程序框圖見圖5-4。圖5-4PWM控制信號程序框圖第6章系統調試電動機的驅動和傳動和控制功能常常會應用在工業自動化和智能產品中，而現在的智能控制系統對電機的要求越來越高。伴隨著科學技術的的發展，也出現各種功能要求的電機如開關磁阻等非常規電機。但是對于一些要求比較低的控制系統中，直流電機還是有反打的優勢，隨著計算機的發展數字應用越來越廣泛，數字控制系統具有電路簡單、界面清晰等特點。6.1軟件調試此設計選用的是C語言程序編程，在keil4開發環境下編程，對程序編譯調試，連接好仿真電路，將keil4生成的hex文件載入單片機模擬仿真，運行如圖所示：圖6-1keil4環境下編程按下加速按鍵，占空比增加，電機轉速增加，加速仿真測試如圖6-2所示。圖6-2加速仿真測試按下減速按鍵，占空比減小，電機轉速降低。減速仿真測試如圖所示。圖6-3減速仿真調試按下正向轉動按鍵，電機正向轉動，仿真測試如圖所示。圖6-4正向轉動仿真測試按下反向按鍵，電機反向轉動，仿真結果如下圖所示。圖6-5反向運轉仿真測試當程序或系統運行出錯時，按下復位按鈕，程序重啟，仿真如圖所示，圖6-6復位仿真6.2硬件調試6.2.1實物展示系統調試完成后，直流電機調速系統實物圖如圖所示：圖6-7直流調速實物圖6.2.2實物功能測試按下開始鍵，電機開始轉動。實物圖如圖所示。圖6-8電機開始轉動按下加速按鍵，占空比增加，轉速增加。圖6-9電機加速轉動圖按下減速按鍵，占空比減少，轉速減少。圖6-10電機減速轉動圖按下正向轉動按鍵，電機正向轉動，如圖所示。圖6-11電機正向轉動圖按下反向轉動按鍵，電機反向轉動，如圖所示圖6-12電機反向轉動圖按下電機復位按鈕，電機關閉，如圖所示。圖6-13電機重啟第7章結論本基于單片機的多軸直流電機控制系統設計，共包括五個模塊，單片機控制模塊，霍爾傳感器模塊、直流電機驅動模塊、液晶顯示模塊和按鍵模塊。主要過程是按下按鍵，對單片機發出指令使其產生信號傳輸給直流電機，霍爾元件測速，在傳回單片機，然后通過液晶進行顯示，達到調速目的。按下按鍵產生對應的功能，該設計實現的功能符合預期要求。通過這個設計把我所學的知識綜合起來，在應用能力方面又得到提高。在軟件應用方面也得到很大提高。這次理論與實踐的結合增加了我們的經驗同時也完成了對整體設計的把握，對細節的控制，還有元器件的選擇，是一次全面綜合的提升，在實踐