基于STC89C52单片机的直流脉冲PWM调速及旋转方向控制系统设计讲解.docx
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基于STC89C52单片机的直流脉冲PWM调速及旋转方向控制系统设计讲解
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摘要随着时代的进步和科技的发展电机调速系统在工农业生产、交通运输以及日常
生活中起着越来越重要的作用。
直流电机是通过两个磁场的相互作用而发生旋转的。
定子通过永磁体或受激励电磁铁产生一个固定磁场转子由一系列绕组和导磁材料构
成电流通过每个绕组时都会产生磁场。
对有刷直流电机而言转子上的换向器和定
子上的电刷在电机旋转时为每个绕组供给电能。
通电转子绕组与定子磁体有相反的极
性通过相互吸引而产生转矩使转子转动。
电机的速度与施加的电压成正比转矩则
与电流成正比。
对直流电机的控制是一个挑战因为必须在工作期间改变直流电机的
速度。
使直流电机高效运行最常用的的方法是施加一个PWM脉宽调制方波其通
断比率对应于所需的速度。
电机起到一个低通滤波器的作用它将PWM的信号转换为
有效直流电平。
本次实训采用STC89C52单片机与L298N驱动芯片驱动直流电机工作单片机控
制的直流脉冲PWM调速及旋转方向控制系统并且详细论述了该系统的控制方法、
结构、参数设计、程序设计等方面的问题。
该系统结构简单调速性能好性能价格
比高真正实现了直流电机调速系统及旋转方向的控制。
关键词直流电机STC89C52单片机L298N驱动电路
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AbstractWiththeprogressofthetimesandthedevelopmentofscienceandtechnology,motor
speedcontrolsystemintheindustrialandagriculturalproduction,transportationanddaily
lifeplaysanincreasinglyimportantrolein.DCmotorisaccomplishedbyatwomagnetic
fieldinteractionswhichoccurrotation.Thestatorbypermanentmagnetsorstimulatedthe
electromagnetproducesafixedmagneticfield,therotoriscomposedofaseriesofwinding
andthemagneticmaterialsformed,thecurrentthrougheachwindingwillgeneratea
magneticfield.ThebrushDCmotor,rotorandstatorofthecommutatorbrushinthemotor
rotatesforeachwindingsupplieselectricalenergy.Energizedrotorwindingandthestator
magnetshaveoppositepolarity,throughattractiontoproducetorquerotatingtherotor.The
speedofthemotorandtheappliedvoltageisproportionaltothetorqueisproportionalto
thecurrent,andthe.FortheDCmotorcontrolisachallenge,becausemustbeatwork
duringchangingthespeedofDCmotor.TheDCmotoristheefficientoperationofmost
commonlyusedmethodisappliedtoaPWM(pulsewidthmodulation)squarewave,the
on-offratiocorrespondingtothedesiredspeed.Themotorhasalowpassfilterfunction,it
willPWMsignalisconvertedtoaneffectivelevel.
ThedesignofSTC89C52monolithicintegratedcircuitstocontrolthePIDthedirect
pulsePWMmachineryvelocitymodulationsystem,andelaboratedonthesystemof
controlmethods,structureanddesign,theapplicationdesignproblems.thesystemsimple
andgoodperformancemachineryvelocitymodulationpricesarehigh,reallytodirectthe
electricalmachineryvelocitymodulationcontrolsystemofhigh-precision.
Keywordsmonolithicintegratedcircuits,adirectmotor,machineryvelocitymodulation
system
藌.
引言...................................................................................................................................................4
1系统硬件介绍.............................................................................................................................4
1.1硬件主控芯片概述及功能介绍
............................................................................4
1.1.1STC89C52单片机主控制电路图...........................................................................4
1.1.2L298N直流电机的专用驱动器...........................................................................6
1.2硬件电路设计................................................................................................................7
1.2.1显示电路的设计.....................................................................................................7
1.2.2键盘电路的设计.....................................................................................................8
1.2.3电机驱动电路的设计..............................................................................................8
2系统软件设计.............................................................................................................................9
1.1设计要求............................................................................................................................9
1.2总体设计方案....................................................................................................................9
1.2.1设计思路.................................................................................................................9
1.2.2方案论证与设计...................................................................................................9
1.2.3系统组成.............................................................................................................10
3硬件制作、调试与软件...........................................................................................................10
3.1系统PCB板的设计.......................................................................................................10
3.2系统硬件调试..................................................................................................................11
3.3主控程序..........................................................................................................................11
4实训心得体会...........................................................................................................................13
谢辞.............................................................................................................................................14
参考文献.........................................................................................................................................15
附录A.........................................................................................................................................17
附录B.........................................................................................................................................18
附录C.........................................................................................................................................23
附录D.........................................................................................................................................24
.
引言随着时代的进步和科技的发展电机调速系统在工农业生产、交通运输以及日常
生活中起着越来越重要的作用.由于直流电动机具有优良的起、制动性能宜与在广
泛范围内平滑调速。
在轧钢机、矿井卷机、挖掘机、金属切削机床、造纸机、高层电
梯等领域中得到广泛应用。
长期以来由于直流调速系统的性能指标优于交流调速系
统。
冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时其效果基本相同。
PWM
控制技术就是以该结论为理论基础使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉
冲用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形。
按一定的规则对各脉冲的宽度进
行调制既可改变逆变电路输出电压的大小也可改变输出频率。
PWM控制技术以其控制简单、灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广
泛应用的控制方式也是人们研究的热点。
本设计就是利用这种控制方式来改变电压
的占空比实现直流电机速度的控制。
1系统硬件介绍1.1硬件主控芯片概述及功能介绍
1.1.1STC89C52单片机主控制电路图
STC89C52芯片介绍该芯片是基本型的低功耗8位CMOS微处理器提供串口
程序下载口。
有如下特点256字节的RAM4KB的ROM32个通用I/O口线为
用户提供了丰富的I/O口资源32个通用工作寄存器2个定时器/计数器具有6
个中断源4.0~5.5V的工作电压1000次可重复擦写周期等。
STC89C52的内核和AT51系列单片机一样故引脚也相同。
引脚说明
第40引脚VCCVCC——正常操作、接+5V电源
第20引脚VSSGND——接地。
第32~39引脚(P0.0—P0.7)作为A/D转换器的模拟输入端为8位双向I/O口。
第01~08引脚(P1.0—P1.7)8位双向I/O口。
第21~28引脚(P2.0—P2.7)8位双向I/O口。
第10~17引脚(P3.0—P3.7)8位双向I/O口。
第09引脚RST——复位输入引脚。
第18引脚XTAL1——反向振荡放大器与片内时钟操作电路的输入端。
第19引脚XTAL2——反向振荡放大器的输出端。
第30引脚ALE——地址锁存允许信号输出。
第31引脚~EA——片外程序存储器选用端。
调制方波其通
断比率对应于所胷#SB.
第299引脚~PSEN片外程序存储器读选通信号输出端。
P3口第二功能定义
引脚第二功能
P3.0RXD串行口输入端
P3.1TXD串行口输出端
P3.2~INT0外部中断0请求输入端低电平有效
P3.3~INT1外部中断1请求输入端低电平有效
P3.4T0定时|计数器0计数脉冲输入端
P3.5T1定时|计数器1计数脉冲输入端
P3.6~WR外部数据存储器及I/O口写选通信号输出端低电平有效
P3.7~RD外部数据存储器及I/O口读选通信号输出端低电平有效
注引脚功能前加“~”说明其是低电平有效。
图1STC89C52单片机主控制电路图.
1.1.2L298N直流电机的专用驱动器
L298N是直流电机的专用驱动器内部包含4通道逻辑驱动电路即二个H桥的
高电压大电流双全桥式驱动器接收标准TTL逻辑电平信号可驱动46V、2A以下的
电机。
当驱动直流电机时可以直接控制两路电机并可以实现电机正转与反转实
现此功能只需改变输入端的逻辑电平。
其引脚排列如图2所示
图2L298N直流电机的专用驱动器
正常使用L298N驱动直流电机时
第1脚SENSINGA和15脚SENSINGB。
第8脚GND接地。
第9脚VSS接+5V电供芯片使用。
第4脚VS接+12V电供驱动电机使用因此通往4脚的都是大电流电源。
第4和9脚要通过一瓷片电容接地以便排除交流干扰。
L298N可驱动2个电机
第2脚和3脚OUTl、OUT2、第13脚和14脚OUT3、OUT4之间分别接2个
电动机。
第5脚IN1和7脚IN2、第10脚IN3和12脚IN4接输入控制电平控
制电机1、2的正反转ENAENB接控制使能端控制两个电机的停转。
注IN1~IN4引脚、ENA、ENB全部要接上拉电阻。
本次实训采用专用芯片L298N作为电机驱动芯片且只驱动一个电机。
L298N
是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片它相应频率高带有控制使能端。
用该芯霉ぷ骷拇嫫鳘?
个定时迫胹?
B.
片作为电机驱动操作方便稳定性好性能优良。
L298N的逻辑功能如表1所列ENA(B)
IN1(IN3)IN2(IN4)电机状态
HHL正转
HLH反转
HHH刹车停止
LXX自己停止表1
1.2硬件电路设计
1.2.1显示电路的设计
该部分采用LED发光二极管显示模块是一种固态的半导体器件它可以
直接把电转化为光。
LED的心脏是一个半导体的晶片晶片的一端附在一个支架上
一端是负极另一端连接电源的正极使整个晶片被环氧树脂封装起来。
半导体晶片
由两部分组成一部分是P型半导体在它里面空穴占主导地位另一端是N型半
导体在这边主要是电子。
但这两种半导体连接起来的时候它们之间就形成一个“P-N
结”。
当电流通过导线作用于这个晶片的时候电子就会被推向P区在P区里电子
跟空穴复合然后就会以光子的形式发出能量这就是LED发光的原理。
而光的波
长也就是光的颜色是由形成P-N结的材料决定的。
LED是一种价格较便宜,节能环
保的显示器件。
单片机可通过写控制字的方式输出高低电平来实现对LED亮灭的控
制。
图3LED显示电路驱动一个电机。
L298N
是一C胷w鼴.
1.2.2键盘电路的设计
键盘电路采用行式键盘电路。
图4键盘电路的设计
1.2.3电机驱动电路的设计
图5电机驱动电路
工作原理简述如下
1、当IN1=1,IN2=0则OUT1=1,OUT2=0,于是电流i流经电机M的路径为
VSL298NOUT1MOTOROUT2地电机正转,此时绿灯亮灯的亮度变化
表示速度的快慢速度越快则等越亮越慢则灯越暗电机停止时则灯灭。
€.
2、当IN1=0,IN2=1则OUT1=0,OUT2=1,于是电流i流经电机M的路径为
VSL298NOUT2MOTOROUT1地电机反转,此时黄灯亮灯的亮度变化
表示速度的快慢速度越快则等越亮越慢则灯越暗电机停止时则灯灭。
2系统软件设计1.1设计要求
要求1、利用L298N芯片设计并制作一个直流电机控制电路
2、控制直流电机的启动和停止
3、控制直流电机的正转和反转
4、控制直流电机的转动速度由按键开关控制。
1.2总体设计方案
1.2.1设计思路
要求设计一个直流电机的驱动电路系统可以分为控制部分和显示部分。
设计中
采用STC89C52芯片为主控制核心键盘为控制部分显示部分采用LED显示直流
电机的正反转、加减速。
通过单片机软件产生PWM波来控制电机经过电路实现
电机转向控制和速度的实时调节。
1.2.2方案论证与设计
1系统控制设计方案论证与选择
方案一采用MCS-51系列的单片机和专用的PWM芯片及外部D/A转换电路
同时结合PID算法实现实时控制。
方案二直接采用STC89C52单片机由软件产生脉冲调制信号经过PID算法
来对电机进行控制。
系统要求比较简单考虑性价比上所以采用STC89C52单片机芯片来对电机
进行控制。
2电机控制电路的设计
方案一采用专用电机控制集成芯片来控制电机转动该方案电路简单、可靠。
方案二直接采用四个三极管搭成H型桥式电路来控制电机的转动。
系统驱动电机采用小电机考虑性价比上采用专用电机控制集成芯片L289N
来控制电机转动。
3键盘电路的设计
由于系统要求功能简单所以直接采用行式键盘进行控制。
键盘用来输入启动、
停止正转、反转加速、减速信号和设定的速度值。
4显示电路的设计
显示电路采用LED进行对启动、停止正转、反转加速、减速的状态显示。
V电供芯片使用。
第4脚VS接+12!
胷IB.
1.2.3系统组成
经过比较与论证最终确定的系统组成框图如图1所示其中采用STC89C52
为主控制芯片采用L298N进行对直流电机的驱动显示电路采用LED显示键盘
控制电路和电机控制电路。
图6系统组成框图3硬件制作、调试与软件3.1系统PCB板的设计
PCB即印刷电路板是电子电路的承载体。
在现代电子产品中几乎都要使用PCB。
PCB板的设计是电路设计的最后一个环节也是对原理电路的再
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