直流电机测速控制系统设计与实现.docx

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1、摘要直流电机是工业现场中常用的驱动装置，随着科技的发展，对直流电机速度测量和控制的精度要求也越来越高。现目前直流电机大多使用模拟电路组成的控制柜进行控制。这种方式成本高、控制效果不佳。为了解决成本、控制效果和测速精度的问题。本文设计了一个直流电机测速控制系统，实现了测量直流电机实时转速、控制直流电机开始、停止、加速、减速、正转、反转以及上位机上显示实时转速和设置预定转速。本系统采用了STC89C52单片机作为主控芯片。硬件上有单片机最小系统、1CD12864显示模块、串口通信模块、1M7805CT稳压模块、按键输入模块、霍尔传感器测速模块。使用Kei1WiSion4C51版设计软件部分，软件中

2、包括了显示子程序、自动调速子程序、按键功能子程序、串口通信子程序。使用MicrosoftVisua1Studio2012编写上位机程序对系统实时速度、转向进行显示以及设置预定转速。本文按照设计要求对硬件和软件进行了详细的设计，对各个模块的原理和实现方法进行了详细的分析。关键词：单片机；直流电机；上位机AbstractTheDCmotorisacommon1yuseddriveingdeviceintheindustria1fie1d.Withthedeve1opmentoftechno1ogy,theaccuracyrequirementsforthespeedmeasurementandco

3、ntro1oftheDCmotorarebecominghigherandhigher.Atpresent,mostDCmotorsarecontro11edbyacontro1cabinetcomposedofana1ogcircuits.Thismethodhashighcostandpoorcontro1effect.Inordertoso1vetheprob1emsofcost,contro1effectandspeedmeasurementaccuracy.ThispaperdesignsaDCmotorspeedmeasurementcontro1systemtomeasureth

4、erea1-timespeedoftheDCmotor,contro1thestart,stop,acce1eration,dece1eration,forwardandreverserotationoftheDCmotor,anddisp1aytherea1-timespeedandsetthepredeterminedspeedonthehostcomputer.ThissystemusesSTC89C52sing1e-chipmicrocomputerasthemaincontro1chip.Thehardwareinc1udestheminimumsystemofsing1echipm

5、icrocomputer,1CD12864disp1aymodu1e,seria1communicationmodu1e,1M7805CTvo1tageregu1atormodu1e,keyinputmodu1e,Ha11sensorspeedmeasurementmodu1e.UseKei14C51versiontodesignthesoftwarepart,thesoftwareinc1udesdisp1aysubroutine,automaticspeedadjustmentsubroutine,keyfunctionsubroutine,seria1communicationsubro

6、utine.UseVisua1Studiotowriteahostcomputerprogramtodisp1aytherea1-timespeedandsteeringofthesystemandsetthepredeterminedspeed.Inthispaper,hardwareandsoftwarearedesignedindetai1accordingtothedesignrequirements,andtheprincip1esandimp1ementationmethodsofeachmodu1eareana1yzedindetai1.Keywords：Sing1eChipMi

7、crocomputerDCMotorMasterComputer摘要IAbstractII第1章绪论11.1 课题背景11.2 目的和意义11.2.1 课题目的11.2.2 课题意义21.3 国内外研究现状21.4 本课题研究的主要内容和目标3第2章系统方案设计42.1 主控芯片的选择42.2 显示模块的选择62.3 电机驱动模块的选择72.4 测速方案的选择82.5 直流电机的选择92.6 上位机开发环境选择11本章小结12第3章硬件系统设计133.1 硬件系统总体框图133.2 主控制器设计143.2.1 时钟电路设计143.2.2 复位电路设计153.3 1M7805CT芯片电路设计16

8、3.4 1CDI2864液晶显示电路设计163.5 插盘端口电路设计173.6 键盘输入电路设计183.7 串口通信电路设计183.8 结19第4章软件系统设计204.1 主程序设计204.2 键盘输入程序设计214.3 1CD12864液晶屏显示程序设计224.4 速度调节程序设计234.5 上位机程序设计234.5.1 上位机功能分析234.5.2 上位机编程语言244.5.3 上位机程序流程图254.5.4 上位机界面功能设计26本章小结26第5章系统调试275.1 实物制作275.2 系统软件调试285.3 系统硬件调试285.4 联机调试295.5 问题定位与解决30本章小结30结论

9、31致谢32参考文献33附录1译文34附录2英文参考文献36附录3硬件原理图39附录4程序清单40第1章绪论1.1 课题背景电机作为驱动装置的重要组成部分，在人们的生活当中的应用是十分的广泛的。电动机它的主要分类有：直流通电型电机、感应通电型电机和同步通电型电机。电机的运行结构特性非常的好，调速范围很广泛，电动机在启动时的状态特别好，所以在各种需要的驱动装置上面都可以看见它的声影。随着全球经济和科学技术的迅猛发展，电动机在人们生产生活中的作用显得越来越为重要。无论在国防、航空航天领域，还是在人们生活当中的必备电器中，都有大量的电动机存在并使用着。从一些的具体数据分析来看，因此，开发出一些新的技

10、术来更迭以往的I日技术是目前的当务之急。电机的系统组成很早以前主要分为直流的和交流的。电机控制系统中的核心部件主要是这个电动机，在电动机的内部需要的驱动部分和应该用来等待的准备驱动的装置是电动机，和相似的交流型的电动机去对比，直流电动机具有更加优越的操作性能，结构上是一种更加简单的控制操作。直流电机的测速以及控制系统，早期均采用模拟立的器件来构成。因为以前的模拟器件本身就有的缺点，构成测速控制系统的器件就非常的多，这就会影响整个系统的测速精度、控制精度和可靠性也会非常的低下。现如今，单片机控制技术的飞速发展，单片机已经是广泛使用在直流电机测速控制系统当中了，实现了数字化的控制。1.2 目的和意

11、义1.2.1 课题目的为了满足工业生产中对发电机、中小型马达、机床转轴等旋转设备的转速控制和转速采集上的需求。以前电动机大多使用由模拟电路组成的控制柜进行控制，现在单片机已经开始取代模拟电路作为电机控制器。当前电机控制器的发展方向越来越趋于多样化和复杂化，现有的专用集成电路未必能满足苛刻的新产品开发要求，为此开发直流电机的新型单片机控制器显得尤为重要。本课题的目的便是在经济上最大可能的降低直流电机测速控制系统的成本，还能更加准确、快速的测量出直流电机的转速和更加稳定的控制转速，能保证工业数控机床对器件进行加工时钻头不因过快或过慢导致产品和钻头的损坏。直流电机拥有良好的起制动性能，可应用于在大范

12、围内的平滑调速，也可广泛的应用于许多需要调速或正反向的电力拖动领域中。在控制角度来看，直流调速更是交流拖动系统的基础。早期的控制系统较大部分以模拟电路作为基础，有运算放大器、非线性集成电路和少量数字电路等，控制系统的硬件部分功能比较复杂，功能比较单一，而且软件系统不灵活、不好调试，不利于直流电动机调速技术发展和应用范围。伴随着单片机控制技术的快速发展，使得许多控制功能算法以及软件得以完成，为直流电动机调速控制提供了更大的发展空间，并使系统达到更高的性能。采用单片机构成控制系统，可以节约人力资源和降低系统成本，从而有效的提高工作效率。122课题意义传统的控制系统采用模拟元件，虽然满足了生产要求，

13、但由于元件易老化和使用时容易受到干扰影响，并且线路很复杂，控制效果受到器件性能、温度等因素的影响，故系统的运行可靠性及准确性得不到保证，甚至出现事故。随着科技的飞速发展，计算机技术日益渗透到社会生产生活的各个领域，而单片机的应用则起到了举足轻重的作用。在工程实践中，经常会遇到各种需要测量转速的场合，例如在发动机、电动机、机床主轴等旋转设备的试验运转和控制中，常需要分时或连续测量、显示其转速及瞬时速度。为了能精确地测量转速,还要保证测量的实时性，要求能测得瞬时转速。因此设计一种较为理想的电机测速控制系统是非常有价值的。目前，直流电动机调速系统数字化已经走向实用化，伴随着电子技术的高度发展，促使直

14、流电机调速逐步从模拟化向数字化转变，特别是单片机技术的应用，使直流电机调速技术又进入到一个新的阶段，智能化、高可靠性已成为它发展的趋势。因此实现直流电机无级调速和高效控制对我们社会生产和生活有着重大的意义。1.3 国内外研究现状目前国外直流电机测速和控制系统相关技术以较为成熟。美国和日本因其扎实的工业基础，在电机制造与控制方面处于一个领先位置，取得的成果也最多。常用的转速测量方法有离心式转速表测速法、测速发电机测速法、闪光测速法、光电码盘测速法和霍尔元件测速法。其中运用最为广泛的还是霍尔传感器测速法，霍尔传感器已经成为智能传感器。目前霍尔传感器微型化趋势明显，可以运用于手机、电机的间隙等领域。

15、霍尔传感器的温度性能非常可观，能在高温下长时间保持较高的可靠性。直流电动机是最早出现的电动机，也是最早实现调速的电动机。长期以来，直流电动机一直占据着调速控制的统治地位。由于它具有良好的线性调速特性，简单的控制性能，高效率，优异的动态特性,现在仍是大多数调速控制电动机的最优选择。我国同其他工业发达国家相比，研究内容大体相同，但研究的深度仍需进一步深入。当前，各国在直流电机制造与控制方面的研究主要集中在向轻量化、微型化、转矩脉动的抑制、控制器的设计和开发方面。国内采用的测速方法可分为两类，直接测量法和间接测量法两大类。直接测量法是通过某种测量原理或效应直接获得速度量，这种方法的最大优点是反应快、可测量瞬时速度，但设备成本高，且受到大气物理环境的限制。间接测量法是测量目标的移动距离和时间，通过计算得到速度量，用于测量小型弹丸的天幕法和光幕法测速系统、用于车辆测速的激光测速仪，以及用于生产流水线上的光电脉冲测速方法等等。1.4 本课题研究的主要内容和目标直流电机测速控制系统设计与实现主要实现直流电机测速和控制。测速使用霍尔传感器模块对直流电机转速进行采集，并将当前转速和转向显示在1CDI2864液晶显示屏上。通过按键控制直流电机加速、减速、正转、反转。单片机通过产生由算法控制的PWM来实现加速和减速。上位机中实时显示直流电机当前转速以及输入预定速度值，下位机进行闭环调速至预