电子综合课程设计

是两引脚的电压差，在调速时一根引脚线为低电平，另一个引脚产生调 速方波，这样两个引脚的电压差就可通过控制其中一个引脚来控制。当 需要改变电机转动方向时，两个引脚的输出相反。 定时计数器若干时间（1us）中断一次，就使P2.6或P2.7产生一个 高电平或低电平。直流电机的速度分成100个等级，因此一个周期就有 100个脉冲，周期为一百个脉冲的时间，速度等级对应一个周期的高电 平脉冲的个数。占空比为高电平脉冲个数占一个周期总脉冲个数的百分 数。一个周期加在电机两端的电压为脉冲高电压乘以占空比。占空比越 大，加在电机两端的电压越大，电机转动越快。电机的平均速度等于在 一定的占空比下电机的最大速度乘以占空比。当我们改变占空比时，就 可以得到不同的电机平均速度，从而达到调速的目的。原理图如下:
设电机始终接通电源时，电机转速最大为Vmax，设占空比为D= t1 / T，则电机的平均速度为Va = Vmax * D，其中Va指的是电机的平均速 度；Vmax 是指电机在全通电时的最大速度；D = t1 / T是指占空比。 由上面的公式可见，当我们改变占空比D=t1/T时，就可以得到不同的电 机平均速度Vd,从而达到调速的目的。严格来说，平均速度Vd与占空比D 并非严格的线性关系，但是在一般的应用中，我们可以将其近似的看成 是线性关系。基于单片机类由软件来实现PWM：在PWM调速系统中占空比 D是一个重要参数在电源电压不变的情况下，电枢端电压的平均值取决 于占空比D的大小，改变D的值可以改变电枢端电压的平均值从而达到调 速的目的 单片机控制的PWM直流电机调速系统的主要功能包括：实现对直流电 机的加速、减速和正转、反转以及启动、停止的控制，能够很方便地实 现电机智能控制。 系统的主体电路是直流电机PWM控制模块。这部分电路主要由AT89S51单 片机的I/O端口、定时计数器、外部中断扩展等来控制直流电机的加 速、减速以及电机的正转、反转，并且可以调整电机的转速，可以方便 地实现直流电机的智能控制。该系统是通过AT89S51单片机产生脉宽可 调的脉冲信号并输入到L298驱动芯片来控制直流电机的工作。该单片机 控制的PWM直流电机调速系统主要是由以下几个电路模块组成： 设计输入部分：这一模块主要是利用带中断的独立式键盘来实现对 直流电机的加速、减速以及电机的正转、反转和急停控制。 设计控制部分：主要由AT89S52单片机的外部中断扩展电路组成。直
《电子综合课程设计》 报 告
专 班 姓
业： 级： 名：
电子信息工程 0902
指导教师：
2012/12/2
附件：任务书
湖南涉外经济学院 《电子综合课程设计》任务书
指导老师: 2012 年 12 月 2 日 学生姓名: 学号: 专业班级: 电子信息工程0902 1 课程设计题目：
基于单片机控制的直流电机调速系统的设
计
2 学生课程设计时间：自 2012 年 12 月 16 日开始至 2012 年 12月 29 日止。 3 课程设计所用资源和参考资料： （1）张伟.电路设计与应用.清华大学出版社。 （2）何强.单片机原理及应用.北京航空航天大学出版社。 （3）PROTEL软件应用手册。 （4）湖南省高校数字图书馆（http://www.hnadl.cn/）下载相关论文 资料。 （5）网站资源及教师给定的其他资料。 4 课程设计应完成的主要内容： 学会正确的使用单片机，根据电机调速的工作原理及其单片机控 制的工作过程。掌握单片机应用原理及应用系统的建立，原理图 设计（用单片机控制）细化到芯片，通过用C编程软件实现电路 控制，列出软件流程图，注释要求完整。通过所做课题，自觉地 培养分析和解决具体问题的能力，熟悉掌握单片机应用系统开发 研制的过程，软硬件设计的工作方法，工作内容，工作步骤，从 而达到对所学知识融会贯通和对实践操作基本技能的训练。 5 提交课程设计形式（设计说明与图纸或报告等）及要求： 理论联系实际，立论要科学，观点要创新，论据要详实，论证要 严密。论文内容要求正确，概念清楚，完成任务书锁规定的内容。 （1）课程设计纸质版一份，附相关程序（代码）。 （2）电子文档一份。 6 发题时间： 2012 年 12 月 1 日
流电机PWM控制实现部分主要由一些二极管、电机和L298直流电机驱动 模块组成。 设计显示部分： LED数码显示部分，实现对PWM脉宽调制占空比的实 时显示。 3.2系统框架设计：
直流电机PWM调速方案 方案说明：直流电机PWM调速系统以AT89S52单片机为控制核心，由 命令输入模块、LED显示模块及电机驱动模块组成。采用带中断的独立 式键盘作为命令的输入，单片机在程序控制下，定时不断给L298直流电 机驱动芯片发送PWM波形，H型驱动电路完成电机正，反转和急停控制； 同时单片机不停的将PWM脉宽调制占空比送到LED数码管完成实时显示。 3.3系统硬件设计： 3.3.1系统硬件模块组成： （1）单片机控制模块 （2）L298电机驱动模块 （3）LED显示模块 （4）独立键盘控制模块 3.3.2单片机控制模块原理 这里利用定时计数器让单片机P2口的P2.6、P2.7引脚输出占空比不同的 方波，然后经驱动芯片L298放大后控制直流电机。驱动芯片的输入电压
当使能端为高电平时，输入端IN1为PWM信号,IN2为低电平信号时, 电机正转；输入端IN1为低电平信号，IN2为PWM信号时,电机反转;;IN1 与IN2相 同时,电机快速停止。当使能端为低电平时,电动机停止转动。 在对直流电动机电压的控制和驱动中，半导体功率器件(L298)在使 用上可以分为两种方式：线性放大驱动方式和开关驱动方式在线性放大 驱动方式。 半导体功率器件工作在线性区优点是控制原理简单，输出波动小，线性 好，对邻近电路干扰小，缺点为功率器件工作在线性区，功率低和散热 问题严重。开关驱动方式是使半导体功率器件工作在开关状态，通过脉 调制（PWM）来控制电动机的电压，从而实现电动机转速的控制。 L298逻辑功能如下表：
而且系统非常不灵活、调试困难，阻碍了直流电动机控制技术的发展和 应用范围的推广。随着单片机技术的日新月异，使得许多控制功能及算 法可以采用软件技术来完成，为直流电动机的控制提供了更大的灵活 性，并使系统能达到更高的性能。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。 传统的控制系统采用模拟元件，虽在一定程度上满足了生产要求， 但是因为元件容易老化和在使用中易受外界干扰影响，并且线路复杂、 通用性差，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。 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。 3.课程设计报告内容： 3.1课程设计方案： 基于单片机采用PWM控制模块对直流电机调速采用定时器做为脉宽 控制的定时方式，这一方式产生的脉冲宽度极其精确，误差只在几个 us。 PWM调速原理：载两端的电压，从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，比如：电机调PWM（脉冲宽度调制）是通 过控制固定电压的直流电源开关频率，改变负速、温度控制、压力控制 等等[7]。 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，并且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”来达到改变平均电压大小的目 的，从而来控制电动机的转速。也正因为如此，PWM又被称为“开关驱 动装置”。 如图1所示：
IN1 X 1 0 0
源自文库
IN2 X 0 1 0
ENA 0 1 1 0
电机状态 停止 顺时针 逆时针 停止
1
1
0
停止
3.3.4 LED数码显示模块设计： LED简介： LED（Light Emitting Diode），发光二极管，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“PN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。除半导体激光器外，当电流激励时能发射光学辐射的半导体二极 管。严格地讲，术语LED应该仅应用于发射可见光的二极管；发射近红 外辐射的二极管叫红外发光二极管（IRED,Infrared Emitting Diode）；发射峰值波长在可见光短波限附近，由部份紫外辐射的二极 管称为紫外发光二极管；但是习惯上把上述三种半导体二极管统称为发 光二极管。电路的接法决定必须采用逐位扫描显示方式。从段选口送出 某位LED的字型码，然后选通该位LED，并保持一段延时时间。然后选通 下一位，直到所有位扫描完。
指导教师： 学 生：
目
录
1课程设计目的…………………………………………………… 4 2课程设计题目描述和要求……………………………………… 4 3课程设计内容…………………………………………………… 5 3.1设计方案…………………………………………………5 3.2系统框架设计……………………………………………6 3.3系统硬件设计……………………………………………6 3.3.1系统硬件模块组成………………………………6 3.3.2单片机控制模块原理……………………………7 3.3.3 L298电机驱动模块………………………………8 3.3.4 LED数码显示模块设计…………………………9 3.3.5独立式键盘控制模块……………………………10 3.4系统软件设计……………………………………………11 4总 结………………………………………………………………… 11
5参考目 录……………………………………………………………12 6附 录………………………………………………………………… 13
1.课程设计目的： 近年来，随着科技的进步，电力电子技术得到了迅速的发展，直流 电机得到了越来越广泛的应用。直流它具有优良的调速特性,调速平 滑、方便,调速范围广;过载能力大,能承受频繁的冲击负载,可实现频繁 的无级快速起动、制动和反转;需要能满足生产过程自动化系统各种不 同的特殊运行要求，从而对直流电机的调速提出了较高的要求，改变电 枢回路电阻调速，改变电枢电压调速等技术已远远不能满足要求，这时 通过PWM方式控制直流电机调速的方法应运而生学会正确的使用单片 机，根据电机调速的工作原理及其单片机控制的工作过程掌握单片机应 用原理及应用系统的建立，完成电路原理图设计，通过C编程软件实现 单片机对电路控制，自觉地培养分析和解决具体问题的能力，熟悉掌握 单片机应用系统开发研制的过程，软硬件设计的工作方法，工作内容， 工作步骤，从而达到对所学知识融会贯通和对实践操作基本技能的训 练。 2.课程设计题目描述和要求： 直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调 速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应 用。从控制的角度来看，直流调速还是交流拖动系统的基础。早期直流 电动机的控制均以模拟电路为基础，采用运算放大器、非线性集成电路 以及少量的数字电路组成，控制系统的硬件部分非常复杂，功能单一，
单片机整个控制模块
3.3.3 L298电机驱动模块原理： L298N为15个管角的单块集成电路，高电压，高电流，四通道驱动，设 计用L298N来接收DTL或者TTL逻辑电平，驱动感性负载(比如继电器，直 流和步进马达)和开关电源晶体管。内部包含4通道逻辑驱动电路，其额
定工作电流为 1 A，最大可达 1.5 A，Vss 电压最小 4.5 V，最大可达 36 V；Vs 电压最大值也是 36 V。L298N可直接对电机进行控制，无须 隔离电路，可以驱动双电机。 L298N内部原理图如下：