1、 毕 业 设 计（论文）论文题目： 传输设备速度控制器的设计 学生姓名： * 学 号： * 专 业： * 方 向： * 指导教师： * 20*年*月*日摘 要转速是直流电机运行中的一个重要物理量，如何准确、快速测量出电机转速，并且实现对电机的调速在实际工作中具有非常大的使用价值。直流电机具有良好的启动性能和调速特性，它的特点是启动转矩大，能在宽广的范围内平滑、经济地调速，转速控制容易，调速后效率很高。本文设计的直流电机调速系统，主要由 51 单片机、电源、驱动电路、LED 液晶显示器、霍尔测速电路以及独立按键组成的电子产品。电源采用 78 系列芯片实现+5V、+15V 对电机的调速采用 PWM
2、波方式，PWM 是脉冲宽度调制。本系统以 AT89S52 单片机为控制核心，产生占空比受数字 PID 算法控制的 PWM 脉冲实现对直流电机转速的控制。通过独立按键实现对电机的启停、调速、转向的人工控制，LED 实现对测量数据（速度）的显示。电机转速利用霍尔传感器检测输出方波，通过51 单片机对 1 秒内的方波脉冲个数进行计数，计算出电机的速度，实现了直流电机的反馈控制。关键词：直流电机；调速；单片机；霍尔传感器；PWM；PID湖北科技学院本科毕业论文：传输设备速度控制器的设计第 3 页 共 45 页ABSTRACTSpeed is an important physical quantity
3、 in the running DC motor, how to accurately and quickly measure the motor speed has a very large value in use in practical work on the motor speed control. DC motor has a good startup performance and speed characteristics, it is characterized by starting torque, maximum torque, in a wide range of sm
4、ooth, economical speed, speed, easy control, speed control after the high efficiency. This design of DC motor speed control system, mainly by the microcontroller 51, power supply, driver circuits, LED liquid crystal display, the Hall velocity and independent key component circuits of electronic prod
5、ucts. Power supply with 78 series chip +5 V, +15 V for motor speed control using PWM wave mode, PWM is a pulse width modulation, duty cycle by changing the MCU 51. Achieved through 3independent buttons start and stop the motor, speed control, turning the manual control, LED realizes the measurement
6、data (speed) of the display. Motor speed using Hall sensor output square wave, by 51 seconds to 1 microcontroller square wave pulses are counted to calculate the speed of the motor to achieve a DC motor feedback control.KEY WORDS: Dc motor; Speed regulation; Single chip microcomputer; Hall sensor; P
7、WM；PID湖北科技学院本科毕业论文：传输设备速度控制器的设计目 录1 绪论.11.1 课题背景.11.2 选题的目的和意义.21.3 研究方法.22 基本原理阐述.32.1 直流电机调速 .32.1.1 直流电机原理.32.1.2 直流电机调速方法.42.2 PWM 原理及其实现方法.62.2.1 PWM 基本原理.72.2.2 PWM 脉宽调制方式.82.3 PID 算法简介.82.3.1 PID 控制.82.3.2 数字 PID 算法.8 2.3.3 数字 PID 参数整定方法.103 系统总体设计方案.113.1 单片机设计方案.113.2 驱动电路设计方案.123.3 速度采集模块设
8、计方案.123.4 显示电路设计方案.133.5 输入电路设计方案.133.6 电源设计方案.134 系统硬件设计.154.1 系统基本组成.154.2 电源电路设计.154.3 电机驱动电路设计.164.4 转速测量电路设计.174.5 AT89S52 的简介.18湖北科技学院本科毕业论文：传输设备速度控制器的设计4.5.1 AT89S52 主要性能.184.5.2 AT89S52 主要功能例举.184.5.3 AT89S52 各引脚功能介绍.194.6 LED 显示电路设计.19湖北科技学院本科毕业论文：传输设备速度控制器的设计4.6.1 LED 简介.194.6.2 LED 七段数码管的
9、结构.204.7 键盘电路设计.204.8 整体硬件电路图215 系统软件设计.225.1 主程序流程图.225.2 直流电机速度控制程序设计.225.3 键盘程序程序流程.245.4 定时程序流程.256 系统调试.276.1 keilc51 软件简介.276.2 系统 Proteus 仿真.276.3 仿真结果分析.30总结与展望.34致 谢.35参考文献 .36附 录.37湖北科技学院本科毕业论文：传输设备速度控制器的设计第 1 页 共 51 页 1 绪论1.1 课题背景直流电动机电力拖动与交流电动机电力拖动在 19 世纪中叶先后诞生，直流电动机的数学模型简单，转矩易于控制。其换向器与电
10、刷的位置保证了电枢电流与励磁电流的解耦。1960 年以来，晶闸管整流器的应用，使得直流拖动控制技术得到了飞速的发展，对滞留拖动控制系统调节器的设计也有了一套实用的工程设计方法。电机在各行各业发挥着重要的作用，而电机转速是电机重要的性能指标之一，因而测量电机的转速和电机的调速，使它满足人们的各种需要，更显得重要。随着科技的发展，PWM 调速成为电机调速的新方式，并凭借它的开关频率高、低速运行稳定、动态性能优良、效率高等优点，在电机调速中被普遍运用。利用单片机对直流电机进行直接的控制具有准确的自动调节作用。在实际应用中，电动机作为把电能转换为机械能的主要设备，一是要具有较高的能量转换效率；二是应能
11、根据生产工艺的要求调整转速。直流电机由于具有速度控制容易，启动制动性能良好，且能在宽范围内平滑调速等特点而在电力、冶金、机械制造等工业部门中得到广泛应用。直流电动机转速的控制方法可分为两类：励磁控制法与电枢电压控制法。励磁控制法控制磁通，其控制功率虽然小但低速时受到磁饱和的限制，高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制，而且由于励磁线圈电感较大动态响应较差。所以常用的控制方法是改变电枢端电压调速的电枢电压控制法。传统的改变端电压的方法是通过调节电阻来实现的，但这种调压方法效率低。随着电力电子技术的发展。创造了许多新的电枢电压控制方法。其中脉宽调制(Pulse Width Modulation，
12、PWM)是常用的一种调速方法，调节电机的输入占空比就可以控制电机的平均电压，控制转速。PWM 控制的基本原理很早就已经提出，但是受电力电子器件发展水平的制约，在上世纪 80 年代以前一直未能实现。直到进入上世纪 80 年代，随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展，PWM 控制技术才真正得到应用。随着电力电子技术、微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法，如现代控制理论、非线性系统控制思想的应用，PWM控制技术获得了空前的发展，到目前为止，已经出现了多种 PWM 控制技术。1.2 选题的目的和意义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
13、力拖动领域中得到了广泛的应用。从控制的角度来看，直流调速还是交湖北科技学院本科毕业论文：传输设备速度控制器的设计第 2 页 共 43 页流拖动系统的基础。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，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
14、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。1.3 研究方法本文主要研究了利用 MCS-51 系列单片机，以键盘作为输入达到控制直流电机的启停、速度和方向，完成了基本要求和发挥部分的要求。在设计中，采用了 PWM 技术对电机进行控制，通过对占空比的计算达到精确调速的目的。由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限，结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为 PWM 控制技术发展的主要方向之一。本文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。本文介绍了直流电机的工作原理和数学模型、脉宽调制（PWM）控制原理，根据模型，利用 PROTEUS 软件对各个子电路及整体电路进行了仿真，确保设计的电路能够满足性能指标要求，并给出了仿真结果。
