基于单片机直流调速系统设计毕业设计论文.doc

1、吉 林 化 工 学 院 毕 业 设 计 说 明 书基 于 单 片 机 直 流 调 速 系 统 设 计Design of DC Speed Control System Based on Single-chip Microcomputer吉 林 化 工 学 院Jilin Institute of Chemical Technology吉 林 化 工 学 院 毕 业 设 计 说 明 书- I -毕 业 设 计 （ 论 文 ） 原 创 性 声 明 和 使 用 授 权 说 明原 创 性 声 明本 人 郑 重 承 诺 ：所 呈 交 的 毕 业 设 计 （论 文 ），是 我 个 人 在 指 导 教 师 的

2、 指 导 下进 行 的 研 究 工 作 及 取 得 的 成 果 。尽 我 所 知 ，除 文 中 特 别 加 以 标 注 和 致 谢 的 地 方外 ，不 包 含 其 他 人 或 组 织 已 经 发 表 或 公 布 过 的 研 究 成 果 ，也 不 包 含 我 为 获 得 及 其 它 教 育 机 构 的 学 位 或 学 历 而 使 用 过 的 材 料 。对 本 研 究 提 供 过 帮 助 和 做 出过 贡 献 的 个 人 或 集 体 ，均 已 在 文 中 作 了 明 确 的 说 明 并 表 示 了 谢 意 。作 者 签 名 ： 日 期 ： 指 导 教 师 签 名 ： 日 期 ： 使 用 授 权 说

3、 明本 人 完 全 了 解 大 学 关 于 收 集 、保 存 、使 用 毕 业 设 计 （论 文 ）的 规 定 ，即 ：按 照 学 校 要 求 提 交 毕 业 设 计 （论 文 ）的 印 刷 本 和 电 子 版 本 ；学 校 有 权 保 存 毕业 设 计 （论 文 ）的 印 刷 本 和 电 子 版 ，并 提 供 目 录 检 索 与 阅 览 服 务 ；学 校 可 以 采 用影 印 、缩 印 、数 字 化 或 其 它 复 制 手 段 保 存 论 文 ；在 不 以 赢 利 为 目 的 前 提 下 ，学 校可 以 公 布 论 文 的 部 分 或 全 部 内 容 。作 者 签 名 ： 日 期 ： 基 于

4、 单 片 机 直 流 调 速 系 统 设 计- II -学 位 论 文 原 创 性 声 明本 人 郑 重 声 明 ：所 呈 交 的 论 文 是 本 人 在 导 师 的 指 导 下 独 立 进 行 研 究 所 取 得的 研 究 成 果 。除 了 文 中 特 别 加 以 标 注 引 用 的 内 容 外 ，本 论 文 不 包 含 任 何 其 他 个人 或 集 体 已 经 发 表 或 撰 写 的 成 果 作 品 。对 本 文 的 研 究 做 出 重 要 贡 献 的 个 人 和集 体 ，均 已 在 文 中 以 明 确 方 式 标 明 。本 人 完 全 意 识 到 本 声 明 的 法 律 后 果 由 本

5、人承 担 。作 者 签 名 ： 日 期 ： 年 月 日学 位 论 文 版 权 使 用 授 权 书本 学 位 论 文 作 者 完 全 了 解 学 校 有 关 保 留 、使 用 学 位 论 文 的 规 定 ，同 意 学 校保 留 并 向 国 家 有 关 部 门 或 机 构 送 交 论 文 的 复 印 件 和 电 子 版 ，允 许 论 文 被 查 阅和 借 阅 。本 人 授 权 大 学 可 以 将 本 学 位 论 文 的 全 部 或 部 分 内 容 编入 有 关 数 据 库 进 行 检 索 ，可 以 采 用 影 印 、缩 印 或 扫 描 等 复 制 手 段 保 存 和 汇 编 本学 位 论 文 。涉

6、 密 论 文 按 学 校 规 定 处 理 。作 者 签 名 ： 日 期 ： 年 月 日导 师 签 名 ： 日 期 ： 年 月 日吉 林 化 工 学 院 毕 业 设 计 说 明 书- III -摘 要随 着 微 型 机 的 迅 速 发 展 ， 许 多 交 直 流 数 字 化 系 统 已 达 到 实 用 阶 段 。 基 于 微 处 理 器 的 数字 控 制 系 统 硬 件 电 路 的 标 准 化 程 度 日 益 变 高 ， 不 易 受 器 件 温 度 漂 移 的 影 响 且 经 济 性 能 较好 。 其 控 制 软 件 能 够 进 行 逻 辑 判 断 和 复 杂 运 算 ， 能 实 现 不 同 于

7、 一 般 线 性 调 节 的 最 优 化 、自 适 应 、 非 线 性 、 智 能 化 等 控 制 规 律 。 故 微 机 数 字 系 统 在 各 个 方 面 性 能 都 大 大 优 于 模 拟系 统 ， 而 且 应 用 越 来 越 广 泛 。本 文 主 要 介 绍 一 种 基 于 单 片 机 的 直 流 调 速 方 法 ， 并 系 统 讲 述 了 以 此 方 法 进 行 对 他 励 直流 电 机 的 调 速 设 计 。 本 次 设 计 以 AT89C52 单 片 机 为 控 制 核 心 ， 以 步 进 电 机 为 对 象 ， 以 两个 键 盘 为 输 入 ， 6 个 LED 显 示 器 输

8、出 转 速 ， 从 而 达 到 对 电 机 的 实 时 控 制 ， 实 现 了 直 流 电机 的 正 转 、 反 转 和 启 停 控 制 。 控 制 结 果 表 明 ， 本 数 字 化 直 流 调 速 系 统 通 过 Proteus 软 件 调试 ， 能 使 控 制 精 度 提 高 、 成 本 降 低 、 容 易 推 广 ， 且 各 项 性 能 指 标 优 于 模 拟 直 流 调 速 系 统 ，因 而 能 够 实 际 地 应 用 到 生 产 生 活 中 ， 满 足 现 代 化 生 产 的 需 求 。关 键 词 ： 单 片 机 ； 软 件 调 试 ； 直 流 调 速 系 统 ； 数 字基 于 单

9、 片 机 直 流 调 速 系 统 设 计- IV -AbstractWith the rapid development of microcomputer, many AC and DC digital control systems have reached the practical stage. The hardware circuit of microprocessor-based digital control system is becoming more standard, less affected by temperature drift of the devices and

10、 the economic gain is better. The control software possesses the ability of logic judgment and complex operation, and can realize the integration of optimization, self-adaption, nonlinearity and intelligent control, which are all highly different from general linear adjustment. As a result, the micr

11、oprocessor digital system is greatly superior to analog system in various aspects of performance, and being applied more and more widely.This article mainly introduces one of DC speed control systems based on single-chip microcomputer application, and clarifies the design of speed control of separat

12、ely excited DC motor. The core of the design is an AT89C52 single-chip microcomputer, the object stepping motor, the input a couple of keyboards and the output of speed 6 units of LED display. Consequently the design can attain a real-time control and controls the direction of rotation settings、 spe

13、ed setting、 start and stop. Real- time control results show that the digital speed control system can improve the precision, reduce the costs and extend easily through software debugging, which adopts Proteus. Whats more, each performance index of the products with a digital system is superior to th

14、e one with an analog system. Thus, it is applicable and can satisfy the requirements of modern production line.Key Words： Single-chip microcomputer； Software debugging； DC speed control system； Digital吉 林 化 工 学 院 毕 业 设 计 说 明 书- V -目 录摘 要 IAbstractII第 1 章 绪 论 11.1 课 题 研 究 背 景 11.2 课 题 研 究 方 法 2第 2 章

15、设 计 方 案 确 定 32.1 设 计 思 路 32.2 调 速 实 现 方 案 选 择 3第 3 章 硬 件 电 路 设 计 53.1 AT89C52 单 片 机 简 介 53.1.1 功 能 特 性 53.1.2 主 要 引 脚 53.1.3 控 制 功 能 端 口 63.1.4 定 时 器 273.2 直 流 电 动 机 模 块 103.2.1 构 造 及 分 类 103.2.2 工 作 原 理 113.2.3 驱 动 电 路 123.3 转 速 显 示 模 块 133.3.1 数 码 管 分 类 133.3.2 数 码 管 结 构 及 驱 动 133.3.3 数 码 管 片 选 控

16、制 143.3.4 限 流 电 阻 的 选 择 153.4 总 体 设 计 电 路 图 15第 4 章 软 件 编 程 设 计 174.1 程 序 实 现 功 能 174.2 仿 真 软 件 概 述 174.3 程 序 流 程 图 194.4 C 语 言 程 序 设 计 214.4.1 主 程 序 的 设 计 214.4.2 T1 中 断 子 程 序 的 设 计 23基 于 单 片 机 直 流 调 速 系 统 设 计- VI -4.4.3 转 速 显 示 子 程 序 的 设 计 244.5 仿 真 结 果 25结 论 28参 考 文 献 29致 谢 30吉 林 化 工 学 院 毕 业 设 计

17、说 明 书- 1 -第 1 章 绪 论1.1 课 题 研 究 背 景直 流 电 机 问 世 已 有 一 百 四 十 多 年 的 历 史 。 在 设 计 和 制 造 技 术 上 有 很 大 进 步 , 新 材 料 、新 技 术 的 应 用 以 及 整 流 电 源 的 普 及 , 促 进 了 一 般 工 业 用 直 流 电 机 的 不 断 扩 大 , 品 种 的 日益 繁 多 。 从 小 至 数 瓦 , 大 到 万 余 千 瓦 , 广 泛 地 用 于 冶 金 、 矿 山 、 煤 炭 、 起 重 运 输 、 机 床制 造 、 纺 织 印 染 等 各 个 部 门 中 , 特 别 是 近 几 年 电 子

18、 计 算 技 术 广 泛 应 用 在 直 流 电 机 设 计制 造 中 。 从 直 流 电 动 机 的 演 变 历 史 , 也 可 以 纵 观 直 流 电 动 机 的 发 展 历 史 和 动 向 、 从 四 十年 代 后 期 到 五 十 年 代 的 前 期 , 直 流 电 动 机 的 电 源 主 要 是 采 用 M-G 电 动 发 电 机 组 ,六 十 年代 初 , 电 动 发 电 机 组 电 源 已 被 水 银 整 流 器 逐 渐 代 替 , 到 六 十 年 代 后 期 , 由 于 可 控 硅 整 流装 置 的 出 现 , 并 得 到 迅 速 发 展 , 可 控 硅 整 流 电 源 已 占

19、统 治 地 位 。 由 于 直 流 电 源 供 电 方 式的 不 断 更 新 换 代 , 特 别 是 在 最 近 的 十 几 年 期 问 , 进 一 步 促 使 了 直 流 电 动 机 的 单 机 功 率 、转 速 不 断 提 高 , 目 前 朝 着 高 速 、 大 功 率 方 向 发 展 。 另 外 , 由 于 绝 缘 技 术 和 分 析 技 术 的 进步 , 直 流 电 动 机 已 迅 速 向 小 型 轻 量 , 低 惯 量 方 面 发 展 。随 着 各 种 技 术 的 进 步 和 研 究 的 展 开 ,诸 多 高 质 量 的 直 线 电 机 产 品 和 科 研 成 果 纷 纷 出现 。

20、1985 年 ,美 国 Ingersol 铣 床 公 司 生 产 了 采 用 永 磁 同 步 直 线 电 机 的 HVM600 高 速 加 工中 心 ,最 大 进 给 速 度 达 76.2m/min。 而 在 1997 年 ,汉 诺 威 12.EMO 展 览 会 上 有 20 多 家 公 司展 出 了 直 线 电 机 传 动 装 置 ,如 德 国 Trumpf 公 司 的 激 光 机 床 ,法 国 Renault automation 公 司的 加 工 中 心 等 ,展 出 的 直 线 电 机 最 大 速 度 达 150 200 m/min。 这 些 被 称 为 最 有 前 途 的 展品 表

21、明 ,在 高 速 度 机 床 的 进 给 机 构 中 愈 来 愈 多 的 采 用 直 线 电 机 。 新 型 磁 性 材 料 和 控 制 技术 、 冷 却 方 法 的 出 现 ,为 应 用 经 济 高 速 高 动 力 直 线 电 机 创 造 了 条 件 。在 当 今 的 电 气 时 代 ， 电 动 机 一 直 在 现 代 化 的 生 产 和 生 活 中 具 有 十 分 重 要 的 意 义 。无 论 是 农 业 生 产 ， 交 通 运 输 ， 国 防 航 空 ， 医 疗 卫 生 ， 商 务 与 办 公 设 备 ， 还 是 日 常 生 活中 的 家 用 电 器 ， 无 一 都 大 量 使 用 着

22、各 式 各 样 的 电 动 机 。 而 随 着 控 制 智 能 化 ， 仪 器 微 型化 ， 功 耗 微 小 化 等 对 设 备 日 益 苛 刻 的 要 求 ， 利 用 单 片 机 对 电 动 机 的 控 制 也 越 来 越 成 为研 究 的 焦 点 。早 期 电 机 调 速 常 采 用 串 联 电 阻 调 速 法 来 调 节 电 枢 电 压 ， 这 种 方 法 不 仅 耗 能 很 大 ， 而且 调 速 不 太 平 滑 ， 逐 渐 被 其 他 调 速 装 置 代 替 。 随 后 又 出 现 了 晶 阐 管 、 MOSFET、 IGBT等 为 主 控 元 件 的 调 速 装 置 。 电 子 技

23、术 的 飞 速 发 展 ， 促 使 直 流 电 机 调 速 逐 渐 由 模 拟 化 向 数字 化 转 变 ， 特 别 是 单 片 机 控 制 技 术 的 应 用 ， 使 得 直 流 电 机 调 速 技 术 进 入 一 个 新 纪 元 。 前期 的 晶 阐 管 直 流 调 速 系 统 控 制 回 路 的 硬 件 装 置 极 其 复 杂 ， 安 装 调 试 极 困 难 ， 相 对 故 障 率基 于 单 片 机 直 流 调 速 系 统 设 计- 2 -很 高 ， 检 修 比 较 困 难 。 然 而 利 用 单 片 机 控 制 的 电 机 调 速 系 统 ， 其 控 制 方 案 是 依 靠 软 件 实

24、现 的 ， 控 制 器 由 可 编 程 功 能 模 块 组 成 ， 配 置 和 参 数 调 整 简 单 方 便 ， 工 作 稳 定 。另 外 ， 直 流 电 动 机 机 启 动 转 矩 大 ， 启 动 电 流 小 ， 调 速 平 滑 、 方 便 ， 调 节 范 围 宽 ，过 载 能 力 强 ， 能 承 受 频 繁 的 冲 击 负 载 ， 可 实 现 频 繁 的 无 极 快 速 启 动 、 制 动 和 反 转 。 为满 足 生 产 过 程 自 动 化 系 统 各 种 不 同 的 特 殊 需 求 ， 对 其 调 速 提 出 了 更 高 的 要 求 ， 而 改 变电 枢 回 路 电 阻 、 改 变

25、电 压 等 传 统 调 压 技 术 已 远 远 不 能 满 足 现 代 科 技 的 要 求 。 为 此 ， 研究 并 改 善 高 性 能 、 高 可 靠 性 的 他 励 直 流 电 动 机 调 速 方 法 具 有 着 十 分 重 要 的 现 代 意 义 。本 文 正 是 以 此 为 出 发 点 ， 利 用 单 片 机 对 他 励 直 流 电 动 机 转 速 的 监 测 和 控 制 。1.2 课 题 研 究 方 法设 计 一 个 他 励 直 流 电 动 机 调 速 系 统 ， 该 系 统 以 单 片 机 为 控 制 核 心 ， 通 过 C 语 言 编程 来 实 现 直 流 电 机 的 平 稳 调

26、 速 、 正 反 转 等 功 能 。 调 速 方 式 采 用 脉 宽 调 制 技 术 （ PWM） ， 直 流 电 机 在 单 片 机 控 制 下 能 实 现 启 动 、 停 止 动 作 ， 采 用 AD 转 换 模 块 实 现 直 流 电 机的 无 级 调 速 。在 采 样 控 制 理 论 中 有 一 个 重 要 的 结 论 ， 即 冲 量 相 等 而 形 状 不 同 的 窄 脉 冲 加 在 具 有惯 性 的 环 节 上 ， 其 效 果 基 本 相 同 。 冲 量 既 指 窄 脉 冲 的 面 积 。 这 里 所 说 的 效 果 基 本 相 同 。是 指 该 环 节 的 输 出 响 应 波 形

27、 基 本 相 同 。 如 把 各 输 出 波 形 用 傅 里 叶 变 换 分 析 ， 则 它 们 的低 频 段 特 性 非 常 接 近 ， 仅 在 高 频 段 略 有 差 异 。 根 据 上 面 理 论 我 们 就 可 以 用 不 同 宽 度 的矩 形 波 来 代 替 正 弦 波 ， 通 过 对 矩 形 波 的 控 制 来 模 拟 输 出 不 同 频 率 的 正 弦 波 。 PWM 具 有很 强 的 抗 噪 性 ， 且 有 节 约 空 间 、 比 较 经 济 等 特 点 。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

28、 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 出 现 了 多 种 PWM 控 制 技 术 。本 文 充 分 利 用 单 片 机 的 数 字 信 号 处 理 器 运 算 快 、 外 围 电 路 少 、 系 统 组 成 简 单 、 可靠 的 特 点 ， 将 其 应 用 于 步 进 电 机 的 调 速 。 实 验 表 明 ， 该 设 计 使 得 步 进 直 流 电 动 机 的 组成 简 化 和 性 能 的 改 进 成 为 可 能 ， 有 利 于 电 机 的 小 型 化 和 智 能 化 。