1、北方民族大学学士学位论文论文题目: 直流电机远程测控系统的设计 院(部)名 称: 电气信息工程学院 学 生 姓 名: 杨 智 专 业: 电气工程及其自动化 学 号: 20060293 指导教师姓名: 张 新 闻 论文提交时间: 2010 年 5月 20号 论文答辩时间: 2010 年 5月 29号 学位授予时间: 北方民族大学教务处制摘 要本文的设计任务是实现直流电机的远程测控，主要从一下几方面进行设计：1、89C51单片机为控制器对直流电动机进行控制和监测。89C51单片机主要是对直流电动机进行正转、反转、加速、减速、停止等控制，并对电机的转速随时进行监测，等上位机需要时随时发送给上位机。直
2、流电动机的驱动电路是采用H型桥式可逆PWM变换器，通过脉宽调制技术来控制电机的转速。2、利用VB编写上位机与单片机的串口通信程序。为了实现更加远距离的通信，本文采用RS-485串行通信口实现上位机与单片机进行通信，从而达到电机远程测控的目的。由于一般的上位机机只有RS-232串行通信，所以这里需要进行RS-232与RS-485转换。还用VB编写驱动监控界面,对电机的运行状态进行显示、监控、报警等。3、用VB、Proteus实现串口通信的联调仿真利用 Serialnull 软件建立虚拟串口，把上位机中的通信串口与单片机中的通信串口连接起来，实现仿真。关键词：直流调速；单片机；串口通信；RS-48
3、5ABSTRACTThis design task is to realize remote control of DC motors, mainly about the design aspects:1、89C51 Single chip microcomputer of the DC motor control and monitoring。89C51 monolithic integrated circuits is in a direct motor, back, with the accelerating, decelerating, stop and wait for the co
4、ntrol of the motor drive any monitoring as needed, such upper machines are sent to the upper machine.A direct motor driven circuit from the h the reciprocal change in patterns of pwm, through the wide modulation control motors techniques to speed.2、The use of VB with the upper machine monolithic int
5、egrated circuits of the serial communication procedures.In order to achieve greater distance, and in the RS -485 of work had begun to implement a computer communicate with monolithic integrated circuits, and so achieve the purpose of the tracking control.Because of the upper machine only RS-232 the
6、serial communication, so it will require RS-232 and RS-485 transformation.With VB write a driver of the interface to monitor, electrical performance of the state on display, monitoring and alarm.3、Using VB, Proteus joint simulation Serial Communication Use serialnull software set up a virtual string
7、 mouth, the upper of monolithic integrated circuits of the string mouth and communications serial connection, the realization of emulation.KEY WORDS: DC motor speed; an one - chip computer; Serial Communication; RS-485I目 录第 1 章 直流调速驱动和测速设计 .11.1 直流脉宽调速驱动电路 .11.1.1 PWM 控制原理 .11.1.2 PWM 调速系统 .21.2 直流电
8、机转速测量 .41.2.1 旋转编码器 .51.2.2 周期法测速 .6第 2 章 单片机硬件与软件设计 .82.1 看门狗电路 .82.2 直流电机硬件电路设计 .92.2.1 直流电机驱动 .92.1.2 脉宽的调制变换器 .111 8253 定时器/计数器 .112 脉宽调制电路 .132.3 单片机软件设计 .142.3.1 主程序 .141 主程序流程图 .142 主程序 .162.3.2 串口中断程序 .191 串口中断程序流程图 .192 串口中断程序 .202.3.3 外部 INT0 中断程序 .211 外部 INT0 中断程序流图 .212 外部 INT0 中断程序 .212
9、.3.4 定时器 T0 中断程序 .222.3.5 4 字节除子程序 .22第 3 章 串口通信设计 .253.1 RS-485 串行接口 .253.1.1 TTL 与 RS-485 电平转换 .253.1.2 RS-232 与 RS-485 电平转换 .273.2 VB 串口通信 MSComm 控件 .283.2.1 MSComm 控件处理通信的方式 .293.2.2 MSComm 控件的属性 .291 CommPort 属性 .292 Input 属性 .293 Output 属性 .304 PortOpen 属性 .305 Setting 属性 .303.3 电机驱动监控程序的设计 .3
10、13.3.1 电机监控程序设计思路 .313.3.2 电机监控程序功能简介 .32II3.3.3 界面设计和代码编写 .331 主窗体 .332 串口设置窗体 .373 口运行表窗体 .384 特性曲线窗体 .39第 3 章 VB 与 Proteus 的联调仿真 .414.1 串行端口的设置 .414.1.1 Proteus 串行端口的设置 .414.1.2 VB 串行端口的设置 .414.1.3 Serialnull 端口的设置 .424.2 VB 与 Proteus 的联调 .42第 4 章 总 结 .44致 谢 .45参考文献 .46附录 1 系统图 .47附录 2 英文原文 .51附录
11、 3 中文翻译 .57北方民族大学学士学位论文 直流电机远程测控系统的设计1第 1章 直流调速驱动和测速设计直流电动机具有良好的起、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。近年来，虽然高性能交流调速技术发展很快，交流调速系统正逐步取代直流调速系统，但直流调速系统毕竟在理论上和、实践上都比较成熟，而且从控制的角度来看，它是交流调速系统的基础 1。随着半导体技术的进步，电力电子技术飞速发展，使直流电机的传动技术得到改进，以往普遍采用的三种基本调速方法:(1) 改变电枢的供电电压； (2) 改变电枢回路总电阻；(3) 改变励磁磁通。变压调速是直流
12、调速系统的主要方法，调节电枢供电电压需要有专门的可控的直流电源。近年来，直流斩波器或脉宽调制(PWM)控制技术已成为自动控制领域的热点之一。1.1直流脉宽调速驱动电路PWM 系统在很多方面有较大的优越性：主电路简单，需要的功率器件少；开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小；低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达 1：10000 左右；若与快速响应的电机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强；功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率高 1。1.1.1 PWM控制原理(a) (b)图1-1 PWM 斩波器工作原理电路及其输出波
13、形直流斩波的功能是将某一直流电变为另一需要的固定电压或可调电压的直北方民族大学学士学位论文 直流电机远程测控系统的设计2流电。直流斩波电路采用的脉宽调制(Pulse Width Modulation-PWM)控制技术，实际上就把直流电压“斩”成一系列脉冲，改变脉冲的占空比来获得所需的输出电压。直流斩波电路用PWM 斩波器实现。以下简述一下PWM 斩波器的工作原理。PWM 斩波器工作原理电路及其输出波形如图1-1 所示 1。假设V1先导通T1秒， 然后又关断T2秒，如此反复进行，可得到图2-1b 的波形图。则电机电枢端的平均电压Ua 为(1-1)式。1abTU (1-1)设=T1/T，定义为占空
14、比。设定输入电压Ud不变，越大， 电机电枢端的平均电压Ua 越大，反之也成立。因此改变值就可以达到调压的目的。改变有三种方法：第一种就是保持开关管导通时间T1不变，使其关断时间T2在0 到 之间变化，这叫定宽调频；第二种就是使开关管关断时间T2不变，使其导通时间T1在0 到 之间变化，这叫调宽调频；第三种就是保持开关管导通和截止的总时间(也就是周期)T 一定，使管子导通时间T1在0 到T 间变化，这叫定频调宽。1.1.2 PWM调速系统在直流电机伺服系统中，速度调节主要通过改变电枢电压的大小来实现。它采用脉冲宽度调制技术，其工作原理是：在固定的脉冲周期内，通过改变“接通脉冲”的宽度，使直流电机
15、电枢上电压的“占空比”改变，从而改变电枢电压的平均值，控制电机的转速 1。图1-2 PWM驱动系统调速北方民族大学学士学位论文 直流电机远程测控系统的设计3常见的PWM 驱动系统的主电路(功率放大器)结构有： H 型和T 型。下面以H 型结构为例说明PWM单极式驱动的电路工作原理，如图1-2示。在图1-2 VD1、VD2、VD3、VD4 为续流二极管， 用来保护VT1、VT2、VT3、VT4 三极管，VT2、VT4交替导通调制脉冲宽度，控制平均电压。VT1、VT3的导通控制电机的转向。当VT2 、VT3截止VT1 、VT4导通电机正转，VT1 、VT4截止VT2、VT3导通电机反转，如图1-3
16、所示。(a) (b)图 1-3 电机运行三极管导通情况VT1 为控制正转三极管，VT2 为控制反转三极管，当 VT2 截止 VT4 导通电机正转，在 0 t Ton 期间，Ub4 为正 VT4 导通 ,电流 Id 经 VT1 到电机，然后经 VT4 流通形成回路，电机两端电压 Uab = +Us ；在 Ton t T 期间，Ud4 为负或零 VT4 截止，直流电机两端没有电压，也没有电流，电机只能靠惯性转动。当 VT4 截止 VT2 导通电机反转，在 0 t Ton 期间，Ub2 为正VT2 导通,电流 Id 经 VT3 到电机，然后经 VT2 流通形成回路，电机两端电压 Uab = +Us
17、；在 Ton t T 期间，Ud2 为负或零 VT2 截止，直流电机两端没有电压，也没有电流，电机只能靠惯性转动。单极式控制可逆 PWM 变换器的输出平均电压为 0ndsTU(1-2)单极式控制可逆 PWM 变换器具有制动能力，若电机从正转到停止时，转向控制三极管 VT1、VT3 都截止了，此时使 Ub2 为正 VT2 导通，在反电动式的作用下 VT2 导通，电流由 A 端经 VT2，在经 VD4 到 B 端，最到电机形成回路，达到制动的目。若电机从反转到停止时，转向控制三极管 VT1、VT3 都截止了，此时使 Ub4 为正 VT4 导通，在反电动式的作用下 VT3 导通，电流由 B 端经 V
18、T4，在经 VD2 到 A 端，最到电机形成回路，达到制动的目。经上面分析可得，单极式可逆 PWM 变换器在不同工作状态下的导通器件和北方民族大学学士学位论文 直流电机远程测控系统的设计4电流回路与方向，如表 1-1 所示。表1-1 电机工作状态期间工作状态0Ton TonT导通器件 VT1 VT4 VT1 电 机正 转 电流回路 1 没有回路导通器件 VT2 VD4正 向制 动 电流回路A-VT2-VD4-B导通器件 VT3 VT2 VT3 电 机反 转 电流回路 3 没有回路导通器件 VT4 VD2反 向制 动 电流回路 B-VT4-VD2-A在直流电机的调速过程中，当对功率三极管进行控制
19、时，不能同时导通VT1、VT2和VT3、VT4，否则将导致直流电源短路，造成直流电源烧坏，甚至更严重的后果。所以在控制功率三极管导通时，要采用特定的保护外围电路，以提高调速系统的可靠性和安全性。1.2 直流电机转速测量转速检测有模拟和数字两种检测方法：(1) 模拟测速：采用测速发电机，其输出电压不仅表示了转速的大小，还包含了转速的方向，在调速系统中，转速的方向也是不可缺少的。因此必须经过适当的变换，将双极性的电压信号转换为单极性电压信号，经 A/D 转换后得到的数字量送入微机，如图 1-4 所示:图 1-4 测速发电机转换电路(2) 数字测速：数字测速具有测速精度高、分辨能力强、受器件影响小等
20、优点，被广泛应用于调速要求高、调速范围大的调速系统和伺服系统。数字测北方民族大学学士学位论文 直流电机远程测控系统的设计5速现在广泛采用旋转编码器测，如图 1-5 所示:图 1-5 光电码盘转换电路1.2.1 旋转编码器 1光电式旋转编码器是转速或转角的检测元件，旋转编码器与电动机相连，当电动机转动时，带动编码转动，便发出转速或转角信号。旋转编码器可分为绝对式和增量式两种。绝对式编码器在码盘上分成刻上表示角度的二进制数码或循环码，通过接收器将该数码送入计算机。绝对式编码器常用于检查转角，若需得到转速信号，必须多转角进行微分处理。增量式编码器在编码盘上均匀的刻上一定数量的光栅，如图 1-6 所示，当电动机转动时，码盘随之转动。通过光栅的作用，持续不断地开放或封闭光通路，因此，在接收装置的输出端便得到频率与转速成正比的方波脉冲序列，从而可以计算转速。 图 1-6 增量式编码器上述脉冲序列正确地反映了转速的高低，但不能鉴别转向。为了获得转速的方向，可增加一对发光与接收装置，使两对发光与接收装置错开光栅节距地1/4，测两组脉冲序列 A 和 B 的相位相差 90。正转时 A 相超前 B；反转时 B 相超前 A 相。采用简单的鉴相路就可以分辨出转向，如图 1-7 所示。图 1-7 区分旋转方向的 A/B两组脉冲序列若旋转编码器的码盘的光栅数位 N,则转速分辨率位 1/N，常用的旋转编码
