开题报告基于单片机的直流电动机控制系统硬件设计

本科生毕业设计开题报告

题目：基于单片机的直流电动机控制系统设计（硬件部分）

学院：电气工程学院

专业：电气工程及其自动化

班级：10电气2班

姓名：杨蔚海

学号：201001050215

指导教师：罗振中

2014年2月25日一、选题背景

1.1题目来源

老师提供，自己选择

1.2应用性和先进性

电机在每个行业都发挥着关键的作用,而电机的转速是电机重要的性能指标之一,因此测量电机的转速和电机的加减速,使它满足人们的各种需要,更显得尤为重要，而且随着科技的进步,PWM调速成为电机调速的新方式。

随着科技的发展，自动化控制系统已经在各行各业得到了广泛的应用和发展，而直流驱动控制作为电气传动的主流在现代化生产中起着关键作用。长期以来，直流电动机因其转速调节比较灵活，方法简单，易于大范围平滑调速，控制性能好等一系列特点，一直在传动领域占有统治地位。它广泛应用于数控机床、工业机器人等工厂自动化设备中。随着现代化生产规模的不断扩大，各个行业对直流电机的需求愈益增大，并对其性能提出了更高的要求。为此，研究并制造高性能、高可靠性的直流电机控制系统有着十分重要的现实意义。

1.3发展前景

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提高,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替代,到六十年代后期,由于可控硅整流装置的问世,并得到迅速发展,可控硅整流电源已占统治地位。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深入展开,诸多高质量的直线电机产品和科研成果纷纷出现。综观全局，尤其是我国在此领域的现状，再加上全数字直流调速系统的出现，更提高了直流调速系统的精度及可靠性，直流调速系统仍将处于十分重要地位。

对于直流调速系统转速控制的要求有稳速、调速、加速或减速三个方面，而在工业生产中对于后两个要求已能很好地实现，但工程应用中稳速指标却往往不能达到预期的效果，稳速要求即以一定的精度在所需要的转速稳定运行，在各种干扰不允许有过大的转速波动。

二、设计方案

2.1主要内容（1）掌握51系列单片机的工作原理及接口技术，熟悉电子电路设计方法及原理图和PCB 图设计软件Protel 的使用，熟悉单片机开发工具的使用。

（2）用单片机对直流电动机进行控制，完成电机正转、反转、加速、减速、起动和停止等功能，并将直流电动机速度在数码管上显示出来。

（3）详细分析系统的功能及实现过程，完成系统的元器件选型，完成系统的硬件设计，并进行相应的调试。

2.2实现方法

以单片机为核心制作一个直流电动机控制系统，系统包括主控模块（MCU ）、电机驱动模块、测速模块、键盘模块和显示模块，通过键盘实现电机速度大小和转动方向的控制，并在由数码管或者LCD 液晶显示器构成的显示模块上显示电机的运行状态。

该系统的各个模块的主要结构框图如下：

主控模块

键盘模块

M

测速模块驱动模块显示模块

模块

电源模块

2.2.1硬件模块介绍（1）单片机系统电路：以stcc52rc 单片机为核心，主要完成控制信号的输出、转速反馈信号的处理、按键信号的处理等功能。因为直流电机的转速与电压成正比，用PWM 调制的方法，把恒定的主流电源电压调制成频率一定，宽度可变的脉冲电压序列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电机转速。

（2）电机控制电路：以复合体管组成H 型桥式电路为核心，四部分晶体管以对角组合分为两组：根据两个输入端的高低电平决定晶体管的导通和截止。4个二极管在电路中起防止晶体管产生反向电压的保护作用，防止电动机两端的电流和晶体管上的电流过大的保护作用。接通Q1，Q4电机正转，接通Q2，Q3，电机反转。原理图如下：

Q1

M

Q2Q4

（3）光电采集反馈系统：初步打算用单片机计数码盘的方法来进行测速，以光电对管为核心，主要完成对电机端转速的采样，送单片机处理，确保输出信号在运行期间变化缓慢或保持恒定。

（4）人机接口电路:实现人机对话的功能，它包括键盘输入和显示电路，键盘可以输入控制指令，初期预设为4键，启动停止加速减速，若掌握的好，也可以直接设置数字键盘。显示器将最终经单片机处理的转速信号显示。

2.2.2信号流程分析

（1）单片机通过定时器每隔一定的时间对计数器所记的数进行处理，计算出直流电动机的转速并更新数码管显示。

（2）控制电路是一个键盘，单片机读取IO口的信号，经软件处理产生相应的功能。例如键盘设计一个加速键、一个减速键，当按下加速键后，经软件处理，使电机速度增加，反之减速。

2.3预期目标

（1）毕业设计说明书1篇，不少于20000字。

（2）完成直流电机调速系统的硬件设计，绘制出电气原理图和PCB图，提供设计使用的元器件的明细表。

（3）配合软件开发人员完成直流电机调速控制系统的软件调试。

三、进度安排

第1~2周查找并阅读文献，了解设计内容，完成开题报告

第3~4周学习相关知识，开始系统电路的初步设计，确定系统功能框架第5~6周开始硬件模块设计，部分功能可验证实现。

第7~8周搭建并开始焊接实物电路配合软件开发人员进行调试工作，

第9周进行毕设中期总结，准备中期答辩第10~11周对硬件进行修改和完善对PCB图进行初步排版

第12~13周进行总体软、硬件电路联调，进一步完善和修改硬件设计

第14周完成实物电路焊接，完成硬件系统PCB图的设计

第15~16周总结毕业设计工作,准备答辩

四、参考文献

[1]何立民.单片机高级教程.北京:北京航空航天大学出版社,2007.

[2]黄晓明.电动机的单片机控制.北京:北京航空航天大学出版社,2007.

[3]李光友.控制电机.北京:机械工业出版社,2009.

[4]谢龙汉.Altium Designer原理图与PCB设计及仿真.北京:电子工业出版社,2012.

[5]林志琦.基于Proteus的单片机可视化软硬件仿真[M].北京:北京航空航天大学出版社,2006.9．

[6]周润景,张丽娜.基于PROTEUS的电路及单片机系统设计与仿真[M].北京:北京航空航天大学出版社,2006.5．

[7]张靖武,周灵彬.单片机系统的PROTEUS设计与仿真[M].北京:电子工业出版社,2007.4．

[8]周润景,张丽娜.PROTEUS入门实用教程[M].北京:机械工业出社,2007.9．

[9]楼然苗,李光飞.51系列单片机设计实例[M].北京:北京航空航天大学出版社,2003.3．

[10]楼然苗,李光飞.单片机课程设计指导[M].北京:北京航空航天大学出版社,2007.7．

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[12].Yu.Teplov,A.V.Anisimov.Thermostatting System Using a Single-Chip Microcomputer and Thermoelectric Modules Based on the Peltier Effect[J],2002

[13]Yeager Brent.How to troubleshoot your electronic scale[J]..Powder and Bulk Engineering.1995.