1、4. 设计串口及通信程序，完成和上位机的通信；5. 画出程序流程图并编写调试代码，完成报告；直流电机调速与控制摘要：当今社会，电动机作为最主要的机电能量转换装置，其应用范围已遍及国民经济的各个领域和人们的日常生活。无论是在工农业生产，交通运输，国防，航空航天，医疗卫生，商务和办公设备中，还是在日常生活的家用电器和消费电子产品式中:U-电枢端电压；I-电枢电流；R-电枢电路总电阻；-每极磁通量；K-与电机结构有关的常数，因此直流电机转速n的控制方法有三种，主要以调压调速为主。本控制器主要通过脉宽调制PWM来控制电动机电枢电压，实现调速。调脉宽的方式有三种：定频调宽、定宽调频和调宽调频。本系统采用
2、了定频调脉宽方式的PWM控制，因为采用这种方式，电动机在运转时比较稳定；并且在采用单片机产生PWM脉冲的软件实现上比较方便。对直流电机转速的控制即可采用开环控制,也可采用闭环控制。与开环控制相比,速度控制闭环系统的机械特性有以下优越性：闭环系统的机械特性与开环系统机械特性相比,其性能大大提高。理想空载转速相同时,闭环系统的静差率额定负载时电机转速降落与理想空载转速之比）要小得多。当要求的静差率相同时, 闭环调速系统的调速范围可以大大提高。直流电机的速度控制方案如图1所示。+ -图 1 直流电机速度闭环控制方案二、系统硬件设计1系统总体设计框图本系统采用STC12C5A60S作为控制核心，用上位
3、机显示设定转速和测量转速以及控制电机。采用LM298驱动芯片作为本系统的驱动电路和用槽型光耦GK105作为该系统的测量电路。框图如2所示。图2直流电机控制系统总体框图2模块电路及功能介绍2.1单片机最小系统电路单片机主要擅长系统控制，而不适合做复杂的数据处理，在设计单片机最小系统时我们选用STC12C5A60S2位DIP-40封装的单片机作为MCU。STC12C5A60S2芯片是有宏晶科技生产的单时钟./机器周期*60。V:速度 R/minN:每秒采样的脉冲个数图7 电机转1圈GK105光耦管信号2.3.2速度脉冲信号调理电路给电机加电让其带动编码盘旋转，将光电对管靠近编码盘，用示波器观测输出
4、脉冲信号的有无与好坏。信号调理电路主要利用LM324运算放大器设计的比较器，如图8所示，调节比较器偏置电压使脉冲最接近于方波且幅度大于3.3V。为了提高测速的精度，在信号后级添加比较器调理信号为标准的方波，调节比较器运放的偏置电压使方波信号最适合于测速。图 8 基于LM324的信号调理电路2.4串口电路设计MAX232芯片是美信公司专门为电脑的RS-232标准串口设计的接口电路，使用+5V单电源供电。其内部结构基本可分三个部分：第一部分是电荷泵电路，由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。功能是产生+12V和-12V两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。第二部分是数据转换通道，由7、8
5、、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。其中13脚R1IN）、12脚R1OUT）、11脚T1IN）、14脚T1OUT）为第一数据通道。8脚R2IN）、9脚R2OUT）、10脚T2IN）、7脚T2OUT）为第二数据通道。TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DB9插头；DB9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。第三部分是供电，15脚GND、16脚VCC+5V）。电路如图9所示。图 9 串口电路图2.5系统电源设计本系统要求有5V和67V的电源输入，因此我们
6、选用了LM317作为电源芯片。LM317作为输出电压可变的集成三端稳压块，是一种使用方便、应用广泛的集成稳压块。其应用电路如图10所示。图11为电源滤波电路。图10 3.3V稳压电路图11 滤波电路稳压电源的输出电压可用下式计算，Vo=1.251+R2/R1）。本系统中取R1为240n,R2取5K的可调电位器。通过调节R2的阻值大小，进而可以改变输出电压的大小，实现电压可调，其可调范围是Vo=1.25V37V。在应用中，为了电路的稳定工作，在一般情况下，还需要接二极管作为保护电路，防止电路中的电容放电时的高压把317烧坏。2.6电机设定速度输入电路本系统采用了简单的电位器，通过电位器将5V电源
7、信号分压在经过单片机A/D端口输入到CPU处理，实现电机速度手动的可调，其电路如图12所示。图12 电位器速度设置电路三、系统软件设计本程序主要分为6大块，主程序、A/D转换处理程序、PWM输出程序、串口显示与电机状态控制程序、定时器0的中断服务程序，串口中断服务程序。主程序主要做了系统初始化，定时器0的初始化和主循环等。配置STC12C5A60S2定时器0为定时器方式2、50ms计数器中断，累计20次定时器0中断为1秒，此时TL1即光电对管输入的脉冲频率，同时在此一秒内触发AD采集一次电源电压Voltage送入内存并通过运算转换成设定的速度值。PC终端的显示也是没隔一秒刷新一次。配置STC1
8、2C5A60S2串行口1为方式2、独立波特率发生器9600、允许接收中断。当串口1接收到PC机数据转入中断处理程序，检测接收到的数据以此来区分数据是属于哪种控制信号。配置STC12C5A60S2脉宽调制PWM为8位、无中断。主程序中循环执行Pwm）函数实时更改PWM定时器CCAP1L、CCAP1H的值，实现对电机转速的控制。1主程序主程序主要功能为系统初始化，定时器0的初始化和主循环等。流程图如图13所示 图13 系统主程序流程图2串口中断发送程序本系统的串口通信指的是单片机与上位机PC机）之间的串口通信，该通信主要用于测速模块的调试以及在测量转速时，单片机能从上位机PC机）接收数据或者能将数
9、据发回给上位机/32 。图14 串口发送程序流程图3串口中断接收程序 上位机控制单元解扩出1bit数据后，产生一次中断。接收时首先采用16bits接收窗口、1bit滑动方式来接收通信的同步帧头0x09、0xAF，帧头接收成功后，后续数据按每8bits一个字节的方式进行截取，得到传送的有效数据，同时将得到的有效数据存储在缓冲单元中；接收过程中，按有关的通信协议进行地址判别、长度接收、校验计算。地址相同的模块对符合通信协议的数据进行应答，转入发送态。程序流程图如图15所示。图15 串口接收程序流程图4A/D转换程序A/D转换程序主要用于电机速度的输入模拟信号的采集与转换。程序流程图如图16所示。图
10、16A/D转换程序流程图5PWM输出程序PWM控制脉冲宽度调制技术，即通过一系列脉冲的宽度调制来等效地获得所需的波形。speed_poly1=p（1*votlage_V+p（2q=polyfit（votlage_D,speed,1speed_poly2=q（1.*votlage_D+q（2figure（1plot（votlage_V,speed,or,votlage_V,speed_poly1grid ontitle（电压V-转速r/sfigure（2plot（votlage_D,speed,votlage_D,speed_poly2grid on 电压D-转速r/s拟合曲线如图21所示： 图
11、21 电压速度曲线如图21所示，电机电压与转速基本成正比关系，所以可以按最小二乘法进行线性拟合，得到电压与转速关系式为：1）电压为实型，转速=34.5178*电压V -28.91，其中a=34.5178，b=-28.91）；2）电压为整型，转速=0.67373*电压D-28.8715，其中a=0.67373 b=-28.8715）；上面两个关系式将作为电机控制的基本数学模型，有软件算法实现电机输出转速对输入电压的跟踪。2.2 不同转速设定值下电机对应的输出转速及误差如表1输入转速输出转速 绝对误差1213-17680-41719-27822383812272587893393424097459
12、694484999535510110258591031046210610516563109112-3697111173113116119125117128130122126133131 表1 电机转速误差表23 电机输出转速误差曲线 图 23 电机输出转速相对电压绝对误差曲线 图 24 电机输出转速相对电压的相对误差曲线24 系统性能分析对上面图23、图24两个误差曲线分析可以得出以下结论，一方面，当电机两端的电压在1.5V4.8V范围了变化时，电机的转速变化范围在12R/S134R/S北京航空航天大学出版社，19982胡向东编传感技术.重庆大学出版社，2006年第1版。3. 谭浩强 C语言程
13、序设计. 北京：清华大学出版社，2002。8. 后闲哲也编 单片机C程序设计与实践丛书 北京航空航天大学出版社 2008。七、附录程序：#include intrins.H#include STC_NEW_8051.Htypedef unsigned char INT8U。typedef unsigned int INT16U。typedef unsigned int INT8。/以下选择 ADC 转换速率，只能选择其中一种 / SPEED1 SPEED0 A/D转换所需时间#define AD_SPEED 0x60 / 0110,0000 1 1 70 个时钟周期转换一次, / CPU工作频率21MHz时 A/D转换速度约 300KHz/#define AD_SPEED
