一种基于单片机的小型直流电机转速控制电路设计毕业设计论文(编辑修改稿)

一种基于单片机的小型直流电机转速控制电路设计毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

且 不能应用在大功率 负载 场合。 市电过零检测 由于本设计采用了双向可控硅进行交流调压，而交流调压是通过单片机控制双向可控硅门极的 RC 脉冲触发电路的导通时间，从而实现对双向可控硅导通角的控制，最终达到调压的目的。 要控制导通角就要以市电过零的瞬间作为参考点。 过零检测电路的最终目 标是实现当 50Hz 的交流电压通过零点时取出其脉冲。 市电过零检测的方法很多，常用的有三极管过零检测、光电耦合器过零检测、比较器过零检测等。 本设计采用了 Toshiba 公司生产的 TLP5212 双通道 光电耦合器来实现过零检测，实物如图 所示，其引脚图图见图。 光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种电一光一电转换器件。 它由发光源和受光器两部分组成。 把发光源和受光器组装在同一密闭的壳体内，彼此间用透明绝缘体隔离。 发光源的引脚为输入端，受光器的引脚为输出端，常见的发光源为发光二极管，受光器为光敏二极管、光敏三极管等等。 其工作原理是 在光电耦合器输入端加电信号使发光源发光，光的强度取决于激励电流的大小，此光照射到封装在一起的受光器上后，因光电效应而产生了光电流，由受光器输出端引出，这样就实现了电一光一电的转换。 光电耦合器具有灵敏度高，抗干扰能力强的特点，并且可以使前端与负载完全隔离，减小前后级之间的影响，提高电路的稳定性。 图 TLP5212 实物图 常州大学本科生毕业设计（论文） 第 6 页 共 27 页 图 TLP5212 引脚图 如图 所 示， 电路中采用两个光电耦合器 来 实现过零 检测 ，其工作原理是： 把 交流电源加到 光电耦合器 TLP5212 的 2 个 反并联 的 发光 二极管上，在交流电源的正，负半周， 2 个发光 二极管轮流导通，从而使 2 个 三极管也轮流导通， 此时 V0 端输出低电平，只有在交流电源过零的瞬间， 2 个 发光 二极管均截止， 此时 V0 端输出高电平，因此 V0 端得到周期为 10mS 的脉冲信号 ,如图 所示 ， 把 该信号送至 AT89C2051 的 INTO引脚，每秒向 AT89C2051 申请 100 次中断。 50Hz220v C1CapU2TLP521U3TLP521240R4Res215K/4WR3Res24K7R5Res2GNDF1Fuse 1GNDVCCV0 图 光耦过零检测电路 常州大学本科生毕业设计（论文） 第 7 页 共 27 页 图 市电和 V0 端输出的脉冲信号 光电耦合器 TLP5212 工作的典型值如表 所示。 如果把发光二极管和电阻 R3 直接串联在交流回路里 ,发光二极管的最大导通压降约为 ，在两个发光二极管轮流工作期间，此时电路中的最大电流 MAXI总 为： 2 0 . 6 m AA1 5 0 0 1 02 3  R UUI M A X 二极管市电总 () 显然流过发光二极管的电流过大，这里选择在发光二极管的两端并联一个电阻 R4 用来分流，在两个发光二极管轮流工作期间， R4 两端的电压为发光二极管的导通压降，此时流过发光二极管的最大电 流 FMAXI 为： 1 5 . 2 mAA2401 . 44  6RUIIII M A XRM A XF M A X 二极管总总 () 可以保证发光二极管的正常运行。 电路中的平均电流 总I 约为： 常州大学本科生毕业设计（论文） 第 8 页 共 27 页 1 4. 6 mAA1 50 20 3  RUUI 二 极 管市电总 () 值得注意的是 R3 的功率选择：     3 . 2 W1 4 . 6 m 33  总二极管市电总 IUUIUP RR () 所以这里 R3 选用的是 15K/4W 的线绕电阻。 R4 为 220Ω 的 1/4W 的碳膜电阻。 在光电耦合器 TLP5212 输出端的集电极接有 的 1/4W 的碳膜电阻 R5。 这里的光电耦合器TLP5212的受光器集电极和发射极之间的饱和压降 饱和压降U 取 过集电极的电流 IC 为： mA1mA  RUV C CI C 饱和压降 () 此电流由零式整流稳压电源提供。 表 TLP5212 的推荐工作环境 特性 符号 最小值 典型值 最大值 单位 电源电压 VCC — 5 24 V 正向电流 IF — 16 20 mA 集电极电流 IC — 1 10 mA 在所设计的过零 检测 电路中，每当电源电压过零点 瞬间 就 会 产生准确的过零 检测 脉冲， 其结构简单， 工作稳定能满足本系统的工作要求。 控制模块 AT89C2051 单片机的基本特点 由于单片机的这种结构形式及它所采取的半导体工艺，使其具有很多显著的特点，因而在各个领域都得到了迅猛的发展。 单片机主要有如下特点： ① 有优异的性价比； ② 集成度高、体积小、有很高的可靠性。 单片机把各功能部件集成在一块芯片上，内部采用总线结构，减少了各芯片之间的连线，大大提高了单片机的可靠性与抗干扰能力。 另外，其体积小，对于强磁场环境易于采取屏蔽措施，适合在恶劣环境下工作； ③ 控制功能强。 为了满足工业控制的要求，一般单片机的指令系统中均有极丰富的转移指令、 I/O 口的逻辑操作以及位处理功能。 单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微机。 ； ④ 低功耗、低电压，便于生产便携式的产品。 ⑤外部总线增加了 IC（ InterIntegrated Circuit）及 SPI（ Serial Peripheral Interface）等串行总线方式，进一步缩小了体积，简化了结构； ⑥单片机的系统扩展和系统配置较典型、规范，容易构成各种规模的应用系统。 本设计所采用的单 片机 AT89C2051 是美国 ATMEL 公司生产的低电压、高性能CMOS 8 位 单片机 ，片内含 2k bytes 的可反复擦写的只读 程序存储器 （ PEROM）和128bytes 的随机数据存储器（ RAM），器件采用 ATMEL 公司的 高密 度、非易失性存储技术生产，兼容标准 MCS51 指令系统 ，片内置通用 8 位 中央处理 器 和 Flash 存储单元 ，AT89C2051 单片机在电子类产品中有广泛的应用。 常州大学本科生毕业设计（论文） 第 9 页 共 27 页 图 AT89C2051的引脚图 AT89C2051的引脚图如图。 1） VCC：电源电压。 2） GND：地。 3） P1口： P1口是一个 8位双向 I/O 口。 口引脚 ~ 上拉电阻。 本设计中选用了 ， ，。 4） P3口： P3口 含有 7位 双向 I/O 口。 本设计选用了 控硅触发电路控制端口。 本设计中 P3口用于实现 AT89C2051各种第二功能 的引脚 ，如表 ： 表 P3口各管脚第二功能 引脚口 功 能 INT0 外中断 0 T0定时器 0外部输入 T1定时器 1外部输入 5） RST：复位输入。 RST 一旦变成高电平所有的 I/O 引脚 就复位到“ 1”。 当振荡器正在运行时，持续给出 RST 引脚 两个 机器周期 的高电平便可完成复位。 6） XTAL1：作为振荡器反相器的输入和内部时钟发生器的输入。 7） XTAL2：作为振荡器反相放大器的输出。 给 AT89C2051单片机加上时钟电路和复位电路就构成了一个简单的单片机最小系统 ,如图。 首先是时钟电路的设计， AT89C2051单片机 芯片内部有一个 由 高增益反相放大器构成内部自激振荡电 路，其输入端为芯片引脚 XTAL1，其输出端为引脚XTAL2。 本设计振荡电路选取内部时钟方式， 在 单片机 AT89C2051的引脚 XTAL1和XTAL2之间跨接 12M 的 晶体振荡器和 30PF 的陶瓷 微调电容 C C6，组成并联谐振电路，常州大学本科生毕业设计（论文） 第 10 页 共 27 页 构成稳定的自激振荡器 ， 晶体振荡器的振荡频率决定单片机的时钟频率 ，这里 选取 12M的石英晶振为单片机提供工作时序，振荡周期为 1/12uS，机器周期为 1uS。 其次是复位电路的设计，复位电路是为了用来把电路恢复到起始状态，复位电路通常有上电自动复位方式，按键电平复位方式和按键脉冲复位方式。 这里 选用的是第一种方式，由 10K 的1/4W 碳膜电阻 R6和 22uF/16V 的铝电解电容 C7串联构成单片机上电自动复位电路。 当振荡器运行时，要使 AT89C2051单片机复位，必须在其 RST 复位管脚出现两个机器周期即 2uS 的高电平。 GND(AIN0)12(AIN1)13141516171819RST123678911XTAL25XTAL14GND10VCC20U1AT89C20511212MHZXTAL30pFC5Cap30pFC6CapVCCGND22uF/16VC7Cap Pol110KR6Res2S2SWPBS3SWPBS4SWPBS1SWPBGND4K7R7Res24K7R8Res24K7R10Res24K7R9Res2VCC 图 单片机控制模块 按键 电路 在图 ， S S S S4为 4个独立按键，采用软件消抖，分别实现直流电机的开 /关、加速、减速、循环功能。 每个独立按键都接有 的 1/4W 的碳膜电阻作为上拉电阻，可以提高独立按键的抗干扰能力，防止单片机的误操作。 其中 任意一个按键被按下时，单片机的端口电压将被拉低，手松开后又变高 ,零式整流稳压电源提供的电流为： 1. 06mAmA4. 75RVCCI  () AT89C2051单片机通过键盘扫描子程序对四个按键进行检测，并做出相应的处理。 驱动 电路 直流电机是用来实现直流电能与机械能之间转换的器件，直流电机具有启动性能和调速性能好，过载能力大的优点，缺点是结构 复杂，使用有色金属多，生产工艺复杂，价格昂贵，运行可靠性差等。 主要是由定子、转子和换向器组成。 直流电机的基本工作常州大学本科生毕业设计（论文） 第 11 页 共 27 页 原理是建立在电磁力和电磁感应的基础上。 直流电机转速 N 可以表示为： CN IRU () 其中 U 为外加电枢电压， I 为电枢电流， R 为电枢回路电阻， C 对于已经做好的电机来说是个常数，Φ为励磁磁通。 IR 的乘积一 般要比 U 小的多，有时候近似计算可以忽略。 当Φ一定时，可以认为直流电机转速 N 与外加电枢电压成正比。 由此可见可以通过改变外加电枢电压来调速。 本设计中采用了双向可控硅来实现交流调压。 可控硅是可控硅 整流 元件的简称，是一种具有三个 PN 结的四层结构的大功率半导体 器件 ，亦称为晶闸管。 具有体积小、结构相对简单、功 能强等特点，是比较常用的半导体器件之一。 该器件被广泛应用于各种电子设备和 电子产品 中，多用来作可控 整流 、逆变、变频、调压、无触点开关等。 双向 可控硅 是在普通可控硅的基础上发展而成的，它不仅能代替 两只反极性并联的可控硅，而且仅需一个触发电路，是比较理想的交流开关 器件。 其英文名称TRIAC 即三端双向交流开关之意。 图 BT137就是一个双向可控硅。 其实物图如图 ，管脚说明如图。 图 BT137实物图 常州大学本科生毕业设计（论文） 第 12 页 共 27 页 图 BT137管脚说明 这里选用的双向可控硅 BT137的通态重复峰值电压 DRMV 为 600V,通态平均电流。