单片机匀胶机转速控制系统.docx
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单片机匀胶机转速控制系统
单片机匀胶机转速控制系统
大连理工大学本科课程设计（论文）
匀胶机转速控制系统
学院（系）:
机械工程学院专业:
测控技术与仪器学生姓名:
学号:
指导教师:
完成日期:
大连理工大学
DalianUniversityofTechnology
匀胶机转速控制系统
摘要
匀胶机有很多种称谓，英文叫SpinCoater或者SpinProcessor，又称甩胶机、匀胶台、旋转涂胶机、旋转涂膜机、旋转涂层机、旋转涂布机、旋转薄膜机、旋转涂覆仪、旋转涂膜仪、匀膜机，总的来说，他们原理都是一样的，即在高速旋转的基片上，滴注各类胶液，利用离心力使滴在基片上的胶液均匀地涂覆在基片上，厚度视不同胶液和基片间的粘滞系数而不同，也和旋转速度及时间有关。
其驱动系统，实质可以简化为是一个直流电机带动转盘旋转，并用一定的测速装置进行实时测速，调速的这样一个闭环控制系统。
本设计是以单片机AT89C52和L298控制的直流电机脉宽调制调速系统。
利用AT89S52芯片进行低成本直流电动机控制系统的设计，能够简化系统构成、降低系统成本、增强系统性能的需要。
系统实现对电机的正转、反转、急停、加速、减速的控制，并利用光电传感装置实时测速。
关键词:
匀胶机;AT89C52;L289
-I-
匀胶机转速控制系统
匀胶机转速控制系统
摘要.....................................................................................................................................I引言....................................................................................................................................12课程设计的内容及设计要求..............................................................................................2
2.1课程设计内容.....................................................2
2.2课程设计要求.....................................................23系统的总体方案确定..........................................................................................................3
3.1机械传动部分部件选择..............................................3
3.2控制测量系统的设计与选择..........................................3
3.2.1单片机选择......................................................................................................3
3.2.2电机驱动模块选择..........................................................................................3
3.2.3显示器驱动模块..............................................................................................3
3.2.4速度测量装置的选择......................................................................................34机械设计部分......................................................................................................................4
4.1电动机的技术参数及计算............................................4
4.1.1直流电机介绍...................................................................................................4
4.2.2直流电动机的参数选择与计算.......................................................................5
4.2联轴器技术参数及计算..............................................5
4.3匀胶机机械结构简图................................................55直流电机调速系统设计........................................................................................................6
5.1总体框架设计......................................................6
5.2设计思路.........................................................6
5.3PWM脉宽调制原理.................................................76控制系统硬件设计................................................................................................................9
6.1硬件模块组成......................................................9
6.2单片机控制模块...................................................10
6.2.1AT89S52单片机............................................................................................10
6.2.2AT89S52各引脚功能介绍.........................................................................10
6.2.3单片机控制模块整体图.................................................................................11
6.3光电测速部分.....................................................12
6.3.3光电测速流程模块图....................................................................................14
6.4电机驱动模块...................................................................................................15
匀胶机转速控制系统
6.4.1电机驱动模块L298芯片..............................................................................15
6.4.1.1L298电机驱动芯片简介.........................................................................15
6.4.1.2L298电机驱动芯片内部原理.................................................................15
6.4.1.3L298电机驱动芯片的逻辑功能.............................................................16
6.4.2显示器驱动74LS245芯片........................................17
6.4.2.174LS245简介...........................................................................................17
6.4.2.274LS245工作原理...................................................................................17
6.4.2.374LS245引脚及接线..................................................................................17
6.5独立键盘模块....................................................18
6.5.1独立式键盘.....................................................................................................18
6.5.2本系统中独立键盘的连接..........................................................................19
6.6显示器模块......................................................19
6.6.17SEG-MXP-CC的引脚接线..........................................................................19
6.6.1本系统中的接线............................................................................................197其他部分设计......................................................................................................................21
7.1晶振电路设计.....................................................21
7.2复位电路的设计...................................................218程序设计...............................................................................................................................229仿真部分...............................................................................................................................23
9.1总设计图.........................................................23
9.2仿真过程
10总结..................................................................................................................................2611附录..................................................................................................................................27
匀胶机转速控制系统
引言
本次测控技术与仪器课程设计，是设计一个匀胶机的转速控制系统。
我对于它的理解是我把它简化成了一个单片机控制直流电机转速，并用光电传感装置进行实时测速然后再用单片机调速的一个系统。
在此基础之上，我选择了AT89C52单片机，经济适用，使用简单，并选择了L298电机驱动模块，由于需要测速以及显示当前转速，我使用了两个LED显示屏，型号为7SEG-MPX4-CC,四个共阴二极管显示器，以及驱动它的芯片74LS245。
测速部分我选择了光电对管来进行测量速度，直射式，即码盘。
在设计完成时进行仿真模拟时，由于光电传感器在protues中无法模拟，所以我用了一个脉冲信号来替代，只不过需要之前对其进行修改参数。
并且在protues中由于软件原因，没有合
-480转速的电机进适的电机以及脉冲可以使得电机转速达到5000转，所以我用了个0
行模拟仿真。
由于学识浅薄，本文会有诸多漏洞和不恰当的地方，望各位能够发现并且批评指正，感激不尽。
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匀胶机转速控制系统
2课程设计的内容及设计要求
2.1课程设计内容
利用光电发射接受元件设计匀胶机直流电机转速控制系统。
匀胶机是半导体工艺中常用设备,其电机转数直接决定匀胶厚度。
请根据相关技术指标,选用合适的直流电机及光电发射接受元件,设计匀胶机转数控制系统，并结合所采用控制芯片和驱动芯片，完成整个系统软硬件详细设计
2.2课程设计要求
1.给出匀胶机的机械结构结构图，以及总体控制方案。
2.用Protel给出控制系统电路的详细电路图。
3.结合采用的硬件，给出控制程序，并给出仿真结果。
4.给出详细的技术设计文件。
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匀胶机转速控制系统3系统的总体方案确定
3.1机械传动部分部件选择
3.1.1直流电机的选择
初选55ZYT06直流电机。
3.1.2联轴器的选择
初选TL1型弹性套柱销联轴器。
3.2控制测量系统的设计与选择3.2.1单片机选择
选择AT89S52型单片机。
3.2.2电机驱动模块选择
选择L298作为电机驱动模块。
3.2.3显示器驱动模块
选择74LS245作为两个显示器的驱动模块3.2.4速度测量装置的选择
选择光电对管，即码盘作为速度检测装置。
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匀胶机转速控制系统
4机械设计部分
4.1电动机的技术参数及计算
4.1.1直流电机介绍
直流电动机转速的控制方法可分为两类:
励磁控制法与电枢电压控制法。
励磁控制法控制磁通，其控制功率虽然小但低速时受到磁场饱和的限制，高速时受到换向火花和转向器结构强度的限制，而且由于励磁线圈电感较大动态响应较差。
所以常用的控制方法是改变电枢端电压调速的电枢电压控制法。
传统的改变端电压的方法是通过调节电阻来实现的，但这种调压方法效率低。
随着电力电子技术的发展，创造了许多新的电枢电压控制方法。
其中脉宽调制（PulseWidthModulation,PWM）是常用的一种调速方法。
其基本原理是用改变电机电枢电压的接通和断开的时间比（即占空比）来控制马达的速度，在脉宽调速系统中当电机通电时，其速度增加，电机断电时其速度降低。
只要按照一定的规律改变通断电的时间，就可使电机的速度保持在一稳定值上。
直流电机可按其结构、工作原理和用途等进行分类，其中根据直流电机的用途可分为以下几种:
直流发电机（将机械能转化为直流电能）、直流电动机（将直流电能转化为机械能）、直流测速发电机（将机械信号转换为电信号）、直流伺服电动机（将控制信号转换为机械信号）。
直流电机电路模型如图所示，磁极N、S间装着一个可以转动的铁磁圆柱体，圆柱体的表面上固定着一个线圈abcd。
当线圈中流过电流时，线圈受到电磁力作用，从而产生旋转。
根据左手定则可知，当流过线圈中电流改变方向时，线圈的方向也将改变，因此通过改变线圈电路的方向实现改变电机的方向。
N
ba+A
c-dB
S
图1直流电机模型
图1.1直流电机工作
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匀胶机转速控制系统
4.2.2直流电动机的参数选择与计算
直流电机55ZYT06额定转矩67mN*m,转速6000r/min，电压不超过27V，电流不超过2.2A。
4.2联轴器技术参数及计算
根据电机轴伸直径，以及设计要求的0—5000转速要求，选择TL1型弹性套柱销联轴器。
该联轴器的相关技术参数如下:
许用转速6600r/min（钢），轴孔直径12mm，转动惯量0.0004/kg×m2.
4.3匀胶机机械结构简图
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匀胶机转速控制系统
5直流电机调速系统设计
5.1总体框架设计
方案说明:
直流电机PWM调速系统以AT89S52单片机为控制核心，由命令输入模块、LCD显示模块及电机驱动模块组成。
采用独立式键盘作为命令的输入，单片机在程序控制下，定时不断给L298直流电机驱动芯片发送PWM波形，完成电机正，反转和急停控制;同时单片机不停的将PWM脉宽调制占空比送到LCD数码管完成实时显示，见图。
图系统框架设计
采用传统的直流电机调速系统的模拟电路容易随时间漂移，会产生一些不必要的热损耗，以及对噪声敏感等。
而在用了PWM技术后，避免了以上的缺陷，实现了用数字方式来控制模拟信号，可以大幅度降低成本和功耗。
另外，由于PWM调速系统的开关频率较高,仅靠电枢电感的滤波作用就可获得平稳的直流电流，低速特性好;同样,由于开关频率高,快速响应特性好,动态抗干扰能力强,可以获得很宽的频带;开关器件只工作在开关状态,主电路损耗小,装置效率高。
PWM具有很强的抗噪性，且有节约空间、比较经济等特点
5.2设计思路
直流电机PWM控制系统的主要功能包括:
实现对直流电机的加速、减速以及电机的正转、反转和急停，能够很方便的实现电机的智能控制。
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匀胶机转速控制系统
主体电路:
即直流电机PWM控制模块。
这部分电路主要由AT89C52单片机的I/O端口、定时计数器、外部键盘等控制直流电机的加速、减速以及电机的正转和反转，能够很方便的实现电机的智能控制。
其间是通过AT89S52单片机产生脉宽可调的脉冲信号并输入到L298驱动芯片来控制直流电机工作的。
该直流电机PWM控制系统由以下电路模块组成:
设计输入部分:
这一模块主要是利用独立式键盘来实现对直流电机的加速、减速以及电机的正转、反转和急停控制。
设计控制部分:
主要由AT89S52单片机的外部键盘扩展电路组成。
直流电机PWM控制实现部分主要由一些二极管、电机和L298直流电机驱动模块组成。
设计测速部分:
主要有光电对管和AT89S52实现。
设计显示部分:
二极管显示部分，实现对速度实时显示。
5.3PWM脉宽调制原理
5.3.1PWM调速原理
PWM（脉冲宽度调制）是通过控制固定电压的直流电源开关频率，改变负载两端的电压，从而达到控制要求的一种电压调整方法。
PWM可以应用在许多方面，比如:
电机调速、温度控制、压力控制等等。
在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并且根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。
通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来达到改变平均电压大小的目的，从而来控制电动机的转速。
也正因为如此，PWM又被称为“开关驱动装置”，见图所示。
图PWM信号的占空比
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匀胶机转速控制系统
设电机始终接通电源时，电机转速最大为Vmax，设占空比为D=t1/T，则电机的平均速度为Va=Vmax*D，其中Va指的是电机的平均速度;Vmax是指电机在全通电时的最大速度;D=t1/T是指占空比。
由上面的公式可见，当我们改变占空比D=t1/T时，就可以得到不同的电机平均速度Va,从而达到调速的目的。
严格来说，平均速度Va与占空比D并非严格的线性关系，但是在一般的应用中，我们可以将其近似的看成是线性关系
5.3.2PWM调速方法
基于单片机类由软件来实现PWM:
在PWM调速系统中占空比D是一个重要参数在电源电压Ud不变的情况下，电枢端电压的平均值取决于占空比D的大小，改变D的值可以改变电枢端电压的平均值从而达到调速的目的。
改变占空比D的值有三种方法:
A、定宽调频法:
保持t1不变，只改变t2，这样使周期（或频率）也随之改变。
B、调宽调频法:
保持t2不变，只改变t1，这样使周期（或频率）也随之改变。
C、定频调宽法:
保持周期T（或频率）不变，同时改变t1和t。
前两种方法在调速时改变了控制脉冲的周期（或频率），当控制脉冲的频率与系统的固有频率接近时，将会引起振荡，因此常采用定频调宽法来改变占空比从而改变直流电动机电枢两端电压。
利用单片机的定时计数器外加软件延时等方式来实现脉宽的自由调整，此种方式可简化硬件电路，操作性强等优点。
5.3.3PWM实现方式
方案一:
采用定时器做为脉宽控制的定时方式，这一方式产生的脉冲宽度极其精确，误差只在几个us。
方案二:
采用软件延时方式，这一方式在精度上不及方案一，特别是在引入中断后，将有一定的误差。
故采用方案一。
5.3.4PWM控制流程图
在本设计中PWM脉冲调制的控制流程见下图。
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匀胶机转速控制系统
图PWM控制流程
6控制系统硬件设计
6.1硬件模块组成
（1）单片机控制模块（主）
（2）光电对管测速（主）
（3）驱动模块（L298和74LS245）
（4）独立键盘控制模块
（5）显示器显示模块
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匀胶机转速控制系统
6.2单片机控制模块
6.2.1AT89S52单片机
AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K
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