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2014单片机课程设计
单片机课程设计报告
题 目 微型直流电机控制系统设计
专 业 班 级
学 号
实 现 形 式 Proteus
姓 名
分 数
指 导 老 师
学 院 名 称 电气信息学院
目 录
1 绪论 1
1.1 课题背景 1
1.2 课题要求 1
2 方案论证 2
2.1 系统组成 2
2.2 单片机选型 2
2.3 驱动方案论证 2
2.4 监测方案论证 4
2.5 人机接口方案 5
3 硬件设计 5
3.1 单片机最小系统设计 5
3.2 I/O分配 6
3.3 驱动电路设计 7
3.4 转速检测电路设计 8
3.5 人机接口电路设计 9
4 软件设计 10
4.1 主程序流程 10
4.2 按键扫描子程序流程 11
5 问题与分析 12
5.1 设计问题 12
5.2 答辩问题 13
参考文献 14
附录一（原理图） 15
附录二（程序清单）...............................................................................16
附录三（器件清单）...............................................................................18
1 绪论
现代工业生产中，电动机是主要的驱动设备，目前在直流电动机拖动系统中已大量采用晶闸管(即可控硅)装置向电动机供电的KZ—D拖动系统，取代了笨重的发电动一电动机的F—D系统，又伴随着电子技术的高度发展，促使直流电机调速逐步从模拟化向数字化转变，特别是单片机技术的应用，使直流电机调速技术又进入到一个新的阶段，智能化、高可靠性已成为它发展的趋势。
直流电机调速基本原理是比较简单的（相对于交流电机），只要改变电机的电压就可以改变转速了。改变电压的方法很多，最常见的一种PWM脉宽调制，调节电机的输入占空比就可以控制电机的平均电压，控制转速。
1.1课题背景
直流电动机具有良好的起动、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。从控制的角度来看，直流调速还是交流拖动系统的基础。早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础，采用运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成，控制系统的硬件部分非常复杂，功能单一，而且系统非常不灵活、调试困难，阻碍了直流电动机控制技术的发展和应用范围的推广。随着单片机技术的日新月异，使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成，为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，并使系统能达到更高的性能。采用单片机构成控制系统，可以节约人力资源和降低系统成本，从而有效的提高工作效率。
传统的控制系统采用模拟元件，虽在一定程度上满足了生产要求，但是因为元件容易老化和在使用中易受外界干扰影响，并且线路复杂、通用性差，控制效果受到器件性能、温度等因素的影响，故系统的运行可靠性及准确性得不到保证，甚至出现事故。
目前，直流电动机调速系统数字化已经走向实用化，伴随着电子技术的高度发展，促使直流电机调速逐步从模拟化向数字化转变，特别是单片机技术的应用，使直流电机调速技术又进入到一个新的阶段，智能化、高可靠性已成为它发展的趋势。
1.2课题要求
以AT89C51单片机作为主控制器、对微型直流电机进行控制。利用霍尔元件设计转速测量、检测直流电机速度，并显示。
单片机为控制核心的直流电机PWM调速控制系统，并实现以下功能：
1) 直流电机的正转；
2) 直流电机的反转；
3) 直流电机的加速；
4) 直流电机的减速；
5) 直流电机的转速在数码管上显示；
6) 直流电机的启动；
7) 直流电机的停止；
2 方案论证
2.1 系统组成
微型直流电机控制系统由单片机、显示电路、直流电机及其驱动电路组成。
2.2单片机选型
单片机直流调速系统可实现对直流电动机的平滑调速。PWM是通过控制固定电压的直流电源开关频率，从而改变负载两端的电压，进而达到控制要求的一种电压调整方法。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”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速。因此，PWM又被称为“开关驱动装置”。本系统以89C51单片机为核心，通过单片机控制，C语言编程实现对直流电机的平滑调速。
2.3驱动方案论证
L298是SGS公司的产品，比较常见的是15脚Multiwatt封装的L298N，内部同样包含4通道逻辑驱动电路。可以方便的驱动两个直流电机，或一个两相步进电机。L298N可接受标准TTL逻辑电平信号VSS，VSS可接4．5～7 V电压。4脚VS接电源电压，VS电压范围VIH为＋2．5～46 V。输出电流可达2．5 A，可驱动电感性负载。1脚和15脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻，形成电流传感信号。L298可驱动2个电动机，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之间可分别接电动机，本实验装置我们选用驱动一台电动机。5，7，10，12脚接输入控制电平，控制电机的正反转。EnA，EnB接控制使能端，控制电机的停转。EnA为低电平时，输入电平对电机控制起作用，当EnA为高电平，输入电平为一高一低，电机正或反转。同为低电平电机停止，同为高电平电机刹停。
下图是其引脚图：
引脚介绍：
第1、15脚：可单独引出连接电流采样电阻器，形成电流传感信号，也可直接接地。
第2、3脚：A电机输出端口。
第4脚：接逻辑控制的+5V电源。
第6脚：A桥使能端口。
第5、7脚：输入标准TTL电点平对A桥的输出OUT1、OUT2进行控制。
第8脚：接电源地。
第9脚：接电机驱动电源，最高可达50V。
第11脚：B桥使能端口。
第10、12脚：输入标准TTL电平对B桥的输出OUT3、OUT4进行控制。
第13、14脚：B电机输出端口。
2.4检测方案论证
采用霍尔元件测量。主要分为两个部分。第一部分是利用霍尔器件将电机转速转化为脉冲信号；第二个部分是使用光耦，将传感器输出的信号和单片机的计数电路两个部分隔开，减少计数的干扰。
用于测量的A44E集成霍尔开关，磁钢用直径D=6.004mm，长度为L=3.032mm的钕铁硼磁钢。电源用直流，霍尔开关输出由四位半直流数字电压表测量，磁感应强度B用95A型集成霍尔元件测量。
图2-3 霍尔片管脚和管脚接线
2.5人机接口方案
采用开关，开关一端接单片机，另一端接地，一旦按下，就会向单片机输入低电平。
还有一种方法就是采用矩阵键盘。矩阵式结构的键盘显然比直接法要复杂一些，识别也要复杂一些，列线通过电阻接正电源，并将行线所接的单片机的I/O口作为输出端，而列线所接的I/O口则作为输入。这样，当按键没有按下时，所有的输入端都是高电平，代表无键按下。行线输出是低电平，一旦有键按下，则输入线就会被拉低，这样，通过读入输入线的状态就可得知是否有键按下了。其图形如下：
在本系统中，需要输入的信号比较简单，采用独立键盘接线简单，实现容易，所以就用了开始所说的用一个开关。
3 硬件设计
3.1单片机最小系统设计
如图所示，单片机最小系统,或者称为最小应用系统,是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统.对51系列单片机来说,最小系统一般应该包括:单片机、晶振电路、复位电路.
3.2 I/O分配
STC89C51有四组接口：P0口，P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1口，P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为低八位地址接收。
P2口，P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口。
在本系统中，P0口输出数码管的段选信号；P1口作为人机交互口，接开关；P2口输出数码管的位选信号。
3.3 驱动电路设计
本系统采用89C51控制输出数据，由单片机发生电路产生PWM信号，送到芯片L298，并通过L298电源驱动直流电机，并通过单片机程序控制L298，改变直流电机的占空比，进而实现电机的加减速，正反转控制。其驱动电路如下面部分电路所示。
3.4 转速检测电路设计
转速检测电路如图所示，电机自动根据转速输出对应的脉冲数，通过74LS386将脉冲转化成方波，然后由单片机的T1计数器对方波进行计数，最后通过一定的算法转化成转速并输出。
3.5人机接口电路设计
人机接口部分电路图如下图所示，从上至下共有五个开关，一次是正转、反转、加速、减速、停止。
4 软件设计
4.1 主程序流程
主程序主程序是一个循环程序，其主要思路是，先设定好速度初始值，这个初始值与测速电路送来的值相比较得到一个误差值，然后通过在程序中占空比设置输出控制系数给改变波形的占空比，进而控制电机的转速。其程序流程图如图所示。软件由1个主程序、1个中断子程序和显示子程序组成。其程序流程如下：
4.2按键扫描子程序流程图
按键扫描程序采用中断方式，按下键，完成延时去抖动、键码识别、按键功能执行。
要实现按住加/减速键不放时恒加或恒减速直到放开停止，就需在判断是否松开该按键时，每进行一次增加/减少一定的占空比。按键扫描程序流程图如下图4.2所示
5 问题与分析
5.1 设计问题
在课设的过程中出现了一些问题，或大或小，但都被我一一解决了。不如说系统图的端口接线，有时候会接错，那就不能实现电机的转动，这需要了解每个端口的作用。
在程序编写的过程中，出现了很多问题，包括键盘扫描处理、PWM信号发生电路的控制、以及单片机控制直流电机的转动方向等问题，虽然问题不是很大，但是也让我研究了好长时间，在解决这些问题的时候，我不断向老师和同学请教，希望能通过大家一块的努力把软件编写的更完整，让系统的功能更完备。经过多天的努力探索，大部分问题都已经解决，就是程序还是不能实现应该实现的功能，这让我很着急。后来经过一点一点的调试，并认真总结，发现了问题其实在编写中断处理程序时出现了错误，修改后即可实现直流电机调速的目的。
在仿真软件方面选择了Proteus ，在Proteus中画出系统电路图，当程序在Keil C中调试通过后，会生成以hex为扩展名的文件，这就是使系统能够在Proteus中成功进行仿真的文件。将些文件加载到单片机仿真系统中，验证是否能完成对直流电机的速度调节。若不成功，则重新回到软件调试步骤，进行软件调试。找出错误所在，更正后重新运行系统。硬件仿真电路的设计完全按照论文设计方案进行。在仿真的过程中也遇到了很多问题，比如元件选择、电路设计等，在元件选择方面，有的芯片是我以前学习的时候所没有遇到过的，所以在寻找和使用的过程中也遇到很多麻烦，但经过自己的努力，并借鉴从互联网上找到的资料，我逐渐掌握这些元件的使用方法和原理，为系统设计和仿真提供了良出的基础。另外，在进行仿真的时候，也经常出现程序没有错误了，但是仿真通不过的情况，这些大部分原因是在管脚定义上，很多系统仿真的问题都出在这。经过这段时间的努力，使我对仿真软件以及系统设计电路有了更深一步的认识，也为系统的成功奠定了基础。
5.2 答辩问题
问：光电耦合器的作用是什么？
答：光电耦合器也称为光电隔离器或光耦合器，有时简称光耦。这是一种以光为耦合媒介，通过光信号的传递来实现输人与输出间电隔离的器件，可在电路或系统之间传输电信号，同时确保这些电路或系统彼此间的电绝缘。
问：在AT89C51芯片中XTAL2端口的作用是什么？
答： XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出，而XTAL2是来自反向振荡器的输出。
参考文献
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[8]http://hi.baidu.com/wolfwhite/blog/item/1e23bf09e83e16256b60fbf8.html
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[10]http://www.dianzi9.cn/danpianji/200808/10-846.html
[11]薛钧义 张彦斌编著. MCS—51/96系列单片微型计算[M].西安交通大学出版社，1997.8
[12]陈国呈 编著.PWM逆变技术及应用[M].中国电力出版社.2007年7月
[13]马忠梅 等编著.单片机的C语言应用程序设计（第4版）[M]，北京航天航空大学出版社.2007. 4
[14]刘昌华，易逵编著.8051单片机的C语言应用程序设计与实践[M].国防工业出版社2007.9
附录一（原理图）
附录二（程序清单）
#include
#define uchar unsigned char
uchar N=0;
uchar X=50; //占空比初始值为50%
int a,b;
sbit RS=P3^0;
sbit RW=P3^1;
sbit EN=P3^2;
unsigned char code str1[]={" ZHENG ZHUAN "};
unsigned char code str2[]={" SPEED UP "};
unsigned char code str3[]={" FAN ZHAUN "};
unsigned char code str4[]={" SPEED DOWN "};
unsigned char code str5[]={" STOP "};
uchar data disdata[5];
void delay1ms(unsigned int ms)//延时0.1毫秒（不够精确的）
{unsigned int i,j;
for(i=0;i
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