单片机微型直流电机控制系统课程设计(11页).doc

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1、-单片机微型直流电机控制系统课程设计-第 11 页 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11.1 课题背景11.2 课题要求12 方案论证22.1 系统组成22.2 单片机选型22.3 驱动方案论证22.4 监测方案论证42.5 人机接口方案53 硬件设计53.1 单片机最小系统设计53.2 I/O分配63.3 驱动电路设计73.4 转速检测电路设计83.5 人机接口电路设计94 软件设计104.1 主程序流程104.2 按

2、键扫描子程序流程115 问题与分析125.1 设计问题125.2 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KZD拖动系统，取代了笨重的发电动一电动机的FD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

3、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。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

4、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。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

5、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。 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

6、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。 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457 V电压。4脚VS接电源电压，VS电压范围VIH为2546 V。输出电流可达25 A，可驱动电感性负载。1脚和15脚下管的发射极

7、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：

8、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。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，长度为的钕铁硼磁钢。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

9、脚接线采用开关，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 硬件设计如图所示，单片机最小系统,或者称为最小应用系统

10、,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，P

11、1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

12、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

13、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。 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

14、程序流程如下： 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。 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

15、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

16、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

17、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1张友德等，单片机原理应用与实验M，复旦大学出版社1992.2张毅刚，彭喜源，谭晓钧，曲春波.MCS51单片机应用设计M.哈尔滨工业大学出版社2001.1.4陈锟危立辉，基于单片机的直流电机调速器控制电路J，中南民族大学学报(自然科学版)，2003.9.5李维军 6曹巧媛.单片机原理及应用M.北京，电子工业出版社，1997.7刘大茂，严飞.单片机应用系统监控主程序的

18、设计方法J.福州大学学报(自然科学福建农林大学硕士论文版)，1998.2.9朱定华，戴汝平编著.单片机原理与应用M.清华大学出版社北方交通大学出版社，2003.8.11薛钧义 12陈国呈 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. 414刘昌华，易逵M.国防工业出版社 附录一（原理图） 附录二（程序清单）#include#define uchar unsigned charuchar N=0;uchar X=50;/占空比初始值为50%int a,b;sbit RS=P30;sbit RW=P31;sbit EN=P32;unsigned c

19、har 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 disdata5; void delay1ms(unsigned int ms)/延时0.1毫秒（不够精确的） unsigned int i,j; for(i=0;ims;i+) for(j=0;j100;j+);void wr_com(un

20、signed char com)/写指令/ delay1ms(0.1); RS=0; RW=0; EN=0; P2=com; delay1ms(0.1); EN=1; delay1ms(0.1); EN=0;void wr_dat(unsigned char dat)/写数据/ delay1ms(0.1); RS=1; RW=0; EN=0; P2=dat; delay1ms(0.1); EN=1; delay1ms(0.1); EN=0; void lcd_init()/初始化设置/delay1ms(15); wr_com(0x38); wr_com(0x08); wr_com(0x01);

21、 wr_com(0x06); wr_com(0x0c); void display(unsigned char *p)/显示/while(*p!=0)wr_dat(*p);p+;delay1ms(0.1); init_play()/初始化显示 lcd_init(); wr_com(0x80); display(str1); wr_com(0xc0); display(str2); while(1);sbit PWM=P36;/PWM输出脚sbit P1_2=P12;/正传sbit P1_3=P13;/反转sbit P1_4=P14;/加速sbit P1_5=P15;/减速sbit P1_6=P

22、16;/停止sbit P1_1=P11;sbit P1_0=P10;sbit P0_0=P00;sbit P0_1=P01;sbit P0_2=P02;sbit P0_3=P03;void scjs(void)interrupt 3TH1=0Xff;TL1=0x17;b+;main()TMOD=0x00;IE=0X88;TH1=0Xff;TL1=0X17;TR0=1;TR1=1;a=0;b=0;while(1) PWM=1; while(1) b=0; while(!b); if (N=X) PWM=0; if (N=100)break; N+; if(P1_2=0)/M1正转 P1_1=1;

23、 P1_0=0; X=50; P0_0=0; P0_1=1; lcd_init();wr_com(0x80);display(str1); if(P1_3=0)/M1反转 P1_1=0; P1_0=1; X=50; P0_0=1; P0_1=0; lcd_init();wr_com(0x80);display(str3); if(P1_6=0)/M1停止 P1_1=1; P1_0=1; P0_0=1; P0_1=1; P0_2=1; P0_3=1; lcd_init();wr_com(0x80);display(str5); if(P1_4=0) P1_1=1; P1_0=0; X=100;P0_2=0;P0_3=1; lcd_init();wr_com(0xc0);display(str2); if(P1_5=0) P1_1=1; P1_0=0; X=20; P0_2=1; P0_3=0; lcd_init();wr_com(0xc0);display(str4); N=0; 附录三（器件清单） AT89C51芯片1 电动机 1 L298芯片 1 LED 4 LCD 1 晶闸管 1 电阻 6 电容 3 开关 6