单片机课程设计---可调直流电机设计.doc

课程设计说明书 第1页 可调直流电机控制设计 摘 要 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， 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 dac0832 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。 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。 关键词：直流电机，dac0832，89c51，lm324 课程设计说明书 第2页 目 录 1 绪论.3 1.1 课题描述.3 2 硬件设计.1 2.1 复位电路.3 2.2 晶振电路.4 2.3 pwm 原理与优势 4 2.4 dac0832 双极性电压输出控制原理 .5 2.5 转速控制模块.6 2.6 0832 与单片机连接电路6 2.7 lm324 说明8 2.8 按键部分原理.8 2.9 电路总原理图.9 3 软件设计.10 3.1 按键控制直流电机流程图.10 3.2 按键状态检测流程图.11 3.3 系统程序.12 总 结.14 致 谢.15 参考文献.16 课程设计说明书 第3页 1 绪论 1.1 课题描述 本直流电机调速系统以单片机系统为依托，根据 pwm 调速的基本原理，以直流 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为依据，实 现对直流电动机的平滑调速，并通过单片机控制速度的变化。本文所研究的直流电机 调速系统主要是由硬件和软件两大部分组成。硬件部分是前提，是整个系统执行的基 础，它主要为软件提供程序运行的平台。而软件部分，是对硬件端口所体现的信号， 加以采集、分析、处理，最终实现控制器所要实现的各项功能，达到控制器自动对电 机速度的有效控制。 2 硬件设计 2.1 复位电路 单片机的基本复位方式有三种：手动按钮复位 、上电复位、积分型上电复位 。 单片机的复位电路在刚接通电时，刚开始电容是没有电的，电容内的电阻很低，通电 后，5v的电通过电阻给电解电容进行充电，电容两端的电会由0v慢慢的升到4v左右 （此时间很短一般小于0.3秒） ，正因为这样，复位脚的电由低电位升到高电位，引起了 内部电路的复位工作，这是单片机的上电复位，也叫初始化复位。当按下复位键时， 电容两端放电，电容又回到0v了，于是又进行了一次复位工作，这是手动复位原理。 本设计采用的是上复位电路的复位方式。 课程设计说明书 第4页 图1 单片机复位电路 2.2 晶振电路 本设计采用频率为 24mhz，微调电容 c1 和 c2 为 22pf 的内部时钟方式，电容为 瓷片电容。判断单片机芯片及时钟系统是否正常工作有一个简单的方法，就是用万用 表测量单片机晶振引脚（18，19 脚）的对地电压，以正常工作的单片机用数字万用表 测量为例：18 脚对地电压约为 2.24v，19 脚对地电压约为 2.09v。 课程设计说明书 第5页 图2 晶振电路 2.3 pwm 原理及优势 脉冲宽度调制（pwm）是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨 率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。 pwm 信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(on)要 么完全无(off)。电压或电流源是以一种通(on)或断(off)的重复脉冲序列被加到模拟 负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开 的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用pwm进行编码。多数负载(无论是电感 性负载还是电容性负载)需要的调制频率高于10hz，通常调制频率为1khz 到200khz 之间。 pwm 的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转 换。让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。噪声只有在强到足以将逻辑1 改 变为逻辑0 或将逻辑0 改变为逻辑1 时，也才能对数字信号产生影响。 对噪声抵抗能力的增强是pwm 相对于模拟控制的另外一个优点，而且这也是在 某些时候将pwm 用于通信的主要原因。从模拟信号转向pwm 可以极大地延长通信距 离。在接收端，通过适当的rc 或lc 网络可以滤除调制高频方波并将信号还原为模拟 形式。 总之，pwm 既经济、节约空间、抗噪性能强，是一种值得广大工程师在许多设 计应用中使用的有效技术。 2.4 dac0832双极性电压输出控制原理 dac0832是20引脚双列直插式芯片内部结构和引脚信号如图1所示。 课程设计说明书 第6页 图3 dac0832的内部结构和引脚 在at89c51 单片机控制系统中，要求d/a 的输出电压是双极性的。例如要求：输 出（-5+5）v。在这种情况下，d/a 的输出电路要作相应的变化。图1 就是 da0832 双极性输出电路实例。图中，d/a 的输出经运算放大器a1 和a2 放大和偏移 以后，在运算放大器a2 的输出端就可得到双极性的（-5+5）v 的输出电压。这 里，vref为a2 提供一个偏移电流，且vref 的极性选择应使偏移电流方向与a1 输 出的电流方向相反。再选择r4= r3= 2r2，以使偏移电流恰好为a1 输出电流的1/2。从 而使a2 的输出特性在a1 的输出特性基础上，上移1/2 的动态范围。由电路各参数计 算可得最后的输出电压表达式为vout= -2v1 vref设v1为（0-5）v，选取vref为 +5v，则vout=010v -5v=-5v+5v。 课程设计说明书 第7页 图4 双极性输出电路 2.5 转速控制模块 图5 转速控制模块 用0832 d/a转换电路后的输出经放大后驱动直流电机。编制程序改变0832输 出经放大后的方波信号的占空比来控制电机转速。d/a 输出为双极性输出，因此 电机可以正反向旋转。 2.6 0832与单片机连接电路 课程设计说明书 第8页 图6 0832与单片机连接示意图 80c51 单片机的引脚的封装主要有 pdip40、plcc44 和 pqfp/tqfp44。本此课程 设计所采用的 80c51 封装是 40 引脚 pdip 封装。电源及电源复位引脚有 vcc（40 脚） ， 接+5v 直流电源。vss（20 脚） ，接地端。rst/vpd(9 脚)，复位信号输入端。 ea/vpp(31 脚)。始终振荡电路引脚 xtal1(19 脚)、xtal2（18 引脚） 、 ale/prog（30 脚） 、psen(29 脚)，并行双向输入/输出口引脚：p0 口的 p0.0p0.7 引 脚（3932 脚） 、p1 口的 p1.0p1.7 引脚(18 脚)、p2 口的 p2.0p2.7 引脚(2821 脚)、 p3 口的 p3.0p3.7 引脚（1017 脚） 。如图 5 所示： 课程设计说明书 第9页 图7 51单片机引脚图 2.7 lm324 说明 lm324 系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器。与单电源应用场 合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。该四放大器可以工作在低到3.0 伏或 者高到32 伏的电源下，静态电流为mc1741 的静态电流的五分之一。共模输入范围包 括负电源因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。每一组运算放大 器可用图1 所示的符号来表示，它有5 个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入 端“v+”、“v-”为正、负电源端，“vo”为输出端。两个信号输入端中，vi- 为反相输入端，表示运放输出端vo 的信号与该输入端的位相反；vi+（+）为同相输 入端，表示运放输出端vo 的信号与该输入端的相位相同。lm324 引脚说明图如下 图5 lm324 的内部结构和引脚 2.8 按键部分原理 当单片机向 adc0832 输入信号改变 adc0832 的阻值，从而改变电流。 课程设计说明书 第10页 图8 按键部分原理 2.9 电路总原理图 课程设计说明书 第11页 图9 电路原理图 3 软件设计 3.1 按键控制直流电机流程 课程设计说明书 第12页 图10 电机的程序控制 3.2 按键状态检测流程 课程设计说明书 第13页 图11 电机的转速程序控制 3.3 系统程序 org 0740h start：mov sp，#53h ；设置堆栈的栈顶地址 mov a，p1 ；读取p1 口的状态到累加器 anl a，#1fh jb acc.0，stop ；最低位p1.0 为1 则停止 jb acc.1，hsr ；hsr 代表high speed right 高速右转，正转 jb acc.2，lsr ；lsr 代表low speed right 低速右转，正转 jb acc.3，hsl ；hsl 代表high speed left 高速左转，反转 jb acc.4，lsl ；lsl 代表low speed left 低 速左转，反转 stop:：mov r6，#80h 课程设计说明书 第14页 ljmp zhuan hsr： mov r6，#0ffh ljmp zhuan lsr： mov r6，#0c0h ljmp zhuan hsl：mov r6，#00h ljmp zhuan lsl：mov r6，#30h ljmp zhuan zhuan：mov dptr，#8000h ；8 位输入寄存器和dac 寄存器受相同信号统一控 制，地址为8000h mov a，r6 movx dptr，a ；将r6 送至dac 启动转换,转换电压 mov r2，#0bh ；赋延时参数 lcall delay ljmp start delay：push 02h ；延时子程序 delay1： push 02h delay2：push 02h delay3：djnz r2,delay3 pop 02h djnz r2，delay2 pop 02h djnz r2，delay1 pop 02h djnz r2，delay ret end 课程设计说明书 第15页 总 结 本设计是以 msc-51 单片机为控制中心，设计了直流电机调速控制系统。采用 44 键盘形式，减少了对单片机 i/o 口的占用。所设计的系统功为：以 mcs-51 系列单片机 作为控制核心，利用 dac0832 芯片进行数/模控制，输出电压经放大后，在有可调的 占空比来驱动小直流电机的速度进行数字量调节，从而控制直流电机的速度。又通过 dac0832 可以实现反向输出，所以可使电压从 ffh-ffh,同时，以 0 为中间电压， 从而实现电机地正反向转动。 课程设计说明书 第16页 致 谢 两周的课程设计结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培 养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在设计过程 中，与同学分工设计，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。学会了合作，学会 了运筹帷幄，学会了宽容，学会了理解，也学会了做人与处世。在这次设计过程中 体现出自己单独设计电路的能力以及综合运用知识的能力，体会了学以致用、突出自 己劳动成果的喜悦心情，从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节，从而加以弥补。 在此感谢我们的李姿景老师，老师严谨细致、一丝不苟的作风一直是我学习中的 榜样，老师循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪，这次电路设计的每 个实验细节和每个数据，都离不开李老师您的细心指导。而您开朗的个性和宽容的态 度，帮助我能够很顺利的完成了这次课程设计。同时感谢对我帮助过的同学们，谢谢 你们对我的帮助和支持，让我感受到同学的友谊。 课