单片机课程设计-直流电机控制.doc

燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书燕山大学课 程 设 计 说 明 书题目：直流电机控制 学院（系）：电气工程学院 年级专业：09级精仪2班 学 号：090103020 学生姓名： 指导教师： 教师职称： 副 教 授 引言直流电机调速性能好，可靠性高，机械特性强，在自动控制中的应用极为广泛。直流电机的调速系统多种多样，但系统复杂，控制精度和成品价格难以兼顾。本文使用价格低廉、应用广泛的MCS - 51 系列单片机为控制芯片，完成对直流电机转速的调节，达到了控制性能好、成本低的目的。本文重点阐述了该系统的基本工作原理、所采用的相关技术等，进而交代了电机转速测量控制的实现方法。设计要求设计要求：利用DAC0832及D/A转换电路，输出-5V+5V（或-8V+8V）电压，控制直流电机。用键盘来对电机的状态进行控制，通过改变输出电压值，改变电机转速和转向。通过霍尔元件读回脉冲数，计算电机转速。用键盘来对电机的状态进行控制。在电压允许的范围内，直流电机的转速随着电压的升高而加快，若加上的电压为负电压，电机则反向旋转。设计控制硬件电路;编制相应的程序。基本原理此控制系统主要由六部分构成：键盘、单片机、D/A转换电路及DAC外围放大电路、直流电机、霍尔元件速度采集器、显示器。此系统的总体控制原理图如下图一所示。 单 片 机显 示 器键 盘D/A转换电路，DAC外围放大电路直流电机霍尔元件速度采集图一：系统总控制原理图31 DAC0832简介DAC0832是8分辨率的D/A转换集成芯片。与微处理器完全兼容。这个DA芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到广泛的应用。D/A转换器由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成。DAC0832的内部结构 DACO832中有两级锁存器，第一级锁存器称为输入寄存器，它的锁存信号为ILE；第二级锁存器称为DAC寄存器，它的锁存信号为传输控制信号。因为有两级锁存器，DAC0832可以工作在双缓冲器方式，即在输出模拟信号的同时采集下一个数字量，这样能有效地提高转换速度。此外，两级锁存器还可以在多个D/A转换器同时工作，利用第二锁存信号来实现多个转换器同时输出。DAC0832有如下三种工作方式： （1）单缓冲方式 单缓冲方式是控制输入寄存器和DAC寄存器通知接收资料，或者只用输入寄存器而把DAC寄存器接成直通方式。此方式实用只有一个模拟量输出或者几路模拟异步输出的情形。（2）双缓冲方式 双缓冲方式是先使输入寄存器现接受资料，再控制输入寄存器的输出资料到DAC寄存器，即分两次锁存输入资料。此方式适用于多个D/A转换同步输出的情节。（3）直通方式 直通方式是资料不经两级锁存器锁存，即CS* XFER* WR1* WR2*均接地，ILE接高电平。此方式适用于连续反馈控制路线和不带微机的控制系统，不过在使用时，必须通过另加I/O口于CPU连接，以匹配CPU与D/A转换。外围放大电路的输出值如下：即 当数字D=Dmax=11111111B时，由上式可得Uout=Uout max+5v当数字D=Dmin=00000000B时可得Uout=Uout min-5v当数字在0到11111111B之间变化时，电路输出电压就在-5V到+5V之间连续变化，实现了DAC。NPN晶体管8050与PNP晶体管8550组成互补射随器。忽略PN结正向压降，可以认为电机输入端电压亦等于Uout，即微型直流电机电枢绕组可以获得-5V到+5V连续变化电压，电动机可也在反向最大转速到正向最大转速之间连续调节。 图二： D/A转换电路及DAC外围电路3.2 单片机这里利用的是MSC-51单片机，实现速度测量、输入设定机系统控制，和键盘设定。速度控制与测量 通过自制-8V8V电源来确保工作电压正常,由霍尔元件及外围器件组成的测速电路将电动机转速转换成脉冲信号，送至单片机的计数器T1，由T1测出电动机的实际转速，通过键盘事先设定的值通过单片机对DAC0832输入相应的数字量，使DAC0832输出大小方向不同的电压。来控制直流电动机的转速和方向。键盘的设置 键盘是由若干个按键组成的开关矩阵，它是最简单的单片机输入设备，通过键盘可输入数据和命令，实现简单的人机对话。此处用的键盘是矩阵式键盘，对键的识别用的逐行扫描查询法。 (1)有键盘按下时，则单片机有中断响应，为了消抖动此时应该延时一段时间（大约5ms10s），若还有外部中断0仍为低电平则有按键按下。(2)判断按键的具体位置。采用先将列置为零，粗扫描的方法逐行扫描，读行的值。如果读的行值为全1，则被按键不在该行上，再扫描下一行；否则说明被按键在该行上。当找到所按的键对应的键值表时则进行相应的键处理，此处的键处理采用查表的方法。就本此课程设计的具体要求，可以设置了四个控制操作键，分别控制电机的正转快速、慢速，反转慢速、快速。然后按下除了这四个键外的任何一个按键，电机都会停止转动。图三 键盘控制流程图3.3 直流电机组成原理 直流电动机结构由定子和转子两大部分组成。直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢，由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成。直流电动机的结构是由直流电源、直流电机、控制开关和调速器组成。直流发电机的工作原理就是把电枢线圈中感应的交变电动势，靠换向器配合电刷的换向作用，使之从电刷端引出时变为直流电动势的原理。感应电动势的方向按右手定则确定其工作原理不外乎就是用直流电源作为能量来驱动电机旋转。通过对三极管的截止与导通进行控制，使其起到开、关和调速的作用。具体的操作为当直流电动机接上直流电源时，使用电位器旋转按钮控制三极管集极的电压。如直流电机控制原理图四图四： 直流电机控制原理1、当三极管的集极电压小于死区电压时三极管截止，则电动机不转动；2、当集极电压大于死区电压而小于饱和电压时三极管处于放大状态，随着集极电压改变，从而改变了直流电动机两端的压降也就改变了电机的转速。具体原理为集极的电压大小不一样，三极管的电压放大倍数也不一样从而起到调速作用改变直流电动机的旋转速度。3.4 直流电机调速方案的设计由直流电机的速度公式n=(Ua-IaRa)/Ce,其中n是电机转速，Ua是电枢电压，Ia是电枢电流，Ra是电枢回路总电阻，Ce是电极常数，是电机的励磁磁通。对于极对数是p，匝数是n，电枢支路数为a的电机来说Ca是常数。由于Ra为电枢回路电阻故其值很小，通过调节电阻改变转速的效果不明显。如果通过调节磁通量，对于它励电机其有外接的电源电压决定。故一般通过改变电枢电压来达到调节转速的目的。直流电机原理图如下：图五： 直流电机原理图3.5 霍尔效应及元件速度采集电路 霍尔效应及原理 霍尔器件是有半导体材料制成的一种薄片，器件的长、宽、高分别为l、b、d。若在垂直于薄片平面（沿厚度d）方向施加外加磁场B，在沿l方向的两个端面加以外电场，则有一定的电流经过。由于电子在磁场中运动，所以将受到一个洛仑磁力，其大小为：flqVB其中：fl洛仑磁力，q载流子电荷，V载流子运动速度，B磁感应强度。这样使电子的运动轨迹发生偏移，在霍尔元器件薄片的两个侧面分别产生电子积聚或电荷过剩，形成霍尔电场，霍尔元器件两个侧面间的电位差UH称为霍尔电压。霍尔电压大小为：UH=RHIB/d(mV)。式中：RH -霍尔常数，d-元件厚度，B-磁感应强度，I-控制电流，设KH= RH/d ，则UH=KHIB (mV)，KH为霍尔器件的灵敏系数(mV/mA/T),它表示该霍尔元件在单位磁感应强度和单位控制电流下输出霍尔电动势的大小。应注意，当电磁感应强度B反向时，霍尔电动势也反向。若控制电流保持不变，则霍尔感应电压将随外界磁场强度而变化，根据这一原理，可以将一块永久磁钢固定在电动机的转轴上转盘的边沿，转盘随被测轴旋转，磁钢也将跟着同步旋转，在转盘附近安装一个霍尔元件，转盘随轴旋转时，霍尔元件受到磁钢所产生的磁场影响。霍尔器件输出脉冲信号，器脉冲信号的频率和转速成正比。这样只要测出脉冲信号的频率或者周期即可求出直流电机的转速。霍尔转速测量及电路 霍尔转速传感器的主要工作原理是霍尔效应，也就是当转动的金属部件通过霍尔传感器的磁场时会引起电势的变化，通过对电势的测量就可以得到被测量对象的转速值。霍尔转速传感器的主要组成部分是传感头和齿圈，而传感头又是由霍尔元件、永磁体和电子电路组成的。 图六： 直流电机测速装置 3.6 LED显示的设置 由课题的要求，要由测速环节并显示到数码管上，这就要求在霍尔软件采集到直流电动机的转速后，向单片机输出相应的脉冲，并由单片机将相应的脉冲译码后显示到显示器上。在单片机应用系统中，显示器是最常用的输出设备。在此选用两个共阴极数码管显示脉冲数，采用动态扫描显示，当有键盘按下时，则数码管显示按键的内容。此处当键盘输入中断产生时，显示的是由霍尔元件采集来的脉冲数，由十六进制转换为十进制后存入显示缓冲区，再查表显示出想要得到的数字。当电机停止时，数码管显示为零。 图七LED显示流程图课设总程序IN equ 08001h ; 键盘读入口OUTBIT equ 08002h ; 位控制口OUTSEG equ 08004h ; 段控制口cs0832 equ 9000hledbuf equ 70h ; 显示缓冲区org 0000hljmp startdelay1: mov r7,#255 ; 延时子程序1deloop1:mov r6,#255 nop djnz r6,$ djnz r7,deloop1 retdelay2: mov r7,#12 ; 延时子程序2deloop2:mov r6,#249 djnz r6,$ djnz r7,deloop2 retLEDtable: ; 八段管显示码db 3fh, 06h, 5bh, 4fh, 66h, 6dh, 7dh, 07h db 7fh, 6fh, 77h, 7ch, 39h, 5eh, 79h, 71hDACtable:db 00h,80h,80h,80h,80h,00h db 60h,80h,80h,80h,80h,60h db 0c0h,80h,80h,80h,80h,0c0h db 0ffh,80h,80h,80h,80h,0ffhkeyloop:acall key cjne a,#0fh,keyloop0 acall delay2 ljmp keykeyloop0:acall delay2 ;键盘去抖动 acall key cjne a,#0fh,keyb ljmp keyloopkeyb:mov r1,#0dfh mov r5,#00hL0:mov dptr,#OUTBIT ;位控，选中键盘第一列 mov a,r1 movx dptr,a mov dptr,#IN movx a,dptr jb Acc.3,L1 ;检查是否有键位被按下 mov a,#0 jmp keycL1:jb Acc.2,L2 mov a,#6 jmp keycL2:jb Acc.1,L3 mov a,#12 jmp keycL3:jb Acc.0,next mov a,#18 jmp keyckey:mov dptr,#OUTBIT ;位控清零，键盘读入到a的低四位 mov a,#00h movx dptr,a mov dptr,#IN movx a,dptr anl a,#0fh retkeyc:mov dptr,#DACtable movc a,a+dptr mov dptr,#cs0832 movx dptr,a call delay2 retnext:mov dptr,#cs0832 mov a,#80h movx dptr,a call delay2 retxianshi:mov TH1,#00h ;定时器清零 mov TL1,#00h setb TR1 call delay1 mov a,TL1 mov b,#0ah ;将转速十位、个位分别放入寄存器a、b div ab acall led mov r0,#LEDBUF mov r0,a ;mov 40h,a ;mov 41h,b mov a,b acall led inc r0 mov r0,a LED1: mov r0, #LEDBUF mov r2, #00000010b ;选中6位显示管的低2位管显示转速Loop2: mov dptr, #OUTBIT mov a, r2 movx dptr, a mov a, r0 mov dptr, #OUTSEG movx dptr, a call delay2 mov a, r2 rr a mov r2, a inc r0 mov dptr, #OUTBIT mov a, r2 movx dptr, a mov a, r0 mov dptr, #OUTSEG movx dptr, a call delay2 ret Led:mov dptr,#LEDtable movc a,a+dptr retstart:mov sp,#70h mov TMOD,#50h mov IE,#8ch loop:acall keylooploop1:acall xianshi end课设总结通过用单片机来与0832 D/A转换电路相互连接来控制输出的电压，电压经放大后来驱动直流电机，这样就达到了控制直流电机的目的。电压的改变是通过编制程序用单片机来改变0832输入，这样对于0832输入的改变导致了输出的改变，改变后的输出来驱动直流电机。程序是通过向键盘赋值，然后由键盘向单片机想键盘发送数字信号，再由单片机向DA转换设备发送数字信号，转化为模拟的电压信号来驱动电动机的正转反转。由发送信号的大小，达到了以单片机来控制直流电机的转速。由于在本实践中 D/A输出为双极性输出，因此电机可以正反向旋转。其中负极型代表其转向相反。51单片机功能强大，方便今后的功能扩展。通过各种方案的讨论及尝试，再经过多次的整体软硬件结