基于-单片机调速显示系统设计课程报告

1、-PAGE . z基于单片机的直流电机测速、调速及显示系统设计课程设计报告题目：基于单片机的直流电机测速、调速及显示系统设计摘要本文主要研究了利用Quick51系列单片机控制PWM信号从而实现对直流电机转速进展控制的方法。单片机具有体积小、功能强、本钱低、应用面广泛等优点，可以说，智能控制与自动控制的核心就是单片机。目前，一个学习与应用单片机的高潮在全社会大规模地兴起。学习单片机的最有效方法就是理论与实践并重，本文用8051单片机自制了一个采用了专门的芯片组成了PWM信号的发生系统，并且对PWM信号的原理、产生方法以及如何通过软件编程对PWM信号占空比进展调节，从而控制其输入信号波形等均作了详

2、细的阐述。还对直流电机的速度进展了测量和显示。关键词：单片机、 PWM、调速、测速、显示系统目录TOC o 1-3 h z uHYPERLINK l _Toc277444797摘要 图2-1 系统方框图2.18051单片机简介一、8051单片机的根本组成 8051单片机由CPU和8个部件组成，它们都通过片单一总线连接，其根本构造依然是通用CPU加上外围芯片的构造模式，但在功能单元的控制上采用了特殊功能存放器的集中控制方法。二、CPU及8个部件的作用功能介绍如下中央处理器CPU：它是单片机的核心，完成运算和控制功能。部数据存储器：8051芯片中共有256个RAM单元，能作为存储器使用的只是前12

3、8个单元，其地址为00H7FH。通常说的部数据存储器就是指这前128个单元，简称部RAM。特殊功能存放器：是用来对片各部件进展管理、控制、监视的控制存放器和状态存放器，是一个特殊功能的RAM区，位于部RAM的高128个单元，其地址为80HFFH。部程序存储器：8051芯片部共有4K个单元，用于存储程序、原始数据或表格，简称部ROM。并行I/O口：8051芯片部有4个8位的I/O口P0，P1，P2，P3，以实现数据的并行输入输出。串行口：它是用来实现单片机和其他设备之间的串行数据传送。定时器：8051片有2个16位的定时器，用来实现定时或者计数功能，并且以其定时或计数结果对计算机进展控制。中断控

4、制系统：该芯片共有5个中断源，即外部中断2个，定时/计数中断2个和串行中断1个。振荡电路：它外接石英晶体和微调电容即可构成8051单片机产生时钟脉冲序列的时钟电路。系统允许的最高晶振频率为12MHz。三、8051单片机引脚图四、单片机系统中所用其他芯片简介地址锁存器74LS37374LS373片是8个输出带三态门的D锁存器。其构造如下列图所示：当使能端G呈高电平时，锁存器中的容可以更新，而在返回低电平的瞬间实现锁存。如果此时芯片的输出控制端为低，也即是输出三态门翻开，锁存器中的地址信息便可以通过三态门输出。以下是其引脚图：2程序存储器27128(1)芯片引脚2功能表 引脚 工作方式片选允许输出

5、VPP编程控制输出读LLVCCH数据输出维持H*VCC*高阻编程LHVPPL数据输入编程校验LLVPPH数据输出编程制止H*VPP*高阻3数据存储器62641芯片引脚2芯片功能表 引脚工作方式I/O0I/O7未选中H*高阻未选中*L*高阻输出制止LHHH高阻读LHLH数据输出写LHHL数据输入写LHLL数据输入五、8051单片机扩展电路及分析接线分析P0.7P0.0：这8个引脚共有两种不同的功能，分别使用于两种不同的情况。第一种情况是8051不带片外存储器，P0口可以作为通用I/O口使用，P0.7P0.0用于传送CPU的I/O数据。第二种情况是8051带片外存储器，P0.7P0.0在CPU片外

6、存储器时先是用于传送片外存储器的低8位地址，然后传送CPU对片外存储器的读写数据。P2.7P2.0：这组引脚的第一功能可以作为通用的I/O使用。它的第二功能和P0口引脚的第二功能相配合，用于输出片外存储器的高8位地址，共同选中片外存储器单元，但是并不能像P0口那样还可以传送存储器的读写数据。P3.7P3.0：这组引脚的第一功能为传送用户的输入/输出数据。它的第二功能作为控制用，每个引脚不尽一样，如下表所示：P3口的位第二功能注释P3.0R*D串行数据接收口P3.1T*D串行数据发送口P3.2外中断0输入P3.3外中断1输入P3.4T0计数器0计数输入P3.5T1计数器1计数输入P3.6外部RA

7、M写选通信号P3.7外部RAM读选通信号VCC为+5V电源线，VSS为接地线。ALE/：地址锁存允许/编程线，配合P0口引脚的第二功能使用，在片外存储器时，8051CPU在P0.7P0.0引脚线上输出片外存储器低8位地址的同时还在ALE/线上输出一个高电位脉冲，其下降沿用于把这个片外存储器低8位地址锁存到外部专用地址锁存器，以便空出P0.7P0.0引脚线去传送随后而来的片外存储器的读写数据。在不片外存储器时，8051自动在ALE/线上输出频率为1/6 fOSC的脉冲序列。该脉冲序列可以用作外部时钟源或者作为定时脉冲源使用。 / VPP：允许片外存储器/编程电源线，可以控制8051使用片ROM还

8、是片外ROM。如果=1，则允许使用片ROM；如果=0，则允许使用片外ROM。：片外ROM选通线，在执行片外ROM的指令MOVC时，8051自动在线上产生一个负脉冲，用于片外ROM芯片的选通。其他情况下，线均为高电平封锁状态。RST/VPD：复位备用电源线，可以使8051处于复位工作状态。*TAL1和*TAL2：片振荡电路输入线，这两个端子用来外接石英晶体和微调电容，即用来连接8051片OSC的定时反应电路。石英晶振起振后，应能在*TAL2线上输出一个3V左右的正弦波，以便于8051片的OSC电路按石英晶振一样频率自激振荡，电容C1、C2可以帮助起振，调节它们可以到达微调fOSC的目的。2.2P

9、WM信号发生电路设计2.2.1 PWM的根本原理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，从而到达控制要求的一种电压调整方法。PWM可以应用在许多方面，比方：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到达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。如下列图所示：设电机始终接通电源时，电机转速最大为Vma*，设占空比为D= t1 / T，则电机的平均速度为Va = Vma* * D

10、，其中Va指的是电机的平均速度；Vma* 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Vd，从而到达调速的目的。严格来说，平均速度Vd 与占空比D并非严格的线性关系，但是在一般的应用中，我们可以将其近似地看成是线性关系。2.3 128*64液晶显示LCD显示器工作原理就是利用液晶的物理特性；通电时排列变得有序，使光线容易通过；不通电时排列混乱，阻止光线通过，说简单点就是让液晶如闸门般地阻隔或让光线穿透。 LCD的好处有：与CRT显示器相比，LCD的优点主要包括零辐射、低功耗、散热小、体积小

11、、图像复原准确、字符显示锐利等。其接口信号说明如下：第三章 硬件设计与连接3.1传感器电路设计在信号脉冲发生源上，本系统采用的是开关型霍尔传感器。以磁场作为媒介，利用霍尔传感器可以检测多种物理量，如位移、振动、转速、加速度、流量、电流、电功率等。它不仅可以实现非接触测量，并且采用永久磁铁产生磁场，不需附加能源。另外霍尔传感器尺寸小、价格廉价、应用电路简单、性能可靠，因而获得极为广泛的应用。除了直接利用霍尔传感器外，还利用它开发出各种派生的传感器。金属或半导体薄片的两个端面通以控制电流Ic，并在薄片的垂直方向上施加磁感应强度为B的磁场，则在垂直于电流和磁场的方向上将产生电势Uh，称为霍尔电势或霍

12、尔电压(如图l所示)。霍尔电势Uh=KhIcB(其中Kh为霍尔元件灵敏度，它与所用的材料及几何尺寸有关)。这种现象称为霍尔效应，而用这种效应制成的元件称为霍尔元件。由于霍尔元件输出的电压信号较小，并且有一定温度误差，目前已较少直接使用霍尔元件作传感器。霍尔传感器原理图如图3-6所示。图3-6 霍尔传感器磁场效应本系统采用开关型霍尔传感器A04E。开关型霍尔传感器是一种集成传感器，它部含有霍尔元件、放大器、稳压电源、带一定滞后特性的比拟器及集电极开路输出局部等，如图3-7所示。开关型霍尔传感器的工作特性如图3-8 所示。图3-7 开关型霍尔传感器部构造图图3-8 开关型霍尔传感器工作特性当外加的

13、磁感应强度超过动作点Bop时，传感器输出低电平，但磁感应强度降到动作点Bop以下时，传感器输出电平不变，一直要降到释放点BRE时，传感器才由低电平跃变为高电平。Bop与Bre之间的滞后(或称为回差)使开关动作更为可靠。 图3-9 霍尔传感器检测转速示意图霍尔传感器检测转速示意图3-9如下。在非磁材料的圆盘边上粘贴一块磁钢，霍尔传感器固定在圆盘外缘附近。圆盘每转动一圈霍尔传感器便输出一个脉冲。通过单片机测量产生脉冲的频率，就可以得出圆盘的转速。同样道理，根据圆盘(车轮)的转速，再结合圆盘的周长就是计算出物体的位移。如果要增加测量位移精度，可以在圆盘(车轮)上多增加几个磁钢。由于传感器部为集电极开

14、路输出，所以需外接一个上拉电阻，其阻值与电源电压大小有关，一般取12k，如图3-10所示。图3-10 传感器输出电路 HYPERLINK control.blog.sina./admin/article/article_add.php l _Toc534483035 3.2 信号处理电路设计系统的信号预处理电路由二级电路构成，第一级是由开关三极管组成的零偏置放大器，采用开关三极管可以保证放大器具有良好的高频响应。当输入信号为零或负电压时，三极管截止，电路输出高电平；而当输入信号为正电压时，三极管导通，此时输出电压随着输入电压的上升而下降，这使得速度里程表既可以测量任意方波信号的频率，也可以测量

15、正弦波信号的频率。由于放大器的放大功能降低了对待测信号的幅度要求，因此，系统能对任意大于0.5V的正弦波和脉冲信号进展测量。预处理电路的第二级采用带施密特触发器的反相器DM74LS14来把放大器生成的单相脉冲转换成与S电平相兼容方波信号，同时将输出信号加到单片机的P3.4口上。利用施密特触发器状态转换过程中的正反应作用，可以把边沿变化缓慢的周期性信号变换为边沿很陡的矩形脉冲信号。输入的信号只要幅度大于VT+，即可在施密特触发器的输出端得到同等频率的矩形脉冲信号。从传感器得到的矩形脉冲经传输后往往发生波形畸变。当传输线上的电容较大时，波形的上升沿将明显变坏；当传输线较长，而且承受端的阻抗与传输线

16、的阻抗不匹配时，在波形的上升沿和下降沿将产生振荡现象；当其他脉冲信号通过导线间的分布电容或公共电源线叠加到矩形脉冲信号时，信号上将出现附加的噪声。无论出现上述的那一种情况，都可以通过用施密特反相触发器整形而得到比拟理想的矩形脉冲波形。只要施密特触发器的VT+和VT-设置得适宜，均能受到满意的整形效果。信号预处理电路如图3-11所示。图3-11 信号预处理电路图 HYPERLINK control.blog.sina./admin/article/article_add.php l _Toc534483042 3.3存储器电路设计 HYPERLINK control.blog.sina./adm

17、in/article/article_add.php l _Toc534483043 3.3.1 I2C总线概述I2C总线是一种用于IC器件之间连接的二线制总线。它通过SDA串行数据线及SCL串行时钟线)两根线在连到总线上器件之间传送信息，并根据地址识别每个器件，不管是单片机、存储器、LCD驱动器还是键盘接口。采用I2C总线标准单片机或IC器件，其部不仅有I2C接口电路，而且将部各单元电路按功能划分为假设干相对独立模块，通过软件寻址实现片选，减少了器件片选线连接。CPU不仅能通过指令将*个功能单元电路挂靠或摘离总线，还可对该单元的工作状况进展检测，从而实现对硬件系统的既简单又灵活的扩展与控制。

18、I2C总线则根据器件的功能通过软件程序使其可工作于发送或接收方式。当*个器件向总线上发送信息时，它就是发送器(也叫主器件)，而当其从总线上接收信息时，又成为接收器(也叫从器件)。主器件用于启动总线上传送数据并产生时钟以开放传送的器件，此时任何被寻址的器件均被认为是从器件。I2C总线的控制完全由挂接在总线上的主器件送出的地址和数据决定。在总线上，既没有中心机，也没有优先机。I2C总线的数据传送格式是：在I2C总线开场信号后，送出的第一个字节数据是用来选择从器件地址的，其中前7位为地址码，第8位为方向位(R/W)。方向位为0”表示发送，即主器件把信息写到所选择的从器件；方向位为1”表示主器件将从从

19、器件读信息。开场信号后，系统中的各个器件将自己的地址和主器件送到总线上的地址进展比拟，如果与主器件发送到总线上的地址一致，则该器件即为被主器件寻址的器件，其接收信息还是发送信息则由第8位(R/W)确定。 HYPERLINK control.blog.sina./admin/article/article_add.php l _Toc534483044 3.3.2 存储器电路图3-12 AT24CO2与单片机的接口电路3.4 显示电路设计3.5 PWM信号发生电路设计PWM波可以由具有PWM输出的单片机通过编程来得以产生，也可以采用PWM专用芯片来实现。当PWM波的频率太高时，它对直流电机驱动的

20、功率管要求太高，而当它的频率太低时，其产生的电磁噪声就比拟大，在实际应用中，当PWM波的频率在18KHz左右时，效果最好。在本系统，采用了两片4位数值比拟器4585和一片12位串行计数器4040组成了PWM信号发生电路。两片数值比拟器4585，即图上U2、U3的A组接12位串行4040计数输出端Q2Q9，而U2、U3的B组接到单片机的P1端口。只要改变P1端口的输出值，则就可以使得PWM信号的占空比发生变化，从而进展调速控制。12位串行计数器4040的计数输入端CLK接到单片机C51晶振的振荡输出*TAL2。计数器4040每来8个脉冲，其输出Q2Q9加1，当计数值小于或者等于单片机P1端口输出

21、值*时，图中U2的AB输出端保持为低电平，而当计数值大于单片机P1端口输出值*时，图中U2的AB输出端为高电平。随着计数值的增加，Q2Q9由全1”变为全0”时，图中U2的AB输出端又变为低电平，这样就在U2的AB端得到了PWM的信号，它的占空比为255 -* / 255*100%，则只要改变*的数值，就可以相应的改变PWM信号的占空比，从而进展直流电机的转速控制。第四章 软件设计4.1系统软件总流程图开场设堆栈清标志清暂存清显示T0初始化串行口初始化CPU开中断扫描键盘速度采样显示图4.1 系统软件主程序流程图4.2程序清单/*LCD.C12864 LCD驱动程序头文件*/*ifndef LC

22、D_H_*define LCD_H_*include/定义背光控制信号sbit LCD_BL=P14;/点亮背光灯void LcdLightOn();/熄灭背光灯void LcdLightOff();/清屏void LcdClear();/初始化void LcdInit();/显示ASC码void LcdPutChar(unsigned char c);/显示字符串void LcdPuts(unsigned char*s);*endif /LCD_H_/*LCD.C12864 LCD驱动程序*/*include *include /*include LCD.H/定义屏幕光标取值063，光标本身

23、不可见unsigned char LcdCursor;int i,j;/*函数：LcdLightOn()功能：点亮背光灯*/void LcdLightOn()LCD_BL = 1;/*函数：LcdLightOff()功能：熄灭背光灯*/void LcdLightOff()LCD_BL = 0;/*函数：LcdGetBF()功能：读出状态位BF返回：BF=1，表示忙，不可进展任何操作BF=0，表示不忙，可以进展正常操作*/bit LcdGetBF()unsigned char dat;dat = *BYTE0*D002;/*BYTE的定义见return (bit)(dat & 0*80);/*函

24、数：LcdWriteCmd()功能：向LCD发送命令参数：cmd：命令字，详见器件的数据手册*/void LcdWriteCmd(unsigned char cmd)while ( LcdGetBF() );*BYTE0*D000 = cmd;/*函数：LcdWriteDat()功能：向LCD写入数据参数：dat，要写入的数据说明：目标地址由地址计数器AC隐含指定，写完后AC自动加1*/void LcdWriteDat(unsigned char dat)while ( LcdGetBF() );*BYTE0*D001 = dat;/*函数：LcdReadDat()功能：从LCD读出数据返回：

25、读出的数据*/*unsigned char LcdReadDat()volatile unsigned char dat;while ( LcdGetBF() );dat = *BYTE0*D003;dat = *BYTE0*D003;/需要连续执行两次才能够读出真正的数据return dat;*/*函数：LcdSetAC()功能：设置DDRAM显示数据RAM的AC地址计数器值参数：ac：地址计数器值，围063*/void LcdSetAC(unsigned char ac)ac &= 0*3F;ac |= 0*80;LcdWriteCmd(ac);/*函数：LcdClear()功能：LCD清

26、屏，并使光标回到0*/void LcdClear()LcdWriteCmd(0*01);/清屏命令LcdCursor = 0;/*函数：LcdDelay()功能：延时(t*100)个机器周期*/void LcdDelay(unsigned char t)unsigned char n;don = 49;while ( -n != 0 ); while ( -t != 0 );/*函数：LcdInit()功能：LCD初始化*/void LcdInit()LcdWriteCmd(0*30);/设置根本指令集LcdDelay(3);LcdWriteCmd(0*30);/设置根本指令集需要再执行一次L

27、cdDelay(1);LcdWriteCmd(0*0C);/开启显示LcdDelay(3);LcdClear();/清屏LcdDelay(250);LcdWriteCmd(0*06);/设置进入点LcdDelay(10);/*函数：LcdCheckAC()功能：根据光标位置调整AC*/void LcdCheckAC()switch ( LcdCursor )case 16:LcdSetAC(16);break;case 32:LcdSetAC(8);break;case 48:LcdSetAC(24);break;case 64:LcdCursor = 0;LcdSetAC(0);break;

28、default:break;/*函数：LcdPutChar()功能：显示ASCII码参数：c为可显示的ASCII码0*200*7F*/void LcdPutChar(unsigned char c)LcdWriteDat(c);LcdCursor+;LcdCheckAC();/*函数：LcdPutHZ()功能：显示汉字参数：ch,cl：汉字编码*/void LcdPutHZ(unsigned char ch, unsigned char cl)if ( LcdCursor & 0*01 )/显示汉字时，必须偶地址对准，即光标位置不能是奇数LcdPutChar( );/额外输出一个空格LcdWr

29、iteDat(ch);LcdWriteDat(cl);LcdCursor += 2;LcdCheckAC();/*函数：LcdPuts()功能：显示字符串参数：*s：要显示的字符串可同时包含ASCII码和汉字*/void LcdPuts(unsigned char *s)unsigned char ch, cl;for (;)ch = *s+;if ( ch = 0 ) break;if ( ch 0*80 )LcdPutChar(ch);elsecl = *s+;LcdPutHZ(ch,cl);/*显示主程序*/*includeLCD.H*include/*include DELAY.H /

30、* 包含延时函数的头部文件delay_us();delay_ms(); */ /*函数：Delay()延时1ms 65.53st0时，延时t*0.001st=0时。延时65.53s*/*/unsigned char SD4=1,2,3,4;/速度设定unsigned char FK4=2,2,3,4;/速度反应int D=0;/方向控制中间变量unsigned int Pwm=0;/速度产生中间变量 unsigned int p=0; unsigned int Value=0; unsigned int Pwm_Value=0; unsigned int m; /unsigned int a,

31、b,c,d;sbit KEY1=P20;sbit KEY2=P21;sbit KEY3=P22;sbit MotorA=P16;sbit MotorB=P17; bit SWTR;bit SWTF;unsigned int SWTV; *define Pwm_MA* 255void Delay(unsigned int T)SWTV=T;SWTR=1;while(!SWTF);SWTR=0;SWTF=0;void KEY()if(KEY1=0)Value=Value+1;if(KEY2=0)Value=Value-1;if(KEY3=0)if(D=0)D=1; else D=0; void P

32、WM_Init() staticunsigned char t=0;t+; if(tPwm_MA*)t=0;if(t=Pwm_Value) Pwm=1;else Pwm=0;if(D=0)MotorA=0;MotorB=Pwm;elseMotorA=Pwm;MotorB=0; void Show_Value(unsigned char CH) int i; for(i=0;iValue) Pwm_Value=Pwm_Value-1;if(mValue) Pwm_Value=Pwm_Value+1;FK3=(m%10)+48;FK2=(m/10%10)+48;FK1=(m/100%10)+48;

33、FK0=(m/1000%10)+48;SD3=(Value%10)+48;SD2=(Value/10%10)+48;SD1=(Value/100%10)+48;SD0=(Value/1000%10)+48;void main() unsigned char i; MotorA=0; MotorB=0;EA=0; T_int(); Delay(50); LcdInit();/LCD初始化/*/ for(i=0;i2;i+)LcdLightOff();Delay(660);LcdLightOn();Delay(660); Delay(660); LcdClear(); Delay(660);/*/

34、EA=1; Show_Init(); Delay(20);Value=200; Pwm_Value=Value; for(;) KEY();/按键处理MeasureSpeed();LcdWriteCmd(0*94);Show_Value(FK);LcdWriteCmd(0*84);Show_Value(SD);LcdWriteCmd(0*8c); if(D=0)LcdPuts(正向);if(D=1)LcdPuts(反向);void T1ZD() interrupt 3TR1=0;/KEY();/按键处理PWM_Init();if(SWTR) /延时 if(-SWTV=0) SWTF=1;TR1

35、=1;第五章 结论与展望本设计以8051为核心，利用单片机的运算和控制功能，并采用系统化LCD显示模块实时显示所测速度的设计方案，以及串口数据存储电路和系统软件。传感器也是实现测量与控制不可缺少的环节，是测控系统的关键部件，如果没有传感器对原始被测信号进展准确可靠的捕捉和转换，一切准确的测量和控制都将无法实现。工业生产过程的自动化测量和控制，几乎主要依靠各种传感器来检测和控制生产过程中的各种参量，使设备和系统正常运行在最正确状态，从而保证生产的高效率和高质量。本方案根本实现了直流电机的速度即时显示，并可通过控制按键显示速度，并通过PWM方波对直流电机的速度与转向进展控制。这一方案可以在很多领域

36、有很好的应用，例如我们现在交通不可缺少的代步工具电动车的车速表，采用数字式显示不仅一目了然，还很准确。随着科技的不断开展，传感器的广泛应用，各种智能仪表都会采用数字式显示，不仅读取方便，而且精度更高，更可靠。 附录附一速度控制子程序void T_int();/定时器初始化Tmod=0*00;Tmod=0*25;TH1=TL1=0*a4;TH0=TL0=0;void Delay(unsigned int t)SWTV=T;SWTR=1;WHILE(!SWTF);SWTR=0;SWTF=0void MeasureSpeed();/速度计算int m;TH0=TL0=0TR0=1Delay(2500);TR0=0;TF0=0;m=TH0*255+TH0;/速度不吵过100a=m%10;b=m/10%10;c=m/100%10;d=m/1000%10;FK3=a;FK3=b;FK3=c;FK3=d;void Show_init();LcdWriteCmd(0*83);LcdPuts(速度方向);LcdWriteCmd();LcdPuts(速度设定);LcdWriteCmd();/速度反