单片机微型直流电机控制系统课程设计

第页2019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 53.2I/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按键扫描子程序流程 115问题及分析 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）181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：直流电机的正转；直流电机的反转；直流电机的加速；直流电机的减速；直流电机的转速在数码管上显示；直流电机的启动；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4．5～7V电压。4脚VS接电源电压，VS电压范围VIH为＋2．5～46V。输出电流可达2．5A，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.3.2I/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，这个初始值及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问题及分析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KeilC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及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[1]张友德等，单片机原理应用及实验[M]，复旦大学出版社1992.[2]张毅刚，彭喜源，谭晓钧，曲春波.MCS－51单片机应用设计[M].哈尔滨工业大学出版社2019.1.[3]宋庆环，才卫国，高志，89C51单片机在直流电动机调速系统中的应用[M]。唐山学院，2019.4[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)，2019.9.[5]李维军韩小刚李晋，基于单片机用软件实现直流电机PWM调速系统[J]，维普资讯，2019.9[6]曹巧媛.单片机原理及应用[M].北京，电子工业出版社，2019.[7]刘大茂，严飞.单片机应用系统监控主程序的设计方法[J].福州大学学报(自然科学福建农林大学硕士论文版)，2019.2.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//占空比初始值为50%inta,b;sbitRS=P3^0;sbitRW=P3^1;sbitEN=P3^2;unsignedcharcodestr1[]={"ZHENGZHUAN"};unsignedcharcodestr2[]={"SPEEDUP"};unsignedcharcodestr3[]={"FANZHAUN"};unsignedcharcodestr4[]={"SPEEDDOWN"};unsignedcharcodestr5[]={"STOP"};uchardatadisdata[5];voiddelay1ms(unsignedintms)//延时0.1毫秒（不够精确的）{unsignedinti,j;for(i=0;i<ms;i++)for(j=0;j<100;j++);voidwr_com(unsignedcharcom)//写指令//{delay1ms(0.1);RS=0;RW=0;EN=0;P2=com;delay1ms(0.1);EN=1;delay1ms(0.1);EN=0;voidwr_dat(unsignedchardat)//写数据//{delay1ms(0.1);RS=1;RW=0;EN=0;P2=dat;delay1ms(0.1);EN=1;delay1ms(0.1);EN=0;voidlcd_init()//初始化设置//{delay1ms(15);wr_com(0x38);wr_com(0x08);wr_com(0x01);wr_com(0x06);wr_com(0x0c);voiddisplay(unsignedchar*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);sbitPWM=P3^6; //PWM输出脚sbitP1_2=P1^2;//正传sbitP1_3=P1^3;//反转sbitP1_4=P1^4;//加速sbitP1_5=P1^5;//减速sbitP1_6=P1^6;//停止sbitP1_1=P1^1;sbitP1_0=P1^0;sbitP0_0=P0^0;sbitP0_1=P0^1;sbitP0_2=P0^2;sbitP0_3=P0^3;voidscjs(void)interrupt3TH1=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==10