單片機(jī)課程設(shè)計(jì)可調(diào)直流電機(jī)設(shè)計(jì)

1、可調(diào)直流電機(jī)控制設(shè)計(jì) 摘 要 現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，電動(dòng)機(jī)是主要的驅(qū)動(dòng)設(shè)備，目前在直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)中已大 量采用晶閘管(即可控硅)裝置向電動(dòng)機(jī)供電的 kzd 拖動(dòng)系統(tǒng)，取代了笨重的發(fā)電動(dòng) 一電動(dòng)機(jī)的 fd 系統(tǒng)，又伴隨著電子技術(shù)的高度發(fā)展，促使直流電調(diào)速逐步從模擬化 向數(shù)字化轉(zhuǎn)變，特別是單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，使直流電機(jī)調(diào)速技術(shù)又進(jìn)入到一個(gè)新的階 段，智能化、高可靠性已成為它發(fā)展的趨勢(shì)。直流電機(jī)調(diào)速基本原理是比較簡(jiǎn)單的， 只要改變電機(jī)的電壓就可以改變轉(zhuǎn)速了。改變電壓的方法很多，最常見的一種 dac0832 脈寬調(diào)制，調(diào)節(jié)電機(jī)的輸入占空比就可以控制電機(jī)的平均電壓，控制轉(zhuǎn)速。 直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起動(dòng)、制動(dòng)

2、性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要 調(diào)速或快速正反向的電力拖動(dòng)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。從控制的角度來看，直流調(diào) 速還是交流拖動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。早期直流電動(dòng)機(jī)的控制均以模擬電路為基礎(chǔ)，采用運(yùn)算 放大器、非線性集成電路以及少量的數(shù)字電路組成，控制系統(tǒng)的硬件部分非常復(fù)雜， 功能單一，而且系統(tǒng)非常不靈活、調(diào)試?yán)щy，阻礙了直流電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展和應(yīng) 用范圍的推廣。隨著單片機(jī)技術(shù)的日新月異，使得許多控制功能及算法可以采用軟件 技術(shù)來完成，為直流電動(dòng)機(jī)的控制提供了更大的靈活性，并使系統(tǒng)能達(dá)到更高的性能。 采用單片機(jī)構(gòu)成控制系統(tǒng)，可以節(jié)約人力資源和降低系統(tǒng)成本，從而有效的提高工作 效率。 目前，直流電動(dòng)機(jī)

3、調(diào)速系統(tǒng)數(shù)字化已經(jīng)走向?qū)嵱没?，伴隨著電子技術(shù)的高度發(fā)展， 促使直流電機(jī)調(diào)速逐步從模擬化向數(shù)字化轉(zhuǎn)變，特別是單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，使直流電 機(jī)調(diào)速技術(shù)又進(jìn)入到一個(gè)新的階段，智能化、高可靠性已成為它發(fā)展的 趨勢(shì)。 關(guān)鍵詞：直流電機(jī)，dac0832，89c51，lm324 目 錄 1 緒論.3 1.1 課題描述.3 2 硬件設(shè)計(jì).1 2.1 復(fù)位電路.3 2.2 晶振電路.4 2.3 pwm 原理與優(yōu)勢(shì) .4 2.4 dac0832 雙極性電壓輸出控制原理 .5 2.5 轉(zhuǎn)速控制模塊.6 2.6 0832 與單片機(jī)連接電路.6 2.7 lm324 說明.8 2.8 按鍵部分原理.8 2.9 電路總原理圖

4、.9 3 軟件設(shè)計(jì).10 3.1 按鍵控制直流電機(jī)流程圖.10 3.2 按鍵狀態(tài)檢測(cè)流程圖.11 3.3 系統(tǒng)程序.12 總 結(jié).14 致 謝.15 參考文獻(xiàn).16 1 緒論 1.1 課題描述 本直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)以單片機(jī)系統(tǒng)為依托，根據(jù) pwm 調(diào)速的基本原理，以直流 電機(jī)電樞上電壓的占空比來改變平均電壓的大小，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為依據(jù)，實(shí) 現(xiàn)對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的平滑調(diào)速，并通過單片機(jī)控制速度的變化。本文所研究的直流電機(jī) 調(diào)速系統(tǒng)主要是由硬件和軟件兩大部分組成。硬件部分是前提，是整個(gè)系統(tǒng)執(zhí)行的基 礎(chǔ)，它主要為軟件提供程序運(yùn)行的平臺(tái)。而軟件部分，是對(duì)硬件端口所體現(xiàn)的信號(hào)， 加以采集、分析、處理，最終

5、實(shí)現(xiàn)控制器所要實(shí)現(xiàn)的各項(xiàng)功能，達(dá)到控制器自動(dòng)對(duì)電 機(jī)速度的有效控制。 2 硬件設(shè)計(jì) 2.1 復(fù)位電路 單片機(jī)的基本復(fù)位方式有三種：手動(dòng)按鈕復(fù)位 、上電復(fù)位、積分型上電復(fù)位 。 單片機(jī)的復(fù)位電路在剛接通電時(shí)，剛開始電容是沒有電的，電容內(nèi)的電阻很低，通電 后，5v的電通過電阻給電解電容進(jìn)行充電，電容兩端的電會(huì)由0v慢慢的升到4v左右 （此時(shí)間很短一般小于0.3秒） ，正因?yàn)檫@樣，復(fù)位腳的電由低電位升到高電位，引起了 內(nèi)部電路的復(fù)位工作，這是單片機(jī)的上電復(fù)位，也叫初始化復(fù)位。當(dāng)按下復(fù)位鍵時(shí)， 電容兩端放電，電容又回到0v了，于是又進(jìn)行了一次復(fù)位工作，這是手動(dòng)復(fù)位原理。 本設(shè)計(jì)采用的是上復(fù)位電路的復(fù)位

6、方式。 圖1 單片機(jī)復(fù)位電路 2.2 晶振電路 本設(shè)計(jì)采用頻率為 24mhz，微調(diào)電容 c1 和 c2 為 22pf 的內(nèi)部時(shí)鐘方式，電容為 瓷片電容。判斷單片機(jī)芯片及時(shí)鐘系統(tǒng)是否正常工作有一個(gè)簡(jiǎn)單的方法，就是用萬用 表測(cè)量單片機(jī)晶振引腳（18，19 腳）的對(duì)地電壓，以正常工作的單片機(jī)用數(shù)字萬用表 測(cè)量為例：18 腳對(duì)地電壓約為 2.24v，19 腳對(duì)地電壓約為 2.09v。 圖2 晶振電路 2.3 pwm 原理及優(yōu)勢(shì) 脈沖寬度調(diào)制（pwm）是一種對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。通過高分辨 率計(jì)數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來對(duì)一個(gè)具體模擬信號(hào)的電平進(jìn)行編碼。 pwm 信號(hào)仍然是數(shù)字的，因

7、為在給定的任何時(shí)刻，滿幅值的直流供電要么完全有(on)要 么完全無(off)。電壓或電流源是以一種通(on)或斷(off)的重復(fù)脈沖序列被加到模擬 負(fù)載上去的。通的時(shí)候即是直流供電被加到負(fù)載上的時(shí)候，斷的時(shí)候即是供電被斷開 的時(shí)候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用pwm進(jìn)行編碼。多數(shù)負(fù)載(無論是電感 性負(fù)載還是電容性負(fù)載)需要的調(diào)制頻率高于10hz，通常調(diào)制頻率為1khz 到200khz 之間。 pwm 的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是從處理器到被控系統(tǒng)信號(hào)都是數(shù)字形式的，無需進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn) 換。讓信號(hào)保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小。噪聲只有在強(qiáng)到足以將邏輯1 改 變?yōu)檫壿? 或?qū)⑦壿? 改變?yōu)檫壿? 時(shí)，也才

8、能對(duì)數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生影響。 對(duì)噪聲抵抗能力的增強(qiáng)是pwm 相對(duì)于模擬控制的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，而且這也是在 某些時(shí)候?qū)wm 用于通信的主要原因。從模擬信號(hào)轉(zhuǎn)向pwm 可以極大地延長(zhǎng)通信距 離。在接收端，通過適當(dāng)?shù)膔c 或lc 網(wǎng)絡(luò)可以濾除調(diào)制高頻方波并將信號(hào)還原為模擬 形式。 總之，pwm 既經(jīng)濟(jì)、節(jié)約空間、抗噪性能強(qiáng)，是一種值得廣大工程師在許多設(shè) 計(jì)應(yīng)用中使用的有效技術(shù)。 2.4 dac0832雙極性電壓輸出控制原理 dac0832是20引腳雙列直插式芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳信號(hào)如圖1所示。 圖3 dac0832的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳 在at89c51 單片機(jī)控制系統(tǒng)中，要求d/a 的輸出電壓是雙極性的。例如要

9、求：輸 出（-5+5）v。在這種情況下，d/a 的輸出電路要作相應(yīng)的變化。圖1 就是 da0832 雙極性輸出電路實(shí)例。圖中，d/a 的輸出經(jīng)運(yùn)算放大器a1 和a2 放大和偏移 以后，在運(yùn)算放大器a2 的輸出端就可得到雙極性的（-5+5）v 的輸出電壓。這 里，vref為a2 提供一個(gè)偏移電流，且vref 的極性選擇應(yīng)使偏移電流方向與a1 輸 出的電流方向相反。再選擇r4= r3= 2r2，以使偏移電流恰好為a1 輸出電流的1/2。從 而使a2 的輸出特性在a1 的輸出特性基礎(chǔ)上，上移1/2 的動(dòng)態(tài)范圍。由電路各參數(shù)計(jì) 算可得最后的輸出電壓表達(dá)式為vout= -2v1 vref設(shè)v1為（0-5

10、）v，選取vref為 +5v，則vout=010v -5v=-5v+5v。 圖4 雙極性輸出電路 2.5 轉(zhuǎn)速控制模塊 圖5 轉(zhuǎn)速控制模塊 用0832 d/a轉(zhuǎn)換電路后的輸出經(jīng)放大后驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)。編制程序改變0832輸 出經(jīng)放大后的方波信號(hào)的占空比來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。d/a 輸出為雙極性輸出，因此 電機(jī)可以正反向旋轉(zhuǎn)。 2.6 0832與單片機(jī)連接電路 圖6 0832與單片機(jī)連接示意圖 80c51 單片機(jī)的引腳的封裝主要有 pdip40、plcc44 和 pqfp/tqfp44。本此課程 設(shè)計(jì)所采用的 80c51 封裝是 40 引腳 pdip 封裝。電源及電源復(fù)位引腳有 vcc（40 腳） ， 接

11、+5v 直流電源。vss（20 腳） ，接地端。rst/vpd(9 腳)，復(fù)位信號(hào)輸入端。 ea/vpp(31 腳)。始終振蕩電路引腳 xtal1(19 腳)、xtal2（18 引腳） 、 ale/prog（30 腳） 、psen(29 腳)，并行雙向輸入/輸出口引腳：p0 口的 p0.0p0.7 引 腳（3932 腳） 、p1 口的 p1.0p1.7 引腳(18 腳)、p2 口的 p2.0p2.7 引腳(2821 腳)、 p3 口的 p3.0p3.7 引腳（1017 腳） 。如圖 5 所示： 圖7 51單片機(jī)引腳圖 2.7 lm324 說明 lm324 系列器件為價(jià)格便宜的帶有真差動(dòng)輸入的四

12、運(yùn)算放大器。與單電源應(yīng)用場(chǎng) 合的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器相比，它們有一些顯著優(yōu)點(diǎn)。該四放大器可以工作在低到3.0 伏或 者高到32 伏的電源下，靜態(tài)電流為mc1741 的靜態(tài)電流的五分之一。共模輸入范圍包 括負(fù)電源因而消除了在許多應(yīng)用場(chǎng)合中采用外部偏置元件的必要性。每一組運(yùn)算放大 器可用圖1 所示的符號(hào)來表示，它有5 個(gè)引出腳，其中“+”、“-”為兩個(gè)信號(hào)輸入 端“v+”、“v-”為正、負(fù)電源端，“vo”為輸出端。兩個(gè)信號(hào)輸入端中，vi- 為反相輸入端，表示運(yùn)放輸出端vo 的信號(hào)與該輸入端的位相反；vi+（+）為同相輸 入端，表示運(yùn)放輸出端vo 的信號(hào)與該輸入端的相位相同。lm324 引腳說明圖如下 圖

13、5 lm324 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳 2.8 按鍵部分原理 當(dāng)單片機(jī)向 adc0832 輸入信號(hào)改變 adc0832 的阻值，從而改變電流。 圖8 按鍵部分原理 2.9 電路總原理圖 圖9 電路原理圖 3 軟件設(shè)計(jì) 3.1 按鍵控制直流電機(jī)流程 圖10 電機(jī)的程序控制 3.2 按鍵狀態(tài)檢測(cè)流程 圖11 電機(jī)的轉(zhuǎn)速程序控制 3.3 系統(tǒng)程序 org 0740h start：mov sp，#53h ；設(shè)置堆棧的棧頂?shù)刂?mov a，p1 ；讀取p1 口的狀態(tài)到累加器 anl a，#1fh jb acc.0，stop ；最低位p1.0 為1 則停止 jb acc.1，hsr ；hsr 代表high sp

14、eed right 高速右轉(zhuǎn)，正轉(zhuǎn) jb acc.2，lsr ；lsr 代表low speed right 低速右轉(zhuǎn)，正轉(zhuǎn) jb acc.3，hsl ；hsl 代表high speed left 高速左轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn) jb acc.4，lsl ；lsl 代表low speed left 低 速左轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn) stop:：mov r6，#80h 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

15、 dptr，#8000h ；8 位輸入寄存器和dac 寄存器受相同信號(hào)統(tǒng)一控 制，地址為8000h mov a，r6 movx dptr，a ；將r6 送至dac 啟動(dòng)轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換電壓 mov r2，#0bh ；賦延時(shí)參數(shù) lcall delay ljmp start delay：push 02h ；延時(shí)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 總 結(jié) 本設(shè)計(jì)是以 msc

16、-51 單片機(jī)為控制中心，設(shè)計(jì)了直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)。采用 44 鍵盤形式，減少了對(duì)單片機(jī) i/o 口的占用。所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)功為：以 mcs-51 系列單片機(jī) 作為控制核心，利用 dac0832 芯片進(jìn)行數(shù)/模控制，輸出電壓經(jīng)放大后，在有可調(diào)的 占空比來驅(qū)動(dòng)小直流電機(jī)的速度進(jìn)行數(shù)字量調(diào)節(jié)，從而控制直流電機(jī)的速度。又通過 dac0832 可以實(shí)現(xiàn)反向輸出，所以可使電壓從 ffh-ffh,同時(shí)，以 0 為中間電壓， 從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)地正反向轉(zhuǎn)動(dòng)。 致 謝 兩周的課程設(shè)計(jì)結(jié)束了，在這次的課程設(shè)計(jì)中不僅檢驗(yàn)了我所學(xué)習(xí)的知識(shí)，也培 養(yǎng)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。在設(shè)計(jì)過程 中

17、，與同學(xué)分工設(shè)計(jì)，和同學(xué)們相互探討，相互學(xué)習(xí)，相互監(jiān)督。學(xué)會(huì)了合作，學(xué)會(huì) 了運(yùn)籌帷幄，學(xué)會(huì)了寬容，學(xué)會(huì)了理解，也學(xué)會(huì)了做人與處世。在這次設(shè)計(jì)過程中 體現(xiàn)出自己?jiǎn)为?dú)設(shè)計(jì)電路的能力以及綜合運(yùn)用知識(shí)的能力，體會(huì)了學(xué)以致用、突出自 己勞動(dòng)成果的喜悅心情，從中發(fā)現(xiàn)自己平時(shí)學(xué)習(xí)的不足和薄弱環(huán)節(jié)，從而加以彌補(bǔ)。 在此感謝我們的李姿景老師，老師嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致、一絲不茍的作風(fēng)一直是我學(xué)習(xí)中的 榜樣，老師循循善誘的教導(dǎo)和不拘一格的思路給予我無盡的啟迪，這次電路設(shè)計(jì)的每 個(gè)實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)和每個(gè)數(shù)據(jù)，都離不開李老師您的細(xì)心指導(dǎo)。而您開朗的個(gè)性和寬容的態(tài) 度，幫助我能夠很順利的完成了這次課程設(shè)計(jì)。同時(shí)感謝對(duì)我?guī)椭^的同學(xué)們，謝謝 你們對(duì)我的幫助和支持，讓我感受到同學(xué)的友誼