單片機(jī)課程設(shè)計溫控直流電機(jī)轉(zhuǎn)速

1、 摘 要本論文要求使用單片機(jī)進(jìn)行電路設(shè)計，同時單片機(jī)部分應(yīng)帶有顯示功能。單片機(jī)對某個位置進(jìn)行溫度監(jiān)控，當(dāng)外部溫度45時，電動機(jī)加速正轉(zhuǎn)，當(dāng)溫度75時，電動機(jī)全速正轉(zhuǎn)；當(dāng)外部溫度10時，電動機(jī)加速反轉(zhuǎn)，當(dāng)溫度0時，電動機(jī)全速反轉(zhuǎn)；當(dāng)溫度回到1045之間時電動機(jī)逐漸停止轉(zhuǎn)動。溫度采集模塊可以采用一只溫度傳感器 ds18b20，此傳感器，可以很容易直接讀取被測溫度值， 利用單片機(jī)的一個i/o口的引腳，通過軟件對這個引腳不斷地輸出高低電平來實現(xiàn)pwm波的輸出，51系列單片機(jī)無pwm輸出功能，可以采用定時器配合軟件的方法輸出。對精度要求不高的場合，非常實用。所謂脈沖寬度調(diào)制是指用改變電機(jī)電樞電壓接通與斷

2、開的時間的占空比來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的方法，稱為脈沖寬度調(diào)制(pwm)。pwm驅(qū)動裝置是利用全控型功率器件的開關(guān)特性來調(diào)制固定電壓的直流電源，按一個固定的頻率來接通和斷開，并根據(jù)需要改變一個周期內(nèi)“接通”與“斷開”時間的長短，改變直流電動機(jī)電樞上電壓的“占空比”來改變平均電壓的大小，從而控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。因此，這種裝置又稱為“開關(guān)驅(qū)動裝置”。對于直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，其方法是通過改變電機(jī)電樞電壓導(dǎo)通時間與通電時間的比值（即占空比）來控制電機(jī)速度。本次設(shè)計可以作為簡單控制向復(fù)雜控制的過度，實現(xiàn)直流電機(jī)啟動、正反轉(zhuǎn)控制和順序控制外，還要進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制。為以后復(fù)雜控制設(shè)計做基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞： pwm；單片機(jī)；溫度控

3、制1 設(shè)計總說明1.1 引言在電氣時代的今天，電動機(jī)一直在現(xiàn)代化的生產(chǎn)和生活中起著十分重要的作用，無論在工業(yè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運輸、國防航空航天、醫(yī)療衛(wèi)生、商務(wù)與辦公設(shè)備，還是在日常生活中的家用電器，都在大量地使用著各式各樣的電動機(jī)。據(jù)資料統(tǒng)計，現(xiàn)在有的90%以上的動力源來自于電動機(jī)，我國生產(chǎn)的電能大約有60%用于電動機(jī)。電動機(jī)與人們的生活息息相關(guān)，密不可分。隨著現(xiàn)代化步伐的邁進(jìn)，人們對自動化的需求越來越高，使電動機(jī)控制向更復(fù)雜的控制發(fā)展。1.2 研究意義對電動機(jī)的控制可分為簡單控制和復(fù)雜控制兩種，簡單控制是對電動機(jī)進(jìn)行啟動、制動、正反轉(zhuǎn)控制和順序控制，復(fù)雜控制是對電動機(jī)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)矩、電

4、壓、電流等物理量進(jìn)行控制。本次設(shè)計可以作為簡單控制向復(fù)雜控制的過度，實現(xiàn)直流電機(jī)啟動、制動、正反轉(zhuǎn)控制和順序控制外，還要進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制。為以后復(fù)雜控制做為基礎(chǔ)學(xué)習(xí)。直流電動機(jī)具有良好的起動、制動性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，早期直流電動機(jī)的控制均以模擬電路為基礎(chǔ)，采用運算放大器、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

5、人力資源和降低系統(tǒng)成本，從而有效的提高工作效率，可以實現(xiàn)復(fù)雜的控制，控制靈活性和適應(yīng)性好，無零點漂移，控制精密高，可提供人機(jī)界面，多機(jī)聯(lián)網(wǎng)工作。采用智能功率電路驅(qū)動比傳統(tǒng)的分立功率器件組成的驅(qū)動體積小，功能強(qiáng)；減少了電路元器件數(shù)量，提高了系統(tǒng)的可靠性；監(jiān)控更容易實現(xiàn)；集成化使電路的連線減少，減少了布線電容和電感以及信號傳輸?shù)难訒r，增加了系統(tǒng)抗干擾的能力；集成化使系統(tǒng)成本大大降低。1.3系統(tǒng)設(shè)計內(nèi)容本設(shè)計將介紹一種基于單片機(jī)的溫度控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)速系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用at89c51單片機(jī)為核心，通過at89c51 單片機(jī)驅(qū)動數(shù)字溫度傳感器ds18b20，進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)采集通過溫度的比較和溫度范圍設(shè)定的程

6、序控制產(chǎn)生pwm（脈寬調(diào)制）信號；通過l298驅(qū)動芯片來控制直流電機(jī)的啟動、速度、方向的變化；通過lm016l顯示溫度。論文包括對單片機(jī)的功能及各個管腳和晶振復(fù)位電路的介紹，整個電路設(shè)計包括溫度采集模塊，單片機(jī)控制模塊，溫度顯示模塊，和電機(jī)及電機(jī)驅(qū)動模塊。2系統(tǒng)方案設(shè)計2.1系統(tǒng)的設(shè)計要求及主要技術(shù)指標(biāo) 本論文要求使用單片機(jī)進(jìn)行電路設(shè)計，同時單片機(jī)部分應(yīng)帶有顯示功能。單片機(jī)對某個位置進(jìn)行溫度監(jiān)控，當(dāng)外部溫度45時，電動機(jī)加速正轉(zhuǎn)，當(dāng)溫度75時，電動機(jī)全速正轉(zhuǎn)；當(dāng)外部溫度10時，電動機(jī)加速反轉(zhuǎn)，當(dāng)溫度0時，電動機(jī)全速反轉(zhuǎn)；當(dāng)溫度回到1045之間時電動機(jī)逐漸停止轉(zhuǎn)動。2.2系統(tǒng)總體方案系統(tǒng)總體方案

7、設(shè)計，如下圖1單片機(jī)溫度顯示溫度采集ds18b20pwm輸出電機(jī)驅(qū)動l298直流電動機(jī)系統(tǒng)供電圖1 系統(tǒng)總體方案圖2.3 總體方案論述 該系統(tǒng)采用at89c51單片機(jī)為核心，通過ds18b20進(jìn)行溫度采集，送入單片機(jī)，經(jīng)過軟件編程進(jìn)行溫度的比較和范圍劃定，然后通過程序控制由單片機(jī)產(chǎn)生不同的pwm（脈沖寬度調(diào)制）信號，送給電機(jī)驅(qū)動芯片l298的使能端口，通過l298驅(qū)動芯片來控制直流電機(jī)的啟動、速度、方向的變化；單片機(jī)將溫度數(shù)據(jù)傳送給lm016l顯示溫度。整個電路設(shè)計包括溫度采集模塊，單片機(jī)控制模塊，溫度顯示模塊，和電機(jī)及電機(jī)驅(qū)動模塊。3 硬件電路設(shè)計3.1 溫度采集模塊的電路連接ds18b20

8、 有三個管腳：gnd 為電源地，dq 為數(shù)字信號輸入/輸出端，vcc 為外接供電電源接入端（用寄生電源方式時接地）。在硬件上，ds18b20與單片機(jī)的連接有兩種方法，一種是vcc接外部電源，gnd接地，i/o與單片機(jī)的i/o線相連；另一種是用寄生電源供電，此時vcc、gnd接地，i/o接單片機(jī)i/o。無論是內(nèi)部寄生電源還是外部供電，i/o口線要接5k左右的上拉電阻。本系統(tǒng)中ds18b20的dq口與單片機(jī)的 p3.3口連接，gnd 接地。protues軟件仿真圖如圖2所示。圖 2 ds18b20的protues仿真圖3.2轉(zhuǎn)速控制模塊設(shè)計a（in1）、b(in2)分別與at89c51單片機(jī)的p1

9、.0、p1.1相連接，輸入控制電位來控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。ena與單片機(jī)的p1.2口相連接，p1.2口輸出控制電動機(jī)轉(zhuǎn)速的pwm信號，來控制電動機(jī)的加速、減速，啟動、停止。由于我們使用的電機(jī)是線圈式的，在從運行狀態(tài)突然轉(zhuǎn)換到停止?fàn)顟B(tài)和從順時針狀態(tài)突然轉(zhuǎn)換到逆時針狀態(tài)時會形成很大的反向電流，在電路中加入二極管的作用就是在產(chǎn)生反向電流的時候進(jìn)行泄流，保護(hù)芯片的安全。上面接電源那個是當(dāng)vs斷電后，電機(jī)的產(chǎn)生的磁場產(chǎn)生很大的電動勢保護(hù)電機(jī)(因為電機(jī)可能正傳或者反轉(zhuǎn)，所以兩個方向均要設(shè)計二極管)，接地那個作用在于保護(hù)單片機(jī)等元件。圖 3 轉(zhuǎn)速控制模塊protues仿真的電路圖3.3 溫度顯示模塊設(shè)計數(shù)據(jù)手冊

10、中可能介紹lm1602內(nèi)部d0d7已有上拉，可以使用p0口直接驅(qū)動。在proteus里lm016l內(nèi)部可能沒有,應(yīng)該人為加上拉電阻。圖 5 溫度顯示模塊設(shè)計proteus仿真圖4 系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1系統(tǒng)軟件構(gòu)架端口初始化液晶顯示程序ds18b20函數(shù)初始化讀取溫度值并顯示延時開啟中斷t0定時器控制電動機(jī)正/反轉(zhuǎn)，并通過pwm信號控制電動機(jī)轉(zhuǎn)速等待中斷開始返回圖 6系統(tǒng)軟件總框圖5 元器件清單表 2 元器件清單學(xué)名稱型號畢數(shù)量備注單片機(jī)at89c511二極管1n40071 電容cap2220pf2100nf電解電容cap-elec110uf晶振crystal112mhz溫度采集器ds18b201

11、電機(jī)控制元件 l2981lcd顯示器lm016l1電機(jī)轉(zhuǎn)子motor-dc1 電阻排阻respespack11110k4.7k6電路設(shè)計仿真圖 7 設(shè)計電路的proteus仿真結(jié)論本方案實現(xiàn)了單片機(jī)通過對溫度的采集和比較對直流電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制，以及利用軟件模擬實現(xiàn)直流電機(jī)pwm調(diào)速的方法。以at89c51單片機(jī)為控制核心，通過ds18b20進(jìn)行溫度采集，送入單片機(jī)，經(jīng)過軟件編程進(jìn)行溫度的比較和范圍劃定，然后通過程序控制由單片機(jī)產(chǎn)生不同的pwm（脈沖寬度調(diào)制）控制信號，送給電機(jī)驅(qū)動芯片l298的使能端口，通過l298驅(qū)動芯片來控制直流電機(jī)的啟動、速度、方向的變化實現(xiàn)了對普通直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，為

12、進(jìn)一步研究和優(yōu)化直流電機(jī)控制方法提供了基礎(chǔ)。達(dá)到了系統(tǒng)的設(shè)計要求：單片機(jī)對某個位置進(jìn)行溫度監(jiān)控，當(dāng)外部溫度45時，電動機(jī)加速正轉(zhuǎn)，當(dāng)溫度75時，電動機(jī)全速正轉(zhuǎn)；當(dāng)外部溫度10時，電動機(jī)加速反轉(zhuǎn)，當(dāng)溫度0時，電動機(jī)全速反轉(zhuǎn)；當(dāng)溫度回到1045之間時電動機(jī)逐漸停止轉(zhuǎn)動。從這次的設(shè)計中，我真真正正的意識到，在以后的學(xué)習(xí)中，要理論聯(lián)系實際，把我們所學(xué)的理論知識用到實際當(dāng)中，學(xué)習(xí)單機(jī)片機(jī)更是如此，程序只有在經(jīng)常的寫與讀的過程中才能提高，這就是我在這次設(shè)計中的最大收獲。參考文獻(xiàn)1 王之道,周靖,劉旭,一種基于at89c2051單片機(jī)的直流電機(jī)調(diào)速裝置, j機(jī)械工程與自動化2009(5) 2 茹占軍,謝家興

13、,基于at89s52單片機(jī)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計, j.軟件導(dǎo)刊2010, 9(8)3 趙鴻圖,基于單片機(jī)at89c51的直流電機(jī)pwm調(diào)速系統(tǒng)j.電子技術(shù) ，2008, 45(10)4 周潤景,張麗娜.基于proteus的電路及單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計與仿真m.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2006. 5 寧成軍,張江霞.基于proteus和keil接口的單片機(jī)外圍硬件電路仿真j.現(xiàn)代電子技術(shù),2006,29(18):142-143,146. 6 陳良光，管聰慧.由數(shù)字式傳感器 ds18b20 構(gòu)成的多點測溫系統(tǒng)j.傳感器世界, 1999, 9.7 杜洋,ds18b20溫度傳感器應(yīng)用解析,2007.3

14、.168 馬忠梅，張凱，等.單片機(jī)的c語言應(yīng)用程序設(shè)計(第四版).北京航空航天大學(xué)出版社實驗程序#include#include#difine uchar ；unsigned char#difine uint ；unsigned int#define delaynop() _nop_();_nop_();_nop_();_nop_();sbit dq =p33;sbit lcd_rs=p20;sbit lcd_rw=p21;sbit lcd_en=p22;sbit ma =p10;sbit mb =p11;sbit pwm1 =p12;uchar code temp_disp_title =c

15、urrent temp : ;uchar current_temp_display_buffer=temp: ;/溫度字符uchar code_temperature_char8 =0x0c,0x12,0x12,0x0c,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,;/ 溫度小數(shù)位對照表uchuar code df_table =0,1,1,2,2,3,3,4,4,5,6,6,7,8,8,9,9 ;uchar current = 0; /當(dāng)前讀取的溫度整數(shù)部分char signed_temp = 0; /有符號溫度值uchar temp_value = 0x00,0x00; /從ds18

16、b20讀取溫度值uchar back_temp_value = 0xff,0xff; /溫度數(shù)據(jù)備份uchar display_digit = 0,0,0,0; /待顯示的各溫度數(shù)位bit ds18b20_is_ok = 1; /傳感器正常標(biāo)志uint tcount = 0;/-/延時 1/-void delayxus(int x) uchar i; while(x-) for (i=0;i200;i+);/-/液晶控制函數(shù)-/uchar lcd_busy_check() reentrant/void write_lcd_command (uchar cmd)/void write_lcd_d

17、ata (uchar data)/void lcd_initialise ()/void set_lcd_pos (uchar pos)/void write_new_lcd_char ()/-/-/延時2/-void delay(unit x)while (-x);/-/初始化ds18b20/-uchar init_ds18b20() uchar dq=1; delay(8);dq = 0;delay(90); dq=1; delay(8);status = dq;delay(100);dq=1; return status; /初始化成功返回0/-/讀一字節(jié)/-uchar readoneb

18、yte() uchar i,dat = 0; dq = 1; _nop_(); for (i=0;i=1;dq=1; _nop_();_nop_(); if(dq) dat1=0x80;delay(30);dq=1; return dat;/-/寫一字節(jié)/-void writeonebyte (uchar dat) uchar i; for (i=0;i=1; /-/讀取溫度值/-void read_temperature() if(init_ds18b20() = 1) /ds18b20故障 ds18b20_is_ok = 0; else writeonebyte(0xcc); /跳過序列號

19、 writeonebyte(0x44); /啟動溫度轉(zhuǎn)換 init_ds18b20(); writeonebyte(0xcc); writeonebyte(0xbe); /讀取溫度寄存器 temp_value0 = readonebyte(); /溫度低8位 temp_value1 = readonebyte(); /溫度高8位 ds18b20_is_ok = 1; /-/在lcd上顯示當(dāng)前溫度/-void display_temperature() uchar i; uchar t=150;/延時值 uchar ng = 0;/負(fù)數(shù)標(biāo)識 /如果為負(fù)數(shù)則取反加1，并設(shè)置負(fù)數(shù)標(biāo)識 if（temp

20、_value1 & 0xf8） =0xf8） temp_value1 = temp_value1; temp_value0 = temp_value0 + 1; if(temp_value0 =0x00) temp_value1+; ng= 1; /查表得到溫度小數(shù)部分 display_digit0 = df_table temp_value0 & 0x0f ; /獲取溫度整數(shù)部分（無符號） current = (temp_value0) & 0xf0)4) | (temp_value1 & 0x07)4); /獲取有符號溫度值（忽略小數(shù)位） signed_temp = !ng ? curre

21、nt : - current; /將整數(shù)部分分解為三位待顯示數(shù)字 display_digit3 = current / 100; display_digit2 = current % 100/10; display_digit1 = current % 10; /刷新lcd顯示緩沖 current_temp_display_buffer11 = display_digit0 + 0; current_temp_display_buffer10 = .; current_temp_display_buffer 9 = display_digit1 + 0; current_temp_displa

22、y_buffer 8 = display_digit2 + 0; current_temp_display_buffer 7 = display_digit3 + 0; /高位為0時不顯示 if (diplay_digit3 = 0) current_temp_display_buffer7 = ; /高位為0且次高位為0時，次高位不顯示 if (display_digit2 = 0 & display_digit3 = 0) /負(fù)數(shù)符號顯示在恰當(dāng)位置 if (ng) if (current_temp_display_buffer8 = ) current_temp_display_buffer8 = -; else if (current_temp_display_buffer7 = ) current_temp_display_buffer7 = -;) else (current_temp_display_buffer6 = -; /在第一行顯示標(biāo)題 set_lcd_pos(0x00); for(i = 0; i16; i+) write_lcd_data( temp_disp_titlei ); /在第二行顯示當(dāng)前溫度 set_lcd_pos(0x40); for(i = 0; i=45時加速正轉(zhuǎn)，75時全速運行 if ( signed_