用單片機(jī)控制直流電動(dòng)機(jī)并測(cè)量轉(zhuǎn)速畢業(yè)論文

1、遼 寧 工 業(yè) 大 學(xué) 單片機(jī)及接口技術(shù) 課程設(shè)計(jì)（論文）題目： 用單片機(jī)控制直流電動(dòng)機(jī)并測(cè)量轉(zhuǎn)速 院（系）： 電子與信息工程學(xué)院 專業(yè)班級(jí)： 計(jì)算機(jī)101班 學(xué) 號(hào)： 學(xué)生姓名： 高曉輝 指導(dǎo)教師： 張軍 教師職稱： 副教授 起止時(shí)間：13-12-23至13-12-27 課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)及評(píng)語(yǔ)院（系）：電子與信息工程學(xué)院 教研室：計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué) 號(hào)學(xué)生姓名高曉輝專業(yè)班級(jí)計(jì)算機(jī)101班課程設(shè)計(jì)（論文）題目用單片機(jī)控制直流電動(dòng)機(jī)并測(cè)量轉(zhuǎn)速課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù) 直流電機(jī)PWM調(diào)制控制系統(tǒng)具有加速、減速、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止控制功能。操作開(kāi)關(guān)通過(guò)中斷控制直流電機(jī)的加速、減速、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止控制

2、功能，并通過(guò)LCD液晶顯示。主要設(shè)計(jì)內(nèi)容：硬件電路設(shè)計(jì)：1. CPU最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)（包括CPU選擇，晶振電路，復(fù)位電路）2. 直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路設(shè)計(jì)3. 電源設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)：1.編程程序流程圖2.程序編寫(xiě)要求：1、根據(jù)題目和所用的接口電路芯片設(shè)計(jì)出完整的接口電路,并用計(jì)算機(jī)繪制出電路原理圖以及程序流程圖。2、認(rèn)真獨(dú)立完成所規(guī)定的設(shè)計(jì)內(nèi)容(4000字左右)，嚴(yán)禁相互抄襲；3、撰寫(xiě)、打印設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)一份。指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)及成績(jī)總成績(jī) ： 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日目 錄第1章 直流電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方案1第2章 直流電動(dòng)機(jī)的硬件設(shè)計(jì)32.2 直流電機(jī)PWM調(diào)速原理32.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的電路設(shè)計(jì)5第3章 直流電

3、機(jī)PWM控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)63.1系統(tǒng)功能說(shuō)明63.2系統(tǒng)程序電路圖63.3直流電機(jī)控制程序6第4章 課程設(shè)計(jì)總結(jié)14參考文獻(xiàn)15第1章 直流電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方案1.1 引言本文是對(duì)直流電機(jī)PWM調(diào)速器設(shè)計(jì)的研究，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制。本課程設(shè)計(jì)主要是實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)速器的加速、減速、停止等操作。并實(shí)現(xiàn)電路的仿真。為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的微機(jī)控制，在設(shè)計(jì)中，采用了AT89C51單片機(jī)作為整個(gè)控制系統(tǒng)的控制電路的核心部分，配以各種顯示、驅(qū)動(dòng)模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速參數(shù)的顯示和測(cè)量；由命令輸入模塊、光電隔離模塊及H型驅(qū)動(dòng)模塊組成。采用帶中斷的獨(dú)立式鍵盤(pán)作為命令的輸入，單片機(jī)在程序控制下，不斷給光電隔離電路發(fā)送PWM波形，H型驅(qū)

4、動(dòng)電路完成電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制.在設(shè)計(jì)中，采用PWM調(diào)速方式，通過(guò)改變PWM的占空比從而改變電動(dòng)機(jī)的電樞電壓，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速。設(shè)計(jì)的整個(gè)控制系統(tǒng)，在硬件結(jié)構(gòu)上采用了大量的集成電路模塊，大大簡(jiǎn)化了硬件電路，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，使整個(gè)系統(tǒng)的性能得到提高。20世紀(jì)80年代中期以后，Intel公司以專利轉(zhuǎn)讓的形式把8051內(nèi)核技術(shù)轉(zhuǎn)讓給許多半導(dǎo)體芯片生產(chǎn)廠家，如ATMEL、PHILIPS、ANALOG、DEVICES、DALLAS等。這些廠家生產(chǎn)的芯片是MCS-51系列的兼容產(chǎn)品，準(zhǔn)確地說(shuō)是與MCS-51指令系統(tǒng)兼容的單片機(jī)。這些兼容機(jī)與8051的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（主要是指令系統(tǒng)）相同，采用CMOS

5、工藝，因而，常用80C51系列來(lái)稱呼所有具有8051指令系統(tǒng)的單片機(jī)，它們對(duì)8051單片機(jī)一般都作了一些擴(kuò)充，更有特點(diǎn)。其功能和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力更強(qiáng)，不該把它們直接稱呼為MCS-51系列單片機(jī)，因?yàn)镸CS只是Intel公司專用的單片機(jī)系列型號(hào)。MCS-51系列及80C51單片機(jī)有多種品種。它們的引腳及指令系統(tǒng)相互兼容，主要在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上有些區(qū)別。目前使用的MCS-51系列單片機(jī)及其兼容產(chǎn)品通常分成以下幾類：基本型、增強(qiáng)型、低功耗型、專用型、超8位型、片內(nèi)閃爍存儲(chǔ)器型。1.2 總體方案論述直流電機(jī)PWM控制系統(tǒng)的主要功能包括：直流電機(jī)的加速、減速以及電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，并且可以調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速，還可以方便的

6、讀出電機(jī)轉(zhuǎn)速的大小，能夠很方便的實(shí)現(xiàn)電機(jī)的智能控制。其間，還包括直流電機(jī)的直接清零、啟動(dòng)（置數(shù)）、暫停、連續(xù)功能。該直流電機(jī)系統(tǒng)由以下電路模塊組成：振蕩器和時(shí)鐘電路：這部分電路主要由80C51單片機(jī)和一些電容、晶振組成。設(shè)計(jì)輸入部分：這一模塊主要是利用帶中斷的獨(dú)立式鍵盤(pán)來(lái)實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)控制部分：主要由80C51單片機(jī)的外部中斷擴(kuò)展電路組成。設(shè)計(jì)顯示部分：包括液晶顯示部分和LED數(shù)碼顯示部分。液晶顯示部分由1602LCD液晶顯示模塊組成; LED數(shù)碼顯示部分由七段數(shù)碼顯示管組成。直流電機(jī)PWM控制實(shí)現(xiàn)部分：主要由一些二極管、電機(jī)和L298直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊組成。 系統(tǒng)組成：直流電機(jī)PWM調(diào)速方案如圖1

7、.1所示： 方案說(shuō)明：直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)以AT89C2051單片機(jī)為控制核心，由命令輸入模塊、LCD顯示模塊及電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊組成。采用帶中斷的獨(dú)立式鍵盤(pán)作為命令的輸入，單片機(jī)在程序控制下，定時(shí)不斷給直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片發(fā)送PWM波形，H型驅(qū)動(dòng)電路完成電機(jī)正，反轉(zhuǎn)控制；同時(shí)單片機(jī)不停的將從鍵盤(pán)讀取的數(shù)據(jù)送到LCD顯示模塊去顯示，從中不僅能讀取其速度，而且能知曉其轉(zhuǎn)向及一些溫心提示。AT89C51直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊直流電機(jī)AT89C51直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊直流電機(jī)AT89C51直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊直流電機(jī)加速控制端減速控制端停止控制端LCD液晶顯示P0口P2口P1口單片機(jī)圖 1.1 直流電機(jī)PWM調(diào)速方案第2

8、章 直流電動(dòng)機(jī)的硬件設(shè)計(jì)2.1 直流電機(jī)工作原理直流電機(jī)電路模型如圖2.1所示，磁極N、S間裝著一個(gè)可以轉(zhuǎn)動(dòng)的鐵磁圓柱體，圓柱體的表面上固定著一個(gè)線圈abcd。當(dāng)線圈中流過(guò)電流時(shí)，線圈受到電磁力作用，從而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。根據(jù)左手定則可知，當(dāng)流過(guò)線圈中電流改變方向時(shí)，線圈的受方向也將改變，因此通過(guò)改變線圈電路的方向?qū)崿F(xiàn)改變電機(jī)的方向。 圖2.1 直流電動(dòng)機(jī)電路模型2.2 直流電機(jī)PWM調(diào)速原理（1）直流電機(jī)轉(zhuǎn)速直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型可用圖2.2表示，由圖可見(jiàn)電機(jī)的電樞電動(dòng)勢(shì)Ea的正方向與電樞電流Ia的方向相反，Ea為反電動(dòng)勢(shì)；電磁轉(zhuǎn)矩T的正方向與轉(zhuǎn)速n的方向相同，是拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩；軸上的機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩T2及空載轉(zhuǎn)

9、矩T0均與n相反，是制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。圖2.2 直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型根據(jù)基爾霍夫第二定律，得到電樞電壓電動(dòng)勢(shì)平衡方程式1.1：U=Ea-Ia（Ra+Rc）式1.1式1.1中，Ra為電樞回路電阻，電樞回路串聯(lián)保繞阻與電刷接觸電阻的總和；Rc是外接在電樞回路中的調(diào)節(jié)電阻。由此可得到直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為： n =Ua-IR/Ce 式1.2式1.2中，Ce為電動(dòng)勢(shì)常數(shù)，是磁通量。由1.1式和1.2式得n =Ea/Ce 式1.3 由式1.3中可以看出，對(duì)于一個(gè)已經(jīng)制造好的電機(jī)，當(dāng)勵(lì)磁電壓和負(fù)載轉(zhuǎn)矩恒定時(shí)，它的轉(zhuǎn)速由回在電樞兩端的電壓Ea決定，電樞電壓越高，電機(jī)轉(zhuǎn)速就越快，電樞電壓降低到0V時(shí)，電機(jī)就停止轉(zhuǎn)動(dòng)；改變

10、電樞電壓的極性，電機(jī)就反轉(zhuǎn)。（2）PWM電機(jī)調(diào)速原理對(duì)于直流電機(jī)來(lái)說(shuō)，如果加在電樞兩端的電壓脈動(dòng)電流壓（要求脈動(dòng)電壓的周期遠(yuǎn)小于電機(jī)的慣性常數(shù)），可以看出，在T不變的情況下，改變T1和T2寬度，得到的電壓將發(fā)生變化。圖2.3為施加不同占空比時(shí)實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)繪制所得占空比與轉(zhuǎn)速的關(guān)系圖。圖2.3 占空比與電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系由圖看出轉(zhuǎn)速與占空比D并不是完全速的線性關(guān)系（圖中實(shí)線），原因是電樞本身有電阻，不過(guò)一般直流電機(jī)的內(nèi)阻較小，可以近視為線性關(guān)系。由此可見(jiàn)，改變施加在電樞兩端電壓就能改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速成，這就是直流電機(jī)PWM調(diào)速原理。2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的電路設(shè)計(jì)根據(jù)直流電機(jī)的工作原理，從PROTEUS選取

11、元器件如下，放置元器件、放置電源和地連線，我們參此設(shè)計(jì)的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路如圖2.4所示 2SK1058 : CMOSS管 74L26 : 三太門(mén) 1N4006 : 二極管 VSCOURCE : 電源 MOTOR-ENCODER : 直流電機(jī) RES : 電阻 AT89C51 : 單片機(jī) (在此并未顯示)圖2.4 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路然而考慮市場(chǎng)的行情，既然已有專門(mén)地為電機(jī)驅(qū)動(dòng)而設(shè)計(jì)的芯片，就沒(méi)必要再?gòu)男聛?lái)設(shè)計(jì)；選用L298芯片來(lái)構(gòu)成的電路結(jié)構(gòu)基本上跟上圖一樣，由L298芯片組裝的驅(qū)動(dòng)模塊所用元器件如下所示： 1N4006 : 二極管 AT89C51 : 單片機(jī) (在此并未顯示) RES : 電

12、阻 MOTOR-ENCODER : 直流電機(jī) L298 : 電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片 RESPACK-8: 排阻第3章 直流電機(jī)PWM控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)功能說(shuō)明直流電機(jī)PWM調(diào)制控制系統(tǒng)具有加速、減速、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止控制功能。操作開(kāi)關(guān)通過(guò)中斷控制直流電機(jī)的加速、減速、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止控制功能，并通過(guò)LCD液晶顯示。振蕩、時(shí)鐘電路和復(fù)位電路由80C51單片機(jī)內(nèi)部給出。直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度由LCD液晶顯示。操作開(kāi)關(guān)狀態(tài)由液晶顯示器顯示。3.2系統(tǒng)程序電路圖圖3.1 直流電機(jī)3.3直流電機(jī)控制程序ORG 0000HSJMP DISPLAYORG 0003H LJMP BUTTON ; 外部0中斷入口地址ORG

13、 000BHLJMP DINGSHI ; 定時(shí)中斷T0入口地址RS EQU P3.0RW EQU P3.1E EQU P3.4ORG 0030H ; 此次直流電機(jī)的設(shè)計(jì)以LCD字符夜晶的 ; 顯示程序?yàn)橹鞒绦駾ISPLAY: SETB EA ; 打開(kāi)中斷總開(kāi)關(guān)SETB EX0 ; 打開(kāi)外部中斷0開(kāi)關(guān)SETB IT0 ; 打開(kāi)外部中斷0下降沿觸發(fā)MOV TMOD,#01H ; 設(shè)置定時(shí)工作方式MOV TL0,#0FFH ; 設(shè)置定時(shí)初值MOV TH0,#0FFHSETB ET0 ; 打開(kāi)定時(shí)中斷T0開(kāi)關(guān) CLR P0.5 CLR P0.6CLR P0.7SETB TR0 ; 定時(shí)器T0開(kāi)始定時(shí)M

14、OV DPTR,#TAB ; 夜晶顯示的字符首地址 MOV R0,#00H ; 脈寬的初值MOV R1,#16 ; SET SPEED PLEASE的字符個(gè)數(shù)MOV R3,#00HMOV R4,#00HLP9: LCALL CHUSHILP2:ACALL BUSYMOV A,#00HMOVC A,A+DPTRMOV P1,AACALL DATASINC DPTR DJNZ R1,LP2 LP3: CJNE R3,#00H,LP4CJNE R4,#00H,LP4SJMP LP3 LP4: MOV R7,#00H ; 中斷的標(biāo)志 MOV R5,#09H ; CURRENT : 的字符個(gè)數(shù)ACALL

15、 BUSYMOV P1,#0C0HACALL ENABLEMOV DPTR,#MMTABACALL BUSYLP5: MOV A,#00HMOVC A,A+DPTRMOV P1,AINC DPTRACALL DATASACALL BUSYDJNZ R5,LP5 MOV DPTR,#STABMOV A,R2MOV P1,AACALL DATASACALL BUSYMOV A,R3 ; 顯示速度的十位MOVC A,A+DPTRMOV P1,AACALL DATASACALL BUSYMOV A,R4 ; 顯示速度的個(gè)位MOVC A,A+DPTRMOV P1,A ACALL DATAS ; 使夜晶始

16、終顯示當(dāng)前電機(jī)的速度LP8: CJNE R7,#00H,LP7 ; 速度不變時(shí)等待LJMP LP8 ; 速度變時(shí)重新讀入速度LP7:SJMP LP4CHUSHI: ; 使夜晶顯示的一些初始設(shè)置ACALL BUSY MOV P1,#B ; 清屏并光標(biāo)復(fù)位ACALL ENABLE ACALL BUSY MOV P1,#B ; 設(shè)置顯示模式:8位2行5x7點(diǎn)陣ACALL ENABLEACALL BUSY MOV P1,#B ; 顯示器開(kāi)、光標(biāo)開(kāi)、光標(biāo)允許閃爍ACALL ENABLEACALL BUSYMOV P1,#B ; 文字不動(dòng)，光標(biāo)自動(dòng)右移ACALL ENABLEACALL BUSYMOV P

17、1,#80H ; 寫(xiě)入顯示起始地址ACALL ENABLE RETENABLE: ; 寫(xiě)入控制命令的子程序SETB ECLR RSCLR RWCLR ERETDATAS: ; 寫(xiě)入數(shù)據(jù)子程序SETB ESETB RSCLR RWCLR ERETBUSY: ; 準(zhǔn)備寫(xiě)入數(shù)據(jù)CLR EMOV P1,#0FFHCLR RSSETB RWSETB EJB P1.7,BUSYRETORG 2000HDINGSHI: ; 定時(shí)中斷服務(wù)程序CPL P0.7 JNB P0.7,Z1 ; 周期一定MOV A,#0FFHSUBB A,R0 MOV TH0,ASETB TR0RETIZ1: MOV TH0,R0 ;

18、 脈寬SETB TR0RETI BUTTON: ; 從控制鍵盤(pán)中讀取操作命令PUSH ACC CLR EX0CLR EAINC R7 ;MOV A,#0FFHMOV P2,AMOV A,P2JNB ACC.0,AA0 JNB ACC.1,KK0JNB ACC.2,ZZJNB ACC.3,FFJNB ACC.4,WW0AJMP QQAA0: CJNE R0,#0FFH, AA1 ; 加速操作AJMP QQ AA1: MOV A,R0ADD A,#5MOV R0,AAJMP QQKK0: CJNE R0,#00,MM ; 減速操作AJMP QQ MM: MOV A,R0SUBB A,#5MOV R

19、0,AAJMP QQQQ: MOV A,R0 MOV B,#5 DIV ABMOV B,#10DIV ABMOV R3,AMOV R4,BSETB EX0LCALL DELAYLCALL DELAYLCALL DELAYLCALL DELAYSETB EAPOP ACCRETIWW0: CLR P0.5 ; 停止操作CLR P0.6LCALL DELAYLCALL DELAYLCALL DELAYSETB EX0SETB EA POP ACCRETIDELAY: ; 延時(shí)子程序MOV R5,#0E0HMM0: MOV R6,#30H MM1: DJNZ R6,MM1DJNZ R5,MM0RET

20、TAB: DB 53H,45H,54H,20H DB 53H,50H,45H,45H ; SET SPEED PLEASE 代碼DB 44H,20H,50H,4CHDB 45H,41H,53H,45H STAB: DB 30H,31H,32H,33HDB 34H,35H,36H,37H ; 0,1,2,3,4,5,6,7 代碼DB 38H,39H,41H,42H ; 8,9,A,B,C,D,E,FDB 43H,44H,45H,46HMMTAB: DB 43H,4FH,52H,52HDB 45H,4EH,54H,20H ; CURRENT : 代碼DB 3AHEND第4章 課程設(shè)計(jì)總結(jié)通過(guò)這次課程