單片機控制直流電動機設(shè)計

單片機控制直流電動機設(shè)計課程單片機課程設(shè)計題目單片機控制直流電動機專業(yè)自動化姓名學(xué)號主要內(nèi)容：采用單片機設(shè)計一個控制直流電機并測量轉(zhuǎn)速的裝置。單片機擴展有A/D轉(zhuǎn)換芯片ADC0809和D/A轉(zhuǎn)換芯片DAC0832?；疽螅海?）通過改變A/D輸入端可變電阻來改變A/D的輸入電壓，D/A輸入檢測量大小，進而改變直流電機的轉(zhuǎn)速。手動控制。在鍵盤上設(shè)置兩個按鍵—直流電動機加速鍵和直流電機減速鍵。在手動狀態(tài)下，每按一次鍵，電機的轉(zhuǎn)速按照約定的速率改變。鍵盤列掃描（4

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6）。主要參考資料：目錄13984第1章概述 第1章概述1.1設(shè)計目的1、通過單片機課程設(shè)計，熟練掌握C語言的編程方法，將理論聯(lián)系到實踐中，提高我們的動腦和動手的能力。2、通過對單片機控制直流電動機控制系統(tǒng)的設(shè)計，掌握A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換的有關(guān)原理，加深對PWM波的理解和使用，同時對單片機的使用更加熟練，通過對簡單程序的編寫提高我們的邏輯抽象能力。1.2設(shè)計任務(wù)和要求任務(wù)：采用單片機設(shè)計一個控制直流電動機并測量轉(zhuǎn)速的裝置。要求:1、通過改變A/D輸入端的可變電阻來改變A/D輸入電壓，D/A輸入檢測量大小，進而改變直流電機的轉(zhuǎn)速。2、手動控制。在鍵盤上設(shè)置兩個按鍵——直流電動機加速鍵和直流電機減速鍵。在手動狀態(tài)下，每按一次鍵，電機的轉(zhuǎn)速按照約定的速率改變。3、鍵盤列掃描(4*6)。1.3設(shè)計原理直流電機是通過兩個磁場的互作用產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。其結(jié)構(gòu)如下頁圖所示，固定部分（定子）上，裝設(shè)了一對直流勵磁的靜止的主磁極N和S，在旋轉(zhuǎn)部分（轉(zhuǎn)子）上裝設(shè)電樞鐵心。定子與轉(zhuǎn)子之間有一氣隙。在電樞鐵心上放置了由A和X兩根導(dǎo)體連成的電樞線圈，線圈的首端和末端分別連到兩個圓弧形的銅片上，此銅片稱為換向片。直流電機的速度與施加的電壓成正比，輸出轉(zhuǎn)矩則與電流成正比。由于必須在工作期間改變直流電機的速度，直流電機的控制是一個較困難的問題。直流電機高效運行的最常見方法是施加一個PWM（脈寬調(diào)制）方波，其占空比對應(yīng)于所需速度。電機起到一個低通濾波器作用，將PWM信號轉(zhuǎn)換為有效直流電平。特別是對于微處理器驅(qū)動的直流電機，由于PWM信號相對容易產(chǎn)生，這種驅(qū)動方式使用的更為廣泛。本項目的示例程序為了能夠演示DAC0832的使用，未使用PWM驅(qū)動方式。而是利用直流電機的速度與施加電壓成正比的原理，通過滑動變阻器向ADC0809輸入控制電壓信號，經(jīng)AD后，輸入到AT89C51中，AT89C51將此信號轉(zhuǎn)發(fā)給DAC0832，通過功放電路放大后，驅(qū)動直流電機。需要注意的是，本題目使用的Proteus版本，未提供ADC0809的仿真模型，這里以引腳、功能與之相同的ADC0808代替。同時，DAC0832也可以用引腳、功能相同的DAC0830代替。單片機控制直流電動機設(shè)計全文共19頁，當(dāng)前為第3頁。單片機控制直流電動機設(shè)計全文共19頁，當(dāng)前為第3頁。第2章系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及主要元器件2.1AT89C51單片機AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡版本。AT89C單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。圖圖2-1AT89C51單片機引腳2.2LCD顯示器1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等的點陣型液晶模塊。它由若干個5×7或者5×11等點陣字符位組成，每個點陣字符位都可以顯示一個字符，每位之間有一個點距的間隔，每行之間也有間隔，起到了字符間距和行間距的作用。 單片機控制直流電動機設(shè)計全文共19頁，當(dāng)前為第4頁。圖2-2LCD1602引腳圖單片機控制直流電動機設(shè)計全文共19頁，當(dāng)前為第4頁。第3章硬件設(shè)計根據(jù)總設(shè)計方案可知硬件電路是以單片機為核心輔以適當(dāng)?shù)碾娐芬酝瓿梢蠊δ堋Ｖ饕@示模塊，A/D轉(zhuǎn)換模塊，D/A轉(zhuǎn)換模塊等模塊。3.1按鍵電路3.1.1AT89C51AT89C51是一種帶4K字節(jié)FLASH存儲器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低電壓、高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除1000次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡版本。AT89C51單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。圖3-1按鍵電路的設(shè)計單片機控制直流電動機設(shè)計全文共19頁，當(dāng)前為第5頁。AT89C51提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：4k字節(jié)Flash閃速存儲器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，32個I/O口線，兩個16位定時/計數(shù)器，一個5向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。同時，AT89C51可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時/計數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個硬件復(fù)位。單片機控制直流電動機設(shè)計全文共19頁，當(dāng)前為第5頁。3.1.2按鍵電路如圖2.1所示，單片機的P2.1和P2.2口分別接一個按鍵用于控制電機。當(dāng)按下S1鍵時，電機轉(zhuǎn)速提高，進入加速狀態(tài)；當(dāng)按下S2鍵時，電機轉(zhuǎn)速減慢，進入減速狀態(tài)。通過S1，S2兩個按鍵可以達到鍵盤控制電機的作用。3.2顯示電路3.2.1MAX7219MAX7219/MAX7221是一種集成化的串行輸入/輸出共陰極顯示驅(qū)動器,它連接微處理器與8位數(shù)字的7段數(shù)字LED顯示，也可以連接條線圖顯示器或者64個獨立的LED。其上包括一個片上的B型BCD編碼器、多路掃描回路，段字驅(qū)動器，而且還有一個8*8的靜態(tài)RAM用來存儲每一個數(shù)據(jù)。只有一個外部寄存器用來設(shè)置各個LED的段電流。MAX7221與SPI?、QSPI?以及MICROWIRE?相兼容，同時它有限制回轉(zhuǎn)電流的段驅(qū)動來減少EMI（電磁干擾）。一個方便的四線串行接口可以聯(lián)接所有通用的微處理器。每個數(shù)據(jù)可以尋址在更新時不需要改寫所有的顯示。MAX7219/MAX7221同樣允許用戶對每一個數(shù)據(jù)選擇編碼或者不編碼。整個設(shè)備包含一個150μA的低功耗關(guān)閉模式，模擬和數(shù)字亮度控制，一個掃描限制寄存器允許用戶顯示1-8位數(shù)據(jù)，還有一個讓所有LED發(fā)光的檢測模式。3.2.2工作原理圖3-2顯示電路的設(shè)計單片機控制直流電動機設(shè)計全文共19頁，當(dāng)前為第6頁。如圖2.2所示，可變電阻接ADC0808轉(zhuǎn)變成相應(yīng)電壓的數(shù)字信號，單片機通過P0口讀取，再由P1口輸出與轉(zhuǎn)速相應(yīng)的8位BCD編碼到MAX7219。經(jīng)由MAX7219處理后通過四位數(shù)碼管顯示出來。電動機所處速度級以速度檔級數(shù)顯示。正轉(zhuǎn)時最高位顯示“三”，其它三位為電機轉(zhuǎn)速；反轉(zhuǎn)時最高位顯示“F”，其它三位為電機轉(zhuǎn)速。每次電動機啟動后開始顯示，停止時數(shù)碼管顯示出“0000”。單片機控制直流電動機設(shè)計全文共19頁，當(dāng)前為第6頁。3.3A/D轉(zhuǎn)換模塊3.3.1ADC0808ADC0808是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的CMOS工藝8通道，8位逐次逼近式A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器。其內(nèi)部有一個8通道多路開關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通8路模擬輸入信號中的一個進行A/D轉(zhuǎn)換。是目前國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的8位通用A/D芯片。主要特性1）8路輸入通道，8位A/D轉(zhuǎn)換器，即分辨率為8位。2）具有轉(zhuǎn)換起?？刂贫?。3）轉(zhuǎn)換時間為100μs(時鐘為640kHz時)，130μs（時鐘為500kHz時）4）單個+5V電源供電。5）模擬輸入電壓范圍0～+5V，不需零點和滿刻度校準(zhǔn)。6）工作溫度范圍為-40～+85攝氏度。7）低功耗，約15mW。ADC0809的工作過程首先輸入3位地址，并使ALE=1，將地址存入地址鎖存器中。此地址經(jīng)譯碼選通8路模擬輸入之一到比較器。START上升沿將逐次逼近寄存器復(fù)位。下降沿啟動A/D轉(zhuǎn)換，之后EOC輸出信號變低，指示轉(zhuǎn)換正在進行。直到A/D轉(zhuǎn)換完成，EOC變?yōu)楦唠娖?，指示A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，這個信號可用作中斷申請。當(dāng)OE輸入高電平時，輸出三態(tài)門打開，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的傳送A/D轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)據(jù)應(yīng)及時傳送給單片機進行處理。數(shù)據(jù)傳送的關(guān)鍵問題是如何確認A/D轉(zhuǎn)換的完成，因為只有確認完成后，才能進行傳送。為此可采用下述三種方式。（1）定時傳送方式對于一種A/D轉(zhuǎn)換器來說，轉(zhuǎn)換時間作為一項技術(shù)指標(biāo)是已知的和固定的。例如ADC0809轉(zhuǎn)換時間為128μs，相當(dāng)于6MHz的MCS-51單片機共64個機器周期?？蓳?jù)此設(shè)計一個延時子程序，A/D轉(zhuǎn)換啟動后即調(diào)用此子程序，延遲時間一到，轉(zhuǎn)換肯定已經(jīng)完成了，接著就可進行數(shù)據(jù)傳送。（2）查詢方式A/D轉(zhuǎn)換芯片由表明轉(zhuǎn)換完成的狀態(tài)信號，例如ADC0808的EOC端。因此可以用查詢方式，測試EOC的狀態(tài)，即可確認轉(zhuǎn)換是否完成，并接著進行數(shù)據(jù)傳送。（3）中斷方式把表明轉(zhuǎn)換完成的狀態(tài)信號（EOC）作為中斷請求信號，以中斷方式進行數(shù)據(jù)傳送。單片機控制直流電動機設(shè)計全文共19頁，當(dāng)前為第7頁。不管使用上述哪種方式，只要一旦確定轉(zhuǎn)換完成，即可通過指令進行數(shù)據(jù)傳送。首先送出口地址并以信號有效時，OE信號即有效，把轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)送上數(shù)據(jù)總線，供單片機接受。單片機控制直流電動機設(shè)計全文共19頁，當(dāng)前為第7頁。圖3-3AD轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計3.3.2工作原理如圖2.3所示，外部電源通過滑動變阻器向ADC0808輸入控制電壓信號，經(jīng)A/D處理后，輸入到AT89C51中，交由AT89C51處理，進行下一步動作。3.4D/A轉(zhuǎn)換模塊3.4.1DAC0832DAC0832是8分辨率的D/A轉(zhuǎn)換集成芯片。與微處理器完全兼容。這個DA芯片以其價格低廉、接口簡單、轉(zhuǎn)換控制容易等優(yōu)點，在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。D/A轉(zhuǎn)換器由8位輸入鎖存器、8位DAC寄存器、8位D/A轉(zhuǎn)換電路及轉(zhuǎn)換控制電路構(gòu)成。主要特性參數(shù)1.分辨率為8位；2.電流穩(wěn)定時間1us；3.可單緩沖、雙緩沖或直接數(shù)字輸入；4.只需在滿量程下調(diào)整其線性度；5.單一電源供電（+5V～+15V）；單片機控制直流電動機設(shè)計全文共19頁，當(dāng)前為第8頁。6.低功耗，20mW。單片機控制直流電動機設(shè)計全文共19頁，當(dāng)前為第8頁。DAC0832的工作方式DAC0832進行D/A轉(zhuǎn)換，可以采用兩種方法對數(shù)據(jù)進行鎖存。第一種方法是使輸入寄存器工作在鎖存狀態(tài)，而DAC寄存器工作在直通狀態(tài)。具體地說，就是使和都為低電平，DAC寄存器的鎖存選通端得不到有效電平而直通；此外，使輸入寄存器的控制信號ILE處于高電平、處于低電平，這樣，當(dāng)端來一個負脈沖時，就可以完成1次轉(zhuǎn)換。第二種方法是使輸入寄存器工作在直通狀態(tài)，而DAC寄存器工作在鎖存狀態(tài)。就是使和為低電平，LE為高電平，這樣，輸入寄存器的鎖存選通信號處于無效狀態(tài)而直通；當(dāng)和端輸入1個負脈沖時，使得DAC寄存器工作在鎖存狀態(tài)，提供鎖存數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換。圖3-4DA轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計3.4.2工作原理單片機控制直流電動機設(shè)計全文共19頁，當(dāng)前為第9頁。如上圖2.4所示，電壓信號輸入后經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換輸入到AT89C51，由單片機通過P1口輸出與轉(zhuǎn)速相應(yīng)的8位BCD編碼，該編碼通過DAC0832譯成相應(yīng)的模擬電壓，經(jīng)過信號放大實現(xiàn)電動機轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速的控制。單片機控制直流電動機設(shè)計全文共19頁，當(dāng)前為第9頁。第4章軟件設(shè)計4.1程序框圖系統(tǒng)初始化系統(tǒng)初始化按鍵是否按下按鍵是否按下讀取鍵值讀取鍵值Y減速加速減速加速電機減速電機加速電機減速電機加速調(diào)用顯示子程序調(diào)用顯示子程序?qū)⒛M電壓轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號將模擬電壓轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號顯示速度顯示速度返回返回圖4-1程序流程圖4.2程序源代碼#include<reg51.h>#defineucharunsignedcharucharTABLE[10]={0XC0,0XF9,0XA4,0XB0,0X99,0X92,0X82,0XF8,0X80,0X90};unsignedintfrq1,c;voiddelay(unsignedintk)單片機控制直流電動機設(shè)計全文共19頁，當(dāng)前為第10頁。{單片機控制直流電動機設(shè)計全文共19頁，當(dāng)前為第10頁。 unsignedinti,j; for(i=0;i<k;i++) { for(j=0;j<121;j++) ; }}voiddisplay(){ ucharqian,bai,shi,ge; qian=0; bai=0; shi=0; ge=0; c=frq1; qian=c/1000; bai=c/100%10; shi=c/10%10; ge=c%10; P1=0x01; P2=TABLE[qian]; delay(5); P1=0x02; P2=TABLE[bai]; delay(5); P1=0x04; P2=TABLE[shi]; delay(5); P1=0x08; P2=TABLE[ge]; delay(5);}voidchang(void)interrupt0using0{單片機控制直流電動機設(shè)計全文共19頁，當(dāng)前為第11頁。 if(INT0==0)單片機控制直流電動機設(shè)計全文共19頁，當(dāng)前為第11頁。 while(!INT0) frq1++;}voidmain(){ unsignedinti=0; while(1) { TMOD=0x01; TH0=55536/256; TL0=55536%256; TR0=1; EA=1; EX0=1; while(TF0==1) { i++; if(i==10) { display(); frq1=0; TF0=0; } } ; }}調(diào)速程序#include"reg51.h"#include"intrins.h"#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintsbitP20=P2^0;sbitP21=P2^1;ucharflag=0;/***高低電平標(biāo)志***/單片機控制直流電動機設(shè)計全文共19頁，當(dāng)前為第12頁。bitdirection=0;/***方向標(biāo)志***/單片機控制直流電動機設(shè)計全文共19頁，當(dāng)前為第12頁。staticucharconstant=1;//可以改變占空比voidtime0(void)interrupt1using1{ staticuchari; i++; /**頻率為固定的1kHZ左右，只是占空比發(fā)生變化**/ if(i<=constant) flag=1; if(i<=10&&i>constant) flag=2; if(i==10) i=0; TH0=0X9C; TL0=0X9C;}/****改變轉(zhuǎn)向標(biāo)志*****/voidint1_srv(void)interrupt2using2{ if(INT1==0) { while(!INT0); constant--; if(constant==10) constant=0; }}/*******中斷，調(diào)節(jié)占空比********/voidchange(void)interrupt0using0{ if(INT0==0) {單片機控制直流電動機設(shè)計全文共19頁，當(dāng)前為第13頁。 while(!INT0);單片機控制直流電動機設(shè)計全文共19頁，當(dāng)前為第13頁。 constant++; if(constant==10) constant=0; }}/*************************/voidmain(){ EA=1; TMOD=0x02; ET0=1; TR0=1; EX0=1; IT0=1; EX1=1; IT1=1; TH0=0X9C; TL0=0X9C; while(1) { P21=0; if(flag==1) { flag=0; P20=1; } if(flag==2) { flag=0; P20=0; }單片機控制直流電動機設(shè)計全文共19頁，當(dāng)前為第14頁。 }單片機控制直流電動機設(shè)計全文共19頁，當(dāng)前為第14頁。第5章系統(tǒng)仿真及調(diào)試5.1仿真步驟加載目標(biāo)代碼文件打開元器件單片機屬性窗口，在“ProgramFile”欄中添加上面編譯好的目標(biāo)代碼文件“keil-12.hex”；在“ClockFrequency”欄中輸入晶振頻率為12MHz。ADC0809的時鐘信號設(shè)置為640kHz。啟動仿真如下頁圖所示，各按鍵功能如圖中所注，LED中顯示的為當(dāng)前電壓的數(shù)字信號值，即當(dāng)前轉(zhuǎn)速的檔位（0-256），通過調(diào)整從滑動變阻器輸出的電壓值，可以觀察到直流電機不同的轉(zhuǎn)速。通過按鍵加減速，改變電機轉(zhuǎn)速，數(shù)碼管顯示的數(shù)字也相應(yīng)改變。結(jié)果如圖4.1所示：圖5-1仿真結(jié)果單片機控制直流電動機設(shè)計全文共19頁，當(dāng)前為第15頁。按下加速鍵后，電機轉(zhuǎn)速加快，數(shù)碼管顯示的數(shù)值增大。結(jié)果如圖4.2所示：單片機控制直流電動機設(shè)計全文共19頁，當(dāng)前為第15頁。圖5-2仿真結(jié)果5.2仿真結(jié)果分析通過鍵盤向單片機輸入相應(yīng)控制指令，數(shù)碼管顯示出不同的數(shù)值。當(dāng)按下加速鍵時，數(shù)碼管顯示數(shù)值增大，說明電機轉(zhuǎn)速增快；當(dāng)按下減速鍵時，數(shù)碼管顯示數(shù)值減小，說明電機轉(zhuǎn)速減慢。鍵盤通過單片機實現(xiàn)了控制電機轉(zhuǎn)速的功能。當(dāng)改變可變電阻阻值時，電機兩端改變，數(shù)碼管顯示的數(shù)值也改變。說明電阻改變可改變電機兩端的電壓，從而達到控制直流電機的目的，且當(dāng)電壓越大時，數(shù)碼管顯示數(shù)值越大，電機轉(zhuǎn)速越快；電壓越小