基于單片機的直流電機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計

年4月19日基于單片機的直流電機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計文檔僅供參考圖書分類號：密級：畢業(yè)設(shè)計(論文)基于單片機的直流電機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計Dcmotorspeedcontrolsystemdesignbasedonsinglechipmicrocomputer學(xué)生姓名李亞妮學(xué)院名稱信電工程學(xué)院專業(yè)名稱電子信息科學(xué)與技術(shù)指導(dǎo)教師田大偉5月25日摘要本課題是對直流電機PWM調(diào)速器設(shè)計的研究，主要實現(xiàn)對電動機的控制。因此在設(shè)計中，對直流調(diào)速的原理，直流調(diào)速控制方式以及調(diào)速特性，PWM基本原理及實現(xiàn)方式進行了全面的闡述。為實現(xiàn)系統(tǒng)的微機控制，在設(shè)計中，采用了AT89S52單片機作為整個控制系統(tǒng)的控制電路的核心部分，配以各種顯示，驅(qū)動模塊，實現(xiàn)對電動機的轉(zhuǎn)速的顯示和測量；由命令輸入模塊，光電隔離模塊及H型驅(qū)動模塊組成。采用帶中斷的獨立式鍵盤作為命令的輸入，單片機在程序的控制下，不斷給H型驅(qū)動電路發(fā)送PWM波形，使完成電機的正反轉(zhuǎn)控制。在設(shè)計中，采用PWM調(diào)速方式，經(jīng)過改變PWM的占空比從而改變電動機的電樞電壓，進而實現(xiàn)對電動機的調(diào)速。設(shè)計的整個控制系統(tǒng)，在硬件結(jié)構(gòu)上采用了大量的集成電路模塊，大大的簡化了硬件電路，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，使整個系統(tǒng)的性能得到提高。關(guān)鍵詞AT89S52單片機；PWM基本原理；H型驅(qū)動電路AbstractThistopicisontheresearchofthedcmotorPWMspeedcontrollerdesign,themainimplementationofthecontrolofthemotorsointhedesign,principleofdcspeedcontrol,dcspeedcontrolandspeedcontrolcharacteristic,thebasicprincipleofPWMandimplementationapproacharecomprehensivelydescribed.Fortherealizationofthesystemofmicrocomputercontrol,inthedesign,adoptedAT89S52singlechipmicrocomputerasthecorepartofthewholecontrolcircuitofthecontrolsystem,matchwithallkindsofdisplay,drivermodule,realizedisplayandmeasurementoftherotationalspeedofthemotor;Bythecommandinputmodule,photoelectricisolationmoduleandHdrivermodule.Adoptindependenttypekeyboardwithinterruptionascommandinput,monolithicintegratedcircuitunderthecontroloftheprogram,constantlysendHdrivecircuitPWMwaveform,thecompletemotorandreversingcontrolinthedesign,usingPWMspeedcontrolmode,bychangingthePWMdutycycletochangethearmaturevoltageofthemotor,andthenrealizetothespeedofthemotor.Onthedesignofthewholecontrolsystem,thehardwarestructurebyalargenumberofintegratedcircuitmodule,greatlysimplifythehardwarecircuit,improvethestabilityandreliabilityofthesystem,improvetheperformanceofthewholesystemKeywordsAT89S52singlechipmicrocomputerPulseWidthModulationBasicprincipleHdrivecircuit目錄19321緒論 6309181.1單片機簡介 624381.2選題的目的和意義 8184111.3研究背景與方法 884472硬件系統(tǒng)設(shè)計 9262152.1技術(shù)基礎(chǔ) 9153532.1.1直流電機的結(jié)構(gòu) 9171082.1.2直流電機的工作原理 10278332.1.3直流電機的主要的技術(shù)參數(shù) 10297242.1.4直流電機的調(diào)速的技術(shù)指標 10198272.2系統(tǒng)總體方案設(shè)計 11140452.3硬件系統(tǒng)設(shè)計 1237132.3.1控制電路的設(shè)計 12121262.3.2PWM驅(qū)動模塊電路的設(shè)計 12274182.3.3光電開關(guān)測速部分電路的設(shè)計 13235182.3.4電機控制正反轉(zhuǎn)電路設(shè)計 14247962.3.5數(shù)碼管顯示設(shè)計 15170092.3.6整個電路原理圖 16324703軟件系統(tǒng)設(shè)計 1791823.1主程序設(shè)計 17143113.2按鍵控制程序設(shè)計 19179453.3PWM軟件程序設(shè)計 193983.4數(shù)碼管顯示程序設(shè)計 2036494系統(tǒng)功能調(diào)試 2159914.1調(diào)試軟件介紹 21268564.2軟件設(shè)計與功能 2232121結(jié)論 2429876致謝 2516300參考文獻 267802附錄 273551附錄1硬件實物圖 278656附錄2元件清單 281338附錄3源程序代碼 291緒論1.1單片機簡介單片機是單片微型計算機的簡稱，是指在一塊半導(dǎo)體芯片中集成有中央處理器、存儲器、基本I/O接口以及定時/計數(shù)器等必要部件的完整的微型計算機。單片機技術(shù)作為計算機技術(shù)的一個分支，廣泛地應(yīng)用于工業(yè)控制、智能儀器儀表、機電一體化、家用電器、智能玩具等各個領(lǐng)域，極大地提高了相關(guān)產(chǎn)品的智能化程度和技術(shù)水平，已經(jīng)成為當今社會十分重要的技術(shù)。單片機具有體積小、集成度高、可靠性強、功能全、性價比、重量輕、運算速度快等諸多優(yōu)點，利用單片機能夠較方便地構(gòu)成控制系統(tǒng)。如果說C語言程序設(shè)計課程設(shè)計的基礎(chǔ)課，那么單片機以其系統(tǒng)硬件構(gòu)架完整、價格低廉、學(xué)生能動手等特點，成為工科學(xué)生硬件設(shè)計基礎(chǔ)課。本課題中采用芯片AT89S52，其是一款低功耗空閑、低電壓、掉電模式、高性能CMOS的8位單片機，片內(nèi)含8KB（可經(jīng)受1000次擦寫周期）的FLASH可編程可重復(fù)擦寫的只讀程序存儲器（EPROM），器件采用CMOS工藝和ATMEL公司的高密度，與MCS-51系列單片機兼容，可方便的應(yīng)用在各個控制領(lǐng)域。AT89S52管腳圖見圖1-1。

圖1-1AT89S52管腳圖P0.7P0.0：8根I/O線，每根線能夠單獨做輸入或者輸出。單片機內(nèi)部有Flash內(nèi)存，P0口能夠作為通用I/O口，此時控制端為低電平，轉(zhuǎn)換開關(guān)MUX把輸出級與鎖存器的Q端接通。在I/O模式下作為輸出口使用時，P0口外接上拉電阻，否則P0口無法輸出高電平。在I/O模式下作為輸入口使用時，在輸入操作前向端口寫“1”。輸出級兩個場效應(yīng)管均截止，能夠作為高阻抗輸入，經(jīng)過三態(tài)輸入緩沖器讀取引腳信號，從而完成輸入操作。P0口可作為低8位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用總線使用。P1.7P1.0：P1口是一個內(nèi)部有上拉電阻的準雙向口，作通用I/O口使用。P1口作為輸出口使用時，已能向外提供推拉電流負載，無需再外接上拉電阻。P1口作為輸出口使用時，和P0口一樣，須將“1”寫入鎖存器，場效應(yīng)管T2截止。P2.7P2.0：P2口作為通用I/O口使用時，是一個準雙向口。P2口作為高8位地址總線口使用時，用于輸出高8位地址A15~A8，和P0口引腳的第二功能相配合，但不能像P0口傳送存儲器的讀寫數(shù)據(jù)。P3.7P3.0：作為第一功能使用時功能同P1口，第二功能是系統(tǒng)具有控制功能的控制線。VCC為+5V電源線，GND為接地線。ALE/地址鎖存允許/編程脈沖：在訪問片外存儲器時，這個輸出信號用于鎖存低字節(jié)地址。在對Flash內(nèi)存編程時，這條引腳用于輸入編程脈沖PROG。一般情況下，ALE是振蕩器頻率的6分頻信號，可用于外部定時或時鐘。但在每次存取外部數(shù)據(jù)存儲器的過程中，會跳過一個ALE脈沖。在單片機處于外部執(zhí)行方式時，對ALE屏蔽位置“1”并不起作用。/VPP：外部程序存儲器訪問允許端/編程電源線，能夠控制8051使用片內(nèi)ROM還是片外ROM。如果=1，那么允許使用片內(nèi)ROM；如果=0，那么允許使用片外ROM。XTAL1和XTAL2：接外部晶體的兩個引腳，XTAL1是構(gòu)成片內(nèi)振蕩器的反相放大器的輸入端，XTAL2是構(gòu)成片內(nèi)振蕩器的反相放大器的輸出端。若采用片內(nèi)的振蕩電路，在XTAL1和XTAL2間連接一個石英晶體或陶瓷諧振器，若連前者，C1、C2的取值范圍為22~33pF；若連后者，C1、C2的取值范圍為40~47pF。1.2選題的目的和意義直流電動機的起動、制動性能好，適合平滑調(diào)速于大范圍內(nèi)，廣泛應(yīng)用于許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動領(lǐng)域中。從控制的這一層面來看，交流拖動系統(tǒng)以直流調(diào)速為基礎(chǔ)。早期，模擬電路是直流電動機的控制的基礎(chǔ)，由運放、不是線性的集成電路和少量的數(shù)電構(gòu)成，控制系統(tǒng)的系統(tǒng)部分非常不靈敏、調(diào)試很難，而且硬件部分非常不簡單，功能較單一，在推廣直流電機控制技術(shù)的運用范圍及其發(fā)展的方面受到了阻礙。因為單片機芯片技術(shù)日新月異，采用軟件技術(shù)能夠來完成許多控制及算法功能，使直流電機的控制靈活性得到了更大的提高，并使系統(tǒng)性能更好。采用單片機構(gòu)成控制系統(tǒng)，可節(jié)約人力資源，降低系統(tǒng)成本，提高工作效率。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)采用模擬元件，雖在一定程度上滿足了生產(chǎn)要求，可是因為元件容易老化和在使用中易受外界干擾影響，而且線路復(fù)雜、通用性差，控制效果受到器件性能、溫度等因素的影響，故系統(tǒng)的運行可靠性及準確性得不到保證，甚至出現(xiàn)事故。當前，直流電動機調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)由數(shù)字化向?qū)嵱没D(zhuǎn)變，隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，促使直流電機調(diào)速逐步由模擬化轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字化，特別是因為單片機技術(shù)的普及，使直流電機調(diào)速技術(shù)又上升到一個新的階段，其發(fā)展更趨于智能化、高可靠性。1.3研究背景與方法現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，電動機是主要的驅(qū)動設(shè)備，當前在直流電動機拖動系統(tǒng)中取代了笨重的發(fā)電動一電動機的F—D系統(tǒng)，而大量采用晶閘管(即可控硅)裝置向電動機供電的KZ—D拖動系統(tǒng)。與交流電機相比，直流電機調(diào)速基本原理是比較簡單的，經(jīng)過改變電機的電壓就能夠改變轉(zhuǎn)速了。改變電壓的方法很多，本設(shè)計中使用最常見的一種，即PWM脈寬調(diào)制，調(diào)節(jié)電機的輸入占空比就能夠控制電機的平均電壓，控制轉(zhuǎn)速。本文主要研究了利用MCS-51系列單片機，經(jīng)過PWM方式控制直流電機調(diào)速的方法。PWM控制技術(shù)因為控制簡單、靈活和動態(tài)響應(yīng)好的優(yōu)點，因此成為電力電子技術(shù)最廣泛應(yīng)用的控制方式，成為人們研究的熱點。設(shè)計的功能主要包括：直流電機的正轉(zhuǎn)；直流電機的反轉(zhuǎn)；直流電機的加速；直流電機的減速；直流電機的轉(zhuǎn)速在數(shù)碼管上顯示；直流電機的啟動；直流電機的停止；2硬件系統(tǒng)設(shè)計2.1技術(shù)基礎(chǔ)2.1.1直流電機的結(jié)構(gòu)直流電機的結(jié)構(gòu)組成分定子和轉(zhuǎn)子兩大部分。定子指直流電機運行時不運動靜態(tài)的部分。轉(zhuǎn)子指直流電機運轉(zhuǎn)的部分。直流電機的結(jié)構(gòu)見圖2-1。圖2-1直流電機結(jié)構(gòu)圖2.1.2直流電機的工作原理磁極N,S間裝著一個能夠轉(zhuǎn)動的鐵磁圓柱體，圓柱體的表面固定著線圈abcd。當線圈流過電流的時候，線圈受到電磁力的作用，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。根據(jù)左手定則可知，當流過線圈中電流改變方向時，線圈的受力方向也將改變，因此經(jīng)過改變線圈電流的方向?qū)崿F(xiàn)改變電機的方向。直流電動機電路模型見圖2-2。2.1.3直流電機的主要的技術(shù)參數(shù)額定功率Pn：在額定電流和電壓下，電機的負載能力。額定電壓Ue：長期運行的最高電壓。額定電流Ie：長期運行的最大電流。額定轉(zhuǎn)速n：單位時間里面電機轉(zhuǎn)速的快慢。勵磁電流If：施加到電極線圈上的電流。圖2-2直流電動機電路模型2.1.4直流電機的調(diào)速的技術(shù)指標1）調(diào)速范圍：指最低可控轉(zhuǎn)速到最高可控轉(zhuǎn)速的范圍，最低可控轉(zhuǎn)速對最高可控轉(zhuǎn)速的比值，叫電機的調(diào)速比。本課題的調(diào)速范圍為0~120轉(zhuǎn)/秒。2）相對穩(wěn)定性：指負載轉(zhuǎn)矩在給定的范圍里面變化所引起的速度的變化，它決定于機械特性的斜率。3）靜差度（又稱靜差率）是指當電動機在一條機械特性上運行時，由理想空載到滿載時的轉(zhuǎn)速降落與理想空載轉(zhuǎn)速n0的比值。靜差度的公式見式（2.1）。式（2.1）在一般的情況下，取額定轉(zhuǎn)矩下的速度落差，靜差度的公式見式（2.2）。式（2.2）式中——表示靜差度；4）調(diào)速的平滑性：是在一定的調(diào)速范圍內(nèi)，相鄰兩極速度變化的程度，平滑系數(shù)的公式見式（2.3）。式（2.3）式中和相鄰兩極，即i級與i-1級的速度5）調(diào)速時的容許輸出：是指電動機在得到充分利用的情況下，在調(diào)速的過程中軸能夠輸出的功率和轉(zhuǎn)矩。2.2系統(tǒng)總體方案設(shè)計單片機直流電機調(diào)速簡介：單片機直流調(diào)速系統(tǒng)可實現(xiàn)對直流電動機的平滑調(diào)速。系統(tǒng)控制方案的分析：本直流電機調(diào)速系統(tǒng)以單片機系統(tǒng)為依托，根據(jù)PWM調(diào)速的基本原理，以直流電機電樞上電壓的占空比來改變平均電壓的大小，從而控制電動機的轉(zhuǎn)速為依據(jù)，實現(xiàn)對直流電動機的平滑調(diào)速，并經(jīng)過單片機控制速度的變化。本文所研究的直流電機調(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，是整個系統(tǒng)執(zhí)行的基礎(chǔ)，它主要為軟件提供程序運行的平臺。而軟件部分，是對硬件端口所體現(xiàn)的信號，加以采集、分析、處理，最終實現(xiàn)控制器所要實現(xiàn)的各項功能，達到控制器自動對電機速度的有效控制。鍵盤向單片機輸入相應(yīng)控制指令，如單片機經(jīng)過P1.3輸出與轉(zhuǎn)速相應(yīng)的PWM脈沖，P1.4輸出低電平，經(jīng)過信號放大、光電開關(guān)、驅(qū)動H型橋式電動機控制電路，進而控制電動機轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速。反之亦然。數(shù)碼管顯示電動機的運轉(zhuǎn)狀態(tài)。正轉(zhuǎn)時最高位顯示“C”，其它三位為電機轉(zhuǎn)速；反轉(zhuǎn)時最高位顯示“A”，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“C000”?？傮w設(shè)計方案的硬件部分詳細框圖見圖2-3。單片機（速度的測量計算、輸入單片機（速度的測量計算、輸入設(shè)定及系統(tǒng)控制）單片機（PWM模擬發(fā)生器）電機速度采集電路電機驅(qū)動電路鍵盤顯示器圖2-3硬件部分詳細框圖2.3硬件系統(tǒng)設(shè)計2.3.1控制電路的設(shè)計控制電路主要由單片機來控制，編寫一段程序使單片機發(fā)出的PWM脈沖來實現(xiàn)對驅(qū)動的控制。新一代的單片機增加了很多的功能，其中包括PWM功能。單片機經(jīng)過初始化設(shè)置，使其能自動的發(fā)出PWM脈沖波，只有在改變占空比的時候CPU才干預(yù)。當有按鍵按下時，電機轉(zhuǎn)動。2.3.2PWM驅(qū)動模塊電路的設(shè)計電動機PWM驅(qū)動模塊的電路設(shè)計與實現(xiàn)具體電路見下圖。本電路采用的是基于PWM原理的H型橋式驅(qū)動電路。電路圖見圖2-4。圖2-4PWM驅(qū)動模塊電路圖PWM電路由復(fù)合體管組成H型橋式電路構(gòu)成，四個部分的晶體管，以一個對角的組合被分成兩組：根據(jù)兩個輸入端的低高電平，決定晶體管導(dǎo)通與截止。4個二極管在電路中的作用是防止晶體管產(chǎn)生反向電壓，防止電動機兩端和晶體管上的電流過大，起保護電路的作用。在實驗中的控制系統(tǒng)電壓統(tǒng)一為5v電源，因此若復(fù)合管基極由控制系統(tǒng)直接控制，則控制電壓最高為5V，且由于三極管本身壓降，結(jié)果加到電動機兩端的電壓差不多只有4V，嚴重削弱了電動機的驅(qū)動力。綜合上述，我們運用了itr-9608光耦集成塊，隔開控制部分與電動機的驅(qū)動部分。輸入端各經(jīng)過一個三極管增大光耦的驅(qū)動電流；電動機驅(qū)動部分經(jīng)過外接12V電源驅(qū)動。這樣不但使各系統(tǒng)模塊之間的隔離度增加，也大大的增強了驅(qū)動電流。在電動機信號驅(qū)動這一層面，我們采用周期矩形信號控制，周期矩形信號的特點是占空比可調(diào)。脈沖頻率是電動機轉(zhuǎn)動速度的影響因素，脈沖頻率越高，帶負載能力就越差，但連續(xù)性越好，反之亦然。經(jīng)實驗發(fā)現(xiàn)，當電動機轉(zhuǎn)動很平靜時加負載后，速度明顯下降，速度很低時甚至?xí)Ｖ罐D(zhuǎn)動；在脈沖頻率低于10Hz這一情況下，電動機跳動現(xiàn)象明顯。而具體使用的頻率可隨著個別電動機性能在此范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。經(jīng)過PWM2輸入高電平信號，PWM1輸入低電平，電機正轉(zhuǎn)；經(jīng)過PWM2輸入低電平信號，PWM1輸入高電平，電機反轉(zhuǎn)；PWM1、PWM2同時為高電平或低電平時，電機不轉(zhuǎn)。經(jīng)過對信號占空比的調(diào)整來對電機轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)。由于電機具有較大的感性，電流不能突變，若忽然將電流切斷將在功率管兩端產(chǎn)生巨大的電壓，損壞器件。我們應(yīng)用二極管來續(xù)流，利用二極管的單向?qū)ㄐ?。二極管的選用必須要根據(jù)PWM的頻率和電機的電流來決定。二極管要有足夠迅速的恢復(fù)時間和足夠的電流承受能力。為保護芯片而加上續(xù)流電路，其電路原理圖見圖2-5。圖2-5續(xù)流電路原理圖2.3.3光電開關(guān)測速部分電路的設(shè)計紅外測速部分，R6用來限制發(fā)射二極管的電流。發(fā)射管的電流大則發(fā)射功率大，但不能超過它的極限電流，它的極限輸入正向電流為50mA。紅外測速原理圖見圖2-6。圖2-6紅外測速原理圖2.3.4電機控制正反轉(zhuǎn)電路設(shè)計H橋部分控制電路設(shè)計：知道經(jīng)過調(diào)節(jié)直流電機的電壓能夠改變電機的轉(zhuǎn)速，可是一般我們設(shè)計的電源大都是固定的電壓，而且模擬可調(diào)電源不易于單片機控制，數(shù)字可調(diào)電源設(shè)計麻煩。因此這里用脈寬調(diào)制（PWM）來實現(xiàn)調(diào)速。方波的有效電壓跟電壓幅值和占空比有關(guān)，我們能夠經(jīng)過占空比實現(xiàn)改變有效電壓。一般用軟件模擬PWM能夠有延時和定時兩種方法，延時方法占用大量的CPU，因此這里采用定時方法。

電路因它的形狀酷似字母H，因此叫“H橋驅(qū)動電路”。電機是字母H中的一橫，而4個三極管組成字母H的上下左右的一豎（注意：圖2-7，圖2-8,圖2-9只是示意圖，畫出大概，沒有畫出三極管的完整的驅(qū)動電路圖）。從圖中看出，H橋直流電機驅(qū)動電路包含2個NPN三極管、2個PNP三極管和一個電機。當Q1和Q4或者Q3和Q2都導(dǎo)通時，電機才會運轉(zhuǎn)。根據(jù)第二對或第一對三極管的導(dǎo)通情況，電流會從右至左或者從左至右流過電機，從而控制電機的轉(zhuǎn)向。典型的直流電機控制電路見圖2-7。圖2-7H橋驅(qū)動電路圖

電機要想實現(xiàn)運轉(zhuǎn)的功能，必須使對角線上的兩個三極管導(dǎo)通。例如，如圖2-8所示，當Q4管和Q1管導(dǎo)通時，電流就從VCC正極出發(fā)，從左至右的方向，經(jīng)Q1穿過直流電機M，再經(jīng)Q4流回VCC負極。如圖所示，直流電動機順時針轉(zhuǎn)。H橋驅(qū)動直流電動機順時針轉(zhuǎn)動圖見圖2-8。圖2-8H橋電路驅(qū)動電機順時針轉(zhuǎn)動同樣道理，如圖2-9所示，當Q2管和Q3管導(dǎo)通時，電流就從VCC正極出發(fā)，從右至左的方向，經(jīng)Q3穿過直流電機M，再經(jīng)Q2流回VCC負極。如圖所示，直流電動機以逆時針的方向轉(zhuǎn)。H橋驅(qū)動直流電動機逆時針轉(zhuǎn)動圖見圖2-9。

圖2-9H橋驅(qū)動電機逆時針轉(zhuǎn)動2.3.5數(shù)碼管顯示設(shè)計LED數(shù)碼管（LightEmittingDiode）是一種固態(tài)的半導(dǎo)體器件，能夠直接把電轉(zhuǎn)化為光，經(jīng)過對其不同的管腳輸入相正確電流，會使其發(fā)亮，從而顯示出數(shù)字。能夠顯示：時間、日期、距離等能夠用數(shù)字代替的參數(shù)。數(shù)碼管實際上是由7個發(fā)光管加上小數(shù)點組成8字形，將8個發(fā)光管分別記作a,b,c,d,e,f,g,h。按能顯示“8”的個數(shù)可分為1位、2位、4位等等數(shù)碼管，本設(shè)計采用四位一體的共陽極LED，即把4個LED的陽極接到一起，接+5V電源，當某一字段發(fā)光單元的陰極為高電平時，相應(yīng)字段就不亮；當某一字段的陰極為低電平時，相應(yīng)字段就點亮。常見LED顯示的數(shù)字和字符是0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F。動態(tài)驅(qū)動是連接所有數(shù)碼管的8個顯示筆劃"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端，另外，為每個LED的公共極COM增加控制電路，而且經(jīng)過相互獨立的I/O線控制位選通電路，當單片機的P2口輸出字時，所有LED會收到相同的字，單片機對P0位選通COM端電路的控制決定哪個數(shù)碼管會顯示出結(jié)果，因此我們只要打開需要顯示的數(shù)碼管的選通控制，該位就顯示出字形，而沒有打開選通控制的數(shù)碼管就不亮。經(jīng)過不同時刻依次控制各個LED的COM端，就輪流受控顯示各個數(shù)碼管，這就是動態(tài)驅(qū)動。在本設(shè)計中采用了四位七段數(shù)碼管，用動態(tài)驅(qū)動來顯示數(shù)值，因為單片機的輸出端口輸出的電流小，點亮數(shù)碼管的能力不大，因此需要采用三極管放大輸出電流，此次三極管采用的是C9012，顯示設(shè)計電路圖見圖2-10。圖2-10顯示設(shè)計電路圖2.3.6整個電路原理圖整個電路原理圖見圖2-11。圖2-11整個電路原理圖3軟件系統(tǒng)設(shè)計3.1主程序設(shè)計系統(tǒng)主程序流程圖見圖3-1。系統(tǒng)初始化系統(tǒng)初始化是否有按鍵按下開始按鍵處理結(jié)束YN電機轉(zhuǎn)動光電開關(guān)測速數(shù)碼管顯示圖3-1主程序流程圖本系統(tǒng)編程部分工作采用KELI-C51語言完成，采用模塊化的設(shè)計方法，與各子程序做為實現(xiàn)各部分功能和過程的入口，完成鍵盤輸入、按鍵識別和功能、PWM脈寬控制和數(shù)碼管顯示等部分的設(shè)計。單片機資源分配表見表3-1。P0顯示模塊接口鍵盤中斷P1鍵盤模塊接口P1.3/P1.4PWM電機驅(qū)動接口系統(tǒng)時鐘表3-1單片機資源分配表3.2按鍵控制程序設(shè)計共4個按鍵，分別為加速鍵、減速鍵、正反轉(zhuǎn)鍵、復(fù)位鍵，手動按不同的鍵，電路實現(xiàn)不同的功能。按鍵控制流程圖見圖3-2。圖3-2按鍵控制流程圖3.3PWM軟件程序設(shè)計經(jīng)過控制總中斷使能EA控制電機的開關(guān)，同時使能對紅外對接頭輸出的方波在單位時間內(nèi)脈沖個數(shù)的計數(shù)。其中定時器T0,T1分別對脈沖的寬度、紅外對接頭輸出的脈沖數(shù)對應(yīng)的1秒時間定時。對脈沖寬度的調(diào)整是經(jīng)過改變高電平的定時長度，由變量PWM_ON控制。變量K1、K2、K3分別實現(xiàn)電機的加速、減速、正反轉(zhuǎn)。PWM程序流程圖見圖3-3。K1K1/K2/K3是否按下數(shù)據(jù)初始化調(diào)整PWM波占空比/轉(zhuǎn)向復(fù)位鍵是否按下電機停止轉(zhuǎn)動開始結(jié)束YYN、N圖3-3PWM流程圖3.4數(shù)碼管顯示程序設(shè)計按鍵按下后，直流電機的轉(zhuǎn)速經(jīng)過數(shù)碼管顯示出來，并根據(jù)數(shù)據(jù)的變化，變化顯示。流程圖見圖3-4。數(shù)據(jù)初始化數(shù)據(jù)初始化是否有鍵按下按鍵釋放檢測數(shù)據(jù)顯示NNYY開始結(jié)束圖3-4數(shù)碼管程序流程圖圖3-4數(shù)碼管顯示流程圖4系統(tǒng)功能調(diào)試4.1調(diào)試軟件介紹Protel99SE是一種EDA設(shè)計軟件，應(yīng)用于Windows9X//NT操作系統(tǒng)，能夠進行聯(lián)網(wǎng)設(shè)計，采用設(shè)計庫管理模式，數(shù)據(jù)交換能力和開放性及3D模擬功能很強。Protel99SE由（AdvancedSchematic）和多層印刷電路板設(shè)計（AdvancedPCB）兩大部分組成。其中電路原理圖設(shè)計由電路圖編輯器（Schematic）和元件庫編輯器（SchematicLibrary）兩部分組成。按照系統(tǒng)功能來劃分，Protel99se主要包含6個功能模塊：電路工程設(shè)計部分、印刷電路板設(shè)計系統(tǒng)、自動布線系統(tǒng)、電路模擬仿真系統(tǒng)、可編程邏輯設(shè)計系統(tǒng)、高級信號完整性分析系統(tǒng)。KeilC51軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強大的集成開發(fā)調(diào)試工具，全Windows界面。另外重要的一點，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會到KeilC51生成的目標代碼效率非常之高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發(fā)大型軟件時更能體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢。KEILC51編譯器由uVision2集成開發(fā)環(huán)境與編輯器和調(diào)試器以及C51編譯器組成。其中uVision2集成開發(fā)環(huán)境中的工程(project)是由源文件、開發(fā)工具選項以及編程說明三部分組成的;編輯器和調(diào)試器包括源代碼編輯器、斷點設(shè)置、調(diào)試函數(shù)語言、變量和存儲器。4.2軟件設(shè)計與功能1）直流電機調(diào)速功能：運用PWM脈寬調(diào)制原理。PWM（脈沖寬度調(diào)制）是經(jīng)過控制固定電壓的直流電源開關(guān)頻率，進而改變負載兩端的電壓，進而實現(xiàn)直流電動機的調(diào)節(jié)速度的功能。在PWM脈寬調(diào)制的驅(qū)動系統(tǒng)中，按一個特定的頻率來斷開和接通電源，而且要求不同，斷開和接通電源的時間不同。為達到調(diào)節(jié)平均電壓的目的，能夠經(jīng)過改變電壓的“占空比”這一方法，從而來控制電動機的轉(zhuǎn)速,本設(shè)計中占空比為0%，10%，40%,70%,100%。也正因為如此，PWM又被稱為“開關(guān)驅(qū)動裝置”。PWM方波圖見圖4-1。圖4-1PWM方波設(shè)電機始終接通電源時，電機轉(zhuǎn)速最大為Vmax，設(shè)占空比為D=t1/T，則電機的平均速度為Va=Vmax*D，其中Va指的是電機的平均速度；Vmax是指電機在全通電時的最大速度；D=t1/T是指占空比。由上面的公式可見，當我們改變占空比D=t1/T時，就能夠得到不同的電機平均速度Vd，進行調(diào)速。嚴格來說，平均速度Vd與占空比D并非嚴格的線性關(guān)系，可是在一般的應(yīng)用中，我們能夠?qū)⑵浣频乜闯墒蔷€性關(guān)系。PWM波能夠由具有PWM輸出的單片機經(jīng)過編程來得以產(chǎn)生，也能夠采用PWM專用芯片來實現(xiàn)。當PWM波的頻率太高時，它對直流電機驅(qū)動的功率管要求太高，而當它的頻率太低時，其產(chǎn)生的電磁噪聲就比較大，在實際應(yīng)用中，當PWM波的頻率在18KHz左右時，效果最好。在本系統(tǒng)內(nèi)，采用了兩片4位數(shù)值比較器4585和一片12位串行計數(shù)器4040組成了PWM信號發(fā)生電路。2）直流電機測速功能：運用光電紅外槽型開關(guān)來測直流電機轉(zhuǎn)速。光電開關(guān)（光電傳感器）全稱是光電接近開關(guān)，它是利用遮擋或反射光束，經(jīng)過同步回路選通電路，檢測物體有或者無。物體不但僅是金屬，可檢測所有能反光體。在發(fā)射器上，輸入的電流變?yōu)楣庑盘?，光電開關(guān)射出此信號，接收器根據(jù)接收光線的有無或強弱探測目標體。光電開關(guān)分三部分，分別為發(fā)射器、接收器、檢測電路。發(fā)射器對準目標發(fā)射光束，發(fā)射的光束一般來源于激光二極管、發(fā)光二極管（LED）、半導(dǎo)體光源及紅外發(fā)射二極管。不間斷地發(fā)射光束，或者改變脈沖寬度。在發(fā)射中多次選擇受脈沖調(diào)制的光束輻射強度，朝著目標不間接地運行。接收器由光電二極管或光電池、光電三極管構(gòu)成。在接收器的前面是光學(xué)元件如透鏡和光圈等。在接收器的后面是檢測電路，它能濾出有效信號，且應(yīng)用該有效信號。另外，光電開關(guān)結(jié)構(gòu)中還有三角發(fā)射板和光導(dǎo)纖維這兩個元件。反射板是一種發(fā)射裝置，結(jié)構(gòu)牢固，組成：三角錐體反射材料，能夠從反射板中準確地返回光束，具有實用意義。它能夠在與光軸0至25的范圍內(nèi)改變發(fā)射角，使光束幾乎是從一根發(fā)射線在反射后，從這根反射線返回。光電開關(guān)一般都具有良好的回差特性，因而即使被檢測物在小范圍內(nèi)晃動，驅(qū)動器的輸出狀態(tài)也不會受到影響，從而可使光電開關(guān)保持在穩(wěn)定工作區(qū)。同時，自診斷系統(tǒng)還能顯示受光狀態(tài)、穩(wěn)定工作區(qū)，達到隨時監(jiān)視光電開關(guān)的工作的目的。本課題中使用的光電開關(guān)是以光敏二極管工作原理制造的一種感應(yīng)接收光強度變化的器件，當它發(fā)出的光被被檢測物體反射或阻斷時，則接收器反應(yīng)出相應(yīng)的電信號。它包含調(diào)制光源，光學(xué)系統(tǒng)、放大器、開關(guān)或模擬量輸出裝置（由光敏元件等組成）。光電式傳感器由光發(fā)射器和收光器組成，兩者獨立且相對放置。當目標經(jīng)過光發(fā)射器和收光器中間，并阻斷光線時，傳感器輸出信號。槽形（U形）光電開關(guān)是對射式的變形，其優(yōu)點是無須調(diào)整光軸。其工作原理見圖4-2。圖4-2光電傳感器原理圖結(jié)論經(jīng)過本次畢業(yè)設(shè)計，我學(xué)到了許多書本上無法學(xué)到的知識，也深刻領(lǐng)會到單片機技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的廣泛。不但鞏固了我學(xué)過的單片機知識，同時對單片機這門課產(chǎn)生了很大的興趣，在畢業(yè)設(shè)計之中，體會良多，受益匪淺。在程序編寫的過程中，出現(xiàn)了很多問題，包括按鍵子函數(shù)、PWM信號發(fā)生電路的控制、以及速度數(shù)據(jù)采集等問題，雖然問題不是特別大，可是也花費了我很多時間，在解決這些問題的時候，我不斷向老師和同學(xué)請教，希望能經(jīng)過大家的一起努力把軟件編寫的更完整，讓系統(tǒng)的功能更完備。經(jīng)過多天的努力探索，也經(jīng)過老師的指導(dǎo)，大部分問題都已經(jīng)解決，就是程序還是不能實現(xiàn)應(yīng)該實現(xiàn)的功能，這讓我很茫然。后來經(jīng)過我一點一點的耐心調(diào)試，并認真總結(jié)，發(fā)現(xiàn)了問題，其實在編寫中斷處理程序時出現(xiàn)了錯誤，修改后即可實現(xiàn)直流電機調(diào)速的目的?？偨Y(jié)這次軟件調(diào)試，讓我認識到了做軟件調(diào)試的基本方法與流程：（1）認真檢查源代碼，看是否有文字或語法錯誤（2）逐段子程序進行設(shè)計，找出錯誤出現(xiàn)的部分，重點排查（3）找到合適的方法，仔細檢查程序，分步調(diào)試直到運行成功致謝這次畢業(yè)設(shè)計，凝結(jié)了很多人的心血，在此我表示由衷的感謝。沒有她們的幫助，我將無法順利完成這次設(shè)計。首先，我要特別感謝田老師對我的悉心指導(dǎo)，在畢業(yè)設(shè)計期間田老師指導(dǎo)我、幫助我收集文獻資料，理清設(shè)計思路，完善操作方法，并對我所做的設(shè)計提出有效的改進方案。老師淵博的知識、嚴謹?shù)淖黠L(fēng)、誨人不倦的態(tài)度和學(xué)術(shù)上精益求精的精神讓我受益終生。作為一個本科生的畢業(yè)設(shè)計，由于經(jīng)驗的匱乏，難免有許多考慮不周全的地方，如果沒有導(dǎo)師的督促指導(dǎo)，想要完成這個設(shè)計是難以想象的。因此，特別需要感謝田老師給予耐心細致的指導(dǎo)，在此，再一次向田老師以及關(guān)心幫助我的教師同學(xué)表示最誠摯的謝意！其次，學(xué)校在這方面也給我們提供了很大的支持和幫助，學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)比較重視，每個設(shè)計小組配有專門的指導(dǎo)老師，幫助我們能順利完成整個設(shè)計。對于學(xué)校和老師為我的畢業(yè)設(shè)計所提供的極大幫助和關(guān)心，在此我致以衷心的感謝！最后，還要感謝同學(xué)四年來對我的關(guān)心與支持，感謝各位老師在學(xué)習(xí)期間對我的嚴格要求。同時也要感謝身邊朋友的熱心幫助，沒有你們的關(guān)心與支持，我不可能這么快完成我的畢業(yè)設(shè)計！這幾個月的歲月是我學(xué)生生涯中最有價值的一段時光，也將會成為我以后永遠的美好的回憶，在這里有治學(xué)嚴謹而不失親切的老師，也有互相幫助情同骨肉的同學(xué)，更有和諧、融洽的學(xué)習(xí)生活氛圍，這里將是我永遠向往的地方。借此論文之際，我想向所有人表示我的最誠摯的謝意，愿我們將來都越來越好。參考文獻[1]張友德等.單片機原理應(yīng)用與實驗[M].復(fù)旦大學(xué)出版社1992.[2]丁陽喜.基于單片機測量電機轉(zhuǎn)速的系統(tǒng)設(shè)計[J].煤礦機械，(03)[3]王兆安.電力電子技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，[4]丁芝琴.基于霍爾傳感器的電機測速裝置設(shè)計[J].農(nóng)機化研究，(05)[5]于炳亮.電機轉(zhuǎn)速測量方法研究[J].山東科學(xué)，(05).[6]陳錕.基于單片機的直流電機調(diào)速器控制電路[J].中南民族大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，.9.[7]李維軍.基于單片機用軟件實現(xiàn)直流電機PWM調(diào)速系統(tǒng)[M].國防工業(yè)出版社.9[8]馬忠梅等編著.單片機的C語言應(yīng)用程序設(shè)計（第4版）[M].北京航天航空大學(xué)出版社..4[9]易逵編著.8051單片機的C語言應(yīng)用程序設(shè)計與實踐[M].國防工業(yè)出版社.9[10]岳東海，顏鵬.直流電機PWM無級調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計[J]，價值工程，，Vol.14，NO.2:135-136.[11]郭浩.3A驅(qū)動能力PWM直流電機控制電路的制作[J]，電子制作，，Vol.9，NO.10:42-43.[12]李維軍,韓小剛.《基于單片機用軟件實現(xiàn)直流電機PWM調(diào)速系統(tǒng)》[J].機電一體化，（5）[13]潘新民．《微型計算機控制技術(shù)》．北京：電子工業(yè)出版社，附錄附錄1硬件實物圖附錄2元件清單附錄3源程序代碼/****************************************************=========直流電機控制+速度顯示==========****************************************************/#include<reg52.h> //頭文件#defineucharunsignedchar //宏定義#defineuintunsignedint#defineCYCLE10 //定義PWM的周期T為10msucharcodetable[]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0Xff,0xc6,0x88};//0-9R共陽數(shù)碼管段選數(shù)據(jù)/*************************************************** 端口定義***************************************************/sbitPWM1=P1^4; //PWM輸出口1（電機正轉(zhuǎn)）sbitPWM2=P1^3; //PWM輸出口2（電機反轉(zhuǎn)）sbitK1=P1^0; //加速sbitK2=P1^1; //減速sbitK3=P1^2; //正反轉(zhuǎn)//sbitW1=P2^3; //數(shù)碼管位選/***************************************************/ucharPWM_ON=0; //PWM高電平時間ucharcount=0; //中斷計時ucharnum=0;ucharnum1=0; //中斷時間計數(shù)uintnum2=0; //外部中斷次數(shù)ucharflat=0; //正反轉(zhuǎn)標示位ucharflag=0; //刷新數(shù)據(jù)標示位sbitW0=P2^6; //位選口定義sbitW1=P2^5;sbitW2=P2^4;sbitW3=P2^7;/*************************************************** 函數(shù)名稱：延時子函數(shù) 函數(shù)功能：按鍵消抖***************************************************/voiddelayms(uintxms){ uinti,j; for(i=xms;i>0;i--) 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