单片机控制直流电机并测速电压ADDA转换以及pwm按键调速正转反转要点.docx

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单片机控制直流电机并测速电压ADDA转换以及pwm按键调速正转反转要点

单片机原理及应用

课程设计报告书

题目：

用单片机控制直流电动机并测量转速

姓名：

徐银浩

学号：

1110702225

专业：

电子信息工程

指导老师：

沈兆军

设计时间：

2014年11月

信息工程学院

3.1AT89C51最小系统3

3.2按键电路4

3.3A/D转换模块4

3.4.D/A转换模块6

3.5电机转速测量电路7

3.6显示电路8

3.7总电路图10

4.1系统主程序设计12

4.2按键扫描程序设计12

4.3显示子程序12

4.4定时中断处理程序12

4.5A/D转换程序13

用单片机控制直流电动机并测量转速

1引言

1.1.设计意义

电动机作为最主要的动力源，在生产和生活中占有重要地位。

电动机的调速控制过去多用模拟法，随着计算机的产生和发展以及新型电力电子功率器件的不断涌现，电动机的控制也发生了深刻的变化，本系统利用直流电机的速度与施加电压成正比的原理，通过滑动变阻器向ADC0809输入控制电压信号，经AD后，输入到AT89C51中，AT89C51将此信号转发给DAC0832，通过功放电路放大后，驱动直流电机。

1.2.系统功能要求

单片机扩展有A/D转换芯片ADC0809和D/A转换芯片DAC0832。

通过改变A/D输入端可变电阻来改变A/D的输入电压，D/A输入检测量大小，进而改变直流电动机的转速。

手动扩展。

在键盘上设置两个按键——直流电动机加速键和直流电动机减速减。

在手动状态下，每按一次键，电动机的转速按照约定的速率改变。

用显示器LED或LCD显示数码移动的速度，及时形象地跟踪直流电动机转速的变化情况。

2方案设计

为了使用单片机对电动机进行控制，对单片机的基本要求应有足够快点速度；有捕捉功能。

总体设计方案如图所示

图2.1总体设计方案

（1）键盘向单片机输入相应控制指令，由单片机通过P3.0口输出信号，该编码通过DAC0832译成相应的模拟电压，经过信号放大实现电动机转向与转速的控制。

（2）可变电阻接ADC0808转变成相应电压的数字信号，单片机通过P1口读取，再由P2口输出与转速相应的8位BCD编码与DAC0832相接。

电动机的运转状态则通过四位数码管显示出来。

（3）电机的测速显示，采用光电传感器测量电机的转速，在设计中，在电机转轴末梢上安装纸卡，在纸卡上留出两个孔。

电机转轴每转一圈，发射二极管发出的光便通过纸卡的孔到达接受二极管，就可在接受二极管上产生相应的脉冲信号。

计算下1s内输出的脉冲信号的个数，把计数的结果取一半，就可得到电动机的转动速度。

（4）通过Max7219驱动器驱动4位共阴极LED灯，这样节省了许多I/O口。

3硬件设计

3.1AT89C51最小系统

AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。

单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。

AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

图3.1单片机最小系统的设计

AT89C51提供以下标准功能：

4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。

同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。

空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。

掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。

3.2按键电路

单片机的P3.6和P3。

7口分别接一个按键用于控制电机。

当按下“叫”键时，电机转速提高，进入加速状态；当按下“减”键时，电机转速减慢，进入减速状态。

通过“加”“减”两个按键可以达到键盘控制电机的作用。

3.3A/D转换模块

（1）ADC0808

ADC0808是美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D模数转换器。

其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。

是目前国内应用最广泛的8位通用A/D芯片。

主要特性

1）8路输入通道，8位A/D转换器，即分辨率为8位。

2）具有转换起停控制端。

3）转换时间为100μs（时钟为640kHz时），130μs（时钟为500kHz时）　　　

4）单个+5V电源供电。

5）模拟输入电压范围0～+5V，不需零点和满刻度校准。

6）工作温度范围为-40～+85摄氏度。

7）低功耗，约15mW。

ADC0809的工作过程

首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。

此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。

START上升沿将逐次逼近寄存器复位。

下降沿启动A/D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。

直到A/D转换完成，EOC变为高电平，指示A/D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。

当OE输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。

转换数据的传送A/D转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理。

数据传送的关键问题是如何确认A/D转换的完成，因为只有确认完成后，才能进行传送。

为此可采用下述三种方式。

（1）定时传送方式　　

对于一种A/D转换器来说，转换时间作为一项技术指标是已知的和固定的。

例如ADC0809转换时间为128μs，相当于6MHz的MCS-51单片机共64个机器周期。

可据此设计一个延时子程序，A/D转换启动后即调用此子程序，延迟时间一到，转换肯定已经完成了，接着就可进行数据传送。

（2）查询方式　　

A/D转换芯片由表明转换完成的状态信号，例如ADC0808的EOC端。

因此可以用查询方式，测试EOC的状态，即可确认转换是否完成，并接着进行数据传送。

（3）中断方式　　

把表明转换完成的状态信号（EOC）作为中断请求信号，以中断方式进行数据传送。

不管使用上述哪种方式，只要一旦确定转换完成，即可通过指令进行数据传送。

首先送出口地址并以信号有效时，OE信号即有效，把转换数据送上数据总线，供单片机接受。

图3.3AD转换电路的设计

（2）工作原理

如图3.3所示，外部电源通过滑动变阻器向ADC0808输入控制电压信号，经A/D处理后，输入到AT89C51中，交由AT89C51处理，进行下一步动作。

3.4D/A转换模块

（1）DAC0832

DAC0832是8分辨率的D/A转换集成芯片。

与微处理器完全兼容。

这个DA芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到广泛的应用。

D/A转换器由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成。

主要特性参数

1.分辨率为8位；　　

2.电流稳定时间1us；　　

3.可单缓冲、双缓冲或直接数字输入；　　

4.只需在满量程下调整其线性度；　　

5.单一电源供电（+5V～+15V）；　

6.低功耗，20mW。

DAC0832的工作方式　　

DAC0832进行D/A转换，可以采用两种方法对数据进行锁存。

第一种方法是使输入寄存器工作在锁存状态，而DAC寄存器工作在直通状态。

具体地说，就是使和都为低电平，DAC寄存器的锁存选通端得不到有效电平而直通；此外，使输入寄存器的控制信号ILE处于高电平、处于低电平，这样，当端来一个负脉冲时，就可以完成1次转换。

第二种方法是使输入寄存器工作在直通状态，而DAC寄存器工作在锁存状态。

就是使和为低电平，LE为高电平，这样，输入寄存器的锁存选通信号处于无效状态而直通；当和端输入1个负脉冲时，使得DAC寄存器工作在锁存状态，提供锁存数据进行转换。

图3.4DA转换电路的设计

（2）工作原理

如上图3.4所示，电压信号输入后经过AD转换输入到AT89C51，由单片机通过P1口输出与转速相应的8位BCD编码，该编码通过DAC0832译成相应的模拟电压，经过信号放大实现电动机转向与转速的控制。

3.5电机转速测量电路

图3.5光电传感器测速设计

采用光电传感器测量电机的转速，在设计中，在电机转轴末梢上安装纸卡，在纸卡上留出两个孔。

电机转轴每转一圈，发射二极管发出的光便通过纸卡的孔到达接受二极管，就可在接受二极管上产生相应的脉冲信号。

计算下1s内输出的脉冲信号的个数，把计数的结果取一半，就可得到电动机的转动速度。

3.6显示电路

（1）MAX7219

MAX7219/MAX7221是一种集成化的串行输入/输出共阴极显示驱动器,它连接微处理器与8位数字的7段数字LED显示，也可以连接条线图显示器或者64个独立的LED。

其上包括一个片上的B型BCD编码器、多路扫描回路，段字驱动器，而且还有一个8*8的静态RAM用来存储每一个数据。

只有一个外部寄存器用来设置各个LED的段电流。

MAX7221与SPI™、QSPI™以及MICROWIRE™相兼容，同时它有限制回转电流的段驱动来减少EMI（电磁干扰）。

一个方便的四线串行接口可以联接所有通用的微处理器。

每个数据可以寻址在更新时不需要改写所有的显示。

MAX7219/MAX7221同样允许用户对每一个数据选择编码或者不编码。

整个设备包含一个150μA的低功耗关闭模式，模拟和数字亮度控制，一个扫描限制寄存器允许用户显示1-8位数据，还有一个让所有LED发光的检测模式。

功能特点：

1、10MHz连续串行口　　

2、独立的LED段控制　　

3、数字的译码与非译码选择　　

4、150μA的低功耗关闭模式　　

5、亮度的数字和模拟控制　　

6、高电压中断显示　　

7、共阴极LED显示驱动　　

8、限制回转电流的段驱动来减少EMI（MAX7221）　　

9、SPI,QSPI,MICROWIRE串行接口（MAX7221）

（2）工作原理

如图3.6所示，可变电阻接ADC0808转变成相应电压的数字信号，单片机通过P0口读取，再由P1口输出与转速相应的8位BCD编码到MAX7219。

经由MAX7219处理后通过四位数码管显示出来。

采用光电传感器测量电机的转速，在设计中，在电机转轴末梢上安装纸卡，在纸卡上留出两个孔。

电机转轴每转一圈，发射二极管发出的光便通过纸卡的孔到达接受二极管，就可在接受二极管上产生相应的脉冲信号。

计算下1s内输出的脉冲信号的个数，把计数的结果取一半，就可得到电动机的转动速度。

图3.6显示电路的设计

3.7总电路图

由各子模块设计给得出总硬件电路设计如下图3.7所示

图3.7硬件总电路图

4软件设计

4.1系统主程序设计

本系统编程部分工作采用KELI-C51语言完成，采用模块化的设计方法，与各子程序做为实现各部分功能和过程的入口，完成键盘输入、按键识别、ADC0809读取和D