基于AT89C52单片机的电机设计资料Word格式文档下载.docx
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8.1对Proteus软件简介12
8.2对于电机控制模块的说明12
8.3晶振模块的简介16
九、心得体会：
17
十、参考文献17
附录19
附件一：
元件清单19
附件二：
源程序19
摘要
本文是通过单片机对步进电机PWM调速器设计，主要实现对电机的控制。
本设计主要是实现PWM调速器的正转、反转、加速、减速、停止等操作，并实现电路的仿真。
为实现系统的微机控制，在设计中，采用了AT89C52单片机作为整个控制系统的控制电路的核心部分，配以各种显示、驱动模块，实现对电动机转速参数的显示和测量；
由命令输入模块、及驱动模块组成。
采用带中断的独立式键盘作为命令的输入，单片机在程序控制下，不断给电路发送PWM波形，驱动电路完成电机正反转控制.在设计中，采用PWM调速方式，通过改变PWM的占空比从而改变电动机的电枢电压，进而实现对电动机的调速。
设计的整个控制系统，在硬件结构上采用了大量的集成电路模块，大大简化了硬件电路，提高了系统的稳定性和可靠性，使整个系统的性能得到提高。
在电机转速控制占有至关重要的作用，其控制算法和手段有很多，模拟PID控制是最早发展起来的控制策略之一，长期以来形成了典型的结构，并且参数整定方便，能够满足一般控制的要求，但由于在模拟PID控制系统中，参数一旦整定好后，在整个控制过程中都是固定不变的，而在实际中，由于现场的系统参数、温度等条件发生变化，使系统很难达到最佳的控制效果，因此采用模拟PID控制器难以获得满意的控制效果。
随着计算机技术与智能控制理论的发展，数字PID技术渐渐发展起来，它不仅能够实现模拟PID所完成的控制任务，而且具备控制算法灵活、可靠性高等优点，应用面越来越广。
本设计以上面提到的数字PID为基本控制算法，以AT89C52单片机为控制核心，产生占空比受数字PID算法控制的PWM脉冲实现对直流电机转速的控制。
实现转速闭环控制，达到转速调节的目的。
在系统中采用7ESG-MPX4-CC显示器作为显示部件，通过按键对电机正反转控制，启动后可以通过摘要显示部件了解电机当前的转速。
该系统控制精度高，具有很强的抗干扰能力。
关键字：
AT89C52单片机、PID算法、PWM、7ESG-MPX4-CC显示器、步进电机
一、控制器模块设计方案
根据设计任务，控制器主要用于产生占空比受数字PID算法控制的PWM脉冲，并对电机当前速度进行采集处理，根据算法得出当前所需输出的占空比脉冲。
对于控制器的选择有以下三种方案。
方案一：
采用FPGA（现场可编辑门列阵）作为系统的控制器，FPGA可以实现各种复杂的逻辑功能[1]，模块大，密度高，它将所有器件集成在一块芯片上，减少了体积，提高了稳定性，并且可应用EDA软件仿真、调试，易于进行功能控制。
FPGA采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模实时系统的控制核心。
通过输入模块将参数输入给FPGA，FPGA通过程序设计控制PWM脉冲的占空比，但是由于本次设计对数据处理的时间要求不高，FPGA的高速处理的优势得不到充分体现，并且由于其集成度高，使其成本偏高，同时由于芯片的引脚较多，实物硬件电路板布线复杂，加重了电路设计和实际焊接的工作。
方案二：
采用AT89C52作为系统控制的方案。
AT89C52单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制。
相对于FPGA来说，它的芯片引脚少，在硬件很容易实现。
并且它还具有功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点，在各个领域中应用广泛。
方案三：
采用传统的AT89C51单片机作为运动物体的控制中心。
它和AT89C51一样都具有软件编程灵活、体积小、成本低,使用简单等特点，但是它的频率较低、运算速度慢，RAM、ROM空间小等缺点。
若采用AT89C51需要做RAM，ROM来扩展其内存空间，其硬件工作量必然大大增多。
综合上述三种方案比较，采用AT89C52作为控制器处理输入的数据并控制电机运动较为简单，可以满足设计要求。
因此在本次设计选用方案二。
二、PWM控制的基本原理
在采样控制理论中有一个重要的结论：
冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。
冲量即指窄脉冲的面积。
这里所说的效果本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。
图1a的电路是一个具体的例子。
图中
为窄脉冲，其形状和面积分别如图所示的a、b、c、d所示，为电路的输入。
该输入加在可以看成惯性环节的R-L电路上，设其电流
为电路的输出。
图1b给出了不同窄波时
的响应波形。
从波形可以看出，在
的上升段，脉冲形状不同时
的形状也略有不同，但其下降段几乎完全相同。
脉冲越窄，各
波形的差异也越小。
如果周期性的施加上述脉冲，则响应
也是周期性的。
用傅立叶级数分解后将可看出，各
在低频段的特性非常接近，仅在高频段有所不同[2]。
图2冲量相同的各种脉冲的响应波形
2.2步进电机的PWM控制技术
步进电动机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，调速范围广，过载能力大，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速起动、制动和反转；
能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动系统领域中得到了广泛的应用。
步进电动机的转速调节主要有三种方法：
调节电枢供电的电压、减弱励磁磁通和改变电枢回路电阻。
针对三种调速方法，都有各自的特点，也存在一定的缺陷。
例如改变电枢回路电阻调速只能实现有级调速，减弱磁通虽然能够平滑调速，但这种方法的调速范围不大，一般都是配合变压调速使用。
所以在直流调速系统中，都是以变压调速为主。
其中，在变压调速系统中，大体上又可分为可控整流式调速系统和直流PWM调速系统两种。
直流PWM调速系统与可控整流式调速系统相比有下列优点：
由于PWM调速系统的开关频率较高，仅靠电枢电感的滤波作用就可获得平稳的直流电流，低速特性好、稳速精度高、调速范围宽。
同样，由于开关频率高,快速响应特性好,动态抗干扰能力强，可以获得很宽的频带；
开关器件只工作在开关状态，因此主电路损耗小、装置效率高；
直流电源采用不可控整流时，电网功率因数比相控整流器高。
正因为直流PWM调速系统有以上优点，并且随着电力电子器件开关性能的不断提高，脉宽调制（PWM）技术得到了飞速的发展。
下面主要介绍步进电机PWM调速系统的算法实现。
根据PWM控制的基本原理可知，一段时间内加在惯性负载两端的PWM脉冲与相等时间内冲量相等的直流电加在负载上的电压等效，那么如果在短时间T内脉冲宽度为
幅值为U，由图3可求得此时间内脉冲的等效直流电压为：
图3PWM脉冲
，若令
，
即为占空比，则上式可化为：
（U为脉冲幅值）（1.19）
若PWM脉冲为如图1.7所示周期性矩形脉冲，那么与此脉冲等效的直流电压的计算方法与上述相同，即
（
为矩形脉冲占空比）（1.20）
图4周期性PWM矩形脉冲
由式1.20可知，要改变等效直流电压的大小，可以通过改变脉冲幅值U和占空比
来实现，因为在实际系统设计中脉冲幅值一般是恒定的，所以通常通过控制占空比
的大小实现等效直流电压在0～U之间任意调节，从而达到利用PWM控制技术实现对直流电机转速进行调节的目的。
三、步进电机的概述
3.1步进电机的简介
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。
通俗点讲：
当步进驱动器接受到一个脉冲信号，他就有驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度。
也可以通过控制脉冲的个数来控制角位移量，从而达到调速的目的。
一般的步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。
步进电机是将电脉冲信号转化为角位移或线位移的开环控制元件。
在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置值取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机及则转过一个步距角。
这一线性关心的存在，加上步进电机只有周期性的误差二无积累误差等特点。
使得在速度、位置等控制领域用步进机来控制变得非常的简单。
正常情况下，步进机转过的总角度和输入的脉冲数成正比；
连续输入一定频率的脉冲数时，电动机的转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系，不受电压脉动和变化的影响。
由于步进电动机能直接接受数字量的输入，所以特别适合微机控制。
本次的设计采用是步距为1.8度的四相八拍永磁式步进电机。
3.2步进电动机动态指标及术语
步距角精度：
步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。
用百分比表示：
误差/步距角*100%，不同运行拍数气质不同，四拍运行时应在5%之内，八拍运行时应在15%以内。
失步：
电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。
称之为失步
失调角：
转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转比存在失调角，有失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。
最大空载起动频率：
电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。
最大空载的运行频率：
电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高运转速频率。
运行矩频率特性：
电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为矩频特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据。
电机一旦选定，而动态力矩却不然，电机的动态力矩取决于电机运行时的平均电流（而非静态电流），平均电流越大，电机输出力矩越大，即电机的频率特性越硬，要使平均电流大，尽可能提高驱动电压，使采用电感打电流的电机。
3.2.1电机的共振点
步进电机均有固定的共振区域，二、四相感应子式步进电机的共振区一般在180-250pps之间火灾400pps左右，电机驱动电压越高，电机电流越大，负载越轻，则共振区向上偏移，反之亦然，为使电机输出电矩大，不失步和整个系统的噪音降低一般工作均为偏移共振区较多。
当电机绕组通电时序为A-AB-B-BC-C=CD-D-DA时为正转，通电时序为DA-D-CD-C-BC-B-AB-A时为反转。
四、单片机原理
4.1单片机原理概述
单片机是吧微型计算机主要部分集成在一块芯片上的单芯片微型计算机。
图中表示为单片机的典型结构图。
由于单片机的高度集成化。
缩短了系统内的信号距离，优化了结构配置，大大地提高了系统的可靠性以及运行速度，同时它的指令系统又很适合于工业控制的要求，所以单片机在工业过程及设备控制中得到了广泛的应用。
4.2单片机的应用系统
单片机在进行实时控制和实时数据处理事，需要与外界交换信息。
人们需要通过人机对话，了解系统的工作情况和进行控制。
单片机芯片与其他cpu比较，功能虽然要强的多，由于芯片结构、引脚数目的限制，片内ROM、RAM、I/O口等不能很多，在构成实际的应用系统时需要加以扩展，以适应不同工作情况。
单片机应用系统的构成基本上如图所示：
单片机应用系统根据系统扩展和系统配置的状况，可以分为最小应用系统、最小功耗系统。
本设计是设计一款最小应用系统，最小应用系统是指维持单片机运行的最简单配置的系统。
这种系统成本低廉、结构简单，常常用来简单的控制系统，如开关量的输入、输出控制，时序控制等。
对于片内ROM/EPROM芯片来说，最小应用系统除了配置上述的晶振、复位电路和电源外，还应该配置ERROM或EEROM来作为程序储存器使用。
五、AT89C52芯片
5.1主要性能
与MCS-51单片机产品兼容、8K字节在系统可编程Flash存储器、1000次擦写周期、全静态操作：
0Hz～33Hz、三级加密程序存储器、32个可编程I/O口线、三个16位定时器/计数器八个中断源、全双工UART串行通道、低功耗空闲和掉电模式、掉电后中断可唤醒、看门狗定时器、双数据指针、掉电标识符。
5.2功能特性描述
AT89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
使用高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在线系统可编程Flash，使得AT89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
AT89C52具有以下标准功能：
8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。
另外，AT89C52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
8位微控制器8K字节在系统可编程Flash。
如下图所示：
图5AT89C52单片机
P0口：
P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。
作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。
对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。
当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。
在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。
在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；
在程序校验时，输出指令字节。
程序校验时，需要外部上拉电阻。
P1口：
P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。
此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），具体如下表所示。
在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。
5.3引脚P1第二功能
P1.0T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出
P1.1T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）
P1.5MOSI（在线系统编程用）
P1.6MISO（在线系统编程用）
P1.7SCK（在线系统编程用）
P2口：
P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。
在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR）时，P2口送出高八位地址。
在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。
在使用8位地址（如MOVX@RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。
在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。
P3口：
P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。
P3口亦作为STC89C52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。
在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。
XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。
该反向放大器可以配置为片内振荡器。
石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。
如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。
有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。
整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms
来完成。
在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。
此外，AT89C52设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。
在闲置模式下，CPU停止工作。
但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。
在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。
六、对于L298芯片的说明
恒压恒流桥式2A驱动芯片L298N，L298N是SGS公司的产品，比较常见的是15脚Multiwatt封装的L298N，内部同样包含4通道逻辑驱动电路。
可以方便的驱动两个直流电机，或一个两相步进电机。
L298N芯片可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个四相电机，输出电压最高可达50V，可以直接通过电源来调节输出电压；
可以直接用单片机的IO口提供信号；
而且电路简单，使用比较方便。
L298N可接受标准TTL逻辑电平信号VSS，VSS可接4．5～7
V电压。
4脚VS接电源电压，VS电压范围VIH为＋2．5～46
V。
输出电流可达2
A，可驱动电感性负载。
1脚和15脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻，形成电流传感信号。
L298N可驱动2个电动机，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之间可分别接电动机，本实验装置我们选用驱动一台电动机。
5，7，10，12脚接输入控制电平，控制电机的正反转。
EnA，EnB接控制使能端，控制电机的停转。
如图是L298N部分符号说明。
表1L298N符号说明
如图为L298芯片内部设计：
图6L298芯片
74LS245是我们常用的芯片，用来驱动led或者其他的设备，它是8路同相三态双向总线收发器，可双向传输数据。
74LS245还具有双向三态功能，既可以输出，也可以输入数据。
当AT89C52单片机的P0口总线负载达到或超过P0最大负载能力时，必须接入74LS245等总线驱动器。
当片选端/CE低电平有效时，DIR=“0”，信号由
B
向
A
传输;
（接收）DIR=“1”，信号由A向B传输；
（发送）。
当CE为高电平时，A、B均为高阻态。
由于P2口始终输出地址的高8位，接口时74LS245的三态控制端1G和2G接地，P2口与驱动器输入线对应相连。
P0口与74LS245输入端相连,E端接地，保证数据线畅通。
AT89C52的RD和PSEN相与后接DIR，使得RD且PSEN有效时，74LS245输入（P0.1←D1），其它时间处于输出（P0.1→D1）。
如图为74LS245芯片引脚：
图774LS245引脚图
8.1对Proteus软件简介
通过对系统硬件和软件两方面的介绍，为了更好的验证系统设计的的功能，本设计采用Protues进行仿真。
该软件是英国Lab
center
electronics公司出版的EDA工具软件。
从1989年问世至今已经有20年的历史，在全球得到广泛使用。
Proteus软件除具有和其他EDA工具软件一样的原理编辑、印制电路板制作外，还具有交互的仿真功能。
它不仅是模拟电路、数字电路、模数混合电路的设计与仿真平台。
更具目前世界上最先进、最完整的的多种型号未处理器系统的设计与仿真平台，真正实现了在计算机中完成电路原理图设计、电路分析与仿真、微处理器设计与仿真、系统测试与功能验证到形成印制电路板的完整电子设计、研发过程。
Proteus软件由ISIS（Intelligent
schematic
input
system）和ARES（Aduanced
routing
and
editing
software）两个软件构成，其中ISIS是一款智能电路原理图输入系统软件，可作为电子系统仿真平台；
ARES是一款高级布线编辑软件，用于印制电路板（PCB）
8.2对于电机控制模块的说明
电机控制模块设计是本设计的重点，作为电梯的运行，关键在于对电动机的设计，电动机的运行速度，运行方式，控制方式等。
因为电机速度设计的关系到几个方面：
（1）运行速度：
电梯的运行快慢也属于安全问题，当顾客乘坐电梯时，人数较少时，速度是多少；
在人数较多时，电梯速度是多少，这是要考虑的因素。
（2）电梯的运行方式：
一般情况下，电梯的运行方式有两种，即正向运行和逆向运行。
在本设计中L298做为对电动机的驱动芯片。
L298N芯片是一种高压、大电流双全桥式驱动器,其设计是为接受标准TTL逻辑电平信号和驱动电感负载的。
如图如图所示：
图8电机驱动模块
当然，其中根据设计思路，利用模拟信号来对电机控制也是本设计的一个亮点，这是利用波的占空比来给电机一个模拟信号，通过D\A转化实现对电机速度的模拟，达到对电动机的控制。
如图所示：
图9模拟信号的设计
在这一模块设计中，还涉及了电机的三个基本控制：
电动机的转动方向控制、电机启动运行和电动机停止运转。
这些基本功能也是通过L298N体现的。
同时，在电动机的转动方向上加上了一个7404芯片，是一个与非门，简单的说就是通过控制模拟信号的方向来改变其转动方向。
图10电动机转向设计
除此之外，还要利用单片机与按键相结合，加上与电机模块相互配合，才可以达到对电动机的控制。
通过单片机，加上程序，会对电动机的速度大小进行控制，这部分关键在于对单片机AT89C52的引脚的应用，在本设计中则是对P1.0和P1.1两个引脚的应用。
P1.0T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出。
P1.1T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）。
其启动程序如下所示：
uchari=0;
sbitAddSpeed=P1^1;
sbitSubSpeed=P1^2;
sbitPWM_FC=P1^0;
//是对其定义
本段函数是实现度电机具体控制的程序
voidmain（）
{
SystemInit（）;
while
（1）
{
SetSpeed（）;
SegRefre（）;
PWMOUT（）;
}
}
voidPIDControl（）//pid偏差计算
e=SpeedSet-num;
duk=（Kp*（e-e1）+Ki*e+Kd*（e-2*e1+e2））/50;
//+Kd*（e-2e1+e2）
uk=uk1+duk;
out=（int）uk;
if（out>
1000）
out=1000;
elseif（out<
0）
out=0;
uk1=uk;
e2=e1;
e1=e;
PWMTime=out;
其中也包
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