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本次设计以AT89C52单片机为控制核心，以步进电机为对象，以两个键盘为输入，6个LED显示器输出转速，从而达到对电机的实时控制，实现了直流电机的正转、反转和启停控制。
控制结果表明，本数字化直流调速系统通过Proteus软件调试，能使控制精度提高、成本降低、容易推广，且各项性能指标优于模拟直流调速系统，因而能够实际地应用到生产生活中，满足现代化生产的需求。
关键词：
单片机；
软件调试；
直流调速系统；
数字
Abstract
Withtherapiddevelopmentofmicrocomputer,manyACandDCdigitalcontrolsystemshavereachedthepracticalstage.Thehardwarecircuitofmicroprocessor-baseddigitalcontrolsystemisbecomingmorestandard,lessaffectedbytemperaturedriftofthedevicesandtheeconomicgainisbetter.Thecontrolsoftwarepossessestheabilityoflogicjudgmentandcomplexoperation,andcanrealizetheintegrationofoptimization,self-adaption,nonlinearityandintelligentcontrol,whichareallhighlydifferentfromgenerallinearadjustment.Asaresult,themicroprocessordigitalsystemisgreatlysuperiortoanalogsysteminvariousaspectsofperformance,andbeingappliedmoreandmorewidely.
ThisarticlemainlyintroducesoneofDCspeedcontrolsystemsbasedonsingle-chipmicrocomputerapplication,andclarifiesthedesignofspeedcontrolofseparatelyexcitedDCmotor.ThecoreofthedesignisanAT89C52single-chipmicrocomputer,theobjectsteppingmotor,theinputacoupleofkeyboardsandtheoutputofspeed6unitsofLEDdisplay.Consequentlythedesigncanattainareal-timecontrolandcontrolsthedirectionofrotationsettings、speedsetting、startandstop.Real-timecontrolresultsshowthatthedigitalspeedcontrolsystemcanimprovetheprecision,reducethecostsandextendeasilythroughsoftwaredebugging,whichadoptsProteus.What’smore,eachperformanceindexoftheproductswithadigitalsystemissuperiortotheonewithananalogsystem.Thus,itisapplicableandcansatisfytherequirementsofmodernproductionline.
KeyWords：
Single-chipmicrocomputer；
Softwaredebugging；
DCspeedcontrolsystem；
Digital
目录
摘要I
AbstractII
第1章绪论1
1.1课题研究背景1
1.2课题研究方法2
第2章设计方案确定3
2.1设计思路3
2.2调速实现方案选择3
第3章硬件电路设计5
3.1AT89C52单片机简介5
3.1.1功能特性5
3.1.2主要引脚5
3.1.3控制功能端口6
3.1.4定时器27
3.2直流电动机模块10
3.2.1构造及分类10
3.2.2工作原理11
3.2.3驱动电路12
3.3转速显示模块13
3.3.1数码管分类13
3.3.2数码管结构及驱动13
3.3.3数码管片选控制14
3.3.4限流电阻的选择15
3.4总体设计电路图15
第4章软件编程设计17
4.1程序实现功能17
4.2仿真软件概述17
4.3程序流程图19
4.4C语言程序设计21
4.4.1主程序的设计21
4.4.2T1中断子程序的设计23
4.4.3转速显示子程序的设计24
4.5仿真结果25
结论28
参考文献29
致谢30
第1章绪论
1.1课题研究背景
直流电机问世已有一百四十多年的历史。
在设计和制造技术上有很大进步,新材料、新技术的应用以及整流电源的普及,促进了一般工业用直流电机的不断扩大,品种的日益繁多。
从小至数瓦,大到万余千瓦,广泛地用于冶金、矿山、煤炭、起重运输、机床制造、纺织印染等各个部门中,特别是近几年电子计算技术广泛应用在直流电机设计制造中。
从直流电动机的演变历史,也可以纵观直流电动机的发展历史和动向、从四十年代后期到五十年代的前期,直流电动机的电源主要是采用M-G电动发电机组,六十年代初,电动发电机组电源已被水银整流器逐渐代替,到六十年代后期,由于可控硅整流装置的出现,并得到迅速发展,可控硅整流电源已占统治地位。
由于直流电源供电方式的不断更新换代,特别是在最近的十几年期问,进一步促使了直流电动机的单机功率、转速不断提高,目前朝着高速、大功率方向发展。
另外,由于绝缘技术和分析技术的进步,直流电动机已迅速向小型轻量,低惯量方面发展。
随着各种技术的进步和研究的展开,诸多高质量的直线电机产品和科研成果纷纷出现。
1985年,美国Ingersol铣床公司生产了采用永磁同步直线电机的HVM600高速加工中心,最大进给速度达76.2m/min。
而在1997年,汉诺威12.EMO展览会上有20多家公司展出了直线电机传动装置,如德国Trumpf公司的激光机床,法国Renaultautomation公司的加工中心等,展出的直线电机最大速度达150～200m/min。
这些被称为最有前途的展品表明,在高速度机床的进给机构中愈来愈多的采用直线电机。
新型磁性材料和控制技术、冷却方法的出现,为应用经济高速高动力直线电机创造了条件。
在当今的电气时代，电动机一直在现代化的生产和生活中具有十分重要的意义。
无论是农业生产，交通运输，国防航空，医疗卫生，商务与办公设备，还是日常生活中的家用电器，无一都大量使用着各式各样的电动机。
而随着控制智能化，仪器微型化，功耗微小化等对设备日益苛刻的要求，利用单片机对电动机的控制也越来越成为研究的焦点。
早期电机调速常采用串联电阻调速法来调节电枢电压，这种方法不仅耗能很大，而且调速不太平滑，逐渐被其他调速装置代替。
随后又出现了晶阐管、MOSFET、IGBT等为主控元件的调速装置。
电子技术的飞速发展，促使直流电机调速逐渐由模拟化向数字化转变，特别是单片机控制技术的应用，使得直流电机调速技术进入一个新纪元。
前期的晶阐管直流调速系统控制回路的硬件装置极其复杂，安装调试极困难，相对故障率很高，检修比较困难。
然而利用单片机控制的电机调速系统，其控制方案是依靠软件实现的，控制器由可编程功能模块组成，配置和参数调整简单方便，工作稳定。
另外，直流电动机机启动转矩大，启动电流小，调速平滑、方便，调节范围宽，过载能力强，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无极快速启动、制动和反转。
为满足生产过程自动化系统各种不同的特殊需求，对其调速提出了更高的要求，而改变电枢回路电阻、改变电压等传统调压技术已远远不能满足现代科技的要求。
为此，研究并改善高性能、高可靠性的他励直流电动机调速方法具有着十分重要的现代意义。
本文正是以此为出发点，利用单片机对他励直流电动机转速的监测和控制。
1.2课题研究方法
设计一个他励直流电动机调速系统，该系统以单片机为控制核心，通过C语言编程来实现直流电机的平稳调速、正反转等功能。
调速方式采用脉宽调制技术（PWM），直流电机在单片机控制下能实现启动、停止动作，采用AD转换模块实现直流电机的无级调速。
在采样控制理论中有一个重要的结论，即冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上，其效果基本相同。
冲量既指窄脉冲的面积。
这里所说的效果基本相同。
是指该环节的输出响应波形基本相同。
如把各输出波形用傅里叶变换分析，则它们的低频段特性非常接近，仅在高频段略有差异。
根据上面理论我们就可以用不同宽度的矩形波来代替正弦波，通过对矩形波的控制来模拟输出不同频率的正弦波。
PWM具有很强的抗噪性，且有节约空间、比较经济等特点。
PWM控制的基本原理很早就已经提出，但是受电力电子器件发展水平的制约，在上世纪80年代以前一直未能实现.直到进入上世纪80年代，随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展，PWM控制技术才真正得到应用.随着电力电子技术，微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法，如现代控制理论，非线性系统控制思想的应用，PWM控制技术获得了空前的发展.到目前为止，已出现了多种PWM控制技术。
本文充分利用单片机的数字信号处理器运算快、外围电路少、系统组成简单、可靠的特点，将其应用于步进电机的调速。
实验表明，该设计使得步进直流电动机的组成简化和性能的改进成为可能，有利于电机的小型化和智能化。
第2章设计方案确定
2.1设计思路
设计一个可控制直流电机转速，并可显示转速的系统。
电机的转速控制要求按照加速、减速、正转、反转及停止等内容进行设计。
根据设计任务及要求可知，一方面，要将电机的转速实时显示，这就肯定会涉及显示模块，另一方面，电机的转动情况要能按照设计要求进行控制，这就必然会涉及按键控制模块。
此外，电机本身的工作也需要一些相关元件，因此可列为电机模块。
于是，系统设计的框图如图2-1所示。
图2-1调速系统设计框图
2.2调速实现方案选择
一般情况下，直流电动机的转速n和其他参量的关系如下公式（2-1）所示：
（2-1）
式中Ua为电枢供电电压（V），Ia为电枢电流（A），Ф为励磁磁通（Wb），Ra为电枢回路总电阻（Ω），Ce为电势系数。
其中，
，p为电磁对数，a为电枢并联支路数，N为导体数。
由以上分析可知，调速方法主要有如下3种：
1．改变电枢回路总电阻Ra；
2．改变电枢供电电压Ua；
3．改变励磁Ф。
调阻调速的工作条件是保持励磁=n，保持电压U=UN。
其调节过程大致为增加电阻Ra使得R上升，R上升使得n下降，理想空载转速n0不变。
其调速特性是转速下降，机械特性曲线变软。
调压调速的工作条件是保持励磁=n，保持电枢回路总电阻R=Ra。
其调节过程大致为改变额定工作电压Un使得Ua下降，Ua下降使得n下降，理想空载转速n0下降。
其调速特性是转速下降，机械特性曲线平行下移。
调磁调速的工作条件是保持电压U=Ua，保持电枢回路总电阻R=Ra。
其调节过程大致为减小额定励磁n使得下降，下降使得n上升，理想空载转速n0上升。
其调速特性是转速上升，机械特性曲线变软。
对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。
改变电阻只能有级调速；
减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（即电机额定转速）以上作小范围的弱磁升速。
因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主。
由第二种方法知道，直流电机转速与加在电机两端电压有关，故可选用单片机产生PWM方波，经驱动电路放大后驱动电机旋转。
通过单片机输出一定频率的方波，方波的占空比大小绝对平均电压的大小，也决定了电机的转速大小。
PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法，PWM控制为脉冲宽度调制，保持开关周期不变，调制导通时间。
脉宽调速系统历史久远，但缺乏高速大功率开关器件，未能及时在生产实际中推广应用。
后来，由于大功率晶体管（GTR），特别是IGBT功率器件，使直流电动机脉宽调速系统才获得迅猛发展。
第3章硬件电路设计
3.1AT89C52单片机简介
3.1.1功能特性
AT89C52是一个低电压，高性能CMOS
8位单片机，属于51系列单片机的一个型号，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。
其主要功能如下：
1、兼容MCS51指令系统；
2、8kB可反复擦写（大于1000次）FlashROM；
3、32个双向I/O口；
4、256x8bit内部RAM；
5、3个16位可编程定时/计数器中断；
6、时钟频率0-24MHz；
7、2个串行中断，可编程UART串行通道；
8、2个外部中断源，共8个中断源；
9、2个读写中断口线，3级加密位；
10、低功耗空闲和掉电模式，软件设置睡眠和唤醒功能；
11、有PDIP、PQFP、TQFP及PLCC等几种封装形式，以适应不同产品的需求。
3.1.2主要引脚
AT89C52为8位通用微处理器，采用工业标准的C51内核，在内部功能及管脚排布上与通用的8xc52相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。
引脚图如图3-1所示，功能包括对会聚主IC内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。
AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程,但不可以在线编程（S系列的才支持在线编程）。
其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。
主要管脚有：
XTAL1（19脚）和XTAL2（18脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz晶振。
RST/Vpd（9脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。
VCC（40脚）和VSS（20脚）为供电端口，分别接+5V电源的正负端。
P0-P3为可编程通用I/O脚，其功能用途由软件定义，在本设计中，P0端口（32-39脚）被定义为N1功能控制端口，分别与N1的相应功能管脚相连接，13脚定义为IR输入端，10脚和11脚定义为I2C总线控制端口，分别连接N1的SDAS（18脚）和SCLS（19脚）端口，12脚、27脚及28脚定义为握手信号功能端口，连接主板CPU的相应功能端，用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能。
图3-1
PDIP封装的AT89C52引脚
3.1.3控制功能端口
AT89C52单片机一共有32个双向I/O口，分别为P0口、P1口、P2口和P3口，可以根据程序设计实现相应需要的控制功能。
1．P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。
作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0写“1”时，可作为高阻抗输入端用。
在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。
在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。
2．P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。
作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。
与AT89C51不同之处是，P1.0和P1.1还可分别作为定时/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和输入（P1.1/T2EX），如表3-1所示。
表3-1P1.0和P1.1的第二功能
引脚号
功能特性
P1.0
T2,时钟输出
P1.1
T2EX（定时器/计数器2）
Flash编程和程序校验期间，P1接收低8位地址。
3．P2口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对端口P2写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。
在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。
在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVX@RI指令）时，P2口输出P2锁存器的内容。
Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和一些控制信号。
4．P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。
P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。
此时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL）。
P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能。
P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。
3.1.4定时器2
1．基本特性
定时器T0、T1可作为16位加计数器，T2除了可作为加计数器，还可作为减计数器，只要设置T2的控制寄存器T2MOD就可以更改加/减的方式。
定时器T2是一个16位定时/计数器。
它既可当定时器使用，也可作为外部事件计数器使用，其工作方式由特殊功能寄存器T2CON的C/T2位选择，如表3-2所示。
定时器2有三种工作方式：
捕获方式，自动重装载（向上或向下计数）方式和波特率发生器方式，工作方式由T2CON的控制位来选择。
表3-2T2CON格式
位符号
TF2
EXF2
RCLK
TCLK
EXEN2
TR2
C/T2
CP/RL2
位地址
CF
CE
CD
CC
CB
CA
C9
C8
定时器2由两个8位寄存器TH2和TL2组成，在定时器工作方式中，每个机器周期TL2寄存器的值加1，由于一个机器周期由12个振荡时钟构成，因此，计数速率为振荡频率的1/12。
在计数工作方式时，当T2引脚上外部输入信号产生由1至0的下降沿时，寄存器的值加1，在这种工作方式下，每个机器周期的5SP2期间，对外部输入进行采样。
若在第一个机器周期中采到的值为1，而在下一个机器周期中采到的值为0，则在紧跟着的下一个周期的S3P1期间寄存器加1。
由于识别1至0的跳变需要2个机器周期（24个振荡周期），因此，最高计数速率为振荡频率的1/24。
为确保采样的正确性，要求输入的电平在变化前至少保持一个完整周期的时间，以保证输入信号至少被采样一次。
2．捕获方式
在捕获方式下，通过T2CON控制位EXEN2来选择两种方式。
如果EXEN2=0，定时器2是一个16位定时器或计数器，计数溢出时，对T2CON的溢出标志TF2置位，同时激活中断。
如果EXEN2=1，定时器2完成相同的操作，而当T2EX引脚外部输入信号发生1至0负跳变时，也出现TH2和TL2中的值分别被捕获到RCAP2H和RCAP2L中。
另外，T2EX引脚信号的跳变使得T2CON中的EXF2置位，与TF2相仿，EXF2也会激活中断。
3．自动重装载（向上或向下计数器）方式
当定时器2工作于16位自动重装载方式时，能对其编程为向上或向下计数方式，这个功能可通过特殊功能寄存器T2CON的DCEN位（允许向下计数）来选择的。
复位时，DCEN位置“0”，定时器2默认设置为向上计数。
当DCEN置位时，定时器2既可向上计数也可向下计数，这取决于T2EX引脚的值，参见图5，当DCEN=0时，定时器2自动设置为向上计数，在这种方式下，T2CON中的EXEN2控制位有两种选择，若EXEN2=0，定时器2为向上计数至0FFFFH溢出，置位TF2激活中断，同时把16位计数寄存器RCAP2H和RCAP2L重装载，RCAP2H和RCAP2L的值可由软件预置。
若EXEN2=1，定时器2的16位重装载由溢出或外部输入端T2EX从1至0的下降沿触发。
这个脉冲使EXF2置位，如果中断允许，同样产生中断。
定时器2的中断入口地址是：
002BH——0032H。
当DCEN=1时，允许定时器2向上或向下计数。
这种方式下，T2EX引脚控制计数器方向。
T2EX引脚为逻辑“1”时，定时器向上计数，当计数0FFFFH向上溢出时，置位TF2，同时把16位计数寄存器RCAP2H和RCAP2L重装载到TH2和TL2中。
T2EX引脚为逻辑“0”时，定时器2向下计数，当TH2和TL2中的数值等于RCAP2H和RCAP2L中的值时，计数溢出，置位TF2，同时将0FFFFH数值重新装入定时寄存器中。
当定时/计数器2向上溢出或向下溢出时，置位EXF2位。
4．波特率发生器
当T2CON中的TCLK和RCLK置位时，定时/计数器2
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