单片机微型直流电机控制系统课程设计.docx
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单片机微型直流电机控制系统课程设计
2021单片机课程设计
单片机课程设计报告
题目微型直流电机控制系统设计
专业班级
学号
实现形式Proteus
XX
分数
指导老师
学院名称电气信息学院
附录二〔程序清单〕...............................................................................16
附录三〔器件清单〕...............................................................................18
1绪论
现代工业生产中，电动机是主要的驱动设备，目前在直流电动机拖动系统中已大量采用晶闸管（即可控硅）装置向电动机供电的KZ—D拖动系统，取代了笨重的发电动一电动机的F—D系统，又伴随着电子技术的高度开展，促使直流电机调速逐步从模拟化向数字化转变，特别是单片机技术的应用，使直流电机调速技术又进入到一个新的阶段，智能化、高可靠性已成为它开展的趋势。
直流电机调速根本原理是比拟简单的〔相对于交流电机〕，只要改变电机的电压就可以改变转速了。
改变电压的方法很多，最常见的一种PWM脉宽调制，调节电机的输入占空比就可以控制电机的平均电压，控制转速。
1.1课题背景
直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。
从控制的角度来看，直流调速还是交流拖动系统的根底。
早期直流电动机的控制均以模拟电路为根底，采用运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成，控制系统的硬件局部非常复杂，功能单一，而且系统非常不灵活、调试困难，阻碍了直流电动机控制技术的开展和应用范围的推广。
随着单片机技术的日新月异，使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成，为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，并使系统能到达更高的性能。
采用单片机构成控制系统，可以节约人力资源和降低系统本钱，从而有效的提高工作效率。
传统的控制系统采用模拟元件，虽在一定程度上满足了生产要求，但是因为元件容易老化和在使用中易受外界干扰影响，并且线路复杂、通用性差，控制效果受到器件性能、温度等因素的影响，故系统的运行可靠性及准确性得不到保证，甚至出现事故。
目前，直流电动机调速系统数字化已经走向实用化，伴随着电子技术的高度开展，促使直流电机调速逐步从模拟化向数字化转变，特别是单片机技术的应用，使直流电机调速技术又进入到一个新的阶段，智能化、高可靠性已成为它开展的趋势。
1.2课题要求
以AT89C51单片机作为主控制器、对微型直流电机进展控制。
利用霍尔元件设计转速测量、检测直流电机速度，并显示。
单片机为控制核心的直流电机PWM调速控制系统，并实现以下功能：
1）直流电机的正转；
2）直流电机的反转；
3）直流电机的加速；
4）直流电机的减速；
5）直流电机的转速在数码管上显示；
6）直流电机的启动；
7）直流电机的停顿；
2方案论证
2.1系统组成
微型直流电机控制系统由单片机、显示电路、直流电机及其驱动电路组成。
2.2单片机选型
单片机直流调速系统可实现对直流电动机的平滑调速。
PWM是通过控制固定电压的直流电源开关频率，从而改变负载两端的电压，进而到达控制要求的一种电压调整方法。
在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并根据需要改变一个周期内“接通〞和“断开〞时间的长短。
通过改变直流电机电枢上电压的“占空比〞来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速。
因此，PWM又被称为“开关驱动装置〞。
本系统以89C51单片机为核心，通过单片机控制，C语言编程实现对直流电机的平滑调速。
2.3驱动方案论证
L298是SGS公司的产品，比拟常见的是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可承受标准TTL逻辑电平信号VSS，VSS可接4．5～7V电压。
4脚VS接电源电压，VS电压范围VIH为＋2．5～46V。
输出电流可达2．5A，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。
L298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。
EnA为低电平时，输入电平对电机控制起作用，当EnA为高电平，输入电平为一高一低，电机正或反转。
同为低电平电机停顿，同为高电平电机刹停。
下列图是其引脚图：
引脚介绍：
第1、15脚：
可单独引出连接电流采样电阻器，形成电流传感信号，也可直接接地。
第2、3脚：
A电机输出端口。
第4脚：
接逻辑控制的+5V电源。
第6脚：
A桥使能端口。
第5、7脚：
输入标准TTL电点平对A桥的输出OUT1、OUT2进展控制。
第8脚：
接电源地。
第9脚：
接电机驱动电源，最高可达50V。
第11脚：
B桥使能端口。
第10、12脚：
输入标准TTL电平对B桥的输出OUT3、OUT4进展控制。
第13、14脚：
B电机输出端口。
2.4检测方案论证
采用霍尔元件测量。
主要分为两个局部。
第一局部是利用霍尔器件将电机转速转化为脉冲信号；第二个局部是使用光耦，将传感器输出的信号和单片机的计数电路两个局部隔开，减少计数的干扰。
用于测量的A44E集成霍尔开关，磁钢用直径D=6.004mm，长度为L=3.032mm的钕铁硼磁钢。
电源用直流，霍尔开关输出由四位半直流数字电压表测量，磁感应强度B用95A型集成霍尔元件测量。
图2-3霍尔片管脚和管脚接线
2.5人机接口方案
采用开关，开关一端接单片机，另一端接地，一旦按下，就会向单片机输入低电平。
还有一种方法就是采用矩阵键盘。
矩阵式构造的键盘显然比直接法要复杂一些，识别也要复杂一些，列线通过电阻接正电源，并将行线所接的单片机的I/O口作为输出端，而列线所接的I/O口那么作为输入。
这样，当按键没有按下时，所有的输入端都是高电平，代表无键按下。
行线输出是低电平，一旦有键按下，那么输入线就会被拉低，这样，通过读入输入线的状态就可得知是否有键按下了。
其图形如下：
在本系统中，需要输入的信号比拟简单，采用独立键盘接线简单，实现容易，所以就用了开场所说的用一个开关。
3硬件设计
3.1单片机最小系统设计
如下图，单片机最小系统,或者称为最小应用系统,是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统.对51系列单片机来说,最小系统一般应该包括:
单片机、晶振电路、复位电路.
3.2I/O分配
STC89C51有四组接口：
P0口，P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。
在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进展校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1口，P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为低八位地址接收。
P2口，P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1〞时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进展存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1〞时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进展读写时，P2口输出其特殊功能存放器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1〞后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流〔ILL〕这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口。
在本系统中，P0口输出数码管的段选信号；P1口作为人机交互口，接开关；P2口输出数码管的位选信号。
3.3驱动电路设计
本系统采用89C51控制输出数据，由单片机发生电路产生PWM信号，送到芯片L298，并通过L298电源驱动直流电机，并通过单片机程序控制L298，改变直流电机的占空比，进而实现电机的加减速，正反转控制。
其驱动电路如下面局部电路所示。
3.4转速检测电路设计
转速检测电路如下图，电机自动根据转速输出对应的脉冲数，通过74LS386将脉冲转化成方波，然后由单片机的T1计数器对方波进展计数，最后通过一定的算法转化成转速并输出。
3.5人机接口电路设计
人机接口局部电路图如下列图所示，从上至下共有五个开关，一次是正转、反转、加速、减速、停顿。
4软件设计
4.1主程序流程
主程序主程序是一个循环程序，其主要思路是，先设定好速度初始值，这个初始值与测速电路送来的值相比拟得到一个误差值，然后通过在程序中占空比设置输出控制系数给改变波形的占空比，进而控制电机的转速。
其程序流程图如下图。
软件由1个主程序、1个中断子程序和显示子程序组成。
其程序流程如下：
4.2按键扫描子程序流程图
按键扫描程序采用中断方式，按下键，完成延时去抖动、键码识别、按键功能执行。
要实现按住加/减速键不放时恒加或恒减速直到放开停顿，就需在判断是否松开该按键时，每进展一次增加/减少一定的占空比。
按键扫描程序流程图如下列图4.2所示
5问题与分析
5.1设计问题
在课设的过程中出现了一些问题，或大或小，但都被我一一解决了。
不如说系统图的端口接线，有时候会接错，那就不能实现电机的转动，这需要了解每个端口的作用。
在程序编写的过程中，出现了很多问题，包括键盘扫描处理、PWM信号发生电路的控制、以及单片机控制直流电机的转动方向等问题，虽然问题不是很大，但是也让我研究了好长时间，在解决这些问题的时候，我不断向教师和同学请教，希望能通过大家一块的努力把软件编写的更完整，让系统的功能更完备。
经过多天的努力探索，大局部问题都已经解决，就是程序还是不能实现应该实现的功能，这让我很着急。
后来经过一点一点的调试，并认真总结，发现了问题其实在编写中断处理程序时出现了错误，修改后即可实现直流电机调速的目的。
在仿真软件方面选择了Proteus，在Proteus中画出系统电路图，当程序在KeilC中调试通过后，会生成以hex为扩展名的文件，这就是使系统能够在Proteus中成功进展仿真的文件。
将些文件加载到单片机仿真系统中，验证是否能完成对直流电机的速度调节。
假设不成功，那么重新回到软件调试步骤，进展软件调试。
找出错误所在，更正后重新运行系统。
硬件仿真电路的设计完全按照论文设计方案进展。
在仿真的过程中也遇到了很多问题，比方元件选择、电路设计等，在元件选择方面，有的芯片是我以前学习的时候所没有遇到过的，所以在寻找和使用的过程中也遇到很多麻烦，但经过自己的努力，并借鉴从互联网上找到的资料，我逐渐掌握这些元件的使用方法和原理，为系统设计和仿真提供了良出的根底。
另外，在进展仿真的时候，也经常出现程序没有错误了，但是仿真通不过的情况，这些大局部原因是在管脚定义上，很多系统仿真的问题都出在这。
经过这段时间的努力，使我对仿真软件以及系统设计电路有了更深一步的认识，也为系统的成功奠定了根底。
5.2辩论问题
问：
光电耦合器的作用是什么？
答：
光电耦合器也称为光电隔离器或光耦合器，有时简称光耦。
这是一种以光为耦合媒介，通过光信号的传递来实现输人与输出间电隔离的器件，可在电路或系统之间传输电信号，同时确保这些电路或系统彼此间的电绝缘。
问：
在AT89C51芯片中XTAL2端口的作用是什么？
答：
XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出，而XTAL2是来自反向振荡器的输出。
参考文献
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附录一〔原理图〕
附录二〔程序清单〕
#include
#defineucharunsignedchar
ucharN=0;
ucharX=50;//占空比初始值为50%
inta,b;
sbitRS=P3^0;
sbitRW=P3^1;
sbitEN=P3^2;
unsignedcharcodestr1[]={"ZHENGZHUAN"};
unsignedcharcodestr2[]={"SPEEDUP"};
unsignedcharcodestr3[]={"FANZHAUN"};
unsignedcharcodestr4[]={"SPEEDDOWN"};
unsignedcharcodestr5[]={"STOP"};
uchardatadisdata[5];
voiddelay1ms（unsignedintms）//延时0.1毫秒〔不够准确的〕
{unsignedinti,j;
for（i=0;ifor（j=0;j<100;j++）;
}
voidwr_（unsignedchar）//写指令//
{delay1ms（0.1）;
RS=0;
RW=0;
EN=0;
P2=;
delay1ms（0.1）;
EN=1;
delay1ms（0.1）;
EN=0;
}
voidwr_dat（unsignedchardat）//写数据//
{delay1ms（0.1）;
RS=1;
RW=0;
EN=0;
P2=dat;
delay1ms（0.1）;
EN=1;
delay1ms（0.1）;
EN=0;
}
voidlcd_init（）//初始化设置//
{delay1ms（15）;
wr_（0x38）;
wr_（0x08）;
wr_（0x01）;
wr_（0x06）;
wr_（0x0c）;
}
voiddisplay（unsignedchar*p）//显示//
{
while（*p!
='\0'）
{
wr_dat（*p）;
p++;
delay1ms（0.1）;
}
}
init_play（）//初始化显示
{lcd_init（）;
wr_（0x80）;
display（str1）;
wr_（0xc0）;
display（str2）;
while
（1）;
}
sbitPWM=P3^6;//PWM输出脚
sbitP1_2=P1^2;//正传
sbitP1_3=P1^3;//反转
sbitP1_4=P1^4;//加速
sbitP1_5=P1^5;//减速
sbitP1_6=P1^6;//停顿
sbitP1_1=P1^1;
sbitP1_0=P1^0;
sbitP0_0=P0^0;
sbitP0_1=P0^1;
sbitP0_2=P0^2;
sbitP0_3=P0^3;
voidscjs（void）interrupt3
{
TH1=0Xff;
TL1=0x17;
b++;
}
main（）
{
TMOD=0x00;
IE=0X88;
TH1=0Xff;
TL1=0X17;
TR0=1;
TR1=1;
a=0;
b=0;
while
（1）
{
PWM=1;
while
（1）
{
b=0;
while（!
b）;
if（N==X）
PWM=0;
if（N==100）break;
N++;
if（P1_2==0）//M1正转
{
P1_1=1;
P1_0=0;
X=50;
P0_0=0;
P0_1=1;
lcd_init（）;wr_（0x80）;display（str1）;
}
if（P1_3==0）//M1反转
{
P1_1=0;
P1_0=1;
X=50;
P0_0=1;
P0_1=0;
lcd_init（）;wr_（0x80）;display（str3）;
}
if（P1_6==0）//M1停顿
{
P1_1=1;
P1_0=1;
P0_0=1;
P0_1=1;
P0_2=1;
P0_3=1;
lcd_init（）;wr_（0x80）;display（str5）;
}
if（P1_4==0）
{
P1_1=1;
P1_0=0;
X=100;
P0_2=0;
P0_3=1;
lcd_init（）;wr_（0xc0）;display（str2）;
}
if（P1_5==0）
{
P1_1=1;
P1_0=0;
X=20;
P0_2=1;
P0_3=0;
lcd_init（）;wr_（0xc0）;display（str4）;
}
}
N=0;
}
}
附录三〔器件清单〕
AT89C51芯片×1
电动机×1
L298芯片×1
LED×4
LCD×1
晶闸管×1
电阻×6
电容×3
开关×6
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