灌装饮料传送带控制.docx
《灌装饮料传送带控制.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《灌装饮料传送带控制.docx（37页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
灌装饮料传送带控制
职业技术学院
毕业设计
2012届
项目类别：
毕业设计
项目名称：
灌装饮料传送带控制
专业：
班级：
姓名：
学号：
指导老师：
摘要
本次课程设计基于AT89C51单片机为核心，应用PWM技术对直流电机的速度进行精确调节，并测量出电动机的转速，通过模数转换系统，使用LCD液晶显示器精确的显示电动机的转速。
本次课程设计的目的是更加熟练掌握单片机的工作原理与实际应用，特别是单片机的编程语言，数模转换系统，PWM调节脉冲与LCD液晶显示器的工作原理。
关键字：
51单片机；转速控制；模数转换；LCD液晶显示器；
2.2.1直流电机组成原理.......................................................3
2.2.2直流电机调速方案的设计.................................................4
2.2.3直流电机测速方案的设计.................................................6
2.2.4PWM产生与控制部分方案的设计...........................................7
2.2.5LCD显示部分方案的设计.................................................9
2.2.６数模与模数转换部分方案的设计........................................13
单片机程序............................................................28
1前言
近年来,随着科技的飞速发展,单片机的应用正在不断地走向深入。
在仪器仪表、家用电器和专用装备的智能化以与过程控制等方面,单片机都扮演着越来越重要的角色。
将单片机的应用引入实际科技实践必将对微电子控制技术的研究与实践注入强大活力。
本次设计研究的直流电机转速控制与转速的LCD显示实验装置即以单片机作为核心部件,它可完成对直流电机转速、方向的闭环控制，并应用LCD液晶显示装置显示出转速。
本文利用现代单片机和LCD液晶显示器的一切优点、组合实现功能的强大，可方便以后电路的升级与扩展。
本文结合LCD显示、电机控速、红外侧距、键盘操作等多种技术，实现了基于51单片机的电机转速测量控制系统的设计。
直流电机调速性能好,可靠性高,机械特性强,在自动控制中的应用极为广泛。
直流电机的调速系统多种多样,但系统复杂,控制精度和成品价格难以兼顾。
本文使用价格低廉、应用广泛的MCS-51系列单片机为控制芯片,以PI调节控制算法为基础,完成对直流电机转速的调节,达到了控制性能好,成本低的目的。
本文重点阐述了该系统的基本工作原理、所采用的相关技术等，进而交代了电机转速测量控制的实现方法。
最后重点阐述了LCD液晶显示和按键部分。
基于该系统在LCD上实现菜单控制系统在电路图设计比较方便，主要分为四部分，电源部分、安键部分、LCD显示部分和控制部分；较复杂的是在控制软件部分，软件控制部分分为三部分，一部分是安键判断部分、菜单控制部分和显示部分。
液晶显示器（LCD）是现在非常普遍的显示器。
它具有体积小、重量轻、省电、辐射低、易于携带等优点。
2硬件设计部分
51系列单片机引脚图见图2-1,其优点是支持较为丰富而且简单的指令集,编程器通用且兼容性好,具有单片机的典型代表性,因此该系列单片机在自动控制中应用最为广泛。
图2-18051 单片机引脚图
2.1硬件设计总体思路
根据本次课程设计的具体要求为：
利用数模转换来改变直流电动机的转速，并使用LCD显示器系统显示出直流电机的具体转速，并且单片机控制的电机实际转速与液晶显示器显示出的转速应该时时对应。
这个硬件系统的隐含意义是，本系统应该具有数模和模数转换的部分，因为这个模数转换部分在这个系统中是不可缺少的，单片机控制的直流电机转速，在实际中无论是对电机控制的信号，还是电机输出的信号都应该是数字信号，因为只有数字信号才能被单片机所识别，而最重要的是，单片机控制的直流电机输出的转速的信号只有是数字信号时才能被液晶显示LCD模块所识别，并最终准确的显示出直流电机的转速。
在硬件电路的设计中，模块的组合要根据它们之间的控制和被控制的关系进行电路连接。
测速部分采用的是与被测电机同轴的测速发电机。
它可以很方便快捷地将直流电机的速度信号转换为可供CPU采集的模拟信号。
CPUAT89S52是MCS--51系列单片机中用途比较广泛的一种类型。
8位输入输出数据具有较高的运行速度。
模数转换器CS-0832将模拟信号高速转换为12位数字信号并将数字信号输出给CPU做数据处理。
电动机驱动器件1293D是部自带保护电路的电动机驱动芯片，置钳位二级管，拥有过电流保护和过电压保护功能。
此外，为避免在系统运行时出现飞车现象，专门设计复位电路。
复位电路包括软件复位和硬件复位2种，当软件复位无常控制复位时，可由硬件强行对其进行复位控制。
系统可通过键盘控制电机的转速方向和速率的改变，首先CPU不断对键盘进行扫描，当有按键按下时，CPU将自动执行键盘程序对电动机进行转速控制。
经过测速反馈电路进行实时检测转速可通过LCD数码管显示电动机运行状态，使其运行在正转、反转、加速、减速等不同的运行状态。
单片机控制电动机的系统总体结构如图1所示。
我的硬件设计正是根据这个整体设计的思路为指导进行的。
调速系统的硬件设计原理方框图如图2-2所示,以AT89C51单片机为控制核心,包括测速电路、PWM波形发生器和PWM功放电路以与LCD显示部分。
图2-2硬件方框设计原理图
2.2单片机控制直流电机部分的硬件设计
2.2.1直流电机组成原理
直流电动机结构由定子和转子两大部分组成。
直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。
运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢，由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成。
直流电动机的结构是由直流电源、直流电机、控制开关和调速器组成。
直流发电机的工作原理就是把电枢线圈中感应的交变电动势，靠换向器配合电刷的换向作用，使之从电刷端引出时变为直流电动势的原理。
感应电动势的方向按右手定则确定其工作原理不外乎就是用直流电源作为能量来驱动电机旋转。
通过对三极管的截止与导通进行控制，使其起到开、关和调速的作用。
具体的操作为当直流电动机接上直流电源时，使用电位器旋转按钮控制三极管集极的电压。
如直流电机控制原理图2-3
图2-3直流电机控制原理
1、当三极管的集极电压小于死区电压时三极管截止，则电动机不转动；
2、当集极电压大于死区电压而小于饱和电压时三极管处于放大状态，随着集极电压改变，从而改变了直流电动机两端的压降也就改变了电机的转速。
具体原理为集极的电压大小不一样，三极管的电压放大倍数也不一样从而起到调速作用改变直流电动机的旋转速度。
2.2.2直流电机调速方案的设计
本设计将采用电枢控制方法对电动机的速度和转向进行控制。
电机调速控制模块的方案假设：
（１）直流电机转速调节：
某些场合往往要求直流电机的转速在一定围可调节，例如，电车、机床等，调节围根据负载的要求而定。
调速可以有三种方法：
（1）改变电机两端电压；
（2）改变磁通；（3）在电枢回路中，串联调节电阻。
采用第一种方法：
通过改变施加于电机两端的电压大小达到调节直流电机转速的目的。
方案一：
采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速的目的。
但是电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵。
更主要的问题在于一般电动机的电阻很小，但电流很大；分压不仅会降低效率，而且实现很困难。
方案二：
采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对小车的速度进行调整。
这个方案的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间慢、机械结构易损坏、寿命较短、可靠性不高。
方案三：
采用由达林顿管组成的H型PWM电路。
用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机转速。
这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高；H型电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制；电子开关的速度很快，稳定性也极佳，是一种广泛采用的PWM调速技术。
（２）直流电机调速原理：
图2-4所示电枢电压为Va,电枢电流为Ia,电枢回路总电阻为Ra,电机常数Ca,励磁磁通量是Φ。
图2-4直流电机原理
那么根据KVL方程:
电机转速n=（Va-Ra）/CaΦ,其中,对于极对数为p,匝数为N,电枢支路数为a的电机来说:
电机常数Ca=pN/60a,意味着电机确定后,该值是不变的。
而在Va-IaRa中,由于Ra仅为绕组电阻,导致IaRa非常小,所以Va-IaRa≈Va。
由此可见我们改变电枢电压时,转速n即可随之改变。
方案的确定：
兼于直流电机工作原理，和以上所述的三种方案，由于方案三调速特性优良、调整平滑、调速围广、过载能力大，因此本设计的调速部分决定采用方案三。
PWM调速工作方式：
方式一：
双极性工作制。
双极性工作制是在一个脉冲周期，单片机两控制口各输出一个控制信号，两信号高低电平相反，两信号的高电平时差决定电动机的转向和转速。
方式二：
单极性工作制。
单极性工作制是单片机控制口一端置低电平，另一端输出PWM信号，两口的输出切换和对PWM的占空比调节决定电动机的转向和转速。
由于单极性工作制电压波开中的交流成分比双极性工作制的小，其电流的最大波动也比双极性工作制的小，所以我们采用了单极性工作制。
2.2.3直流电机测速方案的设计
测速电路由附在电机转子上的光电编码盘与施密特整形电路组成。
电脉冲的频率与电机的转速成固定的比例关系,光码盘输出的电脉冲信号经放大整形为标准的TTL电平,输入到单片机的两个外部中断:
INT0和INT1,利用单片机部定时器/计数器T0和T1,以与部一个寄存器作软计数器,循环地捕捉相邻两次速度脉冲,并由这两次触发所记录的时间差算出其转速,再将这个转速与预置转速进行比较,得出差值,单片机通过对这个差值进行PI运算,得出控制增量,在P010～P013引脚送出控制信号改变PWM波形发生电路的占空比,最终达到控制电机转速的目的。
使用栅格圆盘和光电门组成测速系统。
当直流电机通过传动部分带动栅格圆盘旋转时，测速光电门获得一系列脉冲信号。
这些脉冲信号通过单片机两个定时/计数器配合使用同，一个计数，一个定时。
计算出单位时间的脉冲数m，经过单位换算，就可以算得直流电机旋转的速度。
直流电机转速计算公式：
n=60·m/（N1·T·N）（rpm）
其中：
n为直流电机转速，N为栅格数，N1为T0中断次数，m为计数器T1在规定时间测得的脉冲数，T为定时器T0定时器溢出时间。
使用系统提供的显示电路，可把电机的转速显示出来。
本实验用DAC0832D/A转换输出控制直流电机两端电压。
程序中
直流电机初始速度较大（大约40转/秒），设运行速度设置为2000转/分，经过若干秒后，直流电机转速慢慢下降到运行速度，以设定的速度运行。
本测速系统的关键是光电耦合器，它的组成是用一个发光二极管和一个光敏三极管构成。
光电耦合器的工作原理就是使发光二极管导通与截止状态进行发射红外线与不发射，让光敏三极管导通与截止。
具体过程为当发光二极管的两端电压大于死区电压时二极管发射出红外线同时光敏三极管栅极有驱动三极管导通的电压，使得三极管的源级电压降低由原来的高电平变为低电平，进而产生一个脉冲的形式转送给单片机。
通过单片机的外部中断进行计数脉冲个数从而得到直流电动机的旋转速度。
在改变电机转速的同时影响到发光二极管导通与截止。
只有这样才能产生脉冲的形式发送给光敏二极管，进而改变了外部中断P3.5口高低电位。
则单片机部进行计数就可以获取转速。
光电耦合器的电路图如图2-5所示。
图2-5电耦合器的电路图
2.2.4PWM产生与控制部分方案的设计
（1）.PWM波形发生电路
由于测速中占用了两个定时器T0和T1,如果再将PWM波形产生交给AT89C51则会加大软件的任务,并且影响整个系统的控制效果。
因此这里考虑单独设计一个PWM波形发生电路,单片机对它只提供控制参数以改变其占空比。
其电路原理如图2-6所示。
图2-6PWM波形产生电路
图中,U1和U2为两片4位比较器74LS85,U3为8位的计数器。
计数器的时钟输入为系统的时钟信号（本系统晶振频率为12MHz）。
经512分频后为2314kHz,即PWM波形的频率为2314kHz。
其中,U1、U2的A0～A3分别接P014～P017、P010～P013。
B0～B3分别接Q0～Q3、Q4～Q7。
A>B端接一个过零比较器,其输出即为PWM波,其占空比是通过P0口给定的数值来改变的。
（2）.PWM功率放大电路
本系统采用双极性脉宽调制功率放大器,如图2-7所示。
其中VT1、VT2为作开关用的大功率晶体管,工作在截止和饱和状态。
当电动机正转工作时,VT1工作,VT2不工作;反之当电动机反转工作时,VT2工作而VT1不工作。
VD1、VD2为续流二极管,主要起到保护作用,避免VT1、VT2被反向击穿。
U4和U6为光电耦合器,主要起隔离和抗干扰作用。
调脉宽的方式有三种：
定频调宽、定宽调频和调宽调频。
我们采用了定频调宽方式，因为采用这种方式，电动机在运转时比较稳定；并且在采用单片机产生PWM脉冲的软件实现上比较方便。
方案一：
采用定时器作为脉宽控制的定时方式，这一方式产生的脉冲宽度极其精确，误差很小。
方案二：
采用软件延时方式，这一方式在精度上不与方案一，特别是在引入中断后，将有一定的误差。
但是基于不占用定时器资源，且对于直流电机，采用软件延时所产生的定时误差在允许围，故采用方案二。
图2-7PWM驱动电路原理图
2.2.5LCD显示部分方案的设计
（1）.课设所用LCD模块概述
模块SMC1602B由一块点阵液晶屏和控制器HD44780与其辅助电路组成。
本系统设计采用OCMJ中文模块系统LCD液晶作为下位机的显示模块。
该模块含GB231216×16点阵国标一级简体汉字和ASCII8×8（半高）与8×16（全高）点阵形英文字库，用户输入区位码或ASCII码可实现文本显示。
OCMJ中文液晶显示模块采用ASK／ANSWER握手方式。
系统使用OCMJ4X8C_3型液晶显示屏（奥可拉中文集成模块）。
此模块可以显示字母、数字符号、中文字型与图形，具有绘图与文字画面混合显示功能。
提供三种控制接口，分别是8位微处理器接口，4位微处理器接口与串行接口（OCMJ4X16A/B无串行接口）。
所有的功能，包含显示RAM，字型产生器，都包含在一个芯片里面，只要一个最小的微处理系统，就可以方便操作模块。
置2M-位中文字型ROM（CGROM）总共提供8192个中文字型（16x16点阵），16K位半宽字型ROM（HCGROM）总共提供126个符号字型（16x8点阵），64x16位字型产生RAM（CGRAM），另外绘图显示画面提供一个64x256点的绘图区域（GDRAM），可以和文字画面混和显示。
提供多功能指令：
画面清除（Displayclear）、光标归位（Returnhome）、显示打开/关闭（Displayon/off）、光标显示/隐藏（Cursoron/off）、显示字符闪烁（Displaycharacterblink）、光标移位（Cursorshift）、显示移位（Displayshift）、垂直画面卷动（Verticallinescroll）、反白显示（By_linereversedisplay）、待命模式（Standbymode）。
OCMJ4X8C_3的引脚说明如表2-1：
便于使用OCMJ4×8C（128×64）引脚，做了如表1所示说明。
表1各引脚说明
引脚
名称
方向
说明
引脚
名称
方向
说明
1
VSS
-
GND（0V）
11
DB4
I/O
数据4
2
VDD
-
SupplyVoltageForLogic（+5V）
12
DB5
I/O
数据5
3
VO
-
SupplyVoltageForLCD（悬空）
13
DB6
I/O
数据6
4
RS（CS）
I
H:
DataL:
InstructionCode
14
DB7
I/O
数据7
5
R/W（STD）
I
H:
ReadL:
Write
15
PSB
I
H:
ParallelModeL:
SerialMode
6
E（SCLK）
I
EnableSignal，高电平有效
16
NC
-
空脚
7
DB0
I/O
数据0
17
/RST
I
ResetSignal，低电平有效
8
DB1
I/O
数据1
18
NC
-
空脚
9
DB2
I/O
数据2
19
LEDA
-
背光源正极（+5V）
10
DB3
I/O
数据3
20
LEDK
-
背光源负极（OV）
注：
OCMJ4×8C_3/_6为减少背光电源对模块的干扰作了特别处理，背光电源焊盘（20、21脚）与17脚间留了2个焊盘（18、19脚）位置但并无焊盘和引脚引出；背光电源的2条走线与其他走线间的间隔距离至少保留了2mm的爬电间隔。
LCD主要参数：
1、工作电压（VDD）：
4.5～5.5V
2、逻辑电平:
2.7～5.5V
3、LCD驱动电压（Vo）：
0～7V
4、工作温度（Ta）：
0～55℃（常温）/-20～75℃（宽温）保存温度（Tstg）：
-10～65℃（常温）/-30～85℃（宽温）。
2.资料传输与接口时序
当PSB脚接低电位时，模块将进入串行模式。
从一个完整的串行传输流程来看，一开始先传输启始字节，它需先接收到五个连续的“1”（同步位字符串），在启始字节，此时传输计数将被重置并且串行传输将被同步，再跟随的两个位字符串分别指定传输方向位（RW）与寄存器选择位（RS），最后第八的位则为“0”。
在接收到同步位与RW和RS资料的启始字节后，每一个八位的指令将被分为两个字节接收到：
较高4位（DB7~DB4）的指令资料将会被放在第一个字节的LSB部分，而较低4位（DB3~DB0）的指令资料则会被放在第二个字节的LSB部分，至于相关的另四位则都为0。
串行接口时序图如下：
图2-8串行接口时序图
为了更好的了解LCD的工作特性我们可以从下图2-9所示，了解串行口接口特性，
图2-9串行口接口特性
（3）.LCD显示步骤
显示数据RAM提供64×2个字节的空间，最多可以控制4行16字（64个字）的中文字型显示，当写入显示资料RAM时，可以分别显示CGROM，HCGROM与CGRAM的字型；本系列模块可以显示三种字型，分别是半宽的HCGROM字型、CGRAM字型与中文CGROM字型，三种字型的选择，由在DDRAM中写入的编码选择，在0000H～0006H的编码中将选择CGRAM的自定字型，02H～7FH的编码中将选择半宽英数字的字型，至于A1以上的编码将自动的结合下一个字节，组成两个字节的编码达成中文字型的编码BIG5（A140～D75F）GB（A1A0～F7FF），详细各种字型编码如下：
1.显示半宽字型：
将8位资料写入DDRAM中，围为02H～7FH的编码。
2.显示CGRAM字型：
将16位资料写入DDRAM中，总共有0000H，0002H，0004H，0006H四种编码。
3.显示中文字形：
将16位资料写入DDRAM中，围为A140H～D75FH的编码（BIG5），A1A0H～F7FFH的编码（GB）。
将16位资料写入DDRAM方式为透过连续写入两个字节的资料来完成，先写入高字节（D15～D8）再写入低字节（D7～D0）。
2.2.６数模与模数转换部分方案的设计
能将模拟量转换为数字量的电路称为模数转换器，简称A/D转换器或ADC；能将数字量转换为模拟量的电路称为数模转换器，简称D/A转换器或DAC。
ADC和DAC是沟通模拟电路和数字电路的桥梁，也可称之为两者之间的接口。
将输入的每一位二进制代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后将代表各位的模拟量相加，所得的总模拟量就与数字量成正比，这样便实现了从数字量到模拟量的转换。
本课设使用ADC0809模数转换器，ADC0809是8通道8位CMOS逐次逼近式A/D转换芯片，片有模拟量通道选择开关与相应的通道锁存、译码电路，A/D转换后的数据由三态锁存器输出，由于片没有时钟需外接时钟信号。
芯片的引脚如图2-10,各引脚功能如下：
IN0～IN7：
八路模拟信号输入端。
ADD-A、ADD-B、ADD-C：
三位地址码输入端。
CLOCK：
外部时钟输入端。
CLOCK输入频率围在10～1280KHz，典型值为640KHz，此时A/D转换时间为100us。
51单片机ALE直接或分频后可与CLOCK相连。
D0～D7：
数字量输出端。
OE：
A/D转换结果输出允许控制端。
当OE为高电平时，允许A/D转换结果从D0～D7端输出。
ALE：
地址锁存允许信号输入端。
八路模拟通道地址由A、B、C输入，在ALE信号有效时将该八路地址锁存。
START：
启动A/D转换信号输入端。
当START端输入一个正脉冲时，将进行A/D转换。
EOC：
A/D转换结束信号输出端。
当A/D转换结束后，EOC输出高电平。
Vref（+）、Vref（-）：
正负基准电压输入端。
基准正电压的典型值为+5V。
图2-100809引脚
D/A装换：
DAC0832是8位D/A转换器，它采用CMOS工艺制作，具有双缓冲器输入结构，其引脚排列如图2-11所示，DAC0832各引脚功能说明：
DI0～DI7：
转换数据输入端。
CS：
片选信号输入端，低电平有效。
ILE：
数据锁存允许信号输入端，高电平有效。
WR1：
第一写信号输入端，低电平有效，Xfer：
数据传送控制信号输入端，低电平有效。
WR2：
第二写信号输入端，低电平有效。
Iout1：
电流输出1端，当数据全为1时，输出电流最大；数据全为0时，输出电流最小。
Iout2：
电流输出2端。
DAC0832具有：
Iout1+Iout2=常数的特性。
Rfb：
反馈电阻端。
Vref：
基准电压端，是外加的高精度电压源，它与芯片的电阻网络相连接，该电压
围为：
-10V～+10V。
DAC0832部有两个寄存器，而这两个寄存器的控制信号有五个，输入寄存器由ILE、CS、WR1控制，DAC寄存器由WR2、Xref控制，用软件指令控制这五个控制端可实现三种工作方式：
直通方式、单缓冲方式、双缓冲方式。
直通方式是将两个寄存器的五个控制端预先置为有效，两个寄存器都开通只要有数字信号输入就立即进入D/A转换。
单缓冲方式使DAC0832的两个输入寄存器中有一个处于直通方式，另一个处于受控方式，可以将WR2和Xfer相连在接到地上，并把WR1接到51的WR上，ILE接高电平，CS接高位地址或地址译码的输出端上。
双缓冲方式把DAC0832的输入寄存器和DAC寄存器
升级会员 