电气单片机课程设计报告课案.docx
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电气单片机课程设计报告课案
扬州大学水利与能源动力工程学院
课程设计报告
题目：
单片机控制直流电动机
课程：
单片机原理及应用课程设计
专业：
电气工程及其自动化
第一部分
任
务
书
《单片机原理及应用》课程设计任务书
一、课题名称
详见《单片机课程设计题目
（一）》：
主要是软件仿真，利用Proteus软件进行仿真设计并调试；
《单片机课程设计题目
（二）》：
主要是硬件设计，利用单片机周立功实验箱进行设计并调试。
二、课程设计目的
课程设计是课程教学中的一项重要内容，是达到教学目标的重要环节，是综合性较强的实践教学环节，它对帮助学生全面牢固地掌握课堂教学内容、培养学生的实践和实际动手能力、提高学生全面素质具有很重要的意义。
《单片机原理及应用》是一门理论性、实用性和实践性都很强的课程，课程设计环节应占有更加重要的地位。
单片机原理及应用课程设计的目的是让学生在理论学习的基础上，通过完成一个涉及MCS-51单片机多种资源应用并具有综合功能的小系统目标板的设计与编程应用，使学生不但能将课堂上学到的理论知识与实际应用结合起来，而且能进一步加深对电子电路、电子元器件等知识的认识与理解，同时在软件编程、排错调试、相关软件和仪器设备的使用技能等方面得到较全面的锻炼和提高。
为今后能够独立进行某些单片机应用系统的开发设计工作打下一定的基础。
通过单片机硬件和软件设计、调试、整理资料等环节的培训，使学生初步掌握工程设计方法和组织实践的基本技能，逐步熟悉开展科学实践的程序和方法。
三、课程设计内容
设计以89C51单片机和外围元器件构成的单片机应用系统，并完成相应的软硬件调试。
1.系统方案设计：
综合运用单片机课程中所学到的理论知识，学生根据所选课题的任务、要求和条件进行总体方案的设计。
2.硬件电路设计：
对方案中以单片机为核心的电路进行设计计算，包括元器件的选择和电路参数的计算，并画出总体电路图。
3.软件设计：
根据已设计出的软件系统框图，用汇编语言或C51编制出各功能模块的子程序和整机软件系统的主程序。
4.调试：
在单片机EDA仿真软件环境Proteus下进行仿真设计并调试；或在单片机周立功实验箱上进行相关设计并调试。
四、课程设计要求
详见《单片机课程设计题目
（一）》
《单片机课程设计题目
（二）》
五、进度安排
序号
内容
天数
1
布置任务，熟悉课题要求
0.5
2
总体方案确定，硬件电路设计
1.5
3
软件编程
1.5
4
Proteus仿真，或在周立功实验箱上调试
2
5
总结，撰写课程设计报告
1.5
七、课程设计报告内容：
总结设计过程，写出设计报告，设计报告具体内容要求如下：
1．课程设计的目和设计的内容。
2．课程设计的要求。
3．控制系统总框图及系统工作原理。
4．控制系统的硬件电路连接图，电路的原理。
5．软件设计流程图及其说明。
6．电路设计，软件编程、调试中遇到的问题及分析解决方法。
7．实验结果及其分析。
8．体会。
第二部分
课
程
设
计
报
告
目录
1课题简介7
1.1课题目的7
1.2课题任务与要求：
7
2方案设计7
2.1控制系统总体介绍7
2.2工作原理8
3硬件电路设计9
3.1AT89C51单片机介绍9
3.2DAC0830芯片介绍10
3.3ADC0808芯片介绍10
3.4MAX7219芯片介绍11
3.5LED数码管14
3.6直流电机环节14
4软件编程设计16
4.1算法总流程图16
4.2控制电机转速流程图17
4.3主程序17
4.4中断程序18
4.5A/D转换程序19
4.6D/A转换程序19
4.7电压数字信号值增减子程序20
5实验与结果分析20
5.1Proteus仿真调试20
5.2电机转速的测定21
5.3电机电压数字信号值的测定21
6小结与体会22
参考文献24
附录（源程序）25
1课题简介
1.1课题目的：
熟练掌握直流电动机的速度控制，会利用单片机控制直流电动机的转速，能够熟练运用A/D、D/A转换器，熟练掌握MAX7219显示驱动芯片的工作原理，灵活掌握单片机各种程序的调试方法。
1.2课题任务与要求：
采用单片机设计一个控制直流电机并测量转速的装置。
单片机扩展有A/D转换芯片ADC0809和D/A转换芯片DAC0832。
（1）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，进而改变直流电机的转速。
（2）手动控制。
在键盘上设置两个按键—直流电动机加速键和直流电机减速键。
在手动状态下，每按一次键，电机的转速按照约定的速率改变。
（3）键盘列扫描（4×6）。
2方案设计
2.1控制系统总体介绍
为了能够演示DAC0832的使用，未使用PWM驱动方式。
而是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A/D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。
需要注意的是，本题目使用的Proteus版本，未提供ADC0809的仿真模型，这里以引脚、功能与之相同的ADC0808代替。
同时，DAC0832也可以用引脚、功能相同的DAC0830代替。
ADC0809与DAC0832在教材中已有详细介绍，在此不再叙述。
按照其时序图，如下图2.1和图2.2操作即可。
图2.1ADC0808时序图
图2.2DAC0830时序图
2.2工作原理
本题目难点是对直流电机的控制。
与步进电机类似，直流电机也可精确地控制旋转速度或转矩。
直流电机是通过两个磁场的互作用产生旋转。
其结构如下图2.3所示，固定部分（定子）上，装设了一对直流励磁的静止的主磁极N和S，在旋转部分（转子）上装设电枢铁心。
定子与转子之间有一气隙。
在电枢铁心上放置了由A和X两根导体连成的电枢线圈，线圈的首端和末端分别连到两个圆弧形的铜片上，此铜片称为换向片。
图2.3有刷直流电机结构示意图
换向片之间互相绝缘，由换向片构成的整体称为换向器。
换向器固定在转轴上，换向片与转轴之间亦互相绝缘。
在换向片上放置着一对固定不动的电刷B1和B2，当电枢旋转时，电枢线圈通过换向片和电刷与外电路接通。
定子通过永磁体或受激励电磁铁产生一个固定磁场，由于转子由一系列电磁体构成，当电流通过其中一个绕组时会产生一个磁场。
对有刷直流电机而言，转子上的换向器和定子的电刷在电机旋转时为每个绕组供给电能。
通电转子绕组与定子磁体有相反极性，因而相互吸引，使转子转动至与定子磁场对准的位置。
当转子到达对准位置时，电刷通过换向器为下一组绕组供电，从而使转子维持旋转运动，如图2.4所示。
图2.4电刷供电原理
直流电机的速度与施加的电压成正比，输出转矩则与电流成正比。
由于必须在工作期间改变直流电机的速度，直流电机的控制是一个较困难的问题。
直流电机高效运行的最常见方法是施加一个PWM（脉宽调制）方波，其占空比对应于所需速度。
电机起到一个低通滤波器作用，将PWM信号转换为有效直流电平。
特别是对于微处理器驱动的直流电机，由于PWM信号相对容易产生，这种驱动方式使用的更为广泛。
3硬件电路设计
3.1AT89C51单片机介绍
图3.1AT89C51接线图
AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（PEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
由上图可知，P0口作为A/D转换器数字电压量输入口，其结果存放于单片机内部RAM的3AH单元中，P2口与D/A转换器相连。
P1口中P1.0、P1.1、P1.2作为与MAX7219的联络口，其中DIN（串行数据输入端）与P1.0相连，LOAD（装载数据输入端）与P1.1端口相连，CLK（串行时钟输入）与P1.2相连。
P1.3与D/A片选CS（低电平有效）相连，P1.4与D/A写信号WR（低电平有效）相连，P1.5与A/D口启动信号START（高电平有效）相连，P1.6与A/D转换结束标志EOC（低电平有效）相连，P1.7与A/D输出有效OE端口相连。
P3口中，P3.0与P3.1作为外部脉冲开关接口，P3.5作为定时器T1中断接口。
3.2DAC0830芯片介绍
图3.2DAC0832接线图
DAC0830直接与单片机相连，DI0-DI7端口与单片机相应引脚相连，GND、RFB、WR2、XFER、IOUT2接地。
选地址为FFF8H，输出模拟电压，具体程序见本文软件编程设计以及附录部分。
3.3ADC0808芯片介绍
图3.3ADC0808接线图
ADC0808直接与单片机相连，OUT1-OUT8与单片机相应引脚相连，IN0接滑动变阻器接线端，选中0通道作为A/D转换通道，输入电压模拟信号时钟频率为640K，具体程序见本文软件编程设计以及附录部分。
3.4MAX7219芯片介绍
图3.4MAX7219接线图
MAX7219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。
MAX7219的外部引脚分配如图3.5所示，内部引脚分配如图3.6所示。
图3.5MAX7219的外部引脚分配
图3.6MAX7219的内部引脚分配
各引脚的功能为：
DIN：
串行数据输入端
DOUT：
串行数据输出端，用于级连扩展
LOAD：
装载数据输入
CLK：
串行时钟输入
DIG0~DIG7：
8位LED位选线，从共阴极LED中吸入电流
SEGA~SEGGDP7段驱动和小数点驱动
ISET：
通过一个10k电阻和Vcc相连，设置段电流
1.MAX7219有下列几组寄存器：
MAX7219内部的寄存器主要有：
译码控制寄存器、亮度控制寄存器、扫描界限寄存器、关断模式寄存器、测试控制寄存器。
编程时只有正确操作这些寄存器，MAX7219才可工作。
（1）译码控制寄存器（X9H）
如图3.7所示，MAX7219有两种译码方式：
B译码方式和不译码方式。
当选择不译码时，8个数据为分别一一对应7个段和小数点位；B译码方式是BCD译码，直接送数据就可以显示。
实际应用中可以按位设置选择B译码或是不译码方式。
图3.7MAX7219的译码控制寄存器
（2）扫描界限寄存器（XBH）
如图3.8所示，此寄存器用于设置显示的LED的个数（1~8），比如当设置为0xX4时，LED0~5显示。
图3.8MAX7219的扫描界限控制寄存器
（3）亮度控制寄存器（XAH）
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