中北大学基于MCS 51直流电动机驱动电路设计.docx

1、中北大学基于MCS 51直流电动机驱动电路设计单片机课程设计说明书基于MCS 51直流电动机驱动电路设计学生姓名： 学号： -学 院： 专 业： 指导教师： 2012年 6月中北大学课程设计任务书 2011/2012 学年第 二 学期系 别：专 业：学 生 姓 名：学 号：课程设计题目：基于MCS-51单片机直流电动机驱动电路设计起 迄 日 期:5月28日6月8日指 导 教 师:系主任：下达任务书日期: 2012年5月26日课 程 设 计 任 务 书1设计目的：1、通过本次课程设计加深对单片机课程的全面认识和掌握，对单片机课程的应用进一步的了解。 2、通过这次课程设计将单片机软硬件结合起来，对

2、程序进行编辑，校验，锻炼理论联系实际的能力。 3、通过本次课程设计掌握将单片机和外部电路的连接特性，更好地把握单片机的特性。4、通过本次课程设计提高学生的综合能力、动手能力、文献资料查阅能力，为毕业设计和以后工作打下一个良好的基础。 2设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）：用Proteus仿真MCS51系列MCU及其外围电路，用它与Keil开发工具结合，搭建单片机开发平台。利用51单片机设计一个直流电动机驱动电路设计系统，要求选择合适的A/D转换芯片，通过改变电位器控制电动机转动。具体要求如下：1. 设计单片机工作直流电动机驱动电路；2. 用项目管理器生成应用；3. 绘制

3、控制软件流程图；4. 编写相应的控制程序；5. 修改源程序中的错误；6. 利用proteus进行仿真。3设计工作任务及工作量的要求包括课程设计计算说明书(论文)、图纸、实物样品等： 课程设计说明书一份；原理图；程序；仿真结果课 程 设 计 任 务 书4主要参考文献：1 李朝青 单片机原理及接口技术。北京航空航天大学出版社，2005年2 李群芳 肖看 单片机原理、接口及应用。清华大学出版社，2005年3 陈汝全 电子技术常用器件应用手册。机械工业出版社，2004年4 蒋辉平，基于proteus的单片机系统设计与仿真研究，2009年5设计成果形式及要求：课程设计说明书一份；原理图；程序；仿真结果6

4、工作计划及进度：2012年 5月 28 日 6月 1日：熟悉课程设计的内容，查阅相关资料及学习相关软件； 6 月 2日 6 月5日：进行总体设计，绘制原理图并进行仿真；6月 6日 6月8日：论文撰写及答辩。系主任审查意见： 签字： 年 月 日目 录1 引言11.1 直流电动机的背景 21.2 课题设计的目的 21.3 课题设计的意义 22 直流电动机原理概述 12.1 直流电动机驱动原理 22.2 PWM基本原理 23 系统硬件设计 13.1 设计部分分析 23.2 直流电机驱动电路设计 23.3 应用软件的编制与调试 4 3.4 元件清单 24 系统软件设计 44.1 总体程序流程图 24.

5、2 源程序代码 25 仿真和调试 75.1 仿真过程 75.2 仿真结果 7 6 课程设计体会 9参考文献10致谢10引言1.1 直流电动机的背景随着人们生活水平的提高，产品质量、精度、性能、自动化程度、功能以及功耗、价格问题已经是选择家用电器的主要因素。永磁无刷直流电机既具有交流伺服电机的结构简单、 运行可靠、维护方便等优点，又具备直流伺服电机那样良好的调速特性而无机械式换向器，现已广泛应用于各种调速驱动场合。MOTOROLA 第二代电机控制专用芯片的出现，给永磁无刷直流电机调速装置的设计带来了极大的便利。这些芯片控制功能强，保护功能完善，工作性能稳定，组成的系统所需外围电路简单，抗干扰能力

6、强，特别适用于工作环境恶劣，对控制器体积，价格性能比要求较高的场合。1.2 课题设计的目的作为理工科的学生应该在学习和手动实践中提高自己的专业技能知识，通过课程设计使我进一步熟悉了单片机的内部结构和工作原理。掌握了单片机应用系统设计的基本方法和步骤；通过利用AT89C51单片机，理解单片机在自动化装置中得作用以及掌握单片机的编程调试方法；通过设计一个简单的实际应用输入控制及显示系统，掌握Protuse和Keil 的仿真软件使用。现在的学习是为以后的发展而做铺垫，通过课程设计提高自己的动手能力1.3 课题设计的意义加深理解直流电动机在单片机上的运用，增进对电路仿真的兴趣。1 直流电动机原理概述2

7、.1 直流电动机驱动原理直流电机里边固定有环状永磁体，电流通过转子上的线圈产生洛伦兹力，当转子上的线圈与磁场平行时，再继续转受到的磁场方向将改变，因此此时转子末端的电刷跟转换片交替接触，从而线圈上的电流方向也改变，产生的洛伦兹力方向不变，所以电机能保持一个方向转动2.2 PWM基本原理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，进而达到控制要求的一种电压调整方法。PWM可以应用在许多方面，如电机调速、温度控制、压力控制等。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

8、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”。在脉冲作用下，当电机通电时，速度增加；电机断电时，速度逐渐减少。只要按一定规律，改变通、断电的时间，即可让电机转速得到控制。设电机始终接通电源时，电机转速最大为,设占空比为=/，则电机的平均速度为: =* （公式 1-2）式中， 电机的平均速度;电机全通电时的速度(最大);=/占空比。由公式1-2可见，当我们改变占空比时=/，就可以得到不同的电机平均速度 ，从而达到调速的目的。严格地讲，平均速度与占空比=/并不是严格的线性关系，在一般的应用中，可以将其近似地看成线性关系3。3 系统硬件设计键盘向单片机输入相

9、应控制指令，由单片机通过P3.0与P3.1其中一口输出与转速相应的PWM脉冲，另一口输出低电平，经过信号放大、驱动电动机控制电路，实现电动机转向与转速的控制，电动机正转，反转，加速，减速、急停。总体设计方案的硬件部分详细框图如图1所示图1 系统硬件框图3.1 设计部分分析AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除10

10、0次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。如图2图2 AT89C51引脚图 A/D转换器即是将模拟信号(电压或是电流的形式)转换成数字信号。这种数字信号可让仪表,计算机外设接口或是微处理机来加以操作或胜作使用。A/D转换器与单片机接口具有硬、软件相依性。一般来说，A/D转换器与单片机的接口主要考虑的是数字量输出线的连接、ADC启动

11、方式、转换结束信号处理方法以及时钟连接等。3.2 直流电机驱动电路设计 由于单片机P3口输出的电压最高才有5V，难以直接驱动直流电机。所以我们需要使用恒压恒流桥式2A驱动芯片L298N来驱动电机。L298N可接受标准TTL逻辑电平信号VSS，VSS可接4.57V电压。4脚VS接电源电压，VS电压范围VIH为2.546V。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

12、的正反转。EnA，EnB接控制使能端，控制电机的停转。同时需要加四个二极管在电机的两端，防止电机反转的时候产生强大的冲击电流烧坏电机8-9。具体驱动电路如下图图3 驱动电路图4 晶振电路图5复位电路RV1采集到的电压信息通过ADC0808转换为8位数字信号，输入到单片机AT89C51.PWM信号由单片机产生，输出到电动机驱动电路，进而驱动电动机转动，通过改变RV1可以改变PWM信号的占空比。从而控制电动机的转速。系统整体硬件电路图如图6示 图6 系统整体硬件电路图3.3 应用软件的编制与调试使用Keil 软件工具时，项目开发流程和其它软件开发项目的流程极其相似。(1) 创建一个项目，从器件库中

13、选择目标器件，配置工具设置。(2) 用C语言或汇编语言创建源程序。(3) 用项目管理器生成应用。(4) 修改源程序中的错误。(5) 测试，连接应用。3.4 元件清单2N2222AADC0808CAPCAP-ELECMOTOROP07POT-HGRESAT89C514 系统软件设计用电位器调节AT89C51的PWM占空比，将A/D转换后的数据作为延时常数，当电位器阻值发生变化。ADC0808输出的值也会变化，进而调节单片机输出的PWM占空比，控制电动机的转速。4.1 总体程序流程图图7 总体程序流程图4.2 源程序代码ADC EQU 35HCLOCK BIT P2.4 ；定义ADC0808时钟位

14、ST BIT P2.5EOC BIT P2.6OE BIT P2.7PWM BIT P3.7 ORG 00H SJMP START ORG 0BH LJMP INT_T0START: MOV TMOD,#02H MOV TH0,#20 MOV TL0,#00H MOV IE,#82H SETB TR0WAIT: CLR ST SETB ST CLR ST ；起动A/D转换 JNB EOC,$ ；等待转换结束 SETB OE MOV ADC,P1 ；读取A/D转换结果 CLR OE SETB PWM ；PWM输出 MOV A,ADC LCALL DELAY CLR PWM MOV A,#255

15、SUBB A,ADC LCALL DELAY SJMP WAITINT_T0: CPL CLOCK ；提供ADC0808时钟信号 RETIDELAY: MOV R6,#1D1: DJNZ R6,D1 DJNZ ACC,D1 RET END5 调试和仿真5.1 仿真过程(1)打开Keil vision3，新建Keil项目。选择AT89C51单片机作为CPU，新建汇编源文件，编写程序，并将其导入到“Source Group 1”中，在“Options For Target”对话窗口中，选择“output”选项卡中得“Create HEX File”选项和“Debug”选项卡中得“Use：Prote

16、us VSM Simulator ”选项。编译汇编源程序，改正程序中得错误。（2）在Proteus ISIS中，选中AT89C51并单击鼠标左键，打开“Edit Component”对话窗口，设置单片机晶振频率为12MHz。在此窗口中得“Program File”栏中，选择先前用Keil生成的 .HEX 文件。在Proteus ISIS的菜单栏中选择“File”“Save Design”选项，保存设计。在Proteus ISIS的菜单栏中，打开“Debug”下拉菜单，在菜单中选中“Use Remote Debug Monitor”选项，以支持与Keil的联合调试。（3）在Keil的菜单栏中选择

17、“Debug”-“Start/Stop Debug Session”选项，进入程序调试环境。按“F5”键，顺序运行程序。调出“Proteus ISIS”界面，调解电位器，观察直流电动机转速的变化。5.2 仿真结果在Protuse sp3 下进行仿真，在Protuse环境下输入源程序，把源程序代码生成目标代码后，将其加载到电路里，设置单片机时钟频率为12MHz，电路即可开始工作。通过改变RV1的阻值，可以看到ADC0808的输出端相应位输出高低不同的电平。单片机接收到此数据后，控制输出端P3.7 输出PWM信号。RV1的改变可以控制电动机转速，PWM输出波形如图8a高占空比b低占空比图8 PWM

18、输出波形6 课程设计体会经过两星期的努力，终于完成了课程设计。在 Protuse和Keil c中仿真了出来，同时也做出了实物，基本上实现了直流电机的驱动电路控制。本次单片机的课程设计用户到了AT89C51数模转换电路还有复位、晶振电路。如果说在过去一学期里，我们的学习是一个知识的积累过程，那么现在的课程设计就是对过去所学的知识的综合应用，是对理论进行深化和重新认识的实践活动。首先，学习能力和解决问题的信心都得到了提高。在课程设计的过程中，遇到了很多困难，但是在查阅了很多有关书籍和向同学请教后终于解决了。通过这次课程设计，我不仅对理论有了更深一步的认识，还培养了自学能力和解决问题的能力，更重要的

19、是，培养了克服困难的勇气和信心。其次，我们的课程设计之所以能基本完成，要深深地感谢我们的指导老师的悉心指导和帮助。知识固然得到了巩固和提高，但我相信在实践中的切身体会将会使我在以后的工作和学习中终身受用。参 考 文 献5 李朝青 单片机原理及接口技术。北京航空航天大学出版社，2005年6 李群芳 肖看 单片机原理、接口及应用。清华大学出版社，2005年7 陈汝全 电子技术常用器件应用手册。机械工业出版社，2004年8 蒋辉平，基于proteus的单片机系统设计与仿真研究，2009年致 谢在这里首先要感谢我的导师老师。老师平日里工作繁多，但在我做课程设计的时期，给予了我很大的关心。然后还要感谢老师为我们打下电气专业知识的基础；同时还要感谢所有的同学们，正是因为有了你们的支持和鼓励。此次课程设计才会顺利完成。