单片机控制直流电机并测速电压ADDA转换以及pwm按键调速正转反转.doc
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单片机原理及应用
课程设计报告书
题目：
用单片机控制直流电动机并测量转速
姓名：
徐银浩
学号：
1110702225
专业：
电子信息工程
指导老师：
沈兆军
设计时间：
2014年11月
信息工程学院
目录
1. 引言 1
1.1设计意义 1
1.2系统功能要求 1
2. 方案设计 1
3.硬件设计 1
3.1AT89C51最小系统 3
3.2按键电路 4
3.3A/D转换模块 4
3.4.D/A转换模块 6
3.5电机转速测量电路 7
3.6显示电路 8
3.7总电路图 10
4.软件设计 11
4.1系统主程序设计 12
4.2按键扫描程序设计 12
4.3显示子程序 12
4.4定时中断处理程序 12
4.5A/D转换程序 13
5.系统调试 14
6. 设计总结 16
7. 参考文献 17
8. 附录A；源程序 18
9. 附录B；电路原理总图、作品实物图片 23
用单片机控制直流电动机并测量转速单片机原理及应用课程设计
用单片机控制直流电动机并测量转速
1引言
1.1.设计意义
电动机作为最主要的动力源，在生产和生活中占有重要地位。
电动机的调速控制过去多用模拟法，随着计算机的产生和发展以及新型电力电子功率器件的不断涌现，电动机的控制也发生了深刻的变化，本系统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AD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。
1.2.系统功能要求
单片机扩展有A/D转换芯片ADC0809和D/A转换芯片DAC0832。
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，进而改变直流电动机的转速。
手动扩展。
在键盘上设置两个按键——直流电动机加速键和直流电动机减速减。
在手动状态下，每按一次键，电动机的转速按照约定的速率改变。
用显示器LED或LCD显示数码移动的速度，及时形象地跟踪直流电动机转速的变化情况。
2方案设计
为了使用单片机对电动机进行控制，对单片机的基本要求应有足够快点速度；有捕捉功能。
总体设计方案如图所示
数码显示
数码驱动
DAC0832
按键控制
单片机
ADC0808
信号放大
电压信号
驱动电机
光电管脉冲计数
图2.1总体设计方案
（1）键盘向单片机输入相应控制指令，由单片机通过P3.0口输出信号，该编码通过DAC0832译成相应的模拟电压，经过信号放大实现电动机转向与转速的控制。
（2）可变电阻接ADC0808转变成相应电压的数字信号，单片机通过P1口读取，再由P2口输出与转速相应的8位BCD编码与DAC0832相接。
电动机的运转状态则通过四位数码管显示出来。
（3）电机的测速显示，采用光电传感器测量电机的转速，在设计中，在电机转轴末梢上安装纸卡，在纸卡上留出两个孔。
电机转轴每转一圈，发射二极管发出的光便通过纸卡的孔到达接受二极管，就可在接受二极管上产生相应的脉冲信号。
计算下1s内输出的脉冲信号的个数，把计数的结果取一半，就可得到电动机的转动速度。
（4）通过Max7219驱动器驱动4位共阴极LED灯，这样节省了许多I/O口。
3硬件设计
3.1AT89C51最小系统
AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
AT89C2051是一种带2K字节闪存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1000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。
AT89C51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。
图3.1单片机最小系统的设计
AT89C51提供以下标准功能：
4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。
同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。
3.2按键电路
单片机的P3.6和P3。
7口分别接一个按键用于控制电机。
当按下“叫”键时，电机转速提高，进入加速状态；当按下“减”键时，电机转速减慢，进入减速状态。
通过“加”“减”两个按键可以达到键盘控制电机的作用。
3.3A/D转换模块
（1）ADC0808
ADC0808是美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D模数转换器。
其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。
是目前国内应用最广泛的8位通用A/D芯片。
主要特性
1）8路输入通道，8位A/D转换器，即分辨率为8位。
2）具有转换起停控制端。
3）转换时间为100μs（时钟为640kHz时），130μs（时钟为500kHz时）
4）单个+5V电源供电。
5）模拟输入电压范围0～+5V，不需零点和满刻度校准。
6）工作温度范围为-40～+85摄氏度。
7）低功耗，约15mW。
ADC0809的工作过程
首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。
此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。
START上升沿将逐次逼近寄存器复位。
下降沿启动A/D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。
直到A/D转换完成，EOC变为高电平，指示A/D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。
当OE输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。
转换数据的传送A/D转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理。
数据传送的关键问题是如何确认A/D转换的完成，因为只有确认完成后，才能进行传送。
为此可采用下述三种方式。
（1）定时传送方式
对于一种A/D转换器来说，转换时间作为一项技术指标是已知的和固定的。
例如ADC0809转换时间为128μs，相当于6MHz的MCS-51单片机共64个机器周期。
可据此设计一个延时子程序，A/D转换启动后即调用此子程序，延迟时间一到，转换肯定已经完成了，接着就可进行数据传送。
（2）查询方式
A/D转换芯片由表明转换完成的状态信号，例如ADC0808的EOC端。
因此可以用查询方式，测试EOC的状态，即可确认转换是否完成，并接着进行数据传送。
（3）中断方式
把表明转换完成的状态信号（EOC）作为中断请求信号，以中断方式进行数据传送。
不管使用上述哪种方式，只要一旦确定转换完成，即可通过指令进行数据传送。
首先送出口地址并以信号有效时，OE信号即有效，把转换数据送上数据总线，供单片机接受。
图3.3AD转换电路的设计
（2）工作原理
如图3.3所示，外部电源通过滑动变阻器向ADC0808输入控制电压信号，经A/D处理后，输入到AT89C51中，交由AT89C51处理，进行下一步动作。
3.4D/A转换模块
（1）DAC0832
DAC0832是8分辨率的D/A转换集成芯片。
与微处理器完全兼容。
这个DA芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到广泛的应用。
D/A转换器由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成。
主要特性参数
1.分辨率为8位；
2.电流稳定时间1us；
3.可单缓冲、双缓冲或直接数字输入；
4.只需在满量程下调整其线性度；
5.单一电源供电（+5V～+15V）；
6.低功耗，20mW。
DAC0832的工作方式
DAC0832进行D/A转换，可以采用两种方法对数据进行锁存。
第一种方法是使输入寄存器工作在锁存状态，而DAC寄存器工作在直通状态。
具体地说，就是使和都为低电平，DAC寄存器的锁存选通端得不到有效电平而直通；此外，使输入寄存器的控制信号ILE处于高电平、处于低电平，这样，当端来一个负脉冲时，就可以完成1次转换。
第二种方法是使输入寄存器工作在直通状态，而DAC寄存器工作在锁存状态。
就是使和为低电平，LE为高电平，这样，输入寄存器的锁存选通信号处于无效状态而直通；当和端输入1个负脉冲时，使得DAC寄存器工作在锁存状态，提供锁存数据进行转换。
图3.4DA转换电路的设计
（2）工作原理
如上图3.4所示，电压信号输入后经过AD转换输入到AT89C51，由单片机通过P1口输出与转速相应的8位BCD编码，该编码通过DAC0832译成相应的模拟电压，经过信号放大实现电动机转向与转速的控制。
3.5电机转速测量电路
图3.5光电传感器测速设计
采用光电传感器测量电机的转速，在设计中，在电机转轴末梢上安装纸卡，在纸卡上留出两个孔。
电机转轴每转一圈，发射二极管发出的光便通过纸卡的孔到达接受二极管，就可在接受二极管上产生相应的脉冲信号。
计算下1s内输出的脉冲信号的个数，把计数的结果取一半，就可得到电动机的转动速度。
3.6显示电路
（1）MAX7219
MAX7219/MAX7221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。
功能特点：
1、10MHz连续串行口
2、独立的LED段控制
3、数字的译码与非译码选择
4、150μA的低功耗关闭模式
5、亮度的数字和模拟控制
6、高电压中断显示
7、共阴极LED显示驱动
8、限制回转电流的段驱动来减少EMI（MAX7221）
9、SPI,QSPI,MICROWIRE串行接口（MAX7221）
（2）工作原理
如图3.6所示，可变电阻接ADC0808转变成相应电压的数字信号，单片机通过P0口读取，再由P1口输出与转速相应的8位BCD编码到MAX7219。
经由MAX7219处理后通过四位数码管显示出来。
采用光电传感器测量电机的转速，在设计中，在电机转轴末梢上安装纸卡，在纸卡上留出两个孔。
电机转轴每转一圈，发射二极管发出的光便通过纸卡的孔到达接受二极管，就可在接受二极管上产生相应的脉冲信号。
计算下1s内输出的脉冲信号的个数，把计数的结果取一半，就可得到电动机的转动速度。
图3.6显示电路的设计
3.7总电路图
由各子模块设计给得出总硬件电路设计如下图3.7所示
图3.7硬件总电路图
4软件设计
4.1系统主程序设计
本系统编程部分工作采用KELI-C51语言完成，采用模块化的设计方法，与各子程序做为实现各部分功能和过程的入口，完成键盘输入、按键识别、ADC0809读取和DAC0832输出、脉冲计数以及数码管显示等部分的设计。
开始
系统初始化
按键是否按下
N
Y
读取键值
减速
加速
电机减速
电机加速
电机转动产生脉冲
脉冲计数
调用MAX7219驱动
显示速度
返回
图4.1主程序流程图
4.2按键扫描程序设计
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止，就需在判断是否松开该按键时，每进行一次增加/减少一定的占空比。
4.3显示子程序
Max7219驱动显示子程序用于处理DAC0832处理出来的8位BCD，利用数组方式定义显示缓存区，缓存区有8位，分别存放各个数码管要显示的值。
流程图如下图4.3所示
开始
初始化MAX7219
读取计数数据
调用显示子程序
数码管显示数据
显示完成
图4.3max7219驱动显示电路
4.4定时中断处理程序
定时中断处理程序：
采用定时方式1，因为单片机使用12M晶振，可产生最高约为65.5ms的延时。
对定时器置初值B1E0H可定时20ms，即系统时钟精度可达0.02s。
当20ms定时时间到，定时器溢出则响应该定时中断处理程序，完成对定时器的再次赋值，并对全局变量time加1，这样，通过变量time可计算出系统的运行时间。
4.5A/D转换程序
首先判断A/D转换是否允许进行，当WR又低变高时AD开始转换，再读取转换数据结果，把数据存到ad_data中，完成A/D转换。
流程图如下图4.4所示
开始
acds=0
N
、Y
允许A/D转换
读取转换数据结果数据结果
把数据存到ad_data中
停止A/D转换
图4.5A/D转换程序流程图
5系统调试
图5.1Keilc51编译调试
因为代码设计到的知识点比较多，并且很多知识我们都忘了，所以在编写的时候，有很多不会的，但是最终自己通过查阅图书馆资料解决了那些问题。
图5.2仿真结果图
5设计总结
上个学期的单片机课已经早早的上完了，但是理论纯属理论，没有与实践的结合总让我们学的不踏实，感觉没有达到学以致用的效果。
这学期我们大四了，老师给我们安排了这次单片机课程设计，给了我们学以致用的做好的实践。
关于这次课程设计，我花费了比较多的心思，既是对课程理论内容的一次复习和巩固，还让我们丰富了更多与该专业相关的其他知识，比如软件应用等，在摸索中学习，在摸索中成长，在学习的过程中带着问题去学我发现效率很高，这是我做这次课程设计的又一收获，在真正设计之前我们做了相当丰富的准备，首先巩固一下课程理论，再一遍熟悉课程知识的构架，然后结合加以理论分析、总结，有了一个清晰的思路和一个完整的的软件流程图之后才着手设计。
在设计程序时，我们不能妄想一次就将整个程序设计好，反复修改、不断改进是程序设计的必经之路；养成注释程序的好习惯是非常必要的，一个程序的完美与否不仅仅是实现功能，而应该让人一看就能明白你的思路，这样也能为资料的保存和交流提供了方便；我觉得在设计课程过程中遇到问题是很正常，但我们应该将每次遇到的问题记录下来，以免下次再碰到同样的问题的课程设计又出错了。
除了对此次设计的准备工作之外，我们还学到了很多平时难得的东西，首先是团队协作，在这次设计当中，难免和同学产生观点和意见的分歧，以及分工明细、时间安排等不合理，通过这次设计，我们体会到了团结合作的重要性及力量之强大，还有让我们处理事情更加有条理，思路更加清晰明了了，发现、提出、分析、解决问题和实践能力的提高都将受益于我在以后的学习、工作和生活中。
此次的设计，其实也是我们所学知识的一次综合运用，让我深深的认识到了学习单片机要有一定的基础，要有电子技术方面的数字电路和模拟电路等方面的理论基础，特别是数字电路；也要有编程语言的汇编语言或C语言。
要想成为单片机高手，我们首先要学好汇编语言，然后转入C语言学习，所以我们不能学到后面就忘了前面的知识，更应该将所学的知识紧紧的结合在一起，综合运用，所谓计，就是要求创新，只有将知识综合运用起来才能真正的设计好。
7参考文献
[1]陈益飞，沈兆军.单片机原理及应用技术.国防工业出版社，2011.
[2]陈忠平.基于proteus的51单片机设计和仿真.电子工业出版社.2013.
[3]MarkNelson著.潇湘工作室译.串行通信开发指南[M].中国水利水电出版社，2002.
[4]王宜怀.单片机原理及其嵌入式应用教程[M].北京希望电子出版社，2002.
[5]韩润萍,陈小萍.点阵LED显示屏控制系统[J].微计算机信息，2003，19（10）：
50-51.
[6]张毅刚，刘旺.单片机原理及应用.北京高等教育出版社，2013.6：
287-291.
8附录A；源程序
#include
#include
#defineuintunsignedint
#defineucharunsignedchar
#defineda1_7P2 //da转换口
#definead1_7P0//ad转换口
sbitST=P1^3;
sbitOE=P1^7;
sbitEOC=P1^6; //ad转换完成标志
sbitLOAD=P1^1; //max7219load
sbitDIN=P1^0; //max7219输入
sbitCLK=P1^2; //max7219clk
sbitMotor=P3^0;
sbitInc=P3^6;//速度增加
sbitDec=P3^7; //速度减小
ucharflag_add=0,flag_dec=0;
ucharspeed=90,t=0;
uintmotorspeed,counter=0,calsp;
uinttemp;
uchardisp[4];
ucharcodedispaly_list[]=
{0x00,0x01,0x02,0x03,0x04,
0x05,0x06,0x07,0x08} ;
voidkey（）;
voiddisplay（）; //max7219显示
voidcalspeed（）; //速度计数
voiddelay（uintz）; //延时
voidInitDis（）;//max7219初始化
voidinit_timer0（）; //中断初始
voidw_max7219（unsignedcharaddr,unsignedcharwdata）;
voidmain（void）
{
InitDis（）;
init_timer0（）;
while
（1）{
key（）;
ST=0;
ST=1;
ST=0;//start降，AD开始转换
delay（10）;
OE=0;
while（EOC==0）;//等待转换结束
OE=1;
temp=ad1_7;
da1_7=temp; //
OE=0;//
display（）;
calspeed（）;
}
}
/*******按键检测函数***********/
voidkey（） //按键检测函数
{
if（flag_add==0）
{
if（!
Inc） //p3.6加
{
flag_add=1;//标志
speed+=5;
if（speed>=100）
speed=100;
}
}
if（Inc）
flag_add=0;
if（flag_dec==0）
{
if（!
Dec）
{
flag_dec=1;
speed-=5;
if（speed<=5）
speed=5;
}
}
if（Dec）
flag_dec=0;
}
/*******初始化定时**************/
voidinit_timer0（）
{
EA=1;
EX0=1;
IT0=1; //外中断1
TMOD=0X01;
TH0=（65535-10000）/256;//10MS
TL0=（65535-10000）%256;
TR0=1; //定时1
ET0=1;
}
/******脉冲计数**********/
voidcalspeed（）
{
if（calsp>=100）//100*10ms=1s
{
motorspeed=counter;
counter=0;//计数清零
calsp=0;//标志清零
}
}
void_timer0（）interru
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