电控系统课程设计.docx

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电控系统课程设计

交通与汽车工程学院

课程设计说明书

课程名称:

汽车电控系统实习及课程设计

课程代码:

题目:

年级/专业/班:

学生姓名:

学生学号：

开始时间:

年月日

完成时间:

年月日

课程设计成绩：

学习态度及平时成绩（30）

技术水平与实际能力（20）

创新（5）

说明书（计算书、图纸、分析报告）撰写质量（45）

总分（100）

指导教师签名：

年月日

摘要……………………………………………………………………………………………3

1引言…………………………………………………………………………………………4

1.1设计背景…………………………………………………………………………………5

1.2任务与分析………………………………………………………………………………5

2方案设计……………………………………………………………………………………6

2.1系统方案设计论证……………………………………………………………………6

2.1.1系统的控制方案设计……………………………………………………………………6

2.1.2最终方案设计…………………………………………………………………………7

2.2最终设计方案总体设计框图……………………………………………………………7

3系统硬件………………………………………………………………………………8

3.1硬件设计总体方案…………………………………………………………………………8

3.2单片机……………………………………………………………………………9

3.3模数转换器…………………………………………………………………………10

3.4控制方案确定……………………………………………………………………………11

3.5单片机接口电路…………………………………………………………………………12

3.6控制信号的获取与放大…………………………………………………………………13

3.7开关电路的设计………………………………………………………………………14

4软件系统的设计……………………………………………………………………………15

4.1程序流程…………………………………………………………………………………16

4.1.1主程序流程图…………………………………………………………………………16

4.1.2数据子程序的流程图…………………………………………………………………17

4.1.3中断程序的流程图…………………………………………………………………18

5系统调试过程……………………………………………………………………18

5.1keil调试…………………………………………………………………………………22

5.2原理图绘制…………………………………………………………………………23

5.2.1在Protel99se绘制原理图……………………………………………………………24

5.3Proteus仿真调试………………………………………………………………………24

结论……………………………………………………………………………………………25

致谢……………………………………………………………………………………………26

参考文献………………………………………………………………………………………27

附录一程序源代码…………………………………………………………………………28

附录二电路原理图……………………………………………………………………………32

附录三Proteus仿真截图……………………………………………………………………33

摘要

本课程设计是关于汽车电机的调速控制，为实际控制建立一个简易的模型。

主要是通过运用滑动变阻器模拟外输入信号对电动机的控制，也就是通过调节电动机的两端电压脉宽比，通过ADC0808进行A/D转换把外部的控制信号调解转换为数字信号。

然后将数字信号传给AT89C51单片机，经单片机处理后对电动机的转速进行实时控制，以保证行驶需要。

本课程设计主要包括A/D转换模块、电动机启动模块、电动机控制模块、电动机停车模块四个部分。

文中对每个部分功能、实现过程作了详细介绍。

关键词：

单片机；电动机起停；ADC0808；电动机控制

1引言

1.1设计背景

电动机的转速的控制对行车安全有着非常重要的影响，尤其是电动车，因为电动车安全是靠电动机驱动，电动机的转速直接影响到汽车的行驶速度，将电动机的速度控制在一个合理范围内是行驶的需要，也是我们人生安全的需要，更是现在国家相关政策的执行要求，对于减少交通意外的发生和保护乘车人员的安全有着重大影响，所以电动机转速的控制就在这种环境下应运而生。

脉冲宽度调制是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，是利用微处理器的数字信号对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。

PWM控制技术以其控制简单，灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式，也是人们研究的热点。

由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限，结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM控制技术发展的主要方向之一。

基本原理

随着电子技术的发展，出现了多种PWM技术，其中包括：

相电压控制PWM、脉宽PWM法、随机PWM、SPWM法、线电压控制PWM等，而在镍氢电池智能充电器中采用的脉宽PWM法，它是把每一脉冲宽度均相等的脉冲列作为PWM波形，通过改变脉冲列的周期可以调频，改变脉冲的宽度或占空比可以调压，采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化。

可以通过调整PWM的周期、PWM的占空比而达到控制充电电流的目的。

模拟信号的值可以连续变化，其时间和幅度的分辨率都没有限制。

9V电池就是一种模拟器件，因为它的输出电压并不精确地等于9V，而是随时间发生变化，并可取任何实数值。

与此类似，从电池吸收的电流也不限定在一组可能的取值范围之内。

模拟信号与数字信号的区别在于后者的取值通常只能属于预先确定的可能取值集合之内，例如在{0V,5V}这一集合中取值。

模拟电压和电流可直接用来进行控制，如对汽车收音机的音量进行控制。

在简单的模拟收音机中，音量旋钮被连接到一个可变电阻。

拧动旋钮时，电阻值变大或变小；流经这个电阻的电流也随之增加或减少，从而改变了驱动扬声器的电流值，使音量相应变大或变小。

与收音机一样，模拟电路的输出与输入成线性比例。

尽管模拟控制看起来可能直观而简单，但它并不总是非常经济或可行的。

其中一点就是，模拟电路容易随时间漂移，因而难以调节。

能够解决这个问题的精密模拟电路可能非常庞大、笨重（如老式的家庭立体声设备）和昂贵。

模拟电路还有可能严重发热，其功耗相对于工作元件两端电压与电流的乘积成正比。

模拟电路还可能对噪声很敏感，任何扰动或噪声都肯定会改变电流值的大小。

通过以数字方式控制模拟电路，可以大幅度降低系统的成本和功耗。

此外，许多微控制器和DSP已经在芯片上包含了PWM控制器，这使数字控制的实现变得更加容易了。

1.2任务与分析

电动机控制系统，通过滑动变阻器模拟控制信号变化，然后将采集到的变化的电信号经过放大和A/D转换处理传送给单片机，通过单片机系统处理，将控制信号送入电动机控制的放大电路，就可以对电动机进行控制。

首先根据任务要求确定好程序设计方案，然后根据程序设计方案设计出相应的硬件电路。

接着在protell99se中绘制出原理图，然后利用Proteus仿真软件搭建虚拟的单片机仿真平台。

在Keil软件里面进行程序的编写和调试，最后在程序调试无误后在，并和Keil实现联调，并在Proteus中实现仿真结果，最后根据系统设计过程再撰写设计报告。

2方案设计

2．1系统方案设计论证

2.1.1系统的控制方案设计

方案1：

选择单片机AT89C51作为系统的CPU，通过按键进行加速和减速控制，再经过放大器放大送入12位逐次逼近型A/D转换器AD574进行模数转换，再送入单片机进行处理，然后再控制电动机的转速。

方案2：

以单片机AT89C51为核心，通过电阻控制脉宽产生模拟信号，经过放大器放大送去8位逐次逼近型A/D转换器ADC0808进行模数转换，再送入单片机处理，然后再控制电动机的转速。

2.1.2最终设计方案

本系统以AT89C51单片机系统为核心，对电动机转速实时控制，并且通过控制转换后的误差控制在5%以内就可以满足设计要求。

方案1与方案2比较，因为方案1采用了12位逐次逼近型A/D转换器AD574，所以它进行模数转换时的精度较高，但系统设计的硬件电路过于复杂。

方案2中虽然ADC0808的转换精度较低，但该方案硬件简单，而且它转换后的误差低于5%，满足系统设计要求。

所以，选择方案2，以滑动变阻器控制脉宽，再用8位逐次逼近型A/D转换器ADC0808进行模数转换，从而设计了控制电动机的方案。

2.2最终设计方案总体设计框图

该电动机转速控制系统，通过滑动变阻器模拟外部控制信号的变化，然后将采集到的变化的电信号经过放大和A/D转换处理经过P0口传送给单片机AT89C52，通过单片机系统处理，通过P1口将控制信号由单片机输出，然后由放大驱动的外部电路将信号放大从而调节了电动机的转速。

3系统硬件

3．1硬件设计总体方案

本系统方案以AT89C52单片机为CPU，通过对控制信号的处理，由单片机通过外部放大电路实时控制电动机的转速。

采用滑动变阻器通过改变其阻值的大小从而达到控制电动机转速的目的，ADC0808作为A/D转换部件，控制部分的信号采集具有大范围、高精度的特点。

在功能、性能、可操作性等方面都比较可靠，具有较高的性价比。

3．2单片机

AT89C51是一种带8K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。

AT89C51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，AT89C51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。

主要特性：

与MCS-51兼容，4K字节可编程FLASH存储器，寿命：

1000写/擦循环；

数据保留时间：

10年，全静态工作：

0Hz-24MHz，三级程序存储器锁定；128×8位内部RAM、32可编程I/O线、两个16位定时器/计数器、5个中断源；可编程串行通道，低功耗的闲置和掉电模式，片内振荡器和时钟电路。

图2AT89C51管脚图

管脚说明：

（1）VCC：

供电电压。

　　GND：

接地。

（2）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P0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/地址的第八位。

在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，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口作为第八位地址接收。

（3）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行存取时，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行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

（4）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，如下表所示：

　　口管脚备选功能　　P3.0RXD（串行输入口）　　P3.1TXD（串行输出口）　　P3.2/INT0（外部中断0）　　P3.3/INT1（外部中断1）　　P3.4T0（记时器0外部输入）　　P3.5T1（记时器1外部输入）　　P3.6/WR（外部数据存储器选通）　　P3.7/RD（外部数据存储器读选通）　　P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

（5）RST：

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

（6）

（31引脚）：

当

保持低电平时，则在此期间CPU只访问外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。

注意加密方式1时，

将内部锁定为RESET；当

端保持高电平时，则执行内部程序存储器中的程序。

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（Vpp）。

（7）ALE/PROG（30引脚）：

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

（8）

（29引脚）：

外部程序存储器的选通信号。

在单片机读外部程序存储器时，此引脚输出脉冲的负跳沿作为读外部程序存储器的选通信号。

此引脚接外部程序存储器的

断；在访问外部RAM时，

信号无效。

（9）XTAL1：

反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：

来自反向振荡器的输出[1]。

3．3模数转换器

ADC0808是采样分辨率为8位的、以逐次逼近原理进行模/数转换的器件。

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。

ADC0808是ADC0809的简化版本，功能基本相同。

一般在硬件仿真时采用ADC0808进行A/D转换，实际使用时采用ADC0809进行A/D转换。

图3ADC0808引脚结构

内部结构

　　ADC0808是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，它有8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型A/D转换器。

引脚功能（外部特性）

ADC0808芯片有28条引脚，采用双列直插式封装。

各引脚功能如下：

1～5和26～28（IN0～IN7）：

8路模拟量输入端。

8、14、15和17～21：

8位数字量输出端。

22（ALE）：

地址锁存允许信号，输入，高电平有效。

6（START）：

A/D转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽）使其启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动A/D转换）。

7（EOC）：

A/D转换结束信号，输出，当A/D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。

9（OE）：

数据输出允许信号，输入，高电平有效。

当A/D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。

10（CLK）：

时钟脉冲输入端。

要求时钟频率不高于640KHZ。

12（VREF（+））和16（VREF（-））：

参考电压输入端　　

11（VCC）：

主电源输入端。

13（GND）：

地。

23～25（ADDA、ADDB、ADDC）：

3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路

3．4控制方案确定

本系统的电动机转速控制由于是通过调节PWM的方法来实现电机转速的控制，所以显示系统在该设计中是不必要的。

本系统通过调节脉宽来改变电动机的转速，而且需要考虑到旋转快慢等问题，所以对外部电路实施放大，这样才能保证电动机的快慢转动的，保证电动机能改变转速，所以选择了放大电路。

不但硬件电路简单，造价低廉，电动机本身也能显示转速。

而且考虑到硬件设计的方便，简单的“随控简视”的设计理念[2]。

图4外部放大电路图

3.5单片机接口电路

（1）单片机的时钟电路

MCS-51系列单片机内部的振荡电路是一个高增益反相放大器，引线XTAL1和XTAL2分别是放大器的输入端和输出端，这两个引脚跨接石英晶体振荡器和微调电容，就构成了一个稳定的自激振荡器。

单片机内部虽然有振荡电路，但要形成时钟，外部还需附加电路。

单片机的时钟产生方式有两种。

内部时钟方式。

利用其内部的振荡电路在XTAL1和XTAL2引线上外接定时元件，内部振荡电路便产生自激振荡，用示波器可以观察到XTAL2输出的时钟信号。

最常用的是在XTAL1和XTAL2之间连接晶体振荡器与电容构成稳定的自激震荡器。

本设计采用内部时钟方式，如图所示:

图5时钟电路图

（2）单片机的复位电路

单片机的复位是靠外部电路实现的。

单片机工作后，只要在它的RST引线上加载10ms以上的高电平，单片机就能够有效地复位[4]。

图6复位电路图

3.6控制信号的获取与放大

主要是通过改变滑动变阻器阻值大小就等同于调节脉冲宽度。

通过脉冲信号的改变将通过AT89C51的处理后然后再通过放大电路的放大，由于放大电路是由一些三极管组成而且其组成方式能够保证电动可以在高速转动下的电压，这样才能达到高速转动的能力。

3.7开关电路的设计

由于实际的情况下电动机是由开关启动的，虽然这仅仅是仿真，但是我仍然采用了开关启动和停止电机的方式，从而与实际的现实情况有一定程度的接近效果，这样才能更加的接近生活，接近现实，与设计的最终目的不谋而合，所以就果断的采用了用开关启动、停止的两个按键来实施开启电机和停止电机的方式[3]。

图8开关启停电路图

通过按键S1启动电动机，使电机按照原先既定的脉宽信号所对应的转速转动，当调节脉宽信号后就会改变其转速，如果遇到特殊情况按下按键S2就会实现紧急刹车。

4系统软件设计

4.1proteus软件环境介绍

proteus软件是英国Labcenterelectronics公司出版的EDA工具软件。

它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。

它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。

虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。

proteus是世界上著名的EDA工具（仿真软件），从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。

是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年即将增加Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。

在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译[7]。

proteus软件具有其它EDA工具软件（例：

multisim）的功能。

这些功能是：

（1）原理布图

（2）PCB自动或人工布线

（3）SPICE电路仿真　

革命性的特点：

（1）互动的电路仿真。

用户甚至可以实时采用诸如RAM，ROM，键盘，马达，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件。

（2）仿真处理器及其外围电路。

可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流单片机。

还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，再配合显示及输出，能看到运行后输入输出的效果。

配合系统配置的虚拟逻辑分析仪、示波器等，proteus建立了完备的电子设计开发环境[4]。

proteus的四大功能模块：

（1）智能原理图设计（ISIS）

丰富的器件库：

超过27000种元器件，可方便地创建新元件；智能的器件搜索：

通过模糊搜索可以快速定位所需要的器件；智能化的连线功能：

自动连线功能使连接导线简单快捷，大大缩短绘图时间；支持总线结构：

使用总线器件和总线布线使电路设计简明清晰；可输出高质量图纸：

通过个性化设置，可以生成印刷质量的BMP图纸，可以方便地供WORD、POWERPOINT等多种文档使用。

（2）完善的电路仿真功能

ProSPICE混合仿真：

基于工业标准SPICE3F5，实现数字/模拟电路的混合仿真；超过27000个仿真器件：

可以通过内部原型或使用厂家的SPICE文件自行设计仿真器件，Labcenter也在不断地发布新的仿真器件，还可导入第三方发布的仿真器件；多样的激励源：

包括直流、正弦、脉冲、分段线性脉冲、音频（使用wav文件）、指数信号、单频FM、数字时钟和码流，还支持文件形式的信号输入；

丰富的虚拟仪器：

13种虚拟仪器，面板操作逼真，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、直流电压/电流表、交流电压/电流表、数字图案发生器、频率计/计数器、逻辑探头、虚拟终端、SPI调试器、I2C调试器等；生动的仿真显示：

用色点显示引脚的数字电平，导线以不同颜色表示其对地电压大小，结合动态器件（如电机、显示器件、按钮）的使用可以使仿真更加直观、生动；高级图形仿真功能（ASF）：

基于图标的分析可以精确分析电路的多项指标，包括工作点、瞬态特性、频率特性、传输特性、噪声、失真、傅立叶频谱分析等，还可以进行一致性分析。

（3）独特的单片机协同仿真功能（VSM）

支持主流的CPU类型：

如ARM7、8051/52、AVR、PIC10/12、PIC16、PIC18、PIC24、dsPIC33、HC11、BasicStamp、8086、MSP430等，CPU类型随着版本升级还在继续增加，如即将支持CORTEX、DSP处理器；支持通用外设模型：

如字符LCD模块、图形LCD模块、LED点阵、LED七段显示模块、键盘/按键、直流/步进/伺服电机、RS232虚拟终端、电子温度计等等，其COMPIM（COM口物理接口模型）还可以使