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直流电机控制器设计

单片机课程设计报告书

课题名称

直流电机控制器设计

姓名

学号

院、系、部

电气工程系

专业

电气工程及其自动化

指导教师

焦永梅

2014年6月26日

直流电机控制器设计

一、设计目的

1、能够根据题目要求实掌握编写程序、调试程序、软件仿真及与硬件结合。

2、掌握并熟练使用protues绘图软件。

3、了解直流电机控制原理。

4、学习单片机控制直流电机的编程方法。

5、了解数码管动态显示的原理。

6、掌握按键扫描的工作原理。

二、设计要求

1、利用D/A电路，输出-8V到+8V的电压，控制直流电机。

2、电机速度可调，具有启动键、方向控制键及提示灯、加速键、减速键及停止键：

S0键-升速，每按一次，电压值增大一个定值，转速提高。

S1键-减速，每按一次，电压值减小一个定值，转速降低。

利用霍尔元件感应电机转速，读出感应脉冲，从而计算出电机转速（转/分），用数码管显示出来。

三、硬件电路设计

3.1系统结构框图

直流电机控制器系统由单片机、数码管显示模块、按键控制模块、霍尔元件和直流电机模块四部分组成。

系统框图如图3-1所示。

图3-1系统结构框图

3.2　系统电路原理图

系统电路原理图如下图所示

图3-2系统电路原理图

3.3　AT89C51单片机介绍

AT89C51单片引脚如下图所示

图3-3AT89C51单片机引脚图

XTAL1：

输入到单片微机内部振荡器的反相放大器。

当采用外部振荡器时，对HMOS单片微机，是引脚应接地：

对CHMOS单片微机，此引脚作驱动端。

XTAL2：

反相放大器的输出，输入到内部时钟发生器。

当采用外部振荡器时，XTAL2接收振荡器信号，对CHMOS单片微机，此引脚悬浮。

I/O共4个口，32根I/O线：

P0：

8位、漏极开路的双向I/口。

P1：

8位、准双向I/O口。

在编程/校验期间，用作输入低位字节地址。

P1口可以驱动4个LSTTL负载。

P2：

8位、准双向I/O口。

当使用片外存储器时，输出高8位地址。

在编程/校验期间，接收高位字节地址。

P2口可以驱动4个LSTTL负载。

P3：

8位、准双向I/O口，具有内部上拉电路。

P3提供各种替代功能。

P3口可以驱动4个LSTTL负载。

串行口：

P3.0:

RXD串行输入口。

P3.1:

TXD串行输出口。

中断：

P3.2:

INT0外部中断0输入。

P3.3:

INT1外部中断1输入。

定时器/计数器：

P3.4:

T0定时器/计数器0的外部输入。

P3.5:

T1定时器/计数器1的外部输入。

数据存储器选通：

P3.6:

WR低电平有效，输出，片外数据存储器或I/O端口写选通。

P3.7:

RD低电平有效，输出，片外数据存储器或I/O端口读选通。

RST：

复位输入信号，高电平有效。

EA/VPP：

片外程序存储器访问允许信号，低电平有效。

EA=1选择片内程序存储器；EA=0，则程序存储器全部在片外，而不管片内是否有程序存储器。

ALE:

地址锁存允许信号，输出。

由于ALE以1/6振荡器频率的固定速率输出，可作为对外输出的时钟或用作外部定时脉冲。

PSEN：

片外程序存储器读选通信号，低电平有效。

EA：

片外程序存储器访问允许信号，低电平有效。

EA=1选择片内程序存储器;EA=0，则程序存储器全部在片外，而不管片内是否有程序存储器。

3.5数模转换芯片介绍

数模转换芯片如图所示

图3-4数模转换芯片

D0～D7：

8位数据输入线，TTL电平，有效时间应大于90ns（否则锁存器的数据会出错）；

ILE：

数据锁存允许控制信号输入线，高电平有效；

CS：

片选信号输入线（选通数据锁存器），低电平有效；

WR1：

数据锁存器写选通输入线，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效。

由ILE、CS、WR1的逻辑组合产生LE1，当LE1为高电平时，数据锁存器状态随输入数据线变换，LE1的负跳变时将输入数据锁存；

XFER：

数据传输控制信号输入线，低电平有效，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效；

WR2：

DAC寄存器选通输入线，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效。

由WR2、XFER的逻辑组合产生LE2，当LE2为高电平时，DAC寄存器的输出随寄存器的输入而变化，LE2的负跳变时将数据锁存器的内容打入DAC寄存器并开始D/A转换。

IOUT1：

电流输出端1，其值随DAC寄存器的内容线性变化；

IOUT2：

电流输出端2，其值与IOUT1值之和为一常数；

Rfb：

反馈信号输入线，改变Rfb端外接电阻值可调整转换满量程精度；

Vcc：

电源输入端，Vcc的范围为+5V～+15V；

VREF：

基准电压输入线，VREF的范围为-10V～+10V；

AGND：

模拟信号地；

DGND：

数字信号地。

3.5谐振电路

谐振电路如图所示

图3-5谐振电路

谐振电路用于产生一个特定的时钟频率，使AT89C51单片机能正常的工作。

晶振片用于产生时钟频率，该晶振能产生11.0592MHZ的频率。

两个旁路电路，有频率微调的作用，主要是让电路更容易起振，两个电容值要求一样，否则容易使谐振不平衡，造成停振或不起振的现象。

本设计中采用的是两个1nF的电容。

3.6　L298芯片介绍

图3-6L298芯片

引脚

符号

功能

SENSINGA

SENSINGB

此两端与地连接电流检测电阻，并向驱动芯片反馈检测到的信号

OUT1

OUT2

此两脚是全桥式驱动器A的两个输出端，用来连接负载

电机驱动电源输入端

IN1

IN2

输入标准的TTL逻辑电平信号，用来控制全桥式驱动器A的开关

ENABLEA

ENABLEB

使能控制端.输入标准TTL逻辑电平信号；低电平时全桥式驱动器禁止工作。

GND

接地端，芯片本身的散热片与8脚相通

Vss

逻辑控制部分的电源输人端口

IN3

IN4

输入标准的TTL逻辑电平信号，用来控制全桥式驱动器B的开关

OUT3

OUT4

此两脚是全桥式驱动器B的两个输出端，用来连接负载

四、流程图设计

4.1　总体设计思路

在矩阵键盘中，开辟出“c”键为模式键，第一次按下为模式1，此时除加减速按键“A”“B”键和模式键“C”外所有按键均被屏蔽，实现加减速模式，并通过数码管实时显示实际转速。

当再次按下模式键“C”时，进入模式2，此时屏蔽加减速按键，此模式为自设定转速模式，首先选择正转还是反转按键“E”和“F”键，数码管显示“E””F”,再选择速度，按下“0-9”按键进行速度设定，设定顺序为从高位到低位，为两位并实时显示，多余的输入数字将被屏蔽，只取最后两位。

完成设置后，按下确定键“D”键，电机开始转动。

此时除确认键“D”键外所有键均被屏蔽。

再次按下确认键，电机停止转动。

此时只开放模式按键“C”。

从设置模式开始入口系统功能。

数码管除了现实实时转速外，在模式2中，设定转速时起到显示设定值的作用。

4.2　流程图

利用光电测速法得出实际转速:

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，一个计数，一个定时。

计算出单位时间内的脉冲数m，经过单位换算，就可以算得直流电机旋转的速度。

本实验采用以r/sec为单位的转速加以显示。

将采集到的实际速度与程序给定速度数据比较，假定设定值为正转，则如果实际速度小于设定速度，那么将运行函数中速度形参自加1；相反，如果实际速度大于设定速度，将运行函数中速度形参自减一。

如果设定值反转，则同上，只需将运行函数中形参由自加改为自减，自减改为自加即可。

主程序流程图如下图所示

图4-1主流程图

五、源程序

ORG0000H

SJMPDISPLAY

ORG0003H

LJMPBUTTON;外部0中断入口地址

ORG000BH

LJMPDINGSHI;定时中断T0入口地址

RSEQUP3.0

RWEQUP3.1

EEQUP3.4

ORG0030H;此次直流电机的设计以LCD字符夜晶的

;显示程序为主程序

DISPLAY:

SETBEA;打开中断总开关

SETBEX0;打开外部中断0开关

SETBIT0;打开外部中断0下降沿触发

MOVTMOD,#01H;设置定时工作方式

MOVTL0,#0FFH;设置定时初值

MOVTH0,#0FFH

SETBET0;打开定时中断T0开关

CLRP0.5

CLRP0.6

CLRP0.7

SETBTR0;定时器T0开始定时

MOVDPTR,#TAB;夜晶显示的字符首地址

MOVR0,#00H;脉宽的初值

MOVR1,#16;"SETSPEEDPLEASE"的字符个数

MOVR3,#00H

MOVR4,#00H

LP9:

LCALLCHUSHI

LP2:

ACALLBUSY

MOVA,#00H

MOVCA,@A+DPTR

MOVP1,A

ACALLDATAS

INCDPTR

DJNZR1,LP2

LP3:

CJNER3,#00H,LP4

CJNER4,#00H,LP4

SJMPLP3

LP4:

MOVR7,#00H;中断的标志

MOVR5,#09H;CURRENT:

的字符个数

ACALLBUSY

MOVP1,#0C0H

ACALLENABLE

MOVDPTR,#MMTAB

ACALLBUSY

LP5:

MOVA,#00H

MOVCA,@A+DPTR

MOVP1,A

INCDPTR

ACALLDATAS

ACALLBUSY

DJNZR5,LP5

MOVDPTR,#STAB

MOVA,R2

MOVP1,A

ACALLDATAS

ACALLBUSY

MOVA,R3;显示速度的十位

MOVCA,@A+DPTR

MOVP1,A

ACALLDATAS

ACALLBUSY

MOVA,R4;显示速度的个位

MOVCA,@A+DPTR

MOVP1,A

ACALLDATAS;使夜晶始终显示当前电机的速度

LP8:

CJNER7,#00H,LP7;速度不变时等待

LJMPLP8;速度变时重新读入速度

LP7:

SJMPLP4

CHUSHI:

;使夜晶显示的一些初始设置

ACALLBUSY

MOVP1,#00000001B;清屏并光标复位

ACALLENABLE

ACALLBUSY

MOVP1,#00111000B;设置显示模式:

8位2行5x7点阵

ACALLENABLE

ACALLBUSY

MOVP1,#00001111B;显示器开、光标开、光标允许闪烁

ACALLENABLE

ACALLBUSY

MOVP1,#00000110B;文字不动，光标自动右移

ACALLENABLE

ACALLBUSY

MOVP1,#80H;写入显示起始地址

ACALLENABLE

RET

ENABLE:

;写入控制命令的子程序

SETBE

CLRRS

CLRRW

CLRE

RET

DATAS:

;写入数据子程序

SETBE

SETBRS

CLRRW

CLRE

RET

BUSY:

;准备写入数据

CLRE

MOVP1,#0FFH

CLRRS

SETBRW

SETBE

JBP1.7,BUSY

RET

ORG2000H

DINGSHI:

;定时中断服务程序

CPLP0.7

JNBP0.7,Z1;周期一定

MOVA,#0FFH

SUBBA,R0

MOVTH0,A

SETBTR0

RETI

Z1:

MOVTH0,R0;脉宽

SETBTR0

RETI

BUTTON:

;从控制键盘中读取操作命令

PUSHACC

CLREX0

CLREA

INCR7;

MOVA,#0FFH

MOVP2,A

MOVA,P2

JNBACC.0,AA0

JNBACC.1,KK0

JNBACC.2,ZZ

JNBACC.3,FF

JNBACC.4,WW0

AJMPQQ

AA0:

CJNER0,#0FFH,AA1;加速操作

AJMPQQ

AA1:

MOVA,R0

ADDA,#5

MOVR0,A

AJMPQQ

KK0:

CJNER0,#00,MM;减速操作

AJMPQQ

MM:

MOVA,R0

SUBBA,#5

MOVR0,A

AJMPQQ

QQ:

MOVA,R0

MOVB,#5

DIVAB

MOVB,#10

DIVAB

MOVR3,A

MOVR4,B

SETBEX0

LCALLDELAY

SETBEA

POPACC

RETI

ZZ:

SETBP0.5;正转操作

CLRP0.6

MOVR2,#2BH;正转标志"+"

LCALLDELAY

SETBEX0

SETBEA

POPACC

RETI

FF:

CLRP0.5;反转操作

SETBP0.6

MOVR2,#2DH;反转标志"-"

LCALLDELAY

SETBEX0

SETBEA

POPACC

RETI

WW0:

CLRP0.5;停止操作

CLRP0.6

LCALLDELAY

SETBEX0

SETBEA

POPACC

RETI

DELAY:

;延时子程序

MOVR5,#0E0H

MM0:

MOVR6,#30H

MM1:

DJNZR6,MM1

DJNZR5,MM0

RET

TAB:

DB53H,45H,54H,20H

DB53H,50H,45H,45H;"SETSPEEDPLEASE"代码

DB44H,20H,50H,4CH

DB45H,41H,53H,45H

STAB:

DB30H,31H,32H,33H

DB34H,35H,36H,37H;"0,1,2,3,4,5,6,7"代码

DB38H,39H,41H,42H;"8,9,A,B,C,D,E,F"

DB43H,44H,45H,46H

MMTAB:

DB43H,4FH,52H,52H

DB45H,4EH,54H,20H;"CURRENT:

"代码

DB3AH

END

六、仿真结果

初始状态，直流电机有如图示4-1按下加速键，直流电机有图4-2的正运行效果。

向加速运行结果。

图4-1电机正常运转图4-2电机正转加速

按下减速键，直流电机有图4-3正按下反转键，直流电机有图4-4反向加速运行结果。

向减速运行结果。

图4-3电机正转减速图4-4电机反转加速

按下急停键，直流电机有图4-5的

停止运行结果。

图4-5电机停转

七、设计总结

通过这次的课程设计，我学会了用C语言编译程序，学会了用protues软件绘图仿真，明白了控制之交流电动机速度的原理，从中还获得了许多知识。

本次课程设计采用简单的C语言编程，程序系统结构优化，控制精度高，满足了直流电机的调速要求。

对单片机实现直流电机调速系统进行研究和设计，能够满足设计要求。

将所学的理论知识和时间相结合，为以后在此基础上结合相关领域设计具有很好的实践意义

八、参考文献

[1]高峰.单片微型计算机原理与接口技术.科学出版社,2007.

[2]胡汉才.单片机原理及其接口技术.清华大学出版社,2004.

[3]李勋.单片机微型计算机大学读本.北京航空航天大学出版社,　2002.

[4]王幸之.单片机应用系统抗干扰技术.北京航空航天大学出版社,　2001.

[5]张毅刚.单片机原理及应用.高等教育出版社,　2004.

........忽略此处.......

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