温度控制直流电动机转速论文123.docx
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温度控制直流电动机转速论文123
1.绪论
1.1前言
现如今，电动机一直在现代化的生产和生活中起着十分重要的作用，无论在工业农业生产、交通运输、国防航空航天、医疗卫生、商务与办公设备，还是在日常生活中的家用电器，都在大量地使用着各式各样的电动机，电动机普遍用于人们的日常生活中。
据资料统计，现在有的90%以上的动力源来自于电动机，我国生产的电能大约有60%用于电动机。
直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速。
从控制的角度来看，直流调速还是交流拖动系统的基础。
早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础，采用运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成，控制系统的硬件部分非常复杂，功能单一，而且系统非常不灵活、调试困难，阻碍了直流电动机控制技术的发展和应用范围的推广。
随着单片机技术的不断进步，使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成，为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，并使系统能达到更高的稳定性能。
电动机与人们的生活息息相关，密不可分。
随着现代化步伐的迈进，人们对自动化的需求越来越高，使电动机控制向更复杂的控制发展。
本次设计可以作为简单控制向复杂控制的过度，实现直流电机启动、正反转控制和顺序控制外，还要进行转速控制。
为以后复杂控制设计做基础。
关键词：
单片机；温度；控制；电动机
2.系统设计方案
2.1设计要求
保证当温度
时，直流电动机加速正转，温度在
全速正转；当温度
时，直流电动机加速反转，温度
时，直流电动机全速反转；温度
之间时，直流电动机停止转动。
该系统采用AT89C51单片机为核心，通过AT89C51单片机驱动，数字温度传感器DS18B20，进行温度数据采集，此传感器，可以很容易读取被测温度值，进行转换，电路简单，精度高，软硬件跟容易实现。
在使用L298控制电动机转速。
通过温度的比较和温度范围设定的程序控制产生PWM（脉宽调制）信号；通过L298驱动芯片来控制直流电机的启动、速度、方向的变化；通过LM016L显示温度。
控制程序在Keil软件中编写，编译，整个控制电路在Proteus仿真软件中连接调示。
2.2设计方案图
2.3方案设计采用AT89C51单片机为核心，通过AT89C51单片机驱动DS18B20，进行温度数据采集通过采用AT89C51单片机为核心，通过AT89C51单片机驱动DS18B20，进行温度数据采集通过温度的比较和温度范围设定的程序控制产生脉宽调制信号；通过L298驱动芯片来控制直流电机的启动、速度、方向的变化；通过LM016L显示温度。
整个电路设计包括温度采集模块，单片机控制模块，温度显示模块，和电机及电机驱动模块。
3.硬件电路设计与选择
3.1硬件选择
3.1.1选用AT89C51单片机。
AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压高性能CMOS8位单片机，片内含4Kbytes的可反复檫写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机存取数据存储器（RAM）,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MSC-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大AT89C51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。
3.1.2at89c51引脚介绍
①电源引脚:
Vcc（40脚）：
电源端，接+5V电源。
Vss（20脚）：
接地端，接+5V电源地端。
②时钟振荡器外接晶体引脚：
XTAL1和XTAL2
AT89C51内部有一个振荡器和时钟产生电路。
XTAL1（19脚）：
片内振荡电路反相放大器输入。
XTAL2（18脚）：
片内振荡电路反相放大器输出。
③控制信号引脚：
RST、ALE、PSEN、EA
RST（9脚）：
复位信号输入端，高电平有效。
保持两个机器周期高电平时,完成复位操作。
ALE/PROG（30脚）：
地址锁存允许输出端/编程脉冲输入端，正常时,连续输出振荡器频率的1/6正脉冲信号。
访问片外存储器时：
作为锁存P0口低8位地址的控制信号。
对89C51片内ROM编程写入时：
作为编程脉冲输入端。
PSEN（29脚）:
外部程序存储器读选通输出信号访问片外ROM时,输出负脉冲作为读ROM选通常连接到片外ROM芯片的输出允许端（OE）作外部ROM的读选通信号。
EA/Vpp（31脚）：
外部程序存储器地址使能输入/编程电压输入端。
接“1”时，CPU访问片内4KB的ROM，当地址超4KB时，自动转向片外ROM中的程序。
当接“0”时，CPU只访问片外ROM。
第2功能Vpp对8751编程时，编程电压输入端。
④输入/输出端口引脚P0、P1、P2、P3
4个8位的并行输入/输出端口，共32个引脚。
作为通用输入/输出端口，P0、P2和P3端口又各自有第2功能。
P0端口（P0.0—P0.7，第39—32脚）：
漏极开路的准双向口,输出能驱动8个74LS类型的负载。
P1端口（P1.0—P1.7，第1—8脚）：
内部带上拉电阻的准双向口,输出能驱动4个74LS负载。
P2端口（P2.0—P2.7，第21—28脚）：
内部带上拉电阻的准双向口,输出能驱动4个74LS负载。
P3端口（P3.0—P3.7，第10—17脚）：
内部带上拉电阻的准双向口,输出能驱动4个74LS负载。
P0端口：
在CPU访问外部存储器或I/O接口时，P0口分时提供低8位地址（A0-A7）和8位数据（D0-D7）总线。
这时,需要一个8位锁存器,利用ALE（地址锁存允许）来锁存P0口低8位地址信号。
P2端口：
在CPU访问外部存储器或I/O接口时，P2口提供高8位地址（A8-A15）的总线信号。
P3端口：
在CPU访问外部存储器或I/O接口时，P3口提供读、写控制总线信号。
还提供串行通信、外部中断、计数器的外部计数输入信号等。
3.1．3单片机复位电路
复位是单片机的初始化操作。
单片机启运运行时，都需要先复位，其作用是使CPU和系统中其他部件处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。
因而，复位是一个很重要的操作方式。
但单片机本身是不能自动进行复位的，必须配合相应的外部电路才能实现。
当MCS-5l系列单片机的复位引脚RST（全称RESET）出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。
如果RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。
根据应用的要求，复位操作通常有两种基本形式：
上电复位和手动复位。
上电复位：
上电瞬间，电容充电电流最大，电容相当于短路，RST端为高电平，自动复位；电容两端的电压达到电源电压时，电容充电电流为零，电容相当于开路，RST端为低电平，程序正常运行。
手动复位：
首先经过上电复位，当按下按键时，RST直接与VCC相连，为高电平形成复位，同时电解电容被短路放电；按键松开时，VCC对电容充电，充电电流在电阻上，RST依然为高电平，仍然是复位，充电完成后，电容相当于开路，RST为低电平，正常工作，仿真如图所示。
_
3.2温度采集模块
3.2.1DS18B20的内部结构
DS18B20内部结构由64bit闪速ROM、温度传感器、非易失性温度报警触发器TH和TL配置寄存器等4个数字器件组成。
温度传感器DS18B20是通过温度对振荡器的频率影响来测量温度。
DS18B20内部有2个不同温度系数的振荡器，低温度系数振荡器输出的时钟脉冲信号在高温度系数振荡器产生的门周期内进计数。
计数初值被预置-55℃相对的基数值，如计数器在高温度系数振荡器输出的门周期结束前计数为零，表示测量温度值高于-55℃，被预置在-55℃的温度寄存器的值加1，重复该过程，直到高温度系数振荡器门周期结束止，温度寄存器中的值就是被测的温度值。
该值由主机通过发读存储器命令读出，经取补和十进制转换，得到实测的温度值。
斜率累加器用于补偿和修正温度振荡器的非线性，以产生高分辨率的温度测量。
通过改变温度每升高1℃，计数器须经计数值实行补偿。
为获得所需分辨率，必须知道该数值及在给定温度处每1℃的计数值
3.2.2温度采集模块的电路连接
DS18B20有三个管脚：
GND为电源地，DQ为数字信号输入/输出端，VCC为外接供电电源接入端（用寄生电源方式时接地）。
在硬件上，DS18B20与单片机的连接有两种方法，一种是VCC接外部电源，GND接地，I/O与单片机的I/O线相连；另一种是用寄生电源供电，此时VCC、GND接地，I/O接单片机I/O。
无论是内部寄生电源还是外部供电，I/O口线要接5KΩ左右的上拉电阻。
本系统中DS18B20的DQ口与单片机的P3.3口连接，GND接地。
Protues软件仿真图如图所示。
3.3直流电机驱动模块L298驱动芯片
L298为SGS-THOMSONMicroelectronics所出产的双全桥直流电机专用驱动芯片（DualFull-BridgeDriver），内部包含4信道逻辑驱动电路，是一种二相和四相电机的专用驱动器，可同时驱动2个二相或1个四相电机，内含二个H-Bridge的高电压、大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑准位信号，可驱动46V、2A以下的步进电机，且可以直接透过电源来调节输出电压；此芯片可直接由单片机的I/O端口来提供模拟时序信号，但在本驱动电路中用L297来提供时序信号，节省了单片机I/O端口的使用。
L298N之接脚如图15所示，Pin1和Pin15可与电流侦测用电阻连接来控制负载的电路；OUTl、OUT2和OUT3、OUT4之间分别接2个步进电机；input1～input4输入控制电位来控制电机的正反转；Enable则控制电机停转。
3.4温度显示模块
3.4.1液晶显示简介
（1）液晶显示原理
液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就有显示，这样即可以显示出图形。
液晶显示器具有厚度薄、适用于大规模集成电路直接驱动、易于实现全彩色显示的特点，目前已经被广泛应用在便携式电脑、数字摄像机、PDA移动通信工具等众多领域。
（2）液晶显示器的分类
液晶显示的分类方法有很多种，通常可按其显示方式分为段式、字符式、点阵式等。
除了黑白显示外，液晶显示器还有多灰度有彩色显示等。
如果根据驱动方式来分，可以分为静态驱动（Static）、单纯矩阵驱动（SimpleMatrix）和主动矩阵驱动（ActiveMatrix）三种。
（3）液晶显示器各种图形的显示原理
a.线段的显示
点阵图形式液晶由M×N个显示单元组成，假设LCD显示屏有64行，每行有128列，每8列对应1字节的8位，即每行由16字节，共16×8=128个点组成，屏上64×16个显示单元与显示RAM区1024字节相对应，每一字节的内容和显示屏上相应位置的亮暗对应。
例如屏的第一行的亮暗由RAM区的000H——00FH的16字节的内容决定，当（000H）=FFH时，则屏幕的左上角显示一条短亮线，长度为8个点；当（3FFH）=FFH时，则屏幕的右下角显示一条短亮线；当（000H）=FFH，（001H）=00H，（002H）=00H，……（00EH）=00H，（00FH）=00H时，则在屏幕的顶部显示一条由8段亮线和8条暗线组成的虚线。
这就是LCD显示的基本原理。
b.字符的显示
用LCD显示一个字符时比较复杂，因为一个字符由6×8或8×8点阵组成，既要找到和显示屏幕上某几个位置对应的显示RAM区的8字节，还要使每字节的不同位为“1”，其它的为“0”，为“1”的点亮，为“0”的不亮。
这样一来就组成某个字符。
但由于内带字符发生器的控制器来说，显示字符就比较简单了，可以让控制器工作在文本方式，根据在LCD上开始显示的行列号及每行的列数找出显示RAM对应的地址，设立光标，在此送上该字符对应的代码即可。
3.4.2LM016L的结构
LM016L液晶模块采用HD44780控制器，HD44780具有简单而功能较强的指令集，可以实现字符移动，闪烁等功能，LM016L与单片机MCU通讯可采用8位或4位并行传输两种方式，hd44780控制器由两个8位寄存器，指令寄存器（IR）和数据寄存器（DR）忙标志（BF），显示数RAM（DDRAM），字符发生器ROMA（CGOROM）字符发生器RAM（CGRAM），地址计数器RAM（AC）。
IR用于寄存指令码，只能写入不能读出，DR用于寄存数据，数据由内部操作自动写入DDRAM和CGRAM,或者暂存从DDRAM和CGRAM读出的数据，BF为1时，液晶模块处于内部模式，不响应外部操作指令和接受数据，DDTAM用来存储显示的字符，能存储80个字符码，CGROM由8位字符码生成5*7点阵字符160中和5*10点阵字符32种.8位字符编码和字符的对应关系,CGRAM是为用户编写特殊字符留用的，它的容量仅64字节，可以自定义8个5*7点阵字符或者4个5*10点阵字符，AC可以存储DDRAM和CGRAM的地址，如果地址码随指令写入IR,则IR自动把地址码装入AC，同时选择DDRAM或CGRAM但愿，LM016L液晶模块的引脚功能如下表3.6.2
（1）所示：
3.4.3LM016L引脚与功能说明
引脚
符号
功能说明
1
VSS
一般接地
2
VDD
接电源（+5V）
3
V0
液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）。
4
RS
RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。
5
R/W
R/W为读写信号线，高电平
（1）时进行读操作，低电平（0）时进行写操作。
6
E
E（或EN）端为使能（enable）端，下降沿使能。
7
DB0
底4位三态、双向数据总线0位（最低位）
8
DB1
底4位三态、双向数据总线1位
9
DB2
底4位三态、双向数据总线2位
10
DB3
底4位三态、双向数据总线3位
11
DB4
高4位三态、双向数据总线4位
12
DB5
高4位三态、双向数据总线5位
13
DB6
高4位三态、双向数据总线6位
14
DB7
高4位三态、双向数据总线7位（最高位）（也是busyflang）
15
BLA
背光电源正极
16
BLK
背光电源负极
Protues软件仿真图如图所示
4结论
本方案实现了单片机温度控制直流电动机转速。
当温度
时，直流电动机加速正转，温度在
全速正转；当温度
时，直流电动机加速反转，温度
时，直流电动机全速反转；温度
之间时，直流电动机停止转动。
以及利用软件模拟实现直流电机PWM（脉冲宽度控制）控制信号。
实现了以AT89C51单片机为核心，通过DS18B20进行温度采集，送入单片机中，通过软件编程进行温度的比较与划定，通过程序来控制单片机信号，然后送入电机驱动芯片L298的使能端，通过L298驱动芯片来控制直流电机的启动、速度、方向的改变，从而实现了对电动机的调节。
达到了设计的要求。
从这个方案中我体会到要在以后的学习中要理论联系实际，把我们所学的知识用到生活当中，学习单片机更是如此。
5.温度控制电机转速软件构架
6参考文献
【1】谭浩强，C程序设计（第三版）
【2】李群芳，肖看，张世军。
单片机微型计算机与接口技术（第四版）
【3】从宏寿，李绍铭，电子设计自动化
【4】杨兴姚，电动机调速的原理及系统
【5】中北大学单片机课程设计说明书
【6】马忠梅，张凯，等，单片机的C语言应用程序设计（第四版）
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