单片机内容设计.docx
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单片机内容设计
1.引言：
现在电气传动的主要方向之一是电机调速系统采用微处理器实现数字化控制。
从上世纪80年代中后期起，世界各大电气如ABB、通用、西屋、西门子等都在竞相开发数字式调速传动装置，经过二十几年的发展，当前直流调速已发展到一个很高的技术水平：
功率元件采用可控硅；控制板采用表面安装技术；控制方式采用电源换相、相位控制。
特别是采用了微处理器及其他先进电力电子技术，使数字式直流调速装置在精度的准确性、控制性能的优良性和抗干扰的性能有很大的提高和发展，在国内外得到广泛的应用。
数字化直流调速装置作为目前最新控制水平的传动方式显示了强大优势。
全数字化直流调速系统不断升级换代，为工程应用和工业生产提供了优越的条件。
采用微处理器控制，使整个调速系统的数字化程度，智能化程度有很大改观；采用微处理器控制，是调速系统在结构上简单化，可靠性提高，操作维护变得简捷，电机稳态运行时转速精度等方面达到较高水平。
由于微处理器具有较佳的性价比，所以微处理器在工业过程及设备控制中得到日益广泛的应用。
今年来，尽管交流调速系统发展很快，但是直流电机凭借其良好的启动、控制性能，在金属切机床、轧钢机、海洋钻机、挖掘机、造纸机、矿井卷扬机、电镀、高层电梯等需要广泛范围内平滑调速的高性能可控电力拖动领域中仍得到了广泛的应用。
现阶段，我国还没有自主的全数字化直流调速控制装置生产商，而国外的控制器价格昂贵，且技术转让受限，为此研究转让受限，为此研究及更好的使用国外先进的控制器，吸收国外先进的数字化直流电机调速装置的优点，具有重要的实际意义和重大的经济价值。
2.设计要求
2.1设计要求：
一、基本要求：
1.初步了解步进电机的分类、工作原理，重点掌握反应式步进电机的工作特点，矩频特性以及常见的驱动电路。
2.以AT89C51为主控制器实现对步进电机的简单控制：
电机的正转、反转、制动三种状态的任意切换：
电机的加减速控制。
3.以自动门的设计为实例，讲解了步进电机在实际生活中的运用。
二、设计任务：
随着现代科学技术的不断发展，极大地推动了不同学科的交叉与渗透，导致了工程领域的技术革命与改造。
在这个经济突飞猛进的时代，在机械工程领域，由于微电子技术和计算机技术的迅速发展及其向机械工业的渗透所形成的机电一体化，使机械工业的技术结构、产品机构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化，使工业生产由“机械电气化”迈入了“机电一体化”为特征的发展阶段。
机电不只是机电，而今天机电一体化技术是面向应用的跨学科的技术，它是机械技术、微电子技术、信息技术和控制技术等有机融合、相互渗透的结果。
今天机电一体化技术发展飞速，机电一体化产品更新日新月异。
其未来将朝着智能化、微型化、系统化、光机电一体化方向发展。
在电气时代的今天，电动机在工农业生产与人们日常生活中都起着十分重要的作用。
直流电机作为最常见的一种电机，具有非常优秀的线性机械特性、较宽的调速范围、良好的起动性以及简单的控制电路等优点，因此在社会的各个领域中都得到了十分广泛的应用。
本文设计了直流电机控制系统的基本方案，阐述了该系统的基本结构、工作原理、运行特性及其设计方法。
本系统采用霍尔元器件测量电动机的转速，用MCS-51单片机对直流电机的转速进行控制，用DAC0832芯片实现输出模拟电压值来控制直流电动机的转速。
本设计主要研究直流电机的控制和测量方法，从而对电机的控制精度、响应速度以及节约能源等都具有重要意义。
3.设计的基本原理
3.1系统基本方案选择和电路设计框图
一、设计方案比较与分析：
1、电机调速控制模块：
方案一：
采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速的目的。
但是电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵。
更主要的问题在于一般电动机的电阻很小，但电流很大；分压不仅会降低效率，而且实现很困难。
方案二：
采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对小车的速度进行调整。
这个方案的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间慢、机械结构易损坏、寿命较短、可靠性不高。
方案三：
采用由达林顿管组成的H型PWM电路。
用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机转速。
这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高；H型电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制；电子开关的速度很快，稳定性也极佳，是一种广泛采用的PWM调速技术。
兼于方案三调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大，因此本设计采用方案三。
2、PWM调速工作方式：
方案一：
双极性工作制。
双极性工作制是在一个脉冲周期内，单片机两控制口各输出一个控制信号，两信号高低电平相反，两信号的高电平时差决定电动机的转向和转速。
方案二：
单极性工作制。
单极性工作制是单片机控制口一端置低电平，另一端输出PWM信号，两口的输出切换和对PWM的占空比调节决定电动机的转向和转速。
由于单极性工作制电压波开中的交流成分比双极性工作制的小，其电流的最大波动也比双极性工作制的小，所以我们采用了单极性工作制。
3、PWM调脉宽方式：
调脉宽的方式有三种：
定频调宽、定宽调频和调宽调频。
我们采用了定频调宽方式，因为采用这种方式，电动机在运转时比较稳定；并且在采用单片机产生PWM脉冲的软件实现上比较方便。
4、PWM软件实现方式：
方案一：
采用定时器做为脉宽控制的定时方式，这一方式产生的脉冲宽度极其精确，误差只在几个us。
方案二：
采用软件延时方式，这一方式在精度上不及方案一，特别是在引入中断后，将有一定的误差。
但是基于不占用定时器资源，且对于直流电机，采用软件延时所产生的定时误差在允许范围，故采用方案二。
3.2电路设计最终方案决定
PWM信号的产生通常有两种方法：
一种是软件的方法；另一种是硬件的方法。
硬件方法的实现已有很多文章介绍，这里不做赘述。
本文主要介绍利用单片机对PWM信号的软件实现方法。
MCS一51系列典型产品AT89C51具有两个定时器
和
。
通过控制定时器初值
和
，从而可以实现从C51的任意输出口输出不同占空比的脉冲波形。
由于PWM信号软件实现的核心是单片机内部的定时器，而不同单片机的定时器具有不同的特点，即使是同一台单片机由于选用的晶振不同，选择的定时器工作方式不同，其定时器的定时初值与定时时间的关系也不同。
因此，首先必须明确定时器的定时初值与定时时间的关系。
如果单片机的时钟频率为
，定时器／计数器为
位，则定时器初值与定时时间的关系为：
（公式1-3）
式中，
——定时器定时初值；
——一个机器周期的时钟数。
随着机型的不同而不同。
在应用中，应根据具体的机型给出相应的值。
这样，我们可以通过设定不同的定时初值，从而改变占空比
=
/
，进而达到控制电机转速的目的[4]。
4.系统的硬件设计与实现
4.1系统硬件概述
本设计以AT89C51单片机为核心，以5个弹跳按钮作为输入达到控制直流电机的停止、加速、减速、正转、反转。
在设计中，采用PWM技术对电机进行控制，通过对占空比的计算达到精确调速的目的。
直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，调速范围广；过载能力大，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速起动、停止和反转；能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求。
电动机调速系统采用微机实现自动控制，是电气传动发展的主要方向之一。
采用微机控制后，整个调速系统实现自动化，结构简单，可靠性高，操作维护方便，电动机稳态运转时转速精度可达到较高水平，静动态各项指标均能较好地满足工业生产中高性能电气传动的要求。
由于单片机性能优越，具有较佳的性能价格比，所以单片机在工业过程及设备控制中得到日益广泛的应用。
PWM调速系统与可控整流式调速系统相比有下列优点：
由于PWM调速系统的开关频率较高，仅靠电枢电感的滤波作用就可获得平稳的直流电流，低速特性好：
同样，由于开关频率高，快速响应特性好，动态抗干扰能力强，可以获得很宽的频带；开关器件只工作在开关状态，主电路损耗小，装置效率高。
本文所介绍的系统就是一个采用典型的开环调速原理组成的单片机PWM调速系统[4-5]。
采用单片机构成的直流电动机数字PWM调速系统,其控制核心主要由最小系统、电源模块（12v5v）、电机驱动电路、按键（加速、减速、急停、正转、反转）、显示模块（四位数码管）、直流电机组成。
系统采用L298N芯片作为PWM驱动直流电动机的供电主回路。
单片机通过软件处理输出PWM信号,实现了直流电动机的速度控制,在运行中获得了良好的动静态性能。
由于系统性价比高,结构简单,具有实用价值和推广价值。
在介绍了基于单片机用PWM实现直流电机调整的基本方法，直流电机调速的相关知识，及PWM调整的基本原理和实现方法。
重点介绍了基于AT89C51单片机的用软件产生PWM信号的途径，并介绍了一种独特的通过软件定时中断实现PWM信号占空比调节的方法。
对于直流电机速度控制系统的实现提供了一种有效的途径。
（1）键盘识别：
通过P1口的低电平输入识别不同的按键。
（2）通过对单片机程序烧录实现对直流电机的停止、加速、减速、正转、反转控制。
（3）由于单片机的驱动能力不强，驱动直流电机需要很强的电流所以必须有外围的驱动电路，因此本设计采用L298芯片放大单片机微弱的电流。
控制原理：
89C51单片机为核心的直流电机控制系统控制简图如图2-1所示，由软件转换成PWM信号，并由P3.0、P3.1输出，经驱动电路输出给电机，从而控制电机得电与失电。
软件采用定时中断进行设计。
单片机上电后，系统进入准备状态。
当按动启动按钮后，根据P3.0为高电平实现电机正转，P3.1为高电平时实现电机反转。
根据不同的加减速按钮，调整P3.0/P3.1输出高低电平时的预定值，从而可以控制P3.0/P3.1输出高低电平时的占空比，进而控制电压的大小。
控制程序应用于电机的加减速。
在电动机驱动信号方面，我们采用了占空比可调的周期矩形信号控制。
脉冲频率对电动机转速有影响，脉冲频率高连续性好，但带带负载能力差脉冲频率低则反之。
经实验发现，脉冲频率在40Hz以上，电动机转动平稳，但加负载后，速度下降明显，低速时甚至会停转；脉冲频率在10Hz以下，电动机转动有明显跳动现象。
实验证明，脉冲频率在15Hz-30Hz时效果最佳。
而具体采用的频率可根据个别电动机性能在此范围内调节。
通过P3.0输入高电平信号P3.1输入低电平与P3.0输入低电平P3.1输入信号分别实现电动机的正转与反转功能。
通过对信号占空比的调整来对直流电机进行调节。
键盘向单片机输入相应控制指令，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2-1所示：
图2-1系统硬件框图
4.2主要单元电路的设计
单片机最小系统：
所谓最小系统就是指由单片机和一些基本的外围电路所组成的一个可以工作的单片机系统。
一般来说，它包括单片机，晶振电路和复位电路。
设计部分分析：
1、单片机AT89C51
单片微型计算机简称为单片机，又称为微型控制器，是微型计算机的一个重要分支。
单片机是70年代中期发展起来的一种大规模集成电路芯片，是CPU、RAM、ROM、I/O接口和中断系统于同一硅片的器件。
80年代以来，单片机发展迅速，各类新产品不断涌现，出现了许多高性能新型机种，现已逐渐成为工厂自动化和各控制领域的支柱产业之一。
编辑本段引脚功能 MCS-51是标准的40引脚双列直插式集成电路芯片，引脚分布请参照----单片机引脚图：
lP0.0~P0.7P0口8位双向口线（在引脚的39~32号端子）。
lP1.0~P1.7P1口8位双向口线（在引脚的1~8号端子）。
lP2.0~P2.7P2口8位双向口线（在引脚的21~28号端子）。
lP3.0~P3.7P3口8位双向口线（在引脚的10~17号端子）。
图2-2封装AT89C51引脚图
2、复位电路及时钟电路
复位电路和时钟电路是维持单片机最小系统运行的基本模块。
复位电路通常分为两种：
上电复位和手动复位。
上电复位手动复位
有时系统在运行过程中出现程序跑飞的情况，在程序开发过程中，经常需要手动复位。
所以本次设计选用手动复位。
高频率的时钟有利于程序更快的运行，也有可以实现更高的信号采样率，从而实现更多的功能。
但是告诉对系统要求较高，而且功耗大，运行环境苛刻。
考虑到单片机本身用在控制，并非高速信号采样处理，所以选取合适的频率即可。
合适频率的晶振对于选频信号强度准确度都有好处，本次设计选取12.000M无源晶振接入XTAL1和XTAL2引脚。
并联2个30pF陶瓷电容帮助起振。
最小系统如图：
图2-3最小系统
电源电路设计
直流稳压电源的基本原理：
直流稳压电源一般有电源变压器T、整流滤波电路及稳压电路所组成，基本框图如下。
图2-4直流电源原理
各部分作用：
（1）电源变压器T的作用是将220V的交流电压变换成整流滤波电路所需要的交流电压Ui。
变压器副边与原边的功率比为P2/P1=n，式中n是变压器的效率。
（2）整流电路：
整流电路将交流电压Ui变换成脉动的直流电压。
再经滤波电路滤除较大的波纹成分，输出波纹较小的直流电压U1。
常用的整流滤波电路有全波整流滤波、桥式整流滤波等。
图2-5整流电路
（3）滤波电路：
各滤波电路C满足RL-C=（3~5）T/2，式中T为输入交流信号周期，RL为整流滤波电路的等效负载电阻。
图2-6滤波电路
（4）稳压电路:
常用的稳压电路有两种形式：
一是稳压管稳压电路，二是串联型稳压电路。
二者的工作原理有所不同。
稳压管稳压电路其工作原理是利用稳压管两端的电压稍有变化，会引起其电流有较大变化这一特点，通过调节与稳压管串联的限流电阻上的压降来达到稳定输出电压的目的。
它一般适用于负载电流变化较小的场合。
串联型稳压电路是利用电压串联负反馈的原理来调节输出电压的。
集成稳压电源事实上是串联稳压电源的集成化。
常用稳压电路归纳如下表：
电路名称
典型电路
输出电压及有关参数
特点与用途
稳压管稳定电压
电路简单，适用于输出电压恒定，负载电流变化小的场合，常用作基准电源
可调稳压电源
电路引入电压串联负反馈，使输出电压更稳定且可调，可获得负电源
串联型稳
压电路
电路较复杂，输出电压可调，输出电流较大，应用范围广
集成稳压
电源
系列为正电源
系列为负电源
输出电压固定，为5V，9V，12V，15V，18V等，可根据需要选用
电路简单，输出电压固定
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4.5～7V电压。
4脚VS接电源电压，VS电压范围VIH为＋2.5～46V。
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2-7：
图2-7驱动电路
元件选择与参数计算
（1）整流电路参数
输出电压平均值：
Uo（AV）=
2
输出电流平均值：
IO（AV）=
平均整流电流：
ID（AV）=
最大反向电压：
URM=
整流二极管的选择（考虑电网
）：
（2）滤波电路参数
滤波电容选择：
RLC=（3～5）
一般选几十至几千微法的电解电容，耐压>
（3）实际计算过程
1.要使7812正常工作，必须保证输入与输出之间维持大于2V的压降，因此7812输入端直流电压必须保证14V以上。
7812输入端的电流是对变压器副边输出电压U（t）整流、滤波后得到的。
假设整流电路内阻为0，负载电流为0，7812输入端有最大电压U=1.414Uef，Uef是U（t）有效值。
由于滤波电容不可能无限大，所以U＜1.414Uef，根据经验可知U=1.2Uef，可知Uef=14.4V，考虑到整流桥经过两个二极管约有1.4V的压降，得变压器可取15V。
2.变压器选择：
变压器选择双15V变压，考虑到电流不需要太大，最大电流为1A，实际选择变压器输出功率为10W，可以很好的满足要求。
3.整流桥：
考虑到电路中会出现冲击电流，整流桥的额定电流是工作电流的2~3倍。
选取RS301（100V，3A）即可，实际购买过程中选择了RS307（700V，3A）也符合设计要求。
4.滤波电容：
考虑到对纹波电压要求比较高，故选择了2200μF耐压值为25V以及100μF耐压值50v的电解电容。
5.去耦电容：
去耦电容的选择是7812及7805芯片要求的，查手册可知分别为0.01μF、，用来滤除高频分量防止产生自激。
6.为了防止负载产生冲击电流，故在输出端加入2200μF、耐压值为25V的电解电容。
7.7805支路的元件参数基本相同。
至此，所有元件的参数都已经确定。
（4）12v、5v电源电路
5.系统的软件设计
5.1程序流程框图
程序的总体设计
利用P3口，编制程序输出一串脉冲，经放大后驱动直流电机，改变输出脉冲的电平的持续时间，达到使电机正转、反转、加速、减速、停转等目的[10-11]。
由软件编程从P3.0/P3.1管脚产生PWM信号，经驱动电路输出给电机，从而控制电机得电与失电。
软件采用延时法进行设计。
单片机上电后，系统进入准备状态。
当按动启动按钮后，根据P3.0为高电平时实现电机正转，P3.1为高电平时实现电机反转。
根据不同的加减速按钮，调整P3.0/P3.1输出高低电平时的占空比，从而可以控制P3.0/P3.1输出高低电平时的有效值，进而控制电机的加减速。
其总体流程图如图3-1示：
图3-1总体程序流程图
5.2子程序的设计
该程序运用汇编语言编制：
ADCEQU35H
CLOCKBITP2.4
STBITP2.5
EOCBITP2.6
OEBITP2.7
PWMBITP3.7
ORG00H
AJMPSTART
ORG0BH
LJMPINT_T0
ORG100H
START:
SETBPWM
MOVTMOD,#02H
MOVTH0,#20
MOVTL0,#00H
MOVIE,#82H
SETBTR0
CLRST
WAIT:
SETBST
CLRST
JNBEOC,$
SETBOE
MOVADC,P1
CLROE
CLRPWM
MOVA,ADC
LCALLDELAY
SETBPWM
MOVA,#0FFH
SUBBA,ADC
LCALLDELAY
SJMPWAIT
INT_T0:
CPLCLOCK
RETI
DELAY:
MOVR5,A
D1:
MOVR6,#30
DJNZR6,$
DJNZR5,D1
RET
END
6.作品总结
经过将近几天的努力，终于完成了课程设计。
在Protuse和Keilc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停止、加速、减速以及转向控制。
课程设计是每个大学生必须面临的一项综合素质的考验，如果说在过去三年里，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。
在这近几天的课程设计中，我们有艰辛的付出，也有了收获。
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。
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。
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42-43.
系统总图
程序
$NOMOD51
;------------------------------------------------------------------------------
;ThisfileispartoftheC51Compilerpackage
;Copyright（c）1988-2002KeilElektronikGmbHandKeilSoftware,Inc.
;------------------------------------------------------------------------------
;STARTUP.A51:
Thiscodeisexecutedafterprocessorreset.
;
;TotranslatethisfileuseA51withthefollowinginvocation:
;
;A51STARTUP.A51
;
;TolinkthemodifiedSTARTUP.OBJfiletoyourapplicationusethefollowing
;BL51invocation:
;
;BL51,STARTUP.OBJ
;
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