基于AT89C51单片机的直流电动机转速温度控制器设计（毕业设计论文doc）Word格式文档下载.docx
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4.1主程序流程图 19
4.2显示功能流程图 20
4.3驱动电路流程图 21
第五章 温度控制直流电机的转速电路及仿真分析 22
5.1PROTEUS原理图 22
5.2电动机停转时电路图 23
5.3电动机正转时电路图 24
5.4电动机反转时电路图 26
结论 28
参考文献 29
谢词 30
附录一PROTEL原理图 31
附录二PCB效果图及三维效果图 32
附录三程序清单 34
前言
在电气时代的今天，人们的生活水平的提高，空调已经普及到家家户户。
时代的进步，新型的空调变频空调也逐渐广泛使用在各个领域。
变频空调是在常规空调的结构上增加了一个变频器。
压缩机是空调的心脏,其转速直接影响到空调的使用效率,变频器就是用来控制和调整压缩机转速的控制系统,使之始终处于最佳的转速状态,从而提高能效比（比常规的空调节能20%～30%）。
变频空调具有以下特点：
①启动电流小,转速逐渐加快,启动电流是常规空调的1/7；
② 没有忽冷忽热的毛病,因为变频空调是随着温度接近设定温度而逐渐降低转速,逐步达到设定温度并保持与冷量损失相平衡的低频运转,使室内温度保持稳定；
③噪声比常规空调低,因为变频空调采用的是双转子压缩机,大大降低了回旋不平衡度,使室外机的振动非常小,约为常规空调的1/2；
④制冷、制热的速度比常规空调快1～2倍。
变频空调采用电子膨胀节流技术,微处理器可以根据设置在膨胀阀进出口、压缩机吸气管等多处的温度传感器收集的信息来控制阀门的开启度,以达到快速制冷、制热的目的
本设计设计的是直流电机转速由温度控制，采用单片机构成控制系统，由单片机AT80C51作为主控芯片控制整个电路，结合外围的LCD显示、L298驱动、
DS18B20温度采集等电路，用C语言编写主控芯片的控制程序，设计了直流变频空调器的心脏---压缩机。
该设计实现的功能：
1.温度升高，通过电机加速正转，达到一定温度全速正转；
2.温度降低，通过电机加速反转，低于一定温度全速反转；
3.根据LED灯是否亮来判断此时温度是高、低还是刚好适合。
4.通过液晶显示当前温度。
第一章 系统方案的论证与分析
1.1设计任务与要求
1.1.1设计任务
温度控制直流电动机转速
1.1.2设计要求
（1）、使用AT89C51单片机为核心，使用LCD液晶显示器显示当前温度，温度传感器使用DS18B20，使用L298驱动直流电动机。
（2）、用LCD液晶显示器显示当前温度，当温度在>
25°
C时，直流电动机在L298驱动下加速正转，温度在>
35°
C时 全速正转，并且LED发光二极管亮；
当温度<
10°
C时，直流电动机加速反转，温度<
0°
C时，直流电动机全速反转，并且LED发光二极管亮；
温度 10-25°
C之间时，直流电动机停止转动，发光二极管均不亮。
（3）、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。
（4）、生成PCB效果图三维效果图。
根据题目中的设计要求，本系统主要由主控单片机模块、电机驱动模块、振荡复位电路、温度采集模块以及液晶显示模块构成。
本系统的方框图如图1-
1所示：
振荡复位电路
电机
L298电机驱动模块
液晶显示模块
LED发光二极管
AT89C51
主控单片机
DS18B20温
度采集模块
图1-1系统的方框图
1.2系统方案的论证分析
1.2.1主控单片机
在单片机控制中，常用的ATMEL公司单片机种类有
AT89C51、AT89C52、AT89S51、AT89S52，都兼容MCS-51单片机。
对于
AT89C51，是一种带4K字节闪存可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，128×
8位内部RAM，32可编程I/O线，两个16位定时器/计数器，5个中断源等主要特性。
相比而言，AT89C52有8K的ROM，256B的RAM，还增加一个定时器/计数器2，自然价格比C51略高。
而相对而言，S系列的单片机具有在线编程下载（ISP）功能和看门狗，而且运行的速度的最高频率达到33MHZ，使得运行速度更快，自然价格比C 系列的要高2元左右。
但是当在对电路进行调试时，由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时，
S系列的不需要对芯片多次拔插，节省了调试的时间。
综合考虑以上种种因素，由于考虑到产品的成本，在同样能完成我们所要求的功能时，自然会选择相对便宜的AT89C51，这样更容易把产品推向市场。
但是在实验室的的调试中，我们依然可以用AT89S51，这样就方便了我们的硬件调试，同样降低了开发产品的成本。
1.2.2显示模块
（1）采用LED数码管
LED显示具有硬件电路结构简单、价格便宜、调试方便、软件实现相对容易等优点，但占用单片机IO口太多，而且显示的信息不多。
由于我们计划要显示小车运行时间、速度、路程等内容。
LED数码管无法显示如此丰富的内容，因此放弃此方案。
（2）采用LCD液晶显示
采用LCD液晶显示。
用自带中文字符库的液晶显示模块，显示方便美观，而且人机交互界面也很友好。
采用串口通讯的显示方式，可以大大节省单片机的IO口。
LCD液晶具有功耗低、显示内容丰富、清晰，显示信息量大，显示速度较快，界面友好等而得到广泛应用，因此选用此方案。
1.2.3电机模块
（1）采用步进电机
采用步进电机作为该系统的驱动电机，由于其转动的角度可以精确定位，可以实现小车前进距离和位置的精确定位。
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。
在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置
只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。
这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。
使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。
虽然采用步进电机有诸多优点，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。
它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。
步进电机的输出力矩较低，随转速的升高而下降，且在较高的转速时会急剧下降，其转速较低时不适于小车等对速度有一定要求的系统。
因此决定放弃此方案。
（2）采用直流电机
采用直流减速电机。
直流减速电机转动力矩大，体积小，重量轻，装配简单，使用方便。
（一）调速性能好。
所谓“调速性能”，是指电动机在一定负载的条件下，根据需要，人为地改变电动机的转速。
直流电动机可以在重负载条件下，实现均匀、平滑的无级调速，而且调速范围较宽。
（二）起动力矩大。
可以均匀而经济地实现转速调节。
因此，凡是在重负载下起动或要求均匀调节转速的机械，都用直流电动机。
因此决定采用此方案。
1.2.4电机驱动调速模块
小车运行过程中要求电动机的转速在一定范围内调节,调速范围根据负载的要求而定。
由公式[1]
n=Ua-IaRa
Cef
n:
电枢转速,Uα:
电机端电压,Iα:
电机端电流,
Rα:
电枢电阻,Ce:
常数,φ:
每极总磁通可以看出,调速可以有三种方法:
（1）改变电机端电压Uα,即改变电枢电源电压;
（2）改变磁通φ,即改变激磁回路的调节电阻Rj以改变激磁电流Ij;
（3）在电枢回路中串联调节电阻Rtj。
此时的转速公式[2]为:
n=Ua-Ia（Ra+Rtj）
[1]
[2]
在实际电路设计中，改变电机的磁通φ或调节枢回路中串联调节电阻Rtj并不方便、实用。
因此，主要选择通过改变电机两端电压的方法来实现电机的调速控制。
（1）采用继电器
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。
因此放弃此方案。
（2）采用L298驱动
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的实现转速和方向的控制。
电子开关的速度很快，稳定性也极强，是一种广泛采用的PWM调速技术。
L298为SGS-THOMSONMicroelectronics所出产的双全桥步进电机专用驱动芯片（Dual
Full-BridgeDriver），可以方便的驱动两个直流电机，或一个两相步进电机。
内
含二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，输出电压最高可达50V。
可以直接通过电源来调节输出电压，可以直接用单片机的IO口提供信号，而且电路简单，使用比较方便。
PWM脉宽调制实际上就是改变电机端电压的平均值从而进行调速的一种方法。
这种方法便于与单片机等数字系统接口，实现方便，而前两种方法必须要配合
一定的外围模拟电路才能达到单片机控制目的，基于以上分析,在电动机驱动模块上拟选定采用PWM脉宽调制方法。
选用L298双全桥步进电机专用驱动芯片。
因此选用此方案。
第二章 主要元器件的介绍
2.1主控芯片AT89C51
2.1.1AT89C51简介
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
外形及引脚排列如图1所示：
图1 AT89C51外形及引脚排列
2.1.2管脚说明：
（1）VCC：
供电电压。
（2）GND：
接地。
（3）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。
（4）P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能可驱动4个TTL输入。
P1口写入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。
在FLASH编程和校验时，P1口接受低8位地址。
（5）P2口：
P2口为一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器能可驱动4个TTL输入。
当P2口写1时，被内部上拉电阻拉高，且作为输入，
P2口被外部拉低电平时，将输出电流。
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8位。
在访问8位地址的外
部数据存储器时，P2引脚上的内容在整个访问期间不变。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
（6）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。
P3口也可作为
AT89C51的一些特殊功能口，如下表一所示：
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
外部数据存储器写选通
P3.7/RD
外部数据存储器读选通
表一 P3口管脚备选功能
（7）RST：
复位输入。
（8）XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
（9）XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
2.2温度传感器芯片DS18B20
在选定单片机类型后，通常还要对一些严重影响系统性能指标的器件，如
传感器进行选择。
有时一个设计合理的测控系统往往因为传感器的限制而达不到应有的效果。
该电路的根本任务是温度的实时测量。
因此，选用一块好的温度传感器是本设计的关键。
典型的温度测控系统是由模拟温度传感器、A、D转换电路和单片机组成。
但是由于模拟温度传感器输出为模拟信号，必须经过
A／D转换环节获得数字信号后才能与单片机等微处理器接口，使得硬件电路结构复杂，成本较高。
近年来，由于以DSl8B20为代表的新型单总线数字式温度传感器的突出优点使得它得到充分利。
2.2.1DS18B20介绍
DS18B20内部结构主要由四部分组成：
64位光刻ROM、温度传感器非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。
DS18B20的测量温度范围是-55～+125℃。
该温度传感器的输出温度数据可与摄氏度校准，使用查找表或转换规则就可计算温度值。
它采用单根信号线，既传输时钟，又传输数据，而且数据传输是双向的，因此具有节省I／O口线资源、结构简单、成本低廉、便于总线扩展和维护等诸多优点。
它可以直接将模拟温度信号转化为数字信号，降低了电路的复杂程度，提高了电路的运行质量。
2.2.2DS18B20的功能及使用说明
DS18B20高精度数字温度传感器可以完成如下的功能：
（1）采用采用AT89S52单片机和DS18B20温度传感器通信，控制温度的采集过程和进行数据通信；
（2）提供DS18B20的使用外围电路温度显示LCD电路以及DS18B20和单片机的通信接口电路；
（3）利用发光二极管指示系统的工作状态，DS18B20温度传感器内置温度上下限；
（4）编写程序，完成单片机对温度数据的采集过程以及与DS18B20数据传输过程的控制。
图2 温度传感器
主机（单片机）控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤：
每一次读写之前都要对DS18B20进行复位操作，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。
复位要求主CPU将数据线下拉500微秒，然后释放，当DS18B20收到信号后等待16～60微秒左右，后发出60～240微秒的存在低脉冲，主CPU收到此信号表示复位成功。
部分温度值与DS18B20输出的数字量对照表如下图表二：
表二部分温度值与DS18B20输出的数字量对照表
+85℃
0000
0101
0550H
+25.625℃
0001
1001
0191H
+10.125℃
1010
0010
00A2H
+0.5℃
1000
0008H
0℃
0000H
-0.5℃
1111
FFF8H
-10.125℃
0110
1110
FF5EH
-25.625℃
FF6FH
-55℃
1100
FC90H
2.2.3DS18B20寄存器的存储器及格式
DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的E2RAM,后者存放高温度和低温度触发器TH、TL和结构寄存器。
暂存存储器包含了8个连续字节，前两个字节是测得的温度信息，第一个字节的内容是温度的低八位，第二个字节是温度的高八位。
第三个和第四个字节是
TH、TL的易失性拷贝，第五个字节是结构寄存器的易失性拷贝，这三个字节的内容在每一次上电复位时被刷新。
第六、七、八个字节用于内部计算。
第九个字节是冗余检验字节。
DS18B20温度寄存器的格式：
LSByte
MSByte
bit7 bit6 bit5 bit4bit3 bit2 bit1 bit0
8
4
2
1
1/2
1/4
1/8
1/16
Bit15bit14bit13bit12bit11bit10bit9 bit8
S
16
图3 DS18B20温度寄存器格式
2.2.4DS18B20使用注意事项
DS18B20虽然具有测温系统简单、测温精度高、连接方便和占用口线少等优点，但是在实际应用中也应注意以下几个问题：
（1）因为硬件开销较小，所以需要较复杂的软件进行补偿，由于DS18B20与微处理器间采用串行数据传送，因此，在对DS18B20进行读写编程时必须严格保证读写时序，否则将无法读取测温结果。
（2）当单总线上所挂DS18B20超过8个时，就需要解决微处理器的总线驱动问题，这一点在进行多点测温系统设计时要加以注意
（3）在DS18B20测温程序设计中，向DS18B20发出温度转换时总要等待
DS18B20的返回信号，一旦某个DS18B20接触不好或短线，当程序读该DS18B20
时，将没有返回信号，程序进入死循环。
这一点在进行DS18B20硬件连接和软
件设计时也要加以注意。
2.3液晶显示芯片LM016L
2.3.1LCD1602主要技术参数：
显示容量:
16×
2个字符芯片工作电压:
4.5—5.5V工作电流:
2.0mA（5.0V）模块最佳工作电压:
5.0V
字符尺寸:
2.95×
4.35（W×
H）mm
2.3.2引脚功能说明
LCD1602采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如以下表三所示:
编号
符号
引脚说明
VSS
电源地
9
D2
DataI/O
VDD
电源正极
10
D3
3
VL
液晶显示偏压
信号
11
D4
RS
数据/命令选择
端（H/L）
12
D5
5
R/W
读/写选择端
（H/L）
13
D6
6
E
使能信号
14
D7
7
D0
15
BLA
背光源正极
D1
BLK
背光源负极
表三 引脚说明
2.3.3基本操作时序表（如表四所示）
读状态
输入
RS=L,R/W=H,E=H
输出
D0—D7=状态字
写指令
RS=L,R/W=L,D0—D7=指令码，
E=高脉冲
无
读数据
RS=H,R/W=H,E=H
D0—D7=数据
写数据
RS=H,R/W=L,D0—D7=指令码，
表四 基本操作时序表
第三章 电路的功能单元设计
3.1整个设计电路图
图3.1整个电路设计
3.2液晶显示电路设计
显示部分由液晶显示器取代普通的数码管完成。
电路图如图4所示，VEE液晶显示偏压信号，VSS接地，VDD接电源。
RS为数据命令选择端，RW为读写选择端，E端为使能端。
D0-D7为8位双向数据线。
图4 液晶显示部分
3.3驱动电机电路设计
通过图5，可清楚看出单片机→电机驱动芯片→直流电机的三级控制结构。
采用此种控制结构，各级职责明确，结构清晰易于实现。
因为电机需要双向转动，所以使用由4个功率元件组成的H桥电路。
如图5
所示电路图，L298驱动芯片的OUT1、OUT2作为输出口与电机连接，VCC、VS接
+12V电源，GND接地，SENSA、SENSB接地,IN1、IN2、ENA与单片机AT89C51连接。
图5 驱动电机仿真原理图
3.4温度采集电路的设计
DS18B20是数字温度传感器，具有3引脚TO-92小体积封装形式；
温度测量范围为—55～+125°
C，可编程为9位～12位A/D转换精度，测温分辨可达0.0625°
C，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出；
其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生，多个DS18B20可以并联3根或2根线上。
CPU只需一根端口线就
升级会员 