基于单片机的电动机正反转控制.doc

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淮南师范学院电气信息工程学院2013届自动化专业课程设计报告

成绩

课程设计报告

题目：

基于单片机的电动机正反转控制设计

学生姓名：

xxx

学生学号：

xxxxxxxxxxxx

系别：

电气信息工程学院

专业：

自动化

届别：

2013

指导教师：

xxx

电气信息工程学院

基于单片机的电动机正反转控制

学生：

xxx

指导教师：

xxx

电气信息工程学院自动化系

1课程设计的任务与要求

1.1课程设计的任务

利用AT89C51单片机设计并实现电动机正反转控制及其相关功能。

通过本次设计了解并掌握51系列的单片机的结构及其使用方法。

1.2课程设计的要求

该设计要求能够具有以下功能：

（1）开启后器件没有任何反应。

（2）闭合正转开关按钮电动机开始正转。

（3）闭合反转开关按钮电动机开始反转。

（4）闭合停转开关按钮电动机停止转动。

1.3课程设计的研究基础

该设计包括硬件和软件设计两部分。

硬件部分包括：

直流电动机，电磁继电器，7路反相器，6路反相器。

软件部分包括：

基于51单片机的c语言程序。

设计中的相关研究部分介绍如下：

（1）直流电动机部分：

更改直流电动机的正负极就可以实现对直流电动机的正反转控制，更改可以使用继电器实现。

（2）电磁继电器部分：

通过更改电磁继电器的正负极可以实现对电磁继电器中电磁的有无进行控制。

再间接通过电磁的有无控制继电器中开关的打开与闭合。

（3）7路反相器部分：

通过反相器可以更改输入电平的高低与其高低值（即当输入为高电压输出为低电压并且低电压为接地电压，当输入为低电压是输出为高电压并且电压强度与接com端相同）。

其实质就是为了供给与继电器相适合的高低电压，所以如果没有该部分，则供给继电器的高低电压就有单片机提供，而单片机的输出高低电平为定值，因此需要此部分。

（4）6路反相器部分：

该部分是为了结合7路反相器部分使用的，因为负负得正，正正得正。

2电动机正反转系统方案制定

2.1方案提出

方案一：

使用开关直接控制电动机的正反转，此种设计非常简便易懂，便于修理与使用。

缺点：

该方案直接控制易产生火花电弧，会危害操作者生命安全。

如图1所示：

图1开关直接控制电动机正反转

图1中的开关为单刀双掷开关，所以开关有左，中，右三个位置。

方案一开关控制过程如下：

将单刀双掷开关置向左边电动机开始正转，将开关置向右端电动机开始反转，将开关置向中间位置电动机停止转动。

方案二：

使用电磁继电器进行控制电动机的正反转。

此种设计使用了电磁继电器为了是能让控制过程更安全可靠，顺利解决了方案一的不足。

缺点：

该方案不能够满足现代生活对自动化智能化的基本要求。

如图2所示：

图2继电器控制电动机正反转

图2中的开关也是使用单刀双掷开关，所以开关部分同方案一一样有左，中，右三个位置，但是方案2由两个单刀双掷开关控制。

通过控制开关的位置直接控制电磁继电器的磁性有无，再进行间接控制电磁继电器中的开关的位置。

方案2开关控制过程如下：

当开关左置时继电器开关亦左置，电动机正转；当开关右置时继电器开关亦右置，电动机反转；当开关中置时继电器开关亦中置，电动机停转。

即继电器所控制的开关与原来所直接控制的开关反应完全相同。

方案三：

使用单片机控制电磁继电器驱动电动机的正反转。

此种设计就满足此设计的要求，有电磁继电器部分，可以实现安全控制；控制部分由智能芯片单片机等部分组成，能够进行自动化智能化的远程智能控制。

如图3所示：

开始

电动机初始

通过开关提供P20，P21，P22口高低电平

P30，P31输出高低电平

6位反相器反相高低电平

7位反相器反相并提供1c口，2c口适合的高低电平

1c高2c高

1c低2c低

1c高2c低

NN

电机正传

YYY

电机反转

电机停转

END

Y

图3单片机控制继电器控制电机正反转

2.2方案比较

方案一：

该方案并不实用，就如上面所说，设计要源于生活而设计，所以设计要考虑到实用时的安全性，而此种直接控制型的方式，在开关打开或关闭的瞬间可能产生电弧火花，不能保证操作人员安全操作！

方案二：

该方案依然有很大的缺点，就是控制系统完全由手动操作，而在现在的自动化丰富的生活中，难以满足对于现在这个时代的需求。

方案三：

间接控制保证操作安全，远程智能控制能够进行后续的现实生活设计，比如密码锁控制车库卷帘门开关，光照强度控制百褶窗帘的角度调室内最优化采光，智能遥控汽车后备箱的开启与闭合。

2.3方案论证

由上面三种方案的比较分析得出，方案三能够包含前两种，并且能够进行前两者不能做到的功能，符合现实生活对于安全化，智能化，远控化的要求。

2.4方案选择

本设计的方案设计者选择第三种（即：

使用单片机控制电磁继电器驱动电动机的正反转）进行研究。

3电动机正反转系统方案设计

3.1各单元模块功能介绍及电路设计

该设计分为控制模块，驱动模块，特殊功能开发模块。

各功能模块介绍如下：

（1）控制模块原理：

三个开关控制单片机的输入高低电平，通过单片机的接口功能，设计程序控制输出电平的高低，最后达到控制电动机正反转的功能。

控制模块的组成：

开关，单片机。

1）开关部分如图4所示：

图4开关控制部分

如上图4中所示：

当某一开关按下时，该路的引脚就会接通地线，使本来为高电压的引脚突变为低电压，从而触发单片机相对应的反应，由此就可以控制整个电路的反应。

2）单片机部分如图5所示：

图5AT89C51单片机

AT89C51单片机是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

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，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

MCS-51兼容

4K字节可编程闪烁存储器

寿命：

1000写/擦循环

数据保留时间：

10年

全静态工作：

0Hz-24Hz

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

管脚说明

VCC：

供电电压。

GND：

接地。

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P1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。

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。

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，如下所示：

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（外部数据存储器写选通）

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。

RST：

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。

PSEN：

外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不出现

EA非/VP：

当EA非保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。

注意加密方式1时，EA非将内部锁定为RESET：

当EA非端保持高电平时，此间内部程序存储器。

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源。

XTAL1：

反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：

反向振荡器的输出,如采用外部时钟源驱动器件，应不接。

（2）驱动模块原理：

由被继电器直接控制的高电压接入直流电机的正负极驱动电动机的正反转，满足即能使用危险电压电流又能使控制安全；由内接的时钟部分发出稳定的时钟频率触发，驱动单片机的正常运转。

驱动模块的组成：

电动机驱动，单片机驱动。

1）电动机驱动部分如图6所示：

图6电动机驱动

电动机驱动部分为上图中下端的接地端与接+12v端，而图中右边的接+12v端与2c端是连接的控制端部分。

通过控制部分控制继电器部分的磁性有无来选择开关置向接地端或接+12v端，从而驱动电动机正反转或者停转。

2）单片机驱动部分如图7所示：

图7单片机驱动

系统采用内部时钟方式。

51单片机内有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1、XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。

把放大器与作为反馈元件的晶体振荡器X1、及电容C1、C2连接起来并接地，就构成了内部自激振荡器，并产生振荡时钟脉冲，驱动单片机正常运转。

（3）特殊功能模块：

通过对于导入单片机软件的应用，开发出生活中需要的自动控制系统。

电路设计如图8所示：

图8电路设计图

3.2电路参数的计算及元器件的选择

（1）继电器：

G2R-1E-DC12的电磁继电器的额定电压是+12v,为了保持相对应的可变磁性有无所以ULN2003A也必须输入额定电压为+12v。

因此ULN2003A的com端接+12v的电压。

（2）电动机：

G2R-1E-DC12的电磁继电器的输出电压为+12v，并且其输出电压供应直流电动机的输入电压，因此该直流电动机的额定电压应该为+12v。

（3）反相器：

为了使继电器得到合适的电压使用了ULN2003A，所以还应需要另外一组反相器用来产生反向电压。

3.3特殊器件的介绍

（1）ULN2003A

ULN2003A是一个7路反向器电路，即当输入端为高电平时ULN2003A输出端为低电平，当输入端为低电平时ULN2003A输出端为高电平。

共16个端口，其中1~7口为输入端口，相对应16~10口为输出端口。

8号口9号口为地与com端口。

图9ULN2003A内部电路图

（2）G2R-1E-DC12

G2R-1E-DC12是一个电磁继电器并且带供电作用。

电路由电磁部分和开关部分组成，电磁部分有两个接口，其中一端接入受控制的高低点，另一端直接接入高电压或低电压。

开关部分为一个单刀双置开关，开关所选择的两端分别接高电压与低电压，从而可以通过电磁部分对开关进行选择高电压或低电压，从而对负载部分进行供给。

图10G2R-1E-DC12电路图

（3）74LS14

74LS14（有施密特触发器）是一个6反向器的非门芯片,引脚定义如下A端为输入端，Y端为输出端，一片芯片一共6路，即1，3，5，9，11，13为输入端，2，4，6，8，10，12为输出端，输出结果与输入结果反向。

（即如果输入端为高电平，那么输出为低电平。

如果输入低电平，输出为高电平）。

图1174LS14电路图

3.4系统整体电路图

图12整体电路图

上图左边为单片机的驱动部分，即内接时钟部分，目的是为单片机供给稳定的时钟频率。

中间部分为单片机主体，通过对其编程与对引脚的合理使用达到各种设计的需要。

图中的右下部分为反相器部分，左边的反相器是对应右边反相器所使用的，而右边的反相器是为了供给1c，2c端口合适高度的电压。

右上部分为开关和电动机的驱动部分，通过开关控制单片机高低电平，从而控制1c，2c端口高低电平，最后控制继电器中开关的置向从而控制电动机正反转和停转。

4电动机正反转系统仿真和调试

4.1仿真软件介绍

Protues：

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。

（1）Protues功能：

具有丰富的器件库：

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）Protues提供了丰富的资源

仿真元器件资源：

仿真数字和模拟、交流和直流等数千种元器件，有30多个元件库。

仿真仪表资源：

示波器、逻辑分析仪、虚拟终端、SPI调试器、I2C调试器、信号发生器、模式发生器、交直流电压表、交直流电流表。

理论上同一种仪器可以在一个电路中随意的调用。

图形显示功能，可以将线路上变化的信号，以图形的方式实时地显示出来，其作用与示波器相似，但功能更多。

这些虚拟仪器仪表具有理想的参数指标，例如极高的输入阻抗、极低的输出阻抗。

这些都尽可能减少了仪器对测量结果的影响。

还提供了比较丰富的测试信号用于电路的测试。

这些测试信号包括模拟信号和数字信号。

（3）Protues支持主流单片机软件仿真

提供软件调试功能。

提供丰富的外围接口器件及其仿真。

RAM，ROM，键盘，马达，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件。

这样很接近实际。

在训练学生时，可以选择不同的方案，这样更利于培养学生。

提供丰富的虚拟仪器，利用虚拟仪器在仿真过程中可以测量外围电路的特性，培养学生实际硬件的调试能力。

（4）具有强大的原理图绘制功能。

Protues绘制好原理图后，调入已编译好的目标代码文件：

*.HEX，可以在Protues的原理图中看到模拟的实物运行状态和过程。

Protues是单片机课堂教学的先进助手。

Protues不仅可将许多单片机实例功能形象化，也可将许多单片机实例运行过程形象化。

前者可在相当程度上得到实物演示实验的效果，后者则是实物演示实验难以达到的效果。

它的元器件、连接线路等却和传统的单片机实验硬件高度对应。

这在相当程度上替代了传统的单片机实验教学的功能，例：

元器件选择、电路连接、电路检测、电路修改、软件调试、运行结果等。

课程设计、毕业设计是学生走向就业的重要实践环节。

由于Protues提供了实验室无法相比的大量的元器件库，提供了修改电路设计的灵活性、提供了实验室在数量、质量上难以相比的虚拟仪器、仪表，因而也提供了培养学生实践精神、创造精神的平台。

随着科技的发展“计算机仿真技术”已成为许多设计部门重要的前期设计手段。

它具有设计灵活，结果、过程的统一的特点。

可使设计时间大为缩短、耗资大为减少，也可降低工程制造的风险。

相信在单片机开发应用中Protues也能茯得愈来愈广泛的应用。

4.2系统仿真实现

（1）打开仿真，未按下按钮之前。

电动机不转动。

如图13所示：

图13打开仿真电路图

未按下任何开关时，端口p20，p21，p22显示为高电平，对应p30高电平，p31低电平。

所以1c端高电平，2c端低电平，从而RL1中开关置向+12v端，RL2中开关也是置向+12v端，电动机两端电压相等，所以电动机不转动。

（2）当按下正转开关按钮后，电动机正传。

如图14所示：

图14模拟电动机正转电路图

当按下正转开关时：

p20，低电压，p21和p22高电压；对应p30，p31都是高电压，因此1c，2c端也是高电压，从而RL1中的开关置向+12v端，RL2中的开关置向接地端，即电动机正极端接+12v，负极端接地，所以电动机正向旋转。

（3）当按下反转开关按钮后，电动机反转。

如图15所示：

图15模拟电动机反转电路图

当按下反转开关时：

p20与p22高电压，p21低电压；对应p30，p31都是低电压，因此1c，2c端也都是低电压，从而RL1中的开关置向接地端，RL2中的开关置向+12v端，即电动机的正极接地，负极接+12v，所以电动机反向旋转。

（4）当按下停止开关按钮后，电动机停止转动。

如图16所示：

图16模拟电动机停转电路图

当按下停止开关时：

p20与p21高电压，p22低电压；对应p30高电压，p31低电压，因此1c端高电压，2c端低电压，从而RL1中的开关置向接+12v，RL2中的开关置向接+12v，电动机两端电压相等，所以电动机停转

4.3系统测试

测试环境：

20摄氏度。

测试仪器：

计算机，win7操作系统，proteus仿真软件

测量数据：

电动机转速为360r/min

4.4数据分析

已知：

直流电动机额定功率PN=9w,效率y=75%，额定电压UN=+12v额定转速nn=360r/min

所以经过计算：

输入功率P1=PN/y=9/0.75（W）=12（W）

额定电流IN=PN/（UN*y）=9/（12*0.75）（A）=1（A）

额定输出转矩T2N=9.55*PN/nn=9.55*9/360（N·m）=0.24（N·m）

5总结

5.1设计小结

本设计研究了一种基于单片机技术的直流电动机正反转控制的系统。

该直流电动机正反转系统以AT89C51单片机为工作处理器核心，外接控制开关进行电力驱动。

该设计的理念，理论基础是很简单的直流电机正反转，但当将该理论基础融合现实所需要的关于一切可以用电机正反转所实现的事例中加以使用，即可得到现代化所追求的智能化，自动化，远程控制化。

对单片机的程序进行各种合理的设计与修改之后就能做到不需要传统的开关进行控制电机正反转，比如加上红外接收器，就可以红外遥感控制正反转；加上温度感应器，就可以温控电机正反转；加上光强感应器，就可以光控电机正反转。

该设计的最大好处就是基础原理简单，后期进行丰富也比较简单，这样就对后期各方面的加强控制能够更加容易的实现。

随着现代人们对于生活方便化轻巧化容易化的追求，更加方便智能的控制系统必将在这个领域上有更加深层次的应用！

5.2收获体会

通过对本设计的设计与研究，熟练掌握了对于proteus深层次的了解，由于本设计主要是涉及单片机的内容，也熟练的了解了单片机的各个接口的作用与如何使用C语言进行对单片机的编程。

基于本设计的原理基础，对于各种后期的猜想，有助于以后的对单片机更加深层次的开发与使用，从而能更加完善的丰富现代生活！

5.3展望

自动化，智能化的时代已经到来了。

而单片机就好比生活中那些比较简单但很实用的机器的大脑。

单片机可以帮助电饭煲智能控温，单片机能够帮助汽车智能变速，单片机还可以设置密码控制门禁系统，单片机可以远程被控制。

在未来的生活里，我们几乎可能离不开单片机。

不需要超高的计算功能，不需要超高的逻辑能力就完全能够胜任生活中那些我们所需要的自动控制。

6参考文献

[1]侯玉宝，基于proteus的51系列单片机设计与仿真[M]，电子工业出版社，2010.

[2]宋文绪，传感器与检测技术[M]，高等教育出版社，2010.

[3]余锡存，单片机原理及接口技术[M]，西安电子科技大学出版社，2009.

[4]李全利，单片机原理及接口技术[M]，北京航空航天大学出版社，2010.

[5]薛均义，MCS-51系列单片微型计算机及其应用[M]，西安交通大学出版社，2009.

[6]徐爱钧，单片机高级语言C51应用程序设计[M]，北京航空航天大学出版社，2010.

[7]康华光.，电子技术基础（模拟部分）[M]，高等教育出版社，2006.

[8]崔葛瑾，数字电路实验基础，同济大学出版社，2006.

[9]张宝华，模拟电路实验基础，同济大学出版社，2006.

[10]康华光，电子技术基础（数字部分）[M]，高等教育出版社，2006.

[11]谢维成，单片机原理与应用及51程序设计，清华大学出版社，2009.

[12]谭浩强，C程序设计，清华大学出版社，2005.

[13]谭浩强，