廣東工業(yè)大學(xué)-基于51單片機(jī)課程設(shè)計(jì)報(bào)告小直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)

1、 單片機(jī)原理與應(yīng)用技術(shù)課程設(shè)計(jì)論文 課程名稱 單片機(jī)原理與應(yīng)用技術(shù) 題目名稱 小直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng) 學(xué)生學(xué)院 信息工程學(xué)院 專業(yè)班級(jí) 測(cè)控技術(shù)與儀器 （光機(jī)電一體化14級(jí)1班） 學(xué) 號(hào)3114002498 學(xué)生姓名 溫瑋佳 指導(dǎo)教師 張巧芬 2016年 12 月 28 日任 務(wù) 書1.課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目 小直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)2.設(shè)計(jì)內(nèi)容（1）以AT89C51單片機(jī)為核心器件組成小直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)；（2）搭建外圍硬件電路；（3）系統(tǒng)程序編制與調(diào)試；（4）電路系統(tǒng)的綜合調(diào)試；（5）撰寫課程設(shè)計(jì)論文；（6）完成課程設(shè)計(jì)論文答辯。3.設(shè)計(jì)要求用ADC0809采樣電位器的值，并在顯示器上顯示，將此信號(hào)

2、值作為方波占空比，通過0832輸出經(jīng)放大后控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。4.設(shè)計(jì)進(jìn)度 時(shí)間設(shè)計(jì)內(nèi)容第1-2天查閱資料、方案比較、設(shè)計(jì)與論證第3-4天仿真、程序編寫第5天焊接第6天系統(tǒng)調(diào)試 目 錄1.緒論1.1課題研究的目的及意義-41.2國(guó)內(nèi)外電機(jī)控制的研究現(xiàn)狀及發(fā)展-41.3 PWM變頻調(diào)速發(fā)展前景-4 1.31PWM調(diào)速-52.方案論證（規(guī)劃、選定）-53.方案說明（設(shè)計(jì)）-54.硬件方案設(shè)計(jì)4.1電位器采集模塊-6 4.1.1電位器-6 41.2數(shù)模轉(zhuǎn)換及顯示-64.2模數(shù)轉(zhuǎn)換與單片機(jī)的連接-74.3數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊及放大驅(qū)動(dòng)模塊-95.軟件方案設(shè)計(jì)-96.調(diào)試6.1硬件調(diào)試-106.2軟件調(diào)試-107.技

3、術(shù)小結(jié)（結(jié)束語）-108.參考文獻(xiàn)-109.附錄（元件清單、電路圖、源程序代碼、實(shí)物圖片等）9.1元件清單-119.2電路圖-119.3源程序代碼-121.緒論1.1 課題研究的目的及意義 直流電機(jī)具有良好的啟動(dòng)性能和調(diào)速特性，雖然各種類型的電機(jī)層出不窮，然而在自動(dòng)控制系統(tǒng)、電子儀器設(shè)備等方面，直流電機(jī)的應(yīng)用還是占有突出地位。直流電機(jī)調(diào)速平滑，調(diào)速范圍廣，過載能力強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)頻繁的無級(jí)快速起動(dòng)、制動(dòng)、加減速和正反轉(zhuǎn)。為了滿足生產(chǎn)過程自動(dòng)化系統(tǒng)化各種不同的特殊要求，從而對(duì)直流電機(jī)提出了較高的要求，改變電樞回路電阻調(diào)速、改變電壓調(diào)速等技術(shù)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代科技的要求，通過PWM方式控制直流電機(jī)調(diào)速的

4、方法就應(yīng)用而生。 PWM直流電機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)擁有需要的功率元件少、線路簡(jiǎn)單、控制方便、開關(guān)頻率高、低速性能好。通過學(xué)習(xí)并熟練掌握這個(gè)調(diào)速系統(tǒng)，對(duì)我們今后的工作有十分重要的意義。 本課題是以單片機(jī)為主要控制核心，針對(duì)直流電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過本次課程設(shè)計(jì)培養(yǎng)我們綜合運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)和技能解決問題的本領(lǐng)，鞏固和加深多所學(xué)知識(shí)的理解。1. 2 國(guó)內(nèi)外電機(jī)控制的研究現(xiàn)狀及發(fā)展國(guó)外主要電氣公司如瑞典ABB公司、德國(guó)的西門子公司、AEG公司、日本的三菱公司、東芝公司、美國(guó)的GE公司、西屋公司等，均已經(jīng)開發(fā)出多個(gè)數(shù)字直流調(diào)速裝置，有成熟的系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、模板化的應(yīng)用產(chǎn)品。我國(guó)從20世紀(jì)60年代初試制成功

5、第一只硅晶管以來，晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)也得到迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。目前晶閘管供電的直流調(diào)速系統(tǒng)在我國(guó)各部門得到運(yùn)用。還有數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)的研究，隨著PWM技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)直流電機(jī)調(diào)速也正向著脈寬調(diào)制方向發(fā)展。1.3PWM調(diào)速發(fā)展前景PWM調(diào)速作為一項(xiàng)新的調(diào)速技術(shù)，在西方發(fā)達(dá)國(guó)家已得到廣泛應(yīng)用。目前，不論是在同步電機(jī)調(diào)速方面，還是異步電機(jī)調(diào)速方面，PWM調(diào)速是較好的。1.31PWM調(diào)速 現(xiàn)代的PWM調(diào)速采用的是脈寬調(diào)制技術(shù)，具體一點(diǎn)就是應(yīng)用了采樣控制理論中的一個(gè)重要理論，沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同，沖量即窄脈沖的面積。2. 方案論證（規(guī)劃、選定）方案一：以兩塊

6、AT89C51單片機(jī)進(jìn)行通信擴(kuò)展I/O口為控制中心，采集電位器的值通過A/D轉(zhuǎn)換器（ADC0809），單片機(jī)控制將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字量顯示在數(shù)碼管上；再將這個(gè)值作為信號(hào)，改變占空比，再通過D/A轉(zhuǎn)換器（DAC0832）轉(zhuǎn)換成模擬量，進(jìn)而通過LM324運(yùn)放和ULN2003放大控制直流電機(jī)調(diào)速。方案二：同樣以AT89C51單片機(jī)為控制中心，但是只用一塊單片機(jī)。采用兩塊595芯片級(jí)聯(lián)來控制數(shù)碼管的段選與位選，節(jié)省I/O口。采集電位器的值通過A/D轉(zhuǎn)換器（ADC0809），單片機(jī)控制將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字量顯示在數(shù)碼管上；再將這個(gè)值作為信號(hào)，改變占空比，再通過D/A轉(zhuǎn)換器（DAC0832）轉(zhuǎn)換成模擬量，進(jìn)而通過OP

7、AMP放大控制直流電機(jī)調(diào)速。經(jīng)過比較，方案一的硬件電路復(fù)雜，而且要用兩塊單片機(jī)比較浪費(fèi)和麻煩。最終選定了硬件電路簡(jiǎn)單，需要在程序上進(jìn)行一定數(shù)據(jù)處理的方案二。3.方案說明（設(shè)計(jì)）本設(shè)計(jì)以AT89C51單片機(jī)為控制中心，運(yùn)用電位器采集信號(hào)，然后經(jīng)過ADC0809進(jìn)行模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，將此作為占空比并將最終數(shù)據(jù)傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步處理并將處理的數(shù)據(jù)傳輸給DAC0832將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量再經(jīng)過OPAMP放大輸出驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，并通過電位器值得改變來改變占空比，從而實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的調(diào)速。整體框圖如下： ADC0808模數(shù)轉(zhuǎn)換兩個(gè)595級(jí)聯(lián)控制數(shù)碼管顯示數(shù)字值電位器采集信號(hào)值A(chǔ)T89C51MO

8、ROROPAMP放大驅(qū)動(dòng)模塊DAC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換4.硬件方案設(shè)計(jì)4.1電位器采集模塊4.1.1電位器 電位器的作用調(diào)節(jié)電壓（含直流電壓與信號(hào)電壓）和電流的大小。電位器的電阻體有兩個(gè)固定端，通過手動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)軸，改變動(dòng)觸點(diǎn)在電阻體上的位置，則改變了動(dòng)觸點(diǎn)與任一個(gè)固定端之間的電阻值，從而改變了電壓與電流的大小。電位器是一種可調(diào)的電子元件。它是由一個(gè)電阻體和一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)或滑動(dòng)系統(tǒng)組成。當(dāng)電阻體的兩個(gè)固定觸電之間外加一個(gè)電壓時(shí)，通過轉(zhuǎn)動(dòng)或滑動(dòng)系統(tǒng)改變觸點(diǎn)在電阻體上的位置，在動(dòng)觸點(diǎn)與固定觸點(diǎn)之間便可得到一個(gè)與動(dòng)觸點(diǎn)位置成一定關(guān)系的電壓。它大多是用作分壓器，得到模擬量4.1.2模數(shù)轉(zhuǎn)換及顯示 當(dāng)電位器發(fā)生改變時(shí)

9、，阻值發(fā)生相應(yīng)的變化，通過下圖所示的電路能夠使得電位器兩端的電壓發(fā)生相應(yīng)的改變。此時(shí)的輸出信號(hào)為模擬量，單片機(jī)無法直接讀取。通過ADC0809轉(zhuǎn)換成數(shù)字量顯示在數(shù)碼管上（單片機(jī)通過MAX2719控制數(shù)碼管顯示）上圖為模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊上圖為數(shù)碼管顯示模塊4.2模數(shù)轉(zhuǎn)換與單片機(jī)的連接 89C51是一個(gè)低功耗，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲(chǔ)單元

10、，功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的AT89C51可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價(jià)比的解決方案。 AT89C51具有如下特點(diǎn)：40個(gè)引腳，4k Bytes Flash片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，128bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），32個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）口，4個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)，2層中斷嵌套中斷，2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器,2個(gè)全雙工串行通信口，內(nèi)部集成看門狗計(jì)時(shí)器片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器。其工作電壓在4.55V,一般我們選用5V電壓。 ADC0809是帶有8位A/D轉(zhuǎn)換器、8路多路開關(guān)以及微處理機(jī)兼容的控制邏輯的CMOS組件。它是逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，可以和單片機(jī)直接接口。ADC0809由一個(gè)8路模擬開

11、關(guān)、一個(gè)地址鎖存與譯碼器、一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器和一個(gè)三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關(guān)可選通8個(gè)模擬通道，允許8路模擬量分時(shí)輸入，共用A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。三態(tài)輸出鎖存器用于鎖存A/D轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量，當(dāng)OE端為高電平時(shí)，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。下面為ADC0809與單片機(jī)的連接電路：4.3數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊及放大驅(qū)動(dòng)模塊DAC0832是8分辨率的D/A轉(zhuǎn)換集成芯片。與微處理器完全兼容。這個(gè)DA芯片以其價(jià)格低廉、接口簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)換控制容易等優(yōu)點(diǎn)，在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。D/A轉(zhuǎn)換器由8位輸入鎖存器、8位DAC寄存器、8位D/A轉(zhuǎn)換電路及轉(zhuǎn)換控制電路構(gòu)成。OPAMP(LM324）系列由四個(gè)獨(dú)

12、立的，高增益，內(nèi)部頻率補(bǔ)償運(yùn)算放大器，其中專為從單電源供電的電壓范圍經(jīng)營(yíng)連接圖如下：4.4 MAX2719 LED驅(qū)動(dòng)顯示模塊 MAX7219是一種串入、并出的共陰極LED數(shù)碼管顯示驅(qū)動(dòng)器，每片可驅(qū)動(dòng)8位LED數(shù)碼管顯示，與單片機(jī)的接口只需3根線，內(nèi)帶BCD譯碼器，及顯示測(cè)試、移位、鎖存器等，輸出電流達(dá)40mA，外圍只需一只亮度調(diào)整電阻。 1、 引腳功能說明 DIN：串行數(shù)據(jù)輸入端，CLK的上升沿時(shí)數(shù)據(jù)被載入內(nèi)部16位移位寄存器中 CLK：串行時(shí)鐘輸入端，最高工作頻率可達(dá)10MHz LOAD：片選端，低電平接收DIN端的數(shù)據(jù)，高電平時(shí)數(shù)據(jù)被所存 

13、;DIG07：LED的位控制端 ADP：LED的端控制端 DOUT： 串行數(shù)據(jù)輸出端，用于芯片的級(jí)聯(lián) ISET：硬件亮度調(diào)整端，在該引腳與VCC之間跨接一個(gè)電阻，LED的亮度即可通過該電阻來調(diào)節(jié)，流過LED的段驅(qū)動(dòng)平均電流為流過此電阻電流的100倍,此電阻值范圍為：1080K之間。 2、 內(nèi)部寄存器說明  A、 譯碼方式選擇寄存器  地址：09H 賦值：FFH  表示使用MAX7219內(nèi)部的BCD譯碼器 00H 表示不使用MAX7219內(nèi)部的BC

14、D譯碼器  B、 亮度調(diào)節(jié)寄存器  地址：0AH 賦值：00H0FH 可改變MAX7219所驅(qū)動(dòng)的LED的亮度，其變化范圍在1/3231/32之間  C、 掃描位數(shù)設(shè)定寄存器  地址：0BH 賦值：00H  所有位不顯示 01H07H  依次對(duì)應(yīng)于18位及前面位全部顯示（即需顯示的位應(yīng)為“1”）  D、 待機(jī)模式開關(guān)寄存器  地址：0CH 賦值：00H  LED全滅&

15、#160;01H  LED正常顯示  E、 顯示器測(cè)試寄存器  地址：0FH 賦值：00H  LED為正常顯示狀態(tài) 01H  LED測(cè)試狀態(tài)，即LED全亮 F、 8位LED顯示數(shù)據(jù)寄存器  地址：01H08H  5.軟件方案設(shè)計(jì) 首先處理數(shù)據(jù)的采集程序。其次對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。最后完善小直流電機(jī)的控制函數(shù)。 將數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊作為主要程序，將模數(shù)及放大驅(qū)動(dòng)模塊等小模塊寫成頭文件的形式置于主程序中，這樣程序分模塊易理解，易操作。下圖為A

16、DC0809工作時(shí)序，知道后才能依據(jù)時(shí)序編寫程序6.調(diào)試 6.1硬件調(diào)試先把程序下載到單片機(jī)，通電，開始調(diào)試。旋動(dòng)電位器，改變電位器的值，數(shù)碼管上顯示數(shù)值變化，電機(jī)轉(zhuǎn)速也有變化，轉(zhuǎn)速的變化與數(shù)值大小變化趨勢(shì)一致。6.2軟件調(diào)試 軟件調(diào)試是通過對(duì)用戶程序的匯編、連接、執(zhí)行來發(fā)現(xiàn)程序中存在的語法錯(cuò)誤與邏輯錯(cuò)誤并加以排除的過程。正確無誤后加載至硬件電路中的單片機(jī)，如果發(fā)現(xiàn)不理想的效果，在確保硬件無誤的情況下，根據(jù)需求修改程序，慢慢調(diào)試以實(shí)現(xiàn)自己想要的效果。7.技術(shù)小結(jié)（結(jié)束語） 從拿到課題的茫然到漸漸學(xué)會(huì)接受，開始慢慢自己動(dòng)手查找資料，詢問很多單片機(jī)學(xué)的好的同學(xué)及學(xué)長(zhǎng)，再到查找到電路的設(shè)計(jì)，從程序的

17、編寫到仿真功能的基本實(shí)現(xiàn)，最后歷經(jīng)一路坎坷做出實(shí)物，效果和功能基本達(dá)到。感覺真的很辛苦，但同時(shí)也很快樂很充實(shí)，畢竟收獲了許多。從查資料到確定方案就差不多花了四天時(shí)間，在設(shè)計(jì)過程中不斷的發(fā)現(xiàn)問題，同時(shí)也不斷的解決問題，越來越發(fā)覺制作實(shí)物相比整體設(shè)計(jì)要難一些，就算仿真完全沒錯(cuò)實(shí)物運(yùn)行也會(huì)有很多問題。實(shí)際制作過程中會(huì)遇到多種多樣的問題，剛開始仿真效果總是出不來，要通過不斷的測(cè)試和實(shí)驗(yàn)來解決，最后焊接出來的實(shí)物沒有問題?？傊?，不能粗心大意，做任何事都要細(xì)心，要考慮的周全，不能因?yàn)橐粫r(shí)的失敗而喪失信心，從哪里跌倒了要從哪里爬起來，只有有了這樣的精神，才會(huì)從問題中學(xué)到更多的知識(shí)，為我以后更好的發(fā)展奠定了基

18、礎(chǔ)。謝謝學(xué)院和老師給予我們這次鍛煉的機(jī)會(huì)，成長(zhǎng)的機(jī)會(huì)，謝謝！8.參考文獻(xiàn)1吳黎明主編單片機(jī)原理與接口技術(shù)（第二版），科學(xué)出版社.2張毅剛主編，基于Proteus的單片機(jī)課程的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)，人民郵電出版社.9. 附錄（元件清單、電路圖、源程序代碼等）9.1元件清單元件用途 數(shù)量AT89C51單片機(jī)1晶振單片機(jī)外圍電路需要1電容（33PF）單片機(jī)外圍電路需要2ADC0809、DAC0832、MAX7219模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片、數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片、電子數(shù)碼管控制需要各1電位器采集信號(hào)1電阻（5.1K）MAX7219芯片使用1電阻（1K）數(shù)模轉(zhuǎn)換電路需要1電容（0.1nf）芯片電路需要4OPAMP(LM324

19、)提供運(yùn)放1小直流電機(jī)電機(jī)17SEG-MPX4-CCLED顯示模塊19.2電路圖（連接圖）（運(yùn)行圖）9.3源程序代碼/* 小直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)*/#include<reg51.h>#include<intrins.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned int/ADC0808的控制端口sbit OE=P10; /0808讀取數(shù)字量允許，高電平有效sbit EOC=P11;/0808轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志，結(jié)束時(shí)為1sbit START=P12;/下降沿開始轉(zhuǎn)換sbit CLOCK=P13;/0808的芯片信號(hào)/DAC

20、0832的控制端sbit CS=P16; /0832的片選sbit WR1=P17;/0832寫入數(shù)字量控制信號(hào)之一/LED的控制位sbit MAXDIN=P20; /數(shù)據(jù)輸入口sbit MAXLOAD=P21;/載入數(shù)據(jù),上升沿鎖定sbit MAXCLK=P22;/上升沿讀取/共陰極段碼：123456789全滅uchar code ledcode=0x7e,0x30,0x6d, 0x79,0x33,0x5b,0x5f,0x70,0x7f,0x7b,0x00;/延時(shí)程序,要寫在前面void delay(uchar time) uchar k,l; for(k=0;k<time;k+) f

21、or(l=0;l<110;l+) ; /ADC0808初始化/A,B,C已經(jīng)全部接地，選中IN0輸入void init_adc0808() EA=1; /中斷總允許 TMOD=0x02;/T0工作方式2 TH0=216; /定時(shí)40us,CLOCK周期80us， TL0=216; /頻率12.5KHz ET0=1; /定時(shí)器1中斷允許 TR0=1; /啟動(dòng)定時(shí)器 START=0; /下降沿開始進(jìn)行下一輪A/D轉(zhuǎn)換 OE=0; /高電平時(shí)允許讀取數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù) P1=0x30;/DAC0832初始化void init_dac0832() CS=0;/選中 WR1=0; /使其開始轉(zhuǎn)換/向MAX7

22、219寫入字節(jié)（8bit）void sendbyte(uchar dat) uchar i,temp; _nop_(); for(i=0;i<8;i+) /取最高位 temp =dat&0x80; /逐位左移 dat=dat<<1; if(temp) MAXDIN=1; else MAXDIN=0; MAXCLK=0; _nop_(); MAXCLK=1; /向MAX7219寫入地址和控制字void sendword(uchar addr,uchar dat)/載入數(shù)據(jù)，連續(xù)數(shù)據(jù)的后16位在LOAD上升沿/時(shí)被鎖定，第16個(gè)上升沿之后，必須把MAXDIN/置高，否則數(shù)

23、據(jù)從DOUT流失 MAXLOAD=0; _nop_(); sendbyte(addr); _nop_(); sendbyte(dat); _nop_(); MAXLOAD=1;/MAX7219初始化void init_max7219() sendword(0x0c,0x01);/設(shè)置電源工作模式 sendword(0x0a,0x09);/設(shè)置亮度 sendword(0x0b,0x03);/設(shè)置掃描界限 sendword(0x09,0x00);/設(shè)置譯碼模式 sendword(0x0f,0x00);/顯示測(cè)試/MAX7219清空void clear_max7219() uchar i; for(i=1;i<=8;i+) sendword(i,0x00); /獲取電壓輸入值數(shù)字量uchar adinput() uchar value; /停止轉(zhuǎn)換4部曲 OE=0; /暫停轉(zhuǎn)換 EOC=1; /轉(zhuǎn)換結(jié)束 START=0;/沒有下