單片機(jī)課程設(shè)計(jì)-直流電機(jī)控制.doc

燕 山 大 學(xué) 課 程 設(shè) 計(jì) 說 明 書燕山大學(xué)課 程 設(shè) 計(jì) 說 明 書題目：直流電機(jī)控制 學(xué)院（系）：電氣工程學(xué)院 年級(jí)專業(yè)：09級(jí)精儀2班 學(xué) 號(hào)：090103020 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 教師職稱： 副 教 授 引言直流電機(jī)調(diào)速性能好，可靠性高，機(jī)械特性強(qiáng)，在自動(dòng)控制中的應(yīng)用極為廣泛。直流電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)多種多樣，但系統(tǒng)復(fù)雜，控制精度和成品價(jià)格難以兼顧。本文使用價(jià)格低廉、應(yīng)用廣泛的MCS - 51 系列單片機(jī)為控制芯片，完成對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，達(dá)到了控制性能好、成本低的目的。本文重點(diǎn)闡述了該系統(tǒng)的基本工作原理、所采用的相關(guān)技術(shù)等，進(jìn)而交代了電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量控制的實(shí)現(xiàn)方法。設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)要求：利用DAC0832及D/A轉(zhuǎn)換電路，輸出-5V+5V（或-8V+8V）電壓，控制直流電機(jī)。用鍵盤來對(duì)電機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行控制，通過改變輸出電壓值，改變電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。通過霍爾元件讀回脈沖數(shù)，計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速。用鍵盤來對(duì)電機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行控制。在電壓允許的范圍內(nèi)，直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨著電壓的升高而加快，若加上的電壓為負(fù)電壓，電機(jī)則反向旋轉(zhuǎn)。設(shè)計(jì)控制硬件電路;編制相應(yīng)的程序?；驹泶丝刂葡到y(tǒng)主要由六部分構(gòu)成：鍵盤、單片機(jī)、D/A轉(zhuǎn)換電路及DAC外圍放大電路、直流電機(jī)、霍爾元件速度采集器、顯示器。此系統(tǒng)的總體控制原理圖如下圖一所示。 單 片 機(jī)顯 示 器鍵 盤D/A轉(zhuǎn)換電路，DAC外圍放大電路直流電機(jī)霍爾元件速度采集圖一：系統(tǒng)總控制原理圖31 DAC0832簡(jiǎn)介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。DAC0832的內(nèi)部結(jié)構(gòu) DACO832中有兩級(jí)鎖存器，第一級(jí)鎖存器稱為輸入寄存器，它的鎖存信號(hào)為ILE；第二級(jí)鎖存器稱為DAC寄存器，它的鎖存信號(hào)為傳輸控制信號(hào)。因?yàn)橛袃杉?jí)鎖存器，DAC0832可以工作在雙緩沖器方式，即在輸出模擬信號(hào)的同時(shí)采集下一個(gè)數(shù)字量，這樣能有效地提高轉(zhuǎn)換速度。此外，兩級(jí)鎖存器還可以在多個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器同時(shí)工作，利用第二鎖存信號(hào)來實(shí)現(xiàn)多個(gè)轉(zhuǎn)換器同時(shí)輸出。DAC0832有如下三種工作方式： （1）單緩沖方式 單緩沖方式是控制輸入寄存器和DAC寄存器通知接收資料，或者只用輸入寄存器而把DAC寄存器接成直通方式。此方式實(shí)用只有一個(gè)模擬量輸出或者幾路模擬異步輸出的情形。（2）雙緩沖方式 雙緩沖方式是先使輸入寄存器現(xiàn)接受資料，再控制輸入寄存器的輸出資料到DAC寄存器，即分兩次鎖存輸入資料。此方式適用于多個(gè)D/A轉(zhuǎn)換同步輸出的情節(jié)。（3）直通方式 直通方式是資料不經(jīng)兩級(jí)鎖存器鎖存，即CS* XFER* WR1* WR2*均接地，ILE接高電平。此方式適用于連續(xù)反饋控制路線和不帶微機(jī)的控制系統(tǒng)，不過在使用時(shí)，必須通過另加I/O口于CPU連接，以匹配CPU與D/A轉(zhuǎn)換。外圍放大電路的輸出值如下：即 當(dāng)數(shù)字D=Dmax=11111111B時(shí)，由上式可得Uout=Uout max+5v當(dāng)數(shù)字D=Dmin=00000000B時(shí)可得Uout=Uout min-5v當(dāng)數(shù)字在0到11111111B之間變化時(shí)，電路輸出電壓就在-5V到+5V之間連續(xù)變化，實(shí)現(xiàn)了DAC。NPN晶體管8050與PNP晶體管8550組成互補(bǔ)射隨器。忽略PN結(jié)正向壓降，可以認(rèn)為電機(jī)輸入端電壓亦等于Uout，即微型直流電機(jī)電樞繞組可以獲得-5V到+5V連續(xù)變化電壓，電動(dòng)機(jī)可也在反向最大轉(zhuǎn)速到正向最大轉(zhuǎn)速之間連續(xù)調(diào)節(jié)。 圖二： D/A轉(zhuǎn)換電路及DAC外圍電路3.2 單片機(jī)這里利用的是MSC-51單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)速度測(cè)量、輸入設(shè)定機(jī)系統(tǒng)控制，和鍵盤設(shè)定。速度控制與測(cè)量 通過自制-8V8V電源來確保工作電壓正常,由霍爾元件及外圍器件組成的測(cè)速電路將電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)，送至單片機(jī)的計(jì)數(shù)器T1，由T1測(cè)出電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，通過鍵盤事先設(shè)定的值通過單片機(jī)對(duì)DAC0832輸入相應(yīng)的數(shù)字量，使DAC0832輸出大小方向不同的電壓。來控制直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向。鍵盤的設(shè)置 鍵盤是由若干個(gè)按鍵組成的開關(guān)矩陣，它是最簡(jiǎn)單的單片機(jī)輸入設(shè)備，通過鍵盤可輸入數(shù)據(jù)和命令，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的人機(jī)對(duì)話。此處用的鍵盤是矩陣式鍵盤，對(duì)鍵的識(shí)別用的逐行掃描查詢法。 (1)有鍵盤按下時(shí)，則單片機(jī)有中斷響應(yīng)，為了消抖動(dòng)此時(shí)應(yīng)該延時(shí)一段時(shí)間（大約5ms10s），若還有外部中斷0仍為低電平則有按鍵按下。(2)判斷按鍵的具體位置。采用先將列置為零，粗掃描的方法逐行掃描，讀行的值。如果讀的行值為全1，則被按鍵不在該行上，再掃描下一行；否則說明被按鍵在該行上。當(dāng)找到所按的鍵對(duì)應(yīng)的鍵值表時(shí)則進(jìn)行相應(yīng)的鍵處理，此處的鍵處理采用查表的方法。就本此課程設(shè)計(jì)的具體要求，可以設(shè)置了四個(gè)控制操作鍵，分別控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)快速、慢速，反轉(zhuǎn)慢速、快速。然后按下除了這四個(gè)鍵外的任何一個(gè)按鍵，電機(jī)都會(huì)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。圖三 鍵盤控制流程圖3.3 直流電機(jī)組成原理 直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。直流電機(jī)運(yùn)行時(shí)靜止不動(dòng)的部分稱為定子，定子的主要作用是產(chǎn)生磁場(chǎng)，由機(jī)座、主磁極、換向極、端蓋、軸承和電刷裝置等組成。運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)的部分稱為轉(zhuǎn)子，其主要作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，是直流電機(jī)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的樞紐，所以通常又稱為電樞，由轉(zhuǎn)軸、電樞鐵心、電樞繞組、換向器和風(fēng)扇等組成。直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)是由直流電源、直流電機(jī)、控制開關(guān)和調(diào)速器組成。直流發(fā)電機(jī)的工作原理就是把電樞線圈中感應(yīng)的交變電動(dòng)勢(shì)，靠換向器配合電刷的換向作用，使之從電刷端引出時(shí)變?yōu)橹绷麟妱?dòng)勢(shì)的原理。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向按右手定則確定其工作原理不外乎就是用直流電源作為能量來驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。通過對(duì)三極管的截止與導(dǎo)通進(jìn)行控制，使其起到開、關(guān)和調(diào)速的作用。具體的操作為當(dāng)直流電動(dòng)機(jī)接上直流電源時(shí)，使用電位器旋轉(zhuǎn)按鈕控制三極管集極的電壓。如直流電機(jī)控制原理圖四圖四： 直流電機(jī)控制原理1、當(dāng)三極管的集極電壓小于死區(qū)電壓時(shí)三極管截止，則電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)；2、當(dāng)集極電壓大于死區(qū)電壓而小于飽和電壓時(shí)三極管處于放大狀態(tài)，隨著集極電壓改變，從而改變了直流電動(dòng)機(jī)兩端的壓降也就改變了電機(jī)的轉(zhuǎn)速。具體原理為集極的電壓大小不一樣，三極管的電壓放大倍數(shù)也不一樣從而起到調(diào)速作用改變直流電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。3.4 直流電機(jī)調(diào)速方案的設(shè)計(jì)由直流電機(jī)的速度公式n=(Ua-IaRa)/Ce,其中n是電機(jī)轉(zhuǎn)速，Ua是電樞電壓，Ia是電樞電流，Ra是電樞回路總電阻，Ce是電極常數(shù)，是電機(jī)的勵(lì)磁磁通。對(duì)于極對(duì)數(shù)是p，匝數(shù)是n，電樞支路數(shù)為a的電機(jī)來說Ca是常數(shù)。由于Ra為電樞回路電阻故其值很小，通過調(diào)節(jié)電阻改變轉(zhuǎn)速的效果不明顯。如果通過調(diào)節(jié)磁通量，對(duì)于它勵(lì)電機(jī)其有外接的電源電壓決定。故一般通過改變電樞電壓來達(dá)到調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的目的。直流電機(jī)原理圖如下：圖五： 直流電機(jī)原理圖3.5 霍爾效應(yīng)及元件速度采集電路 霍爾效應(yīng)及原理 霍爾器件是有半導(dǎo)體材料制成的一種薄片，器件的長(zhǎng)、寬、高分別為l、b、d。若在垂直于薄片平面（沿厚度d）方向施加外加磁場(chǎng)B，在沿l方向的兩個(gè)端面加以外電場(chǎng)，則有一定的電流經(jīng)過。由于電子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，所以將受到一個(gè)洛侖磁力，其大小為：flqVB其中：fl洛侖磁力，q載流子電荷，V載流子運(yùn)動(dòng)速度，B磁感應(yīng)強(qiáng)度。這樣使電子的運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生偏移，在霍爾元器件薄片的兩個(gè)側(cè)面分別產(chǎn)生電子積聚或電荷過剩，形成霍爾電場(chǎng)，霍爾元器件兩個(gè)側(cè)面間的電位差UH稱為霍爾電壓?；魻栯妷捍笮椋篣H=RHIB/d(mV)。式中：RH -霍爾常數(shù)，d-元件厚度，B-磁感應(yīng)強(qiáng)度，I-控制電流，設(shè)KH= RH/d ，則UH=KHIB (mV)，KH為霍爾器件的靈敏系數(shù)(mV/mA/T),它表示該霍爾元件在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流下輸出霍爾電動(dòng)勢(shì)的大小。應(yīng)注意，當(dāng)電磁感應(yīng)強(qiáng)度B反向時(shí)，霍爾電動(dòng)勢(shì)也反向。若控制電流保持不變，則霍爾感應(yīng)電壓將隨外界磁場(chǎng)強(qiáng)度而變化，根據(jù)這一原理，可以將一塊永久磁鋼固定在電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸上轉(zhuǎn)盤的邊沿，轉(zhuǎn)盤隨被測(cè)軸旋轉(zhuǎn)，磁鋼也將跟著同步旋轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)盤附近安裝一個(gè)霍爾元件，轉(zhuǎn)盤隨軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，霍爾元件受到磁鋼所產(chǎn)生的磁場(chǎng)影響?；魻柶骷敵雒}沖信號(hào)，器脈沖信號(hào)的頻率和轉(zhuǎn)速成正比。這樣只要測(cè)出脈沖信號(hào)的頻率或者周期即可求出直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。霍爾轉(zhuǎn)速測(cè)量及電路 霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的主要工作原理是霍爾效應(yīng)，也就是當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)的金屬部件通過霍爾傳感器的磁場(chǎng)時(shí)會(huì)引起電勢(shì)的變化，通過對(duì)電勢(shì)的測(cè)量就可以得到被測(cè)量對(duì)象的轉(zhuǎn)速值?；魻栟D(zhuǎn)速傳感器的主要組成部分是傳感頭和齒圈，而傳感頭又是由霍爾元件、永磁體和電子電路組成的。 圖六： 直流電機(jī)測(cè)速裝置 3.6 LED顯示的設(shè)置 由課題的要求，要由測(cè)速環(huán)節(jié)并顯示到數(shù)碼管上，這就要求在霍爾軟件采集到直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速后，向單片機(jī)輸出相應(yīng)的脈沖，并由單片機(jī)將相應(yīng)的脈沖譯碼后顯示到顯示器上。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，顯示器是最常用的輸出設(shè)備。在此選用兩個(gè)共陰極數(shù)碼管顯示脈沖數(shù)，采用動(dòng)態(tài)掃描顯示，當(dāng)有鍵盤按下時(shí)，則數(shù)碼管顯示按鍵的內(nèi)容。此處當(dāng)鍵盤輸入中斷產(chǎn)生時(shí)，顯示的是由霍爾元件采集來的脈沖數(shù)，由十六進(jìn)制轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制后存入顯示緩沖區(qū)，再查表顯示出想要得到的數(shù)字。當(dāng)電機(jī)停止時(shí)，數(shù)碼管顯示為零。 圖七LED顯示流程圖課設(shè)總程序IN equ 08001h ; 鍵盤讀入口OUTBIT equ 08002h ; 位控制口OUTSEG equ 08004h ; 段控制口cs0832 equ 9000hledbuf equ 70h ; 顯示緩沖區(qū)org 0000hljmp startdelay1: mov r7,#255 ; 延時(shí)子程序1deloop1:mov r6,#255 nop djnz r6,$ djnz r7,deloop1 retdelay2: mov r7,#12 ; 延時(shí)子程序2deloop2:mov r6,#249 djnz r6,$ djnz r7,deloop2 retLEDtable: ; 八段管顯示碼db 3fh, 06h, 5bh, 4fh, 66h, 6dh, 7dh, 07h db 7fh, 6fh, 77h, 7ch, 39h, 5eh, 79h, 71hDACtable:db 00h,80h,80h,80h,80h,00h db 60h,80h,80h,80h,80h,60h db 0c0h,80h,80h,80h,80h,0c0h db 0ffh,80h,80h,80h,80h,0ffhkeyloop:acall key cjne a,#0fh,keyloop0 acall delay2 ljmp keykeyloop0:acall delay2 ;鍵盤去抖動(dòng) acall key cjne a,#0fh,keyb ljmp keyloopkeyb:mov r1,#0dfh mov r5,#00hL0:mov dptr,#OUTBIT ;位控，選中鍵盤第一列 mov a,r1 movx dptr,a mov dptr,#IN movx a,dptr jb Acc.3,L1 ;檢查是否有鍵位被按下 mov a,#0 jmp keycL1:jb Acc.2,L2 mov a,#6 jmp keycL2:jb Acc.1,L3 mov a,#12 jmp keycL3:jb Acc.0,next mov a,#18 jmp keyckey:mov dptr,#OUTBIT ;位控清零，鍵盤讀入到a的低四位 mov a,#00h movx dptr,a mov dptr,#IN movx a,dptr anl a,#0fh retkeyc:mov dptr,#DACtable movc a,a+dptr mov dptr,#cs0832 movx dptr,a call delay2 retnext:mov dptr,#cs0832 mov a,#80h movx dptr,a call delay2 retxianshi:mov TH1,#00h ;定時(shí)器清零 mov TL1,#00h setb TR1 call delay1 mov a,TL1 mov b,#0ah ;將轉(zhuǎn)速十位、個(gè)位分別放入寄存器a、b div ab acall led mov r0,#LEDBUF mov r0,a ;mov 40h,a ;mov 41h,b mov a,b acall led inc r0 mov r0,a LED1: mov r0, #LEDBUF mov r2, #00000010b ;選中6位顯示管的低2位管顯示轉(zhuǎn)速Loop2: mov dptr, #OUTBIT mov a, r2 movx dptr, a mov a, r0 mov dptr, #OUTSEG movx dptr, a call delay2 mov a, r2 rr a mov r2, a inc r0 mov dptr, #OUTBIT mov a, r2 movx dptr, a mov a, r0 mov dptr, #OUTSEG movx dptr, a call delay2 ret Led:mov dptr,#LEDtable movc a,a+dptr retstart:mov sp,#70h mov TMOD,#50h mov IE,#8ch loop:acall keylooploop1:acall xianshi end課設(shè)總結(jié)通過用單片機(jī)來與0832 D/A轉(zhuǎn)換電路相互連接來控制輸出的電壓，電壓經(jīng)放大后來驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，這樣就達(dá)到了控制直流電機(jī)的目的。電壓的改變是通過編制程序用單片機(jī)來改變0832輸入，這樣對(duì)于0832輸入的改變導(dǎo)致了輸出的改變，改變后的輸出來驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)。程序是通過向鍵盤賦值，然后由鍵盤向單片機(jī)想鍵盤發(fā)送數(shù)字信號(hào)，再由單片機(jī)向DA轉(zhuǎn)換設(shè)備發(fā)送數(shù)字信號(hào)，轉(zhuǎn)化為模擬的電壓信號(hào)來驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)。由發(fā)送信號(hào)的大小，達(dá)到了以單片機(jī)來控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。由于在本實(shí)踐中 D/A輸出為雙極性輸出，因此電機(jī)可以正反向旋轉(zhuǎn)。其中負(fù)極型代表其轉(zhuǎn)向相反。51單片機(jī)功能強(qiáng)大，方便今后的功能擴(kuò)展。通過各種方案的討論及嘗試，再經(jīng)過多次的整體軟硬件結(jié)