MCS-51單片機電機轉(zhuǎn)速控制及測速顯示系統(tǒng)

MCS-51單片機電機轉(zhuǎn)速控制及測速顯示系統(tǒng)一、 系統(tǒng)總體方案選擇與說明本課題要求設(shè)計一個單片機電機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)。給定信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換輸入到單片機(MCS-51)并顯示，單片機根據(jù)給定從D/A輸出相應(yīng)的信號控制直流電機的轉(zhuǎn)速，并能對電機的轉(zhuǎn)速進行測量。1設(shè)計要求要求以MCS-51系列單片機為核心設(shè)計一個直流電機調(diào)速系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有顯示電動機轉(zhuǎn)速、輸入模擬量的功能。用6位LED 顯示。前兩位顯示AD，后兩位顯示輸入模擬量，最后兩位顯示電動機轉(zhuǎn)速，單位為轉(zhuǎn)/s, 電動機最大轉(zhuǎn)速為5000轉(zhuǎn)/min。其轉(zhuǎn)速由D/A轉(zhuǎn)換的模擬量控制。2設(shè)計思路1） 由地址瑣存器74LS273芯片實現(xiàn)動態(tài)顯示模塊，74LS273輸出端為段控，用于輸出所顯示的數(shù)值，P1.0-P1.5口位控，控制哪一位LED管亮，LED采用共陰極的接法；2） 選用89C51單片機，其內(nèi)部有4K的寄存器，無需擴展外部存儲單元，還具有2個16位定時器/計數(shù)器，可以通過CPU內(nèi)部定時，進行數(shù)據(jù)采集；3）.ADC0809可將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并將數(shù)字量送單片機；DAC0832可將從單片機輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量，并用模擬量控制直流電機；4） 用霍爾元件測電動機轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速的測量方法有兩種：頻率法：利用單片機內(nèi)部定時器定時（定時時間1秒），再用一計數(shù)器對被測脈沖計數(shù)，所測脈沖個數(shù)即轉(zhuǎn)速值（轉(zhuǎn)/S）周期法：測量脈沖的周期，即利用定時期累計在被測脈沖的一個周期內(nèi)機器周期的個數(shù)n。被測信號周期T=n*機器周期，被測信號頻率f=1/T?？紤]到要用定時采樣的方法，同時又要將兩位轉(zhuǎn)速顯示出來，所以本設(shè)計中采用頻率法。一、 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖與工作原理1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖單片機89C51P0 INT0MD/A轉(zhuǎn)換A/D轉(zhuǎn)換+5VI/O測量2工作原理通過調(diào)節(jié)可變電阻,將模擬量送入AD轉(zhuǎn)換器,經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后通過P0口,將數(shù)字量送入單片機,單片機將數(shù)字量送I/O,并經(jīng)74LS273鎖存,送數(shù)碼管顯示,同時將數(shù)字量送給DA,DA將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量,用于控制直流電機的轉(zhuǎn)速。通過霍爾元件將測的電動機轉(zhuǎn)速脈沖信號接單片機的中斷INT0, 用工作寄存器R6對脈沖數(shù)進行即測量轉(zhuǎn)速值,又通過單片機將轉(zhuǎn)速值數(shù)碼管送顯示。三、各單元硬件設(shè)計及說明1.A/D轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計與說明由于外界的模擬量不能直接被單片機8051直接識別，所以設(shè)置一個A/D轉(zhuǎn)換電路，將外來的模擬信號轉(zhuǎn)換成能被8051識別的數(shù)字信號進行處理。轉(zhuǎn)換電路由模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809來實現(xiàn)。 ADC0809是最常用的8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，屬于逐次逼近。ADC0809采用單一+5V供電，片內(nèi)有帶鎖存功能的8路模擬開關(guān)，可對0+5V、8路模擬信號分時進行轉(zhuǎn)換，完成一次轉(zhuǎn)換的時間約需100s，數(shù)字輸出信號具有TTL三態(tài)鎖存器。 ADC0809功能簡述如下： 1） IN0IN7：8通道模擬量輸入信號； 2） D0D7：8位二進制數(shù)據(jù)輸出端，三態(tài)輸出； 3） ADDC、ADDB、ADDA：通道號選擇信號。用于選擇8路輸入之一進行A/D轉(zhuǎn)換。 4） START：啟動A/D轉(zhuǎn)換信號，正脈沖有效，當給出一個START信號后，轉(zhuǎn)換開始。脈沖寬度要求在200ns以上。5） EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，START的上升沿使EOC變?yōu)榈碗娖剑珹/D轉(zhuǎn)換完成，EOC變?yōu)楦唠娖健?） OE：輸出使能信號，高電平有效，當此信號有效時，打開輸出三態(tài)門，將轉(zhuǎn)換后的結(jié)果送至數(shù)據(jù)總線。 圖1.A/D轉(zhuǎn)換模塊接線圖2、89C51單片機芯片89C51是一個40引腳的集成電路，引腳如圖3：1、主電源引腳VCC和VSS VCC（40腳）接+5V電壓； VSS（20腳）接地。 2、外接晶體引腳XTAL1和XTAL2 3、控制或與其它電源復(fù)用引腳RST/VPD、ALE/PROG、PSEN和EA/VPP 4、輸入/輸出（I/O）引腳P0、P1、P2、P3（共32根） P0口（39腳至32腳）：是雙向8位三態(tài)I/O口，在外接存儲器時，與地址總線的低8位及數(shù)據(jù)總線復(fù)用，能以吸收電流的方式驅(qū)動8個LS型的TTL負載。 P1口（1腳至8腳）：是準雙向8位I/O口。由于這種接口輸出沒有高阻狀態(tài)，輸入也不能鎖存，故不是真正的雙向I/O口。 P2口（21腳至28腳）：是準雙向8位I/O口。在設(shè)計時用到P2.0作查詢口，檢測AD轉(zhuǎn)換是否結(jié)束。 P3口（10腳至17腳） 設(shè)計系統(tǒng)時用到的P3口線的第二功能定義如下：P3.2 12 INT0（外部中斷0） P3.4 14 T0（定時器0外部輸入） P3.6 16 WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫脈沖） P3.7 17 RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀脈沖） 圖2.8051模塊接線圖3、 D/A轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計與說明DAC0832是CMOS工藝制造的8位單片模擬/數(shù)字（D/A）轉(zhuǎn)換器.DAC0832各引腳的功能如下： DI0DI7： 數(shù)據(jù)輸入線. ILE ： 數(shù)據(jù)允許鎖存信號，高電平有效；CS： 輸入寄存器選擇信號，低電平有效.XFER: 數(shù)據(jù)傳送信號，低電平有效.VREF ： 基準電源輸入引腳 . Rfb ： 反饋信號輸入引腳，反饋電阻在芯片內(nèi)部. IOUT1、IOUT2 ： 電流輸出引腳.電流IOUT1、IOUT2 的和為常數(shù)，IOUT1、 IOUT2 隨DAC寄存器的內(nèi)容線性變化. VCC： 電源輸入引腳.AGND： 模擬信號地. DGND： 數(shù)字地.圖3. D/A轉(zhuǎn)換模塊接線圖4、 LED數(shù)碼管動態(tài)顯示模塊 LED數(shù)碼管動態(tài)顯示器是1種由LED發(fā)光二極管組合顯示字符的顯示器件.它使用了8個LED發(fā)光二極管,其中7個用于顯示字符,1個用于顯示小數(shù)點,故通常稱之為7段(也有稱作8段)發(fā)光二極管數(shù)碼顯示器.LED數(shù)碼顯示器有兩種連接方法：(1)共陽極接法：把發(fā)光二極管的陽極連在一起構(gòu)成公共陽極，使用時公共陽極接+5V,每個發(fā)光二極管的陰極通過電阻與輸入端相連. (2)共陰極接法： 把發(fā)光二極管的陰極連在一起構(gòu)成公共陰極，使用時公共陰極接地.每個發(fā)光二極管的陽極通過電阻與輸入端相連.圖4. LED數(shù)碼管動態(tài)顯示模塊接線圖5、 電機轉(zhuǎn)速測定模塊 用霍爾元件測電動機轉(zhuǎn)速：霍爾元件工作原理是磁感應(yīng)原理即電動機每轉(zhuǎn)一圈，霍爾元件檢測到一個磁感應(yīng)信號，同時對外輸出一個負脈沖. 將此負脈沖送單片機,采用定時采樣法,對負脈沖進行計數(shù)，所得的計數(shù)值即電機每秒的轉(zhuǎn)速。圖5. 反饋模塊模塊接線圖6實驗平臺硬件總體接線：1）.74LS273的O0O7接LED-ALED-DP，P1P5接LED6 LED1，74LS273的片選端CS273接CS2。2).ADC0809的片選端接CS0，AD轉(zhuǎn)換結(jié)束信號端EOC接P2.0，輸入端IN0接可變電阻。3).DAC0832的的片選端接CS1，輸出端DAOUT接DRU，轉(zhuǎn)速脈沖信號端SINGAL接INT0端。四、 軟件設(shè)計與說明（包括流程圖）1.程序流程圖啟動采樣定時啟動A/D測試A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束 P3.7=1啟動D/A轉(zhuǎn)換D/A轉(zhuǎn)換結(jié)束啟動M霍爾元件初始化NYN開始顯示轉(zhuǎn)速值1).A/D轉(zhuǎn)換及D/A轉(zhuǎn)換部分A/D轉(zhuǎn)換有兩種方法；中斷法和查詢法。在設(shè)計中采用了查詢法，但查詢法會占用CUP的運行時間，只要在不影響動態(tài)顯示的情況下，也可以用查詢法。D/A轉(zhuǎn)換有三種工作方式：單緩沖、雙緩沖、直通方式。在設(shè)計中采用了雙緩沖方式，因為雙緩沖方式對數(shù)據(jù)接收和啟動轉(zhuǎn)換可以異步進行，即在對某數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的同時，能進行下一數(shù)據(jù)的接收，以提高轉(zhuǎn)換速率。2).轉(zhuǎn)速的測量部分轉(zhuǎn)速測量的方法有兩種：頻率法：利用單片機內(nèi)部定時器定時（定時時間1秒），再用一計數(shù)器對被測脈沖計數(shù)，所測脈沖個數(shù)即轉(zhuǎn)速值（轉(zhuǎn)/S）周期法：測量脈沖的周期，即利用定時期累計在被測脈沖的一個周期內(nèi)機器周期的個數(shù)n。在設(shè)計中采用了頻率法，即定時采樣法。因為在設(shè)計過程中先用了周期法，但周期法是對負脈沖進行查詢，占用了CPU的運行時間，影響了動態(tài)顯示。所以改用定時采樣法，此方法是采用CPU內(nèi)部定時，不占用CPU運行時間，在定時時間到時，對轉(zhuǎn)速進行采集。注：.定時器的計算定時器要求定時1秒，晶振頻率12MHz。晶振的一個工作周期12/12MHz=1us。啟用工作方式為1（16位的方式）。最大計數(shù)21665536。所有最大計數(shù)65.5ms。我們就取整數(shù)50ms。.定時1S的計算：500000C350H， 所以0FFFFH 0C350H0001H3CB0H。即TH0=3CH，TL0=0B0H。定時器TMOD =（01H），即選擇T0的1方式。3).動態(tài)顯示部分采用了74LS273芯片，因為參考書上有采用了74LS273進行動態(tài)顯示的內(nèi)容。2.源程序各部分清單：;*;*主程序和中斷程序入口*;* ORG 0000HAJMP MAINORG 0003HLJMP INT0SORG 000BHJMP DVT0ORG 0030H;*;*初始化程序中的各變量，及定時初值*;* MAIN:SETB EX0 ;開INT0中斷 SETB ET0 ;開T0中斷 SETB EA ;開放CPU總中斷 SETB TR0 ;啟動T0 SETB IT0 ;INTO為邊沿觸發(fā)方式 MOV R6,#00H ;記數(shù)清零 MOV R2,#20 ;軟件計數(shù)器,減法計數(shù)DINGSHI:MOV TMOD,#01H ;定時器T0工作于方式1,定時50ms MOV TH0,#3CH ;寫入計數(shù)初值 MOV TL0,#0B0H ;*;* AD轉(zhuǎn)換 *;*LOOP:MOV DPTR,#0CFA0H ;ADC0809的入口地址 MOV A,#00H ;啟動AD MOVX DPTR,A WAIT:JNB P2.0,INT1S ;P2.0=0則轉(zhuǎn)INT1S JMP WAIT INT1S:MOVX A,DPTR ;讀取AD轉(zhuǎn)換值 MOV R3,A ;將AD轉(zhuǎn)換值存入R3;*;* DA轉(zhuǎn)換 *;*DACH:MOV DPTR,#0CFA8H ;寫入DA的入口地址 MOVX DPTR,A ;向0832輸出數(shù)據(jù)并開始轉(zhuǎn)換 INC DPTR ;開啟二級緩沖 MOVX DPTR,A ;啟動DA ACALL DEL;*;* 顯示部分的程序 *;*XS:MOV DPTR,#0CFB0H ;CS273的入口地址 MOV R1,#60H MOV R4,#06H ;六個數(shù)碼管 MOV R5,#0FEH ;顯示數(shù)碼管位 MOV P1,#0FFH ;初始數(shù)碼管全滅 MOV 64H,#0DH ;寫入AD MOV 65H,#0AH CR: MOV A,R0 ;取轉(zhuǎn)速值低位 ANL A,#0FH ;清高四位 MOV 60H,A MOV A,R0 ;取轉(zhuǎn)速值高位 ANL A,#0F0H SWAP A ;交換高低四位 MOV 61H,A MOV A,R3 ;AD轉(zhuǎn)換值低位 ANL A,#0FH ;清高四位 MOV 62H,A MOV A,R3 ;AD轉(zhuǎn)換值高位 ANL A,#0F0H SWAP A ;交換高低四位 MOV 63H,A MOV R1,#65HLP:MOV A,R1 ;偏移地址 MOV DPTR,#TAB ;TAB的首地址 MOVC A,A+DPTR MOV DPTR,#0CFB0H ;選通74LS273 MOVX DPTR,A ;送出段碼 MOV A,R5 MOV P1,A JNB ACC.5,LOOP ;ACC.5=0則轉(zhuǎn)NEXT:RL A ;A逐位左循環(huán)一位 MOV P1,#0FFH MOV R5,A DEC R1 DJNZ R4,LP ;不等R4則轉(zhuǎn)到LP LJMP LOOP;*;* T0的中斷服務(wù)程序 *;* DVT0:MOV TH0,#3CH ;重裝初值 MOV TL0,#0B0H DJNZ R2,RTN ;判斷是否完成一秒定時 MOV R2,#20 MOV A,R6 ;取測得的轉(zhuǎn)速值 MOV R0,A ;將轉(zhuǎn)速值保存 MOV R6,#00HRTN: RETI;*;*INT0的中斷服務(wù)程序*;*INT0S:INC R6 RETI;*;* 定義TAB的數(shù)表 *;*TAB:DB 3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DH DB 7DH,07H,7FH,6FH,77H,7CHDB 39H,5EH,79H,71H,40H;*;* 延時子程序 *;*DEL:MOV R7,#06HDEL1:DJNZ R7,DEL1 RET1. 五、 調(diào)試步驟與結(jié)果說明1.在整個調(diào)試過程中，我們將整個系統(tǒng)分模塊分別調(diào)試。1).A/D轉(zhuǎn)換，及轉(zhuǎn)換值的顯示： 按設(shè)計方法接好接口電路線 啟動偉福硬件仿真器，裝載程序 單步執(zhí)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換測量程序 觀察CPU、數(shù)據(jù)和輸入輸出窗口 按設(shè)計方法接好接口電路線 調(diào)節(jié)可變電阻，判斷AD轉(zhuǎn)換量的顯示結(jié)果是否有變化 單步執(zhí)行顯示程序 判斷顯示是否正確 能正確顯示A/D轉(zhuǎn)換值，即此部分運行正確。2).D/A轉(zhuǎn)換，及將轉(zhuǎn)換值用于控制直流電機： 按設(shè)計方法接好接口電路線 啟動偉富硬件仿真器，裝載程序 單步執(zhí)行數(shù)/模轉(zhuǎn)換測量程序 觀察CPU、數(shù)據(jù)和輸入輸出窗口 按設(shè)計方法接好接口電路線 調(diào)節(jié)可變電阻，判斷DA轉(zhuǎn)換量的結(jié)果是否有變化 同時觀察被控電機是否運轉(zhuǎn) 能正確控制電機，即此部分運行正確3).霍爾元件測轉(zhuǎn)速，及將轉(zhuǎn)速顯用于顯示： 按設(shè)計方法接好接口電路線 啟動偉富硬件仿真器，裝載程序 單步執(zhí)行定時采用程序 觀察CPU、數(shù)據(jù)和輸入輸出窗口 按設(shè)計方法接好接口電路線 單步執(zhí)行顯示程序 判斷顯示是否正確 改變電機轉(zhuǎn)速，判斷顯示的轉(zhuǎn)速是否改變 如果能正確改變顯示轉(zhuǎn)速，說明測速程序正確，即此部分運行也正確2.結(jié)果說明：將整體硬件接線接好，啟動偉富硬件仿真器，裝載程序。數(shù)碼管顯示前兩位為AD，后四位分別為兩位AD轉(zhuǎn)換值和轉(zhuǎn)速值，調(diào)節(jié)可變電阻，顯示的兩位AD轉(zhuǎn)換值發(fā)生變化，同時轉(zhuǎn)速值也隨之發(fā)生變化。六、 總結(jié)單片微型計算機即單片微機，是現(xiàn)代控制系統(tǒng)的核心器件之一，20多年來一直應(yīng)用在各種自動化、智能化、機電一體化以及光機電一體化儀器設(shè)備上，已成為當代機械電子工程、自動控制等相關(guān)專業(yè)知識結(jié)構(gòu)中必不可少的一部分.盡管大家都知道掌握單片機知識的意義很大，但許多人在學習過程中會感到困難重重，不易入門，實際應(yīng)用更不易.這是由于在學習單片機是必須機器語言學習關(guān)，其難點是必須將硬件與軟件結(jié)合起來考慮.比如每用一條指令就要聯(lián)想到在單片機硬件電路中相應(yīng)的工作情況，做到用軟件控制或掌握硬件工作的全過程，顯然這與以往學習電子電路或?qū)W習高級計算機語言的情況是完全不同的.隨著微型計算機應(yīng)用的日益廣泛和深入，接口技術(shù)有了迅速的發(fā)展，并已成為直接影響微機系統(tǒng)和推廣應(yīng)用的關(guān)鍵，從硬件的角度來看，微機的開發(fā)與應(yīng)用，在很大程度上就是微機接口電路的開發(fā)與應(yīng)用，因而，微機接口技術(shù)涉及本專業(yè)的大學生和科技人員必不可少的基本技能.本次課程設(shè)計我們需要設(shè)計一個能用鍵盤調(diào)節(jié)溫度的空調(diào)的溫度控制系統(tǒng).在這次設(shè)計中我們應(yīng)用了單片機仿真系統(tǒng)，空調(diào)的溫度顯示要求有四位溫度顯示，能正確的顯示設(shè)定溫度和室內(nèi)溫度，并能用鍵盤來設(shè)定溫度.這次課程設(shè)計我們用了74LS273、A/D0807、DAC0832、8051單片機、直流電動機、霍爾傳感. 通過兩周的設(shè)計和調(diào)試，在老師和同學的幫助下，我們順利的完成了任務(wù).通過本次課程設(shè)計使我對單片機應(yīng)用系統(tǒng)的使用和設(shè)計有了更多的了解和進一步的掌握.對單片機應(yīng)用程序的編寫方法也掌握了一些技巧.我想在以后的學習中，如果碰到復(fù)雜系統(tǒng)的程序編寫，就不會感到害怕和陌生了. 在程序的調(diào)試和仿真過程中我們也遇到了很多的困難，比如說顯示器LED不能顯示速度或者所顯示的速度的不正確.有時候還會出現(xiàn)亂碼.尤其是在程序編寫時不知道芯片的地址，無法使芯片工作起來.在單片機指令上我也遇到很多的麻煩，有時候會不知道要使用什么指令或者所使用的指令是錯誤的，使程序無法按照所設(shè)想的來完成.在設(shè)計定時采樣程序時，沒能正確理解中斷服務(wù)程序是如何調(diào)用的，在李老師的幫助，對中斷服務(wù)程序是如何調(diào)用的，有了清楚的認識。對子程序的調(diào)用時，有時候會改變一些變量的值，而我在設(shè)計時沒有考慮到，這樣又會使程序的運行出錯.在調(diào)試時我對這些方面特別的留意，也對程序進行反復(fù)的分析，最后在同學及老師的大力幫助下，我把上面的問題一一克服，達到了老師對我提出的設(shè)計要求，非常成功的完成了任務(wù).對任務(wù)的完成我真的感到非常的高興，也真心的感謝我的同學和老師對我的幫助。 這次設(shè)計我也學習到了很多的實用技巧，我想這對我以后的工作是非常的有價值的，雖然只有短短的兩周，但我真的學到了很多，雖然我的設(shè)計不能被制成產(chǎn)品，但我相信只要我繼續(xù)的努力，總會有那么一天的.我也要感謝學校給了我這樣一次機會.在現(xiàn)代社會中這方面的人才是非常的重要的，而我們的努力對這個社會的發(fā)展也有著重要的作用，所以我會在以后的工作和學習中艱苦奮斗，做一個對社會和國家有用的人，不辜負老師和家長對我的期待.最后我要再次謝謝那些幫助過我的老師和同學，是你們讓我有了以上的想法，謝謝你們！7.參考文獻1 許立梓.微型計算機原理及應(yīng)用.機械工業(yè)出版社2李朝青.單片機學習輔導測驗及解答講義.北京航空航天大學業(yè)出版社3樓然苗、李光飛.51系列單片機設(shè)計實例. 北京航空航天大學業(yè)出版社4王迎旭.單片機原理與應(yīng)用. 機械工業(yè)出版社8.附錄附錄A 系統(tǒng)原理圖附錄B 程序清單ORG 0000HAJMP MAINORG 0003HLJMP INT0SORG 000BHJMP DVT0ORG 0030HMAIN:SETB EX0 ;開INT0中斷 SETB ET0 ;開T0中斷 SETB EA ;開放CPU總中斷 SETB TR0 ;啟動T0 SETB IT0 ;INTO為邊沿觸發(fā)方式 MOV R6,#00H ;記數(shù)清零 MOV R2,#20 ;軟件計數(shù)器,減法計數(shù)DINGSHI:MOV TMOD,#01H ;定時器T0工作于方式1,定時50ms MOV TH0,#3CH ;寫入計數(shù)初值 MOV TL0,#0B0H LOOP:MOV DPTR,#0CFA0H ;ADC0809的入口地址 MOV A,#00H ;啟動AD MOVX DPTR,A WAIT:JNB P2.0,INT1S ;P2.0=0則轉(zhuǎn)INT1S JMP WAIT INT1S:MOVX A,DPTR ;讀取AD轉(zhuǎn)換值 MOV R3,A ;將AD轉(zhuǎn)換值存入R3DACH:MOV DPTR,#0CFA8H ;寫入DA的入口地址 MOVX DPTR,A ;向0832輸出數(shù)據(jù)并開始轉(zhuǎn)換 INC DPTR ;開啟二級緩沖 MOVX DPTR,A ;啟動D