單片機控制論文

1、基于單片機的電機控制學(xué)生姓名： 郭磊 學(xué)生學(xué)號： K031041549 院 （系）： 信息工程學(xué)院 年級專業(yè)： 電氣工程與自動化指導(dǎo)教師： 高仕紅 摘 要本文是對直流電機PWM調(diào)速器設(shè)計的研究，主要實現(xiàn)對電機的控制。本課程設(shè)計主要是實現(xiàn)PWM調(diào)速器的加速、減速、停止等操作。并實現(xiàn)電路的仿真。為實現(xiàn)系統(tǒng)的微機控制，在設(shè)計中，采用了AT89C51單片機作為整個控制系統(tǒng)的控制電路的核心部分，配以各種顯示、驅(qū)動模塊，實現(xiàn)對電動機轉(zhuǎn)速參數(shù)的顯示和測量；由命令輸入模塊、光電隔離模塊及H型驅(qū)動模塊組成。采用帶中斷的獨立式鍵盤作為命令的輸入，單片機在程序控制下，不斷給光電隔離電路發(fā)送PWM波形，H型驅(qū)動電路完

2、成電機正反轉(zhuǎn)控制.在設(shè)計中，采用PWM調(diào)速方式，通過改變PWM的占空比從而改變電動機的電樞電壓，進而實現(xiàn)對電動機的調(diào)速。設(shè)計的整個控制系統(tǒng)，在硬件結(jié)構(gòu)上采用了大量的集成電路模塊，大大簡化了硬件電路，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，使整個系統(tǒng)的性能得到提高。關(guān)鍵詞 AT89C51單片機， L298，直流電機目 錄摘 要21 緒論41.1課題背景41.2課題來源52 系統(tǒng)論述52.1設(shè)計思路52.2總設(shè)計框圖63 直流電機單元電路設(shè)計與分析73.1直流電機驅(qū)動模塊73.1.1直流電機工作原理73.1.2直流電機PWM調(diào)速原理73.1.3電機驅(qū)動模塊的電路設(shè)計93.2直流電機的中斷鍵盤控制模塊113.2

3、.1外部中斷設(shè)置.114 直流電機PWM控制系統(tǒng)的實現(xiàn)124.1總電路圖124.2總電路功能介紹124.3直流電機控制程序135 系統(tǒng)仿真176 結(jié)論18參考文獻19致 謝191 緒論1.1課題背景本文討論的單片機多功能定時器的核心是目前應(yīng)用極為廣泛的51系列單片機，配置了外圍設(shè)備，構(gòu)成了一個可編程的計時定時系統(tǒng)，具有體積小，可靠性高，功能強等特點。不僅能滿足所需要求而且還有很多功能可供開發(fā)，有著廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。20世紀(jì)80年代中期以后，Intel公司以專利轉(zhuǎn)讓的形式把8051內(nèi)核技術(shù)轉(zhuǎn)讓給許多半導(dǎo)體芯片生產(chǎn)廠家，如ATMEL、PHILIPS、ANALOG、DEVICES、DALLAS等。這些

4、廠家生產(chǎn)的芯片是MCS-51系列的兼容產(chǎn)品，準(zhǔn)確地說是與MCS-51指令系統(tǒng)兼容的單片機。這些兼容機與8051的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（主要是指令系統(tǒng)）相同，采用CMOS工藝，因而，常用80C51系列來稱呼所有具有8051指令系統(tǒng)的單片機，它們對8051單片機一般都作了一些擴充，更有特點。其功能和市場競爭力更強，不該把它們直接稱呼為MCS-51系列單片機，因為MCS只是Intel公司專用的單片機系列型號。MCS-51系列及80C51單片機有多種品種。它們的引腳及指令系統(tǒng)相互兼容，主要在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上有些區(qū)別。目前使用的MCS-51系列單片機及其兼容產(chǎn)品通常分成以下幾類：基本型、增強型、低功耗型、專用型、超8位型

5、、片內(nèi)閃爍存儲器型。1.2課題來源在日常生活和工作中，我們常常用到定時控制，如擴印過程中的曝光定時等。早期常用的一些時間控制單元都使用模擬電路設(shè)計制作的，其定時準(zhǔn)確性和重復(fù)精度都不是很理想，現(xiàn)在基本上都是基于數(shù)字技術(shù)的新一代產(chǎn)品，隨著單片機性能價格比的不斷提高，新一代產(chǎn)品的應(yīng)用也越來越廣泛，大可構(gòu)成復(fù)雜的工業(yè)過程控制系統(tǒng)，完成復(fù)雜的控制功能。小則可以用于家電控制，甚至可以用于兒童電子玩具。它功能強大，體積小，質(zhì)量輕，靈活好用，配以適當(dāng)?shù)慕涌谛酒梢詷?gòu)造各種各樣、功能各異的微電子產(chǎn)品。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，家用電器和辦公電子設(shè)備逐漸增多，不同的設(shè)備都有自己的控制器，使用起來很不方便。根據(jù)這種

6、實際情況，設(shè)計一個單片機控制直流電機的轉(zhuǎn)速，來方便生活。2 系統(tǒng)論述2.1設(shè)計思路直流電機PWM控制系統(tǒng)的主要功能包括：直流電機的加速、減速以及電機的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，并且可以調(diào)整電機的轉(zhuǎn)速，還可以方便的讀出電機轉(zhuǎn)速的大小，能夠很方便的實現(xiàn)電機的智能控制。其間，還包括直流電機的直接清零、啟動（置數(shù)）、暫停、連續(xù)功能。該直流電機系統(tǒng)由以下電路模塊組成：振蕩器和時鐘電路：這部分電路主要由80C51單片機和一些電容、晶振組成。設(shè)計輸入部分：這一模塊主要是利用帶中斷的獨立式鍵盤來實現(xiàn)。設(shè)計控制部分：主要由80C51單片機的外部中斷擴展電路組成。設(shè)計顯示部分：包括液晶顯示部分和LED數(shù)碼顯示部分。液晶顯示部分

7、由1602LCD液晶顯示模塊組成; LED數(shù)碼顯示部分由七段數(shù)碼顯示管組成。直流電機PWM控制實現(xiàn)部分：主要由一些二極管、電機和L298直流電機驅(qū)動模塊組成。2.2總設(shè)計框圖系統(tǒng)組成：直流電機PWM調(diào)速方案如圖2.1所示：方案說明：直流電機PWM調(diào)速系統(tǒng)以AT89C2051單片機為控制核心，由命令輸入模塊、LCD顯示模塊及電機驅(qū)動模塊組成。采用帶中斷的獨立式鍵盤作為命令的輸入，單片機在程序控制下，定時不斷給直流電機驅(qū)動芯片發(fā)送PWM波形，H型驅(qū)動電路完成電機正，反轉(zhuǎn)控制；同時單片機不停的將從鍵盤讀取的數(shù)據(jù)送到LCD顯示模塊去顯示，從中不僅能讀取其速度，而且能知曉其轉(zhuǎn)向及一些溫心提示。AT89C

8、51直流電機驅(qū)動模塊直流電機AT89C51直流電機驅(qū)動模塊直流電機AT89C51直流電機驅(qū)動模塊直流電機加速控制端減速控制端停止控制端LCD液晶顯示P0口P2口P1口單片機圖 2.1 直流電機PWM調(diào)速方案3 直流電機單元電路設(shè)計與分析3.1直流電機驅(qū)動模塊主要由一些二極管、電機和L298直流電機驅(qū)動模塊（內(nèi)含CMOSS管、三太門等）組成。3.1.1直流電機工作原理直流電機電路模型如圖3.1所示，磁極N、S間裝著一個可以轉(zhuǎn)動的鐵磁圓柱體，圓柱體的表面上固定著一個線圈abcd。當(dāng)線圈中流過電流時，線圈受到電磁力作用，從而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。根據(jù)左手定則可知，當(dāng)流過線圈中電流改變方向時，線圈的受方向也將改變

9、，因此通過改變線圈電路的方向?qū)崿F(xiàn)改變電機的方向。圖3.1 直流電動機電路模型3.1.2直流電機PWM調(diào)速原理（1）直流電機轉(zhuǎn)速直流電機的數(shù)學(xué)模型可用圖3.2表示，由圖可見電機的電樞電動勢Ea的正方向與電樞電流Ia的方向相反，Ea為反電動勢；電磁轉(zhuǎn)矩T的正方向與轉(zhuǎn)速n的方向相同，是拖動轉(zhuǎn)矩；軸上的機械負(fù)載轉(zhuǎn)矩T2及空載轉(zhuǎn)矩T0均與n相反，是制動轉(zhuǎn)矩。圖3.2 直流電機的數(shù)學(xué)模型根據(jù)基爾霍夫第二定律，得到電樞電壓電動勢平衡方程式1.1：U=Ea-Ia（Ra+Rc）式1.1式1.1中，Ra為電樞回路電阻，電樞回路串聯(lián)保繞阻與電刷接觸電阻的總和；Rc是外接在電樞回路中的調(diào)節(jié)電阻。由此可得到直流電機的轉(zhuǎn)

10、速公式為： n =Ua-IR/Ce 式1.2式1.2中，Ce為電動勢常數(shù)，是磁通量。由1.1式和1.2式得n =Ea/Ce 式1.3 由式1.3中可以看出，對于一個已經(jīng)制造好的電機，當(dāng)勵磁電壓和負(fù)載轉(zhuǎn)矩恒定時，它的轉(zhuǎn)速由回在電樞兩端的電壓Ea決定，電樞電壓越高，電機轉(zhuǎn)速就越快，電樞電壓降低到0V時，電機就停止轉(zhuǎn)動；改變電樞電壓的極性，電機就反轉(zhuǎn)。（2）PWM電機調(diào)速原理對于直流電機來說，如果加在電樞兩端的電壓脈動電流壓（要求脈動電壓的周期遠小于電機的慣性常數(shù)），可以看出，在T不變的情況下，改變T1和T2寬度，得到的電壓將發(fā)生變化。圖3.3為施加不同占空比時實測的數(shù)據(jù)繪制所得占空比與轉(zhuǎn)速的關(guān)系圖

11、。圖3.3 占空比與電機轉(zhuǎn)速的關(guān)系由圖看出轉(zhuǎn)速與占空比D并不是完全速的線性關(guān)系（圖中實線），原因是電樞本身有電阻，不過一般直流電機的內(nèi)阻較小，可以近視為線性關(guān)系。由此可見，改變施加在電樞兩端電壓就能改變電機的轉(zhuǎn)速成，這就是直流電機PWM調(diào)速原理。3.1.3電機驅(qū)動模塊的電路設(shè)計根據(jù)直流電機的工作原理，從PROTEUS選取元器件如下，放置元器件、放置電源和地連線，我們參此設(shè)計的直流電機驅(qū)動模塊電路如圖3.4所示 2SK1058 : CMOSS管 74L26 : 三太門 1N4006 : 二極管 VSCOURCE : 電源 MOTOR-ENCODER : 直流電機 RES : 電阻 AT89C51

12、 : 單片機 (在此并未顯示)圖3.4 直流電機驅(qū)動電路然而考慮市場的行情，既然已有專門地為電機驅(qū)動而設(shè)計的芯片，就沒必要再從新來設(shè)計；選用L298芯片來構(gòu)成的電路結(jié)構(gòu)基本上跟上圖一樣，由L298芯片組裝的驅(qū)動模塊如圖3.5 所示。所用元器件如下所示： 1N4006 : 二極管 AT89C51 : 單片機 (在此并未顯示) RES : 電阻 MOTOR-ENCODER : 直流電機 L298 : 電機驅(qū)動芯片 RESPACK-8: 排阻圖3.5 直流電機及其驅(qū)動電路3.2直流電機的中斷鍵盤控制模塊3.2.1外部中斷設(shè)置.（1） 外部中斷允許設(shè)置中斷控制寄存器IE的EX0對應(yīng)INT0，EX1對應(yīng)

13、INT1，EA為中斷的總開關(guān)，若要開放外部中斷，只要將IE對應(yīng)的位和總開關(guān)EA置1即可。如：開放外部中斷0的設(shè)置：SETB EX0SETB EA開放外部中斷0和1的設(shè)置：SETB EX0SETB EX1SETB EA（2） 外部中斷觸發(fā)方式設(shè)置單片機外部中斷有兩種觸發(fā)方式，一種是電平觸發(fā)方式，另一種是脈沖觸發(fā)方式，單片機外部中斷觸發(fā)方式與TCON的IT位有關(guān)。 TF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT0電平觸發(fā)設(shè)置方法：CLR ITX，為低電平觸發(fā)方式。脈沖觸發(fā)設(shè)置方法：SETB ITX1，為脈沖下降沿觸發(fā)方式。在使用外部中斷時，如果不進行設(shè)置，則為電平觸發(fā)方式。（3） 外部優(yōu)先級設(shè)置

14、外部中斷IN0、INT1的中斷優(yōu)先級的設(shè)置是通過設(shè)置IP寄存器實現(xiàn)的，IP的PX0對應(yīng)INT0，PX1對應(yīng)INT1。PX置1為高級中斷，PX為0為低級中斷。PSPT1PX1PT0PX04 直流電機PWM控制系統(tǒng)的實現(xiàn)4.1總電路圖圖4.1 直流電機4.2總電路功能介紹直流電機PWM調(diào)制控制系統(tǒng)具有加速、減速、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止控制功能。操作開關(guān)通過中斷控制直流電機的加速、減速、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止控制功能，并通過LCD液晶顯示。振蕩、時鐘電路和復(fù)位電路由80C51單片機內(nèi)部給出。直流電機轉(zhuǎn)動速度由LCD液晶顯示。操作開關(guān)狀態(tài)由液晶顯示器顯示。4.3直流電機控制程序ORG 0000HSJMP DISP

15、LAYORG 0003H LJMP BUTTON ; 外部0中斷入口地址ORG 000BHLJMP DINGSHI ; 定時中斷T0入口地址RS EQU P3.0RW EQU P3.1E EQU P3.4ORG 0030H ; 此次直流電機的設(shè)計以LCD字符夜晶的 ; 顯示程序為主程序DISPLAY: SETB EA ; 打開中斷總開關(guān)SETB EX0 ; 打開外部中斷0開關(guān)SETB IT0 ; 打開外部中斷0下降沿觸發(fā)MOV TMOD,#01H ; 設(shè)置定時工作方式MOV TL0,#0FFH ; 設(shè)置定時初值MOV TH0,#0FFHSETB ET0 ; 打開定時中斷T0開關(guān) CLR P0.

16、5 CLR P0.6CLR P0.7SETB TR0 ; 定時器T0開始定時MOV DPTR,#TAB ; 夜晶顯示的字符首地址 MOV R0,#00H ; 脈寬的初值MOV R1,#16 ; SET SPEED PLEASE的字符個數(shù)MOV R3,#00HMOV R4,#00HLP9: LCALL CHUSHILP2:ACALL BUSYMOV A,#00HMOVC A,A+DPTRMOV P1,AACALL DATASINC DPTR DJNZ R1,LP2 LP3: CJNE R3,#00H,LP4CJNE R4,#00H,LP4SJMP LP3 LP4: MOV R7,#00H ; 中

17、斷的標(biāo)志 MOV R5,#09H ; CURRENT : 的字符個數(shù)ACALL BUSYMOV P1,#0C0HACALL ENABLEMOV DPTR,#MMTABACALL BUSYLP5: MOV A,#00HMOVC A,A+DPTRMOV P1,AINC DPTRACALL DATASACALL BUSYDJNZ R5,LP5 MOV DPTR,#STABMOV A,R2MOV P1,AACALL DATASACALL BUSYMOV A,R3 ; 顯示速度的十位MOVC A,A+DPTRMOV P1,AACALL DATASACALL BUSYMOV A,R4 ; 顯示速度的個位M

18、OVC A,A+DPTRMOV P1,A ACALL DATAS ; 使夜晶始終顯示當(dāng)前電機的速度LP8: CJNE R7,#00H,LP7 ; 速度不變時等待LJMP LP8 ; 速度變時重新讀入速度LP7:SJMP LP4CHUSHI: ; 使夜晶顯示的一些初始設(shè)置ACALL BUSY MOV P1,#00000001B ; 清屏并光標(biāo)復(fù)位ACALL ENABLE ACALL BUSY MOV P1,#00111000B ; 設(shè)置顯示模式:8位2行5x7點陣ACALL ENABLEACALL BUSY MOV P1,#00001111B ; 顯示器開、光標(biāo)開、光標(biāo)允許閃爍ACALL ENA

19、BLEACALL BUSYMOV P1,#00000110B ; 文字不動，光標(biāo)自動右移ACALL ENABLEACALL BUSYMOV P1,#80H ; 寫入顯示起始地址ACALL ENABLE RETENABLE: ; 寫入控制命令的子程序SETB ECLR RSCLR RWCLR ERETDATAS: ; 寫入數(shù)據(jù)子程序SETB ESETB RSCLR RWCLR ERETBUSY: ; 準(zhǔn)備寫入數(shù)據(jù)CLR EMOV P1,#0FFHCLR RSSETB RWSETB EJB P1.7,BUSYRETORG 2000HDINGSHI: ; 定時中斷服務(wù)程序CPL P0.7 JNB P

20、0.7,Z1 ; 周期一定MOV A,#0FFHSUBB A,R0 MOV TH0,ASETB TR0RETIZ1: MOV TH0,R0 ; 脈寬SETB TR0RETI BUTTON: ; 從控制鍵盤中讀取操作命令PUSH ACC CLR EX0CLR EAINC R7 ;MOV A,#0FFHMOV P2,AMOV A,P2JNB ACC.0,AA0 JNB ACC.1,KK0JNB ACC.2,ZZJNB ACC.3,FFJNB ACC.4,WW0AJMP QQAA0: CJNE R0,#0FFH, AA1 ; 加速操作AJMP QQ AA1: MOV A,R0ADD A,#5MOV

21、R0,AAJMP QQKK0: CJNE R0,#00,MM ; 減速操作AJMP QQ MM: MOV A,R0SUBB A,#5MOV R0,AAJMP QQQQ: MOV A,R0 MOV B,#5 DIV ABMOV B,#10DIV ABMOV R3,AMOV R4,BSETB EX0LCALL DELAYLCALL DELAYLCALL DELAYLCALL DELAYSETB EAPOP ACCRETIWW0: CLR P0.5 ; 停止操作CLR P0.6LCALL DELAYLCALL DELAYLCALL DELAYSETB EX0SETB EA POP ACCRETIDE

22、LAY: ; 延時子程序MOV R5,#0E0HMM0: MOV R6,#30H MM1: DJNZ R6,MM1DJNZ R5,MM0RETTAB: DB 53H,45H,54H,20H DB 53H,50H,45H,45H ; SET SPEED PLEASE 代碼DB 44H,20H,50H,4CHDB 45H,41H,53H,45H STAB: DB 30H,31H,32H,33HDB 34H,35H,36H,37H ; 0,1,2,3,4,5,6,7 代碼DB 38H,39H,41H,42H ; 8,9,A,B,C,D,E,FDB 43H,44H,45H,46HMMTAB: DB 43H,4FH,52H,52HDB 45H,4EH,54H,20H ; CURRENT : 代碼DB 3AHEND5 系統(tǒng)仿真鍵盤向單片機輸入相應(yīng)控制指令，由單片機通過P2.0與P2.1其中一口輸出與轉(zhuǎn)速相應(yīng)的PWM脈沖，另一口輸出低電平，經(jīng)過信號放大、光耦傳遞，驅(qū)動H型橋式電動機控制電路，實現(xiàn)電動機轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速的控制。電動機的運轉(zhuǎn)狀態(tài)通過LED顯示出來。電動機所處速度級以