燕山大學單片機課程設計直流電機控制

1、燕山大學課 程 設 計 說 明 書題目：直流電機控制 學院（系）：電氣工程學院 年級專業(yè)：11級檢測 學 號： 學生姓名： 指導教師： 吳希軍 教師職稱： 副教授 燕山大學課程設計（論文）任務書院（系）：電氣工程學院 基層教學單位：儀器科學與工程系 學 號 學生姓名 專業(yè)（班級）檢測11-1設計題目 直流電機控制設計技術參數(shù)利用DAC0832及D/A轉換電路，輸出-5V+5V（或-8V+8V）電壓，控制直流電機。用鍵盤來對電機的狀態(tài)進行控制，通過改變輸出電壓值，改變電機轉速和轉向。通過霍爾元件讀回脈沖數(shù)，計算電機轉速。設計要求用鍵盤來對電機的狀態(tài)進行控制。在電壓允許范圍內(nèi)，直流電機的轉速隨著電

2、壓的升高而加快，若加上的電壓為負電壓，則電機反向旋轉。設計控制硬件電路；編制相應的程序。工作量設計的內(nèi)容滿足課程設計的教學目的與要求，設計題目的難度和工作量適合學生的知識和能力狀況，工作量飽滿。工作計劃查閱資料進行設計準備、設計硬件電路、編制程序，編制程序、驗證設計、撰寫任務書。參考資料單片微型計算機接口技術及其應用 張淑清 國防工業(yè)出版社單片機原理及應用技術 張淑清 國防工業(yè)出版社單片機應用技術匯編指導教師簽字基層教學單位主任簽字說明：此表一式四份，學生、指導教師、基層教學單位、系部各一份。 年 月 日 燕 山 大 學 課 程 設 計 說 明 書目錄第1章 摘要··

3、83;·········································1第2章 設計要求·······

4、·································1第3章 基本原理···············

5、83;························13.1 DAC0832簡介·······················&

6、#183;············23.2 單片機····································

7、;······43.3 直流電機原理···································53.4 直流電機調(diào)速方案·····

8、;··························63.5 霍爾效應和霍爾元件速度采集電路·················73.6 LED顯示設置·

9、83;·································8第4章 程序整體構想··············

10、3;·····················9第5章 總程序設計···························

11、···········10課設總結······································

12、·········15參考文獻········································

13、······16第一章 摘要直流電機調(diào)速逐步從模擬化向數(shù)字化轉變，特別是單片機技術的應用，使直流電機調(diào)速技術進入到一個新的階段。直流電動機具有良好的起動、制動性能，直流電機調(diào)速性能好，可靠性高，機械特性強，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動領域中得到了廣泛的應用。從控制的角度來看，直流調(diào)速還是交流拖動系統(tǒng)的基礎。本設計是研究對直流電機調(diào)速的控制裝置，本課題主要是利用單片機來構成控制系統(tǒng)。主要包括：單片機、霍爾元件速度采集電路、直流電機、DAC0832、鍵盤、顯示器等幾部分組成。首先對預定速度進行設置，并通過數(shù)

14、碼管顯示出來。本文重點闡述了該系統(tǒng)的基本工作原理、所采用的相關技術等，進而交代了電機轉速測量控制的實現(xiàn)方法。第二章 設計要求利用DAC0832及D/A轉換電路，輸出-5V+5V（或-8V+8V）電壓，控制直流電機。用鍵盤來對電機的狀態(tài)進行控制，通過改變輸出電壓值，改變電機轉速和轉向。通過霍爾元件讀回脈沖數(shù)，計算電機轉速。用鍵盤來對電機的狀態(tài)進行控制。在電壓允許的范圍內(nèi)，直流電機的轉速隨著電壓的升高而加快，若加上的電壓為負電壓，電機則反向旋轉。設計控制硬件電路;編制相應的程序。第三章 基本原理此控制系統(tǒng)主要由六部分構成：鍵盤、單片機、D/A轉換電路及DAC外圍放大電路、直流電機、霍爾元件速度采集

15、器、顯示器。此系統(tǒng)的總體控制原理圖如下圖一所示。 單 片 機顯示器鍵 盤D/A轉換電路，DAC外圍放大電路直流電機霍爾元件速度采集 圖一：系統(tǒng)總控制原理圖31 DAC0832簡介DAC0832是8分辨率的D/A轉換集成芯片。與微處理器完全兼容。這個DA芯片以其價格低廉、接口簡單、轉換控制容易等優(yōu)點，在單片機應用系統(tǒng)中得到廣泛的應用。D/A轉換器由8位輸入鎖存器、8位DAC寄存器、8位D/A轉換電路及轉換控制電路構成。DAC0832的內(nèi)部結構 DACO832中有兩級鎖存器，第一級鎖存器稱為輸入寄存器，它的鎖存信號為ILE；第二級鎖存器稱為DAC寄存器，它的鎖存信號為傳輸控制信號。因為有兩級鎖存器

16、，DAC0832可以工作在雙緩沖器方式，即在輸出模擬信號的同時采集下一個數(shù)字量，這樣能有效地提高轉換速度。此外，兩級鎖存器還可以在多個D/A轉換器同時工作，利用第二鎖存信號來實現(xiàn)多個轉換器同時輸出。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。此方式實用只有一個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D/A轉換同步輸出的情節(jié)。（3）直通方式 直通方式是資

17、料不經(jīng)兩級鎖存器鎖存，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的控制系統(tǒng)，不過在使用時，必須通過另加I/O口于CPU連接，以匹配CPU與D/A轉換。外圍放大電路的輸出值如下：即 當數(shù)字D=Dmax=11111111B時，由上式可得Uout=Uout max+5v當數(shù)字D=Dmin=00000000B時可得Uout=Uout min-5v當數(shù)字在0到11111111B之間變化時，電路輸出電壓就在-5V到+5V之間連續(xù)變化，實現(xiàn)了DAC。NPN晶體管8050與PNP晶體管8550組成互補射隨器。忽略PN結正向壓降，可以認為電機輸入端電壓

18、亦等于Uout，即微型直流電機電樞繞組可以獲得-5V到+5V連續(xù)變化電壓，電動機可也在反向最大轉速到正向最大轉速之間連續(xù)調(diào)節(jié)。 圖二： D/A轉換電路及DAC外圍電路3.2 單片機這里利用的是MSC-51單片機，實現(xiàn)速度測量、輸入設定機系統(tǒng)控制，和鍵盤設定。速度控制與測量 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速電路將電動機轉速轉換成脈沖信號，送至單片機的計數(shù)器T1，由T1測出電動機的實際轉速，通過鍵盤事先設定的值通過單片機對DAC0832輸入相應的數(shù)字量，使DAC0832輸出大小方向不同的電壓。來控制直流電動機的轉速和方向。鍵盤的設置 鍵盤采用三個獨立鍵盤，分

19、別控制電機的加速、減速、停止。三個按鍵分別接單片機的外部中斷INT0、INT1和復位端RST。當鍵被按下時候會輸出高電平，觸發(fā)相應的中斷服務程序。此系統(tǒng)復位電路采用上電按鈕復位電路，如圖5所示。復位端高電平有效。C的典型值為10F。當按下開關一定時間，電容相當于短路，電容開始充電，RST為高電平，單片機復位，當電容兩端電壓等于5V時，RST呈現(xiàn)低電平，復位完成。圖3.2上電與按鈕復位電路3.3 直流電機原理 直流電動機結構由定子和轉子兩大部分組成。直流電機運行時靜止不動的部分稱為定子，定子的主要作用是產(chǎn)生磁場，由機座、主磁極、換向極、端蓋、軸承和電刷裝置等組成。運行時轉動的部分稱為轉子，其主要

20、作用是產(chǎn)生電磁轉矩和感應電動勢，是直流電機進行能量轉換的樞紐，所以通常又稱為電樞，由轉軸、電樞鐵心、電樞繞組、換向器和風扇等組成。直流電動機的結構是由直流電源、直流電機、控制開關和調(diào)速器組成。直流發(fā)電機的工作原理就是把電樞線圈中感應的交變電動勢，靠換向器配合電刷的換向作用，使之從電刷端引出時變?yōu)橹绷麟妱觿莸脑?。感應電動勢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動電機旋轉。通過對三極管的截止與導通進行控制，使其起到開、關和調(diào)速的作用。具體的操作為當直流電動機接上直流電源時，使用電位器旋轉按鈕控制三極管集極的電壓。如直流電機控制原理圖四圖四： 直流電機控制原理1、當三極管的

21、集極電壓小于死區(qū)電壓時三極管截止，則電動機不轉動；2、當集極電壓大于死區(qū)電壓而小于飽和電壓時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機兩端的壓降也就改變了電機的轉速。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機的旋轉速度。3.4 直流電機調(diào)速方案的設計由直流電機的速度公式n=(Ua-IaRa)/Ce,其中n是電機轉速，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)，是電機的勵磁磁通。對于極對數(shù)是p，匝數(shù)是n，電樞支路數(shù)為a的電機來說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)電阻改變轉速的效果不明顯。

22、如果通過調(diào)節(jié)磁通量，對于它勵電機其有外接的電源電壓決定。故一般通過改變電樞電壓來達到調(diào)節(jié)轉速的目的。直流電機原理圖如下：圖五： 直流電機原理圖3.5 霍爾效應及元件速度采集電路 霍爾效應及原理 霍爾器件是有半導體材料制成的一種薄片，器件的長、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B，在沿l方向的兩個端面加以外電場，則有一定的電流經(jīng)過。由于電子在磁場中運動，所以將受到一個洛侖磁力，其大小為：flqVB其中：fl洛侖磁力，q載流子電荷，V載流子運動速度，B磁感應強度。這樣使電子的運動軌跡發(fā)生偏移，在霍爾元器件薄片的兩個側面分別產(chǎn)生電子積聚或電荷過剩，形成霍爾電場，霍

23、爾元器件兩個側面間的電位差UH稱為霍爾電壓?；魻栯妷捍笮椋篣H=RH×I×B/d(mV)。式中：RH -霍爾常數(shù)，d-元件厚度，B-磁感應強度，I-控制電流，設KH= RH/d ，則UH=KH×I×B (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強度和單位控制電流下輸出霍爾電動勢的大小。應注意，當電磁感應強度B反向時，霍爾電動勢也反向。若控制電流保持不變，則霍爾感應電壓將隨外界磁場強度而變化，根據(jù)這一原理，可以將一塊永久磁鋼固定在電動機的轉軸上轉盤的邊沿，轉盤隨被測軸旋轉，磁鋼也將跟著同步旋轉，在轉盤附近安裝一個霍

24、爾元件，轉盤隨軸旋轉時，霍爾元件受到磁鋼所產(chǎn)生的磁場影響?；魻柶骷敵雒}沖信號，器脈沖信號的頻率和轉速成正比。這樣只要測出脈沖信號的頻率或者周期即可求出直流電機的轉速?；魻栟D速測量及電路 霍爾轉速傳感器的主要工作原理是霍爾效應，也就是當轉動的金屬部件通過霍爾傳感器的磁場時會引起電勢的變化，通過對電勢的測量就可以得到被測量對象的轉速值?；魻栟D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： 直流電機測速裝置3.6 LED顯示的設置 由課題的要求，要由測速環(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機的轉速后，向單片機輸出相應的脈沖，并由單片

25、機將相應的脈沖譯碼后顯示到顯示器上。在單片機應用系統(tǒng)中，顯示器是最常用的輸出設備。在此選用兩個共陰極數(shù)碼管顯示脈沖數(shù)，顯示的是由霍爾元件采集來的脈沖數(shù)，由十六進制轉換為十進制后存入顯示緩沖區(qū)，再查表顯示出想要得到的數(shù)字。當電機停止時，數(shù)碼管顯示為零。圖七LED顯示流程圖第4章 程序整體思想 程序采用STC89C52單片機，輸出8位數(shù)字量，控制DAC0832輸出模擬量電壓，電壓范圍從-8v+8v，電壓的大小與正負控制電機的轉速與轉向。單片機外接三個獨立按鍵，分別接外部中斷觸發(fā)端INT0、INT1，復位端RST。Key1接復位端，觸發(fā)后程序復位，電機停止。Key2觸發(fā)外部中斷0，進入中斷實現(xiàn)電機加

26、速。Key3觸發(fā)外部中斷1，進入中斷使電機減速。程序初始狀態(tài)電機轉速為零。程序中轉速用變量speed表示。霍爾元件輸出脈沖端接到單片機P3.4口計數(shù)端，初始化單片機內(nèi)部定時器和計數(shù)器，使定時器0和計數(shù)器1同時工作；設置定時中斷，每一秒鐘進入定時器中斷，中斷程序中讀取計數(shù)值，即得到每秒電機轉的圈數(shù)。程序中用變量i表示。對于電機轉速顯示采用7219數(shù)碼管顯示。通過P0.0、P0.1、P0.2三個引腳接數(shù)碼管的CLK、DIN、LOAD端，將轉速i顯示。第5章 課設總程序設計#include <reg52.h> / key1（停） 接 9 RST/ key2（快） 接12 INT0(P3.

27、2)/ key3（慢） 接13 INT1(P3.3)/ LOAD 接 P1.2/ DIN 接 P1.1/ CLK 接 P1.0/ 脈沖輸出 接 P3.4/ AD接 P0sbit LOAD=P12;sbit DIN=P11;sbit CLK=P10;#define DECODE_MODE 0x09 /譯碼控制寄存器#define INTENSITY 0x0A /亮度控制#define SCAN_LIMIT 0x0B /掃描界限#define SHUT_DOWN 0x0C /關斷模式#define DISPLAY_TEST 0x0F /測試控制int speed,i,j=0;void delay(

28、int i)int j=0;for(j=0;j<i;j+);void counter() /計數(shù)器/定時器配置 /COUNTER 配置TMOD=0X51;/計數(shù)器1工作方式1/定時器0工作方式1TH1=0;TL1=0;/計數(shù)初值0TR1=1;/允許計數(shù) /TIMER 配置TH0=0x4c;TL0=0x00;/定時器初值，定時20ms溢出ET0=1;/定時器溢出中斷使能,1S中斷TR0=1;/允許定時/向7219寫八位地址和八位數(shù)值void Write7219(unsigned char address,unsigned char dat)unsigned char i; LOAD=0;

29、for(i=0;i<8;i+) CLK=0; DIN=(bit)(address&0x80); address<<=1; CLK=1; for(i=0;i<8;i+) CLK=0; DIN=(bit)(dat&0x80); dat<<=1; CLK=1; LOAD=1;void configuration() /7219顯示參數(shù)設置 Write7219(SHUT_DOWN,0x01); Write7219(DISPLAY_TEST,0x00); Write7219(DECODE_MODE,0xff); Write7219(SCAN_LIMIT

30、,0x02); Write7219(INTENSITY,0x04);void show(int i) /顯示轉速 3位 int a,b,c; a=i/100 ; /百位 b=i%100/10;/十位 c=i%10;/個位 Write7219(2,a); Write7219(1,b); Write7219(0,c);void main() / 主函數(shù) P0=0x00; EX1=1; IT1=1; EX0=1; IT0=1; counter(); EA =1;while(1) configuration(); P0=speed; delay(10); void speed_up() interru

31、pt 0 /加速if(speed<250&speed>5) speed+=50;void T0_time() interrupt 1 /定時中斷1sj+;if(j=50)i=TL1;/讀計數(shù)值show(i);/顯示速度TH0=0x4c;TL0=0x00;/初值重裝載j=0;TH1=0x00;/計數(shù)器值重裝載TL1=0x00;void speed_down() interrupt 2 /減速 if(speed<250&speed>5) speed-=50;課設總結通過用單片機來與0832 D/A轉換電路相互連接來控制輸出的電壓，電壓經(jīng)放大后來驅動直流電機，這樣就達到了控制直流電機的目的。電壓的改變是通過編制程序用單片機來改變0832輸入，這樣對于0832輸入的改變導致了輸出的改變，改變后的輸出來驅動直流電機。程序是通過鍵盤向單片機發(fā)送控制信號，再由單片機向DA轉換設備發(fā)送